Termodinamika

ENERGY DALAM, KAPASITAR KALOR MOLAR,

DAN AZAZ BLACK

D

I

S

U

S

U

N

OLEH :

NAZILA RAMADHANI

071244210073

PEND. FISIKA/ A

1. ENERGY DALAM

Konsep energy dalam merupakan konsep termodinamika yang terpenting. Materi

terbentuk dari atom-atom atau molekul-molekul yang membentuk partikel untuk mempunyai

energy kinetic dan energy potensial. Energy dalam didefinisikan sebagai jumlah semua

partikel energy kinetik dan energy potensial sebuah system parikel.

Dengan menggunakan teori kinetic kita dapat membedakan secara jelas pengertian

suhu, kalor dan energy dalam. Suhu merupakan ukuran energy kinetic rata-rata satu molekul.

Energy dalam mengacu kepada energy total semua molekul dari sebuah benda. Hal ini berarti

mungkin saja ada dua buah molekul yang sama, tetapi salah satu molekul mungkin

mempunyai energy dalam dua kali lebih besar. Adapun kalor mengacu pada perpindahan

energy dari suatu benda ke benda yang lain akibat perbedaan suhu.

Dalam teori kinetic gas, dinyatakan bahwa energy dalam sebuah gas ideal adalah :

Dengan n merupakan jumlah molekul dalam mol. Jadi, energy dalam sebuah gas ideal

bergantung pada suhu dan banyaknya molekul gas.

Jika sebuah molekul mempunyai lebih banyak atom, maka energy rotasi dan osilasi

dari molekul harus diperhitungkan. Pada gas selain monoatomik, energy dalam akan lebih

besar pada suhu tertentu, tetapi energy dalamnya masih merupakan fungsi dari suhu.

Energy dalam untuk gas tidak ideal atau gas yang sebenarnya juga bergantung pada

suhu, tetapi ketika berubah dari keadaan gas ideal, energy dalamnya juga bergantung pada

volume dan tekanan.

Energy dalam pada zat cair dan padat terlalu rumit untuk dijelaskan karena

didalamnya termasuk energy potensial listrik yang terkait dengan gaya (atau ikatan kimia)

natar atom-atom dan molekul-molekulnya.

Energy total dari proses adiabatic adalah jumalah dari dalam setiap tingkat

proses:

Walaupun pada umumnya diffrensial d’W adalah eksak dan kerja W mempunyai

harga yang berbeda untuk lintasan yang berbeda. Diffrensial d’Wad adalah eksak dalam arti

bahwa kerja itu sama untuk semua lintasan adiabatic antara dua keadaan yang mempunyai

energy kinetic dan energy potensialyang sama.

Kemungkinan untuk mendefenisikan sifat dari system yang diwakili oleh U, yaitu

bahwa perbedaan antara nilai keadaan a dan b adalah sama dengan kerja yang dilakukan oleh

system sepanjang setiap lintasan adiabatic dari a ke b. sifat ini disebut energy dalam dari

system. Besar energinya bergantung pada keadaan system, dan oleh karena itu dU adalah

diffrensial eksak. Secara konvensional dU negative jika system melakukan kerja adiabatic

d’Wad sehingga :

dU=-d’Wad

untuk dua keadaan a dan b :

Oleh karena itu energy total yang dilakukan oleh setiap suatu system dalam

setiap proses adiabatic anatar dua keadaan a dan b, yang mempunyai energy kinetic dan

energy potensial yang sama adalah sama dengan pengurangan (Ub-Ua) dari energy dalam

system. Sehingga ekspansi gas adiabatic dapat melakukan kerja walaupun tidak perubahan

energy kinetic dan energy potensianya, kerja dilakukan dengan perubahan energy dalamnya.

Satuan energy dalam sama dengan satuan dari usaha (kerja) dan dalam MKS adalah joule.

2. HUKUM I TERMODINAMIKA

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi

dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor

yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Dari kekekalan

energi, kita bisa menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang

ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – Kerja yang dilakukan oleh sistem

(sistem melepaskan energi).

Secara matematis, bisa ditulis seperti ini :

Keterangan :

ΔU = Perubahan energi dalam

Q = Kalor

W = Kerja

Persamaan ini berlaku untuk sistem tertutup (Sistem tertutup merupakan sistem yang

hanya memungkinkan pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan). Untuk sistem

tertutup yang terisolasi, tidak ada energi yang masuk atau keluar dari sistem, karenanya,

perubahan energi dalam = 0. Persamaan ini juga berlaku untuk sistem terbuka jika kita

memperhitungkan perubahan energi dalam sistem akibat adanya penambahan dan

pengurangan jumlah zat (Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya

pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan).

3. KAPASITAS KALOR MOLAR GAS

Kapasitas panas rata-rata didefenisikan sebagai banyaknya panas yang mengalir pada

system per perubahan temperature yang ditimbulkan. Jumlah kalor yang diberikan kepada

sebuah benda untuk menaikkan suhu mempunyai persamaan sebagai berikut :

Q=mcΔT

Dengan c adalah kalor jenis yang bergantung pada jenis benda dan ΔT merupakan perubahan

suhu yang terjadi. Besaran mc didefinisikan sebagai kapasitas kalor. Jadi, persamaan di atas

dapat dituliskan sebagai berikut :

Q=CΔT

Kapasitas kalor molar yang diperoleh dengan cara ini disebut sebagai kapasitas kalor

pada volume tetap dan disimbolkan dengan Cv. Adapun untuk memperoleh kapasitas kalor

molar untuk zat padat dan cair lebih mudah dalam kondisi tekanan tetap dan kapasitas kalor

molarnya disebut sebagai kapsitas kalor pada tekanan tetap serta disimbolakn dengan Cp.

Q= nCpΔT………….untuk tekanan tetap

Q= nCvΔT……….....untuk volume tetap

Untuk suatu proses volume konstan (i -> f ), usaha yang dilakukan gas W =ò p dV =

0,

maka menurut hukum pertama termodinamika,

Q = DU = 3/2 n R DT

n cv DT = 3/2 n R DT

cv = 3/2 R

Seluruh kalor yang diterimanya, digunakan untuk menaikkan tenaga internal sistem.

Cv adalah kalor jenis molar gas untuk volume konstan. Untuk suatu proses volume konstan (i

-> f’ ), usaha yang dilakukan gas W = ò p dV = p DV, maka menurut hukum pertama

termodinamika

dU = Q - W

dU = n cp DT - p DV

Karena kedua proses tersebut mempunyai temperatur awal dan akhir yang sama maka

kedua proses sama.

n cv DT = n cp DT - p DV

Dari pV = nRT diperoleh p DV = n R DT , maka

n cv DT = n cp DT - n R DT

cp - cv = R

Pada gas monodiatomik mempunyai Cv=3/2 R dan Cp= Cv+R= 3/2 R +R = 5/2 R

Pada gas diatomic mempunyai Cv =5/2 R dan Cp=Cv+R = 5/2R+R = 7/2 R

TABEL 1. KAPASITAS KALOR

Gas atau uapFormula Rumus

Kapasitas Panas SpesifikRasio

Tertentu Hangatkan

Individu Gas konstan - R - - R -

c p c p (kJ/kg K) (KJ / kg

K)

c v c v (kJ/kg K) (KJ / kg

K)

c p c p (Btu/lb m o

F) (Btu / lb o m F)

c v c v (Btu/lb m o

F) (Btu / lb o m F)

κ = κ = c p / c v c p /

v c

c p - c v c p

- c v (kJ/kg K) (KJ / kg

K)

c p - c v c p

- c v (ft lb f /lb m o R) (Ft lb f

/ lb m R o)

Acetone Aseton 1.47 1.47 1.32 1.32 0.35 0.35 0.32 0.32 1.11 1.11 0.15 0.15

Acetylene AsetilenC 2 H 2 C 2

H 21.69 1.69 1.37 1.37 0.35 0.35 0.27 0.27

1.232 1.232

0.319 0.319

59.34 59.34

Air Udara 1.01 1.010.718 0.718

0.24 0.24 0.17 0.17 1.40 1.400.287 0.287

53.34 53.34

Alcohol AlkoholC 2 H 5

OH C 2 H 5 OH

1.88 1.88 1.67 1.67 0.45 0.45 0.4 0.4 1.13 1.13 0.22 0.22

Alcohol AlkoholCH 3 OH CH 3 OH

1.93 1.93 1.53 1.53 0.46 0.46 0.37 0.37 1.26 1.26 0.39 0.39

Ammonia Amonia NH 3 NH 3 2.19 2.19 1.66 1.66 0.52 0.52 0.4 0.4 1.31 1.31 0.53 0.53 96.5 96.5

Argon Argon Ar Ar0.520 0.520

0.312 0.312

0.12 0.12 0.07 0.071.667 1.667

0.208 0.208

Benzene BensolC 6 H 6 C 6

H 61.09 1.09 0.99 0.99 0.26 0.26 0.24 0.24 1.12 1.12 0.1 0.1

Blast furnace gas Blast furnace gas

1.03 1.03 0.73 0.73 0.25 0.25 0.17 0.17 1.41 1.41 0.3 0.355.05 55.05

Bromine Brom 0.25 0.25 0.2 0.2 0.06 0.06 0.05 0.05 1.28 1.28 0.05 0.05

Butatiene Butatiene 1.12 1.12

Butane ButanaC 4 H 10 C

4 H 101.67 1.67 1.53 1.53

0.395 0.395

0.356 0.356

1.094 1.094

0.143 0.143

26.5 26.5

Carbon dioxide Karbon dioksida

CO 2 CO 20.844 0.844

0.655 0.655

0.21 0.21 0.16 0.161.289 1.289

0.189 0.189

38.86 38.86

Carbon monoxide Karbon monoksida

CO CO 1.02 1.02 0.72 0.72 0.24 0.24 0.17 0.17 1.40 1.400.297 0.297

55.14 55.14

Carbon disulphide Karbon disulfida

0.67 0.67 0.55 0.55 0.16 0.16 0.13 0.13 1.21 1.21 0.12 0.12

Chlorine Klorin Cl 2 Cl 2 0.48 0.48 0.36 0.36 0.12 0.12 0.09 0.09 1.34 1.34 0.12 0.12

Chloroform Khloroform

0.63 0.63 0.55 0.55 0.15 0.15 0.13 0.13 1.15 1.15 0.08 0.08

Combustion products Pembakaran produk

1 1 0.24 0.24

Ethane EtanaC 2 H 6 C 2

H 61.75 1.75 1.48 1.48 0.39 0.39 0.32 0.32

1.187 1.187

0.276 0.276

51.5 51.5

Ether Eter 2.01 2.01 1.95 1.95 0.48 0.48 0.47 0.47 1.03 1.03 0.06 0.06

Ethylene EtilenaC 2 H 4 C 2

H 41.53 1.53 1.23 1.23 0.4 0.4 0.33 0.33

1.240 1.240

0.296 0.296

55.08 55.08

Freon 22 Freon 22 1.18 1.18

Helium Helium He Dia 5.19 5.19 3.12 3.12 1.25 1.25 0.75 0.751.667 1.667

2.08 2.08386.3 386.3

Hexane Hexane 1.06 1.06

Hydrogen Hidrogen H 2 H 214.32 14.32

10.16 10.16

3.42 3.42 2.43 2.431.405 1.405

4.12 4.12765.9 765.9

Hydrogen Chloride Hidrogen Klorida

HCl HCl 0.8 0.8 0.57 0.570.191 0.191

0.135 0.135

1.41 1.41 0.23 0.23 42.4 42.4

Hydrogen Sulfide Hidrogen Sulfida

H 2 S H 2 S0.243 0.243

0.187 0.187

1.32 1.32 45.2 45.2

Hydroxyl Hidroksil OH OH 1.76 1.76 1.27 1.271.384 1.384

0.489 0.489

Methane Metana CH 4 CH 4 2.22 2.22 1.70 1.70 0.59 0.59 0.45 0.451.304 1.304

0.518 0.518

96.4 96.4

Methyl Chloride Metil Klorida

CH 3 Cl CH 3 Cl

0.240 0.240

0.200 0.200

1.20 1.20 30.6 30.6

Natural Gas Natural Gas

2.34 2.34 1.85 1.85 0.56 0.56 0.44 0.44 1.27 1.27 0.5 0.5 79.1 79.1

Neon Neon 1.03 1.030.618 0.618

1.667 1.667

0.412 0.412

Nitric Oxide Nitric Oxide

NO NO0.995 0.995

0.718 0.718

0.23 0.23 0.17 0.171.386 1.386

0.277 0.277

Nitrogen Nitrogen N 2 N 2 1.04 1.040.743 0.743

0.25 0.25 0.18 0.181.400 1.400

0.297 0.297

54.99 54.99

Nitrogen tetroxide Nitrogen ferri

4.69 4.69 4.6 4.6 1.12 1.12 1.1 1.1 1.02 1.02 0.09 0.09

Nitrous oxide Nitrous oksida

N 2 O N 2

O0.88 0.88 0.69 0.69 0.21 0.21 0.17 0.17 1.27 1.27 0.18 0.18 35.1 35.1

Oxygen Oksigen O 2 O 20.919 0.919

0.659 0.659

0.22 0.22 0.16 0.161.395 1.395

0.260 0.260

48.24 48.24

Pentane Pentana 1.07 1.07

Propane PropanaC 3 H 8 C 3

H 81.67 1.67 1.48 1.48 0.39 0.39 0.34 0.34

1.127 1.127

0.189 0.189

35.0 35.0

Propene (propylene) Propena (propylene)

C 3 H 6 C 3

H 61.5 1.5 1.31 1.31 0.36 0.36 0.31 0.31 1.15 1.15 0.18 0.18 36.8 36.8

Water Vapor Uap air Steam 1 psia. Uap 1 psia. 120 – 600 o F

120-600 o F

1.93 1.93 1.46 1.46 0.46 0.46 0.35 0.35 1.32 1.320.462 0.462

Steam 14.7 psia. Uap 14,7 psia. 220 – 600 o

F 220-600 o F1.97 1.97 1.5 1.5 0.47 0.47 0.36 0.36 1.31 1.31 0.46 0.46

Steam 150 psia. Uap 150 psia. 360 – 600 o

F 360-600 o F2.26 2.26 1.76 1.76 0.54 0.54 0.42 0.42 1.28 1.28 0.5 0.5

Sulfur dioxide (Sulphur dioxide) Sulfur dioksida

(Sulfur dioksida)

SO 2 SO 2 0.64 0.64 0.51 0.51 0.15 0.15 0.12 0.12 1.29 1.29 0.13 0.13 24.1 24.1

κ = p c / c v - kapasitas panas rasio tertentu c p = panas spesifik dalam proses tekanan konstan

c v = panas spesifik dalam proses volume konstan

4. AZAZ BLACK DAN KALORIMETER

Dua zat (system) yang temperaturenya mula-mula berbeda kemudian dicampur pada

kondisi adiabatic maka pada saat terjadinya kesetimbagan termal oleh kedua zat, aka banyak

kaolr yang dilepas yang temperaturnya mula-mula tinggi sama dengan kalor yang diterima

oleh zat yang temperaturnya mula-mula lebih rendah, menurut Black berlaku :

Qlepas=Qterima

Atau

Dengan c1 dan c2 masing-masing kalor jenis zat 1 dan zat2.

Apabila diketahui harga aklor jenis suatu zat, maka dapat ditentukan harga kalor jenis

zat berdasarkan azas Black. Prinsip pengukuran ini disebut calorimeter.

SOAL

1. Sebuah tabung berisi 3 mol gas helium pada suhu 300 K. tentukanlah energy yang

dialirkan oleh kalor ke gas untuk meningkatkan suhu gas menjadi 500 K pada keadaan :

a. volume tetap

b. tekanan tetap

Penyelesaian :

a. untuk keadaan volume tetap, maka digunakan persamaan :

Q=nCvΔT

Diketahui nilai Cv=12,5 J/mol.K untuk helium dan ΔT = 200 K sehingga

Q= (3 mol) (12,5 J/mol.K) (200K)

Q= 7,5 x 103J.

b. untuk keadaan tekanan tetap, maka gunakan persamaan :

Q=nCpΔT

Diketahui bahwa nilai Cp=20,8 J/mol.K untuk helium dan ΔT = 200K sehingga

Q= (3 mol) (20,8 J/mol.K) (200K)

Q = 12,5x 103J

2. Diketahui 1 mol gas helium (Mr He = 4 gr/mol) memiliki suhu 270C. Tentukan:a. Energi kinetik rata-rata partikelb. Energi dalam gas.

Penyelesaian:

n = 1 molMr He = 4T = 27OC + 273 = 300 Ka. Energi kinetik rata-rata sebesar :

b. Energi Dalam gas

N = m No= 1 . 6,022 . 1023 = 6,022 . 1023

U = N= 6,022 . 1023 . 6,21 . 10-21= 3,7 . 103

joule

3. Diketahui 10 mol gas helium disimpan dalam tabung terttutup, volume tetap He adalah 2

liter dan memiliki tekanan sebesar 1,3 x 106Pa. Jika gas menyerap kalor sehingga tekanan

menjadi 2x106 Pa, maka tentukan besar perubahan energy dalam dari gas helium

Penyelesaian :

Dik : V= 2 liter

P1=1,2 x106 Pa

P2= 2x 106 Pa

Dit : a. perubahan energy dalam

Jawab :

a. perubahan energy dalam

=

=

=

=

= 240 Joule

4. Dua mol gas monoatomik pada suhu 270C dan tekanan 3x105 Pa mengalami proses isokhorik hingga tekanannya mejadi 4x105 Pa. bila tetapan gas umum 8,31 J/mol K, maka perubahan energy dalam adalah..

Penyelesaian :

Dik : T=270C

P1 = 3x105 Pa

P2=4x105 Pa

R=8,31 J/mol K

Dit : ΔU =……?

Jawab :

Perubahan energy dalam dari proses isokhorik :

Dari hokum Boyle- Gay lussac

Dan ΔT =T2-T1

ΔT = 400K -300K =100 K

Jadi perubahan energy dalam :

ΔU = 2493 J

5. Sebanyak 5 mol gas oksigen berada pada keadaan suhu sedang. Apabila R=8,31 J/mol K, maka besar kapasitas kalor pada tekanan tetap adalah..

Penyelesaian :

Dik : n = 5 mol

R=8,31 J/mol K

Dit : Cp=..?

Jawab :

Kapsitas kalor gas oksigen (O2) pada tekanan tetap dan suhu sedang:

=