5. Hukum Pertama Termodinamika_1.pdf
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA OLEH: EVI SAPINATUL BAHRIAH, S.PD, M.PD JURUSAN PENDIDIKAN KIMIA FAKULTAS ILMU TARBIYAH DAN KEGURUAN UIN SYARIF HIDAYATULLAH JAKARTA
1. PENGANTAR TERMODINAMIKA
Termodinamika Kimia (Pengertian Sederhana) Termodinamika Kimia Termodinamika
Termo = Panas Dinamika = Perubahan Kimia
Hukum Termodinamika (yang paling penting) Hukum Termodinamika Hukum I: Hukum II&III:
Kekekalan Energi Entropi You cannot win You cannot break even
Definisi Energi panas,
Kemampuan kerja, melakukan kerja massa, entropi
Kemampuan melakukan kerja atau memberikan panas Segala sesuatu yang disebut energi dan segala sesuatu yang dapat diubah menjadi atau berasal dari energi
Jenis-jenis Energi
Energi Radiasi berasal dari matahari dan merupakan sumber energi utama di
Bumi. Energi Termal adalah energi yang berkaitan dengan gerak acak atom-atom dan molekul.
Energi Kimia tersimpan dalam satuan struktur zat kimia.
Energi Nuklir merupakan energi yg tersimpan dalam gabungan neutron dan
proton pada atom. Energi Potensial adalah energi yang tersedia akibat posisi suatu benda.
Jumlah total energi di alam selalu tetap.
Energi tidak dapat diciptakan (something from nothing) Energi tidak dapat dimusnahkan (something into nothing)
Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain (termasuk ke bentuk yang tidak disebut energi (mis: kerja) Hukum I Termodinamika
2. Beberapa Pengertian Dasar
Sistem dan Lingkungan
Keadaan Sistem dan Persamaan Keadaan
Fungsi Keadaan Perubahan Keadaan Kalor1. Sistem dan Lingkungan
Sistem kimia sesuatu atau sejumlah zat atau campuran zat-zat yang dibatasi oleh sifat-sifat fisik atau konseptual yang sifat-sifatnya bisa dipelajari atau menjadi pusat perhatian.
Lingkungan segala sesuatu di luar sistem
Antara sistem dengan lingkungan dapat terjadi interaksi, yaitu berupa
pertukaran energi dan atau materi.
Lingkungan
Lingkungan Lingkungan
Sistem
(Fokus Perhatian)
E & E m
Sistem Sistem Sistem Terbuka Tertutup Terisolasi SISTEM LINGKUNGAN
2. Keadaan Sistem dan Persamaan Keadaan
Keadaan sistem
sifat-sifat yang mempunyai nilai tertentu apabila sistem ada dalam kesetimbangan pada kondisi tertentu.
Keadaan sistem dipengaruhi oleh:
(1)
variable intensif (variable yang tidak bergantung pada besar dan ukuran sistem)
(2)
variable ekstensif (variable yang bergantung pada besar dan ukuran sistem)
Intensif Ekstensif
Suhu (T) Volume total (V)
Tekanan (P) Massa (m) Massa jenis ( Jumlah mol (n) ) Volume spesifik (V)
Contoh:
(1)
Persamaan keadaan gas ideal
(2)
Persamaan keadaan gas nyata
(3)
Persamaan van der Waals
(4)
Dll
3. Fungsi Keadaan
Fungsi keadaan sifat semua sistem yang hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir
Energi potential gravitasi potensial pendaki 1 dan pendaki 2 adalah sama, tidak
Di dalam termodinamika dikenal beberapa fungsi keadaan, seperti:
(1)
Energi dalam (u; U)
(2)
Entalpi (h; H)
(3)
Entropi (s; S)
(4)
Energi Bebas Gibbs (g; G)
(5)
Energi Bebas Helmholtz (a; A)
Salah satu sifat penting dari fungsi keadaan diferensial total (eksak)
Sifat-sifat diferensial total:
2
(1) Jika , maka dz adalah diferensial total = −
2
1
1
(2) Jika = 0 , maka dz adalah diferensial total
(3) Berlaku formula Euler: jika = , + , maka:
=
4. Perubahan Keadaan
Cara suatu sistem mengalami perubahan dari satu keadaan ke keadaan yang lain Proses
Proses yang terjadi pada suatu sistem dapat dikelompokkan menjadi 2, yaitu:
(1) Proses reversible, yaitu proses yang berlangsung tak terhingga lambatnya, Sehingga setiap saat sistem selalu berada dalam keadaan kesetimbangan (quasy- static = seolah-olah static). Proses reversible dapat terjadi pada suhu tetap (isothermal), tekanan tetap (isobar), volume tetap (isokhor), entropi tetap (isentrop), dan dan secara adiabatic (tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungannya)
5. Kalor
Kalor (q; Q) salah satu bentuk energi yang dapat dipertukarkan oleh sistem dan lingkungan karena adanya perbedaan suhu.
Q = + Apabila sistem menerima kalor dari lingkungan Q = - Apabila sistem melepaskan kalor ke lingkungan
Perubahan kalor system yang terjadi (dQ)
menandakan bahwa perubahan kalor bergantung pada jalannya sistem Sehingga kalor bukan fungsi keadaan.
Kalor yang diserap sistem untuk menaikkan suhunya sebesar satu derajat kapasitas kalor (C)
= ∆
Kapasitas kalor untuk setiap satu mol zat
kapasitas kalor molar ( )
Kapasitas kalor untuk setiap gram atau setiap kilogram kalor spesifik
(c; JK g )
Hubungan antara ketiganya dinyatakan dengan:
Contoh o
Sebanyak 0,5 Kg air yang mempunyai suhu 95 C dimasukan ke dalam tabung yang o terbuat dari logam yang mempunyai suhu 25
C. Tabung disekat sedemikian rupa Sehingga tidak ada kalor yang keluar tabung. Setelah ditunggu beberapa lama o ternyata suhu air turun menjadi 50
- - -
C. Tentukan kapasitas kalor logam, jika diketahui kalor spesifik air adalah 4,814 JK g ?
PENYELESAIAN:
DIK: ma = 0,5 Kg = 500 g - - ca = 4,814 JK g o Ta = 95 C = 368,15 K o
Jawab:
= → = ∆
∆
= ∆ = −
= ∆ = −
=
Kalor yang diterima logam = kalor yang diserap air
= −
− = − −
− = − −
− −
500 g 4,814 JK g 323,15 368,15
6. Kerja
Setiap bentuk energi yang bukan kalor yang dipertukarkan antara sistem dan lingkungan kerja (w; W)
W= + sistem menerima kerja
W= - sistem melakukan kerja
Kerja volume kerja yang menyertai perubahan keadaan (volume) sistem akibat ekspansi atau kompresi suatu zat (pada umumnya terjadi pada gas)
Kerja ada 2 macam, yaitu: (1) kerja ekspansi; (2) kerja kompresi
Kerja Ekspansi Satu Langkah
Kerja ekspansi kerja yang terjadi apabila volume sistem membesar melawan
tekanan lingkungan. Kerja yang dilakukan sistem sebesar = ℎ , dengan m = massa benda, g= gravitasi, dan h= jarak perpindahan benda. Dengan menggunakan persamaan = , dapat dinyatakan hubungan antara kerja yang dilakukan dengan sistem dengan perubahan volumenya, secara matematis dinyatakan dengan persamaan:
= − ∆ = − −
2
1
Dimana: W= kerja total yang menyertai perubahan keadaan sistem = tekanan luar (lingkungan) V2= volume sistem pada keadaan akhir
Grafik Jumlah Kerja yang Dihasilkan pada Ekspansi Satu Langkah
P1,V1
P2,V2 Pn P1 P1 Contoh:
Pada suhu tertentu sejumlah gas memuai terhadap tekanan luar 2 atm hingga volumenya menjadi 3x volume semula. Diketahui volume awal gas 5 Liter. Berapa − − joule kerja yang dilakukan sistem tersebut. R= 8,314 J ?
PENYELESAIAN:
DIK: = 2 atm
V1= 5 Liter V2= 3V1= 15 Liter − −
R= 8,314 J
DIT: W (Joule)= jawab:
= − ∆
= −
2
−
1
= −2 15 − 5 = −20
= −20 ×
8,314 − −
0,082 − −
= − ,
Kerja sistem sebesar -2027,805 joule, artinya sistem kehilangan energi dalam bentuk kerja sebesar 2027,805 joule
Kerja Ekspansi Dua Langkah
Penentuan keadaan sistem dapat juga dilakukan lebih dari 2 keadaan. Apabila keadaan sistem ditentukan pada tiga keadaan maka kerjanya dinamakan KERJA EKSPANSI 2 LANGKAH (2 TAK).
Perubahan keadaan sistemnya dapat digambarkan seperti: 1 P 1 P 1 P
Kerja total yang dilakukan sistem diperoleh dengan menjumlahkan kerja pada langkah pertama dan langkah kedua. Secara matematis dirumuskan:
=
-
ℎ ℎ
Secara grafik, kerja yang dihasilkan pada sistem dua langkah dapat digambarkan sebagai
berikut: P P1,v1
P P P2,v2
Daerah yang diarsir menunjukkan jumlah kerja yang terjadi pada ekspansi dua langkah.
Untuk sistem yang sama, jumlah kerja yang terjadi dapat berbeda apabila sistem tersebut bekerja dengan langkah yang berbeda.
Sistem dengan perubahan keadaan pada langkah yang lebih banyak akan disertai dengan kerja yang lebih besar dapat dilihat dari luas daerah yang diarsir
Daerah yang diarsir pada sistem yang bekerja dua langkah lebih besar daripada yang bekerja satu langkah, yang berarti kerja sistem dua langkah lebih besar daripada satu langkah.
Ekspansi Reversibel
Sistem yang melakukan langkah sangat banyak memiliki perubahan volume sangat kecil untuk setiap langkahnya.
Untuk menyatakan perubahan volume yang sangat kecil dinyatakan dengan dV
Sedangkan kerja yang dihasilkan untuk setiap perubahan volumenya dinyatakan dengan dW
Tanda d Digunakan untuk menyatakan bahwa kerja bukan merupaan fungsi keadaan.
Hubungan antara kerja dengan perubahan volumenya dinyatakan secara matematis: = −
tekanan lingkungan. Apabila dV sedemikian kecilnya Sehingga tekanan sistem senantiasa berkesetimbangan dengan tekanan lingkungan maka tekanan lingkungan
Pada sistem ini tekanan luar dapat dianggap sama dengan tekanan sistem ( =P). Sehingga persamaan tersebut menjadi: = −
Karena P merupakan tekanan sistem, maka dapat digunakan persamaan keadaan sistem. Apabila sistem tersebut merupakan gas ideal maka P dapat dinyatakan dengan persamaan gas ideal. Demikian pula, jika sistem tersebut merupakan gas van der Waals, maka P dapat dinyatakan dengan persamaan keadaan gas van der
Jumlah total kerja yang dihasilkan pada ekspansi reversible dapat diperoleh dengan mengintegrasikan persamaan:
2
− =
1
Jika digambarkan, kerja yang dilakukan pada proses reversible seperti berikut:
P P1,V1 P2,V2
Daerah yang diarsir menyatakan jumlah total kerja yang terjadi pada proses reversible, yang dibatasi dari keadaan awal sampai keadaan akhir.
Berdasarkan grafik ini, jika dibandingkan dengan grafik-grafik sebelumnya, dapat dinyatakan bahwa pada proses reversible kerja dilakukan oleh sistem merupakan KERJA MAKSIMUM Contoh o
Satu mol gas nitrogen pada 25 C memuai secara isotermis dan reversible Sehingga volumenya menjadi 2x lebih besar daripada volume semula. Berapa kerja yang dilakukan sistem tersebut, jika dianggap gas bersifat ideal?
PENYELESAIAN
DIK: n = 1 mol V1 = V1
V2 = 2V1 − −
R= 8,314 J Gas ideal PV= nRT Jawab:
=
1
− −
= −1 . 8,314 J
1
1
2
. 298,15
− −
= −1 . 8,314 J
1
2
= −
−
1
2
= −
1
2
1
= −
2
1
= −
−
2
. 298,15 2
7. Kerja Kompresi
Kerja kompresi kebalikan dari kerja ekspansi.
Persamaan yang digunakan untuk menentukan kerja kompresi sama dengan persamaan yang digunakan pada kerja ekspansi.
Namun, karena didalam kompresi volume akhir lebih kecil daripada volume awal, dalam setiap tahap
∆ bertanda negatif, Sehingga kerja total sistem adalah positif.
Artinya bahwa pada proses kompresi, sistem menerima kerja dari lingkungannya Sehingga energinya bertambah.
Jika pada proses ekspansi reversible diperoleh kerja maksimum, maka pada proses
3. Energi Dalam dan Perubahannya
Energi kemampuan sistem untuk melakukan kerja.
Energi dalam (U) keseluruhan energi yang dimiliki oleh suatu sistem dalam keadaan tertentu
Energi dalam merupakan suatu fungsi keadaan, hanya bergantung pada keadaan sistem, tidak bergantung pada jalan yang dilalui sistem
Misalnya jika suatu sistem mengalami perubahan dari keadaan awal (U1) ke keadaan akhir (U2) maka energi dalam sistem akan berubah
1. Perumusan Hukum Pertama Termodinamika
Hubungan antara perubahan energi dalam dengan bentuk energi yang lain dapat dirumuskan sebagai berikut
∆ = +
Persamaan ini merupakan suatu bentuk umusan matematis dari Hukum Pertama termodinamika, yang juga merupakan bentuk lain dari hukum kekekalan energi. Dalam bentuk perubahannya yang sangat kecil biasanya dirumuskan dengan:
d = +
Persamaan ini mempunyai arti bahwa energi dalam sistem berubah sebesar
Hukum pertama termodinamika merupakan konsep empiris, yang artinya energi tidak dapat diciptakan atau dihilangkan, energi hanya dapat diubah menjadi bentuk lain, yaitu kalor dan kerja.
Kalor dan kerja bukan fungsi keadaan
Energi dalam
fungsi keadaan
Jika kerja yang dilakukan sistem dibatasi hanya pada kerja volume melawan tekanan
lingkungan yang tetap, maka: d = + d = −
MAKA, sifat sistem yang bekerja berdasarkan perubahan volume, diantaranya: (1) jika proses berlangsung isokhor (dV=0), maka perubahan energi dalam sistem sama dengan
jumlah kalor yang diterima sistem, dU= dQ atau . Dapat pula dikatakan bahwa ∆ = pada volume tetap, semua kalor yang diterima sistem digunakan untuk meningkatkan energi dalamnya.
(2)
Jika sistem disekat sempurna (adiabat), dQ= 0, maka energi dalam sistem akan berkurang Contoh o
Satu mol gas ideal memuai secara isotherm pada 25 C terhadap tekanan luar 1 atm dari 12 liter menjadi 24 liter. Tentukan kerja dan kalor yang diserap pada proses tersebut untuk mendapatkan
∆ = 0 ?
PENYELESAIAN:
o DIK: T= 25 C
V1= 12 liter V2= 24 liter
∆ = 0
JAWAB:
∆ = + = 0
= − −
2
1 − −
8,314
= −1 24 − 12 L = −12 Latm × = −
− − 0,082
Q = - W = 1216 J
Contoh
Satu mol gas ideal memuai secara reversible dan isotherm pada 25 o C Sehingga volumenya berubah dari 12 liter menjadi 24 liter. Hitung kerja dan kalor yang diserap pada proses tersebut untuk mempertahankan
∆ = 0?
PENYELESAIAN:
DIK: n = 1 mol
V1 = 12 Liter V2 = 24 Liter T = 25 o C = 298,15 K proses reversible dan gas ideal Jawab:
= − Karena proses reversible, maka
= . Sehingga = − = = − , Karena T konstan, maka:
2 24 − −
= −nRTln = −1 . 8,314 . 298,15 = −
1
12
= −1718
= +
2. Energi Dalam sebagai Fungsi Suhu dan Volume
Untuk sistem tertutup (jumlah dan macam zat tidak mengalami perubahan), besarnya energi dalam sistem dipengaruhi oleh suhu dan volume. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut:
= ,
Pengaruh perubahan kedua variable tersebut terhadap perubahan energi dalam dirumuskan seperti:
- =
- =
- − =
Jika proses dilangsungkan pada volume tetap, dV=0, maka: − + 0 =
= = Penentuan Kuosien Gas memuai terhadap tekanan hampa,
= 0, berarti tidak ada kerja yang dilakukan sistem Sehingga
= 0, Sehingga = . Oleh karena suhu sistem tidak berubah, = 0, maka = 0, Sehingga = 0
- = = 0 + 0 =
Karena volume sistem berubah dalam percobaan,
≠ 0, MAKA: = 0
Sedangkan perubahan energi dalam untuk gas nyata ditentukan:
Contoh:
Tentukanlah perubahan energi dalam dan kalor sistem jika 1 mol gas He dipanaskan pada o o
3
volume tetap dari 25 C ke 45
C. Diketahui kapasitas kalor molar gas, = , dan asumsikan
2
gas bersifat ideal?
PENYELESAIAN:
DIK: n = 1 mol o T1 = 25 C= 298,15 K o T2 = 45 C= 318,15 K
3
=
2 Proses isokhor dan ideal
Jawab:
= + Untuk gas ideal berlaku:
= 0 =
= −
= ∆ = −
2
1
∆ = −
2
1
3
3 − −
∆ = − = 1 . . 8,314 318,15 − 298,15 = 249,42
2
1
2
2