TERMODINAMIKA (I) Dr. Ifa Puspasari

Transkripsi

1 TERMODINAMIKA (I) Dr. Ifa Puspasari

2 Kenapa Mempelajari Termodinamika? Konversi Energi

3 Reaksi-reaksi kimia dikaitkan dengan perubahan energi. Perubahan energi bisa dalam bentuk energi kalor, energi cahaya, energi listrik, energi kerja, dsb. Energi dikonsumsi untuk memutuskan ikatan kimia dan energi dilepaskan ketika pembentukan ikatan kimia.

4 Definisi Termodinamika Termo + Dinamik = Kalor + Kerja Termodinamika adalah cabang dari ilmu pengetahuan alam yang mempelajari tentang kalor dan hubungannya dengan energi dan kerja. Termodinamika hanya mempelajari hubungan antara keadaan awal dan akhir dari suatu sistem. Jumlah energi mutlak dalam suatu sistem tidak dapat diketahui, yang dapat diketahui adalah perubahan energi yang dialami oleh sistem. Termodinamika: tingkat makroskopik

5 Sistem Makroskopik dan Mikroskopik Sistem makroskopik melibatkan molekul-molekul dalam jumlah besar. Sistem mikroskopik melibatkan atom-atom. Hukum-hukum termodinamika berhubungan dengan perubahan energi dalam sistem makroskopik.

6 Hukum-hukum Termodinamika Hukum ke-nol: Kesetimbangan termal. Termometer berdasarkan pada hukum ini. Hukum pertama: Kekekalan energi. ΔU = Q + W Hukum kedua: Arah perubahan kimia. Kenaikan entropi alam. Hukum ketiga: Pada 0 K, entropi dari kristal murni padat adalah nol.

7 Sistem dan Lingkungan Sistem dalam termodinamika mengacu pada bagian dari alam semesta dimana pengamatan dilakukan dan sisanya adalah lingkungan. Alam semesta = Sistem + Lingkungan Dinding yang memisahkan sistem dari lingkungan disebut sebagai batasan.

8 Jenis-jenis Sistem

9 Fungsi Keadaan vs Fungsi Jalan Fungsi keadaan: sifat yang hanya tergantung pada keadaan saat ini dari suatu sistem dan tidak tergantung pada bagaimana ianya sampai pada keadaan tersebut. Contoh: volume

10 Fungsi Keadaan vs Fungsi Jalan Fungsi keadaan: Volume Suhu Tekanan Densitas Massa Energi internal Fungsi jalan: Kalor Kerja Kerja dan kalor adalah kuantitas proses dan bukan fungsi keadaan karena nilainya tergantung pada perpindahan (atau jalan) spesifik di antara dua keadaan kesetimbangan

11 Keadaan Sistem Termodinamik Kita menentukan keadaan suatu sistem dengan menggunakan fungsi keadaan atau variabel keadaan. Kita bisa menggambarkan keadaan suatu gas dengan memberikan berapa tekanannya (P), volumenya (V), suhunya (T), jumlahnya (n), dsb. Variabel P, V, T, n adalah variable keadaan.

12 Sifat Ekstensif dan Intensif Sifat ekstensif adalah sifat yang nilainya tergantung pada jumlah ataupun ukuran suatu zat di dalam sistem. Contohnya massa, volume, energi internal, entalpi, kapasitas panas, dsb. Sifat-sifat yang tidak tergantung pada jumlah ataupun ukuran zat dikenal dengan sifat intensif. Contohnya suhu, densitas, tekanan, dsb.

13 Proses-proses Termodinamika Proses yang menyebabkan perubahan keadaan suatu sistem disebut Proses Termodinamika. proses isotermal proses isobarik proses adiabatik proses isokorik

14 Proses Siklus Apabila suatu sistem kembali ke keadaan asalnya setelah menyelesaikan serangkaian perubahan, maka satu siklus telah dijalankan dan proses ini disebut dengan proses siklus. Contoh: siklus Carnot

15 Proses Reversibel dan Ireversibel Suatu proses atau perubahan dikatakan reversibel, jika perubahan yang dilakukan dapat dibalik setiap saat. Proses reversibel berjalan perlahan dengan serangkaian keadaan kesetimbangan dimana sistem dan lingkungan selalu dalam keadaan setimbang satu sama lain. Proses selain proses reversibel adalah proses ireversibel. Semua proses alami adalah ireversibel.

16 Energi Internal (U) Energi internal adalah energi total yang terkandung dalam suatu sistem termodinamik. Bisa berupa energi kimia, listrik, mekanik, rotasi, vibrasi, potensial, nuklir atau bentuk energi yang lain. Nilai mutlak dari energi internal tidak dapat ditentukan. Yang dapat dilakukan adalah mengukur perubahan energi internal (ΔU). Perubahan energi internal dapat terjadi apabila: Kerja dilakukan pada atau oleh sistem Kalor berpindah ke dalam atau keluar sistem Zat memasuki atau meninggalkan sistem

17 Perubahan Energi Internal karena Kerja Sistem yang tidak ada pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan dinamakan adiabatik. Proses adiabatik adalah suatu proses dimana tidak ada transfer kalor antara sistem dan lingkungan. Cara untuk merubah energi internalnya: Mengaduk: kerja mekanik Memanaskan dengan rod: energi listrik Reaksi kimia: energi kimia ΔU = W W bertanda positif jika kerja dilakukan pada sistem. W bertanda negatif jika kerja dilakukan oleh sistem.

18 Energi Internal: Fungsi Keadaan Eksperimen yang dilakukan oleh James Prescott Joule mampu menunjukkan bahwa: Sejumlah kerja yang dilakukan pada sistem, tidak peduli bagaimana diperolehnya (tidak tergantung jalan), menghasilkan perubahan keadaan yang sama, sebagaimana diukur menggunakan perubahan suhu sistem.

19 Perubahan Energi Internal karena Kalor Perubahan energi internal suatu sistem dapat juga terjadi karena perpindahan panas dari lingkungan ke sistem atau sebaliknya tanpa melakukan kerja. Perpindahan energi ini, yang terjadi karena perbedaan suhu, disebut kalor, Q. Volume tetap & ada kalor: ΔU = Q jika tidak ada kerja yang dilakukan pada volume tetap Q bertanda positif jika kalor dipindahkan dari lingkungan ke sistem. Q bertanda negatif jika kalor dipindahkan dari sistem ke lingkungan.

20 Perubahan Energi Internal karena Kalor dan Kerja ΔU = Q + W Persamaan di atas adalah pernyataan matematis dari hukum termodinamika pertama. Biasanya juga disebut sebagai hukum kekekalan energi, yaitu energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan; energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.

21 Contoh Tentukan perubahan energi internal sistem jika: 1. Tidak ada kalor yang diserap oleh sistem dari lingkungan, tetapi kerja dilakukan pada sistem. 2. Tidak ada kerja yang dilakukan pada sistem, tetapi sejumlah kalor Q dikeluarkan dari sistem dan diberikan pada lingkungan. 3. Sejumlah kerja W dilakukan oleh sistem dan sejumlah kalor Q diberikan ke dalam sistem.

22 Entalpi (H) Entalpi total suatu sistem, H, tidak dapat diukur secara langsung. Maka, perubahan entalpi, ΔH, merupakan kuantitas yang digunakan berbanding nilai absolutnya. ΔH positif dalam reaksi endotermik dan negatif dalam proses mengeluarkan panas / eksotermik. ΔH suatu sistem adalah sama dengan penjumlahan dari kerja yang dilakukan pada sistem dan kalor yang diberikan ke sistem. Untuk proses dalam tekanan tetap, ΔH sama dengan perubahan energi internal sistem ditambah kerja yang telah dilakukan sistem kepada lingkungannya.

23 Entalpi ΔH = ΔU + PΔV ΔH merupakan fungsi keadaan karena U, P dan V adalah fungsi keadaan.

24 Sistem melakukan kerja apabila berekspansi. (a) Gas dalam silinder dengan sebuah piston. (b) Piston terdorong ke atas dan gas berkespansi, jika tekanan gas lebih besar dari tekanan eksternal, P ex. Kerja yang dilakukan berbanding lurus dengan P ex dan perubahan volume ΔV.

25 Hukum I Termodinamika ΔU = Q + W E adalah fungsi keadaan Kekekalan U ΔU alam semesta = ΔU sistem + ΔU lingkungan = 0

26 Kerja untuk Gas W = - F Δh = - P ext ΔV Ekspansi ΔV > 0 W 0 Kompresi ΔV < 0 W > 0

27 Volume/Tekanan Tetap ΔU = Q + W Bomb calorimeter Volume Energi U W = 0 ΔU = Q v ΔE ΔT Tekanan Entalpi H = U + PV ΔH = ΔU + PΔV ΔH = Q + W + PΔV (W = - PΔV) ΔH = Q p ΔH ΔT Open to atmosphere

28 Ekspansi/Kompresi Isotermal T tetap: ΔU = ΔH = 0 Q = - W Ekspansi Kompresi

29 Ekspansi/Kompresi Adiabatik Q = 0; ΔU = W Ekspansi W 0 ΔU 0 Kompresi W > 0 ΔU > 0

30 Contoh Soal 1 Gas berekspansi sebesar 500 ml melawan tekanan 1,20 atm dan tidak ada kalor yang dipindahkan ke lingkungan selama proses ekspansi tersebut. Berapakah kerja yang dilakukan dalam ekspansi tersebut? Berapakah perubahan energi internal dari sistem tersebut?

31 Jawaban Proses ireversibel W = - P ex ΔV = - (1,20 atm) x (0,50 L) = -0,60 L.atm = -(0,60 L.atm) x (101,325 J/L.atm) = -60,8 J ΔU = Q + W = 0 + (-60,8 J) = -60,8 J

32 Reversibel W = -nrt ln(v akhir /V awal ) dan ΔU = 0

33 Contoh Soal 2 1 mol molekul gas ideal pada 292 K dan 3 atm berekspansi dari 8 L ke 20 L dan tekanan akhir 1,2 atm melalui dua jalur yang berbeda: Jalur A adalah ekspansi reversibel, isotermal Jalur B terdiri dari dua bagian: Pada tahap 1, gas didinginkan pada volume tetap sampai tekanannya 1,2 atm. Pada tahap 2, gas dipanaskan dan berekspansi pada tekanan tetap 1,2 atm sampai volumenya 20 L dan T = 292 K. Tentukan kerja yang dilakukan, kalor yang dipindahkan, dan perubahan energi internal untuk setiap jalur.

34 Jawaban Untuk proses reversibel: W = -nrt ln(v akhir /V awal ) dan ΔU = 0 Untuk proses ireversibel: W = -P ex ΔV dan ΔU = 0

35 Jawaban (A)

36 Jawaban (B)

37 Jawaban (B)