TERMODINAMIKA (II) Dr. Ifa Puspasari

Transkripsi

1 TERMODINAMIKA (II) Dr. Ifa Puspasari

2 PV Work Irreversible (Pressure External Constant) Kompresi ireversibel: Kerja = Gaya x Jarak perpindahan W = F x l dimana F = P ex x A W = P ex x A x l W = - P ex x ΔV W = - P ex x (V f V i ) Tanda negatif diperlukan karena dalam kompresi, kerja dilakukan pada sistem sehingga kerja akan bertanda positif.

3 PV Work Reversible (Pressure External Not Constant) Kompresi reversibel P ex = P in dp (+) : kompresi (-) : ekspansi V f W = P ex dv V i

4 PV Work Reversible (Pressure External Not Constant) V f W rev = P ex dv V i P ex = P in ± dp V f V f W rev = P in dv ± dp dv W rev = V i V f P in dv V i Pada suhu tetap (proses isotermal): W rev = V f V i nrt W rev = nrt ln V f V i V i V f dv = nrt 1 dv V V V i dapat diabaikan karena nilainya kecil

5 Ekspansi Bebas Ekspansi gas dalam vakum (P ex = 0) disebut dengan ekspansi bebas. Tidak ada kerja yang dilakukan selama ekspansi bebas suatu gas ideal baik proses reversibel ataupun ireversibel. W = P ex V U = Q + W U = Q P ex V Jika proses terjadi pada volume tetap (ΔV = 0), maka U = Q V V dalan Q V menyatakan bahwa kalor diberikan pada volume tetap.

6 Ekspansi Isotermal Untuk gas ideal, U merupakan fungsi dari T saja. U = cvnrt Maka, untuk proses isotermal: U = 0 Untuk proses isotermal ireversibel: Q = W = P ex V f V i Untuk proses isotermal reversibel: Q = W = nrt ln V f V i

7 Proses Isotermal dan Adiabatik Isotermal: T dijaga tetap. Mungkin memerlukan panas eksternal. Adiabatik: Tidak ada perpindahan panas dari luar. T mungkin tidak tetap.

8 Perubahan Energi Internal untuk Proses Adiabatik dan Isokorik Untuk proses adiabatik: Q = 0 U = W ad Untuk proses isokorik: V = 0 U = Q V

9 Perubahan Energi Internal (ΔU) Untuk proses isotermal: U = 0 Q = W = P ex V f V i Untuk proses ekspansi bebas dalam vakum: W = 0 U = Q Untuk proses adiabatik: Q = 0 U = W ad Untuk proses isokorik: V = 0 U = Q V Untuk proses isobarik: U = Q + W

10 Contoh Soal 1 Dua liter gas ideal pada tekanan 10 atm berekspansi secara isotermal dalam keadaan vakum sehingga volume totalnya 10 liter. Berapakah besarnya kalor yang diserap dan berapakah besarnya kerja yang dilakukan dalam proses ekspansi tersebut?

11 Contoh Soal 1 Dua liter gas ideal pada tekanan 10 atm berekspansi secara isotermal dalam keadaan vakum sehingga volume totalnya 10 liter. Berapakah besarnya kalor yang diserap dan berapakah besarnya kerja yang dilakukan dalam proses ekspansi tersebut? 2 L 10 atm = 0 = 0 10 L U = 0 Q = W = P ex V f V i = 0 V Q = W = 0 ΔU = 0 Q = 0 W = 0

12 Contoh Soal 2 Dua liter gas ideal pada tekanan 10 atm berekspansi secara isotermal melawan tekanan 1 atm sehingga volume totalnya 10 liter. Berapakah besarnya kalor yang diserap dan berapakah besarnya kerja yang dilakukan dalam proses ekspansi tersebut?

13 Contoh Soal 2 Dua liter gas ideal pada tekanan 10 atm berekspansi secara isotermal melawan tekanan 1 atm sehingga volume totalnya 10 liter. Berapakah besarnya kalor yang diserap dan berapakah besarnya kerja yang dilakukan dalam proses ekspansi tersebut? 2 L 10 atm = 1 atm = 1 atm 10 L U = 0 W = P ex V f V i = 1 atm 10 2 L W = 1 atm 8 L = 8 L. atm = 810,4 J Q = W = 810,4 J Kalor diserap ke dalam sistem Kerja dilakukan oleh sistem

14 Contoh Soal 3 Hitunglah kerja yang dilakukan jika 1,6 mol air berevaporasi pada suhu 373 K pada tekanan atmosfer 1 atm. Asumsi gas ideal.

15 Contoh Soal 3 Hitunglah kerja yang dilakukan jika 1,6 mol air berevaporasi pada suhu 373 K pada tekanan atmosfer 1 atm. Asumsi gas ideal. H 2 O (l) H 2 O (g) V i = volume of H 2 O liquid 1,6 mol H 2 O liquid = 1,6 mol V f = nrt P 18 g/mol 1000 g/l = 0,0288 L = 1,6 mol 0,082 L.atm/mol.K 373 K 1 atm = 48,94 L W = P ex V = P ex V f V i W = 1 atm 48,94 0,0288 L = 48,91 L.atm = 4,956 kj

16 Entalpi (H) Sebagian besar reaksi kimia berlangsung di udara terbuka, yaitu pada tekanan tetap, bukan pada suhu dan volume tetap.

17 Entalpi (H) Pada tekanan tetap: U P = Q P + W P U P = Q P P V U 2 U 1 P = Q P P V 2 V 1 Q P = U 2 + PV 2 U 1 + PV 1 Q P = H 2 H 1 H = U + P V ΔH bertanda negatif untuk reaksi eksotermik yaitu yang melepaskan panas selama reaksi. ΔH bertanda positif untuk reaksi endotermik yaitu yang menyerap panas dari lingkungan. Pada volume tetap (ΔV = 0), ΔU = Q V, sehingga ΔH = ΔU = Q V.

18 Entalpi (H) Perbedaan antara ΔH dan ΔU biasanya tidak signifikan pada sistem padatan dan/atau cairan. Padatan dan cairan tidak mengalami perubahan volume yang signifikan jika dipanaskan. Perbedaan antara ΔH dan ΔU menjadi signifikan pada sistem yang melibatkan gas. Jika V A adalah volume total dari gas reaktan, V B adalah volume total dari gas produk, n A adalah jumlah mol gas reaktan dan n B adalah jumlah mol gas produk, pada tekanan dan suhu tetap, menggunakan persamaan gas ideal: PV A = n A RT dan PV B = n B RT maka PV B PV A = n B RT n A RT = n B n A RT atau P V B V A = n B n A RT atau P V = n g RT dimana Δn g adalah jumlah mol gas produk dikurangi jumlah mol gas reaktan. H = U + n g RT

19 Contoh Soal 4 Jika uap air diasumsikan sebagai gas ideal, dimana perubahan entalpi molar untuk penguapan 1 mol air pada 1 bar dan 100 C adalah 41 kj/mol. Hitunglah perubahan energi internalnya jika: a) 1 mol air diuapkan pada tekanan 1 bar dan 100 C. b) 1 mol air diubah menjadi es.

20 Contoh Soal 4 Jika uap air diasumsikan sebagai gas ideal, dimana perubahan entalpi molar untuk penguapan 1 mol air pada 1 bar dan 100 C adalah 41 kj/mol. Hitunglah perubahan energi internalnya jika: a) 1 mol air diuapkan pada tekanan 1 bar dan 100 C. H 2 O (l) H 2 O (g) H = U + n g RT U = H n g RT U = 41 kj 1 mol 8, kj/mol.k 373 K U = 41 kj 3,10 kj U = 37,90 kj

21 Contoh Soal 4 Jika uap air diasumsikan sebagai gas ideal, dimana perubahan entalpi molar untuk penguapan 1 mol air pada 1 bar dan 100 C adalah 41 kj/mol. Hitunglah perubahan energi internalnya jika: b) 1 mol air diubah menjadi es. H 2 O (l) H 2 O (s) Perubahan volume dapat diabaikan V 0 H = U + P V U = H U = 41 kj

22 Persamaan Termokimia Persamaan reaksi setara dengan nilai ΔH r nya disebut persamaan termokimia. A + B C, ΔH = ( ) # Endotermik: A + B + Kalor C, ΔH > 0 Eksotermik: A + B C + Kalor, ΔH < 0 Contoh: H 2 + ½O 2 H 2 O ΔH = -286 kj 2H 2 + O 2 2H 2 O ΔH = -572 kj H 2 O H 2 + ½O 2 ΔH = 286 kj CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O ΔH = -890 kj N 2 + 3H 2 2NH 3 ΔH = -92,3 kj

23 Persamaan Termokimia: Entalpi sebagai Sifat Ekstensif Entalpi merupakan sifat ekstensif. Sifat ekstensif adalah sifat yang nilainya tergantung pada jumlah ataupun ukuran suatu zat di dalam sistem. Contoh: 2H 2 + O 2 2H 2 O H 2 + ½O 2 H 2 O ΔH = -572 kj ΔH = -286 kj ΔH = 2x ΔH = x ΔH = x

24 Persamaan Termokimia Koefisien dalam persamaan termokimia setara mengacu pada jumlah mol reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi. Nilai dari perubahan entalpi standar H r 0 mengacu pada jumlah mol zat yang ditentukan oleh persamaan reaksi. Ketika suatu persamaan kimia dibalik, tanda pada nilai H r 0 juga dibalik.

25 Kapasitas Panas (C) Bagaimana mengukur panas yang dipindahkan ke sistem? Kenaikan suhu sebanding dengan panas yang ditransfer, Q koef x ΔT. Besarnya koefisien tergantung pada ukuran, komposisi dan sifat sistem. Q = C ΔT Koefisien, C, disebut kapasitas panas. C berbanding lurus dengan jumlah zat. Kapasitas panas molar, C m, suatu zat adalah kapasitas panas untuk satu mol zat. C m = C n

26 Kapasitas Panas Spesifik (c) Kapasitas panas spesifik adalah besaran terukur yang menggambarkan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat (benda) sebesar jumlah tertentu (misalnya satu derajat Celcius atau satu Kelvin). Q = c m T Q = C T Q = C m n T

27 Hubungan antara C P dan C V Gas Ideal Kapasitas panas C pada volume tetap dilambangkan dengan C V dan pada tekanan tetap dilambangkan dengan C P. Pada volume tetap: Q V = C V T = U Pada tekanan tetap: Q P = C P T = H Untuk satu mol gas ideal: H = U + PV H = U + RT H = U + R T C P T = C V T + R T C P = C V + R C P C V = R

28 Pengukuran ΔU: Kalorimeter Kalor yang diserap pada volume tetap. Tidak ada kerja yang dilakukan karena ΔV = 0. U = Q V = C V T

29 Pengukuran ΔH: Kalorimeter Perubahan kalor pada tekanan tetap. H = Q P = C P T Kalor yang diserap atau dilepaskan pada tekanan tetap Q P juga disebut dengan panas reaksi atau entalpi reaksi.

30 Contoh Soal 5 1g grafit dibakar dalam kalorimeter bom dengan oksigen berlebih pada 298 K dan tekanan 1 atmosfer dengan persamaan: C (graphite) + O 2 (g) CO 2 (g) Selama reaksi, suhu naik dari 298 K ke 299 K. Jika kapasitas panas dari kalorimeter bom adalah 20.7 kj/k, berapakah perubahan entalpi untuk reaksi di atas pada 298 K dan 1 atm?

31 Contoh Soal 5 Jumlah kalor yang diserap oleh kalorimeter: Q = C V T Jumlah kalor dari reaksi akan mempunyai nilai yang sama tetapi tandanya berlawanan karena kalor dilepaskan oleh sistem (reaksi) = kalor yang diterima oleh kalorimeter. Q = C V T = 20,7 kj/k K = 20,7 kj Tanda negatif menunjukkan reaksi eksotermik. Jadi, ΔU untuk pembakaran 1 g grafit = -20,7 kj. Untuk pembakaran 1 mol grafit = (12,0 g/mol)x(-20,7 kj)/(1 g) = -2,48 x 10 2 kj/mol. Karena Δn g = 0, maka ΔH = ΔU = -2,48 x 10 2 kj/mol.