Diktat Kimia Fisika SIFAT-SIFAT GAS

Transkripsi

1 SIFA-SIFA GAS Gas terdiri atas molekul-molekul yang bergerak menurut jalan-jalan yang lurus ke segala arah, dengan kecepatan yang sangat tinggi. Molekul-molekul gas ini selalu bertumbukan dengan molekul-molekul yang lain atau dengan dinding bejana. umbukan terhadap dinding bejana ini yang menyebabkan adanya tekanan. olume dari molekul-molekul gas sangat kecil bila dibandingkan dengan volume yang ditempati oleh gas tersebut, sehingga sebenarnya banyak ruang yang kosong antara molekul-molekulnya. Hal ini yang menyebabkan gas mempunyai rapat yang lebih kecil daripada cairan atau zat padat. Hal ini juga yang menyebabkan gas bersifat kompresibel atau mudah ditekan. Sebagian besar gas tidak berwarna, kecuali gas fluorin, klorin berwarna hijau kekuningan, bromine berwarna merah coklat, iodine berwarna violet, nitrogen dioksida, nitrogen trioksida merah coklat. Gas dapat memberikan perlawanan terhadap gaya kepadanya sehingga akan berdifusi cepat didalam ruangan dan dapat melewati penghalang yang porous(berpori). Gas dapat mengembang bila dipanaskan dan menyusut bila pengurangan tekanan. Besaran sifat gas dan satuannya : Sifat gas yang dapat diukur adalah volume, suhu, tekanan dan massa. olume gas selalu sama dengan volume tempatnya berada, karena mobilitas gas yang sangat tinggi. Satuan volume gas adalah liter, mililiter atau m 3. ekanan Gaya per satuan luas disebut tekanan. Gaya adalah segala sesuatu yang menyebabkan benda berubah gerakannya atau arahnya. Gaya yang sangat penting adalah gaya grafitasi. Gaya grafitasi yang menarik udara menciptakan pengaruh udara yang menekan bumi dikenal dengan tekanan atmosfir. Satuan gaya dalam system cgs adalah dyne yang didefinisikan sebagai gaya yang diperlukan oleh massa gram untuk memperoleh percepatan sebesar cm sekon -. dyne = gr cm s -. Dalam satuan SI satuan gaya adalah Newton (N) yang didefinisikan sebagai gaya yang diperlukan untuk memberikan massa kg percepatan sebesar m sekon -. newton = kg m s -. Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

2 = 0 5 dyne Maka satuan tekanan adalah dyne cm - atau N m -. Alat untuk mengukur tekanan udara (tekanan atmosfir) adalah barometer torricelli, sesuai penemunya Evenge orricelli ( ). inggi kolom raksa barometer tergantung pada lokasi barometer dan suhu. Pada suhu biasa di permukaan laut kolom raksa tingginya 760 mm. Satu mmhg adalah tekanan yang diberikan oleh kolom raksa dengan ketinggian mm. Oleh karena tekanan udara tergantung pada letak geografis dan suhu maka dinyatakan dengan konsep atmosfer standar. Satu () atmosfer standar adalah tekanan yang diakibatkan oleh kolom air raksa setinggi 760 mm pada suhu 0 o C. atm = 760 mmhg (pada 0 o C) torr = / 760 atm = 33,34 N m -. atm dengan sistem cgs : atm =, g cm - s -. =, dyne cm -. atm dalam SI : atm =, kg m - s -. =, N m -. Pa = N m -. bar = 0 6 dyne cm - = 0,987 atm Alat untuk mengukur tekanan gas dalam system tertutup disebut manometer. Ada jenis yaitu manometer ujung terbuka dan manometer ujung tertutup. P atm P atm P atm Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

3 3 Pada manometer ujung terbuka, apabila tinggi air raksa pada kedua kolom sama berarti P gas = P atm. Apabila tinggi raksa pada kolom sebelah kanan lebih tinggi daripada sebelah kiri, berarti P gas > P atm maka : P gas = P atm + P Hg. Pada saat tinggi kolom raksa sebelah kiri lebih tinggi berarti P gas < P atm maka : P gas = P atm- P Hg. Manometer ujung-tertutup, umumnya digunakan untuk mengukur tekanan gas yang bertekanan rendah, lebih rendah daripada tekanan atmosfer. Pada saat tekanan gas sama dengan tekanan atmosfer, kolom raksa pada kolom sebelah kanan akan penuh. Apabila tekanan gas di dalam sistem dikurangi, maka Pgas = PHg karena tekanan di atas raksa pada kolom sebelah kanan adalah nol. Latihan Berapa tekanan pada sistem yang ditunjukkan oleh manometer tertutup dan manometer terbuka. Hitunglah dalam satuan SI. Cairan yang dipakai Hg! Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

4 4 emperatur Skala temperatur yang umum digunakan adalah skala derajat celcius dan sakla farenheit. Skala celcius didasarkan pada titik beku air, yaitu 0 o C dan titik didih air 00 o C. Harga yang sama pada skala Fahrenheit adalah 3 o F dan o F. Nol derajat pada skala farenheit adalah titik beku larutan jenuh NaCl dalam air. Hubungan antara kedua skala tersebut adalah C 3 F (.5) 5 9 dimana C dan F adalah temperatur pada kedua skala. Skala absolute temperatur atau umumnya dikenal dengan skala Kelvin (K). Hubungan antara skala absolut dan skala celcius dapat diperoleh : (K) = ( o C) + 73,5 (.6) Latihan emperatur badan normal dari manusia sehat adalah 98,4 o F. Berapakah harga tersebut dalam skala celcius? Gas dibagi menjadi dua jenis : a. Gas Ideal Yaitu gas yang mengikuti secara sempurna hukum-hukum gas (Boyle, Gay Lussac dsb) b. Gas Non Ideal/ Nyata Yaitu gas yang hanya mengikuti hukum-hukum gas pada tekanan rendah. Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

5 5 Gas ideal sebenarnya tidak ada, jadi hanya merupakan gas hipotesis. Semua gas sebenarnya tidak ideal. Pada gas ideal, bahwa molekul-molekulnya tidak tarik menarik dan volume molekulnya dapat diabaikan terhadap volume gas itu sendiri atau ruang yang ditempati. Sifat gas ideal ini hanya didekati oleh gas beratom pada tekanan rendah dan pada temperatur yang tinggi. Hukum-hukum Gas Ideal. Hukum Boyle ekanan berbanding terbalik dengan volume pada temperatur tetap dan untuk sejumlah tertentu gas, yaitu : P = P (.7) Latihan 3 Hitung tekanan yang diperlukan untuk menekan 4,4 dm 3 gas pada 4 torr menjadi,56 dm 3 pada keadaan isotermis. Ubahlah tekanan dalam satuan SI! Latihan 4 Sejumlah tertentu gas diekspansi dari tekanan 760 torr menjadi 50 torr pada temperatur tetap. Bila volume mula-mula adalah 0 dm 3, Hitung volume akhir!. Hukum Charles atau Gay Lussac Sejumlah tertentu gas pada tekanan tetap (dalam keadaan isobar), volume () berbanding lurus dengan temperature (). Hubungannya adalah (.8) 3. Hukum Gas ideal Hukum Boyle dan hukum Charles atau hukum Gay Lussac dapat digabungkan bersama, yaitu untuk sejumlah massa tertentu dari gas, P konstan (.9) Kondisi sejumlah massa tertentu dapat dihilangkan dengan bantuan hipotesis Avogadro yang menyatakan bahwa pada kondisi temperatur dan tekanan yang sama, gas-gas dengan volume sama akan mengandung jumlah molekul yang sama. Maka persamaan menjadi : Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

6 6 P R n (.0) dimana : n = banyaknya mol R = konstanta gas Untuk mol gas, persamaan idealnya adalah : P = R (.) dimana adalah volume mol gas. abel Harga ipe satuan Harga Satuan Mekanik 0,08054 dm 3 atm mol - K - Mekanik 8,054 ml atm mol - K - Cgs 8,344 erg mol - K - Listrik 8,344 Joule mol - K - Panas,987 Kal mol - K - 4. Hukum Dalton tentang ekanan Parsial ekanan total dari sebuah campuran gas ideal adalah jumlah dari tekanan parsial masing-masing gas, yaitu : P total = P gas + P gas + P gas3 +.+ Pi. = Pi (.) dimana Pi adalah tekanan parsial dari gas dalam campuran. ekanan parsial dari semua komponen dalam suatu campuran gas ideal dapat dihubungkan dengan tekanan totalnya dengan persamaan : pi = xi. P (.3) Xi Latihan 5 = fraksi mol dari gas ke i = jumlah mol gas ke i jumlah seluruh mol sistem (.4) Sebuah bejana mempunyai kapasitas 4 dm 3. Bila 4 gr O dan 0 gr N pada 7 o C dimasukkan. Hitung : a. Fraksi mol dari masing-masing gas b. ekanan parsial Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

7 7 c. ekanan total 5. eori Efusi Graham Menurut teori efusi Graham, laju efusi (atau keluarnya gas melalui suatu lubang) dari gas-gas pada tekanan dan temperatur yang sama berbanding terbalik dengan akar kuadrat kerapatannya, yaitu bila dan adalah laju efusi dari kedua macam gas, d dan d adalah kerapatan, maka d / d (.5) d M (.6) d M Persamaan umum ini diturunkan dengan bantuan persamaan (.6) yaitu pada temperature dan tekanan yang sama, kerapatan masing-masing gas sebanding dengan berat molekulnya. Sehingga : M / M (.7) Persamaan umum untuk laju efusi bila kedua gas mempunyai tekanan yang berlainan adalah p (.8) M / M p Latihan 6 Gas oksigen ( dm 3 pada atm) membutuhkan waktu menit untuk berefusi melalui sebuah lubang. Berapa waktu yang dibutuhkan gas He, N dan uap SF 6 untuk berefusi pada kondisi yang sama? 6. Berat molekul Gas Ideal Persamaan gas ideal untuk n mol gas adalah P = n R W = R M M = WR R d (.9) P P Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

8 8 Dimana : M = berat molekul gas d = density gas W = berat gas Pada tekanan dan temperatur tertentu, suatu gas dengan volume tertentu ditimbang, beratnya = W. Dengan menggunakan rumus gas ideal diatas BM gas dapat dihitung. Latihan 7 dm 3 udara sample pada tekanan atm dan 7 o C mempunyai berat 0,00 kg. Hitung berat molekul efektif udara bila udara bersifat seperti gas ideal! 7. Gas Nyata Sifat gas nyata dapat dinyatakan dengan berbagai macam persamaan keadaan yang hanya berlaku pada keadaan temperatur dan tekanan tertentu. Beberapa persamaan tersebut : a. Persamaan an der Waals n a (P + )( n b) = n R (.0) dimana : a dan b adalah konstanta a = koreksi untuk gaya tarik menarik antara molekul-molekul b = koreksi untuk ukuran efektif (volume excluded) Latihan 8 Hitung tekanan yang dihasilkan oleh dm 3 mol - etana pada 7 o C bila mengikuti persamaan van der waals. (a= 5,489 dm 6 atm mol - dan b = 0,0638 dm 3 mol - ). Bandingkan harganya bila gas adalah ideal! b. Persamaan irial Persamaan virial dapat dinyatakan sebagai suatu fungsi tekanan atau volume, yaitu : - B C D p R (...) (.) 3 - B C D 3 p R ( p P p...) (.) 3 R ( R ) ( R ) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

9 9 dimana B,C,D,. Adalah koefisien virial kedua, ketiga, keempat dan dapat ditentukan dengan bantuan mekanika statistika, hasil percobaan atau dari persamaan van der waals. Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

10 0 HUKUM-HUKUM HERMODINAMIKA A. HUKUM HERMODINAMIKA I Dalam memulai belajar termodinamika, sangat perlu untuk memahami istilahistilah yang terdapat dalam termodinamika. Istilah-istilah tersebut :. Sistem: boundary dan lingkungan Sistem adalah bagian dari semesta fisik, yang sifat-sifatnya sedang diamati. Sistem juga didefinisikan sebagai suatu tempat di dalam ruangan yang oleh boundary dipisahkan dari lingkungannya. Lingkungan adalah daerah di luar sistem yang masih mempunyai kemungkinan berinteraksi dengan sistem Boundary adalah batas antara sistem dengan lingkungan.. Sistem tertutup dan sistem terbuka Sistem tertutup, jika boundary melindungi sistem itu dari interaksi dengan lingkungan. Sistem terbuka, jika massa dapat menyeberangi boundary dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya Kerja, Panas/ Kalor dan Energi Kerja adalah kuantitas yang mengalir melalui boundary suatu sistem selama terjadinya perubahan keadaan dan ini berpengaruh langsung terhadap gaya berat sistem dalam lingkungan. Kalor atau panas adalah kuantitas yang mengalir melalui boundary suatu sistem selama terjadinya perubahan keadaan dan ini terjadi karena perbedaan temperatur. anda yang digunakan disini, yaitu Q (panas) adalah positif jika panas diabsorbsi oleh sistem dari sekelilingnya. Dan negatif jika panas dilkepaskan dari sistem ke lingkungan. Kesamaan lainnya dengan kerja panas yang diserap atau dilepaskan juga tergantung pada jalannya sistem. Sistem memiliki sejumlah derajat kebebasan atau pergerakan, dan energi internal merupakan jumlah dari hal-hal yang berhubungan dengan model tersebut. Pembagian energi secara umum adalah enerrgi kinetik dan energi potensial, namun dapat juga merupakan jumlah dari energi translasi, rotasi, vibrasi, elektron, nuklir, posisi dan gravitasi. Karena dalam termodinamika sulit untuk memperoleh nilai absolut Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

11 energi, maka sering dinyatakan sebagai perbedaan keadaan awal dan akhir sistem, yaitu : E = E - E (.) Berbeda dengan kerja atau panas, energi internal merupakan besaran yang pasti, tidak tergantung pada jalannya reaksi, tetapi hanya pada keadaan awal dan akhir sistem, maka disebut sebagai besaran pasti atau fungsi keadaan. Hukum Pertama ermodinamika Secara matematika, hukum pertama termodinamika dapat dituliskan sebagai berikut : E = Q W (.) dimana : Q = panas total yang diserap W = kerja yang dilakukan sistem E = perubahan energi yang terjadi dalam bentuk deferensial : de = dq dw (.3) selanjutnya persamaan -3 dapat ditulis dalam kondisi yang berbeda sebagai, de = dq dw = 0 (.4) de = dw dq = 0 (adiabatis) (.5) Pada proses adiabatis, tidak ada panas yang diserap atau dilepaskan. Proses Reversibel dan Irreversibel Suatu proses disebut irreversibel jika tidak dapat balik, dan jika dapat balik tidak dapat dilakukan tanpa meninggalkan perubahan yang tetap pada sekeliling. Suatu proses disebut reversibel jika sistem dan sekelilingnya berada dalam kesetimbangan dan tetap demikian selama proses berlangsung. Suatu proses reversibel harus memenuhi persyaratan berikut :. Semua bagian sistem berada dalam kesetimbangan termodinamika, dalam hal ini setiap bagian memiliki temperatur yang sama (kesetimbangan termal), setiap bagian memperoleh tekanan yang sama (kesetimbangan mekanik) dan setiap bagian sistem berada dalam kesetimbangan kimia.. Sistem dan sekelilingnya bebas saling menukarkan energi dalam berbagai bentuk, namun tetap dalam kesetimbangan satu dengan yang lain selama proses, jika sistem dan lingkungan mempertukarkan energi panas, harus tetap dalam Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

12 kesetimbangan termal. Jika pertukaran bebas dalam bentuk kerja mekanik, tekanan yang diterima sistem harus sama dengan sekelilingnya selama proses berlangsung dan demikian selanjutnya dengan pertukaran berbagai bentuk energi secara bebas dengan sekelilingnya. Proses pada olume Konstan Jika sistem hanya memperlihatkan kerja ekspansi, maka : W = P. (.6) Karena = 0 dalam hal ini proses isokorik, maka hukum pertama termodinamika menjadi : E v = Q v (.7) yakni panas yang diserap atau dilepaskan sistem pada volume konstan merupakan ukuran langsung dari perubahan dalam energi sistem. Contoh dari proses ini adalah reaksi yang berlangsung dalam kalorimeter bom. Q v adalah fungsi keadaan. Entalpi dan Proses pada ekanan etap Entalpi didefinisikan sebagai, H = E + p (.8) Dan perubahan dalam entalpi, H = E + (p) (.9) Dalam bentuk deferensial dh = d E + d (p ) (.0) = d E + pd + dp (.) Jika proses dilakukan pada tekanan konstan, yaitu dalam kondisi isobarik dp = P = 0 sehingga, dh = de + p d (.) Menurut Hukum I ermodinamika : de = dq dw (.3) Dan jika ekspansi merupakan satu-satunya kerja : dw = p d (.4) Dengan substitusi persamaan.3 &.4 ke dalam persamaan. dh = dq pd + p d = dq p (.5) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

13 3 maka perubahan panas dalam kondisi isobarik merupakan ukuran langsung dari perubahan entalpi sistem. Hubungan antara Entalpi dan Energi Untuk gas ideal, hubungan antara perubahan entalpi dan energi dapat diturunkan sebagai : H = E + (p) (.6) dengan (p) = n R (.7) dimana n = perubahan dalam jumlah mol reaksi. n = ni (hasil ) n j(reaktan) (.8) i j H = E + n R (.9) Kapasitas Panas Kapasitas panas adalah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur sistem sebesar satu derajat. Simbol dari kapasitas panas adalah C, dimana : Q dq C (.0) d Kapasitas molar adalah kapasitas panas dari mol zat dan panas spesifik adalah kapasitas panas per gram zat. Dimana C = - n c = w c (.) n = jumlah mol w = berat zat - c = kapasitas panas molar c = kapasitas panas spesifik Q = panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur zat sebesar derajat Kapasitas panas pada tekanan konstan (C p) dan pada volume konstan (C ) dapat didefinisikan sbb : C p = H p (.) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

14 4 Dimana C v = E v C p = kapasitas panas pada tekanan konstan C v = kapasitas panas pada volume konstan (.3) Hubungan antara C p dan C v Hubungan antara C p dan C v dapat diturunkan sebagai berikut : C p C v = E p (.4) p H p C p C v = v p (.5) v Untuk gas ideal : E H p 0 (.6) p nr P (.7) p v nr sehingga persamaan -4 dan -5 menjadi : (.8) C p C v = n R (.9) Untuk padatan dan cairan : C p C v = (.30) Dimana (.3) p - (.3) P Pemanasan pada volume konstan hanya menaikkan temperatur, sedangkan pemanasan pada tekanan konstan :. Menaikkan temperatur Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

15 5. Dilakukan kerja untuk mengembalikan lingkungan 3. Pengembangan zat akibat gaya antarmolekul Efek ke- dan 3 yang menyebabkan perbedaan antara C p & C v. Aplikasi Hukum Pertama ermodinamika erhadap Gas Ideal Ekspansi Isotermal Reversibel Karena energi internal dari gas ideal hanya merupakan fungsi temperatur, maka pada temperatur konstan, E = H = 0 (.33) Dengan menggabungkan persamaan -3 dan -6 diperoleh : Q = W = pd nr ln (.34) Ekspansi Isobarik Isotermal dari Gas Ideal E = H = 0 Q = W = pd p (.35) Ekspansi Adiabatis Reversibel dari Gas Ideal Pada kondisi ini Q = 0 E = - W = n C d (.36) H = n Cpd (.37) Untuk menghitung perubahan total energi internal atau entalpi, perlu diketahui temperatur awal dan akhir. Hal ini dapat dihitung dengan persamaan sbb : R/Cv R/Cv = (.38) p (.39) p C p (.40) C Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

16 6 Ekspansi Adiabatis Isobarik dari Gas Ideal Pada kondisi ini Q = 0 E = n C d (.4) v H = n Cpd (.4) W = p (.43) emperatur akhir dapat dihitung dengan bantuan hukum pertama termodinamika, yaitu : - p = n C d (.44) v = nc v ( ) (.45) dengan mengasumsikan C v tidak tergantung pada temperatur. B. HUKUM ERMODINAMIKA KEDUA & KEIGA Hukum ermodinamika Kedua dapat dinyatakan dalam berbagai cara :. Menurut Kelvin, tidak mungkin menggunakan proses siklis untuk memindahkan panas dari benda panas dan mengubahnya menjadi kerja tanpa memindahkan sebagian panas kepada benda dingin pada saat yang sama.. Menurut Clausius, tidak mungkin memindahkan panas dari benda dingin ke benda panas tanpa melakukan sejumlah kerja. 3. dalam bentuk entropi, perubahan kecil dalam bentuk entropi dapat sama dengan, atau lebih besar daripada dq/ untuk tiap proses yang kecil sekali, yaitu : dq ds (.46) anda kesamaan adalah bentuk untuk proses reversibel, dan tanda lebih besar adalah untuk proses reversibel. Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

17 7 Siklus Carnot Siklus Carnot adalah mesin bakar hipotesis dan ideal yang mengabsorbsi panas pada temperatur tinggi, melakukan kerja dan mengembalikan sisa panas ke reservoar lain pada temperatur rendah. Siklus ini terlihat dalam Gambar - :. Ekspansi isoterm dan reversibel,, p,, p ( > dan p < p ) E = 0, W = Q = n R ln. Ekspansi adiabatis dan reversibel,, p 3,, p 3 ( 3 >, >, p < p ) (.47) Q = 0 E = - W = C d (.48) v 3. Kompresi isoterm dan reversibel 3,, p 3 4,, p 4 ( 3 > 4 dan p 4 < p 3) E = 0, W = Q = n R ln 4 3 (.49) 4. Kompresi adiabatis dan reversibel 4,, p 4,, p (p < p 4, >, > 4) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

18 8 Q = 0, E = - W = C d (.50) v Efisiensi Mesin Bakar Efisiensi mesin bakar didefinisikan sebagai perbandingan jumlah total kerja yang dilakukan terhadap jumlah total panas, yaitu : W (.5) Q Dalam siklus carnot, Q = Q dan W = Q + Q Q Q Q = Q (.5) Q yaitu efisiensi, harganya tidak lebih dari satu dan Q yaitu panas yang dilepaskan oleh sistem pada reservoar dingin adalah negatif. Sehingga persamaan.5 dapat ditulis : = (.53) dimana : = temperatur reservoar panas = temperatur reservoar dingin Pompa Panas dan Alat Pendingin Perbedaan antara pompa panas dan alat pendingin adalah pada pompa panas, panas dipasok ke dalam pompa pada temperatur rendah dengan melakukan kerja pada sistem. Sedangkan pada alat pendingin, panas dihilangkan dari alat pada temperatur rendah. Koefien penampilan / Coefficient of performance (COF) untuk masing-masing dapat didefinisikan sebagai : Pompa panas : Q - W (.54) Q = - (Q Q ) (.55) Alat Pendingin : Q - W (.56) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

19 9 Entropi Q = - (Q Q ) Dalam mesin carnot, efisiensi dberikan sebagai berikut : Q Q Q = Apabila semua proses reversibel, maka : Q Q Q Q ( rev) ( rev) i Q ( rev) ( rev) (.57) ; > (.58) Q( rev) (.59) Q ( rev) ( rev) 0 0 (.60) Untuk setiap siklus proses reversibel, perbandingan panas yang diabsorbsi terhadap temperatur reservoar adalah nol, dan perbandingan ini disebut Entropi, yaitu : ds dqrev (.6) S = S - S = dqrev (.6) Menurut persamaan.60 untuk siklus carnot, perubahan bersih entropi adalah nol tetapi dapat diperluas sampai setiap sistem siklus lain, sehingga merupakan fungsi keadaan. Persamaan.6 mengharuskan perubahan panas yang reversibel dalam proses yaitu entropi hanya bisa dihitung jika prosesnya reversibel. Jika proses tidak reversibel diantara dua titik, kemudian menghasilkan proses reversibel hipotesis diantara titiktitik tersebut, carilah perubahan panas sepanjang proses ini dan hitung perubahan entropi diantara dua titik. Proses Reversibel : S sistem = - S sekeliling (.63) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

20 0 S keseluruhan = - S sistem + S sekeliling (.64) Proses Irreversibel : = 0 S keseluruhan > 0 (.65) Entropi pada ekanan etap Proses tekanan tetap berarti besaran-besaran termodinamika dipengaruhi oleh U dan. Dengan demikian : Maka dq = du + p d (.66) ds = du P d (.67) Jika p/ = n maka p = n sehingga dp = n d, jadi (p/)= n. Dengan demikian p/ = P ( ) sehingga : maka, P ds = du d v (.68) ds = C d + d (.69) Entropi pada olume etap Jika volumenya yang tetap, maka besaran-besaran termnodinamika dipengaruhi oleh temperatur dan tekanan. Dari persamaan hukum I untuk volume tetap diperoleh : dq = du (.70) etapi persamaan tersebut belum memperlihatkan adanya pengaruh tekanan. Untuk itu digunakan : U = H p (.7) Maka, du = dh pd dp (.7) sehingga, dq = dh p d dp + p d atau : dq = dh dp Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

21 dengan demikian, = C p d d p (.73) dq = = C p d dp (.74) Entropi pada emperatur etap Entropi pada temperatur tetap, berarti du = 0 jadi : dq = p d (.75) ds = p d Karena p d = - dp, maka untuk temperatur tetap, juga boleh dinyatakan : Maka, (.76) dq = - dp (.77) ds = dp (.78) Entropi Standar Gas ideal Yang dimaksud entropi standar gas ideal adalah entropi suatu gas pada tekanan p dibandingkan dengan entropi gas pada tekanan atm diukur pada temperatur tetap 5 o C. Untuk temperatur tetap : ds = p d Untuk gas Ideal : (.79) P = R - (.80) dp = - R - d (.8) Jadi d = dp R sehingga d = ds = p dp R dp R p = dp R (.8) (.83) (.84) (.85) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

22 R = dp p (.86) S P = - R ln P (.87) Jika P = atm, maka S nya disebut S standar atau S o S o = - R ln p (.88) Hukum ermodinamika III Hukum ermodinamika III membicarakan harga entropi zat padat dapa 0 Kelvin. Pengembangan hukum ini adalah pembicaraan mengenai entropi zat padat pada temperatur, dimana > 0 Kelvin Untuk mempelajari hukum III, marilah kita amati perubahan entropi padatan dari 0 Kelvin sampai ( < titik leburnya) pada tekanan tetap. Untuk kasus tekanan tetap berlaku : dq = dh = Cp d (0 - )K (.89) maka, ds = C p d (.90) sehingga : S = C p 0 d (.9) dimana S = selisih S pada dan S pada 0 Kelvin, sehingga dapat ditulis : S S 0 = C p 0 d (.9) S = S 0 + C p 0 d (.93) Karena C p harganya selalu positif, maka nilai integral pada persamaan diatas, harus positif. Jadi harga entropi akan makin besar seiring dengan naiknya temperatur. Dengan demikian entropi padatan paling kecil pada 0 kelvin. Oleh karena itu persamaan.93 dapat ditulis : S = C p 0 d (Hukum ermodinamika III) (.94) Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

23 3 ERMOKIMIA Panas Reaksi Panas reaksi dinyatakan sebagai perubahan energi produk dan reaktan pada volume konstan ( E) atau pada tekanan konstan ( H). Contoh reaksi, Pada temperatur konstan dan volume konstan : Reaktan produk E = E produk E reaktan Pada temperatur konstan dan tekanan konstan : H = H produk H reaktan Satuan SI untuk E dan H adalah joule, satuan umum lain adalah kalori. Umumnya harga E dan H untuk tiap reaktan atau produk dinyatakan joule mol - (J mol - ) atau KJ mol -+ pada temperatur konstan tertentu yaitu 98 K. Jika E atau H positif reaksi dikatakan endotermis dan jika E atau H negatif reaksi dikatakan eksotermis. Suatu reaksi kimia sempurna jika selain menuliskan persamaan keseimbangan dan harga energi, dituliskan juga keadaan reaktan dan produk. Simbol untuk padatan (s), untuk cairan (l) dan untuk gas (g). Jika wujud padat memiliki lebih dari satu struktur, maka sifat struktur padat disebutkan juga. Sebagai contoh, karbon dapat berbentuk intan atau grafit dan sulfur dalam bentuk rombis atau monoklinis. Di sebelah kanan atas tulisan E dan H menunjukkan harga pada keadaan standar. Keadaan standar untuk zat padat adalah keadaan kristalin khusus pada atm pada temperatur tertentu (misalnya karbon grafit dan sulfur adalah rombis). Untuk cairan bentuk murninya adalah cairan pada atm pada temperatur tertentu dan untuk gas adalah gas ideal tekanan atm pada temperatur tertentu. Contoh soal : Hitung H o untuk reaksi berikut ini : CaC (s) + H O(l) Ca(OH) (s) + C H (g) H o f CaC (s) =-6,76 KJ/mol H o f H O (l)= -85,84 KJ/mol H o f Ca(OH) (s) = -986,59 KJ/mol H o f C H (g) = 6,75 KJ/mol Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

24 4 Pengukuran Panas Reaksi Panas reaksi diukur dengan kalorimeter, harga E diperoleh apabila reaksi dilakukan dalam kalorimeter bom yaitu pada volume konstan. Sedangkan H adalah panas reaksi yang diukur pada tekanan konstan dalam gelas piala atau labu yang terisolasi. Hubungan antara H dan E H = E + (P) Bentuk (P) sangat kecil untuk padatan dan cairan sehingga dapat diabaikan. Jadi H = E untuk padatan dan cairan. Dalam gas ideal pada temperatur konstan, persamaan di atas disederhanakan menjadi, H = E + n R dimana n adalah jumlah mol gas produk dikurangi reaktan. Dari contoh soal : Hitung E! Hukum Hess Suatu reaksi kimia dapat ditulis sebagai rangkaian dari banyak reaksi kimia. Jika panas reaksi dari masing-masing tahap diketahui, maka panas reaksi yang diinginkan dapat dihitung dengan menambahkan atau mengurangi panas reaksi dari masing-masing tahap. Prinsip ini dikenal dengan Hukum Hess. Dasar hukum ini adalah entalpi atau energi internal adalah suatu besaran yang tidak tergantung pada jalannya reaksi. Contoh soal : Hitung H untuk reaksi berikut : C (grafit) + H O (g) H (g) + CO (g) Diketahui data : C (grafit) + ½ O (g) CO (g) H = -0,50 KJ H (g) + ½ O (g) H O (g) H = -4,84 KJ Panas Pembentukan Panas pembentukan dari setiap senyawa adalah entalpi reaksi yang menunjukkan pembentukan mol senyawa dari unsur-unsurnya. Jika semua spesies dari reaksi kimia diatas berada dalam keadaan standarnya, panas pembentukan ( H o f) disebut panas pembentukan standar. Panas pembentukan standar dari unsur-unsur Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

25 5 dalam keadaan paling stabil dianggap nol. Jika panas pembentukan reaktan dan produk dari suatu reaksi kimia diketahui, panas reaksi dapat dihitung dari hubungan : H o 98 = i ni H o f (produk) - nj H o f (reaktan) j dimana ni dan nj = jumlah mol spesies produk dan spesies reaktan, Contoh soal : H o f = panas pembentukan molar Hitung H o untuk reaksi berikut : Diketahui : CH 3OH (l) + 3/ O (g) H o f CH 3OH (l) = -38,57 KJ/mol H o f H O (g) = -4,84 KJ/mol H o f CO (g) = -393,55 KJ/mol CO (g) + H O (g) Panas Pembakaran Panas pembakaran adalah panas reaksi dimana mol zat dioksidasi secara sempurna. Jika senyawa berisi C, H, O dan N produk teroksidasi adalah CO, H O(l) dan N dan persamaannya dapat diseimbangkan. Untuk senyawa yang mengandung halogen, sulfur, fosfor dan lain-lain persamaan reaksi sulit diseimbangkan karena unsur-unsur ini membentuk banyak oksida. Energi Ikatan Panas reaksi yang dihubungkan dengan pemecahan ikatan kimia dari molekul gas menjadi bagian-bagian gas, disebut juga entalpi ikatan. Energi disosiasi ikatan (BE) dapat digunakan untuk menghitung panas reaksi dengan hubungan : o H produk i nibei reak tan j njbej dimana : BE = energi disosiasi ikatan per mol ikatan Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES

26 6 nj dan ni = jumlah mol ikatan yang pecah atau terbentuk dalam reaktan atau produk Data panas reaksi dapat juga digunakan untuk menghitung energi disosiasi ikatan dari setiap ikatan tertentu, asal saja data lain diketahui. Lingkungan sekeliling atom sangat mempengaruhi energi ikatan dari ikatan tertentu, oleh karena itu harga yang duperoleh adalah rata-rata. Energi ikatan adalah untuk molekul fase gas, untuk fase terkondensasi yaitu keadaan cair atau padat dapat dikoreksi jika panas penguapan, panas sublimasi diketahui. Panas Netralisasi Panas reaksi yang melibatkan netralisasi asam oleh basa. Panas reaksi untuk asam kuat dan basa kuat adalah konstan yaitu -55,9 KJ mol -. etapi panas netralisasi asam lemah dan basa lemah < -55,9 KJ mol -, karena asam atau basa ini terlibat dalam disosiasi asam menjadi ion-ion H + dan anion sedangkan basa menjadi ion-ion OH - dan kation. Asam kuat dan basa kuat berdisosiasi sempurna reaksinya, H (dalam air) + OH- (dalam air) H O Sehingga, H o = H o ionisasi + H o netralisasi Panas Pelarutan Panas pelarutan ada yaitu panas pelarutan integral dan panas pelarutan diferensial. Panas pelarutan integral didefinisikan perubahan entalpi jika mol zat dilarutkan dalam n mol pelarut. Sedangkan panas pelarutan diferensial sebagai perubahan entalpi jika mol zat terlarut dilarutkan dalam jumlah larutan yang tidak terhingga, sehingga konsentrasinya tidak berubah dengan penambahan mol zat terlarut. Secara matematik didefinisikan d ( mh ) dm yaitu perubahan panas diplot sebagai jumlah mol zat terlarut, dan panas pelarutan diferensial dapat diperoleh dengan mendapatkan kemiringan kurva pada setiap konsentrasi. Jadi panas pelarutan diferensial tergantung pada konsentrasi larutan. Prodi eknik Kimia S-Fakultas eknik UNNES