BAB II ENERGETIKA
I. Beberapa Pengertian Dasar dan Konsep Sistem : Bagian dari alam semesta yang menjadi pusat perhatian kita dengan batasbatas yang jelas Lingkungan : Bagian di luar sistem Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi penukaran energi atau materi
Berdasarkan pertukaran ini, dapat dibedakan 3 macam sistem : Sistem tersekat : yang dengan lingkunganya tidak dapat tukar-menukar energi atau materi Sistem tertutup : yang dengan lingkungannya dapat tukar-menukar energi saja, materi tidak Sistem terbuka : yang dengan lingkungannya dapat tukar-menukar energi atau materi
II. Keadaan Sistem Ditentukan oleh sejumlah parameter atau variabel Sifat variabel : Intensif : tidak bergantung pada ukuran sistem Ekstensif : bergantung pada ukuran sistem Intensif T P F γ Ekstensif S V l A Energi Energi Energi energi
III. Fungsi Keadaan dan Fungsi Proses Fungsi keadaan : variabel yang hanya bergantung pada keadaan sistem dan tidak bergantung pada bagaimana keadaan itu dicapai (awal s/d akhir)
Sifat fungsi keadaan : 2 1 dx = x x = x 1 2 dx = 3 2 1 dx = Mdy + Ndz M dan N fungsi y dan z M N = y z y z Contoh: Energi potensial, Energi dalam
Fungsi proses : bergantung pada lintasan yang ditempuh Sifat : 2 1 dx = x 1 2 dx Contoh : Kerja, kalor
Proses reversibel Contoh : proses pengubahan fasa pada titik transisi H O H O 2 ( l,1 C,1 atm) 2 ( g,1 C,1 atm) Proses tak reversibel H O H O 2 ( l,25 C,1 atm) 2 ( g,1 C,1 atm)
Proses pada gas ideal Isoterm (n,t tetap) Isokhor (n,v tetap) Isobar (n,p tetap) Adiabatis (tidak ada perubahan kalor) PV = P = T PV 1 1 2 2 P 1 2 T 1 2 V = T V 1 2 T 1 2 d q =
IV. Kalor dan Kerja Kalor (q) : energi yang dipindahkan melalui batas-batas sistem, akibat perbedaan suhu sistem dan lingkungan Kerja (w) : setiap bentuk energi yang bukan kalor yang dipertukarka antara sistem dan lingkungan Contoh : kerja ekspansi, kerja mekanis, kerja listrik 2 1 2 1 d d q w = = q w
Perjanjian S L kerja = F. dx = PAdx = Pdv w negatif q w positif q ekspansi kompresi
Agar perjajian ini benar, maka rumusan kerja d w = Pdv P = tekanan luar l l Bagi proses yang reversibel, P l harus diganti dengan P S (tekanan sistem) Maka, = ekspansi P = P dp l S + = kompresi d w = P dv S suku kedua diabaikan karena terlalu kecil daripada suku kedua
Perhitungan Kerja Ekspansi isobarik reversibel w = P ( V V ) S 2 1 Ekspansi isoterm reversibel Isokhorik w = w = nrt ln V V 2 1 Ekspansi adiabatik w ( Mengapa???)
V. Hukum I Termodinamika Energi alam semesta kekal, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan Rumusan : du = d q + d w U = q + w
Perhitungan U Isokhorik w = U = q Isobar reversibel U = q P V V S 2 1 Isoterm reversibel U = ( Mengapa???) Adiabat reversibel U = w
VI. Fungsi Entalpi ( H ) Kebanyakan reaksi kimia dikerjakan pada tekanan tetap. Dalam hal ini : U = q P V V P 2 1 U U = q P V V 2 1 P 2 1 karena P = P = P maka : 1 2 U + PV U + PV = q 2 2 2 1 1 1 P 2 1 = H = q P P H H q
Perhitungan H Isokhorik reversibel Isobar reversibel H = U + V dp Buktikan!!! H = q P Isoterm gas ideal H = ( Mengapa???) Adiabat reversibel H =VdP Buktikan!!!
VII. Kapasitas Kalor Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebanyak satu derajat C = d q dt Dalam kimia, hanya ada 2 macam kapasitas kalor
1 ) V C = d q dt V U = T V U = C dt C = C ( T ) V Ingat, V V 2 ) P C = d q dt P H = T H = C dt Ingat, C P = CP T P P Hubungan C dan C untuk gas ideal : P V C C = R P V R = tetapan gas
VIII. TERMOKIMIA Aplikasi HPT pada sistem kimia adalah pada Termikimia Termokimia : Studi tentang efek panas yang terjadi baik pada proses fisis maupun dalam reaksi kimia Efek panas ini yang biasanya disebut kalor reaksi (q) q q = = + eksoterm endoterm
Kalor reaksi bergantung pada kondisi reaksi Volume tetap : qv = U Tekanan tetap : qp = H
Hubungan U dan H pada H = U + ng RT Buktikan!! n g = Contoh : selisih mol gas hasil reaksi dan mol gas pereaksi ( S ) 2( g ) 2( g ) 298 reaksi kimia C + O CO H = 393.5 kj/mol n = g Mengapa?? U = H = 393.5 kj/mol
Perhitungan Entalpi Reaksi, H 1) Menggunakan Hukum Hess C CO ( s) + O2( g ) 2( g ) H H 1 CO 1 + O 2 ( g ) 2( g ) H 2 H = H + H 1 2
2) Menggunakan data entalpi pembentukan ( H f ) H f : Perubahan entalpi yang menyertai pembentukan 1 mol senyawa tersebut dari unsur-unsurnya dengan semua zat berada pada keadaan standar Perjanjian entalpi pembentukan standar bagi unsur adalah nol
Contoh : CH + O CO + 2H O 4( g ) 2( g ) 2( g ) 2 ( l) ( ) ( ) 2 f, CO f, H O f, CH H = H + H H 2( g ) 2 ( l ) 4( g )
3) Menggunakan data energi ikatan Ada dua macam energi ikatan Energi disosiasi ikatan, D : energi yang diperlukan untuk memutuskan 1 mol ikatan dari molekul diatom dalam fasa gas menjadi atom-atomnya dalam fasa gas Energi ikatan rata-rata,ε : energi rata-rata yang diperlukan untuk memutuskan ikatan tertentu dalam molekul poliatomik dalam fasa gas Contoh : Dalam senyawa CH ; CH OH, dsb ε = C H 4 3 414.2 kj/mol
( energi ikatan pereaksi) ( energi ikatan produk) H = Contoh : 2 = 2( g ) + 2( g ) 3 3( g ) H C CH H H C CH Jadi, Putus : perlu energi : 1 C=C ; 1 terbentuk : melepaskan energi :1 C C ; 2 C H { 1 ( =C) 4 1} 1 6 H H { } H = C + C H + H H C C + C H
Kebergantungan entalpi reaksi pada suhu C awal + O ( s) 2( g ) H r,25 akhir CO2( g ) T = 25 C H = C x H = CP x 2(g) 1 P, C( s) 75 2,O 75 H = C x 3 P, CO 75 2( g ) C + O ( s) 2( g ) H r,1 CO2( g ) T = 1 C H = H + H + H + H r,25 1 2 r,1 3 atau H = H + C x75 r,1 r,25 P
H > H Ramalan fisis : r,1 r,25 ( ) H = 393.51+ C C + C x75 r,1 P, CO P, C( s) PO 2( g ) 2( g ) H H r,1 r,1 = 393.51 + Cari Sendiri dari Handbook datanya!!) x75 = kj/mol
IX. Hukum Kedua Termodinamika Terlahir dari : Kalor tidak dapat diubah seluruhnya menjadi kerja Semua proses spontan mempunyai arah tertentu Yang dirumuskan melalui suatu fungsi yang disebut Entropi
Fungsi Entropi dan Perubahan Entropi S = S = S V, T S P, T Secara matematik didefinisikan sbg : q d q S = rev atau ds = rev T T
Perhitungan Perubahan Entropi A. Proses fisis tanpa disertai perubahan fasa secara reversibel H O H O ( l,25 C,1 atm) ( l,75 C,1atm ) 2 2 Ramalan fisis : S > Mengapa?? d qrev d qp dh CPdT ds = = = = T T T T 348 S = CP, H2O( l ) ln > 298
B. Proses perubahan fisis disertai perubahan fasa secara reversibel H O H O ( l,1 C,1 atm) ( g,1 C,1atm) 2 2 Ramalan fisis : S > Mengapa?? q rev p tr v q H H S = = = = > T T T T
C. Proses fisis disertai perubahan fasa tidak reversibel S = C H O 1 P,H O(l) 2 ( l,25 C,1 atm) ( g,1 C,1atm ) 2 2 rev H O 373 ln 298 ( l C atm) 2,1,1 S tak rev rev H O S2 = = T H trans H v 373
Ramalan fisis : S > tak rev Mengapa? S = S + S tak rev 1 2 S = > + > tak rev S > tak rev
D. Perubahan entropi pada reaksi kimia Contoh : C + 2H CH ( s) 2( g ) 4( g ) S = S S hasil pereaksi ( 2 ) S = S S + S CH ( g ) C ( s) H ( g ) Ramalan fisis : 4 2 S < Mengapa? ( x ) S = 186.16 5.74 + 2 13.57 S = 8.72 J/K mol <
Kebergantungan entropi pada suhu awal S r,25 akhir C + O CO ( s) 2( g ) 2( g ) S = C 1 P,C(s) 373 ln 298 S = C 2 P,O (g) 2 373 ln 298 S = C 3 P,CO (g) 2 298 ln 373 C + O CO ( s) 2( g ) S 2( g ) r,1
S = S + S + S + S atau r,25 1 2 r,1 3 S = S + C r,1 r,25 P 373 ln 298 >,1.25 Ramalah fisis : S S r r S = + C C + C 213.64 ln 2( g ) ( s ) 2( g ) 298 r,1 P, CO PC P, O S = + r,1 373 373 213.64 ( Cari sendiri dari Handbook datanya! ) ln 298 S = r,1 J/K mol
X. Fungsi energi bebas Contoh : A B H = H H B B A A S = S S Menurut Hk II Termodinamika > artinya spontan SS + SL = Sa. s S S B B H S A + T H H S T = B A A + artinya reversibel
TS TS + H H B A A B H TS H TS B B A A Definisi : G = H TS dg G : Energi bebas Jadi, G G P, T tetap,spontan B A G = P, T tetap,reversibel
Perhitungan perubahan energi bebas ( G) 1. Perhitungan dari data H dan S G = H TS G = H TS Pada suhu tetap : G = H T S Apakah pada suhu tetap, proses reversibel?? G =
Contoh : H 2 O( l.1 C,1 atm) H2 O( g.1 C,1 atm) Ramalan fisis : G = P, T tetap Perhitungan : H v, H O = 4.77 kj/mol 2 Hv S = T G = H T S H G H T T v = =
2. Perhitungan menggunakan data energi bebas pembentukan standar G f Contoh : CH + 2O CO + 2 H O P, T tetap 4( g ) 2 2( g ) 2 ( l ) Ramalan fisis : G < Mengapa? G = G + 2 G G r f CO g f H O l f CH g, 2, 2, 4 Gr = 394.36 + 2x 237.18 5.75 G = 817.97 kj < r Perjanjian G f [ ] Unsur dalam keadaan standar bernilai NOL