Transcript KFI-2

HUKUM PERTAMA (KONSEP)
Termodinamika:
a. Mengkaji tentang transformasi energi yang
mengiringi proses kimia. Sifat kajian adalah
makroskopis (bukan molekuler).
b. Jika suatu sistem kimia mengalami perubahan,
berarti telah terjadi serah terima energi antara
sistem tersebut dengan sekitar (lingkungan).
c. Menurut hukum kekekalan energi, energi yang
diserahterimakan antara sistem dengan sekitar
adalah tetap.
d. Perlu batasan dari :
Sistem
Sekitar (Lingkungan)
Batas sistem
Alam semesta
e. Batas antara sistem dengan sekitar
(lingkungan), ditetapkan berdasarkan kriteria
apakah kedap atau tidak kedap terhadap
pertukaran:
massa (n),
kalor (q),
dan kerja (w)
ENERGI, KALOR, KERJA
● ENERGI
● Kemampuan untuk melakukan kerja, tidak dapat
dimusnahkan maupun diciptakan (kekal).
● Dapat ditransformasi dari satu bentuk ke bentuk
lain, tanpa kehilangan kualitas dan kuantitasnya
(interkonversi energi)
E total = Ek + Ep = tetap ……………Joule
Ek = ½ mv2
(energi kinetik)
Ep = m.g.h. (energi potensial)
Ep = 10 unit
Ek = 0 unit
energi
potensial
Ep = 5 unit
Ek = 5 unit
energi
kinetik
ENERGI, KALOR, KERJA
● ENERGI
Dalam proses kimia, energi dapat diserahterimakan
antara sistem dengan lingkungan. Besarnya energi
yang diserahterimakan dapat dikuantifikasi dengan
mengukur perubahan yang terjadi di sekitar
● KERJA
Suatu sistem telah melakukan kerja apabila
mampu menaikkan kualitas-bobot dari sekitar
(lingkungan).
Kerja (W) = Gaya (F) x Perubahan Jarak (dX)
(Joule) (Newton)
(Meter)
Jenis kerja : a. Kerja mekanik
b. Kerja Tekanan-Volume
c. Kerja listrik
d. listrik elektrostatik
e. Tegangan permukaan
f. magnet, dan lain-lain
Kerja Tekanan – Volume:
W = F . dh = Pex . A dh = Pex . dV
dh = selisih tinggi
A = luas permukaan wadah
Kerja Pemuaian
Dilakukan oleh gas melawan tekanan eksternal, Pex.
Pemuaian bebas ke ruang hampa (Pex = NOL)
dW = Pex . dV = NOL
Pemuaian Reversibel:
Adalah perubahan yang arahnya akan berbalik bila
variabel proses diubah secara kecil tak terhingga.
Merupakan perubahan yang secara hipotetik setiap
saat berada dalam kesetimbangan (Pex =Psist)
Pemuaian Reversibel Gas Ideal:
W = - Pex dV = - Psist dV = - Pgas dV
= - nRT dV/V = - nRT ln Vf/Vi
Vf = volume akhir
Vi = volume awal
Contoh Soal:
1. Sebanyak 50 Gram serbuk Fe dilarutkan kedalam
larutan HCl berlebih. Hitung kerja yang dilakukan
jika reaksi dilakukan dalam wadah tertutup dan
wadah terbuka.
2. Hitung kerja yang dihasilkan pada proses
elektrolisis 50 Gram air yang dilakukan pada suhu
250C dan tekanan 1 atm.
3. Satu mol gas ideal pada 250C terdapat dalam
selinder yang tekanannya dijaga tetap pada 100
atm melalui sebuah piston yang dapat digesergeser. Jika piston bergeser sebanyak 3 tahap
sehingga tekanannya berturut-turut menjadi 50
atm, 20 atm, dan 10 atm, hitung kerja yang
dilakukan pada proses ekspansi gas tersebut.
Bandingkan hasilnya jika proses tersebut
berlangsung secara isotermal reversibel dari 100
atm ke 10 atm.
4. Kerapatan logam Al pada 200C adalah 2.70 g/cc,
sedangkan cairannya pada 6600C adalah 2.38
g/cc. Hitung kerja yang dilakukan pada
lingkungan jika 10 Kg Al dipanaskan pada
tekanan atmosfir. Anggap semua logam mencair.
● Kalor
Energi yang dipindahkan antara sistem dengan
lingkungan akibat adanya perbedaan suhu.
q = m . C . ∆T
Aliran Q: dari T >>
T <<
Faktor: jumlah zat dan jenis zat/molekul
perubahan suhu
● dQ ~dT
dQ = C dT
C = (dQ/dT)p,atau V
Cv = (dQ/dT)v
dan
Cp = (dQ/dT)p
● Kapasitas kalor (C): jumlah kalor yang diperlukan
untuk menaikkan suhu suatu
zat 1oC
● Kalor jenis (c): C/g zat
● Kapasitas kalor molar: C/mol zat
● Satu kalori: C/g air dari 14,5 ke 15,5oC
Keadaan standar, karena pada T ini sifat air relatif
tetap
● Contoh:
Berapa energi/kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan
suhu 735 g air dari 21,0oC ke 98,0oC? (anggaplah kalor
jenis air 1,00 kal g -1 oC-1).
Penerapan Hukum Kekekalan Energi
qlogam + q air = 0
150,0 g
timbal
22,0oC
50,0 g air
insulasi
28,8oC
insulasi
● Contoh:
Gunakan data pada Gambar di atas untuk menghitung
kalor jenis timbal!
termometer
isolasi
● Kesetaraan kalor mekanik:
konversi kerja ke kalor
kincir
Percobaan Joule:
kerja mekanik → kalor
1 kal = 4,184 J
air
beban
jatuh
● Arah Aliran Energi: Sistem, Lingkungan
●Sistem: Sejumlah materi
atau daerah dalam
ruang yang dijadikan
sebagai objek studi
● Lingkungan: massa
atau daerah yang
berada di luar sistem
● Batas: pemisah sistem & lingkungan (nyata/maya)
● Batas tetap (fixed boundary)
● Batas berubah (movable boundary)
● Bedasarkan interaksinya dg lingkungan:
Pertukaran Terbuka
Materi
Energi
-
Tertutup
+
Terisolasi
+
+
● Besaran ekstensif: variabel yang ukurannya ditentukan oleh
jumlah atau kuantitas dari sistem →
volume, massa, energi, kapasitas kalor, dll
● Besaran intensif: variabel tidak tergantung pada jumlah atau
kuantitas dari sistem →
tekanan, densitas, suhu, viskositas, dll
● Energi Dalam sebagai Fungsi Keadaan
● Pengertian Fungsi Keadaan
Kondisi suatu sistem yang ditunjukkan oleh keadaannya dan
setiap sifat yang hanya bergantung pada keadaan suatu
sistem, dan tidak bergantung pada cara keadaan tersebut
dicapai
keadaan 1
Keadaan 2
∆U
Jalur 1
curam, pendek
keadaan 2
Jalur 2
landai, panjang
∆U
Keadaan 1
● Reaksi kimia: A + B
Pereaksi
Keadaan 1
(BT 1)
fungsi keadaan
keadaan 1
C + D
Hasil reaksi
Keadaan 2
( BT 2)
BT akhir = BT2 – BT1
BT1 & BT2 = besaran termodinamika keadaan 1 dan 2
● Pengertian Fungsi Jalan
Sifat suatu sistem yang bergantung pada jalannya proses.
Fungsi
Keadaan
U, H, S
diff eksak
Fungsi
Jalan
Q,W
diff tak eksak
Variabel
Keadaan
P, V, T, n
-
dU, dH, dS
dQ, d W
-
● Sifat Diferensial Eksak
OdU = 0
Bila dU = g dx + h dy, maka :(
dh
dg
)x = ( dx )y
dy
FORMULASI HUKUM I TERMODINAMIKA
● Hukum Termodinamika I : ∆U = q + W
● Untuk proses kecil tak terhingga: dU = dq + dW
● Sistem terisolasi : dU = NOL, karena dq dan dW =0
Energi dalam sistem terisolasi adalah tetap
Besaran
+
Q (kalor)
Sistem serap E
Sistem lepas E
W (kerja)
Sistem dikenai kerja Sistem buat kerja
∆U (energi dalam)
+
● Suatu sistem mengalami perubahan, berarti ada serah terima
energi (q,w) antara sistem dan lingkungan.
● Keadaan suatu sistem didefinisikan dari variabel P,V, T, dan
n (jumlah mol, massa).
● Penerapan hukum I Termodinamika
Gas
kerja
kalor
kerja
Gas
kerja listrik
CH4 + 2O2

air
CO2 + 2H2O
penangas air
kalor
D. Penerapan ukum I: Termokimia
● Pengukuran ∆U → menggunakan kalorimeter bom
termometer
kaleng
termometer
jaket
jaket
air dalam
kaleng
kalorimeter
elektrode
bom
tempat
sampel
● Sistem tertutup
● Volume tetap → sistem tidak melakukan kerja
W = 0 → ∆U = qv
● Hukum kekekalan energi I termodinamika
qv + qair +qbom = 0 → qv = -(qair + qbom)
● Contoh:
Sebanyak 0,505 g suatu contoh hidrokarbon naftalena,
C10H8, dibakar sempurna di dlm sebuah kalorimeter bom.
Massa air di dlm kalorimeter 1215 g. Akibat reaksi, suhu
air naik dari 25,62 ke 29,06oC. Kapasitas kalor dari bom 826
J/oC. Berapakah kalor reaksi pada volume tetap, qv,
dinyatakan dalam J/g, kJ/mol, kkal/mol C10H8
Contoh:
Suatu oil bath yang suhunya dipelihara tetap pada
500C melepaskan kalor ke lingkungan dengan laju
1000 kaloriDpermenit. Untuk menjaga agar suhu tetap,
alat dilengkapi dengan coil listrik pemanas yang
dioperasikan pada 110 V, 50 ohm. Arus suplay listrik
diatur dengan termoregulator yang secara otomatis
bekerja on-off. Tentukan presentase arus masuk agar
suhu terpelihara.
● dQ ~dT
dQ = C dT
C = (dQ/dT)p,atau V
Cv = (dQ/dT)v
dan
● dU = dQ + dW
dU = dQ + dWe – pex dV
dU = dQ
Cv = (dU/dT)v
Cp = (dQ/dT)p
dWe = 0, V=const
Cv = (dQ/dT)v
Cp = ?
● ENTALPHY : H = U + PV (definisi)
dH = dU + pdV + Vdp
dU = dQ + dWe – pex dV
dWe, dp = 0
dH = dQp
Cp = (dH/dT)p
Cp = (dQ/dT)p
● Pengukuran ∆H
● Entalpi (H) → besaran termodinamika baru
● Alat untuk menentukan ∆H:
→ styrofoam
termometer
batang pengaduk
→ sistem adiabatik
air
sampel
logam
● Sistem terbuka
● Kalor pada tekanan tetap (qp) → sistem melakukan kerja
● ∆V
→ W = -P.dV → ∆U = qp – P.∆V → qp = ∆U + P . ∆V
→ ∆H = qp = ∆U + P . ∆V
Gas : >
Cair/padatan : <<<<<
● Contoh : C10H8 + 12O2  10CO2 + 4H2O
(p)
(q)
(q)
(l)
VCO 2 =
nCO2 . R. . T
VO 2 =
nO2 . R. . T
p
p
]
DH = DU + P [Dng . RT
P
DV = VCO 2 - VO2
= ( n CO 2 – n O 2)
= Dng RT
P
RT
P
DH = DU + D ng RT
Contoh:
Air dididihkan pada tekanan luar 1 atm. Ternyata jika
arus 0,5 ampere,12 volt dialirkan selama 300det,
akan menguapkan 0.798 gram air. Tentukan DU dan
DH molar pada 373.15K.
H2O, cair
H2O, gas
DU = Q + W
W’ = pex x DV = RT Dn
= 8.314 JK-1mol-1x 373.15 K x 0.798/18.02 mol
W’ = 137 Joule, W = - 137 Joule
Q =Vit
= 12 volt x 0.5 ampere x 300 det
= 1.8 kJoule
DU = 1800 Joule – 137 Joule
DH = Q = 1800 Joule.
Sebanyak 1.5 gram NH4NO3 ditambahkan ke dalam
35,0 gr air dlm sebuah mangkok busa kemudian diaduk
sampai larut seluruhnya. Suhu larutan turun dari 22,7oC
menjadi 19,4oC.
a. Apakah proses bersifat endoterm atau eksoterm?
b. Berapakah kalor pelarutan NH4NO3 dalam air
dinyatakan dalam kJ/mol NH4NO3
● Hubungan yang Melibatkan ∆H
● DH adalah suatu sifat ekstensif
Bila qp naftalena a dalah -5,15 x 103 kJ/mol, hitunglah
DH pembakaran sempurna 0,1 mol naftalena pada 298 K.
q = 0,1 mol x ( -5,15 x 103 kJ/mol) = -5.15 x 102 kJ
● DH akan berubah tanda bila arah reaksi berbalik
½ N2(g) + ½ O2 (g)  NO(g) : DH = + 90,37 kj/mol
NO(g)  ½ N2(g) + ½ O2(g) :DH = - 90.37 kJ/mol
● Hukum Penjumlahan Kalor dari Hess
Tentukan entalpi untuk reaksi :
3C (grafit) + 4H2 (g)  C3H8 (g)
diketahui data :
(a) C 3H8(g) + 5O2 (g)  3CO 2(g) + 4H 2O(l)
DH= -2220,1 kJ/mol
(b) C(grafit) + O2 (g)  CO2 (g) D H= -393,5 kJ/mol
(c) H 2(g) + ½ O 2 (g)
 H 2O(l)
DH= -285,9 kJ/mol
● Entalpi Pembentukan Standar
 Nilai mutlak U dan H tidak ada
 Perjanjian: nilai nol utk entalpi unsur berada dlm keadaan paling mantap pd tekanan 1 atm & suhu ttt → keadaan standar
 Entalpi pembentukan standar molar ( DH of )  Tabel
● Contoh 6:
o
Hitunglah perubahan entalpi ( D H rks
) pd reaksi pembakaran
1 mol etana, C 2 H6 (g). Pereaksi dan produk dalam keadaan
standar.
C2 H6 (g) + 7/2 O2 (g)  2CO 2 (g) + 3H 2 O(l)
Reaksi di atas merupakan penjumlahan 3 pers.berikut :
o
a. C2 H6 (g)  C(grafit) + 3 H 2 (g) D Ha = - D H f C 2 H 6 (g)
b. 2C(grafit) + 2 O 2 (g)  2CO 2 (g) D Hb = 2 x DH of CO (g)
2
(g)  3H 2 O(l) D Hc = 3 x D Ho f H 2 O(l)
+
C2 H6 (g) + 7/2 O 2 (g)  2CO 2(g) + 3H 2 O(l) D Horks = ?
c. 3H 2 (g) + 3/2 O
2
Sh D Ho f (hasil) - Sp D H of (pereaksi) = ∆Hb + ∆Hc + ∆Ha
2 x D Hof CO 2 (g) + 3 x D H of H2 O (l) – D Hof C2 H 6 (g)
● Contoh 7 :
Pembakaran siklopropana yang biasa digunakan sebagai
anestesi adalah sebagai berikut : (D Horks = -2091,4 kJ/mol )
(CH 2 )3 (g) + 9/2 O2 (g)
 3 CO2 (g) + 3 H 2O (l)
o
Gunakan nilai DH rks ini untuk menghitung entalpi
pembentukan standar siklopropana.