TERMODINAMIKA (I) Dr. Ifa Puspasari
Kenapa Mempelajari Termodinamika? Konversi Energi
• 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.
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
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.
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.
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.
Jenis-jenis Sistem
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
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
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.
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.
Proses-proses Termodinamika • Proses yang menyebabkan perubahan keadaan suatu sistem disebut
Proses Termodinamika.
proses isotermal
proses isobarik
proses adiabatik
proses isokorik
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 4 1
3 2
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.
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Entalpi • ΔH = ΔU + PΔV
• ΔH merupakan fungsi keadaan karena U, P dan V adalah
fungsi keadaan.
• 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, Pex. Kerja yang dilakukan berbanding lurus dengan Pex dan perubahan volume ΔV.
Hukum I Termodinamika • ΔU = Q + W
E adalah fungsi keadaan
Kekekalan U
• ΔUalam semesta = ΔUsistem + ΔUlingkungan = 0
Kerja untuk Gas
W = - F Δh = - Pext ΔV Ekspansi ΔV > 0 W≤0
Kompresi ΔV < 0 W>0
Volume/Tekanan Tetap ΔU = Q + W Volume Energi U W=0 ΔU = Qv ΔE ∞ ΔT
Bomb calorimeter
Open to atmosphere
Tekanan Entalpi H = U + PV ΔH = ΔU + PΔV ΔH = Q + W + PΔV (W = - PΔV) ΔH = Qp ΔH ∞ ΔT
Ekspansi/Kompresi Isotermal T tetap: ΔU = ΔH = 0 Q=-W
Ekspansi
Kompresi
Ekspansi/Kompresi Adiabatik
Q = 0; ΔU = W
Ekspansi W≤0 ΔU ≤ 0
Kompresi W>0 ΔU > 0
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?
Jawaban • Proses ireversibel • W = - Pex 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
Reversibel • W = -nRT ln(Vakhir/Vawal) • dan
• ΔU = 0
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.
Jawaban • Untuk proses reversibel: • W = -nRT ln(Vakhir/Vawal) dan ΔU = 0 • Untuk proses ireversibel:
• W = -PexΔV dan ΔU = 0
Jawaban (A)
Jawaban (B)
Jawaban (B)
