TERMODINAMIKA (II) Dr. Ifa Puspasari
PV Work Irreversible (Pressure External Constant) • Kompresi ireversibel: • Kerja = Gaya x Jarak perpindahan •W=Fxl dimana F
= Pex x A • W = Pex x A x l • W = - Pex x ΔV • W = - Pex x (Vf – Vi) • Tanda negatif diperlukan karena dalam
kompresi, kerja dilakukan pada sistem sehingga kerja akan bertanda positif.
PV Work Reversible (Pressure External Not Constant) • Kompresi reversibel
Pex = Pin dP (+) : kompresi (-) : ekspansi 𝑉𝑓
𝑊=−
𝑃𝑒𝑥 𝑑𝑉 𝑉𝑖
PV Work Reversible (Pressure External Not Constant) • 𝑊𝑟𝑒𝑣 = −
𝑉𝑓 𝑃 𝑑𝑉 𝑉𝑖 𝑒𝑥
• 𝑃𝑒𝑥 = 𝑃𝑖𝑛 ± 𝑑𝑃 𝑉𝑓
𝑉𝑓
• 𝑊𝑟𝑒𝑣 = − 𝑉 𝑃𝑖𝑛 𝑑𝑉 ± 𝑉 𝑑𝑃 𝑑𝑉 𝑖 𝑖 dapat diabaikan karena nilainya kecil
𝑉𝑓
• 𝑊𝑟𝑒𝑣 = − 𝑉 𝑃𝑖𝑛 𝑑𝑉 𝑖 • Pada suhu tetap (proses isotermal): 𝑉𝑓 𝑛𝑅𝑇
• 𝑊𝑟𝑒𝑣 = − 𝑉 𝑖
𝑉
• 𝑊𝑟𝑒𝑣 = −𝑛𝑅𝑇 ln
𝑑𝑉 = −𝑛𝑅𝑇
𝑉𝑓 𝑉𝑖
𝑉𝑓 1 𝑑𝑉 𝑉𝑖 𝑉
Ekspansi Bebas • Ekspansi gas dalam vakum (Pex = 0) disebut dengan ekspansi bebas. • Tidak ada kerja yang dilakukan selama ekspansi bebas suatu gas
ideal baik proses reversibel ataupun ireversibel.
• 𝑊 = −𝑃𝑒𝑥 ∆𝑉 • ∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊 • ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑃𝑒𝑥 ∆𝑉 • Jika proses terjadi pada volume tetap (ΔV = 0), maka • ∆𝑈 = 𝑄𝑉 • V dalan 𝑄𝑉 menyatakan bahwa kalor diberikan pada volume tetap.
Ekspansi Isotermal • Untuk gas ideal, U merupakan fungsi dari T saja. • 𝑈 = 𝑐𝑉 𝑛𝑅𝑇 • Maka, untuk proses isotermal: ∆𝑈 = 0 • Untuk proses isotermal ireversibel:
𝑄 = −𝑊 = 𝑃𝑒𝑥 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 • Untuk proses isotermal reversibel:
𝑉𝑓 𝑄 = −𝑊 = 𝑛𝑅𝑇 ln 𝑉𝑖
Proses Isotermal dan Adiabatik • Isotermal: T dijaga tetap. Mungkin memerlukan panas eksternal. • Adiabatik: Tidak ada perpindahan panas dari luar. T mungkin tidak tetap.
Perubahan Energi Internal untuk Proses Adiabatik dan Isokorik • Untuk proses adiabatik:
𝑄=0 ∆𝑈 = 𝑊𝑎𝑑 • Untuk proses isokorik:
∆𝑉 = 0 ∆𝑈 = 𝑄𝑉
Perubahan Energi Internal (ΔU) • Untuk proses isotermal:
•
•
•
•
∆𝑈 = 0 𝑄 = −𝑊 = 𝑃𝑒𝑥 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 Untuk proses ekspansi bebas dalam vakum: 𝑊=0 ∆𝑈 = 𝑄 Untuk proses adiabatik: 𝑄=0 ∆𝑈 = 𝑊𝑎𝑑 Untuk proses isokorik: ∆𝑉 = 0 ∆𝑈 = 𝑄𝑉 Untuk proses isobarik: ∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊
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?
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?
2L 10 atm
=0
∆𝑈 = 0 𝑄 = −𝑊 = 𝑃𝑒𝑥 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 = 0 × ∆𝑉 𝑄 = −𝑊 = 0
=0 10 L
ΔU = 0 Q=0 W=0
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?
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?
2L 10 atm
= 1 atm
= 1 atm
10 L
∆𝑈 = 0 𝑊 = −𝑃𝑒𝑥 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 = − 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
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.
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.
H2O(l) → H2O(g) Vi = volume of H2O liquid 18 g/mol 1,6 mol H2O liquid = 1,6 mol = 0,0288 L 1000 g/L 𝑛𝑅𝑇 1,6 mol 0,082 L.atm/mol.K 373 K 𝑉f = = = 48,94 L 𝑃 1 atm 𝑊 = −𝑃𝑒𝑥 ∆𝑉 = −𝑃𝑒𝑥 𝑉𝑓 − 𝑉𝑖 𝑊 = − 1 atm 48,94 − 0,0288 L = −48,91 L.atm = −4,956 kJ
Entalpi (H) • Sebagian besar reaksi kimia berlangsung di udara terbuka, yaitu
pada tekanan tetap, bukan pada suhu dan volume tetap.
Entalpi (H) • Pada tekanan tetap: • ∆𝑈𝑃 = 𝑄𝑃 + 𝑊𝑃
• ∆𝑈𝑃 = 𝑄𝑃 − 𝑃∆𝑉 • 𝑈2 − 𝑈1 𝑃 = 𝑄𝑃 − 𝑃 𝑉2 − 𝑉1 • 𝑄𝑃 = 𝑈2 + 𝑃𝑉2 − 𝑈1 + 𝑃𝑉1 • 𝑄𝑃 = 𝐻2 − 𝐻1 • ∆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 = QV, sehingga ΔH = ΔU = QV.
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 VA adalah volume total dari gas reaktan, VB adalah volume total dari gas produk, nA adalah jumlah mol gas reaktan dan nB adalah jumlah mol gas produk, pada tekanan dan suhu tetap, menggunakan persamaan gas ideal: • 𝑃𝑉𝐴 = 𝑛𝐴 𝑅𝑇
dan 𝑃𝑉𝐵 = 𝑛𝐵 𝑅𝑇
𝑃𝑉𝐵 − 𝑃𝑉𝐴 = 𝑛𝐵 𝑅𝑇 − 𝑛𝐴 𝑅𝑇 = 𝑛𝐵 − 𝑛𝐴 𝑅𝑇 atau 𝑃 𝑉𝐵 − 𝑉𝐴 = 𝑛𝐵 − 𝑛𝐴 𝑅𝑇 atau 𝑃∆𝑉 = ∆𝑛𝑔 𝑅𝑇
• maka •
• • dimana Δng adalah jumlah mol gas produk dikurangi jumlah mol gas reaktan.
• ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆𝑛𝑔 𝑅𝑇
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.
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.
H2O(l) → H2O(g) • ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆𝑛𝑔 𝑅𝑇 • ∆𝑈 = ∆𝐻 − ∆𝑛𝑔 𝑅𝑇 • ∆𝑈 = 41 kJ − 1 mol 8,314 × 10−3 kJ/mol.K 373 K • ∆𝑈 = 41 kJ − 3,10 kJ • ∆𝑈 = 37,90 kJ
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.
H2O(l) → H2O(s) • Perubahan volume dapat diabaikan • ∆𝑉 ≈ 0 • ∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑃∆𝑉 • ∆𝑈 = ∆𝐻 • ∆𝑈 = 41 kJ
Persamaan Termokimia • Persamaan reaksi setara dengan nilai ΔHr nya disebut
persamaan termokimia. • A + B → C, ΔH = () #
• Endotermik: A + B + Kalor → C, ΔH > 0 • Eksotermik: A + B → C + Kalor, ΔH < 0 • Contoh:
• H2 + ½O2 → H2O •
• • •
ΔH = -286 kJ 2H2 + O2 → 2H2O ΔH = -572 kJ H2O → H2 + ½O2 ΔH = 286 kJ CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2O ΔH = -890 kJ N2 + 3H2 → 2NH3 ΔH = -92,3 kJ
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: • 2H2 + O2 → 2H2O ΔH = -572 kJ • H2 + ½O2 → H2O ΔH = -286 kJ
ΔH = 2x
ΔH = x
ΔH = x
Persamaan Termokimia • Koefisien dalam persamaan termokimia setara mengacu pada jumlah
mol reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi. • Nilai dari perubahan entalpi standar ∆𝐻𝑟0 mengacu pada jumlah mol zat yang ditentukan oleh persamaan reaksi. • Ketika suatu persamaan kimia dibalik, tanda pada nilai ∆𝐻𝑟0 juga dibalik.
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, Cm, suatu zat adalah kapasitas panas untuk satu 𝐶 mol zat. 𝐶𝑚 = 𝑛
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 = 𝐶𝑚 × 𝑛 × ∆𝑇
Hubungan antara CP dan CV Gas Ideal • Kapasitas panas C pada volume tetap dilambangkan dengan CV dan
pada tekanan tetap dilambangkan dengan CP.
𝑄𝑉 = 𝐶𝑉 ∆𝑇 = ∆𝑈 Pada tekanan tetap: 𝑄𝑃 = 𝐶𝑃 ∆𝑇 = ∆𝐻
• Pada volume tetap: •
• Untuk satu mol gas ideal:
• ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆ 𝑃𝑉 • ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆ 𝑅𝑇
• ∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑅∆𝑇 • 𝐶𝑃 ∆𝑇 = 𝐶𝑉 ∆𝑇 + 𝑅∆𝑇 • 𝐶𝑃 = 𝐶𝑉 + 𝑅
• 𝐶𝑃 − 𝐶𝑉 = 𝑅
Pengukuran ΔU: Kalorimeter • Kalor yang diserap pada volume
tetap. • Tidak ada kerja yang dilakukan karena ΔV = 0.
• ∆𝑈 = 𝑄𝑉 = 𝐶𝑉 ∆𝑇
Pengukuran ΔH: Kalorimeter • Perubahan kalor pada tekanan
tetap.
• ∆𝐻 = 𝑄𝑃 = 𝐶𝑃 ∆𝑇 • Kalor yang diserap atau
dilepaskan pada tekanan tetap QP juga disebut dengan panas reaksi atau entalpi reaksi.
Contoh Soal 5 • 1g grafit dibakar dalam kalorimeter bom dengan oksigen
berlebih pada 298 K dan tekanan 1 atmosfer dengan persamaan: • C (graphite) + O2 (g) → CO2 (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?
Contoh Soal 5 • Jumlah kalor yang diserap oleh kalorimeter: • 𝑄 = 𝐶𝑉 ∆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 = −𝐶𝑉 ∆𝑇 = − 20,7 kJ/K 299 − 298 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 102 kJ/mol.
• Karena Δng = 0, maka ΔH = ΔU = -2,48 x 102 kJ/mol.
