T i p s Menentukan Bentuk
B. Hukum Kekekalan Energ
Hukum Kekekalan Energi disebut juga sebagai Hukum Termodi namika I. Hukum ini ditemukan berkat beberapa percobaan yang dilakukan James Prescott Joule (1818–1889), seorang ahli fisika berkebangsaan Inggris.
Hukum Termodinamika I menyatakan:
Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari bentuk energi satu ke bentuk energi yang lain.
Sebagai penghargaan atas jasanya, nama James Prescott Joule diaba- dikan sebagai nama satuan energi, yaitu joule. Joule merupakan satuan menurut Sistem Internasional (SI), dengan rincian:
joule = newton × meter (J) = kg . m . s-2× m = kg . m2 . s-2
Satuan joule dapat dikonversi (diubah) ke dalam satuan energi yang lain, seperti berikut.
1 kJ = 1000 J 1 kalori = 4,184 J 1 kkal = 1000 kal 1liter atm = 101,2 joule
1. Energi
Energi didefinisikan sebagai kemampuan suatu materi untuk melaku- kan kerja. Energi yang akan kita pelajari dalam termokimia adalah “energi dalam” dari suatu sistem/reaksi-reaksi kimia.
Suatu benda dapat memiliki energi dalam bentuk energi kinetik dan energi potensial. Jumlah energi yang dipunyai benda tersebut merupakan jumlah energi kinetik dan energi potensialnya. Suatu benda memiliki en- ergi kinetik apabila ia bergerak. Energi kinetik bisa berupa energi translasi, rotasi, vibrasi, bunyi, panas, dan listrik. Adapun energi potensial dimiliki benda bila ia ditarik atau didorong oleh benda lain, sehingga apabila benda tidak memiliki gaya tarik menarik atau tolak menolak, maka benda tersebut tidak memiliki energi potensial.
Gambar 3.2
Reaktor nuklir menghasilkan energi nuklir yang dapat dimanfaatkan untuk bidang kedokteran maupun perta-
Whyman, 2006, hlm. 13
James Prescott Joule (1818-1889), ahli fisika berkebangsaan Inggris yang mengemukakan Hukum Termodinamika I.
Microsoft Encarta Premium 2006
www
Kimia Kelas XI
40
Dalam keseharian, tanpa kita sadari, kita telah memanfaatkan ber- bagai energi, misalnya energi panas untuk menjemur pakaian, energi lis- trik dan cahaya untuk penerangan, serta energi kimia di dalam LPG untuk memasak. Tidak ketinggalan pula energi nuklir yang digunakan dalam du- nia kedokteran untuk mengobati berbagai penyakit, mensterilkan alat-alat kedokteran di rumah sakit, memproses bibit tanaman menjadi tanaman unggul, dan lain-lain.
Sifat perpindahan energi telah dimanfaatkan pemerintah untuk mendirikan PLTU (Pembangkit Listrik Tenaga Uap) maupun PLTN (Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir).
Dalam termokimia, energi yang akan kita pelajari adalah energi yang berlangsung dalam reaksi kimia. Perhitungan energi dalam reaksi kimia menggunakan besaran yang disebut entalpi atau H. Entalpi tidak dapat berdiri sendiri, namun berkaitan erat dengan energi dalam atau E, dan kerja (w) yang dilakukan oleh sistem.
Gambar 3.3
(a) Energi panas digunakan untuk mengeringkan pakaian yang sedang dijemur. (b) Energi listrik digunakan untuk penerangan.
(c) Energi kimia dari LPG dimanfaatkan untuk memasak.
Gambar 3.4
PLTN mengubah energi nuklir menjadi energi listrik
D i s k u s i
Ketika kita sedang menyambungkan kabel seterika ke stop kon- tak, maka energi listrik mengalir dari stop kontak melewati kabel menuju ke arah seterika kita. Sesaat kemudian, kita menye terika pakaian kita hingga halus. Selesai menyeterika, kabel kita cabut dan aliran listrik ke seterika berhenti. Pergi ke manakah energi listrik ketika kita sedang menyeterika? Terangkan proses yang terjadi sehubungan dengan Hukum I Termodinamika. Diskusikan jawaban kalian bersama teman-teman sekelompok.
(a) (b) (c)
2. Energi Dalam
Energi dalam disebut juga internal energy (E) yang merupakan “jum- lah energi“ dari semua bentuk energi yang dimiliki oleh sistem molekul atau benda. Energi dalam terdiri dari energi kinetik dan energi potensial. Energi dalam suatu sistem dapat berubah bila sistem menyerap atau me- lepas panas. Energi dalam akan bertambah apabila:
a. sistem menyerap/menerima panas b. sistem menerima kerja
image.blog.liv
edoor
.com
Tempo, 21-27 Februari 2005, hlm. 147
Energi dalam berkurang apabila: a. sistem melepaskan panas b. sistem melakukan kerja
Energi dalam dari suatu sistem tidak dapat diukur, namun perubahan- nya dapat diukur dan dinyatakan sebagai ΔE dengan perumusan sebagai berikut.
3. Kalor
Kalor adalah energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya, dikarenakan adanya perbedaan suhu di antara keduanya. Kalor dapat berpindah dengan tiga macam cara:
a. Konduksi (hantaran), yaitu perpindahan kalor melalui media b. Konversi, yaitu aliran kalor melalui partikel-partikel yang bergerak c. Radiasi, yaitu kalor memancar ke segala arah tanpa media
Adapun jumlah kalor yang berpindah dari sistem ke lingkungan tergantung dari massa benda (m), kalor jenis (c), kapasitas kalor (C), dan perubahan suhu ( T), sehingga untuk menghitung kalor dirumuskan se- bagai berikut.
atau
Keterangan:
q = kalor yang diserap atau dilepas
Bila sistem menyerap kalor, q bertanda positif. Bila sistem melepas kalor, q bertanda negatif. m = massa zat
c = kalor jenis zat
T = perubahan suhu dari sistem C = kapasitas kalor
Gambar 3.5
Kalor dari sinar matahari berpindah ke bumi melalui radiasi.
Gambar 3.6
(a) Konduksi, panas dari api kompor merambat dari dasar panci melalui pengaduk sampai ke ujungnya
(b) Konveksi, panas dari api kompor merambat melalui partikel-partikel air di dasar panci naik sampai ke permukaan
ΔE = Eproduk - Ereaktan
(a) (b)
q = m.c. T q = C. T
Kimia Kelas XI
42
4. Kerja
Kerja (work = w) adalah bentuk energi yang dipertukarkan dan dapat dinyatakan sebagai gaya yang bekerja melalui suatu jarak tertentu. Dengan kata lain, dapat dinyatakan bahwa kerja adalah hasil kali antara gaya dan jarak yang dirumuskan sebagai berikut.
w = F h,
sedangkan F = P A maka w = P A h
karena A x h = perubahan volume
maka
Satuan gaya menurut Satuan Internasional (SI) adalah joule. Jika P dalam atm dan V dalam liter, maka w = P (atm) V (L). Untuk gas ideal, besarnya kerja adalah hasil kali antara perbandingan mol gas hasil reaksi dan pereaksi dengan perubahan suhu atau w = nRT. Akibatnya, ber- pengaruh terhadap perubahan E dalam dan perubahan entalpi. Adapun hubungan perubahan energi dan jumlah mol gas dalam suhu adalah:
H = E + nRT
dengan: H = perubahan energi E = perubahan energi dalam n = mol
n = Σ mol gas hasil reaksi - Σ mol gas pereaksi T = suhu reaksi
Lalu bagaimana cara mengubah L.atm menjadi joule? Kalian dapat me- nemukan jawaban yang tepat dengan menengok penjelasan sebelumnya.
Bila sistem melakukan kerja, w bertanda negatif. Bila sistem menerima kerja, w bertanda positif.
Hubungan antara energi dalam kalor reaksi dinyatakan dalam Hukum Termodinamika I.
Hukum Termodinamika I
Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari bentuk energi satu ke bentuk energi yang lain.
Secara matematis, Hukum Termodinamika I dapat dinyatakan dalam rumus berikut.
Keterangan:
E = perubahan energi dalam (J)
q = jumlah kalor yang diserap atau dilepas (J) w = kerja (J)
Untuk memperjelas perumusan di atas, perhatikan baik-baik contoh soal berikut.
w= P V
Gambar 3.7
Seorang petani sedang melakukan kerja ketika mengangkut barang-barang dengan gerobak sejauh jarak yang ia tempuh.
E = q + w
www
C o n t o h
Hitunglah perubahan “energi dalam atau E”, bila:
a. sistem menyerap kalor 100 J dan melakukan kerja 50 J
b. sistem melepas kalor 100 J dan dilakukan kerja terhadap sistem de- ngan energi sebesar 200 J
c. sistem melepas kalor 150 J dan melakukan kerja dengan energi 100 J
Penyelesaian: Diketahui : a. q = 100 J, w = -50 J b. q = -100 J, w = 200 J c. q = -150 J, w = -100 J Ditanyakan : E. Jawab : a. E = q – w = (100 – 50 ) J = 50 J b. E = - q + w = (-100 + 200) J = 100 J d. E = - q – w = ( - 150 – 100) J = - 250 J
5. Entalpi
Entalpi disebut juga sebagai heat content (H), yakni besarnya kalor reaksi yang diukur pada tekanan tetap. Hubungan entalpi dengan energi dalam dapat dilihat dari perumusan berikut.
H = E + w
dengan w = P V, sehingga:
H = E + (P V)
Entalpi dari suatu reaksi tidak dapat diukur, namun demikian pe- rubahan entalpinya dapat diketahui. Entalpi secara keseluruhan dihitung dengan rumus berikut.
Keterangan:
Hp = jumlah entalpi produk/hasil reaksi Hr = jumlah entalpi reaktan/pereaksi