67 Gambar 3.2 (a) Diagram tingkat energi untuk reaksi eksoterm: pembakaran gas
2. Perubahan Energi Dalam ( ∆ E), Kalor dan Kerja
a. Energi Dalam (∆E)
Energi merupakan kemampuan untuk melakukan kerja. Energi yang dimiliki suatu materi dapat berupa energi potensial, energi kinetik, energi listrik, energi kimia dan berbagai jenis energi lainnya.
Matahari merupakan sumber energi bagi alam semesta baik berupa energi panas maupun energi cahaya. Tumbuhan hijau menyerap cahaya matahari yang diperlukan untuk melakukan fotosintesis, yaitu reaksi yang menghasilkan
karbohidrat dari CO2 dan H2O. Karbohidrat merupakan sumber energi bagi
makhluk hidup. Peristiwa ini merupakan salah satu contoh hukum kekekalan energi, menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi energi dapat diubah dari satu bentuk energi menjadi bentuk yang lain. (Hukum termodinamika 1). Untuk menguji hukum kekekalan energi dengan mengukur perubahan energi dalam suatu sistem antara kedudukan awal dan
keadaan akhir dalam suatu proses. Perubahan energi dalam ∆E dirumuskan
dengan :
∆E = Ef - Ei
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
di mana Ei dan Ef berturut-turut adalah energi dalam sistem pada keadaan awal
dan keadaan akhir.
Energi dalam suatu sistem mempunyai dua komponen yaitu energi kinetik dan energi potensial. Energi kinetik terdiri dari berbagai jenis gerak molekul dan gerakan elektron dalam molekul. Energi potensial ditentukan oleh interaksi tarik menarik antara elektron-elektron dan inti dan interaksi tolak menolak antara elektron dan antara inti dalam molekul tunggal, juga oleh interaksi antara molekul.
Perhatikan reaksi antara belerang dan gas oksigen menghasilkan belerang dioksida : S(s) + O2(g) SO2(g)
Pada contoh diatas sistem terdiri dari molekul reaktan S dan O2, dan molekul
produk SO2. Untuk menentukan energi dalam dari molekul tersebut kata dapat
mengukurnya melalui perubahan kandungan energi, ∆E. Dimana :
∆E = E (produk) - E (reaktan)
= [kandungan energi 1 mol SO2(g) ] - [kandungan energi 1 mol S(s) + 1
mol O2(g)]
Reaksi pembakaran termasuk reaksi yang membebaskan kalor sehingga reaksi
di atas ∆E nya benilai negatif, karena energi produk lebih kecil dari pada energi
reaktan.
Sehingga dapat disimpulkan bahwa perpindahan energi dari reaktan ke lingkungan tidak mengubah energi total alam semesta, dimana jumlah perubahan energi harus nol. Maka :
∆E sist + ∆E ling = 0 atau
∆E sist = - ∆E ling
Dimana : ∆E sist = Energi sistem
∆E ling = Energi lingkungan
Karena energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, energi yang hilang oleh satu sistem dapat diperoleh kembali oleh sistem yang lain dengan bentuk yang berbeda,. Sesuai dengan Hukum pertama termodinamika adalah :
KEGIATAN PEMBELAJARAN 3: REAKSI EKSOTERM DAN REAKSI ENDOTERM KELOMPOK KOMPETENSI C
69
Perubahan energi dalam ∆E suatu sistem adalah jumlah kalor q yang
dipertukarkan antara sistem dan lingkungan dan kerja w yang dilakukan pada (atau oleh) sistem tersebut.
Dimana tanda q dan w adalah :
q = tanda nya (+) untuk reaksi endoterm; (- ) untuk reaksi eksoterm.
w = tanda nya (+) untuk kerja yang dilakukan pada sistem oleh lingkungan;
(-) untuk kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan.
b. Kerja dan Kalor
Kerja dapat didefinisikan sebagai gaya F dikalikan dengan jarak (d), dapat dinyatakan sebagai : w = F . d
Dalam termodinamika, kerja mempunyai arti yang lebih luas yang mencakup kerja mekanis (misalnya mobil derek menarik mobil mogok), kerja listrik (baterai menyediakan elektron untuk bola lampu atau senter), dan seterusnya.
Contoh : reaksi pemuaian gas (gambar 3.3). Suatu gas berada dalam tabung yang tertutup piston yang dapat bergerak tapi tidak mempunyai berat dan gesekan, pada suhu, tekanan, dan volume tertentu. Ketika memuai, gas tersebut mendorong piston ke atas melawan tekanan atmosfer luar P. Maka kerja yang dilakukan oleh gas pada lingkungan adalah :
w = -P . ∆V Dimana :
∆V = Perubahan volume (Vf - Vi), tanda (-) sesuai dengan kesepakatan
untuk w.
Untuk pemuaian gas, ∆V > 0, sehingga -P∆V bernilai negatif.
Untuk pemampatan gas (kerja dilakukan pada sistem), ∆V<0, dan -P∆V
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
Gambar 3.3 Pemuaian gas melawan tekanan luar konstan (seperti tekananatmosfer). Gas itu terdapat dalam silinder yang tertutup piston yang dapat bergerak dan tidak bermassa. Kerja yang dilakukan dirumuskan oleh -
P∆V
(Sumber: Chang, General Chemistry, 2003)
Contoh soal 1 :
Suatu gas memuai dari volume 2,0 L menjadi 6,0 L pada tekanan konstan. Hitunglah kerja yang dilakukan oleh gas jika gas itu memuai :
(a) terhadap ruang hampa dan,
(b) terhadap tekanan luar konstan 1,2 atm Penyelesaian :
Diketahui : Kerja yang dilakukan dalam pemuaian gas sama dengan hasil kali
tekanan luar dan perubahan volume.
V1 = 2,0 L
V2 = 6,0 L
Ditanyakan : (a) Kerja (w) yang dilakukan terhadap ruang hampa
(b) Kerja (w) yang dilakukan terhadap tekanana luar 1,2 atm
Jawab :
(a) Karena tekanan luarnya sama dengan nol, maka kerja yang dilakukan : w = -P . ∆V
= -0 atm (6,0 -2,0) L = 0 L atm
KEGIATAN PEMBELAJARAN 3: REAKSI EKSOTERM DAN REAKSI ENDOTERM KELOMPOK KOMPETENSI C
71
(b) Karena tekanan luarnya adalah 1,2 atm, maka kerja yang dilakukan : w = -P . ∆V
= -1,2 atm (6,0 -2,0) L = -4,8 L atm
Untuk mengkonversi jawabannya itu ke joule, maka kita tulis : Dimana 1 L atm = 101,3 J , maka :
w = -4,8 L atm x 101,3 J 1 L atm
= -4,9 x 102 J
Berdasarkan persamaan ∆E = q + w, menunjukkan bahwa kerja bukanlah fungsi keadaan. Walaupun keadaan awal dan keadaan akhirnya adalah sama untuk (a) dan (b), jumlah kerja yang dilakukan berbeda karena tekanan luarnya berbeda.
Kita tidak boleh menuliskan ∆w = wakhir - wawal untuk suatu perubahan. Kerja yang dilakukan bergantung tidak hanya pada keadaan awal dan akhir, tetapi juga pada bagaimana proses itu berlangsung.
Komponen lain energi dalam adalah q (kalor). Seperti kerja, kalor bukanlah fungsi keadaan. Anggap lah bahwa perubahan dapat terjadi pada suatu sistem dengan dua cara.
Pada kasus pertama, kerja yang dilakukan adalah nol, sehingga:
∆E = q1 + w1 = q1
Pada kasus kedua, kerja dilakukan dan kalor dipindahkan, sehingga :
∆E = q2 + w2
Karena ∆E sama untuk kedua kasus, (perhatikan bahwa keadaan awal dan
keadaan akhir adalah sama untuk kedua kasus), maka q1 ≠ q2
Contoh Soal 2 :
Kerja yang dilakukan ketika suatu gas dimampatkan dalam tabung seperti terlihat pada gambar 3.3 adalah 462 J. Selama proses ini, terdapat perpindahan kalor sebesar 128 J dari gas ke lingkungan. Hitunglah perubahan energi untuk proses ini.
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
Penyelesaian :
Soal ini termasuk penerapan hukum termodinamika pertama
Diketahui : w = 462 J
q = -128 J (perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan)
Ditanyakan : Hitunglah perubahan energi dalam !
Jawab :
∆E = q + w, = -128 J + 462 J = 334 J
Maka hasil pemampatan dan perpindahan kalor, energi gas meningkat sebesar 334 J.
Contoh Soal 3 :
Sejumlah kalor 50 joule diberikan ke dalam suatu sistem, sehingga dapat melakukan kerja sebesar 30 joule. Hitunglah perubahan energi dalam untuk proses ini !
Penyelesaian :
Diketahui : q = 50 J
w = - 30 J
Ditanyakan : Hitunglah perubahan energi dalam !
Jawab :
∆E = q + w, = 50 J + (-30) J = 20 J