TERMODINAMIKA (II) Dr. Ifa Puspasari

TERMODINAMIKA (II)

Dr. Ifa Puspasari

PV Work Irreversible

(Pressure External Constant)

•

Kompresi ireversibel:

•

Kerja = Gaya x Jarak perpindahan

•

W = F x l

dimana

F = P

_ex

x A

•

W = P

_ex

x A x l

•

W = - P

_ex

x ΔV

•

W = - P

_ex

x (V

_f

– V

_i

)

• Tanda negatif diperlukan karena dalam kompresi, kerja dilakukan pada sistem sehingga kerja akan bertanda positif.

PV Work Reversible

(Pressure External Not Constant)

•

Kompresi reversibel

P_ex = P_in  dP (+) : kompresi (-) : ekspansi 𝑊 = − 𝑃_𝑒𝑥𝑑𝑉 𝑉_𝑓 𝑉_𝑖

PV Work Reversible

(Pressure External Not Constant)

•

𝑊

_𝑟𝑒𝑣

= − 𝑃

𝑒𝑥

𝑑𝑉

𝑉_𝑓 𝑉_𝑖 •

𝑃

_𝑒𝑥

= 𝑃

_𝑖𝑛

± 𝑑𝑃

•

𝑊

_𝑟𝑒𝑣

= −

𝑃

_𝑖𝑛

𝑑𝑉 ± 𝑑𝑃 𝑑𝑉

_𝑉𝑉𝑓 𝑖 𝑉_𝑓 𝑉_𝑖 •

𝑊

_𝑟𝑒𝑣

= −

_𝑉𝑉𝑓

𝑃

_𝑖𝑛

𝑑𝑉

𝑖

• Pada suhu tetap (proses isotermal):

•

𝑊

_𝑟𝑒𝑣

= −

𝑛𝑅𝑇_𝑉

𝑑𝑉 = −𝑛𝑅𝑇

_𝑉𝑉𝑓 _𝑉1 𝑖 𝑉_𝑓 𝑉_𝑖

𝑑𝑉

•

𝑊

_𝑟𝑒𝑣

= −𝑛𝑅𝑇 ln

𝑉𝑓 𝑉_𝑖 dapat diabaikan karena nilainya kecil

Ekspansi Bebas

• Ekspansi gas dalam vakum (P_ex = 0) disebut dengan ekspansi bebas.

• Tidak ada kerja yang dilakukan selama ekspansi bebas suatu gas ideal baik proses reversibel ataupun ireversibel.

•

𝑊 = −𝑃

_𝑒𝑥

∆𝑉

•

∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊

•

∆𝑈 = 𝑄 − 𝑃

_𝑒𝑥

∆𝑉

• Jika proses terjadi pada volume tetap (ΔV = 0), maka

•

∆𝑈 = 𝑄

_𝑉

Ekspansi Isotermal

•

Untuk gas ideal, U merupakan fungsi dari T saja.

•

𝑈 = 𝑐

_𝑉

𝑛𝑅𝑇

•

Maka, untuk proses isotermal: ∆𝑈 = 0

•

Untuk proses isotermal ireversibel:

𝑄 = −𝑊 = 𝑃

_𝑒𝑥

𝑉

_𝑓

− 𝑉

_𝑖

•

Untuk proses isotermal reversibel:

𝑄 = −𝑊 = 𝑛𝑅𝑇 ln

𝑉

𝑓

𝑉

_𝑖

Proses Isotermal dan Adiabatik

• Isotermal: T dijaga tetap. Mungkin memerlukan panas eksternal.

Perubahan Energi Internal untuk

Proses Adiabatik dan Isokorik

•

Untuk proses adiabatik:

𝑄 = 0

∆𝑈 = 𝑊

_𝑎𝑑

•

Untuk proses isokorik:

∆𝑉 = 0

∆𝑈 = 𝑄

_𝑉

Perubahan Energi Internal (ΔU)

•

Untuk proses isotermal:

∆𝑈 = 0

𝑄 = −𝑊 = 𝑃

_𝑒𝑥

𝑉

_𝑓

− 𝑉

_𝑖

•

Untuk proses ekspansi bebas dalam vakum:

𝑊 = 0

∆𝑈 = 𝑄

•

Untuk proses adiabatik:

𝑄 = 0

∆𝑈 = 𝑊

_𝑎𝑑

•

Untuk proses isokorik:

∆𝑉 = 0

∆𝑈 = 𝑄

_𝑉

•

Untuk proses isobarik:

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

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? = 0 = 0 2 L 10 atm 10 L ∆𝑈 = 0 𝑄 = −𝑊 = 𝑃_𝑒𝑥 𝑉_𝑓 − 𝑉_𝑖 = 0 × ∆𝑉 𝑄 = −𝑊 = 0

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?

= 1 atm = 1 atm 2 L 10 atm 10 L ∆𝑈 = 0 𝑊 = −𝑃_𝑒𝑥 𝑉_𝑓 − 𝑉_𝑖 = − 1 atm 10 − 2 L 𝑄 = −𝑊 = 810,4 J

𝑊 = − 1 atm 8 L = −8 L. atm = −810,4 J Kerja dilakukan

oleh sistem Kalor diserap ke

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)

V_i = volume of H₂O liquid

1,6 mol H₂O liquid = 1,6 mol 18 g/mol

1000 g/L = 0,0288 L 𝑉f = 𝑛𝑅𝑇_𝑃 = 1,6 mol 0,082 L.atm/mol.K 373 K 1 atm = 48,94 L 𝑊 = −𝑃_𝑒𝑥∆𝑉 = −𝑃_𝑒𝑥 𝑉_𝑓 − 𝑉_𝑖 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:

•

∆𝑈

_𝑃

= 𝑄

_𝑃

+ 𝑊

_𝑃 •

∆𝑈

_𝑃

= 𝑄

_𝑃

− 𝑃∆𝑉

•

𝑈

₂

− 𝑈

_{1 𝑃}

= 𝑄

_𝑃

− 𝑃 𝑉

₂

− 𝑉

₁ •

𝑄

_𝑃

= 𝑈

₂

+ 𝑃𝑉

₂

− 𝑈

₁

+ 𝑃𝑉

₁ •

𝑄

_𝑃

= 𝐻

₂

− 𝐻

₁ •

∆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.

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 V_A adalah volume total dari gas reaktan, V_B adalah volume total dari gas produk, n_A adalah jumlah mol gas reaktan dan n_B adalah jumlah mol gas

produk, pada tekanan dan suhu tetap, menggunakan persamaan gas ideal:

• 𝑃𝑉_𝐴 = 𝑛_𝐴𝑅𝑇 dan 𝑃𝑉_𝐵 = 𝑛_𝐵𝑅𝑇

• maka 𝑃𝑉_𝐵 − 𝑃𝑉_𝐴 = 𝑛_𝐵𝑅𝑇 − 𝑛_𝐴𝑅𝑇 = 𝑛_𝐵 − 𝑛_𝐴 𝑅𝑇

• atau 𝑃 𝑉_𝐵 − 𝑉_𝐴 = 𝑛_𝐵 − 𝑛_𝐴 𝑅𝑇

• atau 𝑃∆𝑉 = ∆𝑛_𝑔𝑅𝑇

• dimana Δn_g adalah jumlah mol gas produk dikurangi jumlah mol gas reaktan.

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.

• ∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆𝑛_𝑔𝑅𝑇 • ∆𝑈 = ∆𝐻 − ∆𝑛_𝑔𝑅𝑇 • ∆𝑈 = 41 kJ − 1 mol 8,314 × 10−3 kJ/mol.K 373 K • ∆𝑈 = 41 kJ − 3,10 kJ • ∆𝑈 = 37,90 kJ H₂O_(l) → H₂O_(g)

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.

• Perubahan volume dapat diabaikan

• ∆𝑉 ≈ 0

• ∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑃∆𝑉

• ∆𝑈 = ∆𝐻

• ∆𝑈 = 41 kJ

Persamaan Termokimia

•

Persamaan reaksi setara dengan nilai ΔH

_r

nya disebut

persamaan termokimia.

•

A + B → C, ΔH = (



) #

•

Endotermik: A + B + Kalor → C, ΔH > 0

•

Eksotermik: A + B → C + Kalor, ΔH < 0

•

Contoh:

•

H

₂

+ ½O

₂

→ H

₂

O

ΔH = -286 kJ

•

2H

₂

+ O

₂

→ 2H

₂

O

ΔH = -572 kJ

•

H

₂

O → H

₂

+ ½O

₂

ΔH = 286 kJ

•

CH

₄

+ 2O

₂

→ CO

₂

+ 2H

₂

O

ΔH = -890 kJ

•

N

₂

+ 3H

₂

→ 2NH

₃

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:

•

2H

₂

+ O

₂

→ 2H

₂

O

ΔH = -572 kJ

•

H

₂

+ ½O

₂

→ H

₂

O

ΔH = -286 kJ

Persamaan Termokimia

• Koefisien dalam persamaan termokimia setara mengacu pada jumlah mol reaktan dan produk yang terlibat dalam reaksi.

• Nilai dari perubahan entalpi standar ∆𝐻_𝑟0 mengacu pada jumlah mol zat yang ditentukan oleh persamaan reaksi.

• Ketika suatu persamaan kimia dibalik, tanda pada nilai ∆𝐻_𝑟0 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, C_m, suatu zat adalah kapasitas panas untuk satu

mol zat. 𝐶_𝑚 = 𝐶

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

Hubungan antara C

_P

dan C

_V

Gas Ideal

• Kapasitas panas C pada volume tetap dilambangkan dengan C_V dan pada tekanan tetap dilambangkan dengan C_P.

• Pada volume tetap:

𝑄

_𝑉

= 𝐶

_𝑉

∆𝑇 = ∆𝑈

• Pada tekanan tetap:

𝑄

_𝑃

= 𝐶

_𝑃

∆𝑇 = ∆𝐻

• Untuk satu mol gas ideal:

•

∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆ 𝑃𝑉

•

∆𝐻 = ∆𝑈 + ∆ 𝑅𝑇

•

∆𝐻 = ∆𝑈 + 𝑅∆𝑇

•

𝐶

_𝑃

∆𝑇 = 𝐶

_𝑉

∆𝑇 + 𝑅∆𝑇

•

𝐶

_𝑃

= 𝐶

_𝑉

+ 𝑅

•

𝐶

_𝑃

− 𝐶

_𝑉

= 𝑅

Pengukuran

ΔU: Kalorimeter

• Kalor yang diserap pada volume tetap.

• Tidak ada kerja yang dilakukan karena ΔV = 0.

Pengukuran

ΔH: Kalorimeter

• Perubahan kalor pada tekanan tetap.

•

∆𝐻 = 𝑄

_𝑃

= 𝐶

_𝑃

∆𝑇

• Kalor yang diserap atau

dilepaskan pada tekanan tetap Q_P 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) + O

₂

(g) → CO

₂

(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 = 𝐶_𝑉∆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 = −𝐶_𝑉∆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.