Termodinamika Material
Kuliah 4: Enthalphy(cont’d), Hukum II Termodinamika & Entropi
Oleh:
Fajar Yusya Ramadhan 1306448312 (21)
Ira Adelina 1306448331 (22)
Kelompok 11- paralel
Teknik Metalurgi & Material Universitas Indonesia
Hukum Hess
Tidak semua pengukuran perubahan entalpi suatu reaksi dapat ditentukan langsung dengan kalorimeter atau secara langsung di laboratorium. Maka berdasarkan fakta tersebut muncul Hukum Hess yang dikemukakan oleh seorang ahli kimia berasal dari Swiss bernama Germain Henry Hess yang berbunyi:
“Kalor reaksi yang dibebaskan atau diperlukan pada suatu reaksi tidak bergantung pada jalannya reaksi, tetapi hanya bergantung kepada keadaan awal dan keadaan akhir reaksi.”
Dengan kata lain, perubahan entalpi reaksi hanya ditentukan oleh kalor pereaksi dan kalor hasil reaksi. Perubahan entalpi suatu sistem tetap sama, baik berlangsung dalam satu tahap maupun beberapa tahap.
ΔH
reaksi=ΔH
produk- ΔH
reaktanContoh reaksi pembentukan SO3(g) yang berlangsung dengan dua cara: a. S(s) + O2(g) SO3(g) H= -396 kJ
b. S(s) + O2(g) SO2(g) H= -297 kJ SO2(g) + O2(g) SO3(g) H= -99 kJ S(s) + O2(g) SO3(g) H= -396 kJ Dari reaksi di atas dapat diketahui bahwa nilai entalpi reaksi pembentukan SO3(g) tetap sama baik secara satu tahap maupun secara dua tahap.
ΔH memiliki ketergantungan dengan suhu, dengan cara mendeferensialkan persamaan ΔH terhadap suhu pada tekanan(P) konstan maka didapat rumus:
ΔH
reaksi=ΔH
produk- ΔH
reaktan[
]
[
]
[
]
[
]
(
)
(
)
*
+
Setelah didapat * + , kemudian rumus tersebut diintegralkan antara suhu T1 dan T2 maka didapat:
∫
∫
∫
∫
(
)
(
)
Hukum II Termodinamika
Setelah mempelajari Hukum I Termodinamika, kita mengetahui bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan energi dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain. Namun ternyata tidak semua bentuk energi dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain sesuai keinginan manusia. Ada proses perubahan energi yang dapat kembali ke bentuk awal atau dengan kata lain proses tersebut dapat dibalik. Proses termodinamika tersebut dinamakan dengan proses reversibel. Kemudian ada pula proses termodinamika yang merupakan kebalikan dari proses reversibel yaitu proses yang berlangsung secara spontan tetapi tidak dapat dibalik arahnya dinamakan dengan proses irreversibel. Contoh dari proses irreversibel adalah aliran panas dari benda panas ke benda dingin dan ekspansi bebas pada gas. Berdasarkan kedua proses tersebut maka digunakan Hukum II Termodinamika untuk menentukan apakah suatu proses berjalan secara reversibel atau ireversibel yang berbunyi:
“ Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”
Dengan Hukum II Termodinamika kita dapat mengetahui apakah dalam suatu proses berjalan secara spontan atau tidak spontan. Beberapa manfaat dari proses spontan antara lain
energi panas dapat menggerakkan mesin panas, ekspansi gas dapat menggerakkan piston (motor bakar), air terjun untuk menggerakkan turbin listrik. Hukum II Termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor yang dinyatakan oleh Kevin Planck berbunyi:
“Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam satu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.”
Kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas contohnya pada pengaduk air. Tetapi hal tersebut tidak berlaku sebaliknya atau panas tidak dapat dikonversi langsung menjadi kerja. Maka dibutuhkan mesin kalor untuk mengkonversi panas menjadi kerja.
Hukum II Termodinamika dapat dinyatakan pula dalam konsep entropi, sebuah ukuran kuantitatif derajat ketidakteraturan atau keacakan sebuah sistem.
Mesin Kalor
Mesin kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Pada setiap pengubahan energi panas ke energi mekanik, selalu disertai pengeluaran gas buang yang membawa sejumlah energi panas hasil pembakaran bahan bakar. Hasil pembakaran tersebut yang akan diubah ke energi mekanik. Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut :
1. Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll).
2. Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam dalam bentuk poros yang berputar)
3. Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah. 4. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.
Menurut Hukum II Termodinamika, tidak ada mesin kalor yang dapat memiliki efisiensi sebesar 100%. Untuk mengembangkan mesin kalor yang memiliki efisiensi maksimum yang masih sesuai dengan Hukum II Termodinamika, maka seorang insinyur Prancis bernama Sadi Carnot (1796-1832) menciptakan siklus pada mesin kalor yang saat ini disebut dengan siklus Carnot.
Siklus Carnot terdiri dari empat proses yaitu:
1. Gas berekspansi secara isotermal reversibel pada suhu TH, menyerap panas QH (A-B).
2. Ekspansi terjadi secara adiabatik reversibel sampai suhu turun ke Tc (B-C).
3. Kompresi terjadi secara isotermal reversibel pada suhu TC, mengeluarkan panas |QC|(C-D).
4. Kompresi secara adiabatik kembali ke keadaan semula pada suhu TH (D-A).
Pada gas ideal, energi dalam hanya bergantung pada suhu, sehingga akan konstan pada proses isotermal manapun. Maka untuk proses ini didapat (A-B) :
Karena proses isotermal (C-D) serupa dengan proses isotermal (A-B) namun dengan arah yang berbalik maka didapat:
Karena lebih kecil dari , maka didapat negatif ( | |), panas mengalir keluar dari gas selama kompresi isotermal pada suhu . Maka didapat rasio kedua kuantitas kalor tersebut:
(
)
(
)
(
)
Rumus di atas dapat disederhanakan dengan menggunakan hubungan suhu-volume untuk proses adiabatik, maka diperoleh:
1 1
c C b HV
T
V
T
danT
HV
a1
T
CV
d1Kerja yang dilakukan oleh ekspansi adiabatis reversibel (B-C) adalah:
∫
(
)
(
)
Kerja yang dilakukan oleh ekspansi adiabatis reversibel (D-A) adalah:
∫
(
)
(
)
Rasio panas yang terbuang pada terhadap panas yang terserap pada adalah setara dengan rasio
(
)
, maka diperoleh rumus efisiensi mesin Carnot adalah:Rumus mesin Carnot mempunyai rumus lain yang berhubungan dengan usaha dan panas.
Entropi
Pengertian Entropi
Entropi (S) merupakan sebuah konsep termodinamika yang dikemukakan oleh Rudolph
Clausius pada abad ke 19. Clausius berpendapat bahwa ada hubungan spesifik antara jumlah kalor dan temperatur ketika suatu proses terjadi.
Entropi adalah ukuran pola distribusi energi total sistem dikalangan atom-atom penyusunnya. Makin luas distribusinya, maka semakin tersebara dan kurang teratur strukturnya, sehingga tingkat ketersediaan energi untuk melakukan usaha semakin rendah. Jadi entropi dapat juga dikaitkan dengan tingkat keteraturan sistem dan ketersediaan energi (energi bebas) untuk melakukan usaha.
Hubungan entropi dan Hukum II Termodinamika
Seperti dalam hokum II Termodinamika, entropi dapat membantu memprediksi apakah suatu reaksi atau proses bersifat spontan atau tidak:
“entropi semesta (sistem + lingkungan) selalu naik pada proses spontan dan tidak berubah pada proses kesetimbangan.”
Untuk proses spontan, perubahan entropi (dS) dari suatu sistem adalah lebih besar dibanding panas dibagi temperatur mutlak
△
S > 0
Berikut beberapa contoh proses-proses spontan di sekeliling kita: o Air terjun jatuh ke bawah
o Gula larut dalam kopi
o Pada 1 atm, air membeku di bawah 0 0
C dan es mencair di atas 0 0C o Kalor mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin o Pemuaian gas dalam lampu bohlam
o Besi akan berkarat jika terkena air dan oksigen
Perubahan Entropi pada Berbagai Proses
1.
Proses IsotermalPV = nRT
T
dQ
V = nRT/P
dV = -nRT/P2
dQ = dU + dW
pada T tetap (isotermik T tetap) sehingga dU = 0, maka
dQ = pdV
dS = dQ/T
2. Proses Isokhorik (V tetap)
PV = nRT
dQ = dU = ncvdT
∆S = dQ/T = ncvdT/T = nc2lnT2/T1
3. Proses Isobarik (p tetap)
dQ = ncpdT
∆S = dQ/T
ncpdT/T = ncplnT2/T1
Prinsip Pertambahan Entropi
Perubahan entropi berkaitan dengan perubahan system entropi dengan perubahan entropi sekelilingnya atau lingkungannya. Total (jumlah) perubahan sistem entropi dengan sekitarnya disebut perubahan entropi keseluruhan. Hal ini dapat dituliskan sebagai :
∆S keseluruhan = ∆S system + ∆ Ssekitar ≥ 0
V
dV
nR
T
PdV
dS
1 2 ln V V nR S T
dQ
dS
revo Tanda > untuk proses reversible o Tanda = untuk proses ireversibel
Entropi adalah fungsi keadaan sistem dan digunakan sebagai parameter keadaan. Entropi hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. Perubahan entropi paada proses adiabatik reversible selalu konstan dan proses ireversibel selalu bertambah. Entropi pada sistem yang diisolasi tidak pernah berkurang tetapi selalu bertambah.
Entropi dan Ketidakteraturan
Entropi merupakan suatu ukuran kuantitatif dari ketidakteraturan. Untuk mengenal konsep ini, tinjaulah suatu ekspansi isothermal yang sangat kecil pada gas ideal. Kita tambahkan panas dQ dan membiarkan gas berekspansi secukupnya untuk menjaga suhu konstan. Kerja dW yang dilakukan oleh gas setara dengan panas dQ yang ditambahkan. Yaitu,
dQ = dW = p dV = nRTdV/V, maka
dV/V = dQ/nRT
Gas berada dalam keadaan tidak teratur setelah berekspansi karena molekul bergerak dalam volume yang lebih besar dan memiliki keacakan posisi. Fraksi perubahan volume dV/V adalah ukuran naiknya ketidakteraturan, dan persamaan di atas menunjukkan bahwa hal itu berbanding lurus dengan dQ/T. S adalah entropi system, dan perubahan entropi yang sangat kecil dS selama proses reversible yang sangat kecil pada suhu T sebagai
Jika jumlah panas total Q ditambahkan selama proses isothermal reversible pada suhu mutlak T, perubahan entropi total ∆S=S2-S1 diberikan oleh
