I. Beberapa Pengertian Dasar dan Konsep

BAB II

ENERGETIKA

I.

Beberapa Pengertian

Dasar dan Konsep

Sistem : Bagian dari alam semesta yang menjadi pusat perhatian kita dengan batas-batas yang jelas

Lingkungan : Bagian di luar sistem

Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi penukaran energi atau materi

Berdasarkan pertukaran ini, dapat dibedakan 3 macam sistem :

Sistem tersekat : yang dengan lingkunganya tidak dapat tukar-menukar energi atau materi

Sistem tertutup : yang dengan lingkungannya dapat tukar-menukar energi saja, materi tidak Sistem terbuka : yang dengan lingkungannya dapat tukar-menukar energi atau materi

II. Keadaan Sistem

Ditentukan oleh sejumlah parameter atau variabel Sifat variabel :

Intensif : tidak bergantung pada ukuran sistem Ekstensif : bergantung pada ukuran sistem

energi Energi Energi Energi A l V S Ekstensif γ F P T Intensif

III. Fungsi Keadaan dan

Fungsi Proses

Fungsi keadaan : variabel yang hanya

bergantung pada keadaan sistem dan tidak bergantung pada bagaimana keadaan itu dicapai (awal s/d akhir)

Sifat fungsi keadaan : 2 2 1 1 1 dx x= − = ∆x x

2

dx

=

0

3

M dan N fungsi y dan z M z _{y z} dx Mdy Ndz N y = + ∂ ₌ ∂

Fungsi proses : bergantung pada lintasan yang ditempuh

Sifat :

Contoh : Kerja, kalor

2 1

1

2

0

dx x

dx

=

≠

Proses reversibel

Contoh : proses pengubahan fasa pada titik transisi

Proses tak reversibel

2 ( ,100l C atm,1 ) 2 ( ,100g C atm,1 )

H O

_°

→

H O

_°

2 ( ,25 ,1l C atm) 2 ( ,100 ,1g C atm)

Proses pada gas ideal

Isoterm (n,T tetap) Isokhor (n,V tetap) Isobar (n,P tetap) Adiabatis (tidak ada perubahan kalor) 1 1 2 2

PV

PV

→

=

1 2 1 2

P

P

T

T

→

=

1 2 1 2

V

V

T

T

→

=

d

→

q

=

0

IV. Kalor dan Kerja

Kalor (q) : energi yang dipindahkan melalui

batas-batas sistem, akibat perbedaan suhu sistem dan lingkungan Kerja (w) : setiap bentuk energi yang bukan kalor yang dipertukarka antara sistem dan lingkungan

Contoh : kerja ekspansi, kerja mekanis, kerja listrik

d

2 1

q q

=

d

2 1

w w

=

Perjanjian

negatif ekspansi w q positif kompresi w q

S

L

kerja . F dx PAdx Pdv = = =

Agar perjajian ini benar, maka rumusan kerja

Bagi proses yang reversibel, P_l harus diganti dengan P_S (tekanan sistem)

Maka,

d

w

= −

Pdv

_l P_l = _{tekanan luar}

ekspansi

kompresi

l S

P P

=

dp

− =

+ =

Perhitungan Kerja

Ekspansi isobarik reversibel Ekspansi isoterm reversibel Isokhorik Ekspansi adiabatik 2 1

(

)

S

w

P V V

→ = −

−

2 1

ln

V

w

nRT

V

→ = −

0

w

→ =

(

)

0 Mengapa ???

w

→ ≠

V. Hukum I Termodinamika

Energi alam semesta kekal, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan

Rumusan :

dU

=

d

q d

+

w

U q w

Perhitungan

∆∆∆∆

U

Isokhorik Isobar reversibel Isoterm reversibel Adiabat reversibel

0

w

= → ∆ =

U q

(

2 1

)

S

U q P V V

∆ = −

−

(

)

0 Mengapa ???

U

∆ =

U w

∆ =

VI. Fungsi Entalpi (

∆∆∆∆

H

)

Kebanyakan reaksi kimia dikerjakan pada tekanan tetap. Dalam hal ini :

(

)

(

)

2 1 2 1 2 1 1 2 karena maka : P P U q P V V U U q P V V P P P ∆ = − − − = − − = =

(

2 2 2

) (

1 1 1

)

2 1 P P U PV U PV q H H q + − + = − =

∆ =

H q

_P

Perhitungan

∆∆∆∆

H

Isokhorik reversibel Isobar reversibel

Isoterm gas ideal Adiabat reversibel H U V dP ∆ = ∆ + P

H q

∆ =

0

H

∆ =

H

VdP

∆ =

Buktikan !!! Buktikan !!!

(

Mengapa ???

)

VII. Kapasitas Kalor

Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebanyak satu derajat

Dalam kimia, hanya ada 2 macam kapasitas kalor

d

C

=

q

)

1 C_V = d V V q U dT T ∂ = ∂ V U C dT ∆ = Ingat, C_V = C T_V

( )

)

2 C_P = d P P q H dT T ∂ = ∂ P H C dT ∆ = Ingat, C_P = C T_P

( )

Hubungan dan untuk gas ideal :C_P C_V

P V

C − C = R

tetapan gas

VIII. TERMOKIMIA

Aplikasi HPT pada sistem kimia adalah pada Termikimia

Termokimia : Studi tentang efek panas yang terjadi baik pada proses fisis maupun dalam reaksi kimia

Efek panas ini yang biasanya disebut kalor reaksi (q)

(

)

(

)

eksoterm endoterm q q = − = +

Kalor reaksi bergantung pada kondisi reaksi Volume tetap : Tekanan tetap : V

q

= ∆

U

P

q

= ∆

H

Hubungan

∆∆∆∆

U

dan

∆∆∆∆

H

pada

reaksi kimia

g

H

U

n RT

∆ = ∆ + ∆

_Buktikan!!

selisih mol gas hasil reaksi dan mol gas pereaksi

g n ∆ =

(

)

( ) 2( ) 2( ) 298 Contoh : 393.5 kJ/mol 0 Mengapa ?? S g g g C O CO H n + → ∆ = − ∆ =

393.5 kJ/mol

U

H

∴∆ = ∆ = −

Perhitungan Entalpi Reaksi,

∆∆∆∆

H

1) Menggunakan Hukum Hess

( )s 2( )g C + O CO2( )g ( ) 2( ) 1 2 g g CO + O 1 H ∆ 2 H ∆

H

∆

1 2

H

H

H

∆ = ∆ + ∆

2) Menggunakan data entalpi pembentukan (∆H_f0₎

∆∆∆∆

H_f0 _{: Perubahan entalpi yang menyertai}

pembentukan 1 mol senyawa tersebut dari unsur-unsurnya dengan semua zat berada pada keadaan standar

Perjanjian entalpi pembentukan standar bagi unsur adalah nol

4( ) 2( ) 2( ) 2 ( )

Contoh :

2

g g g l

CH

+

O

→

CO

+

H O

(

2( ) 2 ( )

) (

4( )

)

0 0 0 , _g

2

, _l , _g f CO f H O f CH

H

H

H

H

∆ = ∆

+ ∆

− ∆

3) Menggunakan data energi ikatan Ada dua macam energi ikatan

Energi disosiasi ikatan, D : energi yang

diperlukan untuk memutuskan 1 mol ikatan dari molekul diatom dalam fasa gas menjadi atom-atomnya dalam fasa gas

Energi ikatan rata-rata,εεεε : energi rata-rata yang diperlukan untuk memutuskan ikatan

tertentu dalam molekul poliatomik dalam fasa gas 4 3 Contoh : Dalam senyawa CH CH OH dsb; ,

414.2 kJ/mol

C H

ε

₋

=

(

energi ikatan pereaksi

)

(

energi ikatan produk

)

H ∆ = − 2 2( ) 2( ) 3 3( )

Contoh :

=

_{g g g}

H C CH

+

H

→

H C CH

−

(

) (

) (

)

(

) (

) (

)

Putus : perlu energi : 1 C=C ; 1

terbentuk : melepaskan energi :1 ; 2 H H C C C H − − −

(

)

(

)

{

}

{

(

) (

)

}

Jadi, 1 =C 4( ) 1 1 6 H C C H H H C C C H ∆ = + − + − − − + −

Kebergantungan entalpi reaksi

pada suhu

2( )g CO ( ) 2( ) ( ) 2( ) s g s g C O C O + + awal akhir 1 P C s, ( ) 75 H C x ∆ = ∆H2 = CP,O_2(g) x75 0 ,25 r H ∆ 2( )g CO 0 ,100 r H ∆ T = 100°C 25 T = °C 0 0 ,25 1 2 ,100 3 r r H H H H H ∴∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆ ( ) 2( ) 3 P CO, _g 75 H C x ∆ = − 0 0 ,100 ,25 atau 75 r r P H H C x ∆ = ∆ + ∆

Ramalan fisis : 0 0 ,100 ,25 r r

H

H

∆

> ∆

(

)

(

)

(

)

2( ) 2( ) 0 ,100 , , ( ) 0 ,100 0 ,100 393.51 75

393.51 Cari Sendiri dari Handbook datanya!!) 75 kJ/mol g g r P CO P C s PO r r H C C C x H x H ∆ = − + − + ∆ = − + ∆ =

IX. Hukum Kedua

Termodinamika

Terlahir dari :

Kalor tidak dapat diubah seluruhnya menjadi kerja Semua proses spontan mempunyai arah tertentu Yang dirumuskan melalui suatu fungsi yang

Fungsi Entropi dan Perubahan

Entropi

(

)

(

)

,

,

S S V T

S S P T

∆ =

∆ =

Secara matematik didefinisikan sbg :

atau

rev

q

d

S

dS

T

∆ =

=

q

rev

T

Perhitungan Perubahan

Entropi

A. Proses fisis tanpa disertai perubahan fasa

secara reversibel

( ) ( )

2 l_,25 C atm_,1 2 l_,75 C atm_,1

H O

_°

→

H O

_°

(

)

Ramalan fisis : ∆ >S 0 Mengapa??

d dS = qrev d T = 2 , ( ) 348 ln 0 298 P P P H O l q dH C dT T T T S C = = ∆ = >

B. Proses perubahan fisis disertai

perubahan fasa secara reversibel

( ) ( )

2 l,100 C atm,1 2 g,100 ,1C atm

H O

_°

→

H O

_°

(

)

Ramalan fisis : ∆ >S 0 Mengapa??

0

p rev

q

tr v

q

H

H

S

T

T

T

T

∆

∆

∆ =

=

=

=

>

C. Proses fisis disertai perubahan fasa tidak reversibel ( ) ( ) ( ) 2 _{,25 ,1} 2 _{,100 ,1} 2 ,100 ,1

l C atm g C atm l C atm

H O

H O

H O

° ° ° tak rev S ∆ 2 1 P,H O(l) 373 ln 298 S C ∆ = trans 2 373 v H H S T ∆ ∆ ∆ = = rev rev

(

)

tak rev

Ramalan fisis :

∆

S

>

0 Mengapa?

( ) ( )

tak rev 1 2 tak rev

0

0

S

S

S

S

∆

= ∆ + ∆

∆

= > + >

tak rev

0

S

∴∆

>

D. Perubahan entropi pada reaksi kimia Contoh :

_C

_{( )s}

+

₂

_H

_{2( )g}

→

_CH

_{4( )g}

(

)

4 2 hasil pereaksi ( ) ( ) 2 ( ) CH g C s H g S S S S S S S ∆ = − ∆ = − +

(

)

Ramalan fisis : ∆ <S 0 Mengapa?

(

)

186.16

5.74 2 130.57

80.72 J/K mol 0

S

x

S

∆ =

−

+

∆ = −

<

Kebergantungan entropi

pada suhu

( ) 2( ) 2( ) ( ) 2( ) 2( )

+

+

s g g s g g

C

O

CO

C

O

CO

awal akhir 0 ,25 r S ∆ 1 P,C(s) 373 ln 298 S C ∆ = 2 2 P,O (g) 373 ln 298 S C ∆ = 2 3 P,CO (g) 298 ln 373 S C ∆ = 0 ,100 r

S

∆

0 0 ,25 1 2 ,100 3 0 0 ,100 ,25 atau 373 ln 298 r r r r P S S S S S S S C ∆ = ∆ + ∆ + ∆ + ∆ ∆ = ∆ + ∆ 0 0 ,100 .25

Ramalah fisis :

∆

S

_r

> ∆

S

_r

(

)

(

)

2( ) ( ) 2( ) 0 ,100 , , 0 ,100 0 ,100 373 213.64 ln 298 373 213.64 Cari sendiri dari Handbook datanya! ln

298 J/K mol g s g r P CO PC P O r r S C C C S S ∆ = + − + ∆ = + ∆ =

X. Fungsi energi bebas

Contoh :

A

→

B

B A B A H H H S S S ∆ = − ∆ = − Menurut Hk II Termodinamika . artinya spontan 0 artinya reversibel S L a s S S S > ∆ + ∆ = ∆ ≥ =

(

)

(

) (

)

0 0 B A B A B A H S S T H H S S T −∆ − + ≥ − − + ≥

(

) (

)

0 0 B A A B B B A A TS TS H H H TS H TS − + − ≥ − − − ≤

Definisi :

G H TS

= −

dg : Energi bebasG

Jadi,

G

_B

−

G

_A

≤

0 , tetap,spontan

P T

0 , tetap,reversibel

G

P T

Perhitungan perubahan energi

bebas (

∆

G

)

1.

Perhitungan dari data

∆

H

dan

∆

S

( )

G H TS

G

H

TS

= −

∆ = ∆ − ∆

Pada suhu tetap :

G

H T S

∆ = ∆ − ∆

Apakah pada suhu tetap, proses reversibel ?? 0

G

Contoh :

H O

_{2 ( .100l °C atm,1 )}

→

H O

_{2 ( .100g °C atm,1 )}

(

)

Ramalan fisis : ∆ =G 0 P T, tetap

Perhitungan : 2 ,

40.77 kJ/mol

v H O

H

∆

=

0 v v H S T G H T S H G H T T ∆ ∆ = ∆ = ∆ − ∆ ∆ ∆ = ∆ − =

2.

Perhitungan menggunakan data energi

bebas pembentukan standar

∆

G

_f0

Contoh :

(

)

4( )g 2 2 2( )g 2 2 ( )l , tetap

CH + O → CO + H O P T

(

)

Ramalan fisis : ∆ <G 0 Mengapa?

2 2 4 0 0 0 0 , ( ) 2 , ( ) , ( ) r f CO g f H O l f CH g G G G G ∆ = ∆ + ∆ − ∆

(

)

[

]

0 0 394.36 2 237.18 50.75 817.97 kJ 0 r r G x G ∆ = − + − − − ∆ = − < 0 Perjanjian

Unsur dalam keadaan standar bernilai

f

G

NOL