HUKUM PERTAMA (KONSEP)

Presentasi berjudul: "HUKUM PERTAMA (KONSEP)"— Transcript presentasi:

1 HUKUM PERTAMA (KONSEP)
Termodinamika: a. Mengkaji tentang transformasi energi yang mengiringi proses kimia. Sifat kajian adalah makroskopis (bukan molekuler). b. Jika suatu sistem kimia mengalami perubahan, berarti telah terjadi serah terima energi antara sistem tersebut dengan sekitar (lingkungan). c. Menurut hukum kekekalan energi, energi yang diserahterimakan antara sistem dengan sekitar adalah tetap. d. Perlu batasan dari : Sistem Batas sistem Sekitar (Lingkungan) Alam semesta e. Batas antara sistem dengan sekitar (lingkungan), ditetapkan berdasarkan kriteria apakah kedap atau tidak kedap terhadap pertukaran: massa (n), kalor (q), dan kerja (w)

2 ENERGI, KALOR, KERJA E total = Ek + Ep = tetap ……………Joule ● ENERGI
● Kemampuan untuk melakukan kerja, tidak dapat dimusnahkan maupun diciptakan (kekal). ● Dapat ditransformasi dari satu bentuk ke bentuk lain, tanpa kehilangan kualitas dan kuantitasnya (interkonversi energi) E total = Ek + Ep = tetap ……………Joule Ek = ½ mv2 (energi kinetik) Ep = m.g.h. (energi potensial) Ep = 10 unit energi Ek = 0 unit potensial kinetik Ep = 5 unit Ek = 5 unit

3 ENERGI, KALOR, KERJA ● KERJA
Dalam proses kimia, energi dapat diserahterimakan antara sistem dengan lingkungan. Besarnya energi yang diserahterimakan dapat dikuantifikasi dengan mengukur perubahan yang terjadi di sekitar ● KERJA Suatu sistem telah melakukan kerja apabila mampu menaikkan kualitas-bobot dari sekitar (lingkungan). Kerja (W) = Gaya (F) x Perubahan Jarak (dX) (Joule) (Newton) (Meter) Jenis kerja : a. Kerja mekanik b. Kerja Tekanan-Volume c. Kerja listrik d. listrik elektrostatik e. Tegangan permukaan f. magnet, dan lain-lain Kerja Tekanan – Volume: W = F . dh = Pex . A dh = Pex . dV dh = selisih tinggi A = luas permukaan wadah

4 Kerja Pemuaian Dilakukan oleh gas melawan tekanan eksternal, Pex. Pemuaian bebas ke ruang hampa (Pex = NOL) dW = Pex . dV = NOL Pemuaian Reversibel: Adalah perubahan yang arahnya akan berbalik bila variabel proses diubah secara kecil tak terhingga. Merupakan perubahan yang secara hipotetik setiap saat berada dalam kesetimbangan (Pex =Psist) Pemuaian Reversibel Gas Ideal: W = - Pex dV = - Psist dV = - Pgas dV = - nRT dV/V = - nRT ln Vf/Vi Vf = volume akhir Vi = volume awal Contoh Soal: 1. Sebanyak 50 Gram serbuk Fe dilarutkan kedalam larutan HCl berlebih. Hitung kerja yang dilakukan jika reaksi dilakukan dalam wadah tertutup dan wadah terbuka. 2. Hitung kerja yang dihasilkan pada proses elektrolisis 50 Gram air yang dilakukan pada suhu C dan tekanan 1 atm.

5 3. Satu mol gas ideal pada 250C terdapat dalam selinder yang tekanannya dijaga tetap pada 100 atm melalui sebuah piston yang dapat digeser-geser. Jika piston bergeser sebanyak 3 tahap sehingga tekanannya berturut-turut menjadi 50 atm, 20 atm, dan 10 atm, hitung kerja yang dilakukan pada proses ekspansi gas tersebut. Bandingkan hasilnya jika proses tersebut berlangsung secara isotermal reversibel dari 100 atm ke 10 atm. 4. Kerapatan logam Al pada 200C adalah 2.70 g/cc, sedangkan cairannya pada 6600C adalah 2.38 g/cc. Hitung kerja yang dilakukan pada lingkungan jika 10 Kg Al dipanaskan pada tekanan atmosfir. Anggap semua logam mencair.

6 ● Kalor Energi yang dipindahkan antara sistem dengan lingkungan akibat adanya perbedaan suhu. q = m . C . ∆T Aliran Q: dari T >> T << Faktor: jumlah zat dan jenis zat/molekul perubahan suhu ● dQ ~dT dQ = C dT C = (dQ/dT)p,atau V Cv = (dQ/dT)v dan Cp = (dQ/dT)p ● Kapasitas kalor (C): jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat 1oC ● Kalor jenis (c): C/g zat ● Kapasitas kalor molar: C/mol zat ● Satu kalori: C/g air dari 14,5 ke 15,5oC Keadaan standar, karena pada T ini sifat air relatif tetap

7 qlogam + q air = 0 ● Contoh:
Berapa energi/kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 735 g air dari 21,0 o C ke 98,0 o C ? (anggaplah kalor jenis air 1,00 kal g - 1 o C - 1 ). Penerapan Hukum Kekekalan Energi qlogam + q air = 0 150,0 g timbal 22,0oC 28,8oC 50,0 g air insulasi insulasi ● Contoh: Gunakan data pada Gambar di atas untuk menghitung kalor jenis timbal! termometer isolasi ● Kesetaraan kalor mekanik: konversi kerja ke kalor kincir Percobaan Joule: kerja mekanik → kalor 1 kal = 4,184 J air beban jatuh

8 ● Arah Aliran Energi: Sistem, Lingkungan
●Sistem: Sejumlah materi atau daerah dalam ruang yang dijadikan sebagai objek studi ● Lingkungan: massa atau daerah yang berada di luar sistem ● Batas: pemisah sistem & lingkungan (nyata/maya) ● Batas tetap (fixed boundary) ● Batas berubah (movable boundary) ● Bedasarkan interaksinya dg lingkungan: Pertukaran Terbuka Tertutup Terisolasi Materi - + Energi ● Besaran ekstensif: variabel yang ukurannya ditentukan oleh jumlah atau kuantitas dari sistem → volume, massa, energi, kapasitas kalor, dll ● Besaran intensif: variabel tidak tergantung pada jumlah atau kuantitas dari sistem → tekanan, densitas, suhu, viskositas, dll

9 ● Energi Dalam sebagai Fungsi Keadaan
● Pengertian Fungsi Keadaan Kondisi suatu sistem yang ditunjukkan oleh keadaannya dan setiap sifat yang hanya bergantung pada keadaan suatu sistem, dan tidak bergantung pada cara keadaan tersebut dicapai keadaan 1 Keadaan 2 ∆U Jalur 1 curam, pendek Jalur 2 landai, panjang keadaan 2 ∆U Keadaan 1 keadaan 1 ● Reaksi kimia: A + B C + D Pereaksi Hasil reaksi Keadaan Keadaan 2 (BT 1) fungsi keadaan ( BT 2) BT akhir = BT2 – BT1 BT1 & BT2 = besaran termodinamika keadaan 1 dan 2

10 ● Pengertian Fungsi Jalan
Sifat suatu sistem yang bergantung pada jalannya proses. Fungsi Keadaan U, H, S diff eksak dU, dH, dS Fungsi Jalan Q,W diff tak eksak dQ, d W Variabel Keadaan P, V, T, n - ● Sifat Diferensial Eksak OdU = 0 dg dh Bila dU = g dx + h dy, maka :( )x = ( )y dy dx

11 FORMULASI HUKUM I TERMODINAMIKA
● Hukum Termodinamika I : ∆U = q + W ● Untuk proses kecil tak terhingga: dU = dq + dW ● Sistem terisolasi : dU = NOL, karena dq dan dW =0 Energi dalam sistem terisolasi adalah tetap Besaran + - Q (kalor) Sistem serap E Sistem lepas E W (kerja) Sistem dikenai kerja Sistem buat kerja ∆U (energi dalam) ● Suatu sistem mengalami perubahan, berarti ada serah terima energi (q,w) antara sistem dan lingkungan. ● Keadaan suatu sistem didefinisikan dari variabel P,V, T, dan n (jumlah mol, massa). ● Penerapan hukum I Termodinamika Gas kalor kerja kerja Gas kerja listrik air CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O kalor penangas air

12 D. Penerapan ukum I: Termokimia
● Pengukuran ∆U → menggunakan kalorimeter bom termometer kaleng termometer jaket jaket air dalam kaleng kalorimeter elektrode bom tempat sampel ● Sistem tertutup ● Volume tetap → sistem tidak melakukan kerja W = 0 → ∆U = qv ● Hukum kekekalan energi I termodinamika qv + qair +qbom = 0 → qv = -(qair + qbom) ● Contoh: Sebanyak 0,505 g suatu contoh hidrokarbon naftalena, C H , dibakar sempurna di dlm sebuah kalorimeter bom. 10 8 Massa air di dlm kalorimeter 1215 g. Akibat reaksi, suhu air naik dari 25,62 ke 29,06oC. Kapasitas kalor dari bom 826 J/oC. Berapakah kalor reaksi pada volume tetap, qv, dinyatakan dalam J/g, kJ/mol, kkal/mol C10H8

13 Contoh: Suatu oil bath yang suhunya dipelihara tetap pada 500C melepaskan kalor ke lingkungan dengan laju 1000 kalori permenit. Untuk menjaga agar suhu tetap, alat dilengkapi dengan coil listrik pemanas yang dioperasikan pada 110 V, 50 ohm. Arus suplay listrik diatur dengan termoregulator yang secara otomatis bekerja on-off. Tentukan presentase arus masuk agar suhu terpelihara. D ● dQ ~dT dQ = C dT C = (dQ/dT)p,atau V Cv = (dQ/dT)v dan Cp = (dQ/dT)p ● dU = dQ + dW dU = dQ + dWe – pex dV dWe = 0, V=const dU = dQ Cv = (dU/dT)v Cv = (dQ/dT)v Cp = ? ● ENTALPHY : H = U + PV (definisi) dH = dU + pdV + Vdp dU = dQ + dWe – pex dV dWe, dp = dH = dQp Cp = (dH/dT)p Cp = (dQ/dT)p

14 n n D V = V V n V = ( – ) n V = D ng D H = D U + P [ D ng . ] D H = D
● Pengukuran ∆H ● Entalpi (H) → besaran termodinamika baru ● Alat untuk menentukan ∆H: → styrofoam → sistem adiabatik ● Sistem terbuka ● Kalor pada tekanan tetap (qp) → sistem melakukan kerja → W = -P.dV → ∆U = qp – P.∆V → qp = ∆U + P . ∆V → ∆H = qp = ∆U + P . ∆V Gas : > ● ∆V Cair/padatan : <<<<< termometer batang pengaduk air sampel logam ● Contoh : C H + 12O 10CO + 4H O 10 8 2 2 2 (p) (q) (q) (l) D V = V V n CO . R . T . - V CO 2 O 2 CO = 2 2 p n n RT = ( CO – O ) 2 2 P n O . R . T . V = 2 RT O 2 p = D ng P RT D H = D U + P [ D ng . ] D H = D U + D ng RT P

15 Contoh: Air dididihkan pada tekanan luar 1 atm. Ternyata jika arus 0,5 ampere,12 volt dialirkan selama 300det, akan menguapkan gram air. Tentukan U dan H molar pada K. H2O, cair H2O, gas U = Q + W W’ = pex x V = RT n = JK-1mol-1x K x 0.798/18.02 mol W’ = 137 Joule, W = Joule Q = V i t = 12 volt x 0.5 ampere x 300 det = 1.8 kJoule U = 1800 Joule – 137 Joule H = Q = 1800 Joule. Sebanyak 1.5 gram NH4NO3 ditambahkan ke dalam 35,0 gr air dlm sebuah mangkok busa kemudian diaduk sampai larut seluruhnya. Suhu larutan turun dari 22,7oC menjadi 19,4oC. a. Apakah proses bersifat endoterm atau eksoterm? b. Berapakah kalor pelarutan NH4NO3 dalam air dinyatakan dalam kJ/mol NH4NO3

16 Sebanyak 1,50 g NH ● Hubungan yang Melibatkan ∆H ● D H adalah suatu sifat ekstensif Bila qp naftalena a dalah -5,15 x 103 kJ/mol, hitunglah H pembakaran sempurna 0,1 mol naftalena pada 298 K. q = 0,1 mol x ( -5,15 x 103 kJ/mol) = x 102 kJ ● D H akan berubah tanda bila arah reaksi berbalik ½ N2(g) + ½ O2 (g) NO(g) : D H = + 90,37 kj/mol NO(g) ½ N2(g) + ½ O2(g) :D H = kJ/mol ● Hukum Penjumlahan Kalor dari Hess Tentukan entalpi untuk reaksi : 3C (grafit) + 4H2 (g) C3H8 (g) diketahui data : (a) C 3 H 8 (g) + 5O 2 (g) 3CO 2 (g) + 4H 2 O(l) D H= -2220,1 kJ/mol (b ) C(grafit) + O 2 (g) CO 2 (g) D H= -393,5 kJ/mol (c) H 2 (g) + ½ O 2 (g) H 2 O(l) D H= - 285,9 kJ/mol

17 ● Entalpi Pembentukan Standar
 Nilai mutlak U dan H tidak ada  Perjanjian : nilai nol utk entalpi unsur berada dlm keadaan pa- ling mantap pd tekanan 1 atm & suhu ttt → keadaan standar  Entalpi pembentukan standar molar ( D H o ) Tabel f ● Contoh 6: Hitunglah perubahan entalpi ( D H o ) pd reaksi pembakaran rks 1 mol etana, C H (g). Pereaksi dan produk dalam keadaan 2 6 standar. C H (g) + 7/2 O (g) 2CO (g) + 3H O(l) 2 6 2 2 2 Reaksi di atas merupakan penjumlahan 3 pers.berikut : o a. C H (g) C(grafit) + 3 H (g) D Ha = - D H f C H (g) 2 6 2 2 6 b. o 2C(grafit) + 2 O (g) 2CO (g) D Hb = 2 x D H f CO (g) 2 2 2 c. 3H (g) + 3/2 O (g) 3H O(l) D Hc = 3 x D H o f H O(l) 2 2 2 2 + C H (g) + 7/2 O (g) 2CO (g) + 3H O(l) D H o = ? 2 6 2 2 2 rks S h D o H - f (hasil) S p D H o f (pereaksi) = ∆Hb + ∆Hc + ∆Ha 2 x D H o CO (g) + 3 x D H o – o f f H O (l) D H f C H (g) 2 2 2 6 ● Contoh 7 : Pembakaran siklopropana yang biasa digunakan sebagai anestesi adalah sebagai berikut : (D H o = - 2091,4 kJ/mol ) rks ( CH )3 (g) + 9/2 O2 (g) 3 CO2 (g) + 3 H O (l) 2 2 o Gunakan nilai D H ini untuk menghitung entalpi rks pembentukan standar siklopropana.