Bab I Energetika

BAB IENERGETIKA KIMIA

Tujuan Instruksional Umum1. Setelah mempelajari topik ini, Anda diharapkan dapat memahami hukum pertama

termodinamika untuk menghitung q (kalor), u (energi dalam) w (kerja), dan H (entalpi), proses yang dialami oleh gas; isothermal reversibel, isothermal isobar reversibel, perubahan fasa isothermal, adiabatic reversibel dan adiabatic isobar, menghitung perubahan entalpi reaksi dari data entalpi pembentukan standar zat, kapasitas kalor, energi ikatan rata-rata, dan hukum Hess dan entalpi sebagai fungsi temperatur, memahami hukum kedua termodinamika, kespontanan proses, mementukan perubahan entropi, entropi fungsi temperatur, dan memahami hukum ketiga termodinamika.

Tujuan Instruksional Khusus1. Mahasiswa dapat menjelaskan jenis sistem, parameter sistem dan makna endotermal,

dan exotermal serta jenis proses2. Mahasiswa dapat menjelaskan arti dari q, w, u, dan H3. Mahasiswa dapat menghitung q, w, u dalam proses yang dialami gas pada proses

isotermal, isobar, isovolum, adiabatik, dan reversibel menggunakan hukum termodinamika pertama

4. Mahsiswa dapat menurunkan hukum pertama termodinamika untuk mendapatkan nilai entalpi

5. Mahasiswa dapat menghitung entalpi dengan menggunakan; data entalpi pembentukan standar, hukum Hess, data energi ikatan rata-rata dan harga kapasitas kalor zat

6. Mahaiswa dapat menghitung entalpi sebagai fungsi temperatur7. Mahasiswa dapat menjelaskan makna entropi dan hukum kedua termodinamika, dan

menggunakan entropi untuk melihat kespontanan reaksi8. Mahasiswa dapat menghitung entropi sebagai fungsi temperatur dan meramalkan

kespontan reaksi9. Mahasiswa mengetahui makna hukum ketiga termodinamika

1. 1 Tujuan, Aplikasi dan Definisi TermodinamikaTermodinamika dapat dibagi atas beberapa katagori; klasik, statistik, dan ireversibel.

Pendekatan dalam termodinamika klasik melalui sifat makroskopi materi seperti tekanan, temperatur, dan volume. Pendekatan pada termodinamika statistik melalui keadaan molekular atau sifat mikroskopik materi. Perhitungan termodinamika dilakukan berdasarkan data tingkat energi, dan distribusinya serta data spektroskopi. Termodinamika ireversibel secara langsung memperlakukan sistemi pada keadaan tidak setimbang.

Penggunaan prinsip-prinsip termodinamika didalam bidang teknik di antaranya adalah pada rancangan pompa dan kompresor, turbin atau mesin panas, perhitungan kehilangan tekanan (pressure drop) pada pipa dan katup, dan perhitungan kerja pada mesin motor bakar.

Di dalam termodinamika, sistem didefinisikan sebagai bagian dari alam semesta yang menjadi pusat perhatian, dipisahkan oleh dinding sistem dengan lingkungannya di alam semesta. Sistem dan lingkungannya dapat saling menukarkan materi maupun energi. Berdasarkan jenis pertukarannya, sistemi dapat dibedakan atas;

1. sistem tertutup; terjadi pertukaran energi antara sistemi dan lingkungan, tapi tidak terjadi pertukaran materi antara sistem dan lingkungan melalui dinding sistem.

Kimia Terapan untuk Teknik Mesin D3 1

2. sistem terbuka; terjadi pertukaran energi maupun materi antara sistem dan lingkungan melalui dinding sistem.

3. sistem tersekat; tidak ada pertukaran materi dan energi antara sistem dan lingkungan melalui dinding sistem.

Keadanan sistem dinyatakan oleh parameter sistem. Parameter sistem di antaranya adalah

1. temperatur; variabel yang berhubungan langsung dengan derajat panas suatu materi. Dalam termodinamika, temperatur didefinisikan sebagai sifat yang tidak bergantung pada jenis materi, hanya bergantung pada derajat panas suatu materi

2. tekanan; tekanan fluida merupakan gaya yang diberikan oleh fluida persatuan luas permukaan fluida

3. volume; jumlah ruang tiga dimensi yang ditempati oleh materi dan bergantung pada massa materi. Volume spesifik adalah volume/massa atau mol materi sedang massa jenis adalah massa per volume.

Sifat/parameter sistem dapat bersifat ekstensif dan intensif. Sifat ekstensif adalah sifat yang bergantung pada ukuran sistem seperti volume. Sifat intensif adalah sifat yang tidak bergantung pada ukuran sistem di antaranya massa jenis, temperatur, kapasitas kalor, dan viskositas.

Sistem dapat dalam keadaan;1. isotermal bila temperatur semua bagian sistem adalah sama2. isobar bila tekanan semua bagian sistem adalah sama3. isometrik/isokhorik bila volume semua bagian sistem adalah sama

Perubahan keadaan sistem dari keadaan awal menjadi keadaan akhir (sering disebut dari keadaan satu ke keadaan dua) atau keadaan proses dapat dilakukan dalam berbagai cara1. reversibel dan ireversibel Suatu proses disebut reversibel jika sistem dan lingkungannya selalu berada dalam keadaan

setimbang. Proses disebut ireversibel bila proses tidak dapat balik, atau kalau dapat balik akan meninggalkan perubahan tetap pada lingkungannya. Syarat proses dikatakan reversibel adalah;i. semua bagian sistem berada dalam keadaan setimbang secara termodinamika dan tetap dalam

keadaan setimbang. Misal, kesetimbangan termal (semua bagian sistem memiliki temperatur yang sama), kesetimbangan mekanik (setiap bagian ssstem memiliki tekanan yang sama), dan kesetimbangan kimia.

ii. sistem dan lingkungan bebas saling memberi energi, namun tetap dalam keadaan setimbang. Misalnya, terjadi pertukaran energi panas antara sistem dan lingkungan maka tetap terjadi kesetimbangan termal antara sistem dan lingkungan, terjadi pertukaran kerja mekanik antara sistem dan lingkungan namun tekanan yang diterima sistem harus sama dengan lingkungannya. Demikian juga dengan pertukaran energi lainnya.

2. isothermal


Proses dikatakan isothermal jika temperatur sistem tidak mengalami perubahan atau konstan ketika keadaan sistem berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir.

3. isobarProses dikatakan isobar jika tekanan dalam sistem tidak mengalami perubahan atau konstan ketika keadaan sistem berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir.

4. isokhorik/isometric/isovolumeProses dikatakan isokhorik/isometric/isovolume jika volume sistem tidak mengalami perubahan atau konstan ketika keadaan sistem berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir.

1,2 Jenis Jenis EnergiEnergi dapat dibagi atas beberapa jenis; energi yang dipengaruhi oleh posisi (energi potensial),

energ yang dipengaruhi oleh gerak (energi kinetik), energi yang dimiliki oleh zat yang ada (energi dalam), energi yang disebabkan oleh adanya proses atau perubahan sistem; panas dan kerja.1. Energi potensial didefinisikan sebagai energi yang dimiliki suatu objek yang berhubungan

dengan posisinya di atas bidang referensi. Misal, suatu benda dengan massa m, berada pada posisi z dari permukaan/bidang referensi akan memiliki energi potensial sebesar mgz, dengan g adalah gravitasi.

2. Energi kinetik didefinisikan sebagai energi yang dimiliki oleh suatu objek karena objek bergerak. Misal benda dengan massa m bergerak dengan kecepatan u, maka energi kinetik = m(u2/2)

3. Energi dalam (U) didefinisikan sebagai total energi yang dimiliki oleh materi yang ada dalam sistem karena pergerakan molekular/atomik seperti gerak vibrasi, rotasi dan translasi.

4. Kerja (w)Kerja dalam termodinamika terdiri atas kerja mekanik, kerja ekspansi, kerja gravitasi, kerja permukaan, dan kerja listrik. Kerja didefinisikan sebagaidw = F dS, dengan w = kerja

S = jarak F = gaya

Dalam bidang kimia, kerja yang akan dibahas adalah kerja ekspansi dan kompresi, yang didefinisikan sebagai tekanan kali volume.

Perhatikan piston dengan luas permukaan A di atas (a). Bila piston memberikan gaya kepada gas di dalam piston sebesar F = PA dan jarak tempuh piston adalah V/A, maka

dw = F dS = PA d(V/A) = PLdV, dengan w = kerjaV = Volume PL = Tekanan lingkungan

Kerja yang dilakukan oleh piston atau diterima oleh gas adalah kerja kompresi (b). Bila piston bergerak ke atas (c) piston menerima kerja atau gas melakukan kerja dan kerja disebut kerja


ekspansi.Kerja total adalah integrasi dari persamaan

∫dw = ∫Ps dV

Gas/sistem melakukan kerja, maka ∫dW = ∫Ps dV, dan V berubah dari V1 ke V2, dengan V2

V2>V1, ↔ ∫dw = ∫Ps dV ↔ w > 0 V1

Bila gas menerima kerja akibat tekanan piston/lingkungan (P l), dan Vgas berubah dari V1 ke V2, dengan V2<V1

V2

∫dw = ∫Pl dV ↔ w < 0 V1

Kerja adalah parameter termodinamika yang bergantung pada proses (bukan fungsi keadaan) karena itu ∫dw = w.

5. Panas/Kalor (q)Panas/kalor dapat mengalir dari dan ke sistem melalui dinding sistem karena adanya perbedaan temperatur antara sistem dan lingkungan. Panas juga merupakan parameter termodinamika yang bukan fungsi keadaan atau bergantung pada proses, sehingga ∫dq = q.Panas akan bertanda positif jika sistem menerima panas/kalor (endotermal) dan bertanda negatif bila sistem melepaskan kalor ke lingkungan (eksotermal).

Latihan 1Berapa kerja (dalam Joule) yang dilakukan kepada sistemi jika gas dikompresi oleh tekanan luar konstan sebesar 1 atm sehingga volume gas berubah dari 5 menjadi 1 dm3,

JawabV1=5 dm3dan V2 = 1 dm3 , 1 dm3= 1 L, sehingga w = 1 atm (1-5)L = -4 L atm.R = 0,082 L.atm (mol.K)-1 = 8,314 J(mol.K)-1

1 L.atm = 8,314/0,082 J = 101,39 JW = - 4 Latm = -4 x 101,39 J = 406 J = 0,406 kJ

Latihan 2


1 mol gas ideal, tekanan 3 atm berada dalam piston dan ekspansi melawan tekanan eksternal konstan 1,5 atm. Tentukan kerja yang dilakukan gas bila proses berlangsung isothermal pada 25oC.JawabPada gas ideal berlaku persamaan gas, PV = nRT, dengan P = tekanan, V = volume, T = temperatur, n = mol gas dan R = tetapan gas, sehinggaV gas = nRT/P = 1, 0,082 L.atm (mol.K)-1 298 K/3 atm = 8,2 LKarena gas diekspansi (perhatikan tekanan gas mula mula 3 atm), ekspansi akan berhenti sampai tekanan gas sama dengan tekanan luar, 1,5 atm sehingga volume gas setelah diekspansi menjadiV gas = nRT/P = 1, 0,082 L.atm (mol.K)-1 298 K/1,5 atm = 16,4 LJadi w = PL ∆V = 1,5 atm (16,4-8,2)L = 12,3 Latm

Latihan 310 mol gas ideal 25oC dan 10 atm mengalami ekspansi secara reversibel dan isothermal sehingga tekanan sistem menjadi 2 atm. Hitunglah kerja yang dilakukan gas terhadap lingkungan.JawabProses ekspansi/kompresi dikatakan reversibel jika setiap saat selama proses berlangasung PL=PS.

V2 V2

∫dw = ∫Pl dV ↔ ∫dw = ∫PS dV V1 V1

V2

∫dw = ∫nRT/V dV V1 w = nRT ln (V2/V1) V2 = 10 mol 0,082 L.atm (mol.K)-1 298K/2 atm = 122,18 L

V1 = 10 mol 0,082 L.atm (mol.K)-1 298K/10 atm = 24, 436 Lw = 10 mol 0,082 L.atm (mol.K)-1 298K ln(122,18 L/ 24, 436 L) = 393,282 L atm

1. 3 Hukum Pertama TermodinamikaSecara matematika hukum pertama termodinamika didefinisikan sebagaidU = dq – dw, dengan U adalah energi dalam sistem, atau ∫dU = ∫dq – ∫dw↔ ∆U = q –wBila di antara sistem dan lingkungan tidak terjadi perpindahan panas (disebut proses adiabatik), ∆U = –w. Bila di antara sistem tidak melakukan kerja kepada lingkungan atau sebaliknya (w = 0), ∆U = q.

Latihan 1,Satu mol gas menyerap kalor sebesar 500 J dan volume gas tetap sehingga temperatur gas naik dari 20 menjadi 25oC. Hitunglah perubahan energi dalam gas dan kerja yang dilakukan gas.JawabKarena volume gas tetap ketika menerima kalor (q = 500 J), w = 0,∆U = q –w, ∆U = q = 500 J

Latihan 250 gr O2 1 atm dan 25oC dikompresi secara adiabatik oleh tekanan luar tetap 30 atm hingga gas memiliki temperatur 50oC . Hitunglah ∆U, q, w yang diterima gas.Jawabn gas = 50/32 molV gas mula mula = nRT/P = (50/32) x 0,082 298/1 = 38,18 LV gas setelah dikompresi (akhir) = nRT/P = (50/32) x 0,082 x 323/30 = 1,38 Lw = Pl ∆V = 30 atm (1,38 – 38,18) L = -1104,02 Latm = -112 kJ


Karena proses adalah adiabatik maka q = 0, sehingga ∆U = -w = 112 kJ

1. 4 Proses pada Volume Konstan Jika sistem hanya melakukan kerja ekspansi atau kompresi dan jika proses berlangsung tanpa perubahan volume (∆V = 0, atau V2 = V1), w = 0, hukum pertama termodinamika menjadi ∆U = q –w = q.Ini berarti pada suatu sistem yang menyerap/melepaskan panas sebesar q dan tidak melakukan/menerima kerja, panas yang diserap/dilepaskan seluruhnya digunakan untuk mengubah energi dalam (∆U). Bila energi dalam yang merupakan energi vibrasi, translasi dan rotasi molekular sistem mengalami perubahan dan bila temperatur sistem ditunjukkan oleh akumulasi energi karena gerak tranlasi dan rotasi, sistem akan mengalami perubahan temperatur.

1. 5 Proses pada Tekanan Konstan Suatu sistemi yang mengalami proses/perubahan dari keadaan 1 ke keadaan 2,dU = dq –dw = dq- Pl dV, pada tekanan konstan↔U2-U1 = q – PL (V2 - V1)↔U2-U1 = q – PL V2 + PL V1

↔q = (U2 +PL V2 )- (U1+ PL V1), jika H = entalpi = U + PV↔q = H2 – H1 = ∆H atau dH = dqDapat dikatakan bahwa perubahan panas (dapat terjadi karena panas diserap/dilepaskan dari dan ke lingkungan dan karena adanya reaksi) pada proses isobar merupakan ukuran langsung perubahan entalpi sistem. Sebagai contoh reaksi antara cair dengan cair pada tekanan konstan didalam kalorimeter, tabung reaksi, dan sebagainya.

1. 6 Hubungan antara Entalpi dan Energi Dalam Suatu reaksi yang melibatkan gas yang diasumsikan sebagai gas ideal, misalαA +βB → γC + δDmaka ∆H = ∆U + ∆(PV), untuk gas ideal PV = nRT ↔ ∆(PV) = RT ∆n, sehingga∆H = ∆U + RT ∆n,∆n = ∑ ni (hasil) - ∑ ni (pereaksi) i ipada reaksi diatas ∆n = (γ + δ) – (α +β)

LatihanCH4 (g)+ 2 O2(g) → CO2(g) + 2 H2O(g)

Jika ∆H pada 298K = 282,5 kJ/mol, tentukanlah q, ∆U reaksi dan w yang dihasilkan oleh reaksi di atasJawab∆n = (2+1)-(2+1) = 0w = RT ∆n = 0q = ∆H = 282,5 kJ/mol∆H = ∆U + RT ∆n = 282,5 kJ/mol + 0 = 282,5 kJ/mol

1. 7 Kapasitas PanasKapasitas panas suatu zat didefinisikan sebagaibanyaknya panas yang dibutuhkan oleh zat/sistem untuk menaikkan temperatur zat/sistem sebanyak satu derajatBila simbol kapasitas panas adalah C, C = dq/dTKapasitas panas spesifik (c’) adalah kapasitas panas per gram dan kapasitas molar (c‾) adalah


kapasitas panas per mol,c’ = C/m, m = massa zatc‾ = C/n , n = mol zatPaparan sebelumnya menjelaskan bahwa panas dapat siserap/dilepaskan sistem pada proses yang berlangsung pada volume tetap dan tekanan tetap.Pada tekanan tetap q = ∆H atau dq = dH sehingga kapasitas panas pada P konstan (CP)CP = (dq/dT)P = dH/dTPanas pada volume tetap, q = ∆U, atau dq = dU sehingga kapasitas panas pada V konstan (CV)CV = (dq/dT)V = dU/dTUntuk gas ideal hubungan antara CP dan CV adalah CP - CV = nRPada dasarnya kapasitas panas tidak dapat diperkirakan secara teoritis dengan menggunakan hukum termodinamika, tapi ditentukan menggunakan metode statistik. Umumnya, kapasitas panas ditentukan melalui percobaan menggunakan alat kalorimeter. Beberapa pernyataan empiris mengenai nilai kapasitas panas adalahCp = a + bT + cT2 + dT3 dan Cp = a’ + b’T + c’T2

dengan a, b, c, d, a’, b’, c’ merupakan konstanta yang bergantung pada jenis zat.

Latihan. 1Temperatur 2 kg air turun dari 95 menjadi 40oC ketika 1,25 kg potongan logam dengan temperatur 25oC dicelupkan kedalam air. Jika diketahui kapasitas panas air adalah 4,184 J/gr.K, hitunglah kapasitas panas logam.JawabPanas yang diterima logam, q = Clogam dT = Clogam [(40+273)K – (25+273)K] = 15 K Clogam

Untuk 1,25 kg logam , q = 1,25 kg x 15K Clogam = 18,75 Kg = 18750 gr K Clogam

Panas yang diberikan oleh air, q = Cair dT = 4,184 J/gr.K [(95+273)K – (40+273)K] = 230,12 J/grUntuk 2 kg air = 230,12 J/gr x 2000 gr = 460 240 JPanas yang diterima logam = Panas yang diberikan oleh air↔ 18750 gr K Clogam = 460 240 J↔ Clogam = 460 240 J/18750 gr K = 24,55 J/gr. K

Latihan 2Tentukanlah perubahan entalpi, q yang diserap sistem, kerja dan perubahan energi dalam jika 1 mol CO2 dipanaskan dari 300 K menjadi 1000 K pada tekanan konstan 1 atm jika diketahui a, b dan c CO2 berturut turut 26, 86 J (mol.K)-1, 6,966 10-3 J (mol-1,K-2) dan 8,243 10-7 J (mol-1,K-3).Jawab 1000 dH = Cp dT ↔ ∆H = ∫Cp dT = ∫ a + bT + cT2 dT = a T + b/2 T2 + c/3 T3 | 300↔ ∆H = 26, 86 (1000-300) + 6,966 10-3 (10002 -3002) + 8,243 10-7/3 (10003 -3003)↔ ∆H = 22,24 kJ/mol↔ ∆H = 22,24 kJ/mol x 1 mol = 22,24 kJ↔ q = ∆H = 22,24 kJPada P konsanV1 = nRT/P1 = 1 mol x 0,082 L.atm/mol.K x 300K/1 atm = 24,6 LV2 = nRT/P2 = 1 mol x 0,082 L.atm/mol.K x 1000K/1 atm = 82 Lw = P ∆V = 1 atm (82 – 24,6) L = 57,4 L atm = 57,4 x 101,39 J = 5,82 kJPerubahan energi dalam∆U = q – w = 22,24 kJ – 5,82 kJ = 16,42 kJ


Latihan 3Kapasitas panas logam diukur pada temperatur yang sangat rendah dan diperoleh data pada tabel dibawah ini. Tentukanlah nilai a, b dan c jika diketahui Cp logam = a + bT.+ cT2

T (K) Cp (J/mol.K)0,2604 0,58520,6901 2,3031,013 4,8992,13 31,362,914 79,983,53 146,44,10 236,2

JawabDengan menggunakan program excel yang ada di dalam microsof word, dibuatlah kurva Cp terhadap T, Cp sebagai sumbu y dan T sebagai sumbu x (kurva (a) dibawah ini) dengan memilih menu scatter. Klik kanan salah satu titik, pilih addterdline. Pilih trend/regression polynomial dan isikan orde dengan angka dua karena Cp memiliki fungsi polinom orde 2, klik display equation on chart dan display R squared value on chart, maka pada kurva tampil persamaan dan nilai R2 (kurva (b)).

(a) (b)

Dari kurva (b) terlihat persamaan y = 23,64 x2 – 45,59 x + 18,88, Karena y = Cp dan x = T, persamaan ini merupakan persamaan Cp fungsi T, dengan persamaan Cp = 18,88 – 45,59 T + 23,64T2, Cp logam = a + bT.+ cT2 = 18,88 - 45,59 T + 23,64 T2

↔ a = 18,88 J (mol.K)-1

↔ b = - 45,59 J (mol-1,K-2)↔ c = 23,64 J (mol-1,K-3)Nilai R2 menunjukkan kesesuaian model/trend/regression dengan data percobaan. Nilai R2 = 1 menunjukkan bahwa data benar benar (100%) sama dengan persamaan. Dalam percobaan nilai R2→1, Bila angka R2 mendekati satu, pengukuran Cp pada berbagai temperatur dapat dipercaya.

1. 8 Aplikasi Hukum Pertama Termodinamika pada Gas IdealGas disebut sebagai gas ideal bila memenuhi persamaan PV = nRT, dengan P = tekanan gas


V = volume gasn = molR= tetapan gas T = temperatur gas (K)Tetapan gas dalam berbagai satuan dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

Tipe satuan R SatuanMekanik 0,082 dm3 atm/mol.KMekanik 82,054 ml3 atm/mol.Kcgs 4,4144 erg/mol.KSI 8,3144 J/mol.KPanas 1,9872 kalori/mol.K

Gas ideal dapat mengalami 1. Gas mengalami ekspansi/kompresi secara isothermal dan reversibel, dari hukum pertama

termodinamika dU = dq – dw atau ∆U = q – w. Sistem tidak akan mengalami perubahan energi dalam (ingat energi dalam berhubungan dengan energi vibrasi, rotasi dan translasi molekular yang berbanding lurus dengan temperatur) jika temperatur konstan (isothermal). Praktis tidak ada perubahan pada energi vibrasi, rotasi dan translasi sehingga juga tidak ada perubahan pada energi dalam, ∆U = 0,↔ q = w.Untuk proses isothermal ini, juga tidak terjadi perubahan entalpi sistem (∆H = 0). Hal ini dapat terjadi karena dH = Cp dT, untuk proses isothermal dT = 0 Pada ekspansi reversibel, lihat gambar berikut ini

↔ q = w = ∫Pl dV = ∫Ps dV= ∫nRT/V dV Karena isothermal, T konstan↔q = w = nRT ∫ dV/V = nRT ln (V2/V1)Kerja yang dilakukan oleh sistem yang mengalami proses isothermal dan reversibel ini adalah kerja maksimum.

Latihan Tentukanlah perubahan energi dalam, entalpi, kerja dan panas yang dihasilkan bila 2 mol gas CO2

mengalami ekspansi isothermal dan reversibel dari 2,4 L menjadi 5,6 L pada temperatur 10oC dan pada 100oC.JawabPada sistem gas yang mengalami perubahan/proses isothermal ∆U = 0 dan ∆H = 0q = w = nRT ∫ dV/V = nRT ln (V2/V1)Pada T = 10oC = 283 Kq = w = nRT ln (V2/V1) = 2 mol x 8,314 J/mol.K x 283 K x ln (5,6 L/2,4 L) ↔ q = w = 3987 J


Pada T = 100oC = 373 Kq = w = nRT ln (V2/V1) = 2 mol x 8,314 J/mol.K x 373 K ln (5,6L/2,4 L) ↔ q = w = 5396 J

2. Gas mengalami ekspansi/kompresi secara isothermal dan isobarik (tekanan konstan), maka sistem tidak akan mengalami perubahan energi dalam dan entalpi (jelaskan argumen ini) atau ∆U = 0 dan ∆H = 0 sehingga dari hukum pertama termodinamika dU = dq – dw,

↔ q = w = ∫Pl dV = P (V2-V1)

Latihan1 mol gas ideal dikompresi secara isothermal pada 300 K dibawah tekanan luar 200 atm. Hitunglah q, w, ∆U dan ∆H sistem gas, jika tekanan gas mula mula adalah 2 atm dan setelah kompresi menjadi 100 atm.Jawab

Pada proses isothermal ∆U = 0 dan ∆H = 0V1 = nRT/P = 1 mol x 0,082 L atm/mol.K x 300 K/2 atm = 12,315 LV2 = nRT/P = 1 mol x 0,082 L atm/mol.K x 300 K/100 atm = 0,2463 L↔ q = w = ∫Pl dV = P (V2-V1)↔ q = w = 200 atm (0,2463 L – 12,315 L) = -2413,74 L atm ↔ q = w = -2413,74 x 101,39 J = -244,73 kJ

3. Terjadi perubahan fasa secara isothermal dan isobarikPerubahan fasa yang terjadi bisa merupakan perubahan fasa dari cair menjadi gas atau sebaliknya serta perubahan dari padat menjadi cair atau sebaliknya. Untuk senyawa/zat murni, perubahan ini terjadi pada temperatur konstan dan tekanan tertentu. Perubahan fasa dapat dilihat pada diagram fasa di bawah ini.

Sepanjang garis ac adalah titik leleh pada berbagai tekanan, sepanjang garis bc adalah titik didih dalam berbagai tekanan dan sepanjang garis dc, sunbu x adalah temperatur sublim dalam bernagai tekanan.


Jika suatu cairan dipanaskan maka cairan tersebut akan mengalami kenaikan temperatur sampai pada titik didihnya dan temperatur akan konstan sampai semua cairan berubah menjadi gas. Ketika cairan mendidih, dibutuhkan panas/entalpi sebesar kalor penguapannya, sehingga kalor penguapan q = ∆H dan kerja pada keadaan isobarik adalah w = p∆V

Latihan1 mol air diuapkan pada 100oC dan 1 atm, hitunglah q, w, ∆H dan ∆U, jika diketahui massa jenis air pada 100oC adalah 0,9573 gr/mL dan kalor penguapan air pada 100oC adalah 40,7 kJ/molJawabH2O(l) → H2O(g)

q = ∆H = 40,7 kJ/mol x 1 mol = 40,7 kJw = p∆V V1 = volume air (fasa cair) pada 100oCmassa/massa jenis = 1 mol x 18 gr/mol/0,9573 gr/L = 18,8 mL V1 = volume air (fasa gas) pada 100oC = nRT/P = 1 mol x 0,082 L atm/mol.K x 373 K/1 atm = 30,586 L↔ w = 1 atm (30,586 L-0,0188L) = 30,5672 L atm↔ w = 30,5672 x 101,39 J = 3099 J = 3,099 kJ∆U = q-w↔ ∆U = 40,7 kJ – 3,099 kJ = 37, 601 kJ

4. Gas mengalami perubahan secara adiabatik dan reversibelGas yang mengalami perubahan secara adiabatik berarti tidak ada kalor yang keluar masuk sistem, maka q = 0, Dari definisi Cv, Cv = dU/dT ↔ ∆U = ∫Cv dT. Berdasarkan hukum pertama termodinamika ∆U = q – w, maka w = - ∆UBerdasarkan definisi Cp, Cp = dH/dT↔ ∆H = ∫Cp dTUntuk menentukan perubahan energi dalam dan entalpi, haruslah diketahui temperatur awal dan temperatur akhir gas. Untuk gas ideal, berlaku hubunganT1V1

R/Cv = T2V2R/Cv

P1V1γ = P2V2

γ dimana γ = Cp/Cv

Latihan1 mol gas ideal dikompresi secara adiabatik dan reversibel dari volume awal 6 L menjadi volume akhir 2 L dan temperatur awal 27oC. Tentukanlah nilai q, w, ∆U dan ∆H, jika diketahui Cv 20,91 J/mol.KJawabProses adiabatik, q = 0T1V1

R/Cv = T2V2R/Cv

↔ T2 = T1 (V1/ V2)R/Cv = 300 K (6/2)8,314 j/mol.K/20,91 J/mol.K = 464,3 K↔ ∆U = ∫Cv dT = Cv ∆T = 20,91 J/mol.K x (464,3 K - 300 K) = 3435 J/mol↔ ∆U = 1 mol x 3435 J/mol = 3435 JUntuk gas ideal berlaku hubungan Cp-Cv = nRUntuk 1 mol gas Cv = 20,91 J/mol.K x 1 mol = 20,91 J/K↔ Cp = Cv + nR = 20,91 J/K + 8,314 J/mol.K x 1 mol = 29,224 J/K∆H = ∫Cp dT = Cp ∆T = 29,224 J/K (464,3 K - 300 K) = 4801,5 Jw = - ∆U = - 3435 J


5. Gas mengalami ekspansi secara adiabatik dan isobarikGas yang mengalami proses ekspansi adiabatik, q = 0, sedangkan ∆U dan ∆H dapat ditentukan dari harga Cp dan Cv-nya,∆U = ∫Cv dT∆H = ∫Cp dTPada proses isobar, w = P dV = P ∆VBerdasarkan hukum pertama termodinamika ∆U = q – w, maka untuk gas yang mengalami perubahan adiabatik dan isobarik berlaku ∆U = – w ↔ ∫Cv dT = - P ∆V

Latihan1 mol gas dikompresikan secara adiabatik dan isobarik oleh tekanan luar 15 atm. Bila temperatur mula-mula gas adalah 27oC dan volumenya 6 L dan setelah kompresi volume menjadi 2 L, tentukanlah nilai q, w, ∆U dan ∆H, jika diketahui Cv 20,91 J/mol.K Jawabq = 0 (proses adiabatik) karena proses juga isobar, maka∫Cv dT = - P ∆V↔ ∫Cv dT = Cv ∆T = - P ∆V↔ 20,91 J/mol.K x 1 mol x (T2 – 300K) = -15 atm x (2- 6) L = 90 L.atm = 60 x 101,39 J↔ T2 = 6083,4 J/20,91 J/K + 300 K = 590,9 K∆U = ∫Cv dT = 20,91 J/K (590,9 K – 300K) = 6083,4 J∆H = ∫Cp dT = 29,224 J/K (590,9 K – 300K) = 8502,2 Jw = 15 atm ((2- 6)L = - 60 L.atm = - 60 x 101,39 J = - 6083,4 J

1. 9 Panas Reaksi, Pembentukan, Pembakaran, dan PelarutanDari hukum pertama termodinamika,∆U = q – w, jika proses berlangsung pada tekanan konstan, hukum pertama termodinamika menjadi ∆H = q. Bila proses berlangsung pada volume konstan ∆U = q. Hal yang sama juga berlaku untuk reaksi kimia, bila terjadi reaksi seperti persamaan berikut ini

Reaktan → Produk

Reaktan adalah zat yang bereaksi (keadaan awal sistem) dan produk adalah hasil reaksi (keadaan akhir sistem), maka berdasarkan hukum pertama termodinamikaq = panas yang dihasilkan dalam reaksi = ∆U (perubahan energi dalam sistem) jika reaksi berlangsung pada volume tetap.q = panas yang dihasilkan dalam reaksi = ∆H (perubahan entalpi sistem) jika reaksi berlangsung pada tekanan tekanan tetap.

Umumnya, reaksi dilangsungkan pada tekanan tetap sehingga panas reaksi dapat dihitung melalui cara berikut ini:1, Melalui data entalpi pembentukan standar

Panas pembentukan dari setiap 1 mol senyawa adalah entalpi reaksi setiap pembentukan senyawa dari unsurnya. Jika pembentukan senyawa dari unsurnya dilakukan dalam keadaan standar (298 K dan 1 atm), entalpinya disebut entalpi pembentukan standar (∆Hf

Θ). Beberapa panas/entalpi pembentukan standar senyawa dapat dilihat pada tabel berikut ini.

Senyawa Mr Cp (j/mol.K) ∆HfΘ ∆Gf

Θ ∆SfΘ (J/mol)


(gr/mol) (kJ/mol) (kJ/mol)Air (l) 18 -286 -237 70CO 28 29,14 110,53 -137,16 197,54CO2 44 37,05 -393,52 -394,41 213,69Methane 16,04 35,73 -74,85 -50,82 186,3Ethane 30,54 52,48 -83,85 -31,95 229,12Prophane 44,1 73,59 -104,68 -24,4 270,2n-Butane 58,12 98,85 -125,77 -16,07 310,12n-pentana 72,15 120,1 -146,71 -8,77 349,5n-heksana 86,18 143,1 -166,94 -0,08 388,7n-heptana 100,2 165,9 -187,65 8,15 428n-oktana 114,2 188,7 -208,82 15,92 467,2n-nonana 128,3 211,6 -228,87 24,73 506,4n-dekana 142,3 234,5 -249,53 32,97 545,7Siklopentana 70,13 82,92 -77,03 38,87 292,9Methilsiklopentana 84,16 -106,7 35,77 339,9Ethilen 28,05 43,73 52,28 68,12 219,45Propilen 42,08 63,92 19,71 62,14 266,66Isobutilen 56,11 89,16 -16,9 58,07 293,59Asetilen 26,04 44,23 226,75 209,2 200,82benzen 78,11 81,66 82,93 129,66 269,2Air 18 33,6 -241,82 -228,59 188,72Oksigen 32 29,34 0 0 205,04Amonia 17 35,66 -45,9 -16,4 192,67Metanol 32,04 43,92 -201,08 -162,42 239,7Etanol 46,07 65,51 -234,43 -167,9 282,69Isopropanol 60,1 88,88 -272,42 -173,39 309,91Metilasetat 74,08 85,41 -409,14 -321,54 319,83Etil asetat 88,11 113,4 -442,92 -327,4 362,75Dietileter 74,12 112,5 -252,13 -121,75 341

Dengan menggunakan data di atas, maka panas reaksi pada keadaan standar adalahq = ∆H = ∑ (∆Hf

Θ)produk - ∑ (∆HfΘ)pereaksi

Misal reaksi adalahαA + βB → γC + δD, makaq = ∆H = (γ (∆Hf

Θ)C + δ (∆HfΘ)D ) - (α (∆Hf

Θ)A+ β (∆HfΘ)B)

LatihanTentukanlah panas yang dihasilkan/dibutuhkan pada reaksi 2 mol gas metan (CH4) yang dibakar sempurna pada 298 K dan tekanan 1 atm.JawabCH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (g)Dengan menggunakan data diatas q = ∆H = (1 (∆Hf

Θ) CO2 + 2 (∆HfΘ)H2O ) - (1 (∆Hf

Θ)CH4+2 (∆HfΘ) O2)

↔ q = ∆H = [(-393,52 + 2 (-241,82)) – (-74,85 + 2 x 0)] kJ/mol = -802,31 kJ/mol↔ q = ∆H = -802,31 kJ/mol x 2 mol = -1604,62 kJ

2, Menggunakan hukum HessSuatu reaksi kimia yang diinginkan dapat merupakan rangkaian beberapa reaksi kimia. Jika panas masing-masing reaksi diketahui, panas reaksi yang diinginkan dapat dihitung dengan


menambah atau mengurangi panas reaksi tahap reaksi. Cara ini dapat pula digunakan untuk menghitung panas dari suatu reaksi yang belum memiliki data entalpi pembentukan standar.Misalkan suatu reaksi terdiri dari beberapa tahap reaksi seperti rangkaian reaksi dibawah ini

Dalam rangkaian reaksi di atas, berlaku hubunganq = ∆H = ∆H1 + ∆H2 + ∆H3 + ∆H4

LatihanHitunglah panas reaksi pada reaksi berikut iniC grafit + H2O (g) → CO + H2

Jika data berikut ini diketahuiC grafit + ½ O2 (g) → CO ∆H = -110,50 kJ/molH2 + ½ O2 → H2O ∆H = -241,4 kJ/molJawab Panas reaksi diatas dapat dihitung menggunakan hukum HessC grafit + ½ O2 (g) → CO ∆H = -110,50 kJ/molH2O → H2 + ½ O2 ∆H = 241,4 kJ/molC grafit + H2O → CO + H2 ∆H = -110,50 kJ/mol + 241,4 kJ/mol = 130,9 kJ/mol

3, Menggunakan data energi ikatanEnergi ikatan didefinisikan sebagai panas reaksi yang dikaitkan dengan pemutusan ikatan kimia dari molekul-molekul gas menjadi bagian-bagian gas. q = ∆H = ∑ ni (Energi Ikatan)i. pereaksi - ∑ nj (Energi Ikatan)j, produk

dengan ni dan nj masing-masing adalah jumlah mol ikatan ke-i pada pereaksi dan jumlah mol ikatan ke j pada produk. Data beberapa energi ikatan dapat dilihat pada tabel berikut:

Jenis Ikatan (EI) Energi ikatan, EI (kJ/mol)H-C 415H-O 463H-N 391H-F 563H-Cl 432H-Br 366H-I 299C-O 356C=O 724C-N 292C=N 619

879


C-C 348C=C 607

833O=O 495H-H 436

LatihanTentukanlah panas reaksi pembakaran metanol di bawah ini menggunakan data energi ikatanCH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (g)Jawab q = ∆H = ∑ ni (Energi Ikatan)i. pereaksi - ∑ nj (Energi Ikatan)j, produk

↔ q = ∆H = (4 EI C-H+ 2 EI O=O) – (2 EI C=O + 2 x 2 EI O-H) ↔ q = ∆H = ( 4 x 415 + 2 x 495) – (2 x 724 + 4 x 463) = 250 kJ/mol

Reaksi yang dapat ditentukan panas yang dihasilkan atau dibutuhkan adalah1, Panas netralisasi

Panas netralisasi adalah panas yang dihasilkan bila 1 mol asam dinetralisasi dengan 1 mol basa2, Panas pelarutan

Ada dua jenis panas pelarutan; panas pelarutan integral (perubahan entalpi jika 1 mol zat dilarutkan dalam n mol pelarut) dan panas diferensial (perubahan entalpi jika 1 mol zat dilarutkan dalam tak terhingga pelarut atau encer tak terhingga)

3, Panas pembakaranPanas pembakaran adalah panas reaksi dimana 1 mol zat dibakar secara sempurna.

1. 10 Ketergantungan Panas Reaksi pada TemperaturDari pembahasan sebelumnya kita sudah mempelajari bagaimana menentukan perubahan entalpi reaksi(∆H) pada temperatur tertentu. Karena data entalpi pembentukan standar diberikan pada temperatur 298 K, maka perubahan entalpi yang diperoleh adalah pada keadaan standar (298 K). Reaksi tidak selalu dilakukan dalam keadaan standar. Sebagai contoh kita sudah dapat menghitung berapa panas yang dihasilkan jika 1 mol metana dibakar sempurna pada 298 K. Namun berapa panas yang dihasilkan jika 1 mol metana dibakar pada temperatur selain 298 K? Untuk itu kita harus melihat bagaimana ketergantungan perubahan entalpi pada temperatur.Dari definisi Cp = dH/dT↔ dH = Cp dT dapat dibuat hal yang sama untuk reaksi↔ d(∆H) = (∆Cp) dT, T2

∫ d(∆H) = (∆Cp) dT ↔ (∆H)2 - (∆H)1 = ∫ (∆Cp) dT T1

Perubahan kapasitas kalor zat dalam reaksi dibawah iniαA + βB → γC + δD, maka

∆Cp = (γ(Cp)C + δ (Cp)D ) - (αCp)A+ β (Cp)B)Jika Cp setiap zat yang terlibat dalam reaksi adalah suatu konstanta, maka T2

∫ d(∆H) = (∆Cp) dT ↔ (∆H)2 - (∆H)1 = (∆Cp) ∫ dT T1

↔ (∆H)2 = (∆H)1 + (∆Cp) (T2 - T1)

Latihan 1Tentukanlah perubahan entalpi reaksi pembakaran sempurna 2 mol metana pada 373 KJawab


CH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (g)Dengan menggunakan data entalpi pembentukan standar yang ada pada tabel, perubahan entalpi pada 298 K dapat dihitung;q = ∆H = (1 (∆Hf

Θ) CO2 + 2 (∆HfΘ)H2O ) - (1 (∆Hf

Θ)CH4+2 (∆HfΘ) O2)

↔ q = ∆H = [(-393,52 + 2 (-241,82)) – (-74,85 + 2,0)] kJ/mol = -802,31 kJ/mol↔ q = ∆H = -802,31 kJ/mol x 2 mol = -1604,62 kJ∆Cp = (γ(Cp)A + δ (Cp)D ) - (αCp)A+ β (Cp)B)↔ ∆Cp = (1(Cp) CO2 + 2 (Cp)H2O ) - (1Cp)CH4+2 (Cp) O2)Data Cp CO2 = 37,05 (J/mol.K)

H2O = 33,6 (J/mol.K)O2 = 29,34 (J/mol.K)CH4 = 35,73 (J/mol.K)

↔ ∆Cp = [37,05 + 2 x 33,6 – (2 x 29,34 +35,73)] (J/mol.K) = 9,84 (J/mol.K)(∆H)2 = (∆H)1 + (∆Cp) (T2 - T1)↔ (∆H)373 = (∆H)298 + (9,84 (J/mol.K)) (373- 298)(∆H)373 = -1604,62 kJ + 2 mol x 9,84 (J/mol.K) (75 K) = -1604,62 kJ + 1476 J(∆H)373 = -1604,62 kJ + 1,476 kJ = -1603,144 kJJadi perubahan entalpi pada 373 K pembakaran sempurna 2 mol metana = -1603,144 kJ

Latihan 2Tentukanlah perubahan entalpi reaksi pembakaran sempurna 2 mol metana pada 1000 K, jika diketahui pada temperatur tersebut Cp merupakan fungsi temperatur sesuai dengan data berikut iniCp CO2 = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2

H2O = 30,204 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2 O2 = 25,503 + 13,612 10-3T – 42,555 10-7T2 CH4 = 14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2

JawabCH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (g)Dengan menggunakan data entalpi pembentukan standar yang ada pada tabel, perubahan entalpi pada 298 K dapat dihitung;q = ∆H = (1 (∆Hf

Θ) CO2 + 2 (∆HfΘ)H2O ) - (1 (∆Hf

Θ)CH4+2 (∆HfΘ) O2)

↔ q = ∆H = [(-393,52 + 2 (-241,82)) – (-74,85 + 2,0)] kJ/mol = -802,31 kJ/mol↔ q = ∆H = -802,31 kJ/mol x 2 mol = -1604,62 kJ∆Cp = (γ(Cp)A + δ (Cp)D ) - (αCp)A+ β (Cp)B)↔ ∆Cp = (1(Cp) CO2 + 2 (Cp)H2O ) - (1Cp)CH4+2 (Cp) O2)↔ ∆Cp = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2 + 2 (302,04 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2) – (14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 + 2 (25,503 + 13,612 10-3T – 42,555 10-7T2)) = 21,936 – 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2

T2

∫ d(∆H) = (∆Cp) dT ↔ (∆H)2 = (∆H)1 + ∫ (∆Cp) dT T1

T2

↔ (∆H)2 = (∆H)1 + ∫ (∆Cp) dT T1

T2

↔ (∆H)2 = (∆H)1 + ∫ (21,936 – 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2) dT T1

↔ (∆H)2 = (∆H)1 + 2 mol{21,936 (1000-298) – 40,596 10-3/2 (10002-2982) + 144,892/3 10-7

(10003- 2983)} J/mol


↔ (∆H)2 = -1604,62 kJ + 2 mol {21,936 (1000-298) – 40,596 10-3/2 (10002-2982) + 144,892 10-7 (10003- 2983)} 10-3 kJ/mol↔ (∆H)2 = -1601,42 kJ

2. 11 Hukum Kedua Termodinamika dan EntropiSalah satu cara untuk melihat definisi hukum kedua termodinamika adalah dengan menggunakan entropi. Entropi sendiri memiliki definisi sebagai derajat ketidakteraturan sistem. Menurut hukum kedua termodinamikadS = dqrev/T ≥ 0, dengan dS = dSs + dSl

Proses akan berlangsung spontan atau irreversibel bila dS > 0, setimbang/reversibel bila dS = 0,

∫dS = ∫dSs + ∫dSl

∆Salam semesta = ∆Ss + ∆Sl ≥ 0↔ ∆Ss ≥ -∆Sl

Proses masih dapat berlangsung spontan atau reversibel meskipun ∆Ss < 0, dengan syarat ∆Ss ≥ -∆Sl

Entropi hanya bisa dihitung jika proses reversibel, jika proses tidak reversibel maka dicari proses reversibel pada setiap keadaan antara dari proses keseluruhan. dS = dqrev/T 2↔ ∫ dS = ∫dqrev/T . Bila T konstan pada T reversibel maka persamaan ini akan menjadi 1S2-S1 = ∆S = q/TBila proses berlangsung isothermal pada T reversibel dan tekanan juga konstan, persaman akan menjadi; 2 2 2 T2

↔ ∫ dS = ∫dqrev/T = ∫dH/T = ∫Cp dT/T 1 1 1 T1

∆S = q/T = ∆H/TUntuk proses yang berupa reaksi kimia dan berlangsung pada 298 K dan 1 atm (keadaan standar), entropi reaksi berikut ini dapat ditentukan.αA + βB → γC + δD, mka∆S = ∑ (∆Sf

Θ)produk - ∑ (∆SfΘ)pereaksi

↔ ∆S = (γ (∆SfΘ)C + δ (∆Sf

Θ)D ) - (α (∆SfΘ)A+ β (∆Sf

Θ)B)

Latihan Berapakah perubahan entalpi dan entropi bila 1 mol air mengembun (berubah dari fasa gas menjadi fasa cair) pada 298K dan apakah reaksi berlangsung spontan?Jawab


H2Og → H2Ol

Dari tabel data diketahui ∆Hf

Θ (kJ/mol) ∆SfΘ (J/mol.K)

H2Og -237 188,72H2Ol -286 70

∆Ss = S2 – S1 = 70 – 188,72 = -118,72 j/mol.K∆Hs = H2 – H1 = -286 – (-237) = -49 kj/molDiasumsikan panas yang dikeluarkan sistem (karena <0) sama dengan panas yang diterima Atau ∆Hl = -∆Hs atau ∆Hl = 49 kJ/mol, sehingga ∆Sl = ∆Hl /T = 49 kJ/mol/298K = 49000 J/mol/298K = 164,3 J/mol.K↔ ∆Salam semesta = ∆Ss + ∆Sl = -118,72 j/mol.K + 164,3 J/mol.K = 45,71 J/ml.K > 0Dari harga ∆Salam semesta ini terlihat bahwa proses berlangsung spontan meskipun ∆Ss < 0,

1. 12 Ketergantungan Entropi pada TemperaturJika proses berlangsung pada volume konstan, isotermal dan reversibel maka q = ∆U = CvdT2 2 T2

∫ dS = ∫dqrev/T = ∫Cv/T dT 1 1 T1

∆S = Cv ln (T2/T1)Bila sistem mengalami perubahan/proses secara isothermal dan reversibel pada tekanan konstan, 2 2 2 T2

↔ ∫ dS = ∫dqrev/T = ∫dH/T = ∫Cp/T dT 1 1 1 T1

∆S = Cp ln (T2/T1)Bila Cv dan Cp diberikan dalam bentuk suatu fungsi temperatur, dan umumnya adalah polinom orde 2, seperti; Cp = a + bT +cT2 , persamaan diatas menjadi T2 T2

∆S = ∫ (a + bT +cT2)/T dT = ∫(a/T + b +cT) dT T1 T1

↔ S2 – S1 = ∆S = a ln (T2/T1) + b ((T2-T1) + ½ c (T22-T1

2)

Untuk suatu reaksi, ∆S dapat dihitung dari harga entropi pembentukan standar senyawa, dan perubahan entropi reaksi yang diperoleh adalah perubahan entropi dalam keadaan standar. Untuk dapat menghitung perubahan entropi suatu reaksi pada sembarang temperatur, αA + βB → γC + δDd(∆S) = d (∆H)/T = ∆Cp/T dT 1 1 T2

↔ ∫d(∆S) = ∫d(∆H)/T = ∫∆Cp/T dT 2 2 T1

Bila Cp adalah suatu konstanta, maka↔ ∆S2-∆S1 = ∆Cp ln(T2/T1), dengan ∆Cp = (γ(Cp)C + δ (Cp)D ) - (αCp)A+ β (Cp)B) Latihan 1Tentukanlah perubahan entropi pembakaran gas metana pada 100oC jika diketahui kapasitas kalor pada 298 K 35,73 J/mol.K dan jika Cp merupakan fungsi T, Cp = 14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 JawabBila Cp adalah suatu konstanta maka ∆S = Cp ln (T2/T1) = 35,73 ln (373/298)


Bila Cp = f(T)∆S = a ln (T2/T1) + b ((T2-T1) + ½ c (T2

2-T12)

= 14,146 ln (373/298) + 75,496 10-3 (373-298) -179,91 10-7/2 (3732 – 2982) = 7,99 j/mol.K

Latihan 2Tentukanlah perubahan entropi reaksi pembakaran sempurna 2 mol metana pada 1000 K, jika diketahui pada temperatur tersebut Cp merupakan fungsi temperatur sesuai dengan data berikut iniCp CO2 = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2 H2O = 30,204 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2 O2 = 25,503 + 13,612 10-3T – 42,555 10-7T2 CH4 = 14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 JawabCH4 + 2 O2 → CO2 + 2 H2O (g)Dengan menggunakan data entropi pembentukan standar yang ada pada tabel, perubahan entalpi pada 298 K dapat dihitung;∆Sf

Θ CO2 = 213,69 (J/mol.K)H2O = 188,72 (J/mol.K)O2 = 205,04 (J/mol.K)CH4 = 186,3(J/mol.K)

∆S = (1 (∆SfΘ) CO2 + 2 (∆Sf

Θ)H2O ) - (1 (∆SfΘ)CH4+2 (∆Sf

Θ) O2)↔ = [(213,69 + 2 (188,72)) – (186,3 + 2 (205,04))] kJ/mol = -5,97 J/mol.K↔ = -5,25 J/mol x 2 mol = -11,94 J/mol.K∆Cp = (γ(Cp)C + δ (Cp)D ) - (αCp)A+ β (Cp)B)↔ ∆Cp = (1(Cp) CO2 + 2 (Cp)H2O ) - (1Cp)CH4+2 (Cp) O2)↔ ∆Cp = 26,68 + 42,258 10-3T -142,465 10-7T2 + 2 (30,204 + 9,933 10-3T + 11,171 10-7T2) – (14,146 + 75,496 10-3T -179,91 10-7T2 + 2 (25,503 + 13,612 10-3T – 42,555 10-7T2)) = 21,936 – 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2

T2

∫ d(∆S) = (∆Cp)/T dT ↔ (∆S)2 = (∆S)1 + ∫ (∆Cp)/T dT T1

T2

↔ (∆S)2 = (∆S)1 + ∫ (21,936 – 40,596 10-3T + 144,892 10-7T2 )/T dT T 1

T2

↔ (∆S)2 = (∆S)1 + ∫ (21,936/T – 40,596 10-3 + 144,892 10-7T) dT T1

↔ (∆S)2 = (∆S)1 + {21,936 ln(1000/298) – 40,596 10-3 (1000-298) + 144,892 10-7/2 (10002- 2982)} J/mol↔ (∆S)2 = -10,5 J + 2 mol x{21,936 (ln (1000/298) – 40,596 10-3/2 (1000-298) + 144,892/2 10-7

(10002- 2982)} J/mol↔ (∆S)2 = 116,37 j/mol.K

1. 13 Hukum Ketiga TermodinamikaSama halnya dengan hukum kedua termodinamika, hukum ketiga termodinamika didefinisikan sebagaiHarga entropi zat padat murni atau zat cair murni mendekati nol pada 0K (Planck)Atau jika entropi unsur dalam beberapa keadaan kristal dianggap nol pada temperatur


absolut (0K), setiap zat memiliki harga entropi positif tertentu pada temperatur di atas temperatur absolut, tapi pada temperatur absolut entropi dapat menjadi nol demikian pula pada zat dalam keadaan kristal sempurna (Lewis dan Randall).

1. 14 Rangkuman

Di dalam energetika kimia dipelajari hukum pertama, kedua dan ketiga termodinamika. Hukum pertama menyatakan bahwa bila suatu sistem mengalami perubahan/proses di dalam sisten akan terjadi perubahan energi dalam (U) sebesar q-w atau ∆U = q-w, dengan q adalah kalor dan w adalah kerja yang dipertukarkan antara sistem dan lingkungan.Kapasitas kalor zat didefinisikan sebagai C = dq/dT, pada V konstan Cv = dU/dT dan pada P konstan Cp = dH/dT. Pernyataan Cp atau Cv suatu zat dapat berupa suatu konstanta maupun suatu fungsi temperatur, C = f(T)Perubahan yang terjadi pada sistem gas dapat berupa ekspansi/kompresi isotermal reversibel, isothermal isobar, perubahan fase isotermal dan reversibel, adiabatik reversibel dan adiabatik isobar

Proses q w ∆U ∆Hisotermal reversibel nRT ln(V2/V1) nRT ln(V2/V1) 0 0,isotermal isobar P (V2-V1) P (V2-V1) 0 0perubahan fase isotermal dan reversibel

= ∆H P (V2-V1) = q-w =q

adiabatis reversibel 0 ∆U ∫Cv dT ∫Cp dTadiabatis isobar 0 P (V2-V1) ∫Cv dT ∫Cp dT

Perubahan entalpi reaksi dapat dihitung menggunakan 1. data entalpi pembentukan standar2. data kapasitas kalor setiap zat yang terlibat3. data harga energi ikatan rata rata4. hukum Hess

Harga perubahan entalpi merupakan suatu fungsi temperatur, d(∆H) = (∆Cp) dTHukum kedua termodinamika menyatakan bahwa perubahan berlangsung spontan bila perubahan entropi (derajat ketidakteraturan sistem) alam semesta > 0 dan perubahan berlangsung reversibel bila perubahan entropi alam semesta = 0, Meskipun perubahan entropi sistem kecil dari nol, tapi proses dapat tetap berlangsung spontan bila sistem memberikan panas kepada lingkungan. Perubahan entropi reaksi bisa dihitung menggunakan1. data entropi pembentukan standar2. data kapasitas kalor setiap zat yang terlibatPerubahan entropi merupakan fungsi temperatur dengan d(∆S) = (∆Cp)/T dT.Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa entropi setiap zat pada temperatur absolut (0K) adalah nol

1. 15 Soal Latihan1. Hitunglah kapasitas panas (Cp) rata rata propan pada 25 dan 200oC, jika diketahui nilai Cp propana =10,08 J/mol.K+239,3 10-3T – 733,58 10-7T2

2. Dengan menggunakan data Cp pada tabel, tentukanlah panas pembakara sempurna propan pada 500K.


3. Gunakan harga Cp propana pada soal 1, Gas 32,5 gr propane dalam wadah 10 L dipanaskan dari 25 sampai 200oC pada tekanan 1 atm. Hitunglah volume akhir, q, w, ∆U dan ∆H.4. Ulangi soal no 3, volume konstan5. Satu mol gas ideal pada 300 K dan 1 atm dikompresi secara isothermal sehingga

tekanan menjadi 2 kali semula lalu gas dipanaskan pada volume konstan hingga tekanan menjadi P3 kemudian diekspansi secara reversibel dan adiabatis hingga kembali ke keadaan semula.Tentukanlah q, w, ∆H dan ∆U tiap proses dan total proses. Diketahui Cp gas = 29,239 J/mol.K

6, Hitunglah banyak gas metana yang dibutuhkan untuk membuat 1000 gr uap air yang memiliki temperatur 200oC

1. 16 Referensi1. Humilton, Brady,1982, General Chemistry, Principles and Structure, Willey

International Edition2. Tupamahu, MS dan Achmad, Hiskia ,1992, Stoikiometri dan Energetika Kimia, PT

Citra Adyria Bakti 3. Dogra, S K dan Dogra, S, 1990, Kimia Fisik dan Soal-Soal, Jakarta, UI4. Daubert, E., Thomas, 1985, Chemical Engineering Thermodynamics, McGraw-Hill

Book Company


Bab I Energetika

Documents

Transcript of Bab I Energetika