FENOMENA TERMODINAMIKA DALAM ELEKTROLISIS AIR

Oleh: Made Dirgantara (G751140021)

Elektrolisis air pertamakali muncul pada saaat revolusi industry sekitar tahun 1800, dimana

Nicholson dan Carlisle menemukan bahwa electrolytical dapat mendekomposisi air. Secara

terminologi, elektrolisis merupakan proses pemecahan (lisis) senyawa dengan bantuan energi

listrik (Gambar 1). Proses elektrolisis memegang banyak peranan penting dalam industri, salah

satunya dalam produksi hidrogen murni yang berguna dalam industri makanan dan obatobatan.

Hidrogen murni terutama digunakan pada proses metalurgi khusus dalam jumlah kecil (W, Mo,

Ge) dan untuk mentransformasi minyak menjadi lemak yang dapat dimakan. Hidrogen dapat

diperoleh secara ekonomis melalui elektrolisis air dalam elektrolit asam maupun basa.[1][2]

Sementara itu, pada elektrolisis air juga dihasilkan oksigen sebagai produk samping. Konsumsi

oksigen dunia hanya sekitar 1/10 dari jumlah oksigen yang merupakan produk samping

elektrolisis sehingga oksigen elektrolitik dianggap terlalu mahal bila dibandingkan dengan

oksigen yang dihasilkan dari distilasi udara cair. Jika oksigen elektrolitik tidak digunakan di

tempat, maka oksigen sering dibuang begitu saja. Namun, karena tingkat kemurniannya yang

tinggi (99,6 %), kadang-kadang oksigen elektrolitik dimampatkan dan diangkut untuk

penggunaan khusus.[2]

Gambar 1 Skema Elektrolisis Air (sumber: nebb.com)

Skema pada Gambar 1 menunjukan elektrolisis dari air, dimana sumber listrik berupa baterai

dapat mengubah air (H2O) menjadi molekul diatomic yakni hidrogen (H2) dan oksigen (O2).

Proses ini merepresentasikan atau merupakan contoh aplikasi dari potensial termodinamika.

Potensial termodinamika merupakan empat kuantitas yang sangat berguna dalam reaksi kimia

termodinamika dan proses non-ciklik. Ada empat kuantutas termodinamika yakni energi dalam,

entalpi, energi bebas Helmholtz dan energi bebas gibbs. Empat potensial termodinamika ini

terkait dengan energi dari lingkungan yang direpresentasikan oleh TS dan ekspansi kerja yang

direpresentasikan oleh PV. Hubungan ke empat potensial termodinamika ditunjukan oleh

Gambar 2. Sementara potensial termodinamika pada proses elektrolisis air ditunjukan pada

Gambar 3.[3]

Gambar 2 Hubungan empat potensial termodinamika[3]

Gambar 3 Potensial termodinamik pada elektrolisis air[3]

Elektrolisis satu mole air dapat memproduksi satu mole hidrogen dan setengah mol oksigen,

dimana normalnya hidrogen dan oksigen membentuk gas diatomic. Analisa detail proses ini

dapat kita gunakan potensial termodinamika danhukum pertama termodinamika. Pada prosen

ini diasumsikan bekerja pada suhu 298K dan tekanan 1 atm. Nilai- nilai kuantitas potensial

termodinamika didapat dari table termodinamika (Tabel 1). [3][4]

Tabel 1 kuantitas entalpi dan entropi air, hidrogen dan oksigen

Kuantitas H2O H2 0.5 O2 Perubahan

Entalpi -285.83 kJ 0 0 ΔH = 285.83 kJ

Entropi 69.91 J/K 130.68 J/K 0.5 x 205.14 J/K TΔS= 48.7 kJ

Pada prosen ini energi yang harus disiaplan adalah energi untuk mendiasasosiasi ditambah

energi untuk meningkatkan produksi gas. Kedua energi tersebut di representasikan oleh

perubahan entalpi seperti pada table diatas. Pada temperature 298K dan tekanan 1 atm kerja

sistem adalah

= (101.3 x 103 Pa)(1.5 moles)(22.4 x 10-3 m3/mol) (298K/273K)= 3715 J

Persamaan untuk Entalpi H= U + PV, perubahan energi internal U dapat kita hitung

= 285.83 kJ – 3.72 kJ=282.1 kJ

Perubahan energi internal harus disertai peningkatan produksi gas, sementara perubahan

entalpi merepresentasikan energi untuk elektrolisis. Namun, dalam proses pembentukan gas

dari air, tidak semua energi yg dibutuhkan berasal dari energi listrik. Kenaikan entropi (T )

dalam proses disosiasi didapat dari lingkungan pada suhu T. Energi yang diambil dari baterai

sebenarnya digunakan untuk perubahan energi bebas Gibbs.

= 285.83 kJ -48.7 kJ = 237.1 kJ

Karena hasil dari proses elektrolisis disertai dengan peningkatkan entropi, artinya alam

berkontribusi pada proses ini sebesar T . Perubahan energi bebas Gibbs meberitahu kita

berapa energi yang diperlukan dalam proses elektrolisis air ini.

Dari uraian diatas jelas bahwa pada proses elektrolisis air, kuantitas termodinamika sangat

penting untuk dipertimbangkan. Energi dalam U merupakan energi yang dubutuhkan untuk

membuat sebuah sistem dengan tidak terjadi perubahan suhu atau volume. Tetapi seperti yang

dibahas diatas, Dallam kita mendefinisikan entalpi harus ada tambahan PV dimana nilai untuk

membuat suatu ruang untuk sistem. Dalam energi bebas Helmholtz, lingkungan pada suhu T

memberikan kontribusi energi sebesar TS untuk mengurangi keseluruhan energi yang

diperlukan untuk membuat sistem. Energi total yang diperlukan untuk membuat sistem adalah

energi bebas Gibbs.[3-5]

Seperti yang dijelaskan sebelumnya, pemanfaatan utama dari system ini adalah produksi

hidrogen. Hidrogen bukanlah sumber energi (energy source) melainkan pembawa energi

(energy carrier), artinya hidrogen tidak tersedia bebas di alam atau dapat ditambang layaknya

sumber energi fosil. Hidrogen harus diproduksi. Produksi hidrogen dari H2O merupakan cara

utama untuk mendapatkan hidrogen dalam skala besar, tingkat kemurnian yang tinggi dan

tidak melepaskan CO2. Kendala utama metode elektrolisis H2O konvensional saat ini adalah

efisiensi total yang rendah (~30%), umur operasional electrolyzer yang pendek dan jenis

material yang ada di pasaran masih sangat mahal. Kendala-kendala tersebut membuat hidrogen

belum cukup ekonomis untuk dapat bersaing dengan bahan bakar konvesional saat ini. Oleh

karena itu penting untuk kita mengetahui prinsip-prinsip yang terdapat dalam proses elektrolisis

salah satunya yang dijelaskan diatas yankni prinsip-prinsip termodinamika.[6-8]

Daftar Pustaka

1. Zoulias, E. dkk. A review on water electrolysis. Center for Rewnable Energy (CRES), Pikermi,

Yunani.

2. Dharmawan, R. S. dkk. 2014. Elektrolisis Air. Program Studi Teknik Kimia, Fakultas

Teknologi Industri, Institut Teknologi Bandung.

3. R. Nave. 2014. Electrolysis of Water. Terhubung berkala. Dapat diakses pada http://

hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.

4. Haynie, D.T. 2008. Biological Thermodynamics secon edition. New York: Cambridge

University Press

5. Malijevsky, M, dkk. 2005. Physical Chemistry in Brief. Prague: Institut of Chemical

Technology

6. Sebastian, O., Sitorus, T. B. 2013. Analisa efesiensi elektrolisis air dari hydrofill pada sel

bahan bakar. Jurnal Dinamis, Vol.II, No 12.

7. Putra, A. M. 2010. Analisa produktivitas gas hidrogen dan gas oksigen pada elektrolisis

larutan KOH. Jurnal Neutrino, Vol. 2, No. 2.

8. Muliawati, N. 2008. Hidrogen sebagai sel bahan bakar: sumber energi masa depan. Jurusan

Teknik Kimia, Fakultas Teknik, Universitas Lampung.