Hand Out KF Defisiensi
description
Transcript of Hand Out KF Defisiensi
1
KIMIA FISIKA
Termodinamika
Kimia Fisika
Kinetika Kimia
Hukum Termodinamika Kimia: 0, 1, 2, 3.
Sistem (termodinamika): bagian dari alam semesta
yang menjadi pusat perhatian.
Keliling (surroundings): bagian dari alam semesta
diluar sistem.
Sistem terbuka: materi dan atau energi dapat keluar
atau masuk sistem.
Sistem tertutup: materi tidak dapat keluar atau
masuk sistem, energi dapat keluar atau masuk
sistem.
Sistem terisolasi: batas sistem mencegah semua
interaksi dengan lingkungan (keliling)-nya. Tidak
ada materi dan energi keluar atau masuk sistem.
Besaran termodinamika:
2
- Ekstensif, dipengaruhi oleh ukuran.
- Intensif, tidak dipengaruhi oleh ukuran.
Persamaan Keadaan Gas Sempurna
Fasa zat yang ada dalam sistem: - Gas
- Cair
- Padat
Variabel keadaan gas: massa, volume, temperatur dan
tekanan.
Robert Boyle :
Gay. Lussac:
T = 25 0C
Massa tetap
=0
p
V
V = C/p
pV = C
3
V = a + bt
V = V0 + bt
b = slope = (V
t
)p
V = V0 + (V
t
)p t
Charles: kenaikan relatif volum persatuan temperatur
sama untuk semua gas.
Perubahan volume/temperatur: (V
t
)p
Kenaikan volum relatif/temperatur: 0
1
V.(
V
t
)p
Koef. Ekspansi termal: 0 = 0
1
V.(
V
t
)p
V = V0 (1 + 0 t) = V0 0 (0
1+t
α)
T = (0
1+t
α )
V0
Tekanan dan massa tetap
V
t/0C 0
4
V = 0 V0 T
Boyle:
CV=
p 0
0
CV =
p
C0 = konstanta pada t = 0
C0 = f (massa) C0 = B w
B = konstanta
w = massa
0 0C α T
V=p
0Bα wTV=
p
M = massa pada keadaan standar (T0, V0, p0)
0 0
0 0
p V1M = .
Bα T
0 0
0
p VR=
T R = 8,314 Pa m2 K
-1mol
-1
=
8,314 J K
-1mol
-1
= 1,987 kal K-1
mol-1
= 8,206 x 10-2
dm3 atm K
-1mol
-1
0
RB=
Mα w RT
V=M p
pV = n R T
5
Persamaan gas sempurna untuk campuran gas?
Hukum Dalton: p = pA + pB +..... = pi
ii
n RTp =
V
p = pi = in RT
V = nRT
V
Tekanan parsial masing-masing komponen:
xi = ni/n = (piV/RT)/(pV/RT)
pi = xi p
6
Contoh soal:
Udara kering yang mempunyai komposisi 80 %
(mol/mol) N2 dan 20 % (mol/mol) O2 dialirkan
melalui air pada temperatur 25 oC. Tentukan tekanan
parsial masing-masing komponen, jika tekanan total
tetap 1 atm, dan tentukan berat masing-masing
komponen dalam volume 10 liter.
Tekanan uap air sebagai fungsi temperatur:
Temperatur/oC Tekanan/tor
5 6,5
10 9,2
15 12,8
20 17,5
25 23,8
30 31,8
35 42,2
8
Persamaan Keadaan Gas Nyata
Gas Ideal: V RT
=n p
RT
V=p
dari rumus ini, jika p = ∞, atau T = 0, maka V = 0
Fakta: gas bisa dicairkan gas punya volume (V0 0)
RTV=b+
p
RTp=
V-b
koreksi lainnya: gaya antar molekul ≈ 2 2
1 a
V V
persamaan gas Van der Waals:
2
RT ap = -
V-b V
2
ap+ V-b =RT
V
10
Definisi: faktor kompresi ≡
pd p =0 ; T
Z=?
p
Pada temp. Boyle; B
ab- =0
RT gas bersifat ideal
Gas ideal : Z = 1
Pd p 0 semua gas : Z =1
Pd p
: Z 1 (semua) tolak menolak dominan
Pd p : Z 1 (beberapa) gaya tarik menarik dominan
pVZ=
RT T
Z=?
p
12
Titik kritis gas van der Waals:
2
RT ap = -
V-b V
0)(23
p
abV
p
aV
p
RTbV
persamaan pangkat 3 ada 3 harga V
pada kondisi kritis c1 2 3V =V =V =V
3
2 31 cV-V V-V V-V = V-V =0
13
0VVV3VV3V3
c
2
c
2
c
3
c
RT3V = b +
p 2
c
a3V =
P 3
c
abV =
P
2
c
ap = b
27 c
8aT =
27Rb cV =3b
cara lain: berdasarkan konsep titik belok
T
p= 0
V
2
2
T
p=0
V
persamaan keadaan tereduksi
2cca = 3p V
cVb=
3 cc
c
8p VR=
3T
2c cc c
2c
c 3
8p V T 3p Vp = -
3T V-V V
c
2
c
c c
T8Tp 3
= -p V V3 -1
V V
variabel tereduksi: c
pπ =
p c
Tτ = T
c
V = V
14
2
8τ 3π = -
3Φ-1 Φ the law of corresponding state
(Persamaan Keadaan bersesuaian)
Soal :
1. Jika 1 mol gas etana dimasukkan ke dalam wadah
dengan volume 22,414 L pada temperatur 273,15 K.
Tentukan tekanan gas :
a. Menggunakan persamaan gas sempurna
b. Menggunakan persamaan gas van der Waals
c. Hitung soal a dan b, bila temperatur 1000 K
Diketahui: Tetapan van der Waals untuk etana
a = 5,489 L2.atm.mol
-2
b = 6,380.10-2
L.mol-1
Soal:
2. Dengan menggunakan persamaan keadaan gas van
der Waals
a. Tentukan Temperatur Boyle untuk Cl2
15
b. Tentukan jari-jari molekul Cl2 jika dianggap
berbentuk bola
Diketahui: Tetapan van der Waals untuk Cl2
a = 6,493 L2.atm.mol
-2
b = 5,622.10-2
L.mol-1
16
Keseimbangan Termal
Hukum termodinamika ke nol: konsep temperatur
1. Sistem yang ada dalam keseimbangan termal
mempunyai temperatur yang sama.
2. Sistem yang tidak dalam keseimbangan termal
temperaturnya berbeda
Konduktor panas
A B B C A C
Seimbang Seimbang Seimbang
Benda B dapat digunakan untuk menentukakn apakah
temperatur A dan C sama.
Temperatur:
Jika digunakan panjang batang logam sebagai ukuran:
Temperatur berbanding langsung dengan panjang
metal.
y berbanding langsung dengan x, secara matematis
dapat ditulis :
17
y x
y = a x + b
Jika temperatur = t
Panjang logam pada temperatur t = L
Panjang logam pada temperatur t0 = L0
Panjang logam pada temperatur t100 = L100
Perubahan panjang logam antara temperatur t0 = 0
sampai t100 = 100 adalah linier maka berlaku :
t= 100 (L - L0)/(L100-L0) + t0
(L – L0)/(t – t0) = (L100 – L0)/100
L/t = (L100 – L0)/100
dL/dt = (L100 – L0)/100
Jika digunakan sembarang bahan yang mempunyai
perubahan sifat, y, yang linier terhadap perubahan
temperatur, t, maka :
dy/dt = (y100 – y0)/100
Jika diintegralkan akan menghasilkan:
y = (y100 – y0) t/100 + C
jika pada t0 = 0, y = y0 maka berlaku:
y = (y100 – y0) t/100 + y0
18
t = 100 (y – y0)/(y100 – y0)
jika temperatur pembanding adalah t1 dan t2 berturut-
turut untuk sifat y1 dan y2 maka berlaku:
t = (t2 – t1) (y – y1)/(y2 – y1) + t1
Jika digunakan volume gas sebagai alat ukur (t0 = 0):
t = 100 (V – V0)/(V100 – V0) + t0
t = 100 V/(V100 – V0) + 100 V0/(V100 – V0)
Nilai V0/(V100 – V0) untuk berbagai gas selalu sama,
menghasilkan konstanta dengan nilai 273,13 sampai
273,17 maka diputuskan t0 = 273,15 sebagai skala
temperatur termodinamika.
Skala temperatur termodinamika (absolut).
0
100 0
V-Vt= 100
V -V
CAV
VV
1
0
0100
0
100 0
p-pt= 100
p -p
19
0 100 0
lim 100pT =
p 0 p -p
00
0 100 0
lim 100pT =
p 0 p -p
T0 = 273,13 s/d 273,17 T0 = 273,15 K
Soal:
Untuk mengalirkan arus listrik 1 mA pada 0 oC
melalui kawat sepanjang 20 cm diperlukan beda
potensial antara dua ujung kawat tersebut sebesar 100
mV. Pada temperatur 80 oC arus yang sama dapat
dialirkan dengan menggunakan beda potensial 120
mV. Bila dalam suatu ruangan untuk mengalirkan arus
yang sama memerlukan beda potensial 112 mV,
berapa temperatur ruangan tersebut dalam satuan
Kelvin?
Hukum Termodinamika Pertama
- Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnakan
- Jumlah total energi alam semesta konstan
20
- Energi dalam (internal energy) sistem terisolasi
tetap
Proses yang mungkin terjadi dalam sistem (terbuka).
- Tidak ada materi atau energi Uf = Ui U = 0
masuk atau keluar sistem
- Jumlah materi dan energi
yang masuk sama dengan Uf = Ui U = 0
jumlah materi dan energi
yang keluar sitem
- Jumlah materi dan energi
yang masuk lebih banyak Uf Ui U = +
dibanding jumlah materi
dan energi yang keluar sistem
- Jumlah materi dan energi
yang masuk lebih sedikit Uf Ui U = -
dibandingkan jumlah materi
dan energi yang keluar sistem
waktu
U = 0 U Energi
Materi
Energi
Energi Internal tetap
Materi
Energi
21
- Energi dalam suatu sistem hanya tergantung pada
keadaannya (tidak ditentukan oleh jalannya proses).
Buktikan UAB jalan 1 = UAB jalan 2 = UAB jalan 3
U
UB
UA
UD
A
C
B
D
22
Work: Kerja atau Usaha, W
Kerja hanya nampak pada batas sistem selama
terjadinya proses (perubahan keadaan), dan dapat
dilihat dari efeknya terhadap lingkungan.
Percobaan Joule:
Kerja yang dirusak di lingkungan menghasilkan
kenaikan temperatur sistem. Kerja di lingkungan
diubah menjadi energi termal sistem.
sistemW = -mgh
Lingkungan m
↑
h
↓
- - - - - - - - - -
- - - - - -- - - -
- - - -- - - - - -
- - -sistem -
- - - - - -- - - -
- - -
↑ h = +
m Wsistem = – Wlingkungan = +
23
Sistem kehilangan kerja
Kerja dihasilkan di lingkungan
Kerja mengalir ke lingkungan
Sistem menerima kerja
Kerja dirusak di lingkungan
Kerja mengalir dari lingkungan.
Kerja Ekspansi
mghW
PA
mg ΔVAh
PAhW
)( 12 VVP
VPW
∆V = + W = -
↑
h
↓
T, p1,V1
m T, p2,V2
m P
2
2
P
↓ h = -
m Wsistem = + Wlingkungan = –
24
∆V = - W = +
Kerja 2 langkah:
P1<p1 ; P1 = p2 ; P2<p2 ; P2 = p3
W = W1 + W2 = - P1 ∆V1 - P2 ∆V2
W = - P1 (V2 – V1) - P2 (V3 – V2)
Kerja Ekspansi Multi Langkah (reversible)
∂W = - p dV
→ V V2 V1
P
P
↑
P1
V1 → V V3 V2
P2
p
↑
W1 W2
T, p3, V3
m
∆ V2 ∆ V1
T, p1,V1
m1 T, p2, V2
m2
P1
P2
P2
Proses 2 Proses 1
25
2
1
V
V
2
1
pdVWW
Kerja Kompresi
1 2 1 2 3 2W=-P (V -V )-P (V -V )
Kerja Ekspansi Maksimum
Kerja Kompresi Minimum
Soal:
→ V V2 V1
P
↑
P1
V1 V3 V2
P2
P = ?
26
1. Berapa Joule kerja yang terlibat apabila 0,01 mol
gas ideal dengan volume 300 mL pada temperatur
27 oC dikompresikan secara isotermal reversibel
sampai volumenya menjadi 150 mL? Apakah
transfer energi yang terjadi dari sistem ke
lingkungan atau sebaliknya.
2. Berapa Joule kerja yang terlibat apabila 0,1 mol
gas Cl2 yang mengikuti persamaan gas van der
Waals dengan volume 300 mL pada temperatur
27 oC diekspansikan secara isotermal reversibel
sampai volumenya menjadi 600 mL? Jelaskan
transfer energi yang terjadi.
Kerja siklus:
eks 2 2 1W = - P (V -V )
komp 1 1 2W = - P (V -V )
sik eks komp 2 2 1 1 1 2W =W +W =-P (V -V )-P (V -V )
P = p2
kompresi
ekspansi T
p2
V2
T
p1
V1 P = p1
p1 > p2
V1 < V2
27
sik 2 1 2 1W =-(P -P )(V -V )
Jika Peks = p dan Pkomp = p maka Wsik = 0
Sistem dan lingkungan kembali ke keadaan awal.
WWsik QQsik
Hukum Termodinamika pertama:
Jika sistem melakukan transformasi siklus maka kerja yang
dihasilkan di lingkungan sama dengan panas yang diserap dari
lingkungan.
QW
0WQ
Energi internal: dU = ∂Q + ∂W
0dU
f f f
i i i
dU= Q+ W
∆U = Q + W
28
Q berbanding langsung dengan perubahan temperatur
air di lingkungan
Temperatur air (lingkungan) ↓ berarti panas mengalir
dari lingkungan.
Temperatur air (lingkungan) ↑ berarti panas mengalir
ke lingkungan.
Perubahan Energi dan Perubahan Sifat Sistem
Variabel sistem: n, p, V, T
V T
U UU=U(T,V) dU= dT + dV
T V
dU = Q + W
W= - PdV
V T
U UQ - PdV= dT + dV
T V
Jika Volume konstan: dV = 0
V
V
UQ = dT
T
VV
V
Q U= = C
dT T
29
V
V
dU = Q
ΔU = Q
2
1
V
T
V
T
dU= C dT
ΔU= C dT
Q = + berarti energi mengalir dari lingkungan
Percobaan Joule: Ekspansi bebas
∂W = 0 dU = ∂Q
Temperatur tetap: dT = 0
T
UdU= Q= dV=0
V
T
UdV 0 = 0
V
Hanya berlaku untuk gas ideal !!
-------------------------------------
----------------------- T----------
-------------------------------------
---m--------------------------------
---------------------
A B vaku
m
30
Padat dan cair:
2
1
V
V T
UΔU= dV 0
V
Untuk pendekatan: U = U (T)
Persamaan umum: V
T
UdU=C dT+ dV
V
Perubahan keadaan pada tekanan konstan: P
dU = ∂Q – P dV
2 2
1 1
U V2
U 1 V
dU= Q- PdV
U2 – U1 = QP – P (V2 – V1)
QP = (U2 + P V2) – (U1 + P V1)
U = fungsi keadaan
PV = fungsi keadaan U + PV = fungsi keadaan: H ≡ U + PV
QP = H2 – H1
QP = ∆H ∆U = ?
Quap = ∆Huap
Qfus = ∆Hfus
31
H = H (T, p) P T
H HdH= dT+ dp
T p
p: tetap → dp = 0 P
P
HdH = dQ = dT
T
PP
P
dQ H = = C
dT T
2
1
P
T
P
T
dH = C dT
ΔH = C dT
P
T
HdH = C dT + dp
p
Hubungan CP dan CV
V
T
V
T
UdU = C dT + dV
V
UQ = C dT + dV + PdV
V
Untuk tekanan tetap: P = p
32
p v
T
UQ = C dT+ p+ dV
V:dT
P V
T p
U VC = C + p +
V T
P V
T p
U VC - C = p +
V T
gas ideal: 0
V
U
T
P V
p
P V
VC - C = p
T
C - C = R
padat dan cair: CP = CV ?
Contoh Soal:
Berapa Joule perubahan energi internal, perubahan entalpi
dan panas yang terlibat apabila 0,01 mol Cl2 yang mengikuti
persamaan keadaan gas ideal dengan volume 300 mL dan
temperatur 27 oC dikompresikan secara adiabatik melawan
tekanan tetap 1,7 atm sampai volumenya menjadi 150 mL?
Jelaskan transfer energi yang terjadi! Cv gas Cl2 = 25,6
34
Percobaan Joule – Thomson
H = U + pV
dH = dU + pdV + Vdp
P V
TT
dH dUC dT+ dp = C dT+ p + dV+Vdp
dp dV
T tetap: TT T
H U V= p + +V
p V p
Padat dan Cair:?
p
H
T
Gas ideal: T
H=?
p
Soal:
p2 p1 t t’
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
/ / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / / /
T1p1V1 T2p2V2
35
Berapa Joule perubahan entalpi apabila air diubah
tekanannya secara isotermal dari 1 atm menjadi 100 atm?
1
2
0
kr 1
v
v
kn 2
0
W = -P dV
W = -P dV
total kr kn 1 1 2 2 2 2 1 1W = W +W = -P -V -P V = -P V +PV
Q = ?
2 1 2 2 1 1U - U = Q + W = - P V - PV
2 2 2 1 1 1U + P V = U + PV
2 1H = H
Def : JT
H
Tμ =
p
36
P
T
P
T
P
H T
P JT
T
HdH = C dT + dp
p
H0 = C dT + dp
p
T H0 = C +
p p
H= - C μ
p
Proses Adiabatik : Q = 0
dU = + W
W = +ΔU
dihasilkan kerja/ekspansi: W energi turun
dikenai kerja/ kompresi: W energi naik
Gas ideal : VdU = C dT
VC dT = -PdV
ekspansi: perubahan (turun) energi mencapai harga
maks. P = p
(ekspansi adiabatik reversibel)
Kompresi: perubahan (naik) energi mencapai harga
min. P = p
(kompresi adiabatik reversibel)
37
V
V
C dT = -pdV
dVC dT = -nRT
V
2 2
1 1
T V
V
T V
dT dVC = -R
T V
2 2V
1 1
T VC ln = -Rln
T V
2 1
1 2
T Vln = γ-1 ln
T V
P V
P
V V
R = C - C
R C = - 1 = γ-1
C C
38
γ-1 γ-1
1 1 2 2
γ 1-γ γ 1-γ
1 1 2 2
γ γ
1 1 2 2
T V = T V
T p = T p
p V = p V
Soal:
Berapa Joule perubahan energi internal, perubahan
entalpi dan kerja apabila 0,01 mol Cl2 yang mengikuti
persamaan keadaan gas ideal dengan volume 300 mL
pada temperatur 27 oC dikompresikan secara adiabatik
reversibel sampai volumenya menjadi 150 mL. Cv gas
Cl2 = 25,6 J.K-1.mol-1.