Hand Out KF Defisiensi

38
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:

description

Kimia Fisika

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

7

40 55,3

45 71,9

50 92,5

55 118,0

60 149,4

65 187,5

70 233,7

75 289,1

80 355,1

85 433,6

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

9

2

2

n ap+ V-nb =nRT

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

11

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

33

JK-1.mol-1. Hitung kerja yang terlibat apabila tekanan luar

konstan 2 atm.

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.