TERMODINAMIKA

PENDAHULUANTermodinamika merupakan:y

Suatu ilmu yang membahas tentang panas, temperatur, dan bagian-bagiannya, serta hukum-hukum yang membangun transformasi panas ke dalam bentuk-bentuk energi, baik energi mekanik, energi listrik, energi permukaan, energi potensial, energi kinetik, maupun energi yang lainnya. Cabang sentral dari sains yang memiliki terapan-terapan penting baik dalam bidang kimia, fisika, biologi, maupun dibidang-bidang teknik, seperti teknik mesin, teknik listrik, teknik kimia, teknik fisika, dan lain-lain.

y

PENDAHULUANTermodinamika merupakan (lanjutan): y Suatu ilmu makroskopis, dimana dalam termodinamika klasik merupakan suatu sistem dengan sifat-sifat makroskopis yang kuantitasnya dapat ditunjukkan melalui beberapa parameter seperti tekanan, temperatur, dan volume. Sedangkan jika ditinjau secara termodinamika modern, merupakan termodinamika statistik yaitu suatu sistem yang diulas berdasarkan kumpulan-kumpulan dari sejumlah besar molekul dengan sifat makroskopisnya yang ditentukan melalui sifat-sifat molekul dengan metoda mekanika statistik.

PENTINGNYA ILMU TERMODINAMIKAAlasan Termodinamika menjadi sangat penting dalam bidang sains dan teknik ; y Dapat melihat kespontanan reaksi maupun kesetimbangannya, dengan menggunakan formulasi yang ada atau dengan jalan memprediksi arah reaksi maupun perkembangannya melalui kecepatan proses. y Dapat memahami topik bahasan secara detail melalui pengetahuan tentang sistem, lingkungan, sifat, dan keadaan sistem, termasuk pengetahuan tentang statistik dan terapannya. y Dapat memilih metoda yang mampu memberikan efisiensi kerja yang baik.

Sistem, Sistem, lingkungan dan bidang batasSistem merupakan bagian dari alam semesta yang menjadi pusat perhatian (fokus bahasan) dalam suatu penyelidikan. y Sistem ini terpisah dari bagian alam semesta yang lain dengan suatu bidang yang dinamai bidang batas. y Bagian alam semesta yang lain yang terletak di luar batas sistem disebut dengan lingkungan sistem. y Sistem ini dipengaruhi oleh sifat-sifat dalam sistem maupun lingkungan sistem, misalnya massa dan energi dari sistem.y

Sistem, Sistem, lingkungan dan bidang batas

Berdasarkan pada pengaruh sifat-sifat sistem, maka sistem terbagi menjadi 3 yaitu: sistem terbuka, sistem tertutup dan sistem tersekat atau terisolasi.

.

Sistem terbukay

adalah suatu sistem dimana antara sistem dan lingkungannya dapat terjadi pertukaran massa dan energiKeterangan gambar :

= Sinyal yang menyatakan bahwa energi dan massa dapat saling bertukar antara sistem dan lingkungan. Sistem terbuka = kepala tabung tanpa tutup

Sistem terbuka (lanjutan)Pada Sistem terbuka, antara lingkungan dan sistem saling berhubungan, dan terdapat pertukaran dalam massa maupun energi. y Pada system ini, system dapat saja terisi oleh massa maupun energi yang bergabung membentuk suatu system, sehingga menghasilkan system tersebut. y Jadi system ini selalu ada, asalkan ada perubahan antara massa dan energi.y

Sistem tertutupadalah suatu sistem dimana antara sistem dan lingkungannya dapat terjadi pertukaran energi saja.

Sistem tertutup

= Dinding tabung dimana energi saja yang dapat saling bertukar antara sistem dan lingkungan.

Sistem tertutup (lanjutan)Pada Sistem tertutup, sistem dan lingkungannya dipisahkan oleh bidang batas, namun bidang batasnya masih dapat ditembus atau melakukan pertukaran panas atau energi. y Jadi pada system ini, massa dan energi tidak dapat bertindak secara bebas. y Intinya, systemnya hanya berisi massa saja atau energi saja namun bidang batasnya masih dapat ditembus.y

Sistem tersekat/terisolasi tersekat/terisolasiy

adalah suatu sistem dimana antara sistem dan lingkungannya tidak dapat terjadi pertukaran baik massa maupun energi.

Sistem terisolasiy

= Dinding tabung dimana energi dan massa tidak dapat saling bertukar antara sistem dan lingkungan.

Sistem tersekat/terisolasi tersekat/terisolasiy

pada sistem tersekat, sistem dan lingkungannya dipisahkan oleh bidang batas yang kedap panas atau energi, atau bidang batasnya tidak dapat ditembus oleh panas atau energi.

Perbedaan SistemPerbedaan sistem ini terletak pada jenis bidang batasnya. y Ada bidang batas yang hanya mampu ditembus oleh energi. y Ada bidang batas yang mampu ditembus oleh massa dan energi, y dan ada juga bidang batas yang tidak dapat ditembus oleh massa dan energi.y

Keadaan Sistem dan Fungsi keadaanSistem terdiri dari sifat-sifat sistem yang membangunnya. y Keadaan sistem ditentukan oleh sifat-sifat sistem dan besar kecilnya sifat-sifat sistem. Atau keadaan sistem menjadi tertentu apabila sifat-sifat sistemnya tertentu atau ditentukan. y Keadaan sistem tertentu, berarti merupakan koordinat dari sistem tertentu. y Jika peristiwa dalam sistem, sifat-sifatnya diketahui, maka setiap perubahan dalam sistem akan dapat digambarkan dengan baik, karena koordinatnya tertentu pula.y

Keadaan Sistem dan Fungsi keadaany

Hubungan antara ordinat dan absis yang menyusun koordinat sistem, secara keseluruhan dapat disusun menjadi persamaan matematis, yang menghubungkan fungsi-fungsi keadaannya, yang kemudian dikenal dengan nama persamaan keadaan. Sebagai contoh persamaan keadaan gas ideal, yaitu : PV = nRT

Keadaan Sistem dan Fungsi keadaanSifat-sifat sistem dari gas ideal ada 4 yaitu:P (tekanan) V (volume) n (jumlah mol) dan T (temperatur)y

Hubungan antara keempat sifat sistem gas ideal ini tertentu, dan tak dapat diubah-ubah, karena sudah merupakan satu kesatuan. Apabila salah satu nilai dari sifat sistem ini diubah, maka sifat sistem yang lainnya akan mengalami perubahan.

Hukum Gas KimiaHukum-hukum kimia tentang gas yang umum dipelajari melibatkan fungsi-fungsi dengan parameter seperti tekanan (p), temperature (T), volume (V), dan jumlah mol (n). y Parameter-parameter tersebut dalam penggunaannya dapat dirangkai dalam suatu formulasi matematis dalam suatu himpunan fungsi-fungsi dan anggota-anggotanya sehingga membentuk persamaan keadaan sebagaimana hukum-hukum dasar kimia seperti yang ditunjukkan pada skema hukum dasar kimia berikut:y

Hukum Kimia Pada Umumnya1. Hukum Kekekalan/Ketetapan Massa (Hukum Lavoisier) 2. Hukum Ketetapan/Kekekalan Perbandingan (Hukum Proust) 3. Hukum Kelipatan Perbandingan (Hukum Dalton)

Hukum Kekekalan Massa Hukum Kekekalan Massa Hukum kekekalam massa ini berbunyi: Massa zat sebelum dan sesudah bereaksi sama Bila dipunyai reaktan A dan B yang bereaksi membentuk produk D dan E dengan reaksi sebagai berikut: A + B Massa Massa zat A + zat B D + E Massa Massa zat D + zat E

=

Contoh: Untuk membentuk molekul H2O diperlukan unsur hidrogen dan oksigen dengan perbandingan massa 1 : 8. Jika 30 gram hidrogen direaksikan dengan 15 gram oksigen. Berapa massa air yang terbentuk dan massa unsur yang tersisa? Penyelesaian: Diketahui : Massa hidrogen : massa Oksigen = 1: 8 Massa hidrogen = 30 gram Massa oksigen = 15 gram Ditanya: Massa H2O yang terjadi? Massa unsur yang tersisa?

Penyelesaian: Kemungkinan ke I Massa hidrogen 30 gram membutuhkan oksigen sebesar : (8/1) x 30 gram = 240 gram untuk membentuk H2O. Sedang oksigen yang dimiliki hanya 15 gram, berarti reaksi tak mungkin dapat terjadi. Kemungkinan ke II Massa oksigen 15 gram membutuhkan hidrogen sebesar : (1/8) x 15 gram = 1,875 gram. Untuk membentuk H2O dibutuhkan 15 gram oksigen dan 1,875 gram hidrogen Dengan massa total H2O sebesar 16,875 gram. Sedang bahan yang dimiliki sebesar 30 gram hidrogen + 15 gram oksigen dengan total massa = 45 gram. Massa unsur yang tersisa sebesar 45 gram 16,875 gram = 28,125 gram yaitu dari unsur hidrogen.

Hukum kekekalan/ketetapan perbandingan (hukum Proust)

Bunyi Hukum ketetapan perbandingan: Persenyawaan kimia yang terbentuk dari penggabungan unsur-unsurnya selalu bergabung dengan perbandingan massa yang tetap Sebagai contoh senyawa-senyawa berikut ini: y SO2 terbentuk dengan perbandingan antara S :O = 1 :1 y NH3 terbentuk dengan perbandingan antara N : H = 14 : 3 y CH3COOH terbentuk dengan perbandingan antara C : H : O = 6 : 1 : 8 y Dan seterusnya.y

Hukum kelipatan perbandingan (hukum Dalton)Bunyi Hukum kelipatan perbandingan : Apabila dua atau lebih unsur kimia yang bergabung membentuk lebih dari satu senyawa, maka perbandingan massa unsur yang pertama dengan massa unsur berikutnya berbanding dengan bilangan yang mudah dan bulat

y

Contoh : Bila unsur kimia P dan Q bergabung membentuk dua jenis senyawa katakanlah senyawa M dan N. Bila senyawa M mengadung unsur kimia P sebanyak 89,75 %, sedangkan senyawa N mengadung unsur yang sama sebesar 60 %. Jelaskan dengan perhitungan bagaimana hukum kelipatan perbandingan berlaku pada problema ini! Diketahui: Unsur kimia P dan Q bergabung membentuk dua jenis senyawa M dan N Senyawa M mengandung P = 89,75% Senyawa N mengandung P = 60% Ditanya: Jelaskan dengan perhitungan bagaimana hukum kelipatan perbandingan berlaku pada problema ini

y

y

y

Penyelesaian:

Pada senyawa M mengandung P : Q = 89,75 : 0,25 Pada senyawa N mengandung P : Q = 60 : 40 maka perbandingan unsur QM : QN = 10,25 : 40 = 1 : 4 (bilangan bulat dan sederhana)

Hukum Gas TunggalHukum gas tunggal terdiri dari : 1. Hukum Boyle (Boyle Laws) 2. Hukum Charles dan Gay Lussac 3. Hukum Avogradro 4. Hukum Boyle dan Gay Lussac atau Charles 5. Hukum Boyle, Gay Lussac, dan Avogadro 6. Hukum Gas Ideal

Hukum Boyle (Boyle Laws)y

Pada tahun 1662 seorang ahli kimia bernama Robert Boyle, telah melakukan suatu observasi yang mengkaitkan hubungan antara perubahan tekanan gas, p (atmosfer) pada setiap perubahan volumenya, V (Liter) yang diamati pada jumlah mol dan temperatur tetap (proses isotermis). Hasil yang diperolehnya, menyatakan suatu kecenderungan bahwa perubahan tekanan gas pada setiap keadaan tertentu secara kuantitatif akan berbanding terbalik dengan volumenya, artinya jika perubahan tekanan gas dinaikkan sebanyak 2 kali dari semula, maka volume gasnya akan turun separuhnya dari volume gas semula.

y

Hukum Boyle (Boyle Laws)P V-1 P = K V-1 P.V = K f(n,T) .......(1)dengan P.V = tetapan dengan fungsi f pada n, T tetap

y

Bila percobaan yang dilakukan diadakan perubahan dari keadaan 1 ke keadaan 2 ke keadaan 3 dan seterusnya hingga ke keadaan i, maka diperoleh formulasi sebagai berikut: P1 V1 = P2 V2 = P3 V3 = P3 V3 = . = Pi Vi = K f(n,T) .........(2).

y

Hubungan antara tekanan (p) dengan volume (V) bila dinyatakan dalam suatu kurva salib sumbu carthesian, dengan sumbu ordinat tekanan gas (atmosfer) dengan sumbu absis adalah volume dalam liter, diperoleh kecenderungan hasil seperti pada gambar 1.3 berikut:

Gambar1.3 Gambar1.3 Kurva P-V untuk gas tunggal pada f (n,T) tetap (n,T)

Bila keadaan isotermis ini dibuat pada temperatur yang berbeda-beda dan semakin tinggi, yaitu T1, T2, berbedatinggi, T3,. T4, T5,. Ta dimana T1 < T2 < T3 < T4 < T5..< Ta, maka kurva tersebut sebagaimana ditunjukkan pada gambar 1.4 berikut: 1.4 berikut:

Gambar 1.4 Kurva P-V Untuk Gas Tunggal Pada f (n,T) tetap dengan T1, T2, T3, T4, dan T5

Dimana: y P1 V1 = P2 V2 = P3 V3 = P3 V3 = . = Pi Vi = K f(n,T1) (3). dst. sehingga didapat persamaan : y P1 V1 = P2 V2 = P3 V3 = P3 V3 = . = Pi Vi = K f(n,Ta) (4). dengan a = 1,2,3,4,.dst. sampai ke a.y

Pada temperatur yang semakin tinggi, kurva yang terbentuk semakin mendekati garis lurus (straight line), artinya perilaku gas tersebut semakin mendekati perilaku gas ideal.

Contoh Soaly

Dalam suatu ruang tertutup sampel udara memiliki volume sebesar 2,5 liter pada saat tekanannya sebesar 1,2 atmosfeer. Berapa volume udara tersebut pada saat tekanan terukurnya sebesar 6,5 atmosfeer. Dan berapa pula tekanan yang dibutuhkan untuk membuat gas tersebut bervolume 2,5 cm3?

Diketahui: V1 = 2,5 L P1 = 1,2 Atm P2 = 6,5 Atm V3 = 2,5 cm3 = 2,5. 10-3L Ditanya: V2 = ? L dan P3 = ? atm

Penyelesaian:Dari persamaan Boyle diperoleh: y P1V1 = P2V2 1,2 atm. 2,5 L = 6,5 atm . V2 V2 = 1,2 atm . 2,5 L /6,5 atm = 0,46 L y P1V1 = P3V3 1,2 atm . 2,5 L = P3. 2,5. 10-3 L P3 = 1,2 atm.2,5 L/2,5.10-3 L = 1,2 . 10+3 atm = 1200 atm

Hukum Charles dan Gay Lussacy y y

Charles adalah ahli kimia kelahiran pada tahun 1787. Dalam observasinya dia mencoba mencari hubungan antara parameter V(L) dan t(oC) pada gas tunggal. Dimana hasilnya menunjukkan suatu kecenderungan yang secara matematis dituliskan sebagai berikut: V(L) = n t(oC) + m, .....(5) Dimana n dan m merupakan konstanta percobaan.

Hukum Charles dan Gay Lussac Bila persamaan (5) diturunkan ke dalam fungsi t(oC), maka dV/dt = n, Sehingga, V(L) = dV/dt. t(oC) + m (6) Pada saat t = 0 oC , maka y V = Vo, (dV)/(dt) = (dVo)/(dt) = 0, y m = V = Vo sehingga y V = (dV)/(dt) t(oC) + Vo

Hukum Charles dan Gay LussacSehingga V/T = K g(n.p).(7) Bila percobaannya dilakukan pada keadaan T1, T2, T3,. T4, sampai Ti, maka diperoleh hubungan persamaan hukum charles sebagai berikut: V/T = V1/T1 = V2/T2 = V3/T3 = V4/T4 = .. = Vi/Ti = K g(n.p) ...........................(8)y

Bila tekanannya yang diubah-ubah dari keadaan1 ke 2 ke 3 sampai ke a, maka diperoleh persamaan V/T = V1/T1 = V2/T2 = V3/T3 = V4/T4 = = Vi/Ti = K g(n.pa)............................................(9) dimana a = 1, 2, 3, 4, ..sampai ke a.

Hukum Charles dan Gay LussacBila pada proses tersebut gas mengalami ekspansi, maka pada saat V = Vt diperoleh koefisien ekspansi gas sebesar = (1/V) (dV/dt)p dan o = (1/Vo) (dV/dt)p, sehingga : V = V = t(oC) + Vo o 1/ o}, o Vo { t( C) +o Vo

di mana, T(K) = t(oC) + 1/ o = t(oC) + 273,15 ; Dengan 273,15 = temperatur pada titik nol absolute, yang bernilai sama untuk semua gas. Berarti V =o Vo T

Dan V/T = o Vo = K g(n.p) dibaca sebagai tetapan dengan fungsi g pada n dan p tetap.

Hukum Charles dan Gay Lussacy

Persamaan (3) dapat digambarkan dalam satu koordinat sumbu carthesian dengan sumbu ordinat V dan sumbu absis toC pada tekanan yang berbeda-beda dapat diperoleh kurva seperti terlihat pada gambar 1.5 berikut.

Gambar 1.5 Kurva V versus toC pada proses isobarik (P tetap) dengan P yang berbeda-beda

Hukum Charles dan Gay LussacKeterangan Gambar 1.5: y Kurva berupa garis lurus, dengan berbagai kemiringan garis yang disesuaikan dengan besar kecilnya tekanan percobaan. y Kemiringan garis yang semakin landai menunjukkan suatu bentuk kurva dengan keadaan isobaric dengan tekanan yang semakin besar. Sebaliknya, bila kemiringan garis dari kurva semakin tajam/curam menunjukkan keadaan isobaric dengan tekanan yang semakin kecil.

Hukum Charles dan Gay LussacKeterangan Gambar 1.5: y Titik potong antara garis kurva yang diperoleh dengan sumbu absis toC bertemu di suatu titik yang dinamakan titik nol absolute yang nilainya sebesar 273,15 berada dibawah titik nol yaitu tepatnya -273,15oC. y Sehingga T(K) = t (oC) + 273,15. y Adapun interceptnya sebesar Vo atau m yaitu titik potong antara garis kurva dengan sumbu ordinat pada absis = 0.Vo untuk intercept dari persamaan V = o Vo t(oC) + Vo, dan m untuk intercept dari persamaan (5)

Bila kurva dibuat untuk persamaan V/T = K(n,p), didapat kurva sebagaimana gambar 1.6 berikut.

Gambar 1.6 Kurva V versus T(K) pada proses isobarik (P tetap) dengan P yang berbeda-beda.

Keterangan Gambar 1.6: y Kurva berupa garis lurus melalui titik 0 yaitu titik potong salib sumbu carthesian pada koordinat (V(L),T(K)) = (0,0) y Untuk harga P yang semakin besar diperoleh kemiringan kurva/gradien yang semakin kecil/semakin landai atau tangen arahnya semakin kecil.

Dengan cara yang sama, Gay lussac (th 1802) mencoba melakukan observasi ulang dengan peubah P(atm) versus toC pada proses isokhorik (proses pada volume tetap). Diperoleh persamaan sebagai berikut: y P/T = K h(n,V) dengan proses isokhorik (proses pada volume tetap).(10) y Bila P atau T gas diubah-ubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 ke keadaan 3 dan seterusnya sampai ke keadaan ke i, maka diperoleh : P1/T1 = P2/T2 = P3 /T3 = P4 /T4 = ..=Pi /Ti = K h(n,V)(11)y

Sehingga untuk percobaan dengan proses yang sama namun V nya diubah-ubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 ke keadaan 3 dan seterusnya sampai ke a diperoleh:P1/T1 = P2/T2 = P3 /T3 = P4 /T4 = .. =Pi /Ti = K h(n,Va)(12)

dimana a adalah bentuk perubahan dari keadaan 1 ke 2 ke 3 dan seterusnya sampai ke a y Bila persamaan (8) ini dibuat kurva seperti gambar 1.5 dengan dapat diperoleh kurva pada gambar 1.7 berikut.y

Gambar 1.7 Kurva P versus T(K) pada proses isobarik (V tetap) dengan V yang berbeda-beda. Keterangan Gambar 1.7: a. Kurva berupa garis lurus melalui titik 0 yaitu titik potong salib sumbu carthesian pada koordinat (P(atm),T(K)) = (0,0) b. Untuk harga V yang semakin besar diperoleh kemiringan kurva/gradien yang semakin kecil/semakin landai atau tangen arahnya semakin kecil.

Contoh soal Suatu gas yang dihasilkan selama fermentasi glukosa memiliki volume 7,46 liter pada 300k dan tekanan 1,0 atmosfeer. Berapa volume gas pada temperature fermentasi oc pada tekanan sebesar 36,5 yang sama.?

Penyelesaian:Diketahui: V1=7,46 L T1=300K P1 =1,0 atm P2 = P1 = 1,0 atm T2 = 36,5oC = 309,65 K Ditanya: V2 = ? L

Jawab:y

Dari persamaan Charless dan Gay Lussac V1 / T1 = V2/T2 7,46 L / 300K = V2 / 309,65 K V2 = 7,46 L . 309,65 K / 300K V2 = 7,7 L

Bila gas nitrogen dalam ruang tertutup pada temperature dan tekanan tertentu dicampur dengan gas oksigen membentuk N2O5. Apabila volume gas nitrogen sebesar 4,0 liter. Berapa volume gas oksigen yang diberikan dan berapa volume gas N2O5 yang diperoleh?

Diketahui: VN2 = 4,0 L T dan P tertentu Ditanya: V02 = ? L dan VN205 = ? L

Penyelesaian:

Jawab:y

Persamaan reaksi yang terjadi 2N 2(g) + 5O 2(g) 2N2O5(g) Volume N2(g) = 4,0 L Berdasarkan hukum di atas berlaku: VN2 : VO2 = 2 : 5 4,0 L : VO2 = 2 :5 VO2 = (4 x 5)/2 liter = 10 L. VN2O5 = VN2 karena koefisien reaksi antara keduanya sama yaitu 2 Sehingga VN2O5 = 4 L

Hukum Boyle dan Gay Lussac atau Charlesy

P V = K f(n,T) V/T = K g(n,P) P/T = K h(n,V)

(H. Boyle) (H. Charless) (H. Gay Lussac)

y y y

PV/T = K f (n,T)/T = K g(n,P).P = K h(n,V).V = K (n,R) PV/T = K (n,R)

P1V1/T1 = P2V2/T2 = = PiVi/Ti = K (n,R) (H. Boyle dan Charles or Gay Lussac)

Hukum AvogradroAhli kimia bernama Avogadro (th 1811) telah merumuskan hukum gas berdasarkan pada hasil percobaannya yang menghubungkan perubahan antara volume gas dengan jumlah molnya pada keadaan temperature dan tekanan sama/tetap. Dimana V berbanding lurus dengan n V~ n V/n ~ 1 V/n = K I(P,T) (13)

Bila perubahan dilakukan dari keadaan 1 ke 2 ke3 dan seterusnya sampai ke I siperoleh persamaan sebagai berikut: y V1/n1 = V2/n2 = V3/n3 = V4/n4 = = Vi/ni = K I(P,T)..(14) y Bila keadaan tetapnya diubah dari keadaan 1 ke 2 ke 3 sampai ke a, maka diperoleh persamaan V1/n1 = V2/n2 = V3/n3 = V4/n4 = = Vi/ni = K I(Pa,Ta).(15)y

Hukum Boyle, Gay Lussac, Lussac, dan AvogadroHukum ini merupakan paduan dari tiga hukum gas yaitu hukum Boyle, hukum Gay Lussac, dan hukum Avogadro. Perpaduan dari ketiga hukum ini dapat diilustrasikan dalam hukum operasi fungsi yang terkait dengan operasi interseksi ( ) y Jika P himpunan beranggotakan a,b,c,d dimana ditulis P={a,b,c,d}dan Q himpunan beranggotakan a,b,x,y dan ditulis Q = { a,b,x,y} y Tunjukkan anggota-anggotanya jika P U Q dan P Q = ?y

Hukum Boyle, Gay Lussac, dan Lussac, Avogadroy y y y y

P U Q memiliki anggota-anggota yaitu a,b,c,d,x,y atau dapat ditulis: P U Q = {a,b,c,d,x,y}, anggota P U Q adalah gabungan dari anggota himpunan P dan Q P Q memiliki anggota-anggota yaitu a, dan b atau dapat ditulis: P Q = {a,b}, anggota dari P Q adalah anggota yang sama yang dimiliki oleh himpunan P dan Q yang artinya anggota yang sama atau anggota yang tetap.

Hukum Boyle, Gay Lussac, dan Lussac, Avogadroy

Berdasarkan operasi interseksi ini hukum Boyle, Gay Lussac, dan Avogadro dipadukan, yang dapat ditulis sebagai berikut:PV V/T P/T V/n = K f(n,T) = K g(n,P) = K h(n,V) = K I(P,T)

y

Bagaimana dengan PV/nT = ?

Hukum Boyle, Gay Lussac, dan Lussac, AvogadroBerdasarkan pada relasi fungsi di atas, maka fungsi tersebut dapat ditulis menjadi y PV/nT = K f(n,T)/nT = K, Jika dikalikan dengan fungsi f yang beroperasi pada n dan T tetap. Maka pembagiannya dengan bilangan n dan T yang juga tetapan maka hasilnya adalah tetapan/konstanta. y PV/nT = K g(n,P) P/n = K, Jika dikalikan dengan fungsi g yang beroperasi pada n dan P tetap. Maka pembagiannya dengan bilangan n dan P yang juga tetapan maka hasilnya adalah tetapan/konstanta. y PV/nT = K h(n,V) V/n = K, jika dikalikan dengan fungsi h yang beroperasi pada n dan V tetap. Maka pembagiannya dengan bilangan n dan V yang juga tetapan maka hasilnya adalah tetapan/konstanta.

Hukum Boyle, Gay Lussac, dan Avogadro

PV/nT = K I(P,T) P/T= K, Jika dikalikan dengan fungsi I yang beroperasi pada P dan T tetap. Maka pembagian-nya dengan P dan T juga tetapan sehingga hasilnya adalah tetapan. y Sehingga, persamaan PV/nT ditulis, PV/nT = K f(n,T)/nT = K g(n,P) P/n = K h(n,V) V/n = K I(P,T) P/T = K PV/nT = K .(16)y

Hukum Gas IdealBerdasarkan fungsi dan peubah ini persamaan gas ideal diturunkan dengan cara seperti berikut: P = P(V,T,n) \ Diferensial total dari fungsi P ini adalah dP = (P/T)V,ndT + (P/V)T,ndV + (P/n)T,Vdn = 0 Dimana, dP = Diferensial total dari P y (P/T)V,n dT = diferensial parsial dari P terhadap T pada V dan n tetap yang diturunkan pada peubah T y (P/V)T,n dV = diferensial parsial dari P terhadap Vpada T dan n tetap yang diturunkan pada peubah V y (P/n)T,V dn = diferensial parsial dari P terhadap n pada T dan V tetap yang diturunkan pada peubah n

Hukum Gas Idealy

Dari penggabungan hukum Boyle, Gay Lussac, dan Avogadro ini didapatkan empat variabel/peubah sistem yaitu P,V,n dan T. Dari sini dapat dibuat satu pengelompokan fungsi beserta anggotanya atau peubahnya yaitu: P = P(V,T,n), baca fungsi P dengan peubahnya V,T dan n V = V(P,T,n), baca fungsi V dengan peubahnya P,T dan n T = T(P,V,n), baca fungsi T dengan peubahnya V,P dan n n = n(P,V,T), baca fungsi n dengan peubahnya V,T dan P

Dengan cara yang sama seperti di atas persamaan PV = n R T dapat dicari melalui ke tiga fungsi berikutnya. y Harga R dapat diperoleh melalui beberapa pernyataan terkait dengannya yaitu P,V,n, dan T. y Pada sistem CGS, sistem dengan 1,0 mol gas ideal yang menempati ruang bervolume 22,414 liter pada tekanan 1,0 atmosfer dengan temperatur 273,15 K yaitu sistem pada temperatur dan tekanan standar, didapatkan harga R sebagai berikut: R = PV / nT R = (1,0 atm) (22,414 L)/(1,0 mol) (273,15 K) R = 0,08206 L. atm. K-1. mol-1y

Hukum Gas IdealDengan persamaan bantu dari hukum Boyle, Gay Lussac, dan Avogadro PV/nT = K, maka fungsi P dapat dituliskan sebagai berikut: P = K nT /V y (P/T)V,n = /T (KnT/V) = Kn/V = P/T y (P/V)T,n = /V(KnT/V) = - KnT/V2 = - P/V y (P/n)T,V = /n(KnT/V) = KT/V = P/n Hasil diferensial parsial ini bila disubstitusikan dalam persamaan diferensial totalnya akan diperoleh persamaan y dP = (P/T)V,ndT + (P/V)T,ndV + (P/n)T,Vdn y dP = (P/T)V,ndT + (- P/V)T,ndV + (P/n)T,Vdn y dP = P (1/T)V,ndT + (- 1/V)T,ndV + (1/n)T,Vdn y dP/P = (1/T)V,ndT + (- 1/V)T,ndV + (1/n)T,Vdn

Bila persamaan ini diintegralkan akan didapatkan persamaan y ln P + ln C1 = ln T + ln C2 - ln V + ln C3 + ln n + ln C4 y ln P + ln V = ln T + ln n + ln C2 - ln C1 + ln C3 + ln C4 y P V = T n (C2C3C4/C1) y P V = n R T, (17) y dimana R = (C2C3C4/C1) = konstanta gas secara umum.

P1V1 = n campuran R T1 1,0 atm. 7,46 L = n campuran . 0,08206 L.atm. K-1. mol-1.300 K n campuran = 0,303 mol. 0,303 mol = x/2 mol + (3,50 x)/28 mol x = 0,383 gram, berarti berat gas hidrogen = 0,383 gram Berat gas Nitrogen = 3,50 gram 0,383 gram = 3,117 gram % berat H2 = (0,383/3,50) x 100% = 10,94 % % berat N2 = (3,117/3,50) x 100% = 89,06 %.

Sedangkan pada sistem SI (sistem internasional) 1,0 atm = 1,01325 x 105 Newton m-2 R = (1,0 atm)(22,414 L)/(1,0 mol)(273,15 K) R = (1,01325 x 105 Newton m-2)x (22,414 x 10-3 m3 )/(1,0 mol) (273,15 K) R = 8,314 Newton m K-1. mol-1 R = 8,314 Joule . K-1. mol-1 Dimana 1,0 L = 1,0 x 10-3 m3

Sedang, 1,0 atm = 1,01325 x 106 dyne cm-2 R = 0,08206 L. atm. K-1. mol-1 R = (0,08206 x 103 cm3) x (1,01325 x 106 dyne cm-2) K-1. mol-1 R = 8,314 x 107 dyne cm K-1. mol-1 R = 8,314 x 107 erg. K-1. mol-1 R = 8,314 Joule. K-1. mol-1 R = 1,987 kalori. K-1. mol-1

Hukum Dalton tentang tekanan parsial (Hukum gas campuran)

Jika gas A yang berada di dalam ruang tertutup dengan keadaan (pA,V, nA, T) dan gas B dengan keadaan (pB, V, nB, T). dengan temperature dan volume yang sama. y Dari persamaan sebelumnya, untuk semua gas akan berlaku persamaany

pA V = nA R T dan pB V = nB R Ty

Sehingga bila dimasukkan ke dalam persamaan yang mengandung Volume dan temperature yang sama, maka jumlah molnya menjadi n = nA + nB.

Dengan memperhatikan persamaan gas A dan persamaan gas campuram, dengan mengeliminasiV dan T dan membuatnya dalam bentuk pembagian diperoleh persamaan pA/p = nA/n = xA Dimana xA dikenal sebagai fraksi mol A Jadi, pA = xA p Sehingga untuk campuran gas i , maka akan berlaku

pi = xi pDari definisi xi = ni/n dan dengan mengingat bahwa n ni, maka xi = ni/n = 1/n ni = 1/n bila ni = 1 Dan bila n = 1, maka

xi = 1Jumlah fraksi mol keseluruhan komponen di dalam campuran adalah satu. Dan ini berlaku umum, jadi bisa dalam bentuk gas sebarang, bisa padat, cair maupum gas.

Contoh SoalSuatu campuran berisi gas nitrogen dan hidrogen dengan berat 3,50 g dan menempati volume 7,46 L pada 300 K dan 1,0 atm. Hitung prosen berat (%) dari kedua gas itu jika gas dianggap sebagai gas ideal. Diketahui : Massa atom relatip H = 1 dan massa atom relatip N = 14.

Hukum Amagat tentang volume parsial (Hukum gas campuran)y

Bila suatu gas A di dalam ruang tertutup dengan keadaan (p, VA, nA, T) dan gas B dengan keadaan yang sama yaitu (p,VB, nB, T) dan bila temperature dan tekanannya di buat sama, maka kedua gas tersebut jika dimasukkan dalam suatu tempat tertutup dengan tekanan total p dan temperature T akan diperolah volume campuran gas adalah (p, V, n, T) dengan n = nA + nB. Dari sini akan di dapat tiga persamaan yaitup VA = nA R T p VB = nB R T pV = n RT

y

y

Keadaan campuran gas ini dapat dinyatakan dengan (p, V, n, T). yaitu yang memenuhi persamaan p V = n R T ataup V = (nA + nB) R T = nA R T + nB R T = pA V + pB V = ( pA + pB) V p = pA + pB

y

Maka secara keseluruhan untuk komponen larutan A, B, C dan seterusnya akan berlaku:p = pA + pB + pC + atau dengan kata lain p = pi Persamaan ini dikenal dengan nama hukum dalton tentang tekanan parsial gas i yaitu gas i itu sendiri didalam volume campuran.

Penyelesaian:Diketahui: Massa campuran = 3,5 gram V1 = 7,46 L P1 = 1,0 atm T1 = 300 K Ditanya: % berat N2 ? % berat H2 ?

Jawab:Misal mH2 = x gram, mN2= (3,50 x ) gram. Massa campuran = 3,50 gram = mH2 + mN2 Massa campuran = 3,50 gram = x gram + (3,50 - x) gram Banyak H2 = x/2 mol. Banyak N2 = (3,50 x)/28 mol n campuran = x/2 mol + (3,50 x)/28 mol Dari persamaan gas ideal, maka besarnya n campuran adalah:

Contoh Soal 2Gas oksigen diperoleh pada eksperimen fotosintesis invitro (dengan menggunakan penyinaran sinar UV pada ekstrak kloroplas) yang dikumpulkan dalam air berlebih. Volume gas yang terkumpul pada 22,00C dan tekanan 758,0 mmHg adalah 186 mL. Hitunglah massa oksigen yang diperoleh, jika tekanan uap air pada 22,00C adalah 19,8 mmHg dan Ptotal = PO2 + PH2O.

Diketahui:Ptotal = 758,0 mmHg Vgas = 186 mL = 0,186 L Tgas = 22,0oC = 273,15 + 22,0oC = 295,15 K Puap air = 19,8 mmHg. Ditanya: m oksigen = ? gram

Jawab:Ptotal = Po2 + Puap air Po2 = Ptotal - Puap air Po2 = 758,0 mmHg 19,8 mmHg = 738,2 mmHg Po2 =(738,2/760) atm = 0,971 atm PV = n RT Po2 .Vo2 = (mo2/Mr o2) R T mo2 = Mr o2 . P . V / R T mo2 = (32 gram/mol . 0,971 atm . 0,186 L) /(0,08206 L.atm.K-1mol-1.295,15 K) mo2 = 0,239 gram

Sehingga, VA/V = (P VA)/(PV) VA/V = nA R T/n R T VA/V = nA/n = xA Dan untuk gas B diperoleh: VB/V = nB/n = xB Dari sini akan diperolehVi/V = xi Atau Vi = xi V

y y

y

y y y

Persamaan ini dikenal dengan nama hukum Amagat yang ternyata lebih teliti dari pada hukum Dalton. Vi dikenal dengan mana volume gas I jika tekanannya sama dengan tekanan total dan temperaturnya sama dengan temperature campuran. Ini bukan berarti bahwa volume gas i hanya menempati volume ruang Vi; melainkan ruang yang di tempatinya adalah seluruh ruangan sebab gas adalah menempati seluruh ruangan. Vi disebut dengan volume parsial gas I didalam campurannya. Volume parsial akan menjadi lebih besar jika fraksi mol komponan gas itu menjadi lebuh besar. Untuk gas murni, fraksi mol gas nya sama dengan satu, dan volume volume parsial nya sama dengan volume ruangan itu.

Gas SejatiGas ideal: 1. Tidak ada interaksi terjadi, baik gaya tarik menarik maupun gaya tolak menolak diantara molekul-molekulnya, sehingga seakan-akan gas benar-benar tidak ada (nonexist). Dengan melihat persamaan ini, maka: y Gas - gas hanya memiliki temperatur yang sangat tinggi atau tekanan yang sangat rendah ( 10 atm ) . y Bilamana gas dikompresi maka, molekulmolekulnya menjadi tertutup antara satu dengan yang lainnya. Sehingga cara mengukur deviasinya agar menjadi ideal dengan jalan mem-plotting kompresibilitas faktor z atau gas versus tekanannya.

2. Tumbukannya terjadi secara lenting sempurna, dengan harga elastisitas(e) nya sama dengan 0. Ini berarti benar bahwa, tolak menolak dan tarik menarik benar tidak ada atau tumbukannya tak pernah terjadi dan saling berjauhan antara satu dengan yang lainnya. 3. Memiliki (dE/dV) pada saat T tetap = 0, artinya adalah perubahan energi dalam setiap perubahan volumenya sangat kecil sehingga mendekati nol atau sama dengan nol. 4. Molekul-molekul gas merupakan materi bermassa dan tidak bervolume

y

Persamaan gas ideal: Gas real mendekati gas ideal pada saat tekanan rendah. Tekanan gas menaik untuk beberapa gas dengan harga Z < 1 yaitu P < RT yang berarti bahwa mudah untuk dikompressi dari pada gas ideal. Untuk tekanan yang menaik berikutnya, kebanyakan gas mempunyai Z > 1 dimana P > RT. Lewat daerah ini, gas cenderung mengarah ke arah kompressi dari pada gas ideal. Perilaku ini, konsisten dengan pengertian gaya intermolekuler. Untuk molekul yang memiliki temperatur rendah, interaksi intermolekular terjadi tarik menarik.

Persamaan Gas IdealPV = nRT atau P v = RT Dimana: V= volume molar gas atau volume 1 mol gas spesifik. Z = 1 untuk beberapa harga P. Harga Z gas real dapat dibandingkan dengan tekanan. Pada temperatur rendah (10atm) Z beberapa gas = 1. Dalam arti, limit P mendekati nol dan Z = 1 Untuk semua gas berlaku: Z = limit P untuk P 0 = 1.

Z y Gas Ideal y CO2 y CH4 y H2 y N2y y Gambar 2.4 Plot factor Kompresibilitas Vs Tekanan untuk gasreal dan ideal.

Persamaan Van Der Waalsy

y

y

Memiliki rumusan sebagai berikut: (P+ an2/V2)(V-nb) = nRT Atau (P + a/ 2) ( b) = RT, dengan V/n = Persamaan ini memiliki dua pengertian yang perlu mendapatkan perhatikan yaitu: a. Volume individual molekul dan gaya tarik menarik yang terjadi diantaranya. b. Tekanan molekul pada dinding tergantung pada b1. Frekuensi molekul tumbukan dengan dinding b2. Momentum tumbukan dengan molekul pada dinding. Kedua kontribusi ini, membaginya dengan gaya tarik menarik seluruh molekul dengan menganggap reduksi tekanan tergantung pada jumlah molekul yang ada atau densitas gas, n/V sehingga:

Reduksi tekanan pada gaya tarik menarik (n/V)(nV) y Reduksi tekanan pada gaya tarik menarik = a.n2/V2 dimana, a adalah konstanta eksperimen. P adalah tekanan gas pada eksperimen. (P + an2/V2) = tekanan gas jika tidak ada gaya intermolekul a.n2/V2 memiliki satuan tekanan dengan a adalah atm Liter2. mol-2. V adalah volume gas ideal dengan angka reduksinya sebesar (V-nb). Dimana: nb adalal volume total efektif pada n mol gas. b adalah liter.mol-1. a dan b adalah konstanta karakteristik gas.y

Konstanta Van Der Waals dan Boiling Point beberapa ZatZat a(atm.L2/mol2)b(L/mol) BoilingP(K) He 0,0353 0,0241 4,2 Ne 0,208 0,0169 27,2 H2 0,246 0,0267 20,3 N2 1,35 0,0386 77,4 O2 1,36 0,0319 90,2 CO2 3,60 0,0427 195,2 CH4 2,25 0,0248 109,2

y

PV/nRT = PV/RT = 1 + Bn/V + Cn2/V2 + Dn3/V3 + .... (2.13) Persamaan ini dinamai dengan persamaan virial.

Dimana: y B, C, D, E dst ......... disebut dengan koefisien virial y Dengan harga B > C > D > E ...........y

Kondensasi Gas dan Titik Kritisy

Kondensasi gas terhadap suatu cairan merupakan suatu fenomena yang cukup familier. Studi pertama tentang hubungan tentang kuantitas tekanan dan volume pada proses ini dibuat oleh seorang ahli bernama Andrews pada tahun 1869 pada senyawa carbon dioksida. Pengukuran volume sejumlah gas sebagai fungsi tekanan pada setiap variasi temperatur, akan menghasilkan sederetan isothermal gas seperti yang terlihat pada gambar 2.5 berikut.

Arah temperatur T E K A N A N

T7 TITIK KRITIS T6 T5 T4 T3

CAIR & UAP TERJADI KESETIMBANG AN

T1

T2

VOLUME

Gambar Kondensasi Gas dan Titik Kritis

y y

y

y

Pada umumnya, gaya tarik menarik melalui jarak maksimum intermolekul harus tertentu. Pada temperatur dibawah Tc, mungkin dapat terjadi kompressi gas dan membawa molekulmolekulnya tarik menarik ke dalam terjadinya kondensasi. Diatas Tc, energi kinetik molekul gas adalah sangat cocok untuk terjadinya tarik menarik dan bukan kondensasi. Keberadaan relasi yang menarik adalah konstanta van der waals dan konstanta kritis. Dengan menganggap 1 mol gas memiliki harga n = 1.

y

y

Pada temperatur tinggi kurva cenderung mengarah ke bentuk hiperbolikus atau mengikuti perilaku persamaan gas Boyle . Sedangkan pada temperatur rendah akan terjadi deviasi yang secara drastis yang berubah perilakunya terhadap observasi pada T4. Perpindahan waktu yang cukup lama akan terjadi proses isothermal dari arah kanan ke kiri. Dimana: volume gas menurun dengan adanya tekanan. Produksi PV tidak selamanya konstan karena kurva tidak sepanjang daerah itu membentuk hiperbola. Menaiknya tekanan selanjutnya akan mencapai titik intersept yang terjadi antara proses isothermal dan kurva sebelah kanannya.

y

y

Dengan temperatur tetap, volume akan secara kontinu mengalami penurunan, masih mencair dengan beberapa uap terkondensasi. Diantara titik ini (intersep diantara garis horisontal dan kurva pada sebelah kiri) sistem telah mencair dan selanjutnya menaik pada tekanan dengan hanya hasil dalam jumlah kecil menurun dalam volume, semenjak cairan menurun kompresibilitasnya dari pada gas. Hubungan antara tekanan pada garis horisontal (pada daerah uap dan cairan ) disebut tekanan uap cairan pada temperatur eksperimen. Sepanjang garis horisontal menurun dengan temperatur.

y

y

y

Pada bagian proses isothermal temperatur T5 terjadi sepanjang kurva tangensial dan hanya satu phase yang ada. Garis horisontal yang demikian disebut dengan titik kritis. Kemudian temperatur, tekanan dan volumenya disebut dengan temperatur kritis (Tc), tekanan kritis (Pc) dan volume kritis (Vc). Temperatur kritis diartikan sebagai temperatur dimana tidak ada kondensasi yang terjadi dari keadaan uap ke cair maupun ke padat walau bagaimanapun besarnya tekanan. Konstanta kritis beberapa gas dapat dilihat sebagaimana tabel 2.3 berikut:

Konstanta Kritis Beberapa ZatZat Pc(atm) He 2,26 Ne 26,9 H2 12,8 N2 33,5 O2 49,7 CO 273,0 CH4 45,6 H2O 219,5 Vc(L/mol) 0,0576 0,0417 0,0650 0,0900 0,0744 0,0957 0,0988 0,0450 Tc(K) 5,3 44,4 33,3 126,1 154,4 304,2 190,2 647,6

Harga volume kritis umumnya terekspos dalam jumlah molar yang disebut dengan volume kritis molar yang dalam volume 1 mol substansinya disebut dengan titik kritis. y Fenomena kondensasi dan eksistensinya terhadap temperatur kritis searah dengan konsekwensinya terhadap perilaku gas non ideal menuju gas ideal. y Jika molekul tidak terjadi tarik menarik satu dengan yang lain, tidak ada kondensasi yang terjadi dan molekul tidak bervolume dan kemudian tidak ada cairan. y Untuk lebih mudahnya, molekul-molekul di alam berinteraksi karena adanya gaya tarik menarik molekul dimana relatip jauh, tetapi sebagian darinya tertutup dengan yang lain. (contoh molekul cairan dibawah tekanan ) gaya ini berubah menjadi gaya tolak menolak , menjadi tolak menolak elektrostatik dengan inti dan dengan elektrony

y y y y

Sehingga muncul lah persamaan V3 (b + RT/P) V2 + (a/P) V - ab/P = 0. Dan persamaan (V - Vc)3 = 0 Dijabarkan menjadi V3 3V2Vc + 3VVc2 - Vc3 = 0 Untuk harga V didapatkan 3Vc = b + RTc/Pc Untuk harga Vc2 didapatkan 3Vc 2 = a/Pc Dan untuk harga Vc3 didapatkan Vc3 = ab/Pc Sehingga akhirnya didapatkan persamaan: a = (3PcV2c) Pc = a/3Vc2 = a/27b2 b = (Vc/3) Vc = 3 b dan R = (8a/27Tc b) Tc = 8a/27Rb

SoalSoal-soal Latihan1. Apakah gas-gas seperti berikut CO2, NO2, NF2, C2H2 mengikuti hokum Boyle atau tidak pada berbagai kondisi tekanan yang berbeda. 2. Tekanan uap jenuh merkuri 0,002 mm pada 300 K. Densitas udaranpada temperature itu 1,18 g/l. Hitung konsentrasi merkuri dalam udara (mol/L) dan berapa berat merkuri (ppm) dalam udara 3. Campuran Helium (He) dan Neon (Ne) seberat 5,5 gram dengan volume 6,8 L pada 300 K dan tekanan 1,0 atmosfeer. Berapa kondisi komponen campuran dalam % berat?

4. Sampel Zn beraksi sempurna dengan HCl berlebih. Gas hydrogen yang diperoleh pada reaksi itu ditampung dalam tempat berisi air pada temperature 25oC tekanan 0,98 atmosfeer sebanyak 7,8 L. Hitunglah jumlah logam Zn yang bereaksi, jika tekanan uap air pada temperature itu sebesar 23,8 mmHg. Anggap saja gas berperilaku sebagai gas idean. 5. Suatu gas campuran berisi gas nitrogen dan gas hydrogen seberat 3,50 gram memiliki volume 7,46 L pada 300 K dengan tekanan 1,0 atmosfeer. Hitunglah % berat dari kedua gas yang terdapat dalam campuran tersebut ? 6. Gas hydrogen yang diperoleh dari proses fotosintesis terhadap ekstrak kloroflas dengan sinar tampak ditampung dalam air. Jika volume gas yang terkumpul pada 22,0o C dan tekanan 758,0 mmHg adalah 186 mL. Hitunglah massa oksigen yang diperoleh, bila tekanan uap air pada temperature itu 19,8 mmHg?

7. Bila gas nitrogen dalam ruang tertutup pada temperature dan tekanan tertentu dicampur dengan gas oksigen membentuk N2O5. Apabila volume gas nitrogen sebesar 4,0 liter. Berapa volume gas oksigen yang diberikan dan berapa vuolume gas N2O5 yang diperoleh? 8. Suatu gas yang dihasilkan selama fermentasi glukosa memiliki volume 7,46 liter pada 300K dan tekanan 1,0 atmosfeer. Berapa volume gas pada temperature fermentasi sebesar 36,5oC pada tekanan yang sama.? 9. Dalam suatu ruang tertutup sampel udara memiliki volume sebesar 2,5 liter pada saat tekanannya sebesar 1,2 atmosfeer. Berapa volume udara tersebut pada saat tekanan terukurnya sebesar 6,5 atmosfeer. Dan berapa pula tekanan yang dibutuhkan untuk membuat gas tersebut bervolume 2,5 cm3?

10. Gas oksigen diperoleh pada eksperimen fotosintesis invitro (dengan menggunakan penyinaran sinar UV pada ekstrak kloroplas) yang dikumpulkan dalam air berlebih.Volume gas yang terkumpul pada 22,00C dan tekanan 758,0 mmHg adalah 186 mL. Hitunglah massa oksigen yang diperoleh, jika tekanan uap air pada 22,00C adalah 19,8 mmHg dan Ptotal = PO2 + PH2O. 11. Suatu campuran berisi gas nitrogen dan oksigen dengan berat 3,50 g dan menempati volume 7,46 L pada 300 K dan 1,0 atm. Hitung prosen berat (%) dari kedua gas itu jika gas dianggap sebagai gas ideal. Diketahui : Massa atom relatip O = 16 dan massa atom relatip N = 14. 12. Suatu campuran yang berisi gas Helium (He) dan gas Neon (Ne) seberat 5,50 g menempati volume 6,8 L pada 300 K dan 1,0 atm. Hitunglah komposisi masing-masing komponen dalam campuran (dalam % berat), bila Massa atom relatip He = 4,00 dan massa atom relatip Ne = 20,00.

13. Suatu campuran yang berisi gas Helium (He) dan gas Neon (Ne) seberat 6,50 g menempati volume 6,8 L pada 300 K dan 1,0 atm. Hitunglah komposisi masingmasing komponen dalam campuran (dalam % berat), bila Massa atom relatip He = 4,00 dan massa atom relatip Ne = 20,00. 14. Suatu campuran yang berisi gas Helium (He) dan gas Neon (Ne) seberat 7,50 g menempati volume 7,8 L pada 300 K dan 1,0 atm. Hitunglah komposisi masingmasing komponen dalam campuran (dalam % berat), bila Massa atom relatip He = 4,00 dan massa atom relatip Ne = 20,00. 15. Suatu campuran yang berisi gas Helium (He) dan gas Neon (Ne) seberat 8,50 g menempati volume 8,8 L pada 300 K dan 1,0 atm. Hitunglah komposisi masingmasing komponen dalam campuran (dalam % berat), bila Massa atom relatip He = 4,00 dan massa atom relatip Ne = 20,00.

Hukum Termodinamika Ke-Nol dan Ke-I

2.1 PendahuluanTermodinamika merupakan suatu ilmu tentang dinamika/pergerakan panas. Panas secara terukur dapat diketahui secara tidak langsung yaitu melalui terjadinya perubahan temperature pada sekeliling benda panas tersebut. Panas juga merupakan hasil dari suatu perubahan bentuk energi. Dimana energi dapat berubah dalam bentuk panas dan kerja sistem atau dapat berubah dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain yang diperlukan. Energi tak dapat diciptakan dan dimusnahkan. Kejadian pada energi ini sama dengan peristiwa yang terjadi pada massa, dimana massa tak dapat diciptakan dan dimusnahkan, namun massa dapat berubah dari keadaan satu ke keadaan yang lainnya.

Skema Hukum Termodinamika

TermometriSuatu metoda untuk mengukur besar kecilnya temperatur sistem tertentu yang diinginkan dengan menggunakan alat yang dinamai termometer. Jenisnya ada bermacammacam tergantung pada isi dan besar kecilnya skala yang diperlukan. Ada termometer gas seperti termometer gas hidrogen, termometer gas nitrogen, dan ada juga termometer cair, seperti termometer air raksa, termometer alkohol, dan lain-lain.

Sistem yang dipakai pada termometer ini adalah perubahan volume, V pada setiap perubahan temperatur, T. Ada juga yang menggunakan sistem perubahan tekanan, P pada setiap perubahan temperatur, T. Yang secara matematisnya dapat ditulis, V ~ k T , {(V)/(T)} ~ k {(V)/(T)} = K ..(2.1) dan P ~ k T , {(P)/(T)} ~ k {(P)/(T)} = K

...(2.2)

Persamaan (2.1) dan (2.2) merupakan persamaan yang mirip dengan persamaan Charles dan Gay Lussac yaitu: V /T = K atau P /T = K Jika sistem A pada temperatur Ta, dam sistem B pada temperatur Tb. seperti gambar 2.1 berikut.

sistem A, Ta

sistem B, Tb

sistem A dan sistem B berdekatan,T

Gambar 2.1 Dua sistem suhu berbeda digabung menjadi satu sistem

y

Bila sistem A dan sistem B saling didekatkan, kemudian terjadi perubahan dimana sistem A memberikan panas kepada sistem B atau sistem B menerima sejumlah panas dari sistem A, sampai kedua sistem memiliki temperatur yang sama, T. Bila Ta > Tb dan berubah menjadi Ta = Tb = T atau perubahannya dapat diformulasikan menjadi, T = 0,5 (Ta + Tb) . ..(2.3)

y

y

y

Contoh lain lagi, Jika dipunyai tiga macam sistem yang berbeda yaitu sistem A, sistem B, dan sistem C dengan temperatur masing-masingnya Ta, Tb, dan Tc. seperti gambar 2.2 berikut

sistem B,Tb

sistem C,Tc

sistem A

B

Sistem sistem sistemberdekatan, A,Ta C

Gambar 2.2 Tiga sistem suhu berbeda digabung menjadi satu sistem

y

Apabila Ta > Tb, Tb > Tc atau Ta > Tb > Tc, dan ketiga sistem didekatkan sampai diperoleh temperatur T, maka T = 1/3 (Ta + Tb + Tc ).(2.4)

1. Pengukuran Temperatur. Bunyi hukum ke-nol termodinamika menyatakan bahwa: Jika zat A berada dalam kesetimbangan termal dengan zat B, dan zat B berada dalam kesetimbangan termal dengan zat C, maka zat C akan selalu berada dalam kesetimbangan termal dengan zat A. Temperatur Tinggi ke Temperatur Rendah Temperatur tinggi Temperatur rendah

Dinding Diathermal

Temperatur Sama Temperatur kiri Temperatur Kanan

Dinding Diatermal

T emperatur Rendah ke Temperatur Tinggi Temperatur rendah Temperatur tinggi

Dinding Diathermal

Contoh 1. Bila suatu berat seberat 65 kg. Berapa tekanan berat benda tersebut? a. Area sebesar 250 cm2 b. Area sebesar 2,0 cm2 Jawab: F = (65 kg) x (9,81 m s-2) = 640 N a. p = 640 N/2,50. 10-2 m2 = 2,6 10+4 Pa = 26 kPa. b. p = 640 N/2,0 10-4 m2 = 3,2 10+6 Pa = 3,2 MPa.

Atau seperti gambar berikut:A Kesetimbangan

Kesetimbangan Kesetimbangan C

B

Keterangan Gambar 2.2:Keadaan A berada dalam kesetimbangan termal dengan keadaan B, keadaan B berada dalam kesetimbangan termal dengan C dan keadaan C berada dalam kesetimbangan termal dengan keadaan A sampai semua dipunyai temperatur yang sama.

Pengukuran TekananTekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas. Bila gaya semakin besar mengenai suatu luasan maka tekanannya akan semakin besar. Simbol dari tekanan adalah P, memiliki satuan Pa (Pascal) adalah 1 newton per meter2 atau 1 Pa = 1 N m-2. untuk lebih jelasnya dapat dilihat dalam tabel 2.1 berikut.

Gambar 2.4:y y y y y y y y y y

a. Mengukur tekanan gas dari tekanan tinggi ke tekanan rendah Dinding yang dapat berubah TekananTinggi Tekanan rendah .

Gerakan Tekanan Mengukur tekanan gas dengan tekanan yang sama Dinding yang dapat berubah Tekanan kiri .

y y y y y y y y y y y y y y y

Tekanan kanan

Gerakan Tekanan Mengukur tekanan gas dari tekanan tinggi ke tekanan rendah Dinding yang dapat berubah Tekanan kiri Tekanan kanan

Gerakan Tekanan

Tabel 2.1 Satuan Tekanan

No 1 2 3 4 5 6

Nama Pascal Bar Atmosfeer Torr MiliMercuri Pound 1nci2

Simbol 1 Pa

Harga 1 Nm-2, 1 kg m-1s-2 1 Bar 105 Pa 1 Atm 101325Pa 1 Torr (325/760)Pa 133,322 Pa. 1 mHg 3,322..Pa 1 psi 894757..kPa

Tekanan diukur dengan barometer dengan satuan atmosfer. Pertama kali diperkenalkan seorang ahli bernama Torricelli, seorang murid dari Galileo. Tekanan memiliki rumus p =F/A = Ahg/A = gh. p = pex + gh y Tekanan sample gas diukur dengan manometer, Seperti pada gambar 1.2 berikut.y

2. Hitunglah perubahan tekanan bila massa seberat 1,0 kg dengan area sepanjang 1,0.10-2 mm2 pada permukaan tanah ? Jawab: F=(1,0kg)x(9,81ms-2)=9,81N=0,98GPa. . P= 9,81 N/1,0 10-2 mm2 =(9,81/10-4) atm= 0.981 10+5 atm.

a yby y

Dua komponen alat manometer pengukur tekanan gas.a. Perbedaan tinggi h dari dua component dalam seal tabung manometer searah dengan temperature sample dan p = gh, dan = tekanan cairan. b. Perubahan tinggi colomn dalam open tabung manometer sebanding antara tekanan perubahan dengam sample dan atmosfer. Ini ditunjukan bahwa, tekanan sample lebih kecil dari pada tekanan atmosfer.

2.4 Energi Dalamy

Energi yang ada di alam semesta terbagi menjadi 3 bagian yaitu energi kinetic (Ek), energi potensial (Ep) dan energi dalam (Ein). Bila sistem dalam keadaan istirahat, maka energi kinetik dan energi potensialnya = 0, yang berarti bahwa Ek = 0 dan Ep = 0, sehingga Energi sistem = E = Ein. Ein tidak perlu diketahui besarnya secara keseluruhan dalam suatu sistem, disamping itu belum ada cara yang pasti (belum ada formulasi) untuk menentukannya, yang terpenting justru bagaimana dapat menentukan perubahan energi dalam sistem itu atau perubahan energi sistem, E. Sehingga E = Ein = Eakhir - Eawal. Bila perubahannya dari keadaan 1 ke keadaan 2, maka energi sistemnya, E = Ein = E2 - E1

y

Energi dalam pada sistem kimia terdiri dari gabungan beberapa energi yaitu energi tranlasi, Et, energi vibrasi, Ev, energi rotasi, Er, energi elektronik, Ee, dan energi inti, En. E = Ein = Et + Ev + Er + Ee + En.(2.6) Dari ke lima macam energi ini ternyata memiliki kuantitas yang berbeda-beda dengan urutan sebagai berikut: Et < Ev < Er < Ee < En E = Q + W .......(2.7) Energi dalam = panas (kalor) + kerja

Panas/Kalor/Tenaga Panas

Panas diberi symbol Q,merupakan bentuk lain dari perubahan energi, demikian pula dengan kerja. Panas dapat saja berubah menjadi kerja dalam bentuk lain.

Perubahan PanasBila suatu benda yang terbuat dari logam dalam bentuk kawat atau lempengan diatasnya diberi pijaran logam yang sangat panas, maka panas dari pijaran tersebut akan menyebar ke lingkungan sekitarnya melalui hantaran atau radiasi panas sebagaimana gambar 2.1 y Energi yang berpindah dari benda panas menuju lingkungannya atau menuju benda yang tidak panas disebut dengan panas atau kalor.y

y

Panas bergerak dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah. Setiap benda memiliki energi masing-masing yang berhubungan dengan gerak acak dari atomatom atau molekul-molekul penyusunnya. Energi dalam (E) suatu benda berbanding lurus terhadap temperature benda (T). Ketika dua benda dengan suhu berbeda bergandengan, maka akan terjadi pertukaran energi dalam (energi internal) sampai suhu kedua benda tersebut seimbang/sama.

Jumlah energi yang disalurkan adalah sama dengan jumlah energi yang tertukar. Dalam hal ini kesalahan umum yang sering terjadi adalah menyamakan panas dan energi internal, padahal ini jelas-jelas berbeda. y Perbedaan itu akan terlihat pada hukum Termodinamika I yaitu tentang hubungan pertukaran energi dalam dengan kerja yang dilakukan oleh sistem. y Sedangkan energi dalam merupakan penjumlahan dari panas dan kerja yang dilakukan oleh sistem.y

Notasi PanasBila suatu benda melepas panas ke sekitarnya, maka jumlah panas akan lebih kecil dari nol (Q < 0). Ketika benda menyerap panas dari sekitarnya, maka akan sebaliknya (Q > 0). y Jumlah panas, kecepatan hantaran panas, dan flux panas semuanya dinyatakan dalam perbedaan permutasi panas dengan huruf Q (jumlah panas). Q = mc(t (2.1)y

di mana: Q adalah banyaknya kalor/jumlah panas (joule); m adalah massa benda (kg); c adalah kalor jenis (joule/kg C); dan (t adalah perubahan suhu (C). y Sedangkan, Kecepatan hantaran panas atau hantaran panas per unit (Watt) dirumuskan: Q. = dQ/dt (2.2)y

Flux panas (q) didefinisikan sebagai jumlah panas per satuan waktu per luas area (watt/meter2), y Biasanya dinotasikan sebagai Q atau q atau Q..y

Perubahan Suhu dan PanasJumlah energi panas ( Q) yang dibutuhkan suatu benda digunakan untuk mengganti perubahan suhu dari suhu awal (T0) ke suhu akhir (Tf) tergantung dari kapasitas panas dari benda tersebut. y Jumlah energy panas ditentukan dengan persamaan: (2.3)y

Kapasitas panas (Cp) tergantung dari berapa jumlah material yang mengalami pertukaran panas dan sifat-sifat material tersebut. y Penentuan kapasitas panas dapat ditentukan dengan beberapa cara, yaitu: y Sebagai perkalian antara masa (m) dan kapasitas panas spesifik (cs ) atau lebih umum disebut panas spesifik: Cp = mcs (2.4)y

Sebagai perkalian antara jumlah mol (n) dan kapasitas panas molar (cn): Cp = ncn (2.5) y Jumlah mol (Molar) dan kapasitas panas spesifik sangat bergantung pada sifat-sifat fisik dari material yang dipanasi, dan tidak tergantung dari sifat-sifat spesifik material. y Definisi kapasitas panas tersebut diatas hanya berlaku untuk benda padat dan cair, sedangkan untuk gas tidak dapat diberlakukan seperti pada umumnya.y

Kapasitas panas molar dapat dimodifikasi bila perubahan suhunya terjadi pada volume tetap atau pada tekanan tetap. y Bila tidak, berarti harus menggunakan hukum pertama Termodinamika yang dikombinasikan dengan persamaan yang menghubungkan antara energi internal gas tersebut terhadap suhunya.y

Contoh: Contoh:Jika 2,34 gram zat pada 22oC dengan kapasitas panas 3,88 cal/g.oC adalah panas dengan 124 cal of energi. Berapa temperature baru zat itu? y Jawab: y T= q/mC T=(124)/(2.34)(3.88) = 13.7C y Tbaru=22oC+13.7oC=35.7Cy

2.6 Kerja/Tenaga Kerja Kerja/Dalam mekanika klasik kerja (W) didefinisikan sebagai gaya (F) kali jarak (S), W = F . S. Dalam termodinamika pengertian kerja menjadi lebih terkonsepkan karena pengertiannya dikaitkan dengan wilayahnya, ada kerja mechanic, kerja permukaan (surface work), kerja listrik (electrical work), kerja magnet (magnetic work), kerja gravitasi (gravitational work), dan kerja ekspansi (expansion work).

kerja memiliki dimensi kg m2s-2 atau joule. Pada proses exspansi h2>h1 , sehingga hasil kerjanya berharga negatip ini berarti system mengenai kerja pada keliling dengan hasil kerja berharga negatip (-), tetapi bila kerja dilakukan pada proses kompressi (tekanan semakin kecil), maka h = h2- h1, h2 pexy

w = - pex dvBila beda pin dan pex cukup kecil maka pin pex = dp pex = pin dp, sehingga w = - (pin dp) dv w = - pin dv w = - nrt/vdv w = - nrt ln v2/v1 w = - nrt ln p1/p2 bila, p1v1 = p2v2 (hukum boyle)

Contoh Soal:1.Suatu gas ideal sebanyak 0,850 mL pada tekanan 15,0 atm dengan temperature 300K dilakukan kerja ekspansi secara isothermal sampai tekanan akhirnya menjadi 1,00 atm. Hitunglah kerja yang dialami oleh ekspansi tersebut , bila y a. ekspansi melawan tekanan vacuum. y b. ekspansi melawan tekanan luar sebesar 1,00 atm. y c. ekspansi secara reversible.

Penyelesaian:y

y

Diketahui: V = 0,850 mL P = 15,0 atm T = 300K Diekspansi sampai tekanannya menjadi 1,00 atm. Ditanya:Melawan Vacum? Melawan Pex = 1,0 atm? Secara reversibel?

Jawab:a. Pex = 0, - Pex . V = 0, tidak ada kerja yang terbentuk b. W = - Pex (V2 V1) Semenjak, PV = nRT, Maka: V1 = nRT/P1, V2 = nRT/P2 dan Pex = P2 Sehingga, W = - Pex . (V2 - V1) = - P2 (V2 V1) W = - nRTP2(1/P2 - 1/P1) W = - (0,850 mol).(0,08206 liter. Atm. K-1 .mol-1).(300 K).(1,00 atm).(1/1,00 atm -1/15,0 atm) W = - 19,5 liter . atm W = - 1980 J

Dimana :1 liter . atm = 101,34 J c. W = - nRT ln P1/P2 W = - (0,850 mol) (8,314 J.K-1. mol-1).(300 K) ln (15,0/1,0) W = - 5740 J.

Hitunglah kerja ekspansi yang dialami oleh 50,0 gram air yang dielektrolisis pada tekanan tetap dengan temperatur 25oC? Penyelesaian: Diketahui: 50,0 gram air yang dielektrolisis pada tekanan tetap pada temperatur 25oC2.Air sebanyak 50,0 gram = 50,0/18 mol = 2,8 mol. Air = 50 gram, d air = 1,0 gram/cc V air = 50 .1,0 = 50 cc.

Reaksi yang terjadi: 2H20 + 2e H2 + 2OH2,8 mol 1,4 mol nt = (2,8 + 1,4) mol = 4,2 mol. 2H20 4H+ + O2 + 4e 2,8 mol 1,4 mol nt = 2,8 mol + 1,4 mol = 4,2 mol. y Menghitung Kerja yang dilakukan W = - Pex .V W = - Pex. (nRT/Pex) W = - nRT W = - 1,4 . 8,314 . 298,15 = -3470,35 J = -3,5 KJ W = - 4,2 . 8,314 . 298,15 = - 10411,8 J = -10,4 KJy

Soal 3Hitunglah kerja yang dialami bilamana 50,0 gram air bereaksi dengan HCl ?, bila, a. Tabung tertutup pada V tetap ? b. Pada beker glass terbuka pada 25oC ?

Jawab: Jawab:a. V tetap W=0 b. W = - Pex . V , karena V = Vf Vi = nRT/Pex W = - nRT Fe(s) + 2HCl(aq) FeCl2(aq) + H2(g)50/55,85) mol Fe setara dengan (55/55,85) molH2

Sehingga W = - 50/55,85 x 8,314 x 298,15 W = - 2,2 KJ

Contoh soaly

y

Sebuah silinder berisi 2,00 L gas bertekanan 1,00 atm dengan tekanan luar 1,00 atm. Gas dalam silinder yang berpiston dapat bergerak bebas, dan dipanaskan perlahan-lahan untuk menjaga tekanan gas mendekati 1,00 atm. Bila pemanasan berlanjut sampai volume akhir mencapai 3,50 L. Hitunglah berapa kerja yang dilakukan pada gas itu (dalam joule)? Penyelesaian Ekspansi system dari 2,00 L menjadi 3,50 L melawan tekanan luar konstan sebesar 1,00 atm. Maka kerja yang dilakukan adalah: W = - Pekst V = -(1,00 atm)(3,50 L -2,00 L) = -1,50 L atm Perubahannya dalam joule memberikan hasil: W = (-1,50 L atm)(101,325 J L-1 atm-1) = -152 J Karena harga W negative, maka dapat dikatakan bahwa: kerja -152 J dilakukan pada gas atau kerja +152 J dilakukan oleh gas.

Contoh soal.Hitung kalor dan kerja yang berhubungan dengan proses di mana 5,00 mol gas berekspansi secara reversible pada suhu tetap T=298K dari tekanan 10,0 atm ke 1,00 atm. Penyelesaian Pada proses (n,T ) tetap, Maka, W = - nRT ln = - (5,00 mol)(8,315 J K-1 mol-1)(298 K) ln 10,0 = - 2,85 x 104 J W = -2,85 kJ Q = -W = 2,85 kJ

Contoh soal.Gas ideal monoatomik sebanyak 5,00 mol pada suhu 298 K dan tekana 10,0 atm diekspansi secara adiabatic reversible sampai tekanannya menjadi 1,00 atm. Hitunglah: y a.Volume dan suhu akhirnya? y b. Perubahan energy dan entalpinya? y c. Besarnya kerja yang dilakukan?. Penyelesaian y a.Volume awal gas adalah V1 = y Dari nisbah kapasitas panas/kalor untuk gas monoatomik adalahy y

b. Untuk proses adiabatic reversible, berlaku: V2 = (12,2 L)= 48,7 L Suhu akhir proses sekarang dapat dihitung dari hukum gas ideal yaitu: T2 = =119 K c. Kerja yang dihasilkan dan perubahan energy dapat ditemukan dari, W = E = nCvT = (5,00 mol)(3/2 x 8,315 JK-1mol-1)(119K298K) = -11,200 J Perubahan entalpinya adalah: H = nCpT = (5,00 mol)(5/2 x 8,315 JK-1mol- 1)(119K298K) = -18,600 J

Sekian dan TERIMA KASIH