Hukum Pertama Thermodinamika

Hukum Pertama Thermodinamika

Energi dalam, kalor dan kerja

Energi dalam

Energi dalam(U) merupakan keseluruhan energi potensial dan energi kinetik zat-zat yang tersimpan dalam suatu sistem. Energi dalam merupakan suatu fungsi keadaan, besarnya hanya tergantung pada keadaan sistem . Apabila sistem mengalami perubahan keadaan, dari keadaan 1(energi dalam U1) ke keadaan 2 (energi dalam U2), maka perubahan energi dalamnya sebesar U

U = U2 – U1

Dalam hal perubahan yang sangat kecil U dituliskan dalam bentuk diferensial, dU

Kalor

Merupakan energi yang terbentuk karena adanya perpindahan energi pada batas-batas sistem, hal ini sebagai akibat adnaya perbedaan temperatur yang terdapat anatara sistem dan lingkungan.Kalor disimbolkan dengan q. q dinyatakan positif apabila kalor

masuk ke dalam sistem dan berharga negatif apabila kalor keluar dari sistem .

Kerja

Kerja disimbolkan dengan w, merupakan energi bukan kalor yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi pada sistem dan lingkungan. Kerja ini dapat berupa kerja

listrik, kerja mekanik, kerja permukaan dst. W dianggap positif jika sistem menerima kerja dan w negatif jika sistem melakukan kerja

a. Konsep Hukum Pertama Thermodinamika

Hukum ini pada dasarnya merupakan perumusan hukum kekekalan energi dalam bentuk persamaan sederhana; U = q + W.

Pada persamaan ini, U menyatakan energi dalam sistem, merupakan suatu fungsi keadaan, besarnya hanya tergantung pada keadaan sistem.. Kerja yang dilakukan lingkungan terhadap sistem menyatakan bahwa perubahan energi dalam sistem sama

dengan penjumlahan energi yang ditambahkan kedalam bentuk panas dan energi yang

diterima sistem sebagai kerja yang dilakukan lingkungan terhadap sistem itu.

Kerja yang penting dalam proses kimia ialah kerja tekanan volum-volum (kerja PV). Kerja seperti itu dilakukan jika sistem mengadakan pemuaian (ekspansi) atau mengalami penyusutan (konstraksi) terhadap tekanan luar (P lingkungan).

W = -P V

Persamaan ini berlaku jika tekanan luar tetap. Untuk perubahan tekanan volum yang lebih umum, yaitu tekanan tidak tetap, kita dapat menghitung kerja dengan cara pertama-tama mendefinisikan bahwa perubahan volum dV menghasilkan dW. Kerja total yang dilakukan,

dapat dinyatakan dengan persamaan;  Kerja total yang dilakukan dapat dinyatakan dengan persamaan;

Jika tekanan luar konstan selama ekspansi, maka P lingk dapat dikeluarkan dari tanda integral.

Bagi proses yang berlangsung pada volum tetap maka W berharga nol, sehingga persamaan dapat ditulis; U = q + O (V tetap)          U = qV

Jadi U merupakan panas yang diserap atau dilepaskan sistem pada proses yang berlangsung pada volum tetap. Entalpi (H) dapat dinyatakan sebagai berikut; H = U + PV Dengan demikian perubahan entalpi dinyatakan dengan persamaan;

H = U + (PV)

= q + W + (PV)

= q p

Jadi perubahan entalpi sama dengan panas yang diserap atau dilepaskan sistem jika proses berlangsung pada tekanan tetap. Untuk proses eksotermis H berharga negatif,

sedangkan untuk proses endotermis H berharga positif. Jika gas dihasilkan atau digunakan selama reaksi, H dan U sangat berbeda. Karena untuk gas ideal berlaku PV = n RT maka jika temperatur tetap, berlaku (PV) = (n)RT, dengan demikian persamaan menjadi;

H = U + (n)RT

Jika H dan U dalam satuan kalori, maka tetapan gas ideal R = 1,987 kal/mol.K

Aplikasi Hukum Pertama Thermodinamika Pada Sistem Kimia Termokimia Termokimia adalah studi tentang efek panas yang terjadi baik dalam proses fisis maupun dalam reaksi kimia.

1) Pengertian Kalor Reaksi

Kalor reaksi adalah energi yang dipindahkan dari atau ke sistem (ke atau dari lingkungan), sehingga suhu zat-zat hasil reaksi menjadi sama dengan suhu campuran zat-zat pereaksi.

Besarnya kalor reaksi bergantung pada kondisi reaksi. Bagi reaksi pada volume tetap; kalor reaksi = qv. Bagi reaksi pada tekanan tetap; kalor reaksi = qp. Pada umumnya; qv

qp.

2) Kalor Reaksi Pada volume Tetap

Bagi reaksi yang dikerjakan pada volume tetap dapat ditulis U = qv + w. Jika sistem

hanya dapat melakukan kerja ekspansi, maka pada kondisi volume tetap, w = o, sehingga; qv = U. Jadi, kalor pereaksi pada volume tetap adalah sama dengan perubahan energi dalam sistem.

3) Kalor reaksi Pada Tekanan Tetap

Jika reaksi dikerjakan pada tekanan tetap, maka menurut persamaan, w = -pV, sehingga persamaan dapat ditulis; U = qp - pV. Persamaan ini dapat diubah menjadi;

(U + pV) = qp. Besaran U + pV disebut entalpi; H = U + pV.

H merupakan fungsi keadaan, dapat ditulis; qp = H.

Kalor reaksi pada tekanan tetap adalah sama dengan perubahan entalpi sistem.

4) Hubungan antara H dan U

H = U + pV

H = U + (pV)

Bagi reaksi gas ideal, (pV) = (n RT) = (n)RT, sehingga; H = U + (n)RT.

Persamaan ini memberikan hubungan antara H dan U pada suhu yang sama. Bagi reaksi yang tidak menyangkut gas, (pV) kecil sekali dibandingkan terhadap H dan U, sehingga dapat diabaikan. Dalam hal ini H = U.

Contoh; C(s) + O2(g) CO2(g), H = -393,5 kJ (pada 298 K)

n = 0

U = H = -393,5 kJ

5) Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperature sistem sebanyak satu derajat.

6) Penentuan Kalor Reaksi secara Eksperimen (Kalorimetri)

Penentuan ini hanya dapat dilakukan pada reaksi-reaksi berkesudahan yang berlangsung dengan cepat, seperti misalnya;

Reaksi pembakaran, C(s) + O2(g) CO2(g)

Reaksi penetralan, NaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H2O(l)

Reaksi pelarutan, Na2CO3(s) + aqNa2CO3(aq)

Kebanyakan penentuan ini didasarkan atas pengukuran kenaikkan atau penurunan temperatur dari air atau larutan dalam kalorimeter. Kalorimeter merupakan suatu alat yang terdiri dari bejana yang dilengkapi pengaduk dan termometer . Kalorimeter ini diselimuti oleh penyekat untuk meminimalkan perpindahan panas dari sistem ke lingkungan ataupun darim lingkungan ke sistem . Apabila reaksi yang diamati adalah reaksi eksoterm maka panas yang dilepaskan dari reaksi alan meningkatkan temperatur bahan dalam kalorimeter. Banyaknya energy panas yang dilepaskan tadi dapat dihitunngdengan menggunakan hukum kekekalan energi, yaitu panas yang diserap oleh bahan dalam kalorimeter dan yang diserap oleh kalorimeter sendiri sama dengan panas yang dilepaskan oleh reaksi. Panas yang diserap oleh kalorimeter (harga air kalorimeter ) ditentukan terlebih dahulu dengan menmbahkan sejumlah energi panas yang diketahui ke dalam sistem dan kemudian mengukur kenaikan temperatur sistem. Panas yang diserap oleh bahan yang terdapat dalam kalorimeter dihitung dengan mengalikan massa bahan pengisi calorimeter dengan kapasitas panas bahan tersebut.Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada lembar kerja.

7) Perhitungan Kalor Reaksi

a) Perhitungan H dengan menggunakan Hukum Hess

Metoda ini terutama digunakan untuk menentukan entalpi reaksi dari reaksi-reaksi yang tidak dapat dipelajari secara eksperimen, misalnya C(s) + ½ O2(g) CO(g).

Hukum Hess (1840); Kalor reaksi dari suatu reaksi tidak bergantung pada apakah reaksi tersebut berlangsung dalam satu tahap atau dalam beberapa tahap.

Dengan kata lain; Kalor reaksi itu hanya bergantung pada keadaan awal (pereaksi) dan pada keadaan akhir (produk). Contoh; C(s) + ½ O2(g) CO(g), H =?

H dari reaksi ini hanya dapat ditentukan secara tidak langsung melalui entalpi pembakaran C(s) dan entalpi pembakaran CO(g).

C(s) + O2(g) CO2(g) H = -393,5 kJ

CO(g) + ½ O2(g) CO2(g) H = 283,0 kJ

C(s) + ½ O2(g) CO(g) H = -110,5 kJ

b) Perhitungan Entalpi Reaksi dari data Entalpi Pembentukan Standar.

Entalpi pembentukan standar suatu senyawa (Hf0) = perubahan entalpi yang terjadi dalam reaksi pembentukan satu mol senyawa, dalam keadaan standar, dari unsur-unsurnya, juga dalam keadaan standar.

Energi dalam(U) merupakan keseluruhan energi potensial dan energi kinetik zat-zat yang tersimpan dalam suatu system.

Kerja

Kerja disimbolkan dengan w, merupakan energi bukan kalor yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi pada sistem dan lingkungan. Kerja ini dapat berupa kerja

listrik, kerja mekanik, kerja permukaan dst. W dianggap positif jika sistem menerima kerja dan w negatif jika sistem melakukan kerja

Konsep Hukum Pertama Thermodinamika

Hukum ini pada dasarnya merupakan perumusan hukum kekekalan energi dalam bentuk persamaan sederhana. U = q + W.

Pada persamaan ini, U menyatakan energi dalam sistem, merupakan suatu fungsi keadaan, besarnya hanya tergantung pada keadaan sistem.. Kerja yang dilakukan lingkungan terhadap sistem menyatakan bahwa perubahan energi dalam sistem sama dengan penjumlahan energi yang ditambahkan kedalam bentuk panas dan energi yang diterima sistem sebagai kerja.

Advertisement