Hukum I termodinamika
-
Upload
bughis-berkata -
Category
Documents
-
view
3.733 -
download
9
description
Transcript of Hukum I termodinamika
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
1. Beberapa konsep dan pengertian dasar2. Hukum Pertama Termodinamika3. Fungsi Entalpi dan Perubahan Entalpi4. Kapasistas Kalor5. Proses ekspansi Joule-Thomson6. Termokimia
1 Beberapa Konsep dan Pengertian Dasar
1.1. Sistem dan Lingkungan
Sistem :
- bagian dari alam semesta yang menjadi pusat perhatian.
- dapat berupa zat atau campuran zat yang dipelajari sifat-sifatnya
Lingkungan :
Segala sesuatu di luar sistem
Sistem terpisah dari lingkungannya dengan batas-batas
Antara sistem dan lingkungan dapat pertukaran energi dan materi
Berdasarkan pertukaran ini dapat dibedakan 3 macam sistem.
(a)Sistem terbuka
pertukaran materi dan energi
(b)Sistem tertutup
pertukaran energi
(c) Sistem tersekat
tidak ada pertukaran
1.2. Keadaan Sistem dan Fungsi Keadaan
Suatu sistem berada dalam keadaan tertentu jika semua sifat-sifatnya mempunyai harga tertentu yang tidak berubah dengan waktu.
Keadaan sistem ditentukan oleh sejumlah parameter atau variabel (suhu, tekanan, volume, jumlah zat, komposisi, energi dalam, entropi).
Jumlah parameter yang diperlukan bergantung pada sistem
Contoh :
Suatu gas tunggal memerlukan tiga variabel :
- jumlah mol
- tekanan
- volume
- Variabel intensip
tidak bergantung pada ukuran sistem
contoh : tekanan, suhu, medan listrik, rapat massa, dsb.
- Variabel ekstensip
bergantung pada ukuran sistem
contoh : massa, volume, energi dalam, entropi dsb.
Variabel sistem :
Setiap variabel yang harganya hanya bergantung pada keadaan sistem (keadaan awal dan akhir) dan tidak bergantung pada bagaimana mencapai keadaan itu : fungsi keadaan
Contoh fungsi keadaan : suhu, tekanan, volume, energi dalam, entropi
Setiap fungsi keadaan dapat dinyatakan
sebagai fungsi dari suatu set variabel yang
cukup untuk menentukan keadaan sistem.
Untuk gas ideal,
V = V (n, T, P)
P = P (n, T, V) atau
T = T (n, P, V)
Diferensial dari setiap fungsi keadaan : diferensial total
x : fungsi keadaan dx : diferensial total
Sifat-sifat dx
12
2
1.1 xxdx
0dx.2
Jika x adalah fungsi dari y dan z, maka
x = f (y,z)
dzNdyMdzyz
xdyzy
xdx
dimana
yz
xNdanzy
xM
zy
Nyz
M
1.3. Perubahan Keadaan
Jika suatu sistem mengalami perubahan keadaan, maka perubahan ini sudah tertentu jika keadaan awal dan keadaan akhir sistem diketahui
Urutan keadaan yang dilalui sistem dalam perubahan : jalannya perubahan
Perubahan keadaan yang berlangsung melalui jalan tertentu : proses
Reversibel Tidak reversibel
- Proses dapat dibalikkan arahnya
- Proses harus berlangsung sedemikian lambatnya sehingga setiap keadaan yang
dilewati berada dalam kesetimbangan
1.4. Kalor dan Kerja
Kalor, q
Energi yang dipindahkan melalui batas-batas sistem sebagai akibat langsung dari perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan
Perjanjian :
q : +, kalor masuk ke dalam sistem
q : -, kalor keluar dari sistem
Jumlah kalor yang dipertukarkan antara sistem dan lingkungan bergantung pada cara perubahan berlangsung
q bukan fungsi keadaan
dq bukan diferensial total
Kalor hanya punya arti dalam suatu perubahan
Kerja, w :
Energi (bukan kalor) yang dipertukarkan antara sistem dan lingkungan dalam suatu perubahan keadaan.
Perjanjian :
w : +, lingkungan melakukan kerja
(proses pemanpatan gas)
w : -, sistem melakukan kerja
(gas memuai thp tekanan atmosfer)
Salah satu bentuk kerja yang penting : kerja yang berhubungan dengan perubahan volume sistem- Kerja ekspansi (terjadi kenaikan volume)- Kerja kompresi (terjadi penurunan volume)
Besarnya w bergantung pada cara jalannya perubahan.
w bukan fungsi keadaan
dw bukan diferensial total
2. Hukum Pertama Termodinamika
Dalam termodinamika, energi total sistem disebut energi dalam, U.
Bentuk-bentuk energi : energi translasi, rotasi, vibrasi, elektronik dsb)
U, perubahan energi dalam ditunjukkan jika sistem berubah dari keadaan awal I dengan energi dalam Ui menjadi keadaan akhir f dengan energi dalam Uf
U = Uf - Ui
Energi dalam : fungsi keadaan
Kekekalan energi
Secara eksperimen, energi dalam sistem dapat diubah dengan melakukan kerja pada sistem atau dengan pemanasan
Satuan energi dalam, kalor dan kerja sama
Satuan SI untuk ketiganya adalah Joule, J
(1 J = kg m2 det-2)
Perbedaan antara kerja dan kalor terhadap lingkungannya:
Kerja : transfer energi yang mengubah gerakan atom pada lingkungannya dengan cara yang seragam
- naik turunnya suatu materi (transfer energi dengan melakukan kerja).
- pencairan es di sekitar lingkungannya (transfer energi sebagai kalor)
Transfer energi dapat diketahui melalui :
Kalor : transfer energi yang mengubah gerakan atom dalam lingkungannya secara acak.
Perubahan energi dalam dari sistem tertutup sama dengan energi yang ditransfer melalui batas-batas sistem sebagai kalor atau kerja
U = q + w (2.1)
Persamaan ini merupakan bentuk matematik dari hukum pertama termodinamika.
Hukum ini adalah hukum kekekalan energi, energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan.
Kimia Fisika BabII-2 23
U = q + w atau dU = dq + dw
dq dan dw harus dapat dihubungkan dengan kejadian-kejadian yang terjadi pada lingkungannya.
Yang pertama akan ditinjau adalah kerja ekspansi, kerja yang timbul karena adanya perubahan volume.
Kerja ini termasuk kerja yang dilakukan gas karena mengalami ekspansi.
Kimia Fisika BabII-2 24
Kerja ekspansi
Dalam termodinamika, perhatian sering diberikan pada kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem karena adanya ekspansi.
Kerja ini dapat dihitung dengan memperhatikan gambar berikut:
Kimia Fisika BabII-2 25
Jika tekanan luar = Pe, gaya pada permukaan luar dari piston adalah :
F = - Pe A
Perhatikan sejumlah gas yang berada dalam sebuah silinder yang dilengkapi dengan piston (pengisap).
Kimia Fisika BabII-2 26
Cara lain untuk mengekspresikan sifat kuasistatik dari proses adalah dengan menyatakan bahwa lingkungan harus tetap dalam kesetimbangan internal (tidak ada energi atau materi mengalir dari satu daerah lingkungan ke daerah lingkungan lainnya jika piston berhenti).
Misalkan gerakan piston : kuasistatik (sangat lambat dibandingkan dengan tiap proses yang menyebarkan energi dan materi ke lingkungan).
Kimia Fisika BabII-2 27
Perhitungan kerja dimulai dari definisi yang digunakan dalam fisika : kerja yang diperlukan untuk menggerakan suatu obyek sejauh dz terhadap gaya, F adalah :
dw = - F dz
Tanda negatif menunjukkan bahwa jika sistem menggerakan obyek sejauh dz terhadap gaya, energi dalam sistem yang melakukan kerja akan berkurang.
Kimia Fisika BabII-2 28
dw = - Pe A dz
A dz = dV
dw = - Pe dV
Kerja yang dilakukan oleh gas jika volume berubah dari V1 ke V2 dapat diperoleh dengan mengintegralkan persamaan.
Jika sistem terekspansi secara kuasistatik melalui jarak dz terhadap tekanan eksternal Pe, kerja yang dilakukan adalah :
Kimia Fisika BabII-2 29
Harga dari integral ini hanya dapat dihitung jika Pe dapat dinyatakan sebagai fungsi dari V
dVP-dw2
1
V
V
e
Beberapa keadaan khusus :
1. Pe = 0, jika gas memuai terhadap keadaan vakum, dw = 0 atau w = 0. Proses ini disebut ekaspansi bebas
Kimia Fisika BabII-2 30
2. Pe tetap (ekspansi terhadap tekanan tetap),
dVP-dw2
1
V
V
e
VP
)VV(PdVPw
e
V
V
12ee
2
1
Kimia Fisika BabII-2 31
3. Pe = P + dP, yaitu bila proses pemuaian
berlangsung reversibel
dVP-w2
1
V
V
erev
dVdP)(P-w2
1
V
V
rev
dVdPdVP-w2
1
2
1
V
V
V
V
rev
Kimia Fisika BabII-2 32
Oleh karena suku kedua pada ruas kanan sangat kecil dibandingkan suku pertama, maka
dimana P = tekanan gas
Harga integral ini dapat dihitung jika persamaan keadaan dari gas yang bersangkutan diketahui.
dVP-w2
1
V
V
rev
Kimia Fisika BabII-2 33
Untuk gas ideal (P = nRT/V),
Jika persamaan keadaan tidak diketahui, maka harga integral dapat dievaluasi secara grafik.
2
1
2
1
V
V
V
V
rev V
dVTRn-dV
V
TRn-w
1
2rev V
VlnTRn-w
Kimia Fisika BabII-2 34
Selain kerja ekspansi, ada kerja-kerja yang lain yang dapat dinyatakan dengan paramater-parameter sistem jika perubahan berlangsung reversibel. Secara umum dapat dinyatakan sebagai :
dwrev = X dx, X = faktor intensip, x = faktor ekstensip
Kimia Fisika BabII-2 35
Jenis Kerja Faktor Intensip Faktor Ekstensip
Kerja, dW = xdx
Kerja ekspansi Tekanan, P Volume, V - P dV
Kerja mekanik Gaya, F Jarak l F dl
Kerja listrik Petensial, E Muatan listrik, C
E dC
Kerja magnetik Medan
magnet, X
Magnetisasi, M X dM
Kerja permukaan
Tegangan permukaan,
Luas , A
dA
Kimia Fisika BabII-2 36
3. Fungsi Entalpi dan Perubahan Entalpi
Kebanyakan reaksi-reaksi kimia dilaksanakan pada tekanan tetap yang sama dengan tekanan atmosfer.
Jadi,
dU = dqP – P dV
Jika persamaan diintegrasi, maka
U2 – U1 = qP – P (V2 – V1)
Kimia Fisika BabII-2 37
Karena P1 = P2 = P
(U2 + P2 V2 ) - (U1 + P1 V1 ) = qP
H = U + PV
Jadi,
H2 – H1 = qP
Oleh karena U, P dan V adalah fungsi keadaan, maka (U + PV) juga merupakan fungsi keadaan. Fungsi ini disebut entalpi, H
Kimia Fisika BabII-2 38
H = kalor reaksi pada tekanan tetap
atau
H = qP
4. Kapasitas kalor
Kapasitas kalor suatu sistem didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sistem sebanyak satu derajat
Kimia Fisika BabII-2 39
Karena dq bergantung pada jalannya perubahan, maka sistem mempunyai harga-harga untuk kapasitas kalor. Yang paling penting adalah kapasitas kalor pada volume tetap dan pada tekanan tetap.
dT
dqC
Kimia Fisika BabII-2 40
Jika kerja yang dilakukan oleh sistem terbatas pada kerja ekspansi, maka dq = dU + P dv
dT
dVPdUC
Pada volume tetap, C = CV dan dV = 0
V
VV dT
U
dT
dqC
4.1. Kapasitas kalor pada volume dan tekanan tetap
Kimia Fisika BabII-2 41
Menurut persamaan ini, kapasitas kalor pada volume tetap sama dengan perubahan energi dalam per derajat kenaikan suhu pada volume tetap.
Kapasitas kalor pada tekanan tetap dapat diturunkan sebagai berikut
PP
PP T
VP
T
U
dT
dqC
Kimia Fisika BabII-2 42
H = U + P V
Pada P tetap,
dH = dU + P dV
Sehingga
PPP T
VP
T
U
T
H
P
PP T
H
dT
dqC
Kimia Fisika BabII-2 43
Jadi, kapasitas kalor pada tekanan tetap sama dengan penambahan entalpi sistem per derajat kenaikan suhu pada tekanan tetap.
4.2. Hubungan antara CP dan CV
VPVP T
U
T
HCC
PPP T
VP
T
U
T
H
Kimia Fisika BabII-2 44
Sehingga
Energi dalam, U, dapat ditinjau sebagai fungsi dari suhu dan volume.
U = f (T, V)
VPPVP T
U
T
VP
T
UCC
dVV
UdT
T
UdU
TV
Kimia Fisika BabII-2 45
Jika persamaan dibagi dT pada P tetap, maka
PTVP T
V
V
U
T
U
T
U
Sehingga,
VPPTVVP T
U
T
VP
T
V
V
U
T
UCC
Kimia Fisika BabII-2 46
PPTVP T
VP
T
V
V
UCC
PTVP T
VP
V
UCC
Untuk gas ideal, energi dalam hanya terdiri atas energi kinetik translasi sehingga energi ini hanya bergantung pada suhu.
0V
U
T
Kimia Fisika BabII-2 47
Untuk gas ideal, P = nRT/V
PVP T
VPCC
P
Rn
T
V
P
Sehingga untuk gas ideal berlaku
CP – CV = n R
Untuk n = 1, CP – CV = R
Kimia Fisika BabII-2 48
Pada umumnya kapasitas kalor merupakan fungsi dari suhu.
Fungsi ini biasanya dinyatakan secara empiris sebagai :
CP = a + b T + c T2
atau CP = a’ + b’T + c’/T2
4.3. Pengaruh Suhu terhadap Kapasitas kalor