TERMODINAMIKADewi Kurnia, M.Si

Sistem dan lingkungan

Definisi

• Sistem adalah daerah makroskopik dari alam semesta yang dipelajari

• Lingkungan adalah bagian dari alam semesta yang bukan bagian dari sistem

• Antara sistem dan lingkungan dipisahkan oleh batas sistem.

• Berdasarkan sifat dari batas sistem, dikenal sistem terbuka, sistem tertutup, dan sistem tersekat.

Tipe sistem

Tipe sistem

Transfer massa

Kerja Kalor

terbuka

tertutup

tersekat

Keadaan setimbang

Sistem dikatakan setimbang bila tidak terjadi perubahan yang berarti antara sistem dengan lingkungannya bila keduanya mengadakan kontak satu sama lain.

Ada 3 jenis kesetimbangan sistem, yaitu:• Kesetimbangan mekanik: sistem tidak memiliki gaya

mekanik karena resultan gaya terhadap sistem nol• Kesetimbangan termal : energi yang masuk dan keluar

sistem jumlahnya sama pada saat yang bersamaan• Kesetimbangan listrik : sistem dan lingkungan memiliki

potensial listrik yang sama sehingga tidak terjadi perpindahan muatan

Pertukaran energi• Energi adalah kapasitas untuk melakukan kerja

• Termodinamika lebih fokus pada bagaimana energi dipertukarkan antara sistem dan lingkungan daripada nilai absolut dari energi suatu sistem.

• Pertukaran energi antara sistem dan lingkungan umumnya dilakukan dengan kerja dan kalor.

- Kerja (W) adalah akibat aksi melawan gaya luar, yang dinyatakan : W = F ∆s

F adalah gaya luar dan ∆s adalah jarak perpindahanPerpindahan dapat berlangsung sekaligus atau bertahap, melalui beberapa perpindahan pendek.

- Kerja tergantung pada 2 faktor yaitu faktor intensitas dan

faktor kapasitas

Kerja

Contoh kerja tekanan volume

• Ketika urea bereaksi dengan oksigen di dalam suatu silinder piston, gas CO2 dan N2 akan diproduksi

• Gas yang dihasilkan akan meningkatkan tekanan dalam sistem dan mendorong piston ke atas.

KERJA EKSPANSI DAN KOMPRESIKerja yang dilakukan oleh sistem

W = F ∆s (F=gaya ∆s = jarak)

Kerja terhadap sistem W = -F ∆s

F = P (tekanan) x A (luas) maka :W = -Pluar A ∆s

Atau : W = -Pluar ∆V

Pluar

A

dh

Ekspansi: V2>V1

Kompresi: V2<V1

W (-) = sistem melakukan kerjaW (+) = kerja dilakukan terhadap sistem

Transfer Kalor• Kalor adalah bentuk energi yang terbentuk akibat perbedaan

temperatur antara sistem dan lingkungan.

• Transfer kalor berlangsung dengan spontan bila dua benda dengan suhu berbeda saling kontak hingga tercapai kesetimbangan termal.

Kalor dan Kerja

Kalor kerja

Energi Energi Energi

Sistem

Lin

gku

ng

an

Transfer energi dari sistem ke lingkungan sebagai kalor menyebabkan gerak acak atom-atom di lingkungan

Energi Energi Energi

Sistem

Lin

gku

ng

an

Transfer energi dari sistem ke lingkungan sebagai kerja menyebabkan gerak teratur atom-atom di lingkungan

Perpindahan kalor• Perpindahan kalor dapa terjadi secara:• Radiasi, yaitu energi gerakan foton berupa gelombang

elektromagnetik. Contoh: sinar matahari yang sampai ke bumi

• Konveksi, yaitu energi gerakan partikelmateri. Contoh: aliran molekul gas atau cairan dari satu tempat ke tempat lain.

• Konduksi, yaitu aliran energi melalui tumbukan partikel materi yang berdekatan secara berkesinambungan. Contoh: aliran panas pada sebatang logam.

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

• Menyatakan hubungan energi sistem dengan lingkungannya jika terjadi peristiwa

“Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, atau energi alam semesta adalah konstan.”

• Jumlah total energi semua partikel dalam suatu sistem disebut energi dalam (U)

• Setiap materi mengandung energi yang disebut energi internal (U).

• Besarnya energi ini tidak dapat diukur, yang dapat diukur hanyalah perubahannya.

• Perubahan energi internal ditentukan oleh keadaan akhir dan keadaan awal ( ΔU = Uakhir – Uawal).

• Hk. Pertama Termodinamika dinyatakan dalam persamaan:

∆U = q + W

Karena yang menjadi pusat perhatian adalah sistem, maka berlaku aturan sebagai berikut:• Kalor (q) yang masuk ke dalam sistem ditandai (+)

sedangkan yang keluar diberi tanda (-)• Kerja yang dilakukan sistem atau ekspansi diberi tanda (-)

sedangkan kerja yang dilakukan terhadap sistem atau kompresi diberi tanda (+)

• Berdasarkan hal diatas maka kerja dinyatakan sebagai keadaan yang dipengaruhi tekanan dan volume:

W = P ∆V

Proses-proses termodinamika yang berkaitan dengan kerja dan kalor Proses Isobarik (1)

Tekanan konstan

Proses Isotermis (2) Temperatur kontan (q = -w)

Proses Adiabatis (3) Tidak ada kalor yang hilang (∆U = w)

Proses Isokorik (4) Volume konstan (q = ∆U)

• Jika perubahan energi terjadi pada tekanan tetap, misalnya dalam wadah terbuka (tekanan atmosfer) maka kalor yang terbentuk dinamakan perubahan entalpi (ΔH).

• Entalpi dilambangkan dengan H (berasal dari kata ‘Heat of Content’).

• Entalpi merupakan fungsi keadaan yang nilainya tergantung pada U, P dan V

∆H = ∆U + ∆PV

ENTALPI

Fungsi entalpi

Dari Hk. Pertama termodinamika diketahui bahwa perubahan energi dalam tidak dapat diuku, namun dapat dihitung dari kalor dan kerja.

Bagaimana cara mengukur kalor yang menyertai proses dapat ditentukan tanpa mengukur?

Entalpi dapat meramalkan bagaimana keterlibatan kalor yang menyertai suatu reaksi.

Diagram Entalpi

REAKSI EKSOTERM DAN ENDOTERM

REAKSI EKSOTERM DAN ENDOTERM

1. REAKSI EKSOTERM

Adalah reaksi yang pada saat berlangsung disertai pelepasan panas atau kalor. Panas reaksi ditulis dengan tanda positip.

Contoh :

N2 (g) + 3H2 (g) 2NH3 (g) + 26,78 Kkal

2. REAKSI ENDOTERM

Adalah reaksi yang pada saat berlangsung membutuhkan panas. Panas reaksi ditulis de

ngan tanda negatif

Contoh :

2NH3 N2 (g) + 3H2 (g) - 26,78 Kkal

Grafik Reaksi Eksoterm dan Endoterm

Perhitungan Entalpi reaksi• Penentuan secara tidak langsungAplikasi hukum Hess

• Penentuan secara langsungDari data entalpi pembentukkan standar

• Dari data energi ikatanNilai yang diperoleh adalah estimasi perhitungan teoritis

Hukum Hess

“ Kalor yang menyertai suatu reaksi tidak bergantung pada jalan yang ditempuh, tetapi hanya pada keadaan AWAL dan AKHIR“

Aturan dalam Hukum Hess :

1. Posisi reaktan dan produk reaksi harus sama dengan yang ditanyakan

2. Koefisien zat harus sama dengan yang ditanyakan

Hukum Hess• H adalah sifat ekstensif

• N2(g) + O2(g) → 2 NO(g) H = +180.50 kJ

• ½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) H = +90.25 kJ

• H berubah tanda bila reaksi dibalik• NO(g) → ½N2(g) + ½O2(g) H = –90.25 kJ

• Bila suatu proses/reaksi berlangsung beberapa tahap, maka H total adalah penjumlahan H setiap tahap.• ½N2(g) + ½O2(g) → NO(g) H = +90.25 kJ

• NO(g) + ½O2(g) → NO2(g) H = -57.07 kJ

• ½N2(g) + O2(g) → NO2(g) H = +33.18 kJ

Hukum Kedua Termodinamika

Hk. Kedua termodinakima membahas kespontanan proses dalam transformasi sistem

Jenis proses yang terlibat:- proses reversible, dimana pada proses fungsi keadaan

sistem tidak berbeda dengan keadaan lingkungan dalam waktu yang lama dan tidak terukur

- Proses irreversibel atau spontan, terjadi jika proses berlangsung tanpa intervensi dari luar sedangkan proses sebaliknya tidak pernah terjadi secara alamiah

Entropi

Entropi adalah derajat ketidakteraturan partikel dalam sistem.

Jika lingkungan memberi kalor kepada sistem maka entropi bertambah, sebaliknya jika sistem memeberi kalor pada lingkungan maka entropi berkurang.

Proses yang berlangsung secara spontan dapat diramalkan melalui perubahan entropi yan terjadi dalam sistem dan lingkungan :

∆Ssmt = ∆Ssis + ∆Slkg

Tugas !!!

Bagaimana cara menentukan entropi berdasarkan proses termodinamika yang berkaitan dengan kerja dan kalor!!

ENERGI BEBAS (FREE ENERGY)“Suatu proses pada P dan T tetap akan berlangsung jika perubahan energi bebas sistem berkurang”

Dari pernyatan diatas maka proses spontan didasarkan atas 2 faktor, yaitu :

• H yang menurun• ΔS yang meningkat

Untuk merumuskan dua faktor di atas diperlukan besaran yang disebut : Energi Bebas (G)Rumus : ΔG = ΔH – T.ΔSKeterangan : ΔG = perubahan energi bebas

ΔH = perubahan entalpi T = temperatur

ΔS = perubahan entropi (kal/der. mol)

ENERGI BEBASHubungan energi bebas dengan kespontanan reaksi :• ΔG < 0, maka ΔS meningkat, terjadi proses spontan• ΔG > 0, maka tidak terjadi reaksi• ΔG = 0, maka ΔH = T.ΔS, terjadi proses setimbang

ΔH – T.ΔS = 0ΔH = T.ΔS ΔS = ΔH / T