Download - Energetika termokimia
By LB & DW_Kimia ITB
BAB IIENERGETIKA
By LB & DW_Kimia ITB
I. Beberapa Pengertian Dasar dan Konsep
Sistem : Bagian dari alam semesta yang menjadi pusat perhatian kita dengan batas-batas yang jelas
Lingkungan : Bagian di luar sistem
Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi pertukaran energi atau materi
By LB & DW_Kimia ITB
Berdasarkan pertukaran ini, dapat dibedakan 3 macam sistem : Sistem tersekat : yang dengan lingkungannya
tidak dapat tukar-menukar energi atau materi Sistem tertutup : yang dengan lingkungannya
dapat tukar-menukar energi saja, materi tidak Sistem terbuka : yang dengan lingkungannya
dapat tukar-menukar energi atau materi
By LB & DW_Kimia ITB
II. Keadaan Sistem
Ditentukan oleh sejumlah parameter atau variabel Sifat variabel :
Intensif : tidak bergantung pada ukuran sistem Ekstensif : bergantung pada ukuran sistem
Intensif T P F Ekstensif S V l A
Energi Energi Energi Energi
By LB & DW_Kimia ITB
III. Fungsi Keadaan dan Fungsi Proses
Fungsi keadaan : variabel yang hanya bergantung pada keadaan sistem dan tidak bergantung pada bagaimana keadaan itu dicapai
By LB & DW_Kimia ITB
Sifat fungsi keadaan :2
2 1
1
1 dx x x x
2 0dx 3
M dan N fungsi y dan z
M
z y z
dx Mdy Ndz
N
y
Contoh:
Energi potensial, Energi dalam, tekanan, suhu, volume, entalpi,
entropi, energi bebas
By LB & DW_Kimia ITB
Fungsi proses : bergantung pada lintasan yang ditempuh
Sifat :
Contoh : Kerja, kalor
2
1
1
2 0
dx x
dx
By LB & DW_Kimia ITB
Proses reversibel Contoh : proses pengubahan fasa pada titik
transisi
Proses tak reversibel
2 ( ,100 ,1 ) 2 ( ,100 ,1 )l C atm g C atmH O H O
2 ( ,25 ,1 ) 2 ( ,100 ,1 )
Proses/reaksi kimia: pembakaran arang, ledakan,
reaksi penguraian
l C atm g C atmH O H O
By LB & DW_Kimia ITB
Proses pada gas ideal
Isoterm (n,T tetap) (Hk. Boyle)
Isokhor (n,V tetap) (Hk. Gay-Lussac)
Isobar (n,P tetap) (Hk. Charles)
Adiabatis (tidak ada perubahan kalor)
1 1 2 2PV PV
1 2
1 2
P P
T T
1 2
1 2
V V
T T
1 1 2 2
1 11 1 2 2
dan
pV p V
TV T V
By LB & DW_Kimia ITB
IV. Kalor dan Kerja Kalor (q) : energi yang
dipindahkan melalui batas-batas sistem, akibat perbedaan suhu sistem dan lingkungan
Kerja (w) : setiap bentuk energi yang bukan kalor yang dipertukarkan antara sistem dan lingkungan Contoh : kerja ekspansi,
kerja mekanis, kerja listrik
d2
1
q q
d2
1
w w
By LB & DW_Kimia ITB
Perjanjian
negatifwq
S L
kerja .
F dx
PAdx
Pdv
����������������������������
positifwq
By LB & DW_Kimia ITB
Agar perjajian ini benar, maka rumusan kerja
Bagi proses yang reversibel, Pl harus diganti dengan PS (tekanan sistem)
Maka,
d lw PdV tekanan luarlP
ekspansi
kompresil SP P dp
d Sw P dV dpdV suku kedua diabaikan karena terlalu kecil
daripada suku pertama
By LB & DW_Kimia ITB
Perhitungan Kerja
Ekspansi isobarik reversibel
Ekspansi isoterm reversibel
Isokhorik
Ekspansi adiabatik
2 1( )Sw P V V
2
1
lnV
w nRTV
0w
0 Mengapa ???w
By LB & DW_Kimia ITB
V. Hukum I Termodinamika
Energi alam semesta kekal, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan
Rumusan :
dU d q d w
U q w
By LB & DW_Kimia ITB
Perhitungan U Isokhorik
Isobar reversibel
Isoterm reversibel
Adiabat reversibel
0 Vw U q
2 1SU q P V V
0 Mengapa ???U
U w
By LB & DW_Kimia ITB
VI. Fungsi Entalpi ( H )
Kebanyakan reaksi kimia dikerjakan pada tekanan tetap. Dalam hal ini :
2 1
2 1 2 1
1 2karena maka :
P
P
U q P V V
U U q P V V
P P P
2 2 2 1 1 1
2 1
P
P
U PV U PV q
H H q
PH q
By LB & DW_Kimia ITB
Perhitungan H
Isokhorik reversibel
Isobar reversibel
Isoterm gas ideal
Adiabat reversibel
H U V dP
PH q
0H
H VdP
Buktikan !!!
Buktikan !!!
Mengapa ???
By LB & DW_Kimia ITB
VII. Kapasitas Kalor
Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebanyak satu derajat
Dalam kimia, hanya ada 2 macam kapasitas kalor
dC
q
dT
By LB & DW_Kimia ITB
1 V
dC V
V
q U
dT T
VU C dT Ingat, V VC C T
2 P
dC P
P
q H
dT T
PH C dT Ingat, P PC C T
Hubungan dan untuk gas ideal :P VC C P V
P V
C C nR
c c R
tetapan gasR
Rumusan U berlaku umum untuk semua proses asal gas bersifat ideal
Rumusan H berlaku umum untuk semua proses asal gas bersifat ideal
By LB & DW_Kimia ITB
VIII. TERMOKIMIA
Aplikasi HPT pada sistem kimia adalah pada Termokimia
Termokimia : Studi tentang efek panas yang terjadi baik pada proses fisis maupun dalam reaksi kimia
Efek panas ini yang biasanya disebut
kalor reaksi (q)
eksoterm
endoterm
q
q
By LB & DW_Kimia ITB
Kalor reaksi bergantung pada kondisi reaksi
Volume tetap :
Tekanan tetap :
Vq U
Pq H
By LB & DW_Kimia ITB
Hubungan U dan H pada reaksi kimia
gH U n RT Buktikan!!
selisih mol gas hasil reaksi
dan mol gas pereaksi
gn
( ) 2( ) 2( ) 298
Contoh :
393,5 kJ/mol
0 Mengapa ??
S g g
g
C O CO H
n
393.5 kJ/molU H
Catatan: Hubungan U dan H tidak berlaku untuk proses fisis tanpa diikuti dengan perubahan fasa. Contoh: gas diekspansi – kompresi.
By LB & DW_Kimia ITB
Perhitungan Entalpi Reaksi, H
1) Menggunakan Hukum Hess
( ) 2( )s gC O 2( )gCO
( ) 2( )
1
2g gCO O
1H
2H
H
1 2H H H
By LB & DW_Kimia ITB
2) Menggunakan data entalpi
pembentukan standar (Hf0)
Hf0 : Perubahan entalpi yang menyertai pembentukan 1 mol senyawa tersebut dari unsur-unsurnya dengan semua zat berada pada keadaan standar (tekanan 1 atm)
Perjanjian entalpi pembentukan standar bagi unsur adalah nol
By LB & DW_Kimia ITB
4( ) 2( ) 2( ) 2 ( )
Contoh :
2g g g lCH O CO H O
2( ) 2 ( ) 4( )
0 0
0 0 0, , ,2
g l g
f f
f CO f H O f CH
H H produk H pereaksi
H H H H
By LB & DW_Kimia ITB
3) Menggunakan data energi ikatan Ada dua macam energi ikatan
Energi disosiasi ikatan, D : energi yang diperlukan untuk memutuskan 1 mol ikatan dari molekul diatom dalam fasa gas menjadi atom-atomnya dalam fasa gas.
Contoh: H2(g) 2H(g) DH-H = 436 kJ/mol
Energi ikatan rata-rata, : energi rata-rata yang diperlukan untuk memutuskan ikatan tertentu dalam molekul poliatomik dalam fasa gas menjadi atom-atomnya dalam fasa gas.
4 3
4
Contoh : Dalam senyawa ; ,
( ) ( ) 4 ( )
414,2 kJ/mol
4 4 4 414,2 kJ/molC H
C H C H
CH CH OH dsb
CH g C g H g
x x
By LB & DW_Kimia ITB
energi ikatan pereaksi energi ikatan produkH
2 2( ) 2( ) 3 3( )
Contoh :
= g g gH C CH H H C CH
Putus : perlu energi : 1 C=C ; 1
terbentuk : melepaskan energi :1 ; 2
H H
C C C H
Jadi,
1 =C 4( ) 1 1 6H C C H H H C C C H
By LB & DW_Kimia ITB
Kebergantungan entalpi reaksi pada suhu
2( )gCO( ) 2( )
( ) 2( )
s g
s g
C O
C O
awal akhir
1 , ( ) 75P C sH C x 2(g)2 ,O 75PH C x
0,25rH
2( )gCO0,100rH
100T C
25T C
0 0,25 1 2 ,100 3r rH H H H H
2( )3 , 75gP COH C x
0 0,100 ,25atau 75r r P
P P P
H H C x
C C produk C Pereaksi
By LB & DW_Kimia ITB
Ramalan fisis : 0 0,100 ,25r rH H
2 ( ) 2 ( )
0
,100 , , ( )
0
,100
0
,100
393, 51 75
393, 51 Cari Sendiri dari Handbook datanya!!) 75
kJ/mol
g gr P CO P C s PO
r
r
H C C C x
H x
H
By LB & DW_Kimia ITB
IX. Hukum Kedua Termodinamika
Terlahir dari :
Kalor tidak dapat diubah seluruhnya menjadi kerja Semua proses spontan mempunyai arah tertentu
Yang dirumuskan melalui suatu fungsi yang disebut Entropi
By LB & DW_Kimia ITB
Fungsi Entropi dan Perubahan Entropi
,
,
S S V T
S S P T
Secara matematik didefinisikan sbg :
atau revq dS dS
T revq
T
By LB & DW_Kimia ITB
Perhitungan Perubahan Entropi
A. Proses fisis tanpa disertai perubahan fasa secara reversibel
2 2,25 ,1 ,75 ,1l C atm l C atmH O H O
Ramalan fisis : 0 Mengapa??S
ddS revq d
T
2, ( )
348ln 0
298
P P
P H O l
q C dTdH
T T T
S C
By LB & DW_Kimia ITB
B. Proses perubahan fisis disertai perubahan fasa secara reversibel
2 2,100 ,1 ,100 ,1l C atm g C atmH O H O
Ramalan fisis : 0 Mengapa??S
0p vaprev transisiq Hq H
ST T T T
By LB & DW_Kimia ITB
C. Proses fisis disertai perubahan fasa tidak reversibel
2 2,25 ,1 ,100 ,1
2 ,100 ,1
l C atm g C atm
l C atm
H O H O
H O
tak revS
21 P,H O(l)
373ln
298S C
transisi2 373
vapHHS
T
revrev
By LB & DW_Kimia ITB
tak revRamalan fisis : 0 Mengapa?S
tak rev 1 2
tak rev 0 0
S S S
S
tak rev 0S
By LB & DW_Kimia ITB
D. Perubahan entropi pada reaksi kimia
Contoh : ( ) 2( ) 4( )2s g gC H CH
4 2
produk pereaksi
( ) ( ) ( )2CH g C s H g
S S S
S S S S
Ramalan fisis : 0 Mengapa?S
186,16 5,74 2 130,57
80,72 J/K mol 0
S x
S
By LB & DW_Kimia ITB
Kebergantungan entropi pada suhu
( ) 2( ) 2( )
( ) 2( ) 2( )
+
+
s g g
s g g
C O CO
C O CO
awal akhir0,25rS
1 P,C(s)
373ln
298S C
22 P,O (g)
373ln
298S C
23 P,CO (g)
298ln
373S C
0,100rS
By LB & DW_Kimia ITB
0 0,25 1 2 ,100 3
0 0,100 ,25
atau
373ln
298
r r
r r P
S S S S S
S S C
0 0,100 ,25Ramalan fisis : r rS S
2( ) ( ) 2( )
0,100 , ,
0,100
0,100
373213,64 ln
298373
213,64 Cari sendiri dari Handbook datanya! ln298
J/K mol
g s gr P CO PC P O
r
r
S C C C
S
S
By LB & DW_Kimia ITB
X. Fungsi energi bebas
Contoh : A BB A
B A
H H H
S S S
Menurut Hk II Termodinamika
.
artinya spontan0
artinya reversibelS L a sS S S
0
0
B A
B AB A
HS S
TH H
S ST
By LB & DW_Kimia ITB
0
0B A A B
B B A A
TS TS H H
H TS H TS
Definisi : G H TS dg : Energi bebasG
Jadi, 0 B AG G
Catatan: G< 0 akan terpenuhi jika tekanan, suhu tetap dan prosesnya spontan, sedangkan G= 0 akan terpenuhi jika tekanan, suhu tetap dan prosesnya reversibel.
By LB & DW_Kimia ITB
Perhitungan perubahan energi bebas (G)
1. Perhitungan dari data H dan S
G H TS
G H TS
Pada suhu tetap :
G H T S
Apakah pada suhu tetap dan proses reversibel 0?G
By LB & DW_Kimia ITB
Contoh : 2 ( .100 ,1 ) 2 ( .100 ,1 )l C atm g C atmH O H O
Ramalan fisis : 0 , tetapG P T
Perhitungan :2, 40,77 kJ/molvap H OH
0
vap
vap
HS
TG H T S
HG H T
T
By LB & DW_Kimia ITB
2. Perhitungan menggunakan data energi bebas pembentukan standar Gf
0
Contoh : 4( ) 2 2( ) 2 ( )2 2 , tetapg g lCH O CO H O P T
Ramalan fisis : 0 Mengapa?G
2 2 4
0 0 0 0, ( ) , ( ) , ( )2r f CO g f H O l f CH gG G G G
0
0
394,36 2 237,18 50,75
817,97 kJ 0
r
r
G x
G
0Perjanjian unsur dalam keadaan standar bernilai fG NOL