Hukum I termodinamika

4,626 views

Published on

0 Comments
1 Like
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
4,626
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
167
Comments
0
Likes
1
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Hukum I termodinamika

  1. 1. HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA 1. Beberapa konsep dan pengertian dasar 2. Hukum Pertama Termodinamika 3. Fungsi Entalpi dan Perubahan Entalpi 4. Kapasistas Kalor 5. Proses ekspansi Joule-Thomson 6. Termokimia
  2. 2. 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
  3. 3. Lingkungan : Segala sesuatu di luar sistem Sistem terpisah dari lingkungannya dengan batas-batas Antara sistem dan lingkungan dapat pertukaran energi dan materi
  4. 4. Berdasarkan pertukaran ini dapat dibedakan 3 macam sistem. (a)Sistem terbuka pertukaran materi dan energi (a)Sistem tertutup pertukaran energi (a) Sistem tersekat tidak ada pertukaran
  5. 5. 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).
  6. 6. Jumlah parameter yang bergantung pada sistem diperlukan Contoh : Suatu gas tunggal memerlukan tiga variabel : - jumlah mol - tekanan - volume
  7. 7. Variabel sistem : - 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.
  8. 8. 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
  9. 9. 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)
  10. 10. Diferensial dari setiap fungsi keadaan : diferensial total x : fungsi keadaan dx : diferensial total Sifat-sifat dx 2 dx 1. x 2 x1 dx 0 1 2.
  11. 11. Jika x adalah fungsi dari y dan z, maka x = f (y,z) x dy yz dx x dz z y M dy N dz dan x z y dimana M x yz N
  12. 12. M z y N y z 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
  13. 13. 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
  14. 14. 1.4. Kalor dan Kerja Kalor, q Energi yang dipindahkan melalui batasbatas sistem sebagai akibat langsung dari perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan Perjanjian : q : +, kalor masuk ke dalam sistem q : -, kalor keluar dari sistem
  15. 15. 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
  16. 16. 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)
  17. 17. Besarnya w bergantung pada cara jalannya perubahan. w bukan fungsi keadaan dw bukan diferensial total Salah satu bentuk kerja yang penting : kerja yang berhubungan dengan perubahan volume sistem - Kerja ekspansi (terjadi kenaikan volume) - Kerja kompresi (terjadi penurunan volume)
  18. 18. 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
  19. 19. Satuan energi dalam, kalor dan kerja sama Satuan SI untuk ketiganya adalah Joule, J (1 J = kg m2 det-2) Kekekalan energi Secara eksperimen, energi dalam sistem dapat diubah dengan melakukan kerja pada sistem atau dengan pemanasan
  20. 20. Transfer energi dapat diketahui melalui : - naik turunnya suatu materi (transfer energi dengan melakukan kerja). - pencairan es di sekitar lingkungannya (transfer energi sebagai kalor) Perbedaan antara kerja dan kalor terhadap lingkungannya: Kerja : transfer energi yang mengubah gerakan atom pada lingkungannya dengan cara yang seragam
  21. 21. Kalor : transfer energi yang mengubah gerakan atom dalam lingkungannya secara acak.
  22. 22. 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.
  23. 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 23
  24. 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 24
  25. 25. Perhatikan sejumlah gas yang berada dalam sebuah silinder yang dilengkapi dengan piston (pengisap). Jika tekanan luar = Pe, gaya pada permukaan luar dari piston adalah : F = - Pe A Kimia Fisika BabII-2 25
  26. 26. Misalkan gerakan piston : kuasistatik (sangat lambat dibandingkan dengan tiap proses yang menyebarkan energi dan materi ke lingkungan). 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). Kimia Fisika BabII-2 26
  27. 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 27
  28. 28. Jika sistem terekspansi secara kuasistatik melalui jarak dz terhadap tekanan eksternal Pe, kerja yang dilakukan adalah : 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. Kimia Fisika BabII-2 28
  29. 29. V2 dw - Pe dV V1 Harga dari integral ini hanya dapat dihitung jika Pe dapat dinyatakan sebagai fungsi dari V 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 29
  30. 30. 2. Pe tetap (ekspansi terhadap tekanan tetap), V2 dw - Pe dV V1 V2 w Pe dV Pe (V2 V1 ) V1 Pe V Kimia Fisika BabII-2 30
  31. 31. 3. Pe = P + dP, yaitu bila proses pemuaian berlangsung reversibel V2 w rev - Pe dV V1 V2 w rev - (P dP) dV V1 V2 w rev V2 - P dV V1 dP dV V1 Kimia Fisika BabII-2 31
  32. 32. Oleh karena suku kedua pada ruas kanan sangat kecil dibandingkan suku pertama, maka V2 w rev - P dV V1 dimana P = tekanan gas Harga integral ini dapat dihitung jika persamaan keadaan dari gas yang bersangkutan diketahui. Kimia Fisika BabII-2 32
  33. 33. Untuk gas ideal (P = nRT/V), V2 w rev nRT dV V V1 w rev V2 dV -nRT V V1 V2 - n R T ln V1 Jika persamaan keadaan tidak diketahui, maka harga integral dapat dievaluasi secara grafik. Kimia Fisika BabII-2 33
  34. 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 34
  35. 35. Jenis Kerja Faktor Intensip Faktor Ekstensip Kerja ekspansi Tekanan, P Volume, Kerja mekanik Gaya, Jarak F Kerja, dW = xdx V - P dV l F dl Kerja listrik Petensial, E Muatan listrik, C E dC Kerja magnetik Medan Magnetisasi, M X dM magnet, Kerja permukaan X Tegangan permukaan, Luas , Kimia Fisika BabII-2 A dA 35
  36. 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 36
  37. 37. Karena P1 = P2 = P (U2 + P2 V2 ) - (U1 + P1 V1 ) = qP Oleh karena U, P dan V adalah fungsi keadaan, maka (U + PV) juga merupakan fungsi keadaan. Fungsi ini disebut entalpi, H H = U + PV Jadi, H2 – H1 = q P Kimia Fisika BabII-2 37
  38. 38. atau H = qP H = kalor reaksi pada tekanan tetap 4. Kapasitas kalor Kapasitas kalor suatu sistem didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu sistem sebanyak satu derajat Kimia Fisika BabII-2 38
  39. 39. C dq dT 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. Kimia Fisika BabII-2 39
  40. 40. 4.1. Kapasitas kalor pada volume dan tekanan tetap Jika kerja yang dilakukan oleh sistem terbatas pada kerja ekspansi, maka dq = dU + P dv dU P dV C dT Pada volume tetap, C = CV dan dV = 0 CV dq V dT U dT Kimia Fisika BabII-2 V 40
  41. 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 CP dq P dT U T P P Kimia Fisika BabII-2 V T P 41
  42. 42. H=U + PV Pada P tetap, dH = dU + P dV H T U T P P P V T P Sehingga CP dq P dT Kimia Fisika BabII-2 H T P 42
  43. 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 CP H T CV P H T U T U T P P P Kimia Fisika BabII-2 V T V P 43
  44. 44. Sehingga CP CV U T P P V T U T P V Energi dalam, U, dapat ditinjau sebagai fungsi dari suhu dan volume. dU U = f (T, V) U dT T V Kimia Fisika BabII-2 U V dV T 44
  45. 45. Jika persamaan dibagi dT pada P tetap, maka U T U T P U V V T V T P Sehingga, CP CV U T V U V T V T Kimia Fisika BabII-2 P V P T P U T V 45
  46. 46. CP CV U V V T T U V CP CV P P T V P T V T P P Untuk gas ideal, energi dalam hanya terdiri atas energi kinetik translasi sehingga energi ini hanya bergantung pada suhu. U V 0 T Kimia Fisika BabII-2 46
  47. 47. CP CV P V T P Untuk gas ideal, P = nRT/V V T P nR P Sehingga untuk gas ideal berlaku C P – CV = n R Untuk n = 1, CP – CV = R Kimia Fisika BabII-2 47
  48. 48. 4.3. Pengaruh Suhu terhadap Kapasitas kalor 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 Kimia Fisika BabII-2 48

×