energetika termokimia

By LB & DW_Kimia ITB

BAB IIENERGETIKA


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


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


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


III. Fungsi Keadaan dan Fungsi Proses

Fungsi keadaan : variabel yang hanya bergantung pada keadaan sistem dan tidak bergantung pada bagaimana keadaan itu dicapai


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


Fungsi proses : bergantung pada lintasan yang ditempuh

Sifat :

Contoh : Kerja, kalor

2

1

1

2 0

dx x

dx


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


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


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


Perjanjian

negatifwq

S L

kerja .

F dx

PAdx

Pdv

��

positifwq


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


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


V. Hukum I Termodinamika

Energi alam semesta kekal, tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan

Rumusan :

dU d q d w

U q w


Perhitungan U Isokhorik

Isobar reversibel

Isoterm reversibel

Adiabat reversibel

0 Vw U q

2 1SU q P V V

0 Mengapa ???U

U w


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


Perhitungan H

Isokhorik reversibel

Isobar reversibel

Isoterm gas ideal

Adiabat reversibel

H U V dP

PH q

0H

H VdP

Buktikan !!!

Buktikan !!!

Mengapa ???


VII. Kapasitas Kalor

Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebanyak satu derajat

Dalam kimia, hanya ada 2 macam kapasitas kalor

dC

q

dT


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


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


Kalor reaksi bergantung pada kondisi reaksi

Volume tetap :

Tekanan tetap :

Vq U

Pq H


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.


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


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


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


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


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


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


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


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


Fungsi Entropi dan Perubahan Entropi

,

,

S S V T

S S P T

Secara matematik didefinisikan sbg :

atau revq dS dS

T revq

T


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


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


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


tak revRamalan fisis : 0 Mengapa?S

tak rev 1 2

tak rev 0 0

S S S

S

tak rev 0S


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


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


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


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


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.


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


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


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

energetika termokimia

Education