HUKUM KE NOL DAN PERTAMA TERMODINAMIKA

1. HUKUM KE NOL DAN PERTAMA TERMODINAMIKA Endang Susilowati Prodi Pend. Kimia UNS

2. HUKUM TERMODINAMIKA • HUKUM TERMODINAMIKA KE NOL • HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA • HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA • HUKUM TERMODINAMIKA KETIGA

3. Pengertian Kerja, Kalor dan Energi • Kerja, Kalor dan Energi adalah konsep yang mendasar dalam termodinamika . • Semua pengukuran kalor dan perubahan energi menghasilkan pengukuran kerja. • Kerja = gaya x jarak ; kerja dilakukan selama proses untuk menghasilkan suatu perubahan • Energi = kapasitas sistem untuk melakukan kerja • Kalor = energi sistem yang berubah sebagai hasil perbedaan temperatur antara sistem dan temperatur lingkungan. • Proses pelepasan energi sebagai kalor disebut eksoterm, dan proses penyerapan energi sebagai kalor disebut endoterm

4. A B C • Hukum Termodinamika ke Nol • Hukum ini meletakkkan konsep suhu pada dasar yang kokoh, yaitu bila dua sistem ada dalam kesetimbangan termal, maka keduanya mempunyai suhu yang sama, bila tak ada dalam kesetimbangan termal maka keduanya mempunyai suhu yang berbeda. • Tinjau 3 sistem A, B dan C, Fakta eksperimental : bila sistem A ada dalam kesetimbangan termal dengan sistem B, dan sistem B juga ada dalam kesetimbangan termal dengan C maka A ada dalam kesetimbangan dengan C: • - TA = TB TA = TC • - TB = TC

5. Aplikasi Hukum ke Nol STOP ! • Bagaimana termometer air raksa bekerja untuk mengukur suhu badan?

6. HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA • Secara matematis. hukum termodinamika I pada sistem tertutup, dinyatakan sebagai: dU = dq + dw U = q + w • Dengan kata lain, perubahan energi dalam sistem (U) setara dengan panas yang diberikan pada sistem (q) dan kerja yang dilakukan terhadap sistem (w) • Jika hanya diberikan panas, berlaku: U = q • Jika hanya dilakukan kerja berlaku: U = w

7. STOP ! • Hukum kekekalan energi dan Hukum pertama Termodinamika

8. Catatan : • Energi dalam adalah suatu fungsi keadaan, yang hanya tergantung • pada keadaan awal dan akhir sistem • Kalor dan kerja bukan fungsi keadaan, tergantung pada jalannya • proses sistem. • d = diferensial eksak • d = diferensial tak eksak

9. Jenis-jenis Kerja • Energi dalam terdiri dari : energi transisi, energi vibrasi dan energi rotasi pada tingkat molekuler dari suatu materi • Kerja (W) adalah akibat aksi melawan gaya luar, yang dinyatakan : • d W = F dh • F adalah gaya luar dan dh adalah jarak perpindahan • Kerja tergantung pada 2 faktor yaitu faktor intensitas dan faktor kapasitas

10. KERJA EKSPANSI DAN KOMPRESI • Kerja yang dilakukan oleh sistem dw = F dh (F=gaya dh = jarak) • Kerja terhadap sistem • dw = -F dh • F = P (tekanan) x A (luas) maka : • dw = -Pluar A dh • Atau : • dw = -Pluar dV • Sehingga : dw = -Pluar dV • Karena: dU = dq +dw • maka : dU = dq - pdV • Integrasinya adalah: • atau • U = q – P(V2 – V1) • Atau  U = q + w Pluar A Ekspansi: V2>V1 Kompresi: V2<V1 dh W-: sistem melakukan kerja W+: dilakukan kerja thd sistem

11. Beberapa terapan kerja (W) • Pada proses reversibel (Pluar=Pdalam= P) dan isotermis (dT = 0) • untuk gas ideal PV = n R T sehingga : • wrev = - n R T ln (V2/V1) • wrev = - n R T ln (P1/P2) • Pada proses irreversibel (Pluar  Pdalam) dan isotermis (dT=0) • Wirrev = - Pluar dV • untuk gas ideal , • Wirrev = - Pluar (V2-V1) • = - n R T (1-P2/P1) • Pada proses ekspansi isotermal terhadap vakum (Pluar = 0) • Wvak = 0 • Kerja maksimum bisa dilakukan pada pemuaian gas ideal isotermis jika sistem beroperasi secara reversibel isotermal. (jelaskan!)

12. Entalpi (H) / Heat content • • Pengertian entalpi dipakai untuk perubahan-perubahan pada tekanan tetap • H = U + PV • dan PV hanya targantung kedaan awal dan akhir sistem • • Besarnya perubahan entalpi dari sistem : • H = H2 –H1 • = (U2+P2V2) – (U1+P1V1) • = (U2-U1) + (P2V2-P1V1) • pada P tetap •  H =  U + P(V2-V1) •  H =  U + P  V • Jika dihubungkan dengan hukum termodinamika pertama pada tekanan tetap berlaku:  H = q

13. STOP ! What is enthalpy ? • Enthalpy the amount of energy possessed by a thermodynamic system (see Thermodynamics) for transfer between itself and its environment. For example, in a chemical reaction, the change in enthalpy of the system is the heat of the reaction. In a phase change, as from a liquid to a gas, the change in enthalpy of the system is the latent heat of vaporization. In a simple temperature change, the change in enthalpy with each degree is the heat capacity of the system at constant pressure. The German physicist Rudolf J.E. Clausius originated the term in 1850. Mathematically, enthalpy H is identified as U + PV, where U is internal energy, P is pressure, and V is volume. H is measured in joules or British termal units (BTUs). (Encarta 2007)

14. Pengukuran perubahan entalpi • Perubahan entalpi mengikuti perubahan kimia dan fisika. • Diukur dengan kalorimeter • Kalorimeter api bertekanan tetap H = q • Kalorimeter Bom, pada volume tetap, melelui U dimana U = q • untuk reaksi yang tidak menghasilkan gas H  U • Untuk reaksi yang menghasilkan gas: • H = U + PV = U + nRT • H = U +  (PV) = U + n gasRT • Dengan n = n gas produk = n gas reaktan • Besarnya perubahan entalpi pada tekanan konstan setara dengan panas yang diserap sistem

15. Perubahan energi pada berbagai keadaan • Perubahan energi pada volum konstan dV = 0 • atau U = qV • Terjadi pada kalorimeter bom • -Perubahan energi pada tekanan konstan dP = 0 • U2 – U1= qp – p(V2 – V1) • (U2+PV2) - (U1+PV1) = qp • H2 - H1 = qp H = qp

16. STOP ! BAGAIMANA BOMB KALORIMETER BEKERJA?

17. Soal-soal • Dalam pemampatan reversibel isotermal dari 52 mmol gas ideal pada temperatur -13 oC, volume gas berkurang sampai 1/3 volume awal. Kerja dalam proses ini adalah.............. • Suatu gas menempati volume 0,5 L pada tekanan 1,2 bar dan temperatur 0 oC. Jika dimampatkan dengan tekanan udara luar tetap sebesar 100 bar, volume menyusut 60 %. Kerja dalam proses ini adalah….

18. Kapasitas panas (C) • Kapasitas panas ( C ) : nisbah antara kalor yang dipasok dengan kenaikan suhu.. Satuan Joule/K • Kapasitas panas spesifik ( c ) : nisbah antara kalor yang dipasok pada sejumlah zat (Kg) dengan perubahan suhu. Satuan Joule/K.Kg • Kapasitas kalor molar: J K-1mol-1. • Secara matematis dinyatakan sebagai: C = dq (proses)/dT • Pada volume konstan, CV = dqV /dT = (∂U/∂T)V • Pada tekanan tetap CP = dqP /dT = (∂H/∂T)P

19. Berdasar pada Hk Term I • Pada V tetap : dV = 0 • Pada P tetap : dP = 0 • Bila persamaan H = U + PV dideferensialkan terhadap T pada tekanan tetap : • Sehingga

20. STOP ! Hubungan Cv dan Cp dapat dituliskan beberapa persamaan : Buktikan ! Untuk gas Ideal Buktikan !

21. PERUBAHAN ENERGI PADA PERUBAHAN T DAN V • Energi dalam sebagai fungsi T dan V ; U= f(T,V) • Pada volume konstan • Pada temperatur konstan

22. Percobaan Joule • Bertujuan menentukan (∂U/∂V )T Jika kran dibuka maka gas mengalir dari A ke B Joule menemukan bahwa tak ada perubahan suhu dq = 0 dT = 0 tak ada perubahan suhu dw = 0 kerja melawan vakum dU = 0 dU= (∂U/∂V )T dV=0 Karena dV≠0 maka (∂U/∂V )T=0 Pd isotermal dU tdk tgt dV

23. Perubahan entalpi pada perubahan P, T • Entalpi sebagai fungsi T dan p; H= f(T,P) • Cp diperoleh dengan kalorimeter • Untuk padatan dan cairan • Untuk gas ideal

24. Perubahan energi pada proses adiabatis (dq = 0) • untuk kerja P-T • pada gas ideal : dU = nCv(T) dT • -untuk proses reversial Pluar = Pdalam

25. Jika CV konstan Maka

26. Soal • 0,412 gram glukosa dibakar dalam kalorimeter bom yang kapasitas kalornya 541 J K-1, temperatur naik 7,801 K. Hitung entalpi molar pembakaran standar, energi dalam pembakaran standar dan entalpi pembentukan glukosa standarnya. • Hitung perubahan entropi dari 30 gram alumunium yang dipanaskan dari 500 sampai 700 OC. Titik leleh 660OC, kalor pelelehan 393 J g-1dan kapasitas kalor zat padat dan zat cair masing-masing adalah : (31,8 + 3,15 .10-3 T) JK-1 mol-1 dan (34,3 + 1,12 .10-3 T) JK-1 mol-1. • Suatu tangki mengandung 20 L gas monoatomik terkompresi pada 10 atm dan 25oC. Hitung kerja maksimum (dalam Jaoule) yang dilakukan bila gas terekspansi sampai tekanan 1 atm secara: a) isotermal, b) adiabatis