Slide 1

Mengenal Sifat Kimia Material Pengertian Dasar Thermodinamika

Thermodinamika merupakan cabang ilmu pengetahuan yang mencakup permasalahan transfer energi dalam skala makroskopis Thermodinamika tidak membahas hal-hal mikroskopis (seperti atom, molekul) melainkan membahas besaran-besaran makroskopis yang secara langsung dapat diukur, seperti tekanan, volume, temperatur

Sistem dan Status Sistem

mampu mengisolasi sistem ataupun memberikan suatu cara interaksi tertentu antara sistem dan lingkungannya Sistem adalah obyek atau kawasan yang menjadi perhatian kitaKawasan di luar sistem disebut lingkunganmungkin berupa sejumlah materi atau suatu daerah yang kita bayangkan dibatasi oleh suatu bidang bataslingkungan

sistemlingkungan bidang batas

bidang yang membatasi sistem terhadap lingkungannya.

Sistem

Dengan adanya bidang batas antara sistem dan lingkungannya, beberapa kemungkinan bisa terjadi tidak ada transfer energi tidak ada transfer materi

sistemsistem terisolasi ada transfer energi tidak ada transfer materimassa sistem tidak berubah

sistemsistem tertutup

energiada transfer materimassa sistem berubahsistem terbuka

sistem

energi

materi

Perubahan dalam sistem terisolasi tidak dapat terus berlangsung tanpa batastidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya

sistemsistem terisolasiPerubahan-perubahan dalam sistem mungkin saja terjadi perubahan temperatur perubahan tekananSuatu saat akan tercapai kondisi keseimbangan internal yaitu kondisi di mana perubahan-perubahan dalam sistem sudah tidak lagi terjadi

menuju ke keseimbangan internal keseimbangan eksternal. perubahan dalam sistem dibarengi dengan perubahan di lingkungannya. Apabila keseimbangan telah tercapai, tidak lagi terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem dan juga tidak lagi terjadi transfer apapun antara sistem dengan lingkungannya sistem dapat berinteraksi dengan lingkungannya

sistemsistem tertutup

energi

Status thermodinamik sistem merupakan spesifikasi lengkap susunan dan sifat fisis suatu sistem. Tidak semua peubah thermodinamik harus diukur guna menentukan sifat sistem. Sifat sistem ditentukan oleh satu set tertentu peubah-peubah thermodinamik. sudah dapat menentukan status sistem, walaupun jumlah itu hanya sebagian dari seluruh besaran fisis yang menentukan status.

sistemApabila jumlah tertentu besaran fisis yang diukur dapat digunakan untuk menentukan besaran-besaran fisis yang lain maka jumlah pengukuran tersebut dikatakan sudah lengkap.

Jadi eksistensi sistem ditentukan oleh status-nya, sedangkan jumlah peubah yang perlu diukur agar status sistem dapat ditentukan tergantung dari sistem itu sendiri. Pengukuran atau set pengukuran peubah yang menentukan status tersebut harus dilakukan dalam kondisi keseimbanganKeseimbangan sistem tercapai apabila semua peubah yang menetukan sifat sistem tidak lagi berubah.

sistem

Energi

Energi Internal Sistem Energi internal, E, adalah sejumlah energi yang merupakan besaran intrinsik suatu sistem yang berada dalam keseimbangan thermodinamis Energi internal merupakan fungsi status Perubahan nilai suatu fungsi status hanya tergantung dari nilai awal dan nilai akhir dan tidak tergantung dari alur perubahan dari status awal menuju status akhir energi eksternal Energi energi kinetik energi potensial terkait gerak obyek terkait dengan posisi atau kondisi obyek.

dapat dikonversi timbal balik

Panas Panas adalah salah satu bentuk energiPanas bukanlah besaran intrinsik sistem. Ia bisa masuk ke sistem dan juga bisa keluar dari sistem. Pada sistem tertutup, panas dapat menembus bidang batas bila antara sistem dan lingkungannya terdapat gradien temperatur.

sistem

Sejumlah panas dapat ditransfer dari lingkungan ke sistemSejumlah panas dapat ditransfer dari sistem ke lingkunganq diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem q diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem

Kerja Kerja adalah bentuk energi yang ditranfer antara sistem dengan lingkungannya karena ada interaksi gaya antara sistem dan lingkungannya.

sistem

Kerja, dengan simbol w, juga bukan besaran intrinsik sistem; bisa masuk ataupun keluar dari sistem

w diberi tanda positif jika ia masuk ke sistem w diberi tanda negatif jika ia keluar dari sistem

Konservasi Energi Energi total sistem dan lingkungannya adalah terkonservasi Energi tidak dapat hilang begitu saja ataupun diperoleh dari sesuatu yang tidak ada; namun energi dapat terkonversi dari satu bentuk ke bentuk yang lain

Hukum Thermodinamika Pertama dan Enthalpi

Hukum Thermodinamika Pertama atau Hukum Kekekalan Energi Perubahan neto dari energi internal adalah nol sebab jika tidak, akan menyalahi prinsip konservasi energi.

sistemsistem terisolasiJika status sistem berubah melalui alur (cara) perubahan tertentu, maka energi internal sistem ini berubah.

Estatus

AB

dan sistem kembali pada status semula melalui alur perubahan yang berbeda energi internal akan kembali pada nilai awalnya

Perubahan energi internal, yang mengikuti terjadinya perubahan status sistem, tidak tergantung dari alur perubahan status tetapi hanya tergantung dari status awal dan status akhirSetiap besaran yang merupakan fungsi bernilai tunggal dari status thermodinamik adalah fungsi status. Perubahan nilai hanya tergantung dari nilai awal dan nilai akhir

Apabila hanya tekanan atmosfer yang bekerja pada sistem, maka jika energi panas sebesar dq masuk ke sistem, energi internal sistem berubah sebesar

tekanan atmosfer konstanperubahan volume sistem kerja pada lingkungan PdV

Membuat P konstan tidak sulit dilakukan namun membuat V konstan sangat sulit

enthalpi

P dan V adalah peubah thermodinamik yang menentukan status sistem, sedangkan E adalah fungsi status, maka H juga fungsi bernilai tunggal dari status H juga fungsi status

Maka dimunculkan peubah baru, yang sudah memperhitungkan V , yang disebut enthalpi

Contoh: Perubahan Enthalpi Pada Reaksi Kimia Jika Hakhir > Hawal maka H > 0 Terjadi transfer energi ke sistem penambahan enthalpi pada sistem proses endothermis Jika Hakhir < Hawal maka H < 0 Terjadi transfer energi ke lingkungan enthalpi sistem berkurang proses eksothermis Dalam reaksi kimia, reagen (reactant) merupakan status awal sistem hasil reaksi merupakan status akhir sistem

Hukum HessApabila suatu reaksi kimia merupakan jumlah dua atau lebih reaksi, maka perubahan enthalpi total untuk seluruh proses merupakan jumlah dari perubahan enthalpi reaksi-reaksi pendukungnya. Hukum Hess merupakan konsekuensi dari hukum kekekalan energi. Hukum Hess terjadi karena perubahan enthalpi untuk suatu reaksi adalah fungsi status, suatu besaran yang nilainya ditentukan oleh status sistem. Perubahan enthalpi yang terjadi baik pada proses fisika maupun proses kimia tidak tergantung pada alur proses dari status awal ke status akhir Perubahan enthalpi hanya tergantung pada enthalpi pada status awal dan pada status akhir.

Proses Reversible dan Irreversible

Proses ReversibleJika suatu sistem bergeser dari status keseimbangannya, sistem ini menjalani suatu proses dan selama proses berlangsung sifat-sifat sistem berubah sampai tercapai keseimbangan status yang baru. Proses reversible merupakan suatu proses perubahan yang bebas dari desipasi (rugi) energi dan dapat ditelusur balik dengan tepat. Sulit ditemui suatu proses yang reversible namun jika proses berlangsung sedemikian rupa sehingga pergeseran keseimbangan sangat kecil maka proses ini dapat dianggap sebagai proses yang reversible Proses reversible dianggap dapat berlangsung dalam arah yang berlawanan mengikuti alur proses yang semula diikuti. Proses irreversible (tidak reversible) merupakan proses yang dalam perjalanannya mengalami rugi (desipasi) energi sehingga tidak mungkin ditelusur balik secara tepat.Proses Irreversible

Teorema Clausius

Dalam proses reversible Dalam proses irreversible Proses reversible merupakan proses yang paling efisien, tanpa rugi (desipasi) energi Proses irreversible memiliki efisiensi lebih rendah

EntropiHukum Thermodinamika Ke-dua Hukum Thermodinamika Ke-tiga

Proses reversible Tanda ini menyatakan bahwa proses berlangsung dalam satu siklus

Untuk proses reversible yang berjalan tidak penuh satu siklus, melainkan berjalan dari status A ke status B dapat dituliskan

qrev adalah panas yang masuk ke sistem pada proses reversible. Karena masuknya energi panas menyebabkan enthalpi sistem meningkat sedangkan enthalpi merupakan fungsi status maka

S adalah peubah status yang disebut entropi juga merupakan fungsi status

Proses reversible adalah yang paling efisien

Tak ada rugi energiAda rugi energi

Proses yang umum terjadi adalaqh proses irreversible Panas dq yang kita berikan ke sistem pada umumnya adalah dqirrev

Dengan pemberian panas, entropi sistem berubah sebesar dSsistem dan sesuai dengan definisinya maka

tanpa mempedulikan apakah proses yang terjadi reversible atau irreversible

Dalam sistem tertutup, jika dq cukup kecil maka pergeseran status yang terjadi di lingkungan akan kembali ke status semula. Dengan mengabaikan perubahan-perubahan kecil lain yang mungkin juga terjadi, proses di lingkungan dapat dianggap reversible. Perubahan entropi lingkungan menjadi

Perubahan entropi neto

yang akan bernilai positif jika proses yang terjadi adalah proses irreversible karena dalam proses irreversible dq < dqrev Proses reversible hanya akan terjadi jika dSneto = 0

Karena proses spontan adalah proses irreversible di mana dSneto > 0 maka dalam proses spontan total entropi selalu bertambah. Suatu proses spontan adalah proses yang terjadi secara alamiah. Proses ini merupakan proses irreversible, karena jika tidak proses spontan tidak akan terjadi. Kita ingat bahwa proses reversible adalah proses yang hampir tidak bergeser dari keseimbangannya atau dengan kata lain tidak ada perubahan yang cukup bisa diamati. Oleh karena itu proses spontan tidak mungkin reversible atau selalu irreversible. Ini adalah pernyataan Hukum Thermodinamika Kedua.

Atas usulan Planck, Nernst pada 1906 menyatakan bahwa pada temperatur 0 K entropi dari semua sistem harus sama. Konstanta universal ini di-set sama dengan nol sehingga

Persamaan ini biasa disebut sebagai Hukum Thermodinamika Ke-tiga

Persamaan ini memungkinkan dilakukannya perhitungan nilai absolut entropi dari suatu sistem dengan membuat batas bawah integrasi adalah 0 K.

maka entropi S pada temperatur T dari suatu sistem adalahDengan mengingat relasi dq = CPdT, kapasitas panas pada tekanan konstan

Reaksi spontan disebut juga product-favored reaction Reaksi nonspontan disebut juga reactant-favored reaction Pada umumnya, reaksi eksothermis yang terjadi pada temperatur kamar adalah reaksi spontan. Energi potensial yang tersimpan dalam sejumlah (relatif) kecil atom / molekul reagen menyebar ke sejumlah (relatif) besar atom / molekul hasil reaksi dan atom / molekul lingkungannya. Penyebaran energi lebih mungkin terjadi daripada pemusatan (konsentrasi) energi.Proses reaksi dari beberapa reagen menghasilkan hasil reaksi.

Jika C dominan terhadap A+B dalam waktu yang tidak lama, maka reaksi tersebut disebut reaksi spontan Apabila A+B tetap dominan terhadap C dalam waktu yang lama, maka disebut reaksi nonspontan diperlukan upaya tertentu agar diperoleh C yang dominan

Di samping energi, materi yang sangat terkonsentrasi juga cenderung untuk menyebar 1). melalui penyebaran energi ke sejumlah partikel yang lebih besar;2). melalui penyebaran partikel sehingga susunan partikel menjadi lebih acak.Dengan dua cara tersebut ada empat kemungkinan proses yang bisa terjadiDengan demikian ada dua cara untuk suatu sistem menuju kepada status yang lebih mungkin terjadi, yaitu

a). Jika reaksi adalah eksothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini merupakan reaksi spontan pada semua temperatur.Karena reaksi spontan merupakan proses irreversible di mana terjadi kenaikan entropi maka kenaikan entropi menjadi pula ukuran/indikator penyebaran partikel b). Jika reaksi adalah eksothermis tetapi susunan materi menjadi lebih teratur, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi spontan pada suhu kamar akan tetapi menjadi reaksi nonspontan pada temperatur tinggi. Hal ini berarti bahwa penyebaran energi dalam proses terjadinya reaksi kimia lebih berperan dibandingkan dengan penyebaran partikel c). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih acak, maka reaksi ini cenderung merupakan reaksi nonspontan pada temperatur kamar tetapi cenderung menjadi spontan pada temperatur tinggi.d). Jika reaksi adalah endothermis dan susunan materi menjadi lebih teratur, maka tidak terjadi penyebaran energi maupun penyebaran partikel yang berarti proses reaksi cenderung nonspontan pada semua temperatur.

Kapasitas Panas dan Nilai Absolut Entropi

Konstanta Untuk Menetukan Kapasitas Panas Padatan cal/mole/K [12].MaterialabRentang Temperatur KAg5,092,04298 titik lelehAgBr7,9315,40298 titik lelehAgCl14,881,00298 titik lelehSiO211,228,20298 848

Entropi Absolut Pada Kondisi Standarcal/mole derajat [12]MaterialSMaterialSAg10.20 0,05Fe6,49 0,03Al6,77 0,05Ge10,1 0,2Au11,32 0,05Grafit1,361 0,005Intan0,583 0,005Si4,5 0,05

Energi Bebas (free energies)

Kelvin memformulasikan bahwa pada umumnya alam tidak memperkenankan panas dikonversikan menjadi kerja tanpa disertai oleh perubahan besaran yang lain. Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkan dengan pernyataan Hukum Thermodinamika Ke-dua, maka besaran lain yang berubah yang menyertai konversi panas menjadi kerja adalah perubahan entropi. Perubahan neto entropi, yang selalu meningkat dalam suatu proses, merupakan energi yang tidak dapat diubah menjadi kerja, atau biasa disebut energi yang tak dapat diperoleh (unavailable energy).

Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jika kita masukkan energi panas ke dalam sistem dengan maksud untuk mengekstraknya menjadi kerja maka yang bisa kita peroleh dalam bentuk kerja adalah energi yang masuk ke sistem dikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang terkait dengan entropi. entropitemperaturEnergi yang bisa diperoleh disebut energi bebas yang diformulasikan oleh Helmholtz sebagai

Hemholtz Free Energy

Karena mengubah energi menjadi kerja adalah proses irreversible, sedangkan dalam proses irreversible entropi selalu meningkat, maka energi yang tak dapat diperoleh adalahTS

Hemholtz Free Energy

Jika temperatur konstan dan tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan maupun dari lingkungan pada sistem, maka

Karena

Jadi pada proses isothermal di mana tidak ada kerja, energi bebas Helmholtz menurun dalam semua proses alamiah dan mencapai nilai minimum setelah mencapai keseimbangan

Gibbs mengajukan formulasi energi bebas, yang selanjutnya disebut energi bebas Gibbs (Gibbs Free Energy), G, dengan memanfaatkan definisi enthalpi

tekanan atmosfer

Jika tekanan dan temperatur konstan (yang tidak terlalu sulit untuk dilakukan), maka

Pada proses irreversible

Jadi jika temperatur dan tekanan dibuat konstan, energi bebas Gibb mencapai minimum pada kondisi keseimbangan Gibbs Free Energy

Course WareMengenal Sifat Kimia MaterialPengertian Dasar ThermodinamikaSudaryatno Sudirham