Bab 4 Termodinamika Kimia
Kimia Dasar II, Dept. Kimia, FMIPA-UI, 2009
Keseimbangan Pada keseimbangan
Tidak stabil Stabil secara lokal
Lebih stabil
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
2
2
Hukum Termodinamika Pertama Energi tidak dapat diciptakan maupun ditiadakan Total energi alam semesta (universe) adalah tetap Energi dapat diubah dari satu bentuk energi kebentuk energi lain atau dipindahkan dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
3
3
Proses Spontan ¾ Adalah proses yang berlangsung tanpa pengaruh dari luar ¾ Contoh : Gas dalam tabung B akan secara spontan berefusi ke dalam tabung A (karena tabung A vakum), tetapi setelah kedua tabung berisi gas, gas tidak dapat kembali secara spontan ke dalam tabung B
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
4
4
Proses Spontan ¾ Proses yang berjalan spontan tidak harus berlangsung dengan laju reaksi yang dapat diamati, seperti paku besi yang berkarat ¾ Proses yang berjalan spontan ke suatu arah adalah tidak spontan ke arah sebaliknya
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
5
5
Proses Spontan ¾
Proses yang berlangsung spontan pada suatu temperatur, mungkin berlangsung tiak spontan pada temperatur lain
¾
Contoh: Es mencair pada temperatur T > 0OC, tetapi air menjadi es terjadi secara spontan pada T < 0Oc
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
6
6
Proses Reversibel ¾ Proses perubahan yang reversibel adalah bila sistem berubah dengan cara sedemikian hingga sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan awal dengan membalikkan proses perubahan dengan cara yang tepat sama ¾ Perubahan‐perubahan terjadi secara kecil tak terhingga
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
7
7
Proses irreversible ¾ Pada proses yang irreversibel sistem dan lingkungan sistem tidak dapat dikembalikan ke keadaan awal tanpa kerja
¾ Semua proses spontan/riil/alami adalah irreversibel ¾ Perubahan yang reversibel menghasilkan sejumlah kerja maksimum : wrev = wmaks Hanya digunakan di Universitas Indonesia
8
8
Entropi ¾
Entropi, S adalah sebuah term baru yang diungkap-kan oleh Rudolph Clausius dalam abad ke 19, yang meyakinkan pentingnya rasio kalor yang dipindahkan dan temperatur pada mana kalor dipindahkan, yaitu q/T
¾
Entropi dapat dipikirkan merupakan suatu ukuran ketidakaturan suatu sistem
¾
Entropi berkaitan dengan berbagai moda gerakan dalam molekul
¾
Entropi adalah fungsi keadaan, sehingga : ΔS = Sakhir – Sawal
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
9
Entropi Untuk proses yang terjadi pada temperatur tetap (proses isotermal) : qrev ΔS = T dimana qrev adalah kalor yang dipindahkan bila perubahan proses dilakukan secara reversibel pada temperatur tetap T adalah temperatur Kelvin
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
10
10
Hukum Termodinamika Kedua ¾ Menyatakan bahwa entropi alam semesta tidak berubah untuk proses reversibel dan bertambah untuk proses spontan/irreversibel Reversibel (ideal) : DSuniv = DSsistem + DSlingkungan = 0 Irreversibel (riil, spontan) DSuniv = DSsistem + DSlingkungan > 0 ¾ Entropi sistem individu dapat berkurang, meskipun entropi alam semesta bertambah untuk proses riil/spontan Hanya digunakan di Universitas Indonesia
11
11
Entropi pada Skala Molekular Ludwig Boltzmann menggambarkan konsep entropi pada tingkatan molekular dengan pemikiran : ¾ Temperatur adalah suatu ukuran dari energi kinetik rata-rata molekul ¾ Molekul melakukan beberapa tipe gerakan, yaitu translasi : gerakan dari keseluruhan molekul dari satu tempat ke tempat lain vibrasi : gerakan atom-atom dalam molekul secara periodik rotasi : gerakan berputar molekul terhadap sumbu rotasi atau rotasi terhadap ikatan ikatan σ
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
12
12
Entropi pada Skala Molekular ¾ Ludwig Boltzmann membayangkan molekul‐molekul dalam gerakannya pada suatu saat waktu tertentu dan menyatakannya sebagai keadaan mikro (microstates) sistem termodinamika ¾ Tiap keadaan termodinamika memiliki sejumlah spesifik keadaan mikro yang berkaitan, W dan entropi adalah :
S = k ln W dimana k adalah tetapan Boltzmann, 1,38 x 10‐23 J/K
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
13
13
Entropi pada Skala Molekular ¾ Akibatnya adalah : * lebih banyak partikel → keadaan mikro lebih banyak → entropi lebih besar * temperatur lebih tinggi →keadaan energi lebih banyak → entropi lebih besar * struktur yang kurang rapat (gas terhadap padatan) → keadaan mikro lebih banyak → entropi lebih besar
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
14
14
Entropi pada Skala Molekular ¾ Berdasarkan jumlah keadaan mikro, maka entropi cenderung meningkat dengan meningkatnya : * temperatur * volum (gas) * kebebasan gerak molekul
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
15
15
Entropi dan Keadaan Fisik Materi ¾ Entropi meningkat dengan bertambahnya kebebasan gerak molekul, sehingga S(g) > S(l) > S(s)
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
16
16
Entropi dan Keadaan Fisik Materi ¾ Zat padat yang melarut menjadi ion-ionnya memiliki entropi yang lebih besar, karena terdapat lebih banyak keadaan mikro. Walaupun beberapa molekul air entropinya berkurang karena bergabung di sekeliling ion, umumnya secara keseluruhan terjadi peningkatan entropi.
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
17
17
Perubahan‐perubahan Entropi Pada umumnya entropi bertambah bila : ¾ Terbentuk gas dari cairan dan padatan ¾ Cairan atau larutan terbentuk dari padatan ¾ Jumlah molekul gas bertambah ¾ Jumlah molekul bertambah
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
18
18
Hukum Termodinamika Ketiga Entropi zat kristal murni pada temperatur T = 0 K adalah nol
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
19
19
Hukum Termodinamika Ketiga Berdasarkan entropi zat kristal murni pada temperatur T = 0 K adalah nol, maka ilustrasi entropi zat padat, cairan dan gas adalah :
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
20
20
Besaran Entropi Standar ¾ Tabel 19.2 adalah nilai entropi molar zat dalam keadaan standar, So (ditentukan pada P = 1 bar dan T dipilih 298 K) ¾ Nilai entropi standar cenderung bertambah dengan meningkatnya massa molar
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
21
21
Besaran Entropi Standar ¾ Molekul‐molekul besar dan lebih kompleks memiliki nilai entropi standar yang besar :
¾ Perubahan entropi untuk reaksi kimia dapat dihitung dengan cara yang sama seperti untuk DH :
ΔS reaksi = ΣS°reaktan ‐ ΣS°produk Hanya digunakan di Universitas Indonesia
22
22
Sistem dan Lingkungan Sistem ¾ Kalor yang mengalir ke dalam atau keluar dari sistem menyebabkan perubahan entropi lingkungan dan untuk proses isotermal :
− qsistem ΔSlingkungan = T ¾ Pada tekanan tetap, qsistem adalah ΔHo untuk sistem, sehingga :
− qsistem − ΔH °sistem ΔSlingkungan = = T T ¾ Pada perubahan fase (proses isotermal) :
− qsistem − ΔH °sistem ΔSlingkungan = = T T Hanya digunakan di Universitas Indonesia
23
23
Sistem dan Lingkungan Sistem ¾ Alam semesta (universe) terdiri dari sistem dan lingkungan, sehingga :
Suniverse = ΔSsistem + ΔSlingkungan − ΔHsistem ΔSlingkungan = T
− ΔHsistem ΔSlingkungan = ΔSsistem + T
Suniverse = ΔSsistem + -ΔH°sistem = – Gibbs Free Energy Hanya digunakan di Universitas Indonesia
24
24
Sistem dan Lingkungan Sistem ¾ Untuk perubahan pada sistem :
TΔSuniverse = TΔSsistem + -ΔH°sistem = – Gibbs Free Energy
TΔSuniverse = TΔSsistem + -ΔH°sistem
ΔG = ΔH °sistem − TΔSsistem Hanya digunakan di Universitas Indonesia
25
25
Sistem dan Lingkungan Sistem ¾ Energi bebas Gibbs, ΔG didefinisikan sebagai
ΔG = − TΔSuniverse Untuk proses spontan : karena itu :
ΔSuniverse > 0
ΔG < 0
¾ ΔG lebih mudah ditentukan dari pada ΔSuniverse, sehingga digunakan ΔG untuk menyimpulkan proses‐proses yang spontan/riil
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
26
26
Energi Bebas Gibbs ¾ BilaΔnegatif, reaksi ke kanan adalah spontan ¾ Bila ΔG = 0, sistem berada pada keseimbangan ¾ Bila ΔG positif, reaksi yang spontan adalah reaksi sebaliknya
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
27
27
Perubahan Energi Bebas Standar Energi bebas pembentukan standar, ΔGfo adalah analog dengan entalpi pembentukan standar, ΔHfo
ΔG°f = ΣΔG°reaktan − ΣΔG°produk ¾ ΔGo dapat dilihat pada Tabel atau dihitung dari So dan ΔHo, = ΔH ° − TΔS ° yang diasumsikan tidakΔGtergantung pada T sistem
sistem
ΔG = ΔH °sistem − TΔS °sistem Persamaan ini menunjukkan bagaimana ΔGo berubah dengan temperatur
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
28
28
Energi Bebas dan Temperatur ¾ Persamaan energi bebas terdiri dari term entalpi, ΔHo dan term entropi TDS dan ketergantungan energi bebas pada temperatur ditimbulkan dari term entropi
¾ Dengan mengetahui tanda (+ atau –) dari ΔS atau ΔH, diperoleh tanda untuk ΔG dan menentukan apakah reaksi berlangsung secara spontan.
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
29
29
Energi Bebas dan Kesetimbangan ¾ Bila ΔG = 0, sistem berada pada keseimbangan, sehingga ΔG berkaitan dengan tetapan keseimbangan, K sebagai
dimana ΔGo adalah energi bebas standar (pada P = 1 bar atau 1 atm) ¾ Pada kondisi tidak standar :
Q adalah hasil bagi reaksi (hasil kali konsentrasi produk/hasil kali konsentrasi reaktan)
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
30
30
Daftar Pustaka •
Brown, Lemay, Bursten, Murphy, “Chemistry The Central Science”, 11th eds, Pearson Educational International, 2009, hal. 800‐840 .
Hanya digunakan di Universitas Indonesia
31
