MAKALAH TEMODINAMIKA KIMIA
SISTEM TERMDINAMIKA
Disusun oleh: Kelompok Intan Wulandari (06101281419029) Nabilah Hasanah (06101281419031) Yulianti Sartika (06101281419077) Dosen Pengampu: Dr. Effendi Nawawi, M.Si. NIP 195803231984031002
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN KIMIA JURUSAN MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN UNIVERSITAS SRIWIJAYA 2014/2015
KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah menolong hamba-Nya menyelesaikan makalah yang berjudul “Sistem Termodinamika” ini dengan penuh kemudahan. Tanpa pertolongan Nya mungkin penyusun tidak akan sanggup menyelesaikan dengan baik. Makalah ini disusun agar pembaca dapat memperluas ilmu yang penulis sajikan berdasarkan pengamatan dari berbagai sumber. Makalah ini memuat tentang “Sistem Termodinamika”. Walaupun makalah ini mungkin kurang sempurna tapi juga memiliki detail yang cukup jelas bagi pembaca.Penyusun juga mengucapkan terima kasih kepada : 1. Bapak Dr. Effendi Nawawi, M.Si. selaku dosen mata kulaih pengantar pendidikan yang telah memberikan tugas makalah ini. 2. Kedua orang tua kami, serta rekan rekan mahasiswa yang telah memberikaan semangat, ide dan bantuannya sehingga penyusun dapat menyelesaikan makalah ini. Semoga makalah ini dapat memberikan wawasan dan manfaat yang lebih luas kepada pembaca.Penyusun sadar bahwa makalah ini masih banyak memerlukan perbaikan. Untuk itu mohon saran dan kritiknya. Terima kasih.
Januari 2016
2
DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ................................................................................................................... 2 DAFTAR ISI.................................................................................................................................. 3 PENDAHULUAN ......................................................................................................................... 4 Latar Belakang .............................................................................................................................. 4 Rumusan Masalah ........................................................................................................................ 4 Tujuan ............................................................................................................................................ 4 PEMBAHASAN ............................................................................................................................ 5 Konsep Dasar Termodinamika .................................................................................................... 5 Sistem Termodinamika ................................................................................................................ 5 Sifat-Sifat Sistem ........................................................................................................................... 8 Klasifikasi Sifat-Sifat Sistem ........................................................................................................ 8 Kesetimbangan Termal ................................................................................................................ 8 Bentuk-Bentuk Energi .................................................................................................................. 8 Karakteristik ............................................................................................................................... 10 Sistem Satuan, Tekanan, Dan Temperatur .............................................................................. 11 Keseimbangan Termodinamika ................................................................................................ 14 Keadaan Dan Proses ................................................................................................................... 15 Energi Dalam ............................................................................................................................... 16 Persamaan Keadaan Gas Ideal .................................................................................................. 18 PENUTUP .................................................................................................................................... 22 Kesimpulan .................................................................................................................................. 22 Saran ............................................................................................................................................ 22 DAFTAR PUSTAKA .................................................................................................................. 23
3
PENDAHULUAN A. Latar Belakang Termodinamika membahas tentang sistem keseimbangan (equilibrium), yang dapat digunakan untuk mengetahui besarnya energi yang diperlukan untuk mengubah suatu sistem keseimbangan, tetapi tidak dapat dipakai untuk mengetahui seberapa cepat (laju) perubahan itu terjadi karena selama proses sistem tidak berada dalam keseimbangan. Suatu sistem tersebut dapat berubah akibat dari lingkungan yang berada di sekitarnya. Sementara untuk aplikasi dalam materialnya, termodinamika membahas material yang menerima energi panas atau energi dalam bentuk yang berbeda-beda.Seperti telah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat gaya magnit, dan lain-lain . Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses termodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan diatas permukaan bumi.
B. Rumusan Masalah Adapun masalah-masalah yang akan dibahas dalam makalah ini diantaranya adalah: 1. Bagaimana sistem yang ada dalam termodinamika? 2. Bagaimanakan sifat dari sistem yang ada dalam termodinamika?
C. Tujuan Adapun tujuan dari penulisan makalah ini antara lain adalah untuk: 1. Menjelaskan sistem yang ada dalam termodinamika? 2. Menjelaskan sifat dari sistem yang ada dalam termodinamika? 4
PEMBAHASAN Konsep Dasar Termodinamika Termodinamika memiliki konsep dasar yang berupa istilah seperti sistem, lingkungan, dan batas sistem. Sistem (system) merupakan suatu masa atau daerah yang dipilih, untuk dijadikan objek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai lingkungan (surroundings). Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem (boundary).
Gambar 1. Sistem, lingkungan, dan batas sistem
Sistem Termodinamika Sementara itu, ada juga istilah lain yaitu sistem termodinamika. Sistem termodinamika adalah sistem yang memungkinkan terjadinya interaksi energi atau pertukaran energi dengan lingkungan yang berada disekitar sistem. Sistem termodinamika secara luas bisa didefinisikan sebagai luas atau ruang tertentu dimana proses termodinamika terjadi. Atau adalah suatu daerah dimana perhatian kita difokuskan dalam mempelajari proses termodinamika. Sistem termodinamika memiliki klasifikasi tersendiri. Klasifikasi sistem termodinamika dibagi menjadi 3 kelompok, yaitu : 1. Sistem Tertutup Sistem tertutup merupakan sistem massa tetap dan identitas batas sistem ditentukan oleh ruang zat yang menempatinya. Gas di dalam silinder dianggap sebagai suatu sistem. Jika panas diberikan ke silinder dari sumber luar, temperatur gas akan naik dan piston bergerak ke atas. Ketika piston naik, batas sistem bergerak. Dengan kata lain, panas dan kerja melewati batas sistem selama proses, tetapi tidak ada terjadi penambahan atau pengurangan massa zat.
5
Gambar 2. Sistem Termodinamika Tertutup 2. Sistem Terbuka Pada sistem ini, zat melewati batas sistem. Panas dan kerja bisa juga melewati batas sistem. Gambar menunjukkan diagram sebuah kompresor udara yang menggambarkan sistem terbuka ini. Zat yang melewati batas sistem adalah udara bertekanan rendah (L.P) yang memasuki kompresor dan udara bertekanan tinggi (H.P) yang meninggalkan kompresor. Kerja melewati batas sistem melalui poros penggerak dan panas ditransfer melewati batas sistem melalui dinding silinder.
Gambar 3. Sistem Termodinamika Terbuka 3. Sistem Terisolasi Adalah sebuah sistem yang sama sekali tidak dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem ini massanya tetap dan tidak ada panas atau kerja yang melewati batas sistem.
6
Gambar 4. Perbandingan Sistem Termodinamika Sistem termodinamika memiliki beberapa istilah yang disebut koordinat sistem. Koordinat sistem merupakan setiap kuantitas makroskopik (yang dapat terukur secara indra) yang berkaitan dengan kondisi internal suatu system. Ex : tekanan (P), volume (V), suhu (T), dan komposisi zat. Koordinat sistem inilah yang dapat menentukan energi internal sistem. Dalam termodinamika diturunkan persamaan dari hubungan antar koordinat system sesuai hukum termodinamika. Sistem termodinamika juga memiliki besaran tertentu. Besaran ini berhubungan dengan koordinat sistem termodinamika, karena variabel dari besaran itupun ada di koordinat sistem. Besaran disebut juga sifat termodinamika. Besaran termodinamika dibagi menjadi 2, yaitu : 1. Besaran ekstensif Besaran ekstensif yaitu besaran yang harganya tergantung pada ukuran sistem. Besaran ekstensif memiliki beberapa variabel besaran yaitu volume (V), massa (m), dan energi. Dari besaran ekstensif, dapat diperoleh harga jenis dan harga molar. Harga jenis yaitu perbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem. Sedangkan harga molar yaitu perbandingan antara besaran ekstensif dengan jumlah mol sistem. Harga Jenis = besaran ekstensif / massa sistem Harga Molar = besaran ekstensif / jumlah mol sistem 2. Besaran intensif Besaran intensif yaitu besaran yang harganya tidak tergantung pada ukuran sistem. Besaran intensif memiliki beberapa variabel besaran yaitu tekanan (P) dan suhu (T)
Gambar 5. Tabel Besaran/Sifat Intensif dan Ekstensif
7
Sifat-Sifat Sistem Keadaan sistem bisa diidentifikasi atau diterangkan dengan besaran yang bisa diobservasi seperti volume, temperatur, tekanan, kerapatan dan sebagainya. Semua besaran yang mengidentifikasi keadaan sistem disebut sifat-sifat sistem.
Klasifikasi Sifat-Sifat Sistem Sifat-sifat termodinamika bisa dibagi atas dua kelompok umum: 1. Sifat ekstensif Besaran sifat dari sistem dibagi ke dalam beberapa bagian. Sifat sistem, yang harga untuk keseluruhan sistem merupakan jumlah dari harga komponen-komponen individu sistem tersebut, disebut sifat ekstensif. Contohnya, volume total, massa total, dan energi total sistem adalah sifatsifat ekstensif. 2. Sifat intensif Perhatikan bahwa temperatur sistem bukanlah jumlah dari temperatur-temperatur bagian sistem. Begitu juga dengan tekanan dan kerapatan sistem. Sifat-sifat seperti temperatur, tekanan dan kerapatan ini disebut sifat intensif.
Kesetimbangan Termal Misalkan dua benda yang berasal dari material yang sama atau berbeda, yang satu panas, dan lainnya dingin. Ketika benda ini ditemukan, benda yang panas menjadi lebih dingin dan benda yang dingin menjadi lebih panas. Jika kedua benda ini dibiarkan bersinggungan untuk beberapa lama, akan tercapai keadaan dimana tidak ada perubahan yang bisa diamati terhadap sifat-sifat kedua benda tersebut. Keadaan ini disebut keadaan kesetimbangan termal, dan kedua benda akan mempunyai temperatur yang sama.
Bentuk-bentuk energi Telah disampaikan sebelumnya bahwa energi dapat terwujud dalam berbagai bentuk, yaitu energi kimia, energi panas, energi mekanis, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnetik, energi gaya magnit, dan lain-lain. Suatu media pembawa energi dapat mengandung berbagai bentuk energi tersebut sekaligus, dan jumlah energinya disebut energi
8
total (E). Dalam analisis thermodinamika sering digunakan energi total setiap satuan masa media (m), yang disebut sebagai energi per-satuan masa (e) yaitu,
Berbagai bentuk energi diatas dapat pula dikelompokkan menjadi dua bentuk, yaitu energi makroskopik dan energi mikroskopik. Energi makroskopik adalah keberadaan energi ditandai dari posisinya terhadap lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang ditentukan. Contoh bentuk energi makroskopik adalah energi kinetik (KE) dan energi potensial (PE). Keberadaan energi mikroskopik ditentukan oleh struktur internal dari= zat pembawa energi sendiri dan tidak tergantung kepada lingkungannnya, yaitu struktur dan gerakan molekul zat tersebut. Energi mikroskopik ini disebut sebagai energi internal (U). Energi makroskopik berhubungan dengan gerakan masa pembawa energi, dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi, pengaruh energi listrik, sifat magnit, dan tegangan pemukaan fluida. Energi kinetis KE adalah energi yang disebabkan oleh gerakan relatif terhadap suatu referensi, dan besarnya adalah: atau dalam bentuk energi per-satuan masa: dengan, m = satuan masa media pembawa energi V = satuan kecepatan gerakan masa.
Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh posisi elevasinya dalam medan gravitasi, dan besarnya adalah: PE = m g z Atau dalam bentuk energi per-satuan masa, pe = g z dengan, g = gaya gravitasi z = posisi elevasi terhadap suatu referensi.
Energi internal meliputi semua jenis energi mikroskopik, yaitu akibat dari struktur dan aktivitas molekul dalam masa yang ditinjau. Struktur molekul adalah jarak antar molekul dan besar gaya tarik antar molekul, sedang aktivitas molekul adalah kecepatan gerak molekul. Energi laten adalah energi yang merubah jarak dan gaya tarik antar molekul, sehingga masa berubah fase antara fase padat atau cair menjadi gas. Energi sensibel merubah kecepatan gerak molekul, 9
yang ditandai oleh perubahan temperatur dari masa yang ditinjau. Energi kimia adalah energi internal sebagai akibat dari komposisi kimia sua tu zat, yang merupakan energi yang mengikat atom dalam molekul zat tersebut. Perubahan struktur atom menyebabkan perubahan energi pengikat atom dalam molekul, sehingga reaksinya dapat melepaskan energi (eksothermis) misalnya dalam reaksi pembakaran, atau memerlukan energi (indothermis). Bentuk energi internal lainnya adalah energi nuklir, yang merupakan energi ikatan antara atom dengan intinya. Dalam bahasan thermodinamika efek dari jenis energi makroskopik lain yaitu energi magetik, dan tegangan permukaan fluida dapat diabaikan, sehingga energi total E dari masa pembawa energi tersebut adalah: E = U + KE + PE = U + + mgz atau dalam bentuk energi per-satuan masa, e = u +ke +pe = u + + gz Dalam aplikasi bidang teknik masa atau sistem thermodinamika yang ditinjau biasanya tidak bergerak selama proses berlangsung, sehingga perubahan energi potensial dan energi kinetisnya sama dengan nol.
Karakteristik Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property dari sistem, seperti tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang disefinisikan dari property yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai property yang tetap. Apabila property nya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium). Perubahan sistem thermodinamika dari keadaan seimbang satu menjadi keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkaian keadaan diantara keadaan awal dan akhir disebut linTasan proses. Tergantung dari jenis prosesnya, maka keadaan 2 dapat dicapai dari keadaan 1 melalui berbagai lintasan yang berbeda. Proses thermidinamika biasanya digambarkan dalam sistem koordinat 2 dua property, yaitu P-V diagram, P-v diagram, atau T-S diagram. Proses yang 10
berjalan pada satu jenis property tetap, disebut proses iso - diikuti nama property nya, misalnya proses isobaris (tekanan konstan), proses isochoris (volume konstan), proses isothermis (temperatur konstan) dan la in-lain. Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut menjalani rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya. Pada Gambar 1.3 (a) terlihat suatu siklus terdiri dari 2 jenis proses, dan Gambar 1.3 (b) siklus lain dengan 4 jenis proses.
Sistem Satuan, Tekanan, dan Temperatur 1. Sistem Satuan Suatu sistem satuan adalah sistem besarn atau unit untuk mengkuantifikasikan dimensi dari suatu property. Sistem satuan yang sekarang dipergunakan di seluruh dunia, termasuk Indonesia, adalah Sistem SI (Sistem Internasional. Sistem ini menggantikan 2 sistem yang dipergunakan sebelumnya, yaitu sistem British dan sistem Metris. Dalam sistem SI ada 7 macam dimensi dasar, yaitu panjang (m), massa (kg), waktu (detik), temperatur (K), arus listrik (A), satuan sinar (candela-c), dan satuan molekul (mol). Satuan gaya merupakan kombinasi dari masa dan percepatan, dan mempunyai besaran N (Newton), yang didefinisikan menurut Hukum Newton, F=ma Dan 1 N adalah gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan sebesar 1 m/det2 pada suatu masa sebesar 1 kg sehingga. 1 N = 1 kg. m/det2 Ukuran berat (W) adalah gaya yang ditimbulkan oleh masa m kg, dengan percepatan sebesar medan gravitasi yang terjadi (g), sebagai berikut. W=mg Satuan W adalah Newton, sedang besar gravitasi di bumi adalah 9,807 m/det2 di permukaan laut dan semakin kecil dengan bertambahnya elevasi. Kerja yang merupakan salah satu bentuk energi, adalah gaya kali jarak dengan satuan N.m, dan disebut pula J (Joule) yaitu, 1 J = 1 N.m Satuan Joule juga digunakan dalam dimensi energi panas, dan biasanya ukurannya dalam kJ (kilojoule) atau MJ (Mega Joule).
11
2. Tekanan Tekanan merupakan salah satu property yang terpenting dalam thermodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair atau gas) pada satu satuan unit luas area. Istilah tekanan pada benda padat disebut tegangan (stress). Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan sebagai, 1 Pa = 1 N/m2 Karena satuan Pascal terlalu kecil, maka dalam analisis thermodinamika seringdigunakan satua kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1 MPa = 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar (barometric), atau atm (standard atmosphere), sebagai berikut. 1 bar = 105 Pa = 0,1 Mpa = 100kPa 1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa = 1, 01325 bar Pengukuran tekanan dengan menggunakan referensi tekanan nol absolut disebut tekanan absolut (ata), sedang tekanan manometer (ato) adalah tekanan relatif terhadap tekanan atmosfir. Tekanan vakum adalah tekanan dibawah 1 atm, yaitu perbedaan antara tekanan atmosfir dengan tekanan absolut, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.4. sebagai berikut, Gambar 1.4. Hubungan pengukuran beberapa jenis tekanan Alat pengukur tekanan diatas atmosfir adalah manometer, alat pengukur tekanan vakum disebut manometer vakum, sedang alat pengukur tekanan atmosfir disebut barometer. Terdapat banyak jenis metode pengukuran tekanan seperti pipa U, manometer pegas, atau transduser elektronik. 3. Temperatur Ukuran temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanya energi panas pada suatu benda padat, cair, atau gas. Metodenya biasanya menggunakan perubahan salah satu property suatu material karena panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik. Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas ke alat ukur sampai terjadi keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur yang terterapada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Thermodinamika Zeroth (Zeroth Law of Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam keadaan seimbang thermal dengan benda
12
ketiga maka dua benda tersebut juga dalam keadaan seimbang thermal walaupuntidak saling bersentuhan. Dalam sistem SI satuan temperatur adalah Kelvin (K) tanpa derajad. Skala dari ukuran temperatur dalam derajad Celcius adalah sama dengan skala ukuran Kelvin, tetapi titik nol oC sama dengan 273,15 K. Titik nol oC adalah kondisi es mencair pada keadaan standard atmosfir, sedang kondisi 0 K adalah kondisi nol mutlak dimana semua gerakan yang menghasilkan energi pada semua materi berhenti. Dalam analisis thermodinamika, apabila yang dimaksudkan adalah ukuran temperatur maka yang digunakan adalah ukuran dalam K, sedang apabila analisis berhubungan dengan perbedaan temperatur maka baik ukuran oC maupun K dapat digunakan. A. Persamaan keadaan gas ideal dan diagram P-v-T Dari hasil eksperimen, nilai besaran-besaran termodinamika bergantung satu sama lain. Volume dikecilkan tekanan naik
Suhu dinaikkan panjang bertambah
`Apabila volume (V), suhu (T) dan massa (m) diatur dengan nilai tertentu, maka nilai tekanan (P) tidak bisa sebarang. Ada hubungan antara besaran-besaran ini sbb: f(P, V, T, m) = 0 Hubungan ini disebut persamaan keadaan.Biasanya persamaan keadaan dituliskan berdasarkan sifat-sifat alam bukan berapa banyak material berada, sehingga besaran ekstensif diganti dengan nilai spesifiknya. Seperti V menjadi v = sehingga persamaan keadaan menjadi: f(P, v, T) = 0 Persamaan ini bervariasi dari satu zat ke zat yang lain. Hubungan antar satu sama lain biasanya tidak sederhana. Untuk mempermudah, sering dipakai ilustrasi grafik. Contoh eksperimen untuk 1 mole gas karbon dioksida: Plot antara Pv/T vs. P untuk tiga temperatur yang berbeda. Ilustrasi grafik tersebut menunjukkan: Tampak bahwa nilai Pv/T tidak konstan Pada tekanan rendah ketiga kurva menyatu pada nilai Pv/T = R dengan R merupakan konstanta gas universal. Pada suhu tinggi, kurva mendekati garis lurus Pada tekanan yang cukup rendah, untuk semua gas: 13
Pv/T = R atau Pv = RT Oleh karena itu seringkali digunakan pendekatan “gas ideal” yang mengasumsikan bahwa rasio Pv/T selalu sama dengan R untuk semua tekanan dan temperatur. Kita tahu bahwa di alam tidak ada “gas ideal” semacam itu, gas yang mendekati gas ideal terjadi pada tekanan rendah dan suhu tinggi, namun studi tentang gas ideal sangat bermanfaat sebagai salah satu pendekatan untuk mengetahui sifat-sifat gas sesungguhnya. Persamaan gas ideal: Pv = RT karena v = maka persamaan gas ideal juga dapat ditulis PV = nRT Permukaan kurva gas ideal
Keseimbangan Termodinamika Keseimbangan termodinamika menjelaskan sistem yang propertinya tidak akan berubah tanpa beberapa jenis campur tangan dari luar. Dengan kata lain, sebuah sistem dalam kesetimbangan termodinamika tidak akan berubah kecuali ada sesuatu yang ditambahkan atau dikurangi dari itu. Bagi objek untuk mencapai kesetimbangan termodinamika, ada tiga kondisi yang harus dipenuhi, yaitu : keseimbangan mekanik, keseimbangan kimia, dan keseimbangan termal. 1. Keseimbangan Mekanik Menjelaskan apa yang terjadi ketika tidak ada gaya yang tidak seimbang dalam sistem atau dengan sistem dan sekitarnya. Ini berarti bahwa gaya harus sama dalam suatu sistem dan dalam sistem dan sekitarnya. Salah satu gaya tersebut adalah tekanan. Jika tekanan adalah sama dalam sistem dan dengan sistem dan sekitarnya, keseimbangan mekanik tercapai. Jika tidak ada keseimbangan mekanik, sistem akan berusaha untuk mencapai keseimbangan. 2. Keseimbangan Kimia Suatu objek akan mencapai keseimbangan kimia, dimana semua reaksi kimia dalam sistem seperti difusi maupun pelarutan sudah berlangsung atau terjadi, walau dalam kecepatan yang lambat sekalipun. 3. Keseimbangan Termal Keseimbangan ini akan terjadi jika tidak ada perpindahan kalor dalam sistem atau antara sistem dengan lingkungannya. Artinya semua temperatur dalam sistem harus sama.
14
Keadaan dan Proses Sistem termodinamika juga memiliki istilah yang disebut keadaan sistem dan proses. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem. Keadaan sistem bergantung pada koordinat sistem, karena koordinat sistem berfungsi sebagai variabel peubah keadaan suatu sistem atau zat. Sedangkan yang dinamakan proses yaitu ketika suatu sistem berubah dari satu keadaan keseimbangan ke keadaan keseimbangan lainnya dan membentuk suatu lintasan yang dilalui sistem tersebut. Lintasan inilah yang disebut proses. Proses berlangsung dengan cara sistem akan mengalami kesetimbangan awal, lalu proses yang terjadi mengubah keadaan secara lambat atau cepat untuk membawa sistem kepada tahap kesetimbangan yang selanjutnya. Macam-macam bentuk proses ada 2, yaitu : 1. Proses Reversibel (Quasy-statis) Suatu proses yang berlangsung sedemikian hingga setiap bagian yang mengalami perubahan dikembalikan pada keadaan semula tanpa menyebabkan suatu perubahan lain. Proses ini dapat dibalik. Keadaan awal, proses dan keadaan akhir cenderung setimbang sehingga pertukaran energi dan kerja selama proses cenderung lambat (Quasy-statis). 2. Proses Irreversibel Proses yang berlangsung dalam satu tahap, arahnya tak dapat dibalik kecuali dengan tambahan energi luar. Sistem hanya akan seimbang saat keadaan awal dan akhir saja dikarenakan selama proses menuju keadaan akhir, terjadi pertukaran energi dan kerja sehingga tidak setimbang (Quasy-dinamis).
Keadaan memiliki persamaan atau fungsi keadaan, begitu pula proses yang memiliki persamaannya sendiri. 1. Persamaan Keadaan Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan yang berhubungan dengan materi. Proses tidak mempengaruhi persamaan keadaan. Persamaan keadaan hanya bergantung pada saat keadaan awal dan akhir dari proses yang terjadi 2. Persamaan Proses Persamaan proses adalah suatu keadaan yang nilainya bergantung pada proses (alur) antara dua keadaan setimbang, walaupun keadaan awal dan akhirnya sama.
15
Energi Dalam Energi dalam merupakan energi total yang dimiliki suatu sistem, sehingga dapat berubahubah nilainya dalam suatu proses termodinamika. Energi dalam merupakan suatu sifat mikroskopik zat sehingga tak dapat diukur secara langsung. Dalam sistem gas ideal, energi dalam merupakan jumlah energi kinetik yang tersimpan dalam sistem. Secara umum, perubahan energi dalam dirumuskan sebagai berikut :
△U = U2 – U1, U2 = keadaan akhir U1 = keadaan awal / Energi dalam (U) dapat berniai positif atau negatif, tergantung dari : 1. Aliran kalor antara sistem dengan lingkungan 2. Kerja yang diterima atau dilakukan oleh sistem 3. Aliran materi yang berlangsung keluar atau masuk terhadap sistem Menurut Hukum I Termodinamika, jumlah kalor yang diberikan suatu sistem sama dengan besarnya usaha yang dilakukan sistem tersebut dan perubahan energi dalam sistem.
△U = Q – W Q = △U + W Q = panas W = kerja Dalam rumus tersebut, terdapat panas dan kerja. Panas dapat terjadi karena adanya pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan, akibat adanya perubahan dan perbedaan suhu. Sedangkan kerja merupakan energi yang dihasilkan selain panas. Di dalam energi dalam, terdapat perubahan tanda panas dan kerja yang dihasilkan. Berikut ini adalah syarat terjadinya perubahan tanda pada panas dan kerja yang terjadi. 1. Jika panas diberikan kepada system, maka panas tersebut bernilai positif (+Q) 2. Jika panas dikeluarkan dari system, maka panas tersebut bernilai negatif (-Q) 3. Jika kerja diterima oleh system, maka kerja tersebut bernilai positif (+W) 4. Jika kerja dilakukan oleh system, maka kerja tersebut bernilai negatif (-W)
16
Gambar 6. Syarat panas dan kerja pada sistem
Panas Secara eksperimen panas yang ditransfer ke sebuah obyek ΔQ berbanding lurus dengan perubahan temperatur dari obyek tersebut ΔT.
ΔQ = C . ΔT C = dQ/dT
Dimana C adalah kapasitas panas zat yang secara kuantitatif didefinisikan sebagai besarnya energi panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1oC. Dengan demikian kapasitas panas C memiliki satuan J/kal atau J/K. Sedangkan ΔT tidak lain adalah menyatakan selisih suhu pada keadaan sebelum dan sesudah diberi energi panas Q. Pengalaman sehari-hari menunjukkan pada kita bahwa untuk menaikkan suhu, air misalnya, semakin banyak jumlah air yang kita panaskan maka semakin banyak jumlah energi yang dibutuhkan. Dengan demikian kita dapat menyimpulkan bahwa panas yang dibutuhkan sebanding dengan massa zat yang ingin kita panaskan. Massa (m) zat berhubungan dengan kapasitas panas (C) melalui persamaan
C=c.m Dimana, c menyatakan panas jenis zat dan m adalah massa zat.
Kerja Kerja adalah sebuah fungsi proses yang dapat dilakukan oleh suatu sistem. Contohnya yaitu piston. Piston dapat menekan gas dalam silinder karena piston ditekan dengan F. Gaya F bekerja pada luas permukaan A menghasilkan tekanan yang menekan gas sejauh Δy. Besarnya kerja yang dilakukan oleh gaya F adalah:
dW = F dy F = pA dW = P A dy A dy = dV dW = P dV 17
Gambar 7. Kerja gas dalam silinder/piston Jika awal mula volume awal V1 sedangkan volume akhir V2 , kerja total yang dilakukan yaitu :
Persamaan Keadaan Gas Ideal Gas sempurna (atau gas ideal) bisa didefinisikan sebagai suatu keadaan zat, yang penguapannya dari kondisi cair berlangsung sempurna. Oksigen, nitrogen, hidrogen dan udara, pada batas temperatur tertentu, bisa juga disebut sebagai gas sempurna. Gas ideal ini tenaga ikat mplekul-molekulnya dapat diabaikan. Dalam termodinamika, umumnya gas yang digunakan bersifat gas ideal. Persamaan gas ideal dapat dituliskan sebagai berikut :
PV = nRT n = jumlah mol gas R = konstanta gas umum = 8,314 J/mol.K = 0,08206 L.atm/mol.K
Perubahan Keadaan Gas Ideal Dalam termodinamika, pada gas ideal terdapat 4 jenis perubahan dengan proses yang berbeda, yaitu : 1. Proses Isotermal Proses isotermis dan isotermal adalah proses termodinamika yang mana selama proses berjalan, suhu gas tetap. Dari persamaan umum gas :
PV = nRT 18
Karena suhu konstan, maka usaha yang dilakukan oleh gas adalah :
dW = P.dV dW =
𝒏.𝑹.𝑻 𝑽
dV
𝑽 𝟏
W= nRT∫𝑽 𝒇 𝒅𝑽 𝒊
𝑽
Gambar 8. Grafik Proses Isotermal Proses Isotermal juga ada yang irreversible, rumusnya adalah :
Jika irreversible, maka tekanan ekspansinya konstan, sehingga :
2. Proses Isokhorik Proses dimana volume sistem tidak mengalami perubahan. Proses ini terjadi pada sistem yang mempunyai volume (wadah) yang kuat, tertutup, dan tidak dapat berubah. Oleh karena volumenya tetap, maka kerja yang dilakukan gas = 0.
W = P dV = P.0 = 0
19
Gambar 9. Grafik Proses Isokhorik 3. Proses Isobarik Proses dimana tidak terjadi perubahan tekanan pada sistem. Pada umumnya terjadi pada sistem yang mempunyai kontak langsung dengan tekanan atmosfer bumi yang dianggap konstan (misal: reaksi biokimia).
P = konstan PV = nRT Usaha yang dilakukan gas adalah :
W = P dV = nR dT
Gambar 10. Grafik Proses Isobarik 4. Proses Adiabatik Proses adiabatik adalah proses termodinamika dimana kerja yang dilakukan oleh gas adalah murni berasal dari perubahan energi internalnya. Tidak ada energi yang masuk maupun yang keluar (Q) selama proses itu berjalan. (Hukum Termodinamika I menyatakan : Perubahan energi internal gas (dU) adalah banyaknya energi kalor yang disuplai (Q) dikurangi kerja yang dilakukan oleh gas (P.dV). Kondisi proses adiabatik adalah :
dU = Q - P.dV = - P dV P Vƴ = K (konstan)
20
Gambar 11. Grafik Proses Adiabatik
21
PENUTUP A. Kesimpulan Termodinamika merupakan ilmu yang mengkaji berbagai bentuk energi danhubungannya satu dengan yang lain. bersifat mendasar untuk semua ilmu. Ruanglingkup termodinamika kimia ialah hubungan antara berbagai energi jenis tertentudengan sistem kimia. Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan hukumpelestarian energi. Energi total suatu sistem adalah energi dalamnya yang merupakansuatu fungsi keadaan. Suatu perubahan energi dalam, ∆ U , dilaksanakan dengantransfer kalor ataupun perlakuan kerja.Termokimia menangani pengukuran dan penafsiran perubahan kalor yangmenyertai proses kimia. Kebanyakan pengukuran semacam itu dilakukan dengan sebuah kalorimeter. Kespontanan suatu reaksi kimia tertentu dapat terjadi tidak hanya bergantungpada perubahan entalpi, ∆ H ,tetapi juga pada temperatur dan perubahan entropi, ∆ S ,yang mengukur perubahan dalam derajat ketidakteraturan suatu sistem. Entropicenderung mencapai harga maksimum yang dimungkinkan oleh besarnya energidalam sistem. Hal ini diungkapkan dalam hukum kedua termodinamika. Pada 0 K(suhu mutlak) nilai entropi pada semua zat nyata adalah nol, dan ini merupakanhukum ketiga termodinamika.
B. Saran Disarankan kepada para pembaca, khususnya progam pendidikan kimia haruslah dapat mengetahui dan memahami tentang model-model atom, karena materi inii sangat berkaitan dengan ilmu termodinamika kimia, serta materi ini juga dapat menambah wawasan dan pengetahuan dalam mempelajarinya.
22
Daftar Pustaka http://www.sridianti.com/pengertian-kesetimbangan-termodinamika.html http://www.slideshare.net/fauziahpieter/sistem-kerja-kalor-dan-energi-dalam http://mirza.staff.ugm.ac.id/termo/TERMODINAMIKA.pdf http://ft.unsada.ac.id/wp-content/uploads/2008/04/bab1-2-tm1.pdf http://endwati.staff.fkip.uns.ac.id/files/2009/09/konsep-dasar-termodinamika-09.ppt
23
