BAHAN AJAR PERKULIAHAN KIMIA FISIKA 1 TERMODINAMIKA DAN KESETIMBANGAN KIMIA Nama Perguruan Tinggi : Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan Universitas Lambung Mangkurat Banjarmasin Mata Kuliah : Kimia Fisika I Semester : IV (Genap) Waktu : 3 x 50 menit A. Kompetensi Dasar Mendeskripsikan hukum pertama, kedua dan ketiga termodinamika, serta kesetimbangan kimia. B. Standar Kompetensi 1. Memahami hukum termodinamika pertama 2. Mengaplikasikan hukum termodinamika pertama 3. Menguasai hukum termodinamika kedua 4. Mengaplikasikan hukum termodinamika kedua 5. Menguasai hukum termodinamika ketiga 6. Mengaplikasikan hukum termodinamika ketiga 7. Menguasai konsep kesetimbangan kimia 8. Mengaplikasikan kesetimbangan kimia pada kondisi tertentu. C. Indikator 1. Menjelaskan hukum termodinamika pertama 2. Menjelaskan hubungan antara energi dalam dengan kalor dan kerja 3. Menghubungkan perubahan jumlah mol gas pada persamaan reaksi dengan besaran entalpi dan energi dalam
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
BAHAN AJAR PERKULIAHAN KIMIA FISIKA 1
TERMODINAMIKA DAN KESETIMBANGAN KIMIA
Nama Perguruan Tinggi : Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan
Universitas Lambung Mangkurat Banjarmasin
Mata Kuliah : Kimia Fisika I
Semester : IV (Genap)
Waktu : 3 x 50 menit
A. Kompetensi Dasar
Mendeskripsikan hukum pertama, kedua dan ketiga termodinamika, serta
kesetimbangan kimia.
B. Standar Kompetensi
1. Memahami hukum termodinamika pertama
2. Mengaplikasikan hukum termodinamika pertama
3. Menguasai hukum termodinamika kedua
4. Mengaplikasikan hukum termodinamika kedua
5. Menguasai hukum termodinamika ketiga
6. Mengaplikasikan hukum termodinamika ketiga
7. Menguasai konsep kesetimbangan kimia
8. Mengaplikasikan kesetimbangan kimia pada kondisi tertentu.
C. Indikator
1. Menjelaskan hukum termodinamika pertama
2. Menjelaskan hubungan antara energi dalam dengan kalor dan kerja
3. Menghubungkan perubahan jumlah mol gas pada persamaan reaksi dengan
besaran entalpi dan energi dalam
2
4. Memprediksikan nilai entropi dan entalpi sistem pada suatu reaksi
5. Meramalkan arah reaksi dari nilai entalpi dan entropi
6. Menerapkan hukum Hess untuk menentukan kalor reaksi (entalpi reaksi)
7. Menghitung kalor reaksi (entalpi reaksi) dari data entalpi pembentukan
standar dan data energi ikatan
8. Menafsirkankan diagram lingkar Carnot
9. Menghitung perubahan entropi pada suatu reaksi
10. Menjelaskan hubungan antara energi bebas Gibbs dengan entalpi dan entropi.
11. Menentukan nilai tetapan kesetimbangan pada temperatur dan tekanan
tertentu
12. Menggunakan besaran energi bebas Gibbs untuk menentukan kedudukan
kesetimbangan dari suatu reaksi.
13. Menjelaskan hubungan antara Kp , dan Kc
D. Pendekatan Model dan Metode Pembelajaran
Pendekatan pembelajaran yang digunakan dalam perkuliahan ini adalah
pendekatan konstruktivistik. Model pembelajaran yang digunakan adalah problem
solving-kooperatif. Metode pembelajaran yang digunakan adalah think-aloud
pair, yaitu mendiskusikan dengan teman yang menjadi pasangannya untuk
menyelesaikan soal/tugas yang diberikan.
E. Media Pembelajaran
Seperangkat komputer dan LCD serta bahan ajar perkuliahan kimia fisika I,
buku-buku teks yang mendukung seperti;
3
1. Atkins, PW, 1999. Kimia Fisika (terjemahan) edisi keempat. Jakarta.
2. Bahl, B.S, Tuli, G.D, & Arum, B, 2004. Essential of Physical Chemistry, Two
colour edition, Longman , New Delhi.
3. Dogra, S.K & Dogra, S. 1997. Kimia Fisik dan Soal-soal. Penerbit UI Press
Jakarta
4. Mark, M & Foster, A. R, 1979. Thermodynamics : Principles and Aplication.
Allyn and Bacon, Inc. Boston.
5. Rahayu, S. I, 2006. Termodinamika (Azas Dasar dan Terapan Kimia). Penerbit
ITB Bandung.
6. Sukardjo, 1997. Kimia Fisika. Penerbit Rineka Cipta Jakarta.
4
TERMODINAMIKA
Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari transformasi dari berbagai
bentuk energi, pembatasan-pembatasan dalam transformasi energi serta
penggunaannya. Termodinamika didasarkan atas dua postulat pokok yang dikenal
sebagai hukum pertama dan hukum kedua. Hukum pertama menyangkut masalah
pertukaran energi, sedangkan hukum kedua membahas arah dari pertukaran tersebut.
Bab ini berisi tentang konsep-konsep dasar termodinamika, kalor dan kerja,
perumusan hukum pertama termodinamika, fungsi entalpi, kapasitas kalor dan
aplikasi hukum pertama termodinamika (termokimia), serta kesetimbangan kimia.
A. KONSEP-KONSEP DASAR TERMODINAMIKA
1. Sistem dan Lingkungan
Sistem adalah sejumlah zat atau campuran zat-zat yang dipelajari sifat-sifat dan
perilakunya. Segala sesuatu di luar sistem disebut lingkungan. Suatu sistem terpisah
dari lingkungannya dengan batas-batas tertentu yang dapat nyata atau tidak nyata.
Sebagai contoh, bila dalam botol yang tertutup terdapat air yang terisi setengah, maka
yang menjadi sistem adalah air. Dinding dan tutup botol merupakan batas-batas
sistem dan segala yang berada disekeliling botol adalah lingkungan.
Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi pertukaran energi dan materi, namun
ada pula yang tidak dapat mempertukarkan energi dan materi. Berdasarkan
5
pertukaran ini dapat dibedakan tiga jenis sistem, yaitu sistem tersekat, sistem
tertutup, dan sistem terbuka.
Sistem tersekat merupakan sistem yang tidak dapat melakukan pertukaran materi
maupun energi dengan lingkungannya. Sistem tersekat memiliki jenis energi yang
tetap. Contoh untuk sistem tersekat adalah botol termos ideal.
Sistem tertutup adalah sistem yang hanya dapat melakukan pertukaran energi
dengan lingkungannya. Contoh untuk sistem tertutup ini adalah sejumlah gas dalam
silinder tertutup.
Sistem terbuka adalah sistem yang dapat mempertukarkan materi dan energi
dengan lingkungannya. Akibatnya komposisi dari sistem terbuka tidak tetap
(berubah). Contoh untuk sistem terbuka ini adalah sejumlah zat-zat dalam wadah
terbuka.
2. Keadaan sistem dan Fungsi keadaan
Keadaan sistem ditentukan oleh sejumlah parameter atau variabel, misalnya suhu,
tekanan, volume, massa dan konsentrasi. Variabel sistem dapat bersifat intensif,
artinya tidak bergantung pada ukuran sistem (tekanan, suhu, massa jenis, dan sebagai-
nya), atau bersifat ekstensif yang berarti bergantung pada ukuran sistem (massa,
volume, energi, entropi, dan sebagainya).
6
Setiap besaran atau variabel yang hanya bergantung pada keadaan sistem dan
tidak bergantung pada bagaimana keadaan sistem itu tercapai, disebut fungsi
keadaan. Fungsi keadaan, misalnya suhu, tekanan, volume, energi dalam, entropi,
dan lain-lain. Sebagai contoh fungsi keadaan, bila kita melakukan pendakian puncak
gunung yang tingginya 1500 meter dari permukaan laut. Saat mula-mula di kaki
gunung memulai mendaki hingga mencapai puncak gunung di ketinggian 1500 meter
di atas permukaan laut, tidak bergantung pada cara kita mendaki atau arah pendakian
kita. Ketinggian puncak gunung dari permukaan air laut inilah yang dinamakan
fungsi keadaan
Kalor dan Kerja
Kalor dan kerja adalah dua konsep penting dalam termodinamika. Oleh karena itu
pengertian tentang kedua konsep ini harus dipahami dengan baik. Kalor, q,
didefinisikan sebagai energi yang dipindahkan melalui batas-batas sistem sebagai
akibat langsung dan perbedaan temperatur antara sistem dan lingkungannya. Menurut
perjanjian, q dihitung positip bila kalor masuk sistem dan negatip bila kalor ke luar
dan sistem.
Kerja, w, adalah energi yang bukan kalor, yang dipertukarkan antara sistem dan
lingkungannya dalam suatu perubahan keadaan. Menurut perjanjian, w dihitung
positip, bila lingkungan melakukan kerja terhadap sistem (misalnya pada proses
pemampatan gas), dan negatip bila sistem melakukan kerja terhadap lingkungan
(misalnya bila gas memuai terhadap tekanan atmosfir).
7
Kerja memiliki berbagai bentuk (misalnya, kerja ekspansi, kerja listrik, kerja
mekanik, kerja permukaan, dan sebagainya). Salah satu bentuk kerja yang penting
adalah kerja yang berhubungan dengan perubahan volume sistem yang disebut kerja
ekspansi. Kerja ini dapat ditentukan sebagai berikut. Perhatikan sejumlah gas yang
berada dalam sebuah silinder yang dilengkapi dengan pengisap (lihat gambar.1).
Gambar 1. Proses ekspansi gas dalam sebuah silinder
Bila Penghisap bergerak sepanjang jarak dx terhadap tekanan luar p, maka kerja yang
dilakukan oleh gas adalah,
kerja = gaya x jarak
δw = - p A dx..…………………………………………………………. ……..(1)
di mana A dx merupakan perubahan volume dV, sehingga
δw = - p dV..…………………………………………………………………...(2)
Tanda minus dalam persamaan (1) adalah sesuai dengan perjanjian bahwa
kerja yang dilakukan oleh gas dihitung negatip. Kerja yang dilakukan oleh gas
bila volume berubah dan V1 ke V2 dapat mengintegrasikan persamaan (2),
sehingga diperoleh persamaan berikut ini
δw = - P ∆V………………………………………………………..………… (3)
Untuk perubahan yang berlangsung secara reversibel, akan berlaku:
dx
gas
8
..…………………………..……………………………………....(4)
.…………………………………………………….…..(5)
.…………………………………………………….… ..(6)
dVV
nRTv
v
2
1
wrev = -
Dengan p adalah tekanan gas. Harga integral ini dapat dihitung bila persamaan
keadaan dari gas yang bersangkutan diketahui. Misalnya untuk gas ideal pada
temperatur tetap,
wrev = -
= -nRT
B. PERUMUSAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Keseluruhan energi potensial dan energi kinetik zat-zat yang terdapat dalam
suatu sistem, disebut energi dalam, U. Energi dalam merupakan fungsi keadaan
karena besarnya hanya bergantung pada keadaan sistem. Bila dalam suatu perubahan
sistem menyerap sejumlah (kecil) kalor, δq, dan melakukan kerja (kecil), δw, maka
sistem akan mengalami perubahan energi dalam, dU, sebesar
dU = δq + δw...………………………………………………………………………(7)
untuk perubahan yang besar pada suatu sistem dari keadaan 1 (energi dalam U1) ke
keadaan 2 (energi dalam U2), maka akan terjadi perubahan energi dalam (∆U),
sebesar
∆U = U2 - U1…………………………………………...……………………………(8)
V
dVv
v
2
1
2
1
v
v
pdV
1
2lnV
VnRTwrev
9
sehingga diperoleh
U2 - U1 = q + w...……………………………….……………………………………(9)
∆U = q + w…………………………………………………………………………..(10)
Persamaan (10) merupakan bentuk matematik dari hukum pertama termodinamika.
Menurut ungkapan ini, energi suatu sistem dapat berubah melalui kalor dan kerja.
Bila kerja yang dilakukan oleh sistem hanya terbatas pada kerja ekspansi (misalnya
pada kebanyakan reaksi kimia), maka persamaan (10) dapat diubah menjadi
dU = δq – p dV.…….. ..……………………………………………………………(11)
pada volume tetap, dV = 0, maka
dU = δq..….……………………………………………………………………….. (12)
atau untuk perubahan besar,
∆U = q.....…………………………………………………………………………. (13)
Menurut persamaan (13) perubahan energi dalam adalah kalor yang diserap oleh
sistem bila proses berlangsung pada volume tetap.
1. Fungsi Entalpi dan Perubahan Entalpi
Kebanyakan reaksi-reaksi kimia dilakukan pada tekanan tetap yang sama
dengan tekanan atmosfir. Dalam hal ini, bila pada persamaan (11)
dU = δq – p dV diintegrasikan (di mana p ialah tekanan sistem) akan diperoleh
U2 – U1 = q - p(V2 - V1)……………………………………………………………..(14)