Bab 4 Termodinamika Kimia.pdf

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