HUKUM TERMODINAMIKA I

Termodinamika kimia adalah cabang ilmu kimia yang mempelajari hubungan kalor, kerja, dan bentuk lain dari energi yang berkaitan dengan reaksi kimia dan bergantung pada perubahan keadaan. Subjek kajian dari termodinamika kimia adalah sistem, sedangkan bagian di luar sistem disebut lingkungan. 

Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi tiga, yaitu:

1.    Sistem terbuka, jika terjadi pertukaran materi dan energi antara sistem dengan lingkungan. Misalnya, kopi panas dalam cangkir. Uap air akan terlepas keluar cangkir dan debu dapat masuk ke dalam cangkir, ini berarti adanya pertukaran materi. Jika kita sentuh cangkir akan terasa panas, hal ini berarti terjadi pertukaran energi.

 

2.    Sistem tertutup, jika tidak terjadi pertukaran materi namun pertukaran energi masih dapat terjadi antara sistem dan lingkungan. Misalnya, kopi panas dalam gelas tertutup. Uap air tidak dapat keluar dari gelas dan debu tidak dapat masuk ke dalam gelas karena terhalang oleh tutup gelas. Ini berarti tidak terjadi pertukaran materi, akan tetapi ketika kita menyentuh gelas, kita masih merasakan panas. Ini berarti masih terjadi pertukaran energi.

3.    Sistem terisolasi, Jika tidak terjadi pertukaran materi maupun energi antara sistem dan lingkungan. Misalnya, kopi panas dalam termos. Uap air tidak dapat keluar dari termos dan kita tidak merasakan panas ketika menyentuh termos, ini menandakan bahwa tidak adanya pertukaran materi maupun energi.

Semua sistem mempunyai energi. Tentu kamu masih ingat apa yang dimaksud dengan energi?. Para Fisikawan mendefinisikan energi sebagai kemampuan untuk melakukan kerja atau usaha. Kerja atau usaha (w) adalah apa yang terjadi bila suatu gaya memindahkan suatu benda sejauh jarak tertentu. Satuannya adalah Joule. (1 Joule = kerja yang dilakukan oleh tenaga sebesar satu newton sepanjang satu meter). 

Dalam kimia, kerja merupakan bentuk lain dari energi yang dapat dipertukarkan antara sistem dan lingkungan. Menurut perjanjian international, w bertanda negatif  (-w), jika sistem melakukan kerja pada lingkungan dan w bertanda positif (+w), jika sistem menerima kerja dari lingkungan. Kerja dapat dirumuskan sebagai berikut:

Selain kerja, kalor (q) merupakan bentuk lain dari energi. Kalor dapat dipertukarkan antara sistem dan lingkungan karena adanya perbedaan temperatur atau suhu. Kalor mengalir dari panas ke dingin. Jika suatu zat menyerap kalor, maka temperatur zat tersebut akan naik. Sebaliknya, jika suatu zat melepaskan kalor, maka temperatur zat tersebut akan turun. Misalnya, kita memasukkan roti ke dalam segelas susu hangat. Roti akan menyerap kalor sehingga roti akan mengalami kenaikan temperatur, sedangkan susu akan melepas kalor sehingga mengalami penurunan temperatur. Hal ini menyebabkan temperatur antara susu dan roti menjadi relatif sama.

Seperti halnya kerja, kalor bertanda negatif (-q) jika sistem melepas kalor ke lingkungan dan kalor bertanda positif (+q) jika sistem menerima kalor dari lingkungan. Jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan oleh sistem dapat ditentukan melalui percobaan, yaitu dengan mengukur perubahan temperatur yang terjadi dalam sistem menggunakan kalorimeter. Jika massa dan kapasitas kalor atau kalor jenis sistem diketahui, maka jumlah kalor dapat ditentukan degan menggunakan rumus sebagai berikut:

 

Selain kerja dan kalor, bentuk lain dari energi adalah radiasi, energi listrik, dan energi kimia. Secara umum, semua bentuk energi tersebut dapat dibedakan menjadi energi kinetik (Ek) dan energi potensial (Ep). Energi kinetik adalah energi yang berhubungan dengan gerakan partikel-partikel atau molekul-molekul dalam sistem misalnya radiasi. Energi potensial adalah energi yang berhubungan dengan gaya antarmolekul misalnya energi ikatan kimia. Jumlah energi kinetik dan energi potensial adalah energi dalam (U atau E) atau internal energy.

Hubungan perubahan energi dalam, kalor, dan kerja dirumuskan dalam hukum kekekalan energi oleh James Prescott Joule (Hukum Termodinamika I).

“Satu bentuk energi dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain, tetapi energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan”

          Energi dalam (U) bergantung pada keadaan sistem yang ditentukan oleh jumlah mol (n), temperatur (T), dan tekanan (P). Nilai energi dalam tidak dapat ditentukan, akan tetapi perubahan energi dalam (∆U) dapat ditentukan jika sistem mengalami perubahan dengan rumus:

Jika sistem menyerap kalor atau menerima kerja, maka energi dalamnya bertambah (∆U > 0). Sebaliknya, jika sistem melepas kalor atau melakukan kerja, maka energi dalamnya akan berkurang (∆U < 0).

Proses dalam termodinamika dapat dibedakan atas:

1.    Pada reaksi kimia yang berlangsung pada sistem tertutup dan volume tetap (isokhorik) maka sistem tidak melakukan kerja  (w = 0). Pada keadaan ini semua perubahan energi yang menyertai reaksi adalah kalor reaksi (q_v = kalor reaksi pada volume tetap).

Kalor reaksi pada keadaan volume tetap adalah ∆U (perubahan energi dalam).

2.    Pada reaksi kimia yang berlangsung pada sistem terbuka dan tekanan tetap (isobarik) sehingga terdapat kalor (q_p = kalor pada tekanan tetap) dan kerja (w = P∆V). Pada keadaan inilah, besar perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan jumlah kalor yang diterima sistem tersebut ditambahkan  jumlah kerja yang diterima sistem, sehingga sesuai dengan hukum termodinamika I.

 

Kalor reaksi pada keadaan tekanan tetap adalah ∆H (perubahan entalpi).

3.    Pada proses adiabatik merupakan proses dimana tidak terjadi pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungannya (q = 0), sehingga;