THERMODINAMIKA : Entalpi dan efek joule kelvin, Reaksi maxwell, keseimbangan antara fase persamaan clausius-clayperon

BAB I

PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

            Thermodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan panas dan usaha(kerja) serta sifat sifat zat yang mendukung hubungan tersebut. Dapat pula dikatakan bahwa termodinamika mempelajari energidan transformasinya. Dan dalm makalah ini kami akan membahas bagian dari termodinamika, yaitu masalah entalpi dan efek joule kelvin, reaksi maxwell, serta keseimbangan antar fase persamaan clausius – clayperon. Hal ini dimaksudkan agar kita lebih memahami tentang termodinamika dengan lebih spesifik sehingga kita lebih menguasainya.

1.2  Permasalahan

a)                  Entalpi dan efek joule kelvin

b)                  Reaksi Maxwell

c)                  Keseimbangan antara fase persamaan clausius-clayperon

1.3 Tujuan pembuatan makalah

              Makalah ini dimaksudkan untuk memenuhi tugas mata kuliah Thermodinamika serta untuk membahas tentang permasalahan diatas.

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Entalpi dan Efek Joule Kelvin

Entalpi (H) adalah jumlah energi yang dimiliki sistem pada tekanan tetap. Entalpi (H) dirumuskan sebagai jumlah energi yang terkandung dalam sistem (E) dan kerja (W).

H = E + W

dengan:
W = P × V

E = energi (joule)

W = kerja sistem (joule)

V = volume (liter)

P = tekanan (atm)

Hukum kekekalan energi menjelaskan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari bentuk energi yang  satu menjadi bentuk energi yang lain. Nilai energi suatu materi tidak dapat diukur, yang dapat diukur hanyalah perubahan energi (ΔE). Demikian juga halnya dengan entalpi, entalpi tidak dapat diukur, kita hanya dapat mengukur perubahan entalpi (ΔH).

ΔH = H_p – H_r

dengan:
ΔH = perubahan entalpi

H_p = entalpi produk dan H_r = entalpi reaktan atau pereaksi

a. Bila H produk > H reaktan, maka ΔH bertanda positif, berarti terjadi penyerapan kalor dari lingkungan ke sistem.

b. Bila H reaktan > H produk, maka ΔH bertanda negatif, berarti terjadi pelepasan kalor dari sistem ke lingkungan.

 

Secara matematis, perubahan entalpi (ΔH) dapat diturunkan sebagai berikut.
ΔH  = E + W (1)

Pada tekanan tetap:

ΔH = ΔE + PΔV (2)

ΔE = Q + W (3)

W_sistem = –ΔPV (4)

Substitusi persamaan (3) dan (4) dalam persamaan (2):

ΔH  = (Q + W) + PΔV                       

ΔH  = (Q – PΔV) + PΔV

ΔH  = Q

Jadi, pada tekanan tetap, perubahan entalpi (ΔH) sama dengan kalor (q) yang diserap atau dilepas (James E. Brady, 1990).

Macam-macam reaksi kimia berdasarkan kalor yang dibebaskan/kalor yang diserap (Martin S. Silberberg, 2000):

a.       Reaksi kimia yang membutuhkan atau menyerap kalor disebut reaksi endoterm.
Contoh:
Reaksi pemutusan ikatan pada molekul unsur H₂ adalah:

H₂ → 2 H ΔH = +a kJ

Reaksi endoterm dengan ΔH bertanda positif (+).

b.      Reaksi kimia yang membebaskan kalor disebut reaksi eksoterm.

Contoh:
Reaksi pembentukan ikatan pada molekul unsur H₂ adalah:

2H → H₂ ΔH = –a kJ

Reaksi eksoterm dengan ΔH bertanda (–).

Diagram entalpi (diagram tingkat energi)

 

 

2.2 Reaksi Maxwell

Kita tulis kembali persaamaan energi :

du=Tds – pdv                                (2-1)

dh=Tds + vdv                                (2-2)

Fungsi Helmhozt didefinisikan sebagai:

f=u-Ts

df=du – Tds – sdT

dengan menyulihkan kepersamaan (2-1) diperoleh:

df= -pdv-sdT                                 (2-3)

fungsi Gibbs didefinisikan sebagai:

g=h – Ts

dg=h – Tds – sdT

dengan menyulihkan kepersamaan (2-2) diperoleh:

dg= vdp – sdT                               (2-4)

dengan menggunakan hubungan:

dz= Mdx + Ndy

dan
(∂M/∂y)_x = (∂N/∂x)_y                      (2-5)

dengan M= (∂z/∂x)_y  N=(∂z/∂y)_x

dengan demikian maka dapat dituliskan:

N=(∂z/∂y)_x

(∂T/∂v)_S = - (∂p/∂s)_v                      (2-6)

(∂S/∂V)_T = (∂p/∂T)_V                      (2-7)

(∂S/∂p)_T = - (∂V/∂T)_P                     (2-8)

(∂T/∂P)_S = (∂V/∂S)_P                      (2-9)

Keempat persamaan diatas disebut dengan perrsaamaan maxwell. Karena persaamaan tersebut menampilkan interelasi antara perubahan S, p,V dan T.

2.3 Keseimbangan antara fase persamaan Clausius – Clayperon

2.3.1  keseimbangan

              Pengertian sutu sistem dalam “keadaan setimbang” telah diandaikan bahwa sistem itu dalam keadaan seimbang setabil. Tetapi dalam beberapa hal sistem sistem dapat pula dalam keadaan meta setabil untuk waktu yang lama, walaupun akhirnya sistem secara sepontan beralaih kekeadaan yang setabil.

Suatu zat dapat berada dalam keadaan metastabil  untuk waktu yang lama, maka sifat sifatnya yang langsung dapat diukur, seperti tekanan, volume dan suhujuga dapat ditentukan dengan caara yang sama seperti padankeseimbangan yang benar benar stabil.

2.3.2 Syarat keseimbangan

a. Pada proses irreversible adia batik, berlaku hubungan

dS>d’Q/T karena d’Q= 0, maka dS>0

ini berarti, proses terjadi secara alami(spontan), entropi sistem selalu akan bertambah besar dan keadaan setimbang baru akan tercapai setelah entropi ini mencapai maksimum, tidak mengalami pertambahan lagi,

Jadi syarat kesetimbanganya ialah: (dS)_Q = 0, maka S= maks

b. Untuk proses dengan suhu dan volume tetap

dS>d’Q/T atau T dS>d’Qatau T dS>dU +p dV atau

dU – T dS< P dV atau dU – T dS – S dT < - p dV – S dT atau

d(U – TS) < - pdV- S dT atau dF= 0.

Keadaan seimbang akan dicapai apabila F(fungsi helmhozt) telah mencapai nilai minimum dan tidak mengalami perkurangan lagi (df = 0).

Jadi syarat kesetimbangannya yaitu: (dF)_T.V  dan F= min

Proses dengan suhu dan tekanan tetap

du – TdS – S dT< P dV – S dT

dU- T dS – S dT + P dv + Vdp < - pdV – S dT + p dV + V dp

dG < - S dT + V dp atau dG = 0.

Jadi, syarat kesetimbangannya yaitu : (dG)_T.P = 0 dan G= min

c. Proses dengan entropi dan volume tetap

T dS> dU + p dV atau dU< T dS – p dV atau dU< 0

Jadi, syarat kesetimbangannya yaitu: (dU)_S.V = 0 dan U = min.

d. Proses dengan tekanan dan entropi tetap

T dS > dU + p dV atau T dS + V dp > dU + p dV + V dp

T dS +  V dP > dH atau dH < 0

Jadi syarat kesetimbangannya ialah : (dH)_P.S = 0 dan H = min

2.3.3 Keseimbangan antar fase

            Jika zat cair dan uapnya dalam keadaan setimbang, maka uap itu dikatakan dalam keadaan jenuh. Ini berarti bahwa banyaknya molekul yang mengua sama dengan banyaknya molekul yang mengembun. Keadaan seimbang ini berkaitan dengan nilai tekanan dan suhu tertentu. Jika suhu T tetap, maka tekanan p juga tetap. Walaupun volumenya berubah. Sebab adanya perubahan volume ini diikuti oleh adanya molekul molekul yang menguap atau mengembun. Oleh karena itu suatu zat dalam beberapa fase yang beradadalam keadaan setimbang mempunyai derajat kebebasan yang lebih kecil daripada zat itu dalam suatu fase. Secara matematik, dapat dikatakan bahwa suatu persoalan dengan tiga variabel yang dinyatakan dalam dua persamaan mempunyai derajat kebebasan sebanyak ( 3- 2) = 1.

Syarat keseimbangannya adalah

a.       Suhu kedua fase harus sama, yaitu T_a = T_b

b.      Tekanan kedua fase harus sama, yaitu P_a = P_b

c.       Fungsi gibbs jenis kedua fase harus sama g_a = g_b

Atau secara umum dapat ditulis g’=g”  g”=g’’’  g’=g’’’

 2.3.4 persamaan Clausius – Clayperon

            Persamaan Clausius dan Clapeyeron adalah suatu hubungan yang penting, yang melukiskan bagaimana tekanan berubah dengan suhu untuk sistem yang terdiri atas dua fase dalam keseimbangan. Menurut persamaan clausius clayperon, perubahan entalpi dapat dihitung berdasarkan pada pengukuran tekanan, suhu, dan volume jenis. Persamaannyadapat diturunkan dari persamaan Maxwell untuk dua fase zat dalam kesetimbangan.

Hubungan maxwell

(dp/dT)_v = (ds/dv)_r

Zat murni berubah dari keadaan cairan jenuh kekeadaan uap jenuh berlangsung pada suhu konstan karena kalor yang diserap digunakan untuk berubah fase tidak untuk menaikan suhu.  Tekanan dan suhu tag bergantung pada volume pada daerah jenuh, maka dapat dituliskan :

(dp/dT)_v = dp/dT

Dari hukum pertama untuk zat yang mengalami perubahan fase,

Q=  Δu – w

  =  u_g – u_f + p(v_g – v_f)

  =  h_g – h_f =h_fg

Kalor yang duserap persatuan masa pada tekanan konstan sama dengan :

Q= Ts

dan s = h/T

(ds/dv)_T = s_g – s_f/v_g – v_f = s_fg/v_fg

Dari hubungan – hubungan diatas diperoleh:

 dp/dT = s_fg/v_fg dan dp/dT = h_fg/T(v_g – v_f) = h_fg/Tv_fg

              persamaan diatas disebut persamaan clusius- clapeyeron yang menyatakan kemiringan garis kesetimbangan p-T. Jadi h_fg dapat dinyatakan dari kemiringan kurva tekanan – uap dan volume jenis cairan jenuh dan uap jenuh pada suhu yang ditentukan. Terdapat beberapa perubahan fase berbeda yang dapat terjadi pada suhu dan tekanan konstan. Jika dua fase ditandai dengan superkrip ‘ dan “, kita dapat menuliskan persamaan Clausius- Clapeyeron dalam bentuk umum,

 

 dp/dT= s” –s’/v” – v’ dan

dp/dT = h”- h’/T(v”-v’)

 

jadi untuk perubahan zat murnidari keadaan padatan jenuh ke kekeadaan cairan jenuh yang berlangsung pada suhu konstan, dapat dituliskan

 dp/dt= h_sf/T(v_f – v_s) = h_sf  / Tv_sf

BAB III

KESIMPULAN dan SARAN

3.1 Kesimpulan

a.) Entalpi (H) adalah jumlah energi yang dimiliki sistem pada tekanan tetap. Entalpi (H) dirumuskan sebagai jumlah energi yang terkandung dalam sistem (E) dan kerja (W).

H = E + W

b.) (∂T/∂v)_S = - (∂p/∂s)_v                 (2-6)

(∂S/∂V)_T = (∂p/∂T)_V                      (2-7)

(∂S/∂p)_T = - (∂V/∂T)_P                    (2-8)

(∂T/∂P)_S = (∂V/∂S)_P                      (2-9)

Keempat persamaan diatas disebut dengan perrsaamaan maxwell.

a.       Suhu kedua fase harus sama, yaitu T_a = T_b

b.      Tekanan kedua fase harus sama, yaitu P_a = P_b

c.       Fungsi gibbs jenis kedua fase harus sama g_a = g_b

Atau secara umum dapat ditulis g’=g”  g”=g’’’  g’=g’’’

Persamaan Clausius - Clapeyeron

dp/dT = s_fg/v_fg dan dp/dT = h_fg/T(v_g – v_f) = h_fg/Tv_fg

_{3.2 Saran}

            _{Agar kita lebih memahami tentang materi ini, kita harus sering-sering belajar dan mempelajarinya.Dan mencoba mengerjakan soal-soal yang berkaitan dengan materi ini.}

DAFTAR PUSTAKA

Hadi, dimiski.1993.termodinamika.Yogyakarta:Direktorat Pendidikankebudayaan direktorat jendral pendidikan tinggi proyek pendidikan tenaga guru.

Aini khuriawati riza sulistiati.termodinamika.2010.jakarta:Graha ilmu.

http://www.chem-is-try.org/  diakses tanggal 19 desember 2012