Home > Kimia Fisika > Termokimia

Termokimia

Termokimia adalah salah satu kajian dari ilmu kimia yang secara khusus mempelajari kalor atau panas yang menyertai suatu reaksi kimia. Pada suatu reaksi kimia, kalor dapat diserap atau dilepaskan. Termokimia berbeda dengan termodinamika kimia. Bila kita berbicara termokimia, maka wilayah kajiannya hanya ada pada kalor, meskipun nantinya Anda menemukan bahwa dalam perhitungan termokimia, kita akan memasukkan kerja ke dalamnya. Baik kerja maupun kalor merupakan bentuk-bentuk energi, atau dapat dikatakan konseptualisasi energi, mengingat bukan  perkara gampang mendefinisikan energi. Sedangkan termodinamika sendiri merupakan ilmu yang mempelajari energi dan transformasinya. Termodinamika kimia dapat diartikan sebagai cabang dari ilmu kimia yang mempelajari hubungan kalor, kerja, dan bentuk lain dari energi, dengan kesetimbangan dalam reaksi kimia serta dalam perubahan keadaan.  Penerapan Hukum Pertama Termodinamika pada sistem-sistem reaksi kimia merupakan landasan dari termokimia. Maka jelas sekali bahwa termokimia memiliki kaitan yang erat dengan termodinamika. Alangkah baiknya sebelum lebih jauh mempelajari termokimia, kita mengenal dulu sejumlah istilah dan konsep dalam termodinamika yang diperlukan untuk mendukung pemahaman kita dalam mempelajari termokimia.

Energi

Energi merupakan sesuatu yang esensial bagi kelangsungan hidup manusia dan seluruh makhluk di alam semesta. Pada mulanya manusia mendapatkan energi hanya dalam bentuk makanan, yang merupakan kebutuhan primer manusia. Namun dalam perkembangan lebih lanjut manusia juga membutuhkan energi lain selain makanan. Dalam perkembangannya pula, manusia menemukan kenyataan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan juga tidak dapat dimusnahkan, namun hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Pernyataan ini merupakan perwujudan dari Azas Kekekalan Energi yang juga menjadi Hukum Pertama Termodinamika.

Mendefinisikan energi secara tepat dan ajeg cukuplah sulit, karena setiap transformasi sistem materi pasti melibatkan energi tertentu. Pada dasarnya sistem materi mengandung energi, dan setiap perubahan sistem materi pasti disertai perubahan energi. Maka dapat dikatakan energi adalah sesuatu yang menyertai perubahan sistem materi. Namun kita akan segera menemukan bahwa dalam buku-buku fisika dasar, energi diartikan sebagai kemampuan melakukan kerja.  Ada tujuh bentuk energi, yaitu enegi kinetik, potensial, termal, radiasi elektromagnetik (foton), listrik, kimia, dan nuklir.

Energi kinetik adalah energi yang timbul karena sistem (materi) yang bergerak. Besarnya energi kinetik bergantung pada massa dan kecepatannya. Energi kinetik dapat dirumuskan sebagai berikut:

Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu sistem karena gaya badan yang didesakkan pada massanya oleh medan gravitasi atau elektromagnetik relatif terhadap permukaan acuan. Energi potensial untuk medan gravtasi dapat dirumuskan sebagai

P = mgh

Dimana h adalah jarak dari permukaan referensi, sedangkan g adalah percepatan gravitasi. Gerakan partikel dalam suatu sistem (materi) yang berwujud gas, cair, dan padat menimbulkan energi termal. Partikel-partikel dapat melakukan gerakan tranlasional, rotasional, dan vibrasional. Gerakan partikel tersebut menimbulkan energi kinetik, Energi tersebut yang menyebabkan suatu sistem materi menimbulkan panas yang disebut energi termal.

Energi radiasi elektromagnetik adalah energi yang dimiliki oleh foton dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Suatu gelombang memiliki frekuensi (v) dan panjang gelombang (λ). Berdasarkan rumusan Planck, energi foton dapat dirumuskan sebagai,

E = hv

  

 Energi listrik adalah energi yang diakibatkan oleh gerakan partikel bermuatan dalam suatu media (konduktor). Gerakan itu terjadi karena adanya beda potensial antara kedua ujung konduktor. Besarnya energi listrik bergantung pada beda potensial dan jumlah muatan yang mengalir,

w = qE

dengan w  adalah energi litrik (joule,J), q adalah muatan yang mengalir (coulomb, C), dan E adalah beda potensial (volt, V). Energi kimia adalah energi yang dikandung suatu senyawa dalam bentuk energi ikatan antara atom-atomnya. Energi nuklir adalah energi yang dihasilkan dari proses peluruhan inti zat radioaktif.

Sistem, Lingkungan, Dinding Sistem, dan Alam Semesta Termodinamika

Tak lengkap rasanya bila kita berbicara termokimia tanpa memperhatikan istilah yang sangat populer dalam termodinamika, yaitu sistem dan lingkungan. Sistem adalah segala sesuatu yang menjadi pusat perhatian manusia untuk dipelajari berbagai hal darinya, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem. Dinding sistem adalah hal yang menjadi pembatas antara sistem dengan lingkungannya. Mengapa disebut ”hal” untuk dinding sistem? Karena dinding sistem tidak hanya bersifat fisik saja, namun bisa bersifat konseptual. Gabungan antara sistem dan lingkungan, termasuk juga dinding sistem, membentuk apa yang disebut alam semesta termodinamika. Dalam termokimia sistem adalah reaksi kimia itu sendiri ditambah dengan hal-hal lain yang dianggap perlu untuk dipelajari sesuai tujuan dari si peneliti. Taruhlah Anda ingin mempelajari hanya air yang berada di dalam botol softdrink, maka sistem adalah air, dinding sistem adalah dinding botol softdrink  dan permukaan air itu sendiri di dalam botol sendiri atau udara yang bersentuhan dengan permukaan air misalnya, lainnya adalah lingkungan.

Berdasarkan interaksi sistem dengan lingkungnnya berkaitan dengan pertukaran energi dan materi, sistem dibagi 3 yaitu sistem tersekat, sistem tertutup, dan sistem terbuka. Sistem dikatakan tersekat  bila tidak dapat terjadi pertukaran energi dan materi antara sistem dengan lingkungannya. Misalnya termos ideal penyimpan es, dengan didnding berupa dua kaca berlapis perak di bagian dalam dan luar, dan diantara keduanya adalah ruang vakum yang berperan sebagai penyekat. Konstruksi dinding tersebut akan dapat mencegah rambatan energi dan aliran materi dari dan ke dalam sistem.

Sistem dikatakan tertutup bila hanya dapat terjadi petukaran energi antara sistem dengan lingkungannya. Sebagai contoh adalah suatu silinder baja penyimpan gas, molekul gas tak dapat menembus baja, sedangkan energi dapat.

Sistem dikatakan terbuka bila dapat terjadi pertukaran energi dan materi antara sistem dengan lingkungannya. Misalnya air di dalam gelas. Air dapat menguap ke udara, dapat pula menjadi dingin atau panas, dimana hal tersebut menunjukkan bahwa energi dan amteri dapat kelura masuk sistem.

Pembagian tersebut berimbas pula pada munculnya istilah pada dinding sistem sesuai dengan karakteristik sistem, yaitu dinding adiatermal dan diatermal. Dinding adiatermal adalah dinding sistem yang kedap energi dan materi, sedangkan dinding diatermal adalah dinding sistem yang hanya kedap energi.

Fungsi Keadaan

Keadaan termodinamika adalah keadaan makroskopik dari suatu sistem dimana sifat-sifatnya hanya ditentukan oleh seperangkat instrumentasi tertentu yang menjaga sifat-sifat tersebut berada pada nilai atau kondisi tertentu yang diinginkan dan tidak bergantung pada waktu. Sedangkan, fungsi keadaan merupakan sifat suatu sistem dimana berdasarkan sifat tersebut sistem-sistem yang memenuhi fungsi keadaan adalah sistem yang untuk mencapai kedaan tertentu hanya tergantung pada kedaan awal dan akhirnya saja, tidak tergantung pada jalan atau proses untuk mencapai kedaan tersebut. Di dalam termodinamika, energi dalam (U), entalpi (H), energi bebas Gibbs (G), dan energi bebas Helmholtz (A) merupakan fungsi keadaan. Salah satu sifat terpenting dari fungsi keadaan adalah diferensialnya bersifat eksak (diferensial total). Beberapa sifat dari diferensial total adalah sebagai berikut: 

3. Berlaku formula Euler yaitu jika dz = M(x,y) dx + N(x,y) dy maka,

                 

Pembahasan fungsi kedaan menjadi penting karena sifat ini akan beresuaian natinya dengan apliaksi Hukum Hess dalam menghitung perubahan entalpi dari senyawa-senyawa.

Kalor

Dalam diskusi tentang kalor, kita akan segera menemui bahwa penggunaan sehari-hari untuk istilah tersebut mungkin akan menyebabkan kebingungan, karena kita akan menggunakan kalor dalam arti yang sangat terbatas jika kita menerapkan hukum yang mengatur perubahan energi. Kalor (q) biasanya didefinisikan sebagai bagian dari aliran energi total yang mengalir melintasi dinding sistem yang disebabkan oleh perbedaan temperatur antara sistem dengan lingkungannya. Di dalam sejumlah penulisan buku baik untuk teknik dan sains, ada perbedaan dalam penulisan tanda positif dan negatif untuk kalor yang keluar dan masuk sistem. Pada pembahasan ini, kalor yang masuk ditandati positif (q) dan kalor yang keluar sistem ditandai negatif (−q). Kalor bukan merupakan suatu fungsi kedaan sehingga diferensialnya tidak bersifat eksak atau sempurna yang disebut dengan Diferensial Pfaff  yang dilambangkan dengan dq.

Kerja

Kerja adalah suatu istilah yang penggunanaannya telah dilakukan secara khusus dalam kehidupan sehari-hari. Dalam mempelajarai termokimia, istilah kerja digunakan untuk menyatakan bentuk energi selain kalor. Oleh karena itu dikenal istilah kerja mekanik, kerja volum (d= –pdV ), kerja listrik (dw = EdQ), kerja magnetik, kerja sistem permukaan (dw = γdA) dan lain sebagainya. Menurut mekanika, kerja adalah suatu besaran skalar yang merupakan perkalian skalar  antara vektor gaya dengan vektor lintasan, yaitu hasil perkalian antara besar komponen gaya yang searah lintasan dengan besar lintasan. Secara grafis konfigurasi gaya dan lintasan adalah seperti pada gambar berikut,

Jika w adalah kerja, F adalah gaya dan dl unsur lintasan, maka diferensial kerja adalah

Sehingga besar w  adalah integral dari dw sepanjang lintasan kerja, yaitu suatu integral garis

Dari bahasan bentuk ungkapan kerja pada berbagai macam sistem, secara umum dapat dinyatakan bahwa ungkapan bagi kerja berbentuk

dw = YdX

dengan Y  suatu besaran intensif  dan X  suatu besaran ekstensif.

Variabel

Besaran (variabel) ekstensif adalah variabel yang harganya tergantung pada jumlah zat dalam sistem, misalnya volume sistem gas, muatan listrik sistem sel elektrokimia, dan kandungan energi pada suatu sistem. Variabel intensif adalah variabel yang tak tergantung pada jumlah zat, misalnya tekanan dan massa jenis. Bila kita bicara variabel, maka yang dibicarakan adalah variabel termodinamika yaitu besaran-besaran makroskopik yang secara fenomenologi dapat diukur, dan harganya terkait dengan atau menentukan keadaan sistem. Secara matematik, variabel dibagi menjadi dua golongan , yaitu variabel bebas dan variabel tak bebas. Suatu variabel dikatakan bebas bila harganya dapat secara bebas ditentukan, sedangkan variabel tak bebas harganya terkait dengan satu atau lebih variabel bebas melalui suatu persamaan. Persamaan yang secara khusus mengikat beberapa variabel sistem disebut persamaan keadaan sistem. Jumlah variabel bebas dalam sistem disebut derajat kebebasan.

Categories: Kimia Fisika Tags: ,
  1. No comments yet.
  1. No trackbacks yet.

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: