I. PENDAHULUAN

KIMIA FISIKA :FISIKA : Sifat-sifat materi yang dimiliki oleh semua zat.KIMIA : Sifat-sifat individu Zat.

Suatu objek yang dipelajari : SYSTEM (Sistem)Macroscopic System : terdiri dari banyak atom atau molekul.Microscopic System : terdiri dari satu atom atau molekul.

Macroscopic System : ditentukan oleh Suhu dan tekanan.Microscopic System : energi kinetik, momentum (massa * kecepatan)

dan mekanik.

mikro

Makro : berlaku pula sifat-sifat pada mikroSuhu dan Tekanan tertentu maka : volume tertentu pula.

FUNGSI MATEMATIKA :Dua buah variabel, independen dan dependent variable.Independent : nilai / harga nya mudah ditentukan.Dependent : nilai / harga nya tergantung pada independent

variable.

Fungsi dapat dinyatakan oleh : Rumus. Grafik, tabel dsb.Contoh :

PV = nRT (1.1-1)

P = tekanan gasV = volume gasn = jumlah molT = suhu absolutR = konstantan gas ideal.

Hukum gas ideal tidak berlaku untuk gas nyata, hukum ini hanyaberlaku untuk gas dengan tekanan rendah. Gas ideal tidak ada dialam, hanya sebuah model dari sistem yang dirancang seperti gas nyata.

(1.1-1)

Bentuk fungsi matematika :

P

nRTV

T, P, dan n variabel indepeden dan V variabel dependen.Persamaan dapat diubah : (P variabel dependen dan V independen)

V

nRTP

(1.1-2)

(1.1-3)

Suatu persamaan yang terdiri dari beberapa variabel, dapat diubah untuk menentukan variabel dependen nya.Hukum gas ideal tidak begitu tepat untuk beberapa gas pada beberapa kondisi menentukan beberapa fungsi lain untuk memberikan nilai tekanan yang lebih akurat.

Dalam persamaan matematika : P = f (T, V, n)Huruf f menyatakan suatu fungsi.Hubungan antara P, V, T dan n disebut :

Persamaan Keadaan

Suatu fungsi dapat diwakili dengan grafik dua dimensi :Sumbu x : satu variabel independenSumbu y : variabel dependen.

Menurut eksperiment tekanan gas atau cairan pada kesetimbangan dinyatakan oleh suatu fungsi yang tergantung pada 3 variabel.

P = P(T, V, n) (1.1-4)

Gambar 1.1 : Tekanan (P) dari gas ideal sebagai fungsi Volume (V) pada n tetap dan berbagai suhu.

Satuan SI (System Internasional) : beberapa buku menggunakan Satuan Inggris.

Panjang : meter (m)Massa : kilogram (kg)Waktu : detik (s)Suhu : Kelvin (K)Arus listrik : Ampere (A)Jumlah molekul : mol (mol)

1 N (Newton) = 1 kg m s-2 (1.1-5)

Pascal (Pa) : satuan tekanan (gaya per unit area)1 Pa = 1 N m-2 (1.1-6)

Satuan Energi : joule (J)1 J = 1 N m = 1 kg m2 s-2 (1.1-7)

Satuan energi yang lain : Kalori (kal) : panas yang dibutuhkan Untuk menaikkan 1 gram air sebesar 10C.

1 kal = 4,184 J (1.1-8)

Satuan tekanan (bukan SI) :1 atm = 101325 Pa (1.1-9)760 torr = 1atm (1.1-10)1 bar = 100000 P ( 1.1-11)

Unit terkecil zat : atom (N)Jumlah N dalam sampel zat apapun sebanding dengan jumlah mol zat tersebut :

N = NAv n (1.1-12)

NAv : bilangan Avogadro (Loschmidt’s constant)N = 6,02214 * 1023 mol-1 (1.1-13)

Persamaan Gas ideal :

P

TNk

P

TknN

P

nRTV BBAv (1.1-14)

123123

11

AvB K j10x 1,3807

mol10x 6,02214

molK j 8,3145

N

Rk

(1.1-15)

Konstanta gas ideal = 8,3145 j K-1 mol-1 (Satuan SI) atau 0,082058 L atm K-1 mol-1

Konstanta kB : konstanta Boltzmann.

Contoh soal.

Hitung berapa tekanan dalam Pa dan atm, jika 20 gr gas Neon (diasumsikan gas ideal) pada suhu 00C dan volume 22,4 L.

T= 273,15 + 0 = 273,15 K

n = (20 gr)(1 mol / 20,179 gr) = 0,9911 mol

V = (22,4 L)(1 m3 / 1000 L) = 0,0224 m3

Pa 10x 1,005 m N 10x 1,005m j 10x 1,005 P

)m (0,0224

K) (273,15mol K j mol)(8,314 (0,9911

P

nRTP

5-2-53-5

3

-1-1

)

Dapat pula dihitung dengan menggunakan faktor konversi :

Pa 10x 1,005 m N 10x 1,005m j 10x 1,005 P

m 1

L 1000

gr 20,179

mol 1

L) (22,4

K) (273,15mol K j gr)(8,314 (20

P

nRTP

5-2-53-5

3

1-1-

)

atm 0,9919 Pa 101325

atm 1Pa )10x (1,005 P 5

II. Sistem dan Keadaan sistem

Gambar 2.1 : sebuah sistem makroskopik dari suatu gas tunggal, diletakkan dalam silinder yang dilengkapi penghisap (piston), direndam dalam bejana dengan suhu yang dapat diatur dan dipertahankan tetap. Volume sistem dapat disesuaikan dengan menggerakkan piston. Ada katub antara silinder dengan slang yang mengarah ke atmosfer atau tangki gas.

Jika katup ditutup maka tidak ada materi yang masuk atau keluar sistem : Sistem tertutup.

Jika katup dibuka maka materi dapat ditambahkan atau diambil dari sistem : Sistem terbuka.

Gambar 2.1 : Sistem fluida dalam silinder dengan variabel volume.

Bagian diluar sistem disebut Lingkungan (sekeliling) Sistem terisolasi bila :

tidak ada panas, kerja atau materi yangmasuk atau keluar sistem.

Pada contoh tersebut : Suhu tetapGas : sistemSilinder, piston, suhu tetap dibejana bagian dari Lingkungan.

Bila sistem diisolasi sedemikian rupa sehingga tidak adapanas yang masuk atau keluar sistem : sistem adiabatik, dan suatu proses yang terjadi disebut : proses adiabatik.

Termodinamika membahas tentang interaksi antara system dengan lingkungan, atau interaksi antara sistem dengan sistem yang lain.Interaksi : memindahkan energi melintasi pembatas / boundary.

lingkungan

boundary

Gambar 2. 2-1 : System dan lingkungan

SYSTEMTERISOLASI

Gambar 1.2-2 : sistem terisolasi :

Tidak ada transfer massa, panas maupun usaha ke / dari sistem

SYSTEM TERTUTUP

Panas dan usaha/kerja

SYSTEM TERBUKA

Panas, massa dan usaha/kerja

Gambar 2.2-3 : Sistem tertutup Gambar 1.2-4 : Sistem terbuka

Tidak ada transfer massa, tetapiada transfer panas dan usaha dari / ke sistem.

Ada transfer massa, panas dan usaha dari / ke sistem.

KEADAAN TERMODINAMIS DAN FUNGSI KEADAAN

Senyawa yang ada dalam sistem : fasa padat, cair atau gas.Fasa : sekelompok senyawa yang memiliki komposisi serba sama atau homogen.

Gambar 2. 3: H2O dalam berbagai fasa.

Keadaan Gas :Molekul-molekul (partikel) bergerak secara acak.Jarak antar partikel relatif lebih besar dari ukuran partikel. gaya tarik menarik antar partikel sangat kecil (diabaikan).molekul gas bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, dengan arah yang lurus kesegala arah.

Molekul gas saling bertumbukan dengan mol yang lain atau dengan dinding bejana Menyebabkan adanya tekanan.

Vol mol gas << Vol bejana ruang kosong antara mol. Gas mempunyai rapat yang lebih kecil dari cairan dan padatan.Gas lebih mudah dikompresi dan lebih mudah Bercampur dengan gas lain (sal tidak bereaksi).

Gas sangat tergantung pada suhu dan tekanan.

Keadaan Padat :Molekul-molekulnya tersusun sangat teratur.Hanya dapat bervibrasi pada posisi tertentu dan tidak bebas bergerak.

Bentuk : Kristal dan amorf.Pada bentuk kristal molekul-molekul tersusun secara teratur.

Keadaan cair :Molekul-molekulnya saling berdekatan tetapi tidak bersinggungan cairan mudah mengalir.Sifat fluiditas (mudah mengalir) ini yang membedakan sifat cairan dengan padatan.

Keadaan termodinamis : kondisi makroskopis suatu sistem yang dinyatakan dengan property / sifat / parameter termodinamis.

Sifat termodinamis yang dipakai untuk menggambarkan sistem : Suhu, tekanan, density, kecepatan, dan posisi.

Sistem satu fasa homogen : tertentu bila 2 sifat termodinamis sudah tertentu.

H2O

sistem

P : tekanan 1 bar sistem belum tertentu,Mis : berapa densitas air ? Densitas air pada 1 bar berubah-ubah tergantung Suhu, tetapi bila suhu ditentukan mis 30 0C maka densitas dapat tertentu pula.

Tertentu bila 2 variabel (sifat termodinamis) sudah tertentu.

(P, T)

Sifat termodinamis yang nilainya hanya tergantung pada keadaan sistem (keadaan awal dan akhir sistem) :

Fungsi KEADAAN (State function)

Sifat termodinamis yang nilainya tergantung pada jalannya proses (misalnya sistem H2O tersebut dipanaskan sampai suhu tertentu) :

Bukan fungsi keadaan.

Contoh :Air yang suhunya 500C diubah menjadi 300C melalui 2 jalurproses. 1 : air didinginkan sampai 100C lalu dipanaskan sampai 300C2 : air dipanaskan sampai 900C lalu dididinginkan sampai 300C

Harga density dilihat pada tabel sesuai suhu dan tekanan air.

P = 1 barT = 500C = 988,037 kg/m3

P = 1 barT = 100C = 999,839 kg/m3

P = 1 barT = 900C = 965,321 kg/m3

P = 1 barT = 300C = 995,647 kg/m3

P, T : fungsi keadaan

H2O

Gambar 2.4 : Pendinginan air melalui 2 alur proses

Perubahan desity pada 2 jalur proses tersebut adalah sama :1 : Δ = 988,037 kg/m3 – 995,647 kg/m3 = -7,61 kg/m3

2 : Δ = 988,037 kg/m3 – 995,647 kg/m3 = -7,61 kg/m3

Density tidak tergantung dari jalannya proses tapi hanya tergantung pada keadaan sistem saat itu density fungsi keadaan.Karena :

ρ

1V Maka V (volume spesifik) :juga fungsi keadaan.

Fungsi keadaan : V, P, T, U (Internal energy), H (enthalpy), dan S (entropy).

Sifat termodinamis : Sifat intensif dan ekstensifSifat intensif : tidak tergantung dari massa sistem suhu,

tekanan, density dan kecepatan.Sifat ekstensif : tergantung dari massa sistem Volume total,

momentum, dan energi kinetik.Jika dua sistem digabung sifat ekstensif gabungan =jumlah dari sifat ekstensif masing-masing sistem asal.

KESEIMBANGAN TERMODINAMIS : PROSES

Suatu sistem berada dalam keseimbangan jika :

Sifat termodinamis nilainya sama di setiap bagian sistem dan tidak ada kecenderungan terjadinya perubahan sifat dari waktu ke waktu.

Kecenderungan terjadinya perubahan disebabkan oleh suatugaya dorong (driving force) sistem dalam keseimbangan tidak ada driving force dalam bentuk apapun, semua gaya yang bekerja pada sistem tersebut benar-benar seimbang.

Contoh :Tekanan pada piston akan menyebabkan terjadinya tranfer energi dalam bentuk kerja.Perbedaan suhu akan menyebabkan terjadinya aliran panas.

Driving force berbeda perubahan yang berbeda.Contoh :

Ketidakseimbangan gaya mekanik, seperti tekanan pada piston menyebabkan terjadinya transfer energi dalam bentuk kerja.

Perbedaan suhu akan menyebabkan terjadinya aliran panas.suhu pada boundary sistem tiba-tiba naik terjadiredistribusi hingga suhu disemua bagian sistem sama.

Sifat termodinamis suatu sistem mengalami banyak perubahanmaka sistem dalam keadaan metastabil.

Bila suatu sistem berubah dari keseimbangan yang satu ke keseimbangan lain

jalur yang dilalui sistem : PROSES

Proses quasi equilibrium : langkah-langkah antara / intermediate di dalam proses dekat dengan keadaan keseimbangan.Contoh :

Proses kompresi / ekspansi gas dalam internal combustion engine.

JUMLAH dan UKURAN

Massa : mJumlah mol : nVolume total : Vt

Massa adalah besaran primitif tanpa definisi, bila dibagi dengan massa molar atau berat molekul (M) = jumlah mol.

Mn m M

mn (2.1)

Volume total (Vt) : besaran yang merupakan panjang dipangkatkan tiga.Volume total dapat dibagi degan massa atau jumlah mol :

mVV m

VV t

t

Volume spesifik :

Volum molar : nVV n

VV t

t

Density molar atau density spesifik didefinisikan : = V-1

V dan : fungsi keadaan dan variabel termodinamis intensif.V dan = f (P, T, komposisi sistem).

Contoh : massa udara di dalam ruangan 3 m x 5 m x 20 m adalah 350 kg Hitung density, volume spesifik dan berat spesifik.

(2.2)

(2.3)

Penyelesaian :

323

3

3

N/m 11,45)m/s )(9,81kg/m (1,167ρ.gγ

/kgm 0,857 1,167

1

ρ

1V

kg/m 1,167 20x 5x 3

350

V

mρ

GAYA

Gaya (F) diturunkan dari hukum kedua Newton, adalah massa (m) x percepatan (a).Satuan (SI) : Newton.

a mF (2.4)

Satu Newton + gaya yang dikenakan pada suatu massa sebesar 1 kg akan menyebabkan percepatan sebesar 1 m s-2

(1 Newton = 1 kg m s-2)

Dalam satuan Inggris : Satu pound force (lbf) didefinisikan sebagaiGaya yang dikenakan pada suatu massa sebesar 1 pound mass (lbm) Akan menimbulkan percepatan sebesar 32,1740 ft/s2.

N 4,4482216lb 1

(s))(lb (ft) )(lb 32,1740 g

(s) (ft) 32,1740x )1(lbx g

1 )1(lb

(2.5) a m g

1F

f

2-1-fmc

2-m

cf

c

TEKANAN

Tekanan : gaya normal (tegak lurus) yang bekerja per satuan luas.Jika gaya bekerja dengan membentuk sudut dengan permukaan bidang, maka hanya komponen gaya yang tegak lurus pada bidang itu yang digunakan dalam perhitungan gaya.

Gambar 2.5 : Gaya yang bekerja pada suatu permukaan

ΔFn= komponen gaya yang tegak lurusΔF

ΔA

Gaya

A

F limP n

ΔA0 Satuan SI : P dlam Pascal (Pa)

1 Pa = 1 N/m2 = 1 kg/(m.s2)

Alat pengukur tekanan : dead-weight gaugeGambar 2.6 : piston diisi dengan minyak, dengan adanya tekanan minyak cenderung akan naik. Beban diletakkan diatas piringan sehingga tekanan tersebut diimbangi oleh gaya berat piston dan semua beban diatasnya.

Menurut hukum Newton, maka tekanan pada minyak =

A

mg

A

FP

Dengan m : massa piston, piringan / pan dan beban g : percepatan gravitasi A : luas penampang piston.

(2.6)

A

P

h

V=Ah

A

kolom berisi fluidaDasar kolom mengalami tekanan akibat adanya tekanan uap diatas fluida dan tekanan akibat berat cairan.Volume fluida dalam kolom :

V = A.hBerat fluida dalam kolom :

W = g A hTekanan didasar kolom akibat berat fluida:

ρghA

ρghA

A

WP

Jika diatas fluida ada tekanan yang bekerja, Misalnya tekanan udara (Pudara), maka Tekanan tekanan total didasar kolom (Tekanan statis fluida) =

P = Pudara + gh (2.7)

Di atmosfer, tekanan bervariasi dengan ketinggian, Variasi tekanan dapat dinyatakan secara matematis dengan mem-perhitungkan keseimbangan gaya pada elemen udara, dengan Menjumlah elemen gaya dengan arah vertikal (arah keatas positif) :

dP = - g dz (2.8)Jika :

P = f(z)

Maka P(z) :

z

00 dz g ρPP(z) (2.9)

Satuan P : torr : tekanan yang equivalen dengan 1 mm Hg pada 00C dan grafitasi standar = 133,322 Pa.

Dengan : ρg γ Dan h bernilai positif jika arahnya kebawah.

Integrasi persamaan (2.10) mulai dari permukaan cairan dengan P = 0 :

hγ P (2.11)

Persamaan ini menunjukkan bahwa tekanan sebanding dengan elevasi,Untuk merubah satuan tekanan dari Pa ke meter air atau milimeter air raksa.

dhγ dP

Untuk cairan konstan, jika pada persamaan (2.7) dh = – dz, maka :

(2.10)

dz

Gaya karena tekanan : (P + dP) A

Luas A

Berat = g A dz

Gaya karena tekanan : P A

P0

z0

Gambar 2.8 : Ketergatungan tekanan terhadap elevasi.

Tekanan absolut = tekanan gauge + tekanan atmosferis lokal.

Pabs = Pgauge + Patm (2.12)

Tekanan gauge negatif disebut tekanan vakum, dan gauge yang dapat membaca tekanan negatif disebut : gauge vakum.Misalnya Tekanan gauge = - 50 kPa tekanan vakum 50 kPa.

Pabs = 0

Pabs

Pgauge

Patm

Pgauge (P negatif =

vakum)

Pabs

Pgauge = 0

Gambar : 2.9 : hubungan antara tekanan gauge dan tekanan vakum

Contoh soal :Sebuah dead weight gauge dengan diameter piston 1 cm digunakan untuk mengukur tekanan dengan sangat akurat.Suatu saat satu massa sebesar 6,14 kg (termasuk piston dan pan) seimbang dengan tekanan yang diukur. Jika per-cepatan grafitasi lokal = 9,82 m s-2, berapa tekanan gauge yang diukur? Jika tekanan barometrik adalah sebesar 748 torr, berapa tekanan absoludnya?

Penyelesaian :Gaya grafitasi dari piston, pan dan beban =

F = m g = (6,14 kg)(9,82 m s-2) = 60,295 kg m s-2 = 60,295 NTekanan gauge =

kPa 767,7 Pa 767.700 m N 767.700m )(0,01)(1/4)(

N 60,295

A

F 222

Tekanan barometer = 748 torr = (748)(133,322 Pa) = 99.742,86 Pa = 99,74 kPa.

P = 767,7 kPa + 99,74 kPa = 867,44 kPa.

Density Gas

GAS IDEAL : PV = nRT P : tekanan gas (Pa) V : Volume (m3) n : jumlah mol gas (mol) T : suhu (K) R : konstanta gas ideal.

TR

M P ρ

M

TR ρ P

(2.13) V

mρ

MV

TR m P TR

M

m PV

M

mn

m : massa (gram)M : massa molar = Berat molekul (gr/mol) : densitas gas (gr/l)

Berat molekul zat

(2.14) P

RT ρ

PV

mRT M

RTM

m PV

nRTPV

Menentukan M gas :Cara Regnault :

Timbang bola gelasgas kosong (300 – 500 cc), T, P kamar.

Isi dengan gas X dan ditimbang.Massa gas = massa (bola + gas) – massa bola kosong.

Hitung M dengan rumus tersebut dibawah ini.

Pada T dan V tertentu density gas sebanding dengan berat molekulnya. berubah –ubah nilainya tergantung pada Suhu dan Tekanan.

Rapat uap tidak tergantung pada T, P :

22

2

H mol 1 massa

gas mol 1 massa

H mol n massa

gas mol n massa

sama yang volume dengan H massa

gas volume suatu massa uaprapat

M H2 = 2 g/mol, maka rapat uap = 0,5 M gas