Hukum Termodinamika Pertama

Hukum Termodinamika Pertama

Hukum termodinamika pertama (first law of thermodynamics),yang didasarkan pada hukum kekekalan energy,menyatakan bahwa energy dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain,tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.Bagaimana kita mengetahui hal ini?Tidak mungkin membuktikan keabsahan hukum termodinamika pertama jika kita harus menentukan kandungan energi total dalam alam semesta.Bahkan untuk menentukan kandungan energy total dalam 1 gram besi akan luar biasa sulit.Untungnya,kita dapat menguji keabsahan hukum termodinamika pertama dengan hanya mengukur perubahan energy dalam suatu sistem antara keadaan awal  dan keadaan akhir dalam suatu poses.Perubahan energy dalam ∆E dirumuskan dengan

∆E = E_f - E_i

Dimana E_i dan E_f berturut-turut adalah energy dalam system pada keadaan awal dan keadaan akhir.

Energi dalam suatu system mempunyai dua komponen : energy kinetic dan energy potensial.Komponen energy kinetic terdiri dari berbagai jenis gerak molekul dan gerakan elektron dalam molekul.Energi potensial ditentukan oleh interaksi tarik-menarik antara electron-elektron dan inti dan interaksi tolak-menolak antara electron dan antara inti alam molekul tunggal,juga oleh interaksi antara molekul.TIdak mungkin untuk mengukur semua kontribusi ini secara tepat,sehingga kita tidak dapat menghitung energi total suatu system dengan pasti.Di sisi yang lain,perubahan energy dapat ditentukan secara percobaan.

Perhatikan reaksi ntara 1 mol belerang dan 1 mol gas oksigen untuk menghasilkan 1 mol belerang dioksida

S_(s) + O_2(g) à SO_2(g)

Pada kasus ini system terdiri dari molekul reaktan S dan O₂ dan molekul produk SO₂.Kita tidak tahu kandungan energy dalam dari molekul reaktan atau molekul produk,tapi kita dapat mengukur secara tepat perubahan kandungan energy, ∆E yang dirumuskan dengan

∆E   = E (produk) – E(reaktan)

        = kandungan enegi 1 mol SO_2(g) – [ kandungan energy 1 mol S_(s)  + 1 mol O_2(g) ]

Kita menemukan bahwa reaksi ini membebaskan kalor.Jadi,energy produk lebih kecil daripada energy reaktan,dan ∆E bernilai negative.

Dengan menafsirkan pembebasan kalor dalam reaksi ini yang berarti bahwa sebagian energy kimia yang terkandung dalam reaktan telah diubah menjadi energy termal,kita menyimpulkan bahwa perpindahan enrgi dari reaktan ke lingkungan tidak mengubah energi total alam semesta.Jai,jumlah perubahan energy total harus nol :

∆E_sis + ∆E_ling = 0 atau

∆E_sis = -∆E_ling

Dimana subskrip “sis” dan “ling” berturut-turut melambangkan system dan lingkungan.Jadi,jika satu system mengalami perubahan energy ∆E, sisa alam semesta,atau lingkungan,harus mengalami perubahan dalam energy  yang sama besarnya tetapi berlawanan tanda (-∆E_ling) ,energy yang diperoleh di satu tempat harus diiimbangi dengan hilangnya energi ditempat lain.Lebih jauh lagi,karena energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain,energy yang hilang oleh satu system dapat diperoleh kembali oleh system yang lain dengan bentuk yang berbeda.Sebagai contoh,energy yang hilang lewat pembakaran minyak dalam suatu pembangkit daya akan muncul di rumah kita sebagai energy listrik,panas,cahaya,dan seterusnya.

Dalam kimia,kita biasanya tertarik pada perubahan energy yang berkaitan dengan system(yang bisa berupa botol yang mengandung reaktan dan produk),bukan pada lingkungannya.Jadi,bentuk hukum pertama yang lebih berguna adalah

∆E = q + w                                               (6.1)

(Kita hilangkan subskrip”sis”agar sederhana).Persamaan (6.1) menyatakan bahwa perubahan energy dalam ∆E suatu system adalah jumlah kalor q yang dipertukarkan antara system dan lingkungan dan kerja w yang dilakukan pada (atau oleh) system tersebut.Kesepakatan tanda untuk q dan w adalah sebagai berikut : q positif untuk proses endotermik dan negative untuk kerja yang dilakukan oleh system  pada lingkungan.Persamaan (6.1)mungkin terkesan abstrak,tetapi sebenarnya sangat logis.Jika suatu system membebaskan kalor ke lingkungan atau melakukan kerja pada lingungan,kita mengharapkan energi dalamnya turun karena terjadi proses pengurangan energi.Dengan alasan ini,baik q maupun w bertanda negative.Sebaliknya,jika kalor ditambahkan pada system atau jika kerja dilakukan pada system,maka energy dalam system akan meningkat.Pada kasus ini,baik q maupun w bertanda positif.Tabel 6.1 meringkas kesepakatan tanda untuk q dan w