Energi dan Interaksinya dengan Lingkungan

Energi dapat dibedakan menjadi dua, yaitu energi kinetik dan energi potensial. Energi kinetik adalah energi yang tersimpan dalam sebuah benda akibat gerakannya. Beberapa contoh energi kinetik adalah energi panas (termal) dan energi listrik. Energi potensial merupakan energi yang besarnya ditentukan oleh kedudukan benda, misalnya ketinggian benda.

Energi-energi tersebut dapat berubah bentuk, misalnya energi kimia dapat berubah menjadi energi panas atau energi gerak. Perubahan energi tersebut tidak berakibat pada hilangnya energi. Hal ini sesuai dengan Hukum Kekekalan Energi, bahwa energi alam semesta adalah tetap.

Energi Panas dan Kalor

Hampir semua reaksi melepas atau menyerap energi, umumnya dalam bentuk kalor. Kalor dalam hal ini didefinisikan sebagai perpindahan energi panas (termal) dari dua benda yang berbeda suhunya. Menurut Hukum ke-0 (nol) Termodinamika, energi panas akan berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah.

Sistem dan Lingkungan

Dalam termokimia, ada dua hal yang perlu diperhatikan mengenai perpindahan energi, yaitu sistem dan lingkungan. Segala sesuatu yang menjadi pusat perhatian dalam mempelajari perubahan energi disebut sistem, sedangkan hal-hal di luar sistem yang membatasi sistem dan dapat mempengaruhi sistem disebut lingkungan. Contoh : Pada proses mendidihkan air, terjadi kenaikan suhu yang menyebabkan suhu teko air menjadi naik, demikian juga dengan suhu disekitarnya.

Pada contoh tersebut, yang menjadi pusat perhatian adalah air yang disebut sebagai sistem, sedangkan teko air dan suhu udara, dan mungkin tangan yang menyentuh teko air tersebut merupakan lingkungan. Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu sistem terbuka, sistem tertutup, dan sistem terisolasi.

Sistem Terbuka, Sistem Tertutup, dan Sistem Terisolasi

1. Sistem Terbuka

Sistem terbuka adalah suatu sistem yang memungkinkan terjadinya perpindahan kalor dan zat (materi) antara lingkungan dengan sistem. Contoh: Reaksi antara logam magnesium dengan asam klorida encer yang dilakukan pada tabung reaksi yang terbuka.

Pada peristiwa ini terjadi reaksi Mg_(s) + 2HCl_(aq) → MgCl_2(aq) + 2H_(g). Oleh karena reaksi dilakukan pada
tabung terbuka, gas hidrogen yang dihasilkan akan keluar dari sistem ke lingkungan, dan kalor yang dihasilkan pada reaksi tersebut juga akan merambat keluar dari sistem ke lingkungan.

2. Sistem Tertutup

Sistem tertutup adalah suatu sistem yang memungkinkan terjadinya perpindahan kalor antara sistem dan lingkungan, tetapi tidak dapat terjadi perpindahan materi. Dalam proses mendidihkan air, ketika meletakkan tutup pada panci materi tidak bisa lagi tertransfer karena tutup panci mencegah adanya bakteri yang memasuki panci atau meninggalkan panci. Namun, panci tersebut masih memungkinkan untuk terjadi transfer energi. Walaupun panci sudah tertutup, energi panas masih bisa ditransfer dari dalam keluar panci atau sebaliknya.

Contoh: Jika reaksi antara logam magnesium dengan asam klorida encer tersebut dilakukan pada tabung reaksi yang tersumbat dengan rapat, gas hidrogen (materi) di dalam sistem tidak dapat meninggalkan (keluar) sistem. Akan tetapi, perambat kalor meninggalkan (keluar) sistem tetap terjadi melalui dinding tabung reaksi.

3. Sistem Terisolasi

Sistem terisolasi merupakan suatu sistem yang tidak memungkinkan terjadinya perpindahan kalor dan materi antara sistem dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi yang sederhana ini yaitu kalorimeter bom. Di dalam kalorimeter bom, tidak mungkin terjadi adanya transfer materi atau energi dari dalam ke luar kalorimeter bom atau sebaliknya. Contoh: Reaksi antara logam magnesium dan asam klorida encer yang dilakukan di dalam suatu tempat yang tertutup rapat (terisolasi), misalnya di dalam penyimpanan air panas (termos).

Rumus Kalorimeter

Kalorimetri merupakan merupakan sistem yang dimana tidak ada perpindahan materi dan energi dengan lingkungan di luar kalorimeter tersebut. Kalorimeter ini ada dua jenis, yaitu kalorimeter bom dan sederhana. Kalorimeter bom adalah alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor yang dilepaskan saat pembakaran sempurna. Sedangkan, kalorimeter sederhana dapat dibuat dari wadah atau gelas yang sifatnya isolator (tidak menghantarkan panas).

Rumus Kalorimeter Bom
q reaksi = – (q kalorimeter + q air)
q kalorimeter = C kalorimeter x ΔT

Keterangan:
C Kalorimeter = kapasitas kalor pada kalorimeter (J°C^-1 atau JK^-1)
ΔT = perubahan suhu (°C atau K)

Rumus kalorimeter sederhana:
q reaksi = – (q kalorimetri + q larutan)
q reaksi = – q larutan
q reaksi = m x c x ΔT

Keterangan:
q = kalor reaksi (J atau KJ)
m = massa (g atau kg)
c = kalor jenis (J/g°C atau K/kg K)
∆T = perubahan suhu (°C atau K)

Rumus Perubahan Entalpi Reaksi

Perubahan termokimia erat kaitannya dengan istilah sistem dan lingkungan. Dimana sistem dianggap sebagai reaktan dan produknya, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu yang di luar reaktan dan produknya. Istilah entalpi, yaitu besar energi kimia yang dimiliki suatu zat pada tekanan tetap. Namun, entalpi tidak akan berubah apabila tidak ada energi yang diserap maupun dilepaskan. Entalpi dinyatakan dengan huruf H (heat content), dengan satuannya yaitu Joule.

Rumus perubahan entalpi (∆H) adalah sebagai berikut:
∆H = H produk – H reaktan

Dengan catatan:

1. Bila ∆H positif, berarti terdapat energi/kalor yang diserap dari lingkungan ke dalam sistem (reaksi endoterm).

2. Sebaliknya, bila ∆H bernilai negatif, berarti terdapat energi/kalor yang dilepas oleh sistem ke lingkungan (reaksi eksoterm). Ciri-ciri reaksi endoterm yaitu terjadi penurunan suhu yang menyebabkan suhu lingkungan menjadi dingin. Sedangkan, ciri-ciri dari reaksi eksoterm adalah terjadi kenaikan suhu, sehingga suhu lingkungan menjadi panas.

Contoh Soal dan Pembahasan

Contoh Soal:
Di dalam suatu kalorimeter bom direaksikan 0,16 gram gas metana (CH₄) dengan oksigen berlebih, sehingga terjadi reaksi sebagai berikut:

CH_4(g) + 2O_2(g) → CO_2(g) + 2H₂O_(g)

Ternyata terjadi kenaikan suhu sebesar 1,56°C. Diketahui kapasitas kalor kalorimeter yaitu 958 J/°C, massa air di dalam kalorimeter adalah 1.000 gram dan kalor jenis air 4,18 J/g°C. Tentukan kalor pembakaran gas metana dalam kJ/mol. (Ar C = 12, H = 1).

Pembahasan:
Kalor yang dilepas selama reaksi sama dengan kalor yang diserap oleh air di dalam kalorimeter dan oleh kalorimeter, sehingga dapat dituliskan rumus sbb:

q reaksi = – (q kalorimeter + q air)
q air = m air x c air x ∆T
= 1 x 4,18 J/g°C x 1,56 °C
= 6.520 J

Q kalorimeter = C kalorimeter x ∆T
= 958 J/°C x 1,56°C
= 1.494 J

Maka,
q reaksi = – (q kalorimeter + q air)
= – (6.520 + 1.494) J
= – 8.014 kJ

Jumlah metana yang dibakar adalah 0,16 gram, sehingga jumlah molnya adalah sbb:

Persamaan Termokimia

Termokimia melibatkan suatu reaksi kimia, tentu saja kalau ada reaksi kimia berarti ada reaktan dan produk/hasil. Pada reaksi yang terjadi antara gas metana (CH₄) dan molekul oksigen (O₂), kemudian akan menghasilkan produk berupa gas karbon dioksida (CO₂) dan air (H₂O)

Pada reaksi tersebut, bahwa bahan bakar bergabung dengan oksigen untuk menghasilkan air dan karbon dioksida. Reaksi itu disebut dengan reaksi pembakaran. Kemudian, ketika bahan bakar (pada reaksi di atas adalah metana) diharapkan dapat melepas panas, maka disebut dengan reaksi eksoterm. Sebaliknya, reaksi yang menyerap panas disebut dengan reaksi endoterm.

Usai menyimak pemaparan diatas, kini kamu makin mahir menguasai seputar rumus kalorimeter dan persamaan termokimia. Penasaran, kan untuk mengetahui seberapa jauh pemahaman materi yang kamu miliki? Yuk kerjakan TEMU (Tes Kemampuan Kamu) di Kelas BESTIE , ya!

Oiya, Minco alias Mimin KOCO juga mau kasih bocoran, nih kalau KOCO Star juga menyediakan media pembelajaran jika kamu masih butuh penjelasan yang lebih lengkap lagi. Langsung klik gambar banner ini, ya!

Dapatkan juga akses ke ribuan materi atau video belajar Matematika, IPA, IPS, Bahasa Indonesia, Bahasa Inggris, serta bantuan langsung dari para guru secara live online dengan berlangganan KODIO Learning. “If you are lazy, be diligent. if you are afraid, courage. If you do not know, ask.” – Mario Teguh