ENERGI DAN PERUBAHANNYA

MODUL 7

ENERGI DAN PERUBAHANNYA

Oleh : Ir. Nanang Ruhyat, MT.

Pada pembahasan sebelum ini telah dipelajari bagaimana unsur bereaksi dan macam senyawa yang dibentuk dan telah belajar secara kuantitatif jum­ lah pereaksi dalam reaksi kimia. Dalam bagian ini perhatian kita alihkan pada hal penting lain dari kimia dari reaksi kimia-yaitu energi yang dipunyai zat kimia dan perubahan energi yang tejadi bila terjadi reaksi kimia.

Energi adalah suatu istilah yang sudah kita kenal. Kita bangun pagi­- pagi dengan "penuh energi" lalu bensin adalah "sumber energi", dari mobil kita. Pentingnya energi dan sumber energi adalah sesuatu yang secara umum diakui oleh hampir semua orang, tetapi hanya sedikit orang diluar ilmu pengetahuan benar-benar mengerti apa energi itu. Sebab itu, mempelajari arti energi hendaknya merupakan tujuan utama dalam bagian ini bukan saja karena, kita akan mengetahui lebih banyak, tetapi juga pengertian mengenai energi sangat penting untuk mengerti sebab dasar dari sifat-sifat kimia dan fisika.

Energi dan Perpindahan Energi

Energi adalah suatu konsep yang lebih sukar dimengerti dari pada zat, karena energi dan zat sangat berbeda. Kita tak dapat melihat dan me­nyentuh atau meletakkan energi dalam suatu wadah untuk mempelajarinya, yang dapat dipelajari adalah pengaruh energi pada suatu obyek.

Energi yang biasa didefinisikan sebagai kemampuan melakukan usaha adalah sesuatu yang dipunyai zat yang dapat melakukan sesuatu. Bila suatu benda mempunyai energi, maka benda ini dapat mempe­ngaruhi benda lain dengan jalan melakukan kerja padanya. Misalnya sebuah mobil yang sedang berjalan mempunyai energi karena mobil tersebut mampu "melakukan kerja pada mobil lain dengan jalan me­nabrak/mendorong mobil lain yang sedang berhenti sehingga mobil tersebut dapat bergerak untuk jarak tertentu. Demikian juga, pada batu bara dan minyak mempunyai energi yang dilepaskan sebagai panas pada waktu pembakaran dan panas ini dapat diubah menjadi tenaga (gaya) sehingga mesin dapat bekerja.

Suatu benda dapat mempunyai energi dalam dua cara: sebagai energi kinetik dan energi potensial. Sehingga jumlah energi yang dapat dipun­yai suatu benda merupakan jumlah energi kinetik dan energi potensial­nya.

Energi kinetik (K.E.) suatu benda terdapat bila benda bergerak dan dapat dihitung dengan persamaan:

K.E. = ½ mv²

dimana m adalah massa benda dan v kecepatannya. Maka energi kinetik tergantung dari massa dan kecepatan benda, yang tentunya sudah Anda ketahui. Misalnya: sebuah truk yang bergerak dengan kecepatan 20 km/jam bila menabrak sebuah mobil akan lebih besar akibatnya dari pada sebuah sepeda dengan kecepatan yang sama, karena truk mempu­nyai massa yang lebih besar. Demikian juga truk yang bergerak dengan kecepatan 80 km/jam akan lebih besar "usaha"nya terhadap sebuah mobil dari pada bila kecepatannya 5 km/jam.

Energi potensial (E.P.) adalah energi simpanan, yaitu energi yang dipunyai benda karena benda itu tertarik atau ditolak oleh benda lain. Maka bila suatu benda tak mempunyai gaya tarik menarik atau gaya tolak menolak, maka benda tersebut tak mempunyai energi potensial. Untuk mengerti hubungan antara energi potensial dan gaya tarik menarik dan _’tolak menolak akan diberikan beberapa contoh. Seperti diketahui benda tertarik oleh bumi karena adanya gaya tarik burni. Bila kita ingin memindahkan suatu benda dari lantai ke meja, kita harus melakukan "usaha" untuk mengangkatnya. Usaha atau kerja yang kita lakukan disimpan sebagai energi potensial waktu jarak benda dari bumi bertambah dan dapat dikembalikan berarti diubah menjadi tenaga, waktu benda itu dijatuhkan kembali ke tanah. Dengan cara inilah lonceng kuno

Kekekalan Energi

Ahli ilmu kima menemukan bahwa dalam suatu sistem yang tertutup (termasuk alam semesta kita) jumlah keseluruhan energinya tetap. Hal ini yang menimbulkan hukun fisika yang pokok disebut hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa energi tidak dapat dibuat atau dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.

Hukum kekekalan energi ini akan mengawasi spa yang ter adi dengan energi sewaktu te0adi perubahan kimia dan fisika. Misalnya, Icita telah melihat bahwa energi kinetik dapat berubah men­jadi energi potensial waktu kita menaikkan beban pads lonceng, dan. energi potensial berubah menjadi energi kinetik waktu beban turun dan menggerakkan alai-alas lonceng. Tetapi kita tidak dapat memusnahkan energi maupun menciptakannya dari sesuatu yang tidak ads. Bila kita ingin menambah energi suatu benda dengan jumlah tertentu, haruslah diambil dari suatu benda lain.

Atom dan molekul mempunyai energi

Atom, molekul maupun ion adalah benda-benda seperti juga beban lonceng atau magnet. Sehingga merekapun mempunyai bentuk energi yang sama yaitu: energi kinetik dan energi potensial. Bagaimana hal ini tedadi dan bagaimana kita mengamatinya diterangkan sebagai berilcut:

Energi Kinetik Dalam suatu zat, balk is berbentuk padat, cair atau gas, masing-masing partikel yang berukuran atom akan bergerak de­ ngan tetap, saling menyinggung dan bertumbukan satu sama lain. Bila kita perhatikan suatu benda misalnya pensil hal ini tak akan terlihat sebab, atom-atom terlalu kecil untuk dapat dilihat dan gerakannya juga tidak beraturan. Ketidak aturan gerakan atom-atom inilah yang menye­babkan jumlah gerakan atom dapat dihilangkan, sehingga pensil sendiri tak akan meloncat kesana kemari walaupun partikel-partikel di dalam­nya tetap bergerak.

Karena atom-atom dan molekul-molekul bergerak, mereka mempu­nyai energi kinetik. Pada suatu saat mungkin beberapa partikel akan bergerak secara perlahan-lahan sehingga energi kinetiknya kecil. Partikel-partikel yang pergerakannya cepat mempunyai energi kinetik yang lebih besar. Tetapi untuk keseluruhannya partikel-partikel ini akan mempunyai harga energi kinetik rata-rata. Ahli-ahli fisika telah membuktikan bahwa untuk tiap benda harga rata-rata dari energi kinetik partikel-partikel berukuran atomnya, berbanding lurus dengan temperatur ’bsolut (temperatur Kelvin) benda tersebut. Ini berarti bila sesuatu benda itu panas, maka atom-atom dan molekul-molekulnya mempunyai harga rata-rata energi kinetik yang lebih besar dan pergerakannya lebih cepat dari pads atom-atom dan molekul-molekul benda yang dingin. (Sangat menarik, jadi termometer adalah alai yang memonitor harga rata-rata energi kinetik dari atom-atom, molekul-molekul dan ion-ion).

Energi potensial Energi potensial timbul karena adanya gaya tarik menarik dan tolak menolak dan seperti telah dipelajari dalam Bab 4, atom-atom dibuat dari partikel-partikel bermuatan listrik (inti dan elek­tron) yang Baling tarik menarik dan tolak menolak. Oleh sebab itu elektron dan inti mempunyai energi potensial yang akan berubah bila jarak antara mereka berubah. Bila ada perpindahan elektron antara atom-atom waktu pembentukan ion-ionnya maka ads perubahan energi potensial demikian jugs bila ada pemakaian bersama elektron antara atom-atom waktu pembentukan molekul-molekul dari zat.

Energi potensial yang dipunyai zat-zat karena adanya gaya tarik menarik dan tolak menolak antara partikel-partikel atom kadang-kadang disebut energi kimia. Bila zat-zat kimia bereaksi ada perubahan dalam sifat tarikan (ikatan kimia) antara atom-atom tersebut, jadi terdapat perubahan energi kimianya (energi potensial) yang kita amati sebagai energi yang diberikan atau diambil waktu reaksi.

Energi panas

Kebanyakan energi yang kita jumpai berbentuk panas. Bila kita ingat perubahan dari bahan baker seperti butane dalam korek api akan segera diingat panas yang dihasilkan. Bila sesuatu yang panas kita tempatkan di sebelah benda yang dingin, panas akan mengalir dari tempat yang panas ke yang dingin. Bagaimana hubungan antara panas dan perpindah­ an panas dengan macam-macam energi yang kita bicarakan diatas?

Panas merupakan energi kinetik--energi kinetik dari atom-atom dan mo lekul-molekul. Bila suatu zat panas harga rata-rata dari energi kinetik mo lekulnya besar dan panas yang dikandungnya banyak. Bila dingin, harga rata-rata energi kinetiknya kecil dan benda hanya mengandung panas sedikit.

Bila suatu benda yang panas ditempatkan pada suatu yang dingin, panas akan mengalir dari benda yang panas ke yang dingin sampai pada suatu saat keduanya mempunyai temperatur yang sama. Bila kita dapat melihat ruang antar muka antara benda yang panas dan dingin dalam tingkat atom, .akan terlihat molekul-molekul yang bergerak dengan cepat pada benda yang panas sedangkan pada benda yang dingin pergerakan molekulnya pelan (Gambar dibawah ). Bila diperhatikan kelihatan bahwa molekul-molekul yang bergerak cepat pada sisi yang satu akan bertum­bukan dengan yang pelan dari sisi lain. Tumbukan akan menyebabkan molekul yang bergerak cepat akan menjadi lambat, sedangkan yang lambat akan menjadi lebih cepat sehingga kita dapat menyaksikan di­pindahkannya energi kinetik dari benda panas ke benda dingin melalui pertumbukan antara molekul-molekul. Akhirnya, harga rata-rata dari energi kinetik kedua benda akan menjadi sama dan keduanya akan mempunyai suhu yang sama.

Gambar (a) Dua benda dengan temperatur yang berbeda molekul-molekul dari benda panas (kiri) bergerak lebih cepat dari pads benda yang dingin (kanan). (b) Ketika benda dipertemukan, pertumbukan antara mo­lekul-molekul yang bergerak cepat pads panas dengan molekul-molekul yang pergerakannya lambat dari benda dingin .menyebabkan molekul cepat menjadi lambat dan molekul lambat menjadi lebih cepat. (c) Akhirnya ter•apai kesetimbangan temperatur dan harga rata-rata dari energi kinetik kedua benda menjadi sama

Perubahan Energi Dalam Reaksi Kimia

Salah satu kegunaan pokok dalam kehidupan sehari-hari dari reaksi kimia adalah "produksi" dari energi-energi yang dibutuhkan untuk semua tugas yang kita lakukan. Pembakaran dari bahan bakar seperti minyak dan batu bara dipakai untuk pembangkit listrik. Bensin yang dibakar dalam mesin mobil akan menghasilkan, kekuatan menyebabkan mobil berjalan. Bila kita mempunyai kompor gas berarti kita membakar gas metan yang menghasilkan panas untuk memasak. Dan melalui urutan reaksi yang disebut metabolisms, makanan yang dimakan akan menghasilkan energi yang kita perlukan untuk tubuh agar berfurigsi.

Pada hampir semua reaksi kimia, selalu ada energi yang diambil atau dikeluarkan. Mari kita periksa terjadinya hal ini dan bagaimana kita mengetahui adanya perubahan energi. Misalkan kita akan melakukan reaksi kimia dalam suatu tempat tertutup, sehingga takada panas yang dapat keluar atau masuk campur­an reaksi tersebut. Atau dengan lain perkataan, reaksi dilakukan sede­mikian rupa sehingga energi total tetap sama. Juga misalkan energi potensial dari basil reaksi lebih rendah dari energi potensial pereaksi, sehingga waktu reaksi terjadi ada penurunan energi potensial. Tetapi energi ini tak dapat hilang begitu saja, karena energi total (kinetik dan potensial) harus tetap konstan. Sebab itu, bila energi potensialnya turun, maka energi kinetiknya harus naik, berarti energi potensial berubah menjadi energi kinetik. Penambahan jumlah energi kinetik akan menye­babkan harga rata-rata energi kinetik dari molekul-molekul naik, yang kitd lilial sebagai kenaikan temperatur dari campuran reaks]. Campuran reaksi menjadi panas.

Kebanyakan, reaksi kimia tidaklah tertutup dari dunia luar. Bila campuran reaksi manjadi panas seperti digambarkan di alas; panas dapat mengalir ke sekelilingnya. Setiap perubahan yang dapat melepas­kan energi ke sekelilingnya seperti ini disebut perubahan eksoterm. Perhatikan bahwa bila terjadi reaksi eksoterm, temperatur dari campur­an reaksi akan naik dan energi potensial dari z.at-zat kimia yang bersang­kutan akan turun.

Kadang-kadang perubahan kimia terjadi dimana ada kenaikan energi potensial dari zat-zat bersangkutan. Bila hal ini terjadi, maka energi kinetiknya akan turun sehingga temperaturnya juga turun. Bila sistem tidak tertutup di sekelilingnya, panas dapat mengalir ke campuran reaksi dan perubahannya disebut perubahan endoterm. Perhatikan bahwa bila terjadi suatu reaksi endotenn, temperatur dari campuran reaksi akan turun dan energi potensial dari zat-zat yang ikut dalam reaksi akan naik.

Analisis Perubahan Energi

SOAL : Bila bensin dicampur dengan udara dan percikan api dialirkan pada campuran ini, akan terjadi reaksi cepat yang dapat dinyatakan dengan reaksi:

2 C₈H₁₈ + 25 O₂ à 16 CO₂ + 18 H₂O

Campuran reaksi akan menjadi panas dan panas yang ditimbulkan dapat men­jadi tenaga untuk mobil. Apakah reaksi ini eksoterm atau encloterm? Campuran mana yang mempunyai energi potensial lebih besar, 2 C₈H₁₈ + 25 O₂ atau 16 CO₂ + 18 H₂O

PENYELESAIAN: Karena campuran reaksi menjadi panas, berarti reaksinya eksotemU. Dalam reaksi eksotermik, energi potensialnya turun, maka hasil reaksi (16 CO₂ + 18 H₂0) mempunyai energi potersial lebih rendah dari pada pereaksinya.

Pengukuran Energi Dalam Reaksi Kimia

Dalam membicarakan perubahan energi, kita hanya melihat satu cara perubahan energi sekelilingnya yaitu: panas. Beberapa reaksi dapat juga mengeluarkan cahaya dan pada pembahsan berikutnya akan dibicarakan ca­haya sebagai bentuk energi. Ada juga reaksi yang dapat memberikan energinya sebagai listrik seperti yang terjadi pada baterai yang kita gunakan waktu menyalakan mesin mobil. Reaksi-reaksi inipun akan dibicarakan dalam kuliah ini. Segala macam bentuk energi ini dapat diubah dari bentuk satu ke bentuk lain secara ekivalen. Hal ini memudah­kan dalam menyatakan jumlah energi karena kita tak perlu menggan­dakannya.

Satuan Intemasional standar untuk energi yaitu Joule (J), diturunkan dari energi kinetik. Satu joule = 1 kg m2/detik ^2. Setara dengan jumlah energi yang dipunyai suatu benda dengan massa 2 kg dan kecepatan 1 m/detik (Bila dalam satuan Inggris: benda dengan massa 4,4 lb dan kecepatan 197 ft/menit atau 2,2 mile/jam)0).

1 J = 1 kg m2/s2

Satuan energi yang lebih kecil yang dipakai dalam fisika disebut erg yang harganya = 1 x 10^-7 J. Dalam mengacu pada energi yang terlibat dalam reaksi antara pereaksi dengan ukuran molekul biasanya diganti­kan satuan yang lebih besar yaitu kilojoule (Kj ). Satu kilojoule = 1000 joule (1 Kj = 1000 J).

Semua bentuk energi dapat diubah keseluruhannya ke panas dan bila seorang ahli kimia mengukur energi, biasanya dalam bentuk kalor. Cara yang biasa digunakan untuk menyatakan panas disebut kalori (singkatan kal). Definisinya berasal dari pengaruh panas pada suhu benda. Mula­mula kalori didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan un­tuk menaikkan temperatur 1 gram air dengan suhu asal 15 °C sebesar 1 °C.

Kilokalori (kkal) seperti juga kilojoule merupakan satuan yang lebih sesuai untuk menyatakan perubahan energi dalam reaksi kimia. Satuan kilokalori juga digunakan untuk menyatakan energi yang terda­pat dalam makanan. Kalori (dengan huruf besar K) sama dengan kilokalori. Maka bila kita membaca suatu hidangan kentang rebus me­ngandung 230 Kal, berarti bahwa bila kita memakan seluruh kentang ini akan dikeluarkan energi sebesar 230 kilokalori_.

Tadinya dan sampai akhir-akhir ini semua buku ilmu pengetahuan menggunakan satuan kalori atau kilokalori untuk menyatakan perubah­an energi. Dengan diterimanya SI, sekarang joule (atau kilojoule) lebih disukai dan kalori didefinisi ulang dalam satuan SI. Sekarang kalori dan kilokalori disefinisikan secara eksak oleh

1 kal = 4,184 J , 1 kkal = 4,184 kJ

Dalam modul ini akan digunakan joule dan kilojoule secara tersendiri. Tetapi ada banyak data-data penting dalam pustaka-pustaka lama. Un­tuk menggunakan secara efektif dalam ilmu pengetahuan yang modern memerlukan terjemahan dan perbandingan ke joule dan kilojoule, se­hingga faktor konversi ini harus dihafal.

Kapasitas panas dan panas spesifik

Sifat-sifat air yang memberikan definisi asal dari kalori adalah banyak­nya perubahan temperatur yang dialami air waktu mengambil atau me­lepaskan sejumlah panas. Istilah umum untuk sifat ini disebut kapasitas panas yang didefinisikan sebagai: Jumlah panas yang diperlukan untuk mengubah temperatur suatu bends sebesar 1 °C.

Kapasitas panas bersifat ekstensif yang berarti bahwa jumlahnya tergantung dari besar sampel. Misalnya untuk menaikkan suhu 1 g air sebesar 1 °C diperlukan 4,18 J (1 kal), tapi untuk menaikkan suhu 100 g air sebesar 1 °C diperlukan energi 100 kali lebih banyak yaitu 418 J. Sehingga 1 g sampel, mempunyai kapasitas panas sebesar 4,18 J/°C, sedangkan 100 g sampel 418 J/°C

Sifat intensif yang berhubungan dengan kapasitas panas adalah kalor Jenis (panas spesifik) yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 g zat sebesar 1°C. Untuk air panas spesifiknya adalah 4,18 J/g°C. Kebanyakan zat mempunyai panas spesifik yang lebih kecil dari air. Misalnya besi, panas spesifiknya hanya 0,452 J/g°C. Berarti lebih sedikit panas diperlukan untuk memanaskan besi 1 g sebesar 1 °C dari pada air atau juga dapat diartikan bahwa jumlah panas yang akan menaikkan suhu 1 g besi lebih besar dari pada menaikkan suhu 1 g air.

Besamya panas spesifik untuk air disebabkan karena adanya sedikit pengaruh dari laut terhadap cuaca. Pada musim dingin air taut lebih lambat menjadi dingin dari pada daratan, sehingga udara yang bergerak dari taut ke darat lebih panas dari pada udara dari darat ke taut. Demi­kian juga dalam musim panas, air laut lebih lambat menjadi panas dari pada daratan.

Contoh-contoh berikut menggambarkan bagaimana kita dapat meng­hitung dan menggunakan kapasitas panas dan panas spesifik.

SOAL: Berapa kapasitas panas yang dinyatakan dalam kj/°C dari 2,00 kg batang tembaga bila diketahui panas spesifik (kalor jenis) dari tembaga 0,387 J/g°C

ANALISIS: Satuan di atas memberikan cara memecahkan soal tersebut. Ka­pasitas panas mempunyai satuan energi/suhu, sedangkan panas spesifik (kalor jenis) mempunyai satuan (energi)/(massa x suhu). Dengan mengalikan kalor jenis dengan massa dari batang-batang tembaga kita akan mendapat kapasitas panas dengan satuan J/°C, lalu diubah menjadi kj/°C

Kalor jenis x massa = kapasitas panas

0,387 J/g°C x 2000 g

= 774 j/°C