Azas Kekekalan Energi

Telah disebutkan bahwa jumlah energi yang dimiliki sistem dinyatakan sebagai energi dalam (U). Hukum I termodinamika menyatakan hubungan antara energi sistem dengan lingkungannya jika terjadi peristiwa. Energi dalam sistem akan berubah jika sistem menyerap atau membebaskan kalor. Jika sistem menyerap energi kalor, berarti lingkungan kehilangan kalor, energi dalamnya bertambah (ΔU > 0),  dan sebaliknya, jika lingkungan menyerap kalor atau sistem membebasakan kalor maka energi dalam sistem akan berkurang (ΔU < 0),  dengan kata lain sistem kehilangan kalor dengan jumlah yang sama.
Energi dalam juga akan berubah jika sistem melakukan atau menerima kerja. Walaupun sistem tidak menyerap atau membebaskan kalor, energi dalam sistem akan berkurang jika sistem melakukan kerja, sebaliknya akan bertambah jika sistem menerima kerja.
Sebuah pompa bila dipanaskan akan menyebabkan suhu gas dalam pompa naik dan volumenya bertambah. Berarti energi dalam gas bertambah dan sistem melakukan kerja. Dengan kata lain, kalor (q) yang diberikan kepada sistem sebagian disimpan sebagai energi dalam (ΔU) dan sebagian lagi diubah menjadi kerja (w).
Secara matematis hubungan antara energi dalam, kalor dan kerja dalam hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut:

ΔU = q + W (6)

Persamaan (6) menyatakan bahwa perubahan energi dalam (ΔU) sama dengan jumlah kalor yang diserap (q) ditambah dengan jumlah kerja yang diterima sistem (w). Rumusan hukum I termodinamika dapat dinyatakan dengan ungkapan atau kata-kata sebagai berikut.
” Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, atau energi alam semesta adalah konstan.” Karena itu hukum ini disebut juga hukum kekekalan energi .
Berdasarkan hukum I termodinamika, kalor yang menyertai suatu reaksi hanyalah merupakan perubahan bentuk energi. Energi listrik dapat diubah menjadi bentuk energi kalor. Energi kimia dapat diubah menjadi energi listrik dan energi listrik dapat diubah menjadi energi kimia. Agar tidak terjadi kekeliruan dalam menggunakan rumus diatas, perlu ditetapkan suatu perjanjian. Maka perjanjian itu adalah:
1.    Yang diutamakan dalam ilmu kimia adalah sistem, bukan lingkungan
2.   Kalor (q) yang masuk sistem bertanda positif (+), sedangkan yang keluar bertanda negatif (-)
3.   Kerja (w) yang dilakukan sistem (ekspansi) bertanda negatif (-) , dan yang dilakukan lingkungan (kompresi) bertanda positif.

 

Gambar 8 Ekspansi gas pada tekanan eksternal konstan.

Tanda untuk q dan w dapat dilihat pada Gambar 9 berikut

Gambar 9. Tanda untuk q dan w

4.    Yang diutamakan dalam ilmu kimia adalah sistem, bukan lingkungan.
5.    Kerja dihitung dengan rumus:
W=-P(V1-V2) (7)
Dimana  w = kerja (pada tekanan 1 atm), V1 = volume awal, dan V2 = volume akhir, dan P = tekanan yang melawan gerakan piston pompa (atm), P untuk ekspansi adalah P ex dan untuk kompresi adalah P in . Penerapan hukum termodinamika pertama dalam bidang kimia merupakan bahan kajian dari termokimia.
Contoh:
Suatu sistem menyerap kalor sebanyak 1000 kJ dan melakukan kerja sebanyak 5 kJ. Berapakah perubahan energi dalam sistem ini?
Jawab:
Karena sistem menyerap kalor, maka q bertanda positif, tetapi karena
sistem m elakukan kerja, maka w bertanda negatif.
ΔU= q + w
=100 kJ – 5 kJ
= 95 kJ