Energi dan Hukum Pertama Termodinamika

---

Konsep energi adalah hal dasar dalam sains. Secara sederhana, energi sebuah zat menunjukkan kemampuannya melakukan usaha, dan usaha sendiri adalah gaya yang bekerja pada sebuah jarak.

Sistem kimia dapat memiliki energi kinetik (energi gerak) sekaligus energi potensial (energi tersimpan). Energi kinetik yang dimiliki oleh kumpulan molekul dalam zat padat, zat cair atau gas disebut energi termal. Karena itu zat cair mengembang saat mereka memiliki lebih banyak energi termal. Sebagai contoh, kolom air raksa, akan meninggi dalam tabung bila suhunya semakin hangat. Dengan inilah maka termometer dapat dipakai untuk mengukur energi termal, atau suhu, sebuah sistem. Suhu dimana semua gerak molekul terhenti disebut nol mutlak.

Energi dapat juga disimpan dalam atom atau molekul sebagai energi potensial. Saat proton dan neutron menyatu membentuk inti unsur tertentu, pengurangan energi potensialnya sesuai dengan pembentukan sejumlah besar energi kinetik. Ambil contoh, pembentukan inti deuterium dari satu proton dan satu neutron. Satuan massa dasar ahli kimia adalah mol, yang mewakili massa, dalam gram, dari 6.02 × 10²³ buah partikel, baik itu atom maupun molekul. Satu mol proton memiliki massa 1.007825 gram dan satu mol neutron memiliki massa 1.008665 gram. Dengan penjumlahan saja, satu mol atom deuterium (dengan mengabaikan massa satu mol elektron) harusnya 2.016490 gram. Tapi saat di ukur, massanya ternyata berkurang 0.00239 gram. Massa yang hilang ini adalah energi ikatan inti atom dan mewakili energi yang dilepaskan oleh pembentukan inti atom. Dengan memakai rumus Einstein untuk konversi massa menjadi energi (E = mc²), kita peroleh energi yang setara dengan 0.00239 gram adalah 2.15 × 10⁸ kilojoule. Ini sekitar 240,000 kali lebih besar dari energi yang dilepaskan dalam pembakaran satu mol metana. Studi energi pembentukan atom dan saling ganti massa dan energi ini adalah bagian dari cabang ilmu Kimia Inti.

Energi yang dilepaskan dalam pembakaran metana sekitar 900 kilojoule per mol. Walau jauh lebih kecil dari energi yang dilepaskan dalam reaksi nuklir, energi yang dikeluarkan proses kimia seperti pembakaran sudah cukup besar untuk dirasakan sebagai panas dan cahaya. Reaksi demikian disebut reaksi eksotermal karena ikatan kimia dalam molekul hasil, karbon dioksida dan air, lebih kuat dan lebih stabil daripada molekul yang bereaksi (reaktan) yaitu metana dan oksigen. Energi potensial kimia sistem ini menurun, dan sebagian besar energi yang terbuang muncul sebagai panas, sementara sisanya sebagai energi radiasi, atau cahaya. Panas yang dihasilkan oleh reaksi pembakaran demikian akan meningkatkan suhu udara sekitarnya dan, pada tekanan yang tetap, meningkatkan volumenya. Perluasan udara ini menghasilkan usaha. Sebagai contoh, dalam silinder mesin pembakaran internal, seperti mesin sepeda motor, pembakaran bensin menghasilkan gas panas yang mengembang menghantam piston, sehingga ia bergerak. Piston yang bergerak kemudian memutar crankshaft, yang kemudian mendorong sepeda motor ke depan.

Dalam kasus ini, energi potensial kimia telah diubah menjadi energi termal, sebagian menghasilkan usaha. Proses ini menggambarkan pernyataan kekekalan energi, yaitu hukum pertama termodinamika. Hukum ini mengatakan kalau, untuk sebuah reaksi eksotermal, energi yang dilepaskan oleh sistem kimia, sama dengan panas yang diperoleh lingkungan sekitar plus usaha yang dihasilkan. Dengan mengukur panas dan usaha yang menyertai reaksi kimia, menjadi mungkin untuk menentukan perbedaan energi antara pereaksi dan hasil reaksi dalam beraneka ragam reaksi. Dalam hal ini, energi potensial yang tersimpan dalam beraneka ragam molekul juga bisa ditentukan, dan perubahan energi yang menyertainya bisa dihitung.