FISIKA DASAR HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa: Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ∆U = Q – W.
SUB BAB SISTEM TERMODINAMIKA KERJA YANG DILAKUKAN SISTEM SELAMA PERUBAHAN VOLUME JALUR KERJA TERMODINAMIKA ENERGI INTERNAL DAN HUKUM I TERMODINAMIKA JENIS-JENIS PROSES TERMODINAMIKA ENERGI INTERNAL PADA GAS IDEAL KAPASITAS KALOR PADA GAS IDEAL ADIABATIK PADA GAS IDEAL
SISTEM TERMODINAMIKA Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Jenis-jenis sistem 1. Sistem Terbuka Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. 2. Sistem Tertutup Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut.
3. Sistem terisolasi Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi.
KERJA YANG DILAKUKAN SISTEM SELAMA PERUBAHAN VOLUME Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita tinjau kerja yang dilakukan sistem terhadap lingkungan. Untuk menghitung besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem, kita tinjau gas ideal yang berada dalam sebuah wadah yang ditutup dengan sebuah penghisap/piston. Penghisap bisa digerakkan naik dan turun. Gambar ini disederhanakan menjad dua dimensi. Anggap saja gambar ini tiga dimensi. Volume = panjang x lebar x tinggi.
Gas ideal diwakili oleh titik-titik yang terletak di dalam wadah. Alas wadah bersentuhan dengan sebuah benda yang memiliki suhu yang lebih tinggi (mirip seperti air dalam panci yang dipanaskan di atas nyala api). Benda bersuhu tinggi tidak disertakan dalam gambar , bayangkan saja dalam pikiran ya Gas ideal dalam wadah merupakan sistem, sedangkan benda-benda lainnya yang berada di luar wadah, termasuk benda bersuhu tinggi yang bersentuhan dengan alas wadah, merupakan lingkungan. Karena suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor dengan sendirinya mengalir dari lingkungan menuju sistem. Adanya sumbangan energi dari lingkungan menyebabkan energi dalam sistem (gas ideal) bertambah. Energi dalam gas ideal berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya ketika energi dalam gas ideal bertambah, suhu gas ideal juga meningkat. Peningkatan suhu gas ideal menyebabkan gas ideal memuai dan mendorong piston sejauh s. Ketika mendorong piston sejauh s, sistem (gas ideal) melakukan kerja terhadap lingkungan (udara luar). Pada mulanya tekanan sistem besar (P1) dan volume sistem kecil (V1). Tekanan berbanding terbalik dengan volume (ingat lagi materi teori kinetik gas). Setelah kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem dan sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem bertambah (V2) dan tekanan sistem berkurang (P2).
Besarnya kerja yang dilakukan sistem pada proses di atas adalah : Kerja (W) = Gaya dorong (F) x perpindahan (s). Karena gaya dorong (F) = tekanan (P) x luas permukaan (A) piston, maka persamaan Kerja bisa ditulis menjadi : W = Fs —– F = PA W = PAs —– As = V W = PV Perlu diketahui bahwa kerja yang dilakukan sistem terjadi selama perubahan volume. Karenanya, kerja total yang dilakukan sistem bisa diperoleh dengan mengalikan perubahan tekanan dan perubahan volume. Secara matematis ditulis seperti ini : W = (tekanan akhir – tekanan awal)(volume akhir – volume awal) W = (P2‐P1)(V2‐V1)
JALUR KERJA TERMODINAMIKA Kerja tekanan‐volume (atau kerja PV) muncul ketika adanya perubahan volume V sistem. Kerja PV umumnya diukur dengan satuan dalam liter‐atm dimana Templat:Gaps = Templat:Gaps. Meskipun begitu, liter‐atm bukanlah sistem satuan SI. Satuan SI umumnya menggunakan Joule (J), dengan 1 J = 1 Pa.m3. Kerja PV merupakan topik penting dalam termodinamika kimia. Untuk proses reversibel pada sistem tertutup, kerja PV dinyatakan dalam persamaan diferensial berikut ini:
Dengan: menunjukkan kerja yang dilakukan oleh sistem; adalah tekanan dalam sistem dan di luar sistem; umumnya sama untuk proses reversibel; menunjukkan adanya perubahan volume dalam sistem.
MAKA:
Dengan: menunjukkan kerja yang dilakukan oleh sistem selama proses reversibel keseluruhan.
ENERGI INTERNAL DAN HUKUM 1 TERMODINAMIKA Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Kita hanya dapat mengubah bentuk energi, dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain. Apabila suatu sistem diberi kalor, maka kalor tersebut akan digunakan untuk melakukan usaha luar dan mengubah energi dalam. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa: Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ∆U = Q – W.
Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis:
W bertanda positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan W bertanda negatif jika sistem menerima usaha dari lingkungan Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan Q bertanda negatif jika sistem melepas kalor pada lingkungan
JENIS- JENIS DARI PROSES THERMODINAMIKA 1. Adiabatik Proses adiabatik adalah proses prubahan keadaan dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (gas) Tidak terjadi pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan Dapat terjadi jika sistem dan lingkungan dibatasi oleh sekat yang tidak dapat dilalui kalor 2. Isobarik Proses isobarik adalah proses prubahan keadaan gas pada tekanan tetap Berlangsung pada tekanan tetap.
3. Isokhorik Proses isokhorik adalah proses prubahan keadaan gas pada volume tetap Berlangsung pada volum tetap. 4. Isotermal Proses isothermal adalah proses prubahan keadaan gas pada suhu tetap Berlangsung pada suhu tetap.
1. Hukum I termodinamika untuk Proses Adiabatis Selama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem jadi Q = 0
2. Hukum I termodinamika untuk Proses Isobaris Pada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap.
Dengan demikian pada proses ini berlaku persamaan Boyle-GayLussac: V1 / T1 = V2 / T2 Jika grafik ini digambarkan dalam hubungan P dan V maka dapat grafik sebagai berikut
Usaha luar yang dilakukan adalah :
W = p ( V2 – V1 ) karena itu hukum I termodinamika dapat dinyatakan :
dQ = dU + p ( V2 – V1 ) Panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan tetap dapat dinyatakan dengan persamaan :
dQ = m cp ( T2 – T1 ) Pertambahan energi dalam gas dapat pula dinyatakan dengan persamaan :
dU = m cv ( T2 – T1 ) Karena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobaris dapat pula dinyatakan dengan persamaan :
dW = dQ – dU = m ( cp - cv ) ( T2 – T1 ) m = massa gas cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap cv = kalor jenis pada volume tetap.
3. Hukum I termodinamika untuk Proses Isokhoris Pada proses ini volume Sistem konstan.
Dengan demikian dalam proses ini berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac dalam bentuk : P1 / T1 = P2 / T2 Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka grafiknya sebagai berikut :
Karena dV = 0 maka W = p . dV W = 0 ( tidak ada usaha luar selama proses
dQ = U2 – U1 Kalor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi dalam (dU)
dQ = dU dU = m . cv ( T2 – T1 )
ENERGI INTERNAL PADA GAS IDEAL GAS IDEAL Ciri-ciri gas ideal: 1. Gas terdiri dari molekul yang sangat banyak dan identik 2. Jarak anatar molekul gas jauh lebih besar daripada ukurannya 3. Molekul-molekul bergerak secara acak dan memenuhi hukum Newton 4. Tumbukan antar molekul gas lenting sempurna Persamaan Gas ideal Hk. Boyle: Dalam suatu ruangan tertutup pada suhu tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya. P.v = konstan Untuk dua keadaan berlaku
Hk. Charles: Dalam suatu ruangan tertutup pada tekanan tetap volume gas sebanding dengan suhu mutlaknya = KONSTAN Untuk dua keadaan berlaku:
Persamaan umum gas ideal:
Jika diketahui tetapan umum gas ideal pada n mol gas berlaku:
ENERGI INTERNAL GAS IDEAL Temperatur gas ideal dihubungkan dengan energi kinetik translasi molekulmolekul gas
K = 3/2 nRT Jika energi translasi ini diambil sbg energi internal total gas, maka U hanya tergantung pada temperatur tidak pada volume atau tekanan
U = 3/2 nRT Jika ada energi lain maka pers U akan berharga lain dr pers di atas, misal ada gaya tarik menarik antar molekul.
Percobaan Joule Apakah energi internal tergantung volume? A = gas, B = kosong, sistem terisolasi termis dan tidak ada usaha yang bekerja oleh dan pada sistem. Kran dibuka, gas dr A menerobos ke B ekspansi bebas, lalu gas mencapai kesetimbangan Uawal = Uakhir temperatur konstan Volume bertambah energi potensial karena gaya tarik naik energi kinetik translasi turun temperatur turun Eksperimen Joule temperatur konstan, hanya berlaku utk gas ideal (kerapatan rendah) Energi internal hanya tergantung pada temperatur
KAPASITAS KALOR PADA GAS IDEAL Pengertian Kapasitas Kalor Gas Kapasitas kalor C suatu zat menyatakan "banyaknya kalor Q yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 kelvin". Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis sebagai
C = Q/ΔT atau Q = CΔT keterangan: C = Kapasitas Kalor Q = Qalor ∆T = Kenaikan Suhu Kapasitas gas kalor adalah kalor yang diberikan kepada gas untuk menaikan suhunya dapat dilakukan pada tekanan tetap (proses isobarik) atau volum tetap (proses isokhorik). Karena itu, ada dua jenis kapasitas gas kalor yaitu: 1. Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap 2. Kapasitas kalor pada volum tetap.
Uraikan Konsep Kapasitas kalor Gas Kapasitas kalor gas diperoleh dari fungsi empirik temperatur, dan biasanya dalam bentuk yang sama. Kapasitas kalor gas sangat dipengaruhi oleh tekanan, namun pengaruh tekanan pada sifat termodinamika tidak digunakan dalam. Karena gas pada tekanan rendah biasanya mendekati ideal, kapasitas kalor gas ideal bisa digunakan untuk hampir semua perhitungan gas real pada tekanan atmosfir. 1. kapasitas kalor gas pada tekanan tetap (Cp) Kapasitas kalor gas adalah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu Kelvin pada tekanan tetap. tekanan system dijaga selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan, maka perubahan energi dalam, kalor, dan kerja pada proses ini tidak ada yang bernilai nol. Maka secara matematis :
Cp = Q/ΔT = ((5/2PΔV)/(ΔT)) = ((5/2nRΔV)/(ΔT) Cp = 5/2nR
2. Kapasitas kalor gas pada volum tetap (Cv) Kapasitas kalor pada volum tetap artinya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu kelvin pada volum tetap. Artinya kalor yang diberikan dijaga selalu konstan. Karena volume system selalu konstan, maka system tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada system. Jadi kalor yang ditambahkan pada system digunakan untuk menaikan energi dalam sistem. Maka secara matematis :
Cv = Q/ΔT = (3/2nRΔT)/ΔT Cv = 3/2nR Berdasarkan persamaan di atas dapat diperoleh bahwa:
Cp – Cv = 5/2nR – 3/2nR Cp – Cv = nR
PROSES ADIABATIK DI GAS IDEAL Proses adiabatik adalah proses yang muncul tanpa perpindahan panas dan massa antara sistem dan lingkungannya. Proses ini merupakan salah satu konsep penting dalam termodinamika dalam pengembangan hukum pertama termodinamika. Proses adiabatik berlangsung dalam dinding yang disolasi termal sepenuhnya dan tak dapat ditembus benda.
p.V.γ=konstan Atau p1.V1. γ =p2.V2. γ dengan γ = konstanta Laplace
γ = Cp:Cv Cp = Kapasitas kalor pada tekanan tetap C v = Kapasitas kalor pada volume tetap
Untuk gas monoatomik besarnya Cv dan Cp adalah
Cv = 3/2 nR dan Cp = 5/2 nR Untuk gas dioatomik, besarnya Cv dan Cp adalah Gas diatomik pada suhu rendah ( ± 300 K)
Cv = 3/2 nR dan Cp = 5/2 nR Gas diatomik pada suhu sedang (± 500 K)
Cv = 5/2 nR dan Cp = 7/2 nR Gas diatomik pada suhu tinggi (± 1000 K)
Cv = 7/2 nR dan Cp= 9/2 nR
CONTOH SOAL 1. Kalor sebanyak 2000 Joule dilepaskan sistem dan lingkungan melakukan usaha 3000 Joule pada sistem. Perubahan energi dalam sistem adalah… Pembahasan Diketahui : Kalor (Q) = -2000 Joule Usaha (W) = -3000 Joule Ditanya : perubahan energi dalam sistem Jawab :
2. Sejumlah 0,005 mol gas hydrogen suhunya dinaikkan 12 oc menjadi 64 oc pada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan: a)perubahan energy dalam b)kapasitas kalor pada tekanan tetap c)kapasiras kalor pada volume tetap penyelesaian: diketahui: n = 0,005 mol T1 = 12 oc = (12 + 273) K = 285 K T2 = 64 oc = (64 + 273) K = 337 K R = 8,314 J/mol.K Ditanyakan: a). U …? b). Cp …? c). Cv …?
Jawab: a). U = 3/2 nRT U = 3/2 (0,005 x 8,314 (337 - 285)) U = 3/2 (3,162) J U = 3,243 J b). Cp = 3/2 nR Cp = 3/2 (0,005 x 8,314) Cp = 3/2 (0,042) Cp = 0,063 J/K c). Cv = 5/2 nR Cv = 5/2 (0,005 x 8,314) Cv = 5/2(0,042) Cv = 0,105 J/K
