TERMODINAMIKA
Termodinamika
merupakan salah satu cabang fisika yang mempelajari mengenai perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lain
utamanya pada perubahan dari energi panas ke dalam bentuk energi lain. Secara
harfiah, termodinamika merupakan studi tentang kalor berpindah. Perubahan-perubahan
energi dalam termodinamika didasarkan pada dua hukum: 1) hukum termodinamika
pertama yang erat hubungannya dengan hukum kekekalan energi, 2) hukum
termodinamika kedua yang memberi batasan apakah suatu proses dapat terjadi atau tidak. Dalam termodinamika kita tidak
membutuhkan besaran mikroskopis. berbeda dengan teori kinetik. Semua proses
termodinamika dapat dinyatakan dalam besaran makroskopis seperti tekanan,
kerapatan, volume, kapasitas suhu dll.
Secara
umum istilah penting pada termodinamika diantaranya:
- Sistem adalah keadaan atau benda yang menjadi fokus perhatian kita. Sistem terdiri atas sitem terbuka dan sistem tertutup.
- Sistem terbuka adalah sistem apabila materi, panas, dan kerja (usaha) dari luar dapat masuk dalam ke sistem.
- Sistem tertutup adalah sistem apabila panas dan kerja (usaha) dari luar dapat masuk ke dalam sistem tetapi materi tidak dapat masuk sistem.
- Sistem terisolasi adalah suatu sistem jika panas, usaha, dan materi tidak dapat menembus kedalam sistem.
- Lingkungan adalah benda atau keadaan di luar sistem. Contoh: Pada suatu tabung yang berisi gas. Gas menjadi fokus analisis kita dinamai sistem dan daerah di luar gas merupakan lingkungan. Tabung dinamakan pembatas sistem.
- Proses merupakan perubahan dari suatu sistem ke sistem lain.
- Siklus termodinamika adalah suatu rangkaian proses sedemikian rupa sehingga keadaan akhirnya memiliki keadaan sama dengan keadaan awal.
- Kuasistatik adalah cara suatu proses berubah (biasanya berlangsung sangat lambat) hingga sistem senantiasa hampir selalu berada dalam keadaan keseimbangan setiap saat.
- Keseimbangan termal adalah suatu keadaan dimana pada dua sistem yang dikontakkan tidak terjadi perpindahan panas (suhu kedua sistem sama besar)
 |
| Gambar 1: Silinder dan Piston |
USAHA/KERJA GAS
Usaha
yang dilakukan oleh gas dapat dirumuskan sebagai berikut:
W
= F s = P. A . delta s
W
= P. delta V
Keterangan:
W
= usaha yang dilakukan gas (J)
P = tekanan gas (N/m2)
deltaV
= perubahan volume (m3)
Jika
gas melakukan usaha pada lingkungan maka gas mengembang/memuai (VB > VA) ,
artinya deltaV = VB – VA bertanda positif sehingga W bernilai positif.
Jika
pada gas dilakukan usaha oleh lingkungan, maka gas memampat/menyusut (VB <
VA) , artinya deltaV = VB – VA bertanda negatif sehingga W bernilai negatif.
Konversi
satuan yang perlu Anda ketahui:
1
atm = 1 x 105 Pa
1
L = 1 dm3 = 10-3
m3
PROSES TERMODINAMIKA
GAS
Berbagai
proses termodinamika diantaranya:
a.
Proses
Isobarik
Proses isobarik merupakan proses perubahan variabel
keadaan sistem pada tekanan yang konstan. Karena P konstan maka:
P/T
= n R/V
Usaha yang dilakukan adalah:
W
= P deltaV = P (V2 – V1)
b.
Proses
Isokhorik
Proses isokhorik merupakan proses dimana volume gas dipertahankan
tetap. Karena volume gas konstan, maka:
P/T
= n R/V = konstan
sehingga usaha yang dilakukan adalah:
W
= P deltaV = 0
c.
Proses
Isotermal
Proses isotermal merupakan suatu proses dimana suhu
gas dipertahankan tetap. Karena suhu konstan maka:
P
V = n R T = C atau P = C/V
usaha yang dilakukan adalah:
W
= n R T ln V2/V1
d.
Proses
Adiabatik
Proses adiabatik adalah proses perubahan sistem
dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem yang dinyatakan dalam
hubungan tekanan P, volume V, dan suhu T dan dinyatakan sebagai berikut:
P1
V1 γ = P2 V2 γ dan
r1 V1 γ = r2 V2γ
usaha yang dilakukan gas adalah:
W
= (P1 V1) – (P2 V2) / γ – 1
W
= 3/2 n R deltaT
dimana γ
= konstanta laplace ( γ = Cp/Cv)
W = usaha yang dilakukan gas
(J)
HUKUM I TERMODINAMIKA
Hukum pertama termodinamika berbunyi “Energi tidak dapat
diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk
yang lain”. Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor
sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama menyatakan bahwa jumlah
panas yang ditambahkan dan usaha yang dilakukan pada sistem sama dengan
perubahan energi internal sistem. Energi didalam suatu benda dapat ditingkatkan
dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum
pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.
Aplikasi : Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna
energi. Semuanya hanya mentransfer dengan berbagai cara.
Adapun secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut:
deltaU = Q – W atau Q = deltaU + W
keterangan:
Q = kalor
(J)
W = usaha (J)
deltaU = perubahan
energi dalam
Ketentuan:
a.
Kalor
Q positif jika diberikan pada sistem/sistem menerima panas.
b.
Kalor
Q negatif jika keluar sistem/sistem melepas panas.
c.
Usaha
W positif jika melakukan usaha pada sistem/sistem melakukan kerja.
d.
Usaha
W negatif jika menerima usaha dari sistem/sistem menerima kerja.
e.
deltaU
negatif jika energi dalam sistem berkurang.
f.
deltaU
positif jika energi dalam sistem bertambah.
PERUBAHAN ENERGI DALAM
Dalam teori energi kinetik gas, gas terdiri dari
molekul-molekul. Tiap molekul bergerak karena mempunyai energi. Jumlah dari
energi yang dimiliki oleh tiap molekul ii dinamakan energi dalam gas. Nah, Pada
sistem gas monoatomik, masing-masing molekul mempunyai 3 derajat kebebasan
sehingga energi tiap molekul adalah 3/2 k T. Perubahan energi dalam hanya
bergantung pada keadaan awal dan akhir. Energi dalam berbanding lurus dengan
suhu. Untuk gas monoatomik, besarnya perubahan energi dalam adalah:
deltaU = 3/2 N k deltaT atau
deltaU = 3/2 n R deltaT
PENERAPAN HUKUM 1 TERMODINAMIKA
a.
Proses Isotermal
Pada
proses isotermal tidak ada perubahan suhu karena suhu tetap. Hal ini
menyebabkan energi dalam sistem tidak akan berubah sehingga deltaU = 0. Jadi
hukum 1 termodinamika menjadi:
Q = W = n
R T (ln V2/V1)
b.
Proses Isokhorik
Pada
proses ini tidak ada perubahan volume karena volume tetap maka sistem tidak
bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan
tidak bisa melakukan kerja pada sistem. Olehnya itu, jika gas menerima kalor
dalam proses ini maka kalor tersebut digunakan seluruhnya dalam perubahan
energi dalam sehingga hukum 1 termodinamika menjadi:
Q = deltaU
Artinya
Dalam proses isokhorik, seluruh panas yang diterima sistem digunakan sepenuhnya
untuk menaikkan energi dalam sistem. Sedangkan, panas yang dilepaskan oleh
sistem akan menurunkan energi dalam sistem.
c.
Proses Isobarik
Dalam
proses isobarik tekanan tetap maka perubahan energi dalam (delta U), kalor (Q),
dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada yang bernilai nol. Dengan
demikian, Persamaan hukum pertama termodinamika tetep utuh seperti semula. Sehingga
hukum termodinamika tetap menjadi:
Q = W + deltaU = P deltaV + deltaU
deltaU = Q –W
W = P(V2 – V1)
d.
Proses Adiabatik
Proses adibiatik bisa terjadi pada
sistem tertutup yang terisolasi dengan baik.Untuk sistem tertutup yang
terisolasi dengan baik,biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir
kedalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adibiatik juga bisa terjadi
pada sistem tertutup yang tidak terisolasi. Proses dilakukan dengan sangat
cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan
sistem.
Dalam
proses adiabatik tidak ada panas yang masuk dan keluar sehingga Q = 0. Artinya
pada proses adiabatik seluruh kerja yang dilakukan/diterima gas digunakan untuk
menurunkan/menaikkan energi dalam gas. Secara sistematik dituliskan:
Q = -deltaU
Hukum pertama termodinamika dapat diterapkan pada manusia yakni
agar dapat bertahan hidup. Setiap mahluk hidup, baik manusia, hewan atau
tumbuhan tentu saja membutuhkan energi. Kita tidak bisa belajar, jalan-jalan, jika
kita tidak berdaya karena kekurangan energi.
KAPASITAS KALOR GAS
Kapasitas kalor adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan
suhu suatu zat sebesar satu kelvin. Adapun rumusannya :
Cv = ∆Q/∆T atau Qv = Cv. ∆T
Pada gas monoatomik kapasitas kalor terdiri dari dua yakni:
a.
Kapasitas
kalor pada volume tetap (Cv)
Cv = 3/2 n R
b.
Kapasitas
kalor pada tekanan tetap (Cp)
Cp = 5/2 n R
Pada gas diatomik dan poliatomik, kapasitas kalor bergantung
pada derajat kebebasan gas yakni:
a.
Untuk
Suhu rendah kurang lebih 250 K
Cv = 3/2 n R dan Cp = 5/2 n R
b.
Untuk
suhu sedang kurang lebih 500 K
Cv = 5/2 n R dan Cp = 7/2 n R
c.
Untuk
suhu tinggi kurang lebih 1000 K
Cv = 7/2 n R dan Cp = 9/2 n R
Tetapan laplace γ
adalah hasil bagi antara kapasitas kalor gas pada tekanan tetap dengan
kapasitas kalor gas pada volume tetap. γ
= Cp/Cv = Cp.m/Cv.m = Cv/Cp = 1. Secara teoritis nilai γ sebagai
berikut:
a.
Gas
Monoatomik
γ = Cp/Cv = (5/2 n R)/(3/2 n R) =
5/3 = 1,67
b.
Gas
Diatomik
γ = Cp/Cv = (7/2 n R)/(5/2 n R) = 7/5
= 1,4
Demikian uraian
mengenai Termodinamika, semoga
bermanfaat. Terimakasih telah berkunjung ke portal kami.
0 komentar:
Posting Komentar