bahan termodinamika

32
Hukum Pertama Termodinamika Perubahan energi dalam: Keterangan: :Perubahan energi dalam (Joule) U2:Energi dalam pada keadaan akhir (Joule) U1:Energi dalam pada keadaan awal (Joule) Usaha yang dilakukan oleh gas pada tekanan tetap: Keterangan: p: Besarnya tekanan (atm) : Perubahan volume (liter) Rumus umum usaha yang dilakukan gas: Penghitungan energi dalam: Gas monoatomik: Gas diatomik: Proses-proses termodinamika gas Proses isobarik Diagram proses isobarik. Daerah berwarna kuning sama dengan usaha yang dilakukan. Proses isobarik adalah perubahan keadaan gas pada tek anan tetap.

Upload: yudhi-priady

Post on 14-Jul-2015

929 views

Category:

Science


12 download

TRANSCRIPT

Page 1: Bahan termodinamika

Hukum Pertama Termodinamika

Perubahan energi dalam:

Keterangan:

:Perubahan energi dalam (Joule)

U2:Energi dalam pada keadaan akhir (Joule)

U1:Energi dalam pada keadaan awal (Joule)

Usaha yang dilakukan oleh gas pada tekanan tetap:

Keterangan:

p: Besarnya tekanan (atm)

: Perubahan volume (liter)

Rumus umum usaha yang dilakukan gas:

Penghitungan energi dalam:

Gas monoatomik:

Gas diatomik:

Proses-proses termodinamika gas

Proses isobarik

Diagram proses isobarik. Daerah berwarna kuning sama dengan usaha yang dilakukan.

Proses isobarik adalah perubahan keadaan gas pada tekanan tetap.

Page 2: Bahan termodinamika

Persamaan keadaan isobarik:

Usaha yang dilakukan pada keadaan isobarik:

Proses isokhorik

Digram proses isokhorik. Grafiknya berupa garis lurus vertikal karena volumenya tidak berubah. Tidak

ada usaha yang dilakukan pada proses isokhorik.

Proses isokhorik adalah perubahan keadaan gas pada volume tetap.

Persamaan keadaan isokhorik:

Proses isotermis/isotermik

Proses isotermik. Daerah berwarna biru menunjukkan besarnya usaha yang dilakukan gas.

Proses isotermik adalah perubahan keadaan gas pada suhu tetap.

Persamaan keadaan isotermik:

Usaha yang dilakukan pada keadaan isotermik:

Dari persamaan gas ideal

Rumus umum usaha yang dilakukan gas:

Page 3: Bahan termodinamika

maka:

karena bernilai tetap, maka:

Ingat integral ini!

maka persamaan di atas menjadi

maka menjadi:

Proses adiabatik

Proses adiabatik. Warna biru muda menunjukkan besarnya usaha yang dilakukan.

Proses adiabatik adalah perubahan keadaan gas dimana tidak ada kalor yang

masuk maupun keluar dari sistem.

Persamaan keadaan adiabatik:

Tetapan Laplace:

karena , maka persamaan diatas dapat juga ditulis:

Page 4: Bahan termodinamika

Usaha yang dilakukan pada proses

adiabatik:

Page 5: Bahan termodinamika

Proses-proses dalam termodinamika gas Telah kita ketahui bahwa proses termodinamika yang dialami suatu gas dapat dijelaskan dengan baik melalui

grafik p - V. Oleh karena itu dalam termodinamika terdapat beberapa proses, diantaranya:

Proses Isobarik

Proses Isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap.

W = P ( V2 - V1 )

= P (∆V)

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan

melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor

di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada

proses isobarik berlaku:

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada

volume konstan. QV =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai : W = Qp − QV

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada

tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV).

gambaran grafiknya:

Proses Isokhorik

Proses Isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap.

W = P (∆V) = P (0)

W = 0

gambaran grafiknya:

Page 6: Bahan termodinamika

Proses Isotermal

Proses Isotermal adalah proses perubahan keadaan suhu tetap.Proses ini mengikuti proses hukum

Boyle, yaitu: PV = KONSTAN.

Dari persamaan gas ideal PV = nRT , Karena nRT merupakan bilangan tetap, maka grafik P - V

berbentuk hiperbola.

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan

kalor dapat dinyatakan sebagai:

gambaran grafiknya:

Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya kalor yang masuk ke sistem

atau keluar dari sistem (gas) yaitu :

Q = 0

Page 7: Bahan termodinamika

Usaha yang dilakukan pada proses adiabatik:

gambaran grafik:

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

00.38 No comments

Hukum termodinamika pertama kali dikemukakan oleh James Prescoot Joule(1818 -1889). Dia adalah seorang

ilmuwan Inggris yang merumuskan hukum kekekalan energi. Hukum termodinamika pertama merupakan

pernyataan dari hukum kekekalan energi yang berbunyi: “energi tidak dapat diciptakan dan

dimusnahkan tetapi dapat dikonversi ke dalam bentuk yang lain”.

Hukum pertama adalah prinsip dari hukum kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model

perpindahan energi. Menurut hukum pertama energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan

menambahkan kalor ke benda tersebut atau melakukan usaha pada benda. Hu kum pertama ini tidak membatasi

tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Selain itu karena kalor dan kerja merupakan energy yang

ditransfer ke dalam dan keluar sistem maka hukum termodinamika pertama merupakan pernyataan hukum

kekekalan energi.

Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari hukum kekekalan

energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling

umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi : “kenaikan energi dalam dari suatu sistem

Page 8: Bahan termodinamika

termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem

dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem”.

Bentuk persamaannya: ∆U = Q – W

Dimana :

∆U= perubahan energy dalam(joule)

Q = kalor (joule)

W = kerja (joule)

keterangan:

Jika sistem melakukan usaha, nilai W bernilai positif

Jika sistem menerima usaha , nilai usaha W bertanda negatif

Jika sistem menerima kalor, nilai Q bernilai positif

Jika sistem melepaskan kalor, nilai Q bertanda negatif

http://murninana.blogspot.com/2013/05/hukum-pertama-termodinamika.html

ENERGI DALAM GAS

21.40 No comments

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam

gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut.

Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang

tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara

mikroskopik.

Page 9: Bahan termodinamika

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan

gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel

yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat

ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki

oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas

sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan

perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan

sebagai:

untuk gas monoatomik

untuk gas diatomik

keterangan:

∆U adalah perubahan energi dalam gas,

n adalah jumlah mol gas,

R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol−1 K−1, dan

∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

http://murninana.blogspot.com/2013/05/energi-dalam-gas.html

APLIKASI TERMODINAMIKA DALAM KEHIDUPAN( MPG CAPS)

00.54 No comments

Di zaman modern ini, kebutuhan semakin meningkat dan harga semakin melunjak tinggi. Terutama BBM (Bahan Bakar Minyak) yang sekarang ini akan mengalami kenaikan. Hal ini di sebabkan karena harga minyak dunia naik oleh karena itu berdampak pada kenaikan BBM terutama di Indonesia. Salah satu dampak dari kenaikan BBM ini adalah semakin sakitnya hidup rakyat kecil atau rakyat mis kin. Menurut saya, adapun tindakan yang dapat kita lakukan dalam mengurangi penggunaan energi di tengah mahalnya harga BBM salah satunya dengan menggunakan produk full additive yaitu MPG Caps yang merupakan produk untuk menghemat

pengeluaran para pengguna kendaraan bermotor.

MPG Caps (Mileages Per Gallon Capsule) adalah produk yang berbentuk kapsul di gunakan untuk merawat

mesin yang di produksi oleh Fuel Freedom Internasional di Amerika Serikat yang 100% terbuat dari bahan

organik aktif yang tidak mengandung filter. MPG Caps dapat digunakan untuk semua jenis bahan bakar seperti

bensin, solar dan biodiesel. MPG Caps berfungsi untuk meningkatkan mileage per gallon kendaraan,

Page 10: Bahan termodinamika

meningkatkan umur klep mesin dan busi mesin, mencegah pembentukan limbah sisa-sisa pembakaran yang

tidak diinginkan dalam mesin, mengurangi peningkatan karbondioksida setelah mesin bekerja.

Hubungan antara termodinamika dengan suatu mesin adalah relasi termodinamik yang menunjukkan bahwa

efisiensi termal dalam suatu sistem mesin motor adalah presentasi perbandingan kuantitas tenaga mekanik

keluaran dan kuantitas tenaga panas masukan yang bila di jabarkan secara matematika fisika berdasarkan

hukum termodinamika adalah :

Di mana :

Q1 : kuantitas tenaga panas masukan

Q2 : kuantitas tenaga panas keluaran

W : energi mekanik keluaran / tenaga mesin

n : efisiensi termal

Kuantitas BBM pada kendaraan bermotor yang berhasil di ubah mesin menjadi gerakan mesin sekitar 70%.

Berdasarkan pada rumus di atas efisiensi dapat di perbes ar dengan dua cara yaitu :

1. memperkecil kuantitas input pada kuantitas output efektif tetap atau sebaliknya.

2. memperbesar kuantitas output efektif pada kuantitas output efektif pada kuantitas input tetap.

Adapun cara untuk meningkatkan efisiensi term al mesin antara lain adalah sebagai berikut :

• Meningkatkan rasio kompersi mesin menjadi lebih besar daripada 9.

• Meningkatkan suhu penyalaan dan pembakaran via peningkatan tegang elektroda busi, dengan mengganti koil

penyalaan atau menambahkan SPB antara koil dan busi dan mengganti busi dengan yang lebih tahan panas.

• Meniadakan endapan kerak arang dalam ruang silinder mesin dengan cara meningkatkan pembakaran BBM.

MPG Caps bekerja sebagai suatu katalis yang mempercepat mesin dalam melakukan pembakaran sehingga meningkatkan efisiensi mesin. Di dalam bahan bakar terdapat cairan yang dapat membawa dan menghantarkan kapsul ke ruang pembakaran mesin. Hal ini mengakibatkan mempercepat dan menyempurnakan reaksi pembakaran BBM. Bahan bakar akan semakin efisien sehingga mesin lebih irit. Penggunaan MPG Caps ini dapat mengirit penggunaan bahan bakar sekitar 12%. Manfaat lainnya adalah dapat mengurangi emisi gas rumah kaca, yang mengurangi efek global warning. Jadi, pada saat keadaan Indonesia mengalami kenaikan

BBM ini, MPG Caps sangat membantu dalam proses pengiritan BBM hingga 12%.

http://murninana.blogspot.com/2013/05/aplikasi-termodinamika-dalam-kehidupan.html

Page 11: Bahan termodinamika

USAHA DAN PROSES DALAM TERMODINAMIKA

03.01 No comments

USAHA SISTEM PADA LINGKUNGANNYA

Usaha yang dilakukan sistem pada lingkungannya merupakan ukuran energi yang

dipindahkan dari sistem ke lingkungan.

Gambar diatas, menunjukkan suatu gas di dalam silinder tertutup dengan piston

(penghisap) yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan. Pada saat gas memuai, piston

akan bergerak naik sejauh Δs. Apabila luas piston A, maka usaha yang dilakukan gas

untuk menaikkan piston adalah gaya F dikalikan jarak Δs . Gaya yang dilakukan oleh gas

merupakan hasil kali tekanan P dengan luas piston A, sehingga:

W = F. Δ s

W = P.A. Δs

karena A. Δs = ΔV , maka:

W = P. ΔV atau W = P (V2 – V1) ....(berlaku apabila tekanan gas konstan)

keterangan:

W = usaha ( J) V1 = volume mula-mula (m3)

P = tekanan (N/m2) V2= volume akhir (m3)

ΔV = perubahan volume (m3)

Apabila V2 > V1, maka usaha akan positif (W > 0). Hal ini berarti gas (sistem)

melakukan usaha terhadap lingkungan. Apabila V2 < V1, maka usaha akan negatif (W<

0). Hal ini berarti gas (sistem) menerima usaha dari lingkungan. Untuk gas yang

mengalami perubahan volume dengan tekanan tidak konstan, maka usaha yang

dilakukan sistem terhadap lingkungan dirumuskan:

dW = F.d= F.P.A ds

dW = P dV

Page 12: Bahan termodinamika

Jika volume gas berubah dari V1 menjadi V2, maka:

Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luas daerah di bawah kurva pada

diagram P-V

Gambar :Usaha yang dilakukan sistem dan lingkungan

http://murninana.blogspot.com/2013/05/usaha-dan-proses-dalam-termodinamika_21.html

Contoh soal hukum termodinamika 1

1. Kalor sebanyak 3000 Joule ditambahkan pada sistem dan sistem melakukan usaha 2500 Joule

pada lingkungan. Perubahan energi dalam sistem adalah…

Pembahasan

Diketahui :

Kalor (Q) = +3000 Joule

Usaha (W) = +2500 Joule

Ditanya : perubahan energi dalam

Jawab :

Hukum I Termodinamika :

Aturan tanda :

Q positif jika kalor ditambahkan pada sistem

W positif jika sistem melakukan usaha pada lingkungan

Page 13: Bahan termodinamika

Q negatif jika kalor dilepaskan sistem

W negatif jika lingkungan melakukan usaha pada sistem

Perubahan energi dalam sistem :

Energi dalam sistem bertambah 500 Joule.

2. Kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem dan lingkungan melakukan usaha 2500

Joule pada sistem. Perubahan energi dalam sistem adalah…

Pembahasan

Diketahui :

Kalor (Q) = +2000 Joule

Usaha (W) = -2500 Joule

Ditanya : perubahan energi dalam sistem

Jawab :

Energi dalam sistem bertambah 4500 Joule.

3. 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 :

Energi dalam sistem bertambah 1000 Joule.

Kesimpulan :

- Jika sistem menyerap kalor dari lingkungan maka energi dalam sistem bertambah

- Jika sistem melepaskan kalor pada lingkungan maka energi dalam sistem berkurang

- Jika sistem melakukan usaha pada lingkungan maka energi dalam sistem berkurang

- Jika lingkungan melakukan usaha pada sistem maka energi dalam sistem bertambah

http://gurumuda.net/contoh-soal-hukum-i-termodinamika.htm

“HUKUM 1 TERMODINAMIKA”

11) Suatu gas menerima kalor 1.500 kalori, menghasilkan usaha sebesar 4.000 J. berapakah energy dalam pada gas? (1 kalori = 4,18 joule)

Penyelesaian: Diketahui: Q = 1.500 kalori (1 kalori = 4,18 joule)

Q = 1.500 x 4,18 J = 6.720 J

Page 14: Bahan termodinamika

W = 4.000 J Ditanyakan: U …?

Jawab: U = Q – W

U = (6.200 – 4.000) J U = 2.270 J

2) Suatu gas yang menghasilkan usaha sebesar 200 joule, dengan perubahan energy dalam pada ags adalah 70 J. Tentukanlah kalor yang dapat diterima gas tersebut!

Penyelesaian: Diketahui: W = 200 J U = 70 J Ditanyakan: Q …?

Jawab: U = Q – w

Q = U + W

Q = (70 + 200) J Q = 270 J

3) Sejumlah 6 mMol gas hidrogen suhunya dinaikkan dari 20 oc menjadi 110 oc pada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,314J/mol.K, tentukan: a)perubahan energy dalam

b)usaha yang dilakukan gas

c)kalor yang diperlukan

penyelesaian: diketahui: n = 6 mMol =0,006 mol T1 = 20 oc (20 + 273) K = 293 K

T2 = 110 oc (110 + 273)K = 383 K

R = 8,314 J/mol.K

Ditanyakan: a) U …?

b) W …?

c) Q …?

Jawab: a). U = 3/2nR(T2 –T1) = 3/2 (0,006 . 8,314 (383 - 293)) J = 3/2 (4,489) J = 6,734 J b). W = P (V2 – V1) P = nR

V1 = T1

V2 = T2

W = nR (T2 – T1) W = o,oo6 x 8,314 (383 - 293) W = 4,489 J c). Q = U + W

Q = (6,734 + 4,489) J = 2,245 J

4) Gas helium 0,0003 mol pada tekanan tetap. Suhunya dinaikkan dari 10 oc menjadi 70 oc. diketahui R = 8,314 J/mol.K, hitunglah kalor yang diperlukan?

Penyelesaian:

Page 15: Bahan termodinamika

Diketahui: n = 0,0003 mol T1 = 10 oc = (10 + 273) K = 283 K

T2 = 70 oc =(70 + 273)

R = 8,314 J/mol.K

Ditanyakan: Q ….?

Jawab: Q = U + W U = 3/2nR (T2 – T1) W = P (V2 – V1) = nR(T2 – T1) U = 3/2nR (T2 – T1) U = 3/2(0,0003 x 8,314 (343 - 283)) U = 3/2 (0,149) J U = 0,224 J

W = nR(T2 – T1) W = 0,0003 x 8,314 (343 – 283) W = 0,149 J

Jadi, kalor yang diperlukan: Q = U + W

Q = (0,224 + 0,149) J Q = 0,373 J

5) Gas diatomik dipanaskan pada volume tetap dengan kapasitas kalor 24 J/K. jika R = 8,314 J/mol.K, tentukan jumlah mol gas tersebut! Penyelesaian: Diketahui: Cv = 24 J/k

R = 8,314 J/mo.K

Ditanyakan: n ….?

Jawab: Cv = 3/2 nR

24 J/K = 3/2 n x8,314 J/mol.K

24 = 12,471 x n

n = 24/12,471 mol n = 1,924 mol.

6) Suatu zat menerima kalor 20 kalori, suhunya dinaikkan dari 15 oc menjadi 50 oc. Tentukan kapasitas kalor yang diperlukan untu menaikkan suhu zat tersebut! (1 kalori = 4,18 joule)

Penyelesaian: Diketahui: Q = 20 kalor (1 kalor = 4,18 J)

Jadi, Q = 20 x 4,18 J =83,6 J T1 = 15 oc = (15 + 273) K = 288 K

T2 = 50 oc = (50 + 273) K = 323 K

Ditanyakan: C ….?

Jawab: C = QT T = T2 –T1

T = (323 - 288) K = 35 K

C = 83,6 J/35 K

C = 2,389 J/K

Page 16: Bahan termodinamika

7) 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

8) Sejumlah 3 mol gas monoatomik pada tekanan tetap. Jika R = 8,314 J/mol.K, tentukan kapasits kalor pada tekanan tetap untuk gas momoatomik tersebut!

Penyelesaian: Diketahui: n = 3 mol R = 8,314 J/mol.K

Ditanyakan: Cp …?

Jawab: Cp = 5/2 nR

Cp = 5/2 (3 x 8,314)

Cp = 5/2 (29,942)

Cp = 62,355 J/K

9) Gas diatomik dipanaskan pada keadaan tetap dengan kapasitas kalor 520 J/K. diketahui konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan: a)jumlah mol gas (kapasitas kalor pada volume tetap)

b)jumlah mol gas (kapasitas kalor pada tekanan tetap)

penyelesaian: Diketahui: C = 520 J/K

R = 8,314 J/mol.K

Ditanyakan: a) nv …?

b) np …?

Jawab:

Page 17: Bahan termodinamika

a) Cv = 5/2 nR

520 J/K = 5/2n x 8,314 J/mol.k

520 = 20,785 x n

nv = 520/20,785 mol nv = 25,018 mol

b) Cv = 7/2 nR

520 J/K = 7/2n x 8,314 J/mol.k

520 = 29,099 x n

np = 520/29,099 mol np = 17,870 mol

10)Suatu gas memiliki volume awal 2 m3 dipanaskan dengan isobaris hingga volume akhirnya 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut (1 atm = 1,01 x 105 Pa) Penyelesaian : Dik : V1=2 m3

V2=4,5 m3

P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa

Dit : W? isobaris = tekanan tetap

Jawab : W = P (ΔV)

W = P ( V2 – V1) W = 2,02 x 105 Pa . (4,5 – 2,0) = 5,05 x 105 Joule

http://nurulatikahms.blogspot.com/2013/05/contoh-soal-hukum-1-termodinamika-gas.html

Page 18: Bahan termodinamika

18

JANUARI

Hukum pertama Termodinamika Diposkan oleh Da'in

Biar rileks...mari pemanasan dahulu sebelum ke pokok bahasan...(Pengantar)

Pernah memanaskan air ? Kalau kita panaskan air menggunakan wadah seperti panci,

misalnya, biasanya setelah air mendidih, tutup panci bisa bergerak sendiri. Tutup panci bisa bergerak karena ditendang oleh uap yang lagi kepanasan dalam panci… Ingin bebas, katanya. Sudah bosan hidup di penjara… Ada lagi contoh yang mirip. Dirimu pernah ngemil popcorn

? Mudah2an sudah… Kalau belum, minta saja di toko terdekat. Ssttt… jangan lupa bawa uang receh secukupnya, biar dirimu tidak diomelin. Btw, tahu cara membuat popcorn ?

Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah lalu dipanaskan. Setelah kepanasan, biji popcorn berdisco ria dengan teman-temannya dan mendorong penutup wadah. Aneh ya, cuma dipanasi dengan nyala api, biji popcorn dalam wadah meletup dan loncat-loncat sendiri.

Saking senangnya, penutup wadah jadi korban kenakalan mereka, mengapa bisa terjadi seperti itu ?

Proses Termodinamika

Dalam proses termodinamika kita kenal Kalor (Q), Kerja (W), Sistem dan Lingkungan. Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya

perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari

lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju

sistem.

Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka

Kerja (W) berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak)… Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan.

Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.

Salah satu contoh sederhana berkaitan dengan perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja adalah proses pembuatan popcorn. Dirimu ngerti popcorn tidak ? biji jagung yang ada bunganya Da'in kurang ngerti proses pembuatan

popcorn secara mendetail. Btw, garis besarnya seperti ini… Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah tertutup (panci atau alat masak lainnya). Selanjutnya, wadah tertutup tersebut

dipanasi dengan nyala api kompor. Adanya tambahan kalor dari nyala api membuat biji popcorn dalam panci kepanasan dan meletup. Ketika meletup, biasanya biji popcorn berjingkrak-jingkrak dalam panci dan mendorong penutup panci. Gaya dorong biji popcorn

cukup besar sehingga kadang tutup panci bisa berguling ria… Untuk kasus ini, kita bisa menganggap popcorn sebagai sistem, panci sebagai pembatas dan udara luar, nyala api dkk

sebagai lingkungan. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari lingkungan

Page 19: Bahan termodinamika

(nyala api) menuju sistem (biji popcorn). Adanya tambahan kalor menyebabkan sistem (biji popcorn) memuai dan meletup sehingga mendorong penutup panci (si biji popcorn tadi

melakukan kerja terhadap lingkungan). Dalam proses ini, keadaan popcorn berubah. Keadaan popcorn berubah karena suhu, tekanan dan volume popcorn berubah saat memuai dan

meletup… meletupnya popcorn hanya merupakan salah satu contoh perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Masih sangat banyak contoh lain, sebagiannya sudah da'in ulas pada bagian pengantar… Perubahan keadaan sistem

akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja, disebut sebagai proses termodinamika.

Energi dalam dan Hukum Pertama Termodinamika

Energi dalam sistem merupakan jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah seluruhenergi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul sistem.

Kita berharap bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam sistem akan bertambah… Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja

terhadap lingkungan (sistem melepaskan energi), energi dalam sistem akan berkurang… Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – Kerja yang

dilakukan oleh sistem (sistem melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini :

Keterangan :

Delta U = Perubahan energi dalam Q = Kalor W = Kerja

Persamaan ini berlaku untuk sistem tertutup (Sistem tertutup merupakan sistem yang hanya memungkinkan pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan). Untuk sistem tertutup

yang terisolasi, tidak ada energi yang masuk atau keluar dari sistem, karenanya, perubahan energi dalam = 0. Persamaan ini juga berlaku untuk sistem terbuka jika kita memperhitungkan perubahan energi dalam sistem akibat adanya penambahan dan

pengurangan jumlah zat (Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan).

Hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan Hukum Kekekalan Energi dan ketepatannya telah dibuktikan melalui banyak percobaan (seperti percobaan om Jimi Joule). Perlu diketahui bahwa hukum ini dirumuskan pada abad kesembilan belas, setelah kalor

dipahami sebagai energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.

Energi dalam merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Besaran

yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara

Page 20: Bahan termodinamika

langsung. Yang kita analisis dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika hanya perubahan energi dalam saja. Perubahan energi dalam bisa diketahui akibat adanya energi

yang ditambahkan pada sistem dan energi yang dilepaskan sistem dalam bentuk kalor dan kerja. Jika besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa

diketahui secara langsung, maka besaran yang menyatakan keadaan makroskopis bisa diketahui secara langsung. Besaran yang menyatakan keadaan makroskopis adalah suhu (T), tekanan (p), volume (V) dan massa (m) atau jumlah mol (n). Ingat ya, Kalor dan Kerja hanya

terlibat dalam proses perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Kalor dan Kerja bukan merupakan besaran yang menyatakan keadaan sistem.

Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan Kerja (W)

Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan Hukum Pertama Termodinamika. Kalor (Q) dalam persamaan di atas merupakan kalor yang ditambahkan pada

sistem (Q positif), sedangkan Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q

bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada sistem, maka W bernilai negatif. Pahami perlahan-lahan….

Contoh soal 1 :

Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem, sedangkan sistem melakukan kerja 1000 Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Panduan jawaban :

Sistem mendapat tambahan kalor (sistem menerima energi) sebanyak

2000 Joule. Sistem juga melakukan kerja (sistem melepaskan energi) 1000 Joule. Dengan demikian, perubahan

energi sistem = 1000 Joule.

Contoh soal 2 :

Jika kalor sebanyak 2000 Joule meninggalkan sistem dan sistem melakukan kerja 1000 Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Panduan jawaban : Ingat ya, jika kalor meninggalkan sistem, berarti Q bernilai negatif

Kalor meninggalkan sistem (sistem melepaskan energi) sebanyak 2000 Joule. Sistem juga

Page 21: Bahan termodinamika

melakukan kerja (sistem melepaskan energi) sebesar 1000 Joule. Dengan demikian, energi dalam sistem berkurang sebanyak 3000 J.

Contoh soal 3 :

Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem dan kerja 1000 Joule dilakukan

pada sistem, berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Panduan jawaban : Ingat ya, jika kerja dilakukan pada sistem, berarti W bernilai negatif

Sistem mendapat tambahan kalor (sistem menerima energi) sebanyak 2000 Joule dan kerja dilakukan pada sistem (sistem menerima energi) 1000 Joule. Dengan demikian, energi dalam

sistem bertambah sebanyak = 3000 Joule.

Pahami perlahan-lahan ya. Jangan pake hafalan, nanti anda cepat lupa…

Catatan :

Pertama, kebanyakan sistem yang kita analisis secara teoritis dalam pokok bahasan ini adalah gas. Kita menggunakan gas, karena keadaan makroskopis gas (suhu, tekanan dan volume)

lebih mudah diketahui. Dalam menganalisis gas, kita tetap menganggap gas sebagai gas ideal. Tujuannya hanya untuk mempermudah analisis saja. Kita tidak menggunakan gas riil karena pada tekanan yang cukup besar, biasanya gas riil berperilaku menyimpang. Karenanya

analisis kita menjadi lebih sulit…

Kedua, jika sistem yang kita analisis adalah gas ideal, maka energi dalam bisa dihitung

menggunakan persamaan yang menyatakan hubungan antara energi dalam gas ideal dengan suhu gas ideal : U = 3/2 nRT (persamaan energi dalam gas ideal monoatomik). Persamaan ini kita turunkan dari teori kinetik.

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…

Page 22: Bahan termodinamika

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)

Page 23: Bahan termodinamika

Catatan :

Pertama, perubahan volume sistem (gas ideal) pada proses di atas bisa diketahui dengan

mudah. Volume awal dan volume akhir sistem bisa diketahui dengan menghitung volume wadah. Dengan demikian, untuk menghitung besarnya kerja (W) yang dilakukan oleh sistem,

kita perlu mengetahui bagaimana perubahan tekanan selama berlangsungnya proses.

Apabila tekanan (p) sistem berubah secara tidak teratur seiring terjadinya perubahan volume (V), maka besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung menggunakan kalkulus. Kalau

dirimu belum terbiasa dengan kalkulus, ada alternatif lain yang bisa digunakan. Terlebih dahulu kita gambarkan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan

volume. Besarnya kerja yang dilakukan oleh sistem = luasan yang diarsir di bawah kurva p-V.

Grafik tekanan vs volume untuk perubahan tekanan yang terjadi secara tidak teratur

Mula-mula tekanan sistem = p1 (tekanan besar) dan volume sistem = V1 (volume kecil). Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, tekanan

sistem berubah menjadi p2 (tekanan kecil) dan volume sistem berubah menjadi V2 (volume besar). Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir. Bentuk kurva melengkung karena tekanan sistem (gas ideal) berubah secara tidak teratur selama proses.

Apabila tekanan (p) sistem tidak berubah alias selalu konstan seiring terjadinya perubahan

volume (V), maka besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung dengan mudah. Besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung menggunakan persamaan atau bisa diketahui melalui luasan yang diarsir di bawah kurva P-V. Untuk kasus ini, persamaan kerja

di atas bisa dimodifikasi seperti ini :

W = (P2-P1)(V2-V1)

Karena tekanan (p) selalu konstan, maka P2 = P1 = P

W = P(V2-V1)

Grafik tekanan vs volume untuk proses di mana tekanan selalu konstan alias tidak berubah :

Page 24: Bahan termodinamika

Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil). Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume besar). Tekanan sistem selalu

konstan alias tidak berubah. Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.

Kedua, sistem melakukan kerja terhadap lingkungan apabila volume sistem bertambah. Demikian juga sebaliknya, lingkungan melakukan kerja terhadap sistem apabila volume sistem berkurang. Jika volume sistem tidak berubah selama proses maka sistem tidak bisa

melakukan kerja terhadap lingkungan dan lingkungan juga tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem. Dalam hal ini, kerja (W) = 0.

Penerapan Hukum Pertama Termodinamika

pada beberapa proses Termodinamika

Sebelumnya kita sudah membahas Hukum Pertama Termodinamika dan menganalisis usaha

yang dilakukan oleh sistem. Kali ini kita mencoba meninjau beberapa penerapan Hukum Pertama Termodinamika dalam empat proses termodinamika. Keempat proses

termodinamika yang dimaksud adalah proses isotermal, isokorik, isobarik dan adiabatik. Istilah aneh ini berasal dari bahasa yunani. Isotermal = suhu yang sama atau suhu selalu konstan, isokorik = volume yang sama atau volume selalu konstan, isobarik = tekanan yang

sama atau tekanan selalu konstan. Jangan dihafal tapi dipahami…

Proses Isotermal (suhu selalu konstan)

Terlebih dahulu kita tinjau penerapan hukum pertama termodinamika pada proses isotermal. Dalam proses Isotermal, suhu sistem dijaga agar selalu konstan… Sistem yang kita analisis secara teoritis adalah gas ideal. Suhu gas ideal berbanding lurus dengan energi dalam gas

ideal (U = 3/2 nRT). Karena T tidak berubah maka U juga tidak berubah. Dengan demikian, jika diterapkan pada proses isotermal, persamaan Hukum pertama termodinamika akan

berubah bentuk seperti ini :

Dari hasil ini, kita bisa menyimpulkan bahwa pada proses isotermal (suhu konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem

Page 25: Bahan termodinamika

digunakan sistem untuk melakukan kerja (W).

Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isotermal digambarkan melalui grafik di bawah :

Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil) dan tekanan sistem = P1 (tekanan besar). Agar suhu sistem selalu konstan maka setelah kalor ditambahkan pada sistem, sistem memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan.

Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume sistem bertambah) dan tekanan sistem berubah menjadi P2 (tekanan sistem

berkurang). Bentuk grafik melengkung karena tekanan sistem tidak berubah secara teratur selama proses. Besarnya kerja yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q = 0). Proses adiabatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik.

Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir ke dalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adiabatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi. Untuk kasus ini, proses harus dilakukan

dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem.

Jika diterapkan pada proses adiabatik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :

Apabila sistem ditekan dengan cepat (kerja dilakukan terhadap sistem), maka kerja bernilai negatif. Karena W negatif, maka U bernilai positif (energi dalam sistem bertambah).

Sebaliknya jika sistem berekspansi atau memuai dengan cepat (sistem melakukan kerja), maka W bernilai positif. Karena W positif, maka U bernilai negatif (energi dalam sistem berkurang).

Energi dalam sistem (gas ideal) berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya jika

energi dalam sistem bertambah maka sistem juga bertambah. Sebaliknya, jika energi dalam

Page 26: Bahan termodinamika

sistem berkurang maka suhu sistem berkurang.

Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses adiabatik digambarkan melalui grafik di

bawah :

Kurva adiabatik pada grafik ini (kurva 1-2) lebih curam daripada kurva isotermal (kurva 1-3). Perbedaan kecuraman ini menunjukkan bahwa untuk kenaikan volume yang sama, tekanan sistem berkurang lebih banyak pada proses adiabatik dibandingkan dengan proses

isotermal. Tekanan sistem berkurang lebih banyak pada proses adiabatik karena ketika terjadi pemuaian adiabatik, suhu sistem juga berkurang. Suhu berbanding lurus dengan

tekanan, karenanya apabila suhu sistem berkurang, maka tekanan sistem juga berkurang. Sebaliknya pada proses isotermal, suhu sistem selalu konstan. Dengan demikian pada proses isotermal suhu tidak ikut mempengaruhi penurunan tekanan.

Salah satu contoh proses yang mendekati adiabatik terjadi pada mesin pembakaran dalam,

misalnya mesin diesel dan mesin motor yang pakai bensin. Pada mesin diesel, udara dimasukan ke dalam silinder dan udara yang berada di dalam silinder ditekan dengan cepat menggunakan piston (kerja dilakukan pada udara). Proses penekanan adiabatik

(pengurangan volume sistem) digambarkan melalui kurva 2-1. Karena ditekan dengan cepat secara adiabatik maka suhu udara naik dengan cepat. Pada saat yang sama, solar

disemprotkan ke dalam silinder lewat injektor dan campuran terpicu seketika (terjadi proses pembakaran)… Pada mesin motor yang pakai bensin, campuran udara dan bensin dimasukkan ke dalam silinder kemudian ditekan dengan cepat menggunakan piston. Karena

ditekan dengan cepat secara adiabatik maka suhunya naik dengan cepat. Pada saat yang sama, busi memercikan bunga api sehingga terjadi proses pembakaran. Selengkapnya akan dibahas

pada episode berikutnya…

Proses Isokorik (volume selalu konstan)

Dalam proses Isokorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume sistem

selalu konstan, maka sistem tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem.

Jika diterapkan pada proses isokorik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :

Page 27: Bahan termodinamika

Dari hasil ini, kita bisa menyimpulkan bahwa pada

proses isokorik (volume konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan untuk menaikkan energi

dalam sistem.

Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isokorik digambarkan melalui grafik di bawah :

Mula-mula tekanan sistem = p1 (tekanan kecil). Adanya tambahan kalor pada sistem menyebabkan energi dalam sistem bertambah. Karena energi

dalam sistem bertambah maka suhu sistem (gas ideal) meningkat (U = 3/2 nRT). Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Karenanya, jika suhu sistem meningkat, maka tekanan sistem bertambah (p2). Karena volume sistem selalu konstan maka tidak ada kerja yang

dilakukan (tidak ada luasan yang diarsir).

Catatan :

Sebelumnya dikatakan bahwa dalam proses isokorik, sistem tidak bisa melakukan kerja terhadap lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem. Hal ini disebabkan karena pada proses isokorik, volume sistem selalu

konstan alias tidak berubah. Btw, terdapat jenis kerja tertentu yang tidak melibatkan perubahan volume. Jadi walaupun volume sistem konstan alias tidak berubah, kerja masih

bisa dilakukan terhadap sistem. Misalnya terdapat sebuah kipas + baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang disumbangkan baterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai dan udara yang berada di dalam wadah dianggap sebagai sistem.

Ketika kipas berputar, kipas melakukan kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energi kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada

baterai tentu saja berkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi dalam udara. Contoh ini hanya mau menunjukkan bahwa pada proses isokorik (volume selalu konstan), kerja masih bisa dilakukan terhadap sistem (kerja yang tidak melibatkan perubahan volume).

Proses Isobarik (tekanan selalu konstan)

Dalam proses Isobarik, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan, maka perubahan energi dalam (delta U), kalor (Q) dan kerja (W) pada proses

Page 28: Bahan termodinamika

isobarik tidak ada yang bernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum pertama termodinamika tetap utuh seperti semula :

Perubahan tekanan dan volume gas pada proses isobarik digambarkan melalui grafik di bawah :

Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil). Karena tekanan dijaga agar selalu konstan maka setelah kalor ditambahkan pada sistem, sistem

memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan. Setelah melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume sistem bertambah). Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.

Contoh soal 1 :

Kurva 1-2 pada dua diagram di bawah menunjukkan pemuaian gas (pertambahan volume

gas) yang terjadi secara adiabatik dan isotermal. Pada proses manakah kerja yang dilakukan

oleh gas lebih kecil ?

Guampang sekali kali Kerja yang

dilakukan gas pada proses adiabatik lebih kecil daripada kerja yang dilakukan gas pada

proses isotermal. Luasan yang diarsir = kerja yang dilakukan gas selama proses pemuaian

(pertambahan volume gas). Luasan yang diarsir pada proses adiabatik lebih sedikit

dibandingkan dengan luasan yang diarsir pada proses isotermal.

Contoh soal 2 :

Serangkaian proses termodinamika ditunjukkan pada diagram di bawah… kurva a-b dan d-c

= proses isokorik (volume konstan). Kurva b-c dan a-d = proses isobarik (tekanan konstan).

Pada proses a-b, Kalor (Q) sebanyak 600 Joule ditambahkan ke sistem. Pada proses b-c,

Page 29: Bahan termodinamika

Kalor (Q) sebanyak 800 Joule ditambahkan ke sistem. Tentukan :

a) Perubahan energi dalam pada proses a-b

b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c

c) Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c

P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N/m2

P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N/m2

V1 = 2 liter = 2 dm3 = 2 x 10-3 m3

V2 = 4 liter = 2 dm3 = 4 x 10-3 m3

Panduan jawaban :

Sambil lihat diagram ya…

a) Perubahan energi dalam pada proses a-b

Pada proses a-b, kalor sebanyak 600 J ditambahkan ke sistem. Proses a-b = proses isokorik

(volume konstan). Pada proses isokorik, penambahan kalor pada sistem hanya menaikkan

energi dalam sistem. Dengan demikian, perubahan energi dalam sistem setelah menerima

sumbangan kalor :

b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c

Proses a-b = proses isokorik (volume konstan). Pada proses a-b, kalor sebanyak 600 J ditambahkan ke sistem. Karena volume konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan oleh

sistem. Proses b-c = proses isobarik (tekanan konstan). Pada proses b-c, kalor (Q) sebanyak 800 Joule ditambahkan ke sistem. Pada proses isobarik, sistem bisa melakukan kerja. Besarnya

kerja yang dilakukan sistem pada proses b-c (proses isobarik) adalah : W = P(V2-V1) — tekanan konstan

W = P2 (V2-V1) W = 4 x 105 N/m2 (4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3) W = 4 x 105 N/m2 (2 x 10-3 m3)

W = 8 x 102 Joule W = 800 Joule

Page 30: Bahan termodinamika

Kalor total yang ditambahkan ke sistem pada proses a-b-c adalah : Q total = Qab + Qbc

Q total = 600 J + 800 J Q total = 1400 Joule

Kerja total yang dilakukan oleh sistem pada proses a-b-c adalah : W total = Wab + Wbc W total = 0 + Wbc

W total = 0 + 800 Joule W total = 800 Joule

Perubahan energi dalam sistem pada proses a-b-c adalah :

Perubahan energi dalam pada proses a-b-c = 600 J

c) Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c Kalor total yang ditambahkan pada sistem bisa diketahui melalui persamaan di bawah :

Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c = perubahan energi dalam pada proses a-

d-c + kerja total yang dilakukan pada proses a-d-c

Sebelum melanjutkan acara pengoprekan, baca terlebih dahulu pesan-pesan berikut ini

Kalor dan kerja terlibat dalam perpindahan energi antara sistem dengan lingkungan,

sedangkan perubahan energi dalam merupakan korban dari adanya perpindahan energi antara

sistem dan lingkungan. Karenanya perubahan energi dalam tidak bergantung pada proses

perpindahan energi. Sebaliknya, kalor dan kerja sangat bergantung pada proses. Pada proses

isokorik (volume sistem konstan), perpindahan energi hanya dalam bentuk kalor saja,

sedangkan kerja tidak. Pada proses isobarik (tekanan konstan), perpindahan energi

melibatkan kalor dan kerja…

Walaupun tidak bergantung pada proses, perubahan energi dalam bergantung pada keadaan

awal dan keadaan akhir sistem. Apabila keadaan awal dan keadaan akhir sama maka

perubahan energi dalam juga selalu sama, walaupun proses yang ditempuh berbeda-beda.

Keadaan awal dan keadaan akhir untuk proses a-b-c pada grafik di atas = keadaan awal dan

keadaan akhir proses a-d-c. Sambil lihat grafik ya… Dengan demikian, perubahan energi

dalam pada proses a-d-c = 600 J

Perubahan energi dalam sudah beres. Sekarang giliran kerja yang dilakukan sistem…

Kerja (W) total yang dilakukan pada proses a-d-c = W pada proses a-d + W pada proses d-c

Proses a-d merupakan proses isobarik (tekanan konstan), sedangkan proses d-c merupakan

proses isokorik (volume konstan). Karena volume konstan maka tidak ada kerja yang

Page 31: Bahan termodinamika

dilakukan pada proses d-c. Terlebih dahulu kita hitung kerja yang dilakukan pada proses a-d.

Sambil lihat grafik ya, biar dirimu tidak pake bingung….

Wad = P(V2-V1) — tekanan konstan

Wad = P1 (V2-V1)

Wad = 2 x 105 N/m2 (4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3)

Wad = 2 x 105 N/m2 (2 x 10-3 m3)

Wad = 4 x 102 Joule

Wad = 400 Joule

W total = W pada proses a-d + W pada proses d-c

W total = 400 Joule + 0

W total = 400 Joule

Dengan demikian, banyaknya kalor yang ditambahkan pada proses a-d-c adalah :

Contoh soal 3 :

1 liter air berubah menjadi 1671 liter uap ketika dididihkan pada tekanan 1 atm. Tentukan

perubahan energi dalam dan besarnya kerja yang dilakukan air ketika menguap… (Kalor

penguapan air = LV = 22,6 x 105 J/Kg)

Panduan jawaban :

Massa jenis air = 1000 Kg/m3

LV = 22,6 x 105 J/Kg P = 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 105 N/m2

V1 = 1 liter = 1 dm3 = 1 x 10-3 m3 (Volume air) V2 = 1671 liter = 1671 dm3 = 1671 x 10-3 m3 (Volume uap)

a) Perubahan energi dalam Perubahan energi dalam = Kalor yang ditambahkan pada air – Kerja yang dilakukan air ketika menguap.

Terlebih dahulu kita hitung Kalor (Q) yang ditambahkan pada air… Q = mLV

Massa (m) air berapa ? Massa jenis air = massa air / volume air

Massa air (m) = (massa jenis air)(volume air) Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(1 x 10-3 m3)

Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(0,001 m3) Massa air (m) = 1 Kg

Q = (1 Kg)(22,6 x 105 J/Kg) Q = 22,6 x 105 J

Sekarang kita hitung Kerja (W) yang dilakukan oleh air ketika menguap. Ingat ya, pendidihan air terjadi pada tekanan tetap (proses isobarik). W = p (V2 – V1)

Page 32: Bahan termodinamika

W = 1,013 x 105 N/m2 (1671 x 10-3 m3 – 1 x 10-3 m3) W = 1,013 x 105 N/m2 (1670 x 10-3 m3)

W = 1691,71 x 102 Joule W = 1,7 x 105 Joule

Perubahan energi dalam air :

21 x 105 J kalor yang ditambahkan pada air digunakan untuk menaikkan energi dalam (mengatasi gaya tarik antara molekul yang menjaga agar air tetap cair). Dengan kata lain, 21

x 105 J digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Ketika air suah menjadi uap, 1,7 x 105 J yang tersisa dipakai untuk melakukan kerja…

Hukum Pertama Termodinamika pada manusia

Kita bisa menerapkan hukum pertama termodinamika pada manusia :

Agar bisa bertahan hidup, setiap makhluk hidup, baik manusia, hewan atau tumbuhan tentu saja membutuhkan

energi. Kita tidak bisa belajar, jalan-jalan atau pacaran kalau tubuh kita lemas tak berdaya karena kekurangan

energi. Biasanya tubuh memperoleh energi dari makanan. Ketika menyantap makanan, kita membawa energi

potensial kimia yang terkandung dalam makanan ke dalam tubuh. Adanya tambahan energi dari makanan

menyebabkan energi potensial kimia dalam tubuh kita bertambah (delta U bertambah)…

HTTP://DAIN-UMAR.BLOGSPOT.COM/2010/01/BLOG-POST.HTML