Hukum I

Thermodinamika pada

Beberapa Proses

Thermodinamika

By : Arya Mukti Prabowo (05) Ayu Larissa Maharani (07) Ellen Aprilia Pranata (13) Guruh Indrianto (17 ) Rachma Wijayanti (31)

XI IA2

Penerapan Hukum I

Thermodinamika

Hukum I Termodinamika berkaitan dengan Hukum Kekekalan Energi untuk sebuah sistem yang sedang melakukan pertukaran energi dengan lingkungan dan memberikan hubungan antara kalor, energi, dan usaha.

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa “untuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan ke dalam sistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadi perubahan energi”

Jadi, dapat dikatakan bahwa Hukum I Termodinamika menyatakan adanya konsep kekekalan energi.

Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut.Q = ΔU + W ....... 1.1dengan:

Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem (Joule)

ΔU = U2 — U1 = perubahan energi dalam sistem

W = usaha yang dilakukan sistem (Newton) Perjanjian tanda yang berlaku untuk persamaan 1.1

tersebut adalah sebagai berikut :Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif.Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatifJika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatifJika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif

Proses Isobarik

Perubahan yang terjadi pada gas berada dalam keadaan tekanan tetap.

Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV = p(V2 – V1).

Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut.Q = ΔU + WQ = ΔU + P(V2 – V1) … 1.2

Proses Isotermal

Suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap.

Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V2/V1).

Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu.

Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan ΔU=(3/2)nRΔT.

Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut :Q = ΔU + W = 0 + WQ = W = nR T In (V2/V1) …. 1.3

Proses Isokhorik

Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap.

Anda telah memahami bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W = pΔV = 0.

Dengan demikian, persamaan hukum pertama Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagaiQ = ΔU + W = ΔU + 0Q = ΔU = U2 — U1 ..... 1.4

Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan 1.4, didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.Q = ΔU =(3/2)nR ΔT …1.5atauQ = U2 — U1 =(3/2)nR (T2 —T1)

Proses Adiabatik

Dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0.

Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadiQ = ΔU + W0 = ΔU + WatauW = — ΔU = —(U2— U1) … 1.6

Berdasarkan Persamaan 1.6 tersebut, dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya.

Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagaiW = — ΔU = —(3/2)nR (T2 – T1) … 1.7

Kapasitas Kalor Gas

Pengertian Kapasitas Kalor Gas Kapasitas kalor C suatu zat menyatakan banyaknya

kalor Q yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 Kelvin

Penyataan ini dapat dituliskan secara matematis sebagai C = Q/ T atau Q=C T

Dimana C = kapasitas kalorQ = KalorT = kenaikan suhu

Kapasitas gas kalor adalah kalor yang diberikan kepada gas untuk menaikkan suhunya dapat dilakukan pada tekanan tetap (proses isobarik) atau volume tetap (proses isokhorik)

Karena itu, ada 2 jenis kapasitas gas kalor, yaitu :Kapasitas kalor gas pada tekanan tetapKapasitas kalor pada volume tetap

Uraian Konsep Kapasitas Kalor Gas

Kapasitas kalor gas diperoleh dari fungsi temperatur dan biasanya dalam bentuk yang sama, yang sangat dipengaruhi oleh tekanan

Kapasitas kalor gas ideal bisa digunakan untuk hampir semua perhitungan gas real pada tekanan atmosfer

Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap (Cp) Cp = Q/ T= ((5/2 PT)/ (T)) = ((5/2 n R T)/(T) Q = U = 5/2 n R T Cp = 5/2 n R

Kapasitas Kalor gas pada Volume Tetap (Cv) Artinya, kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu

suatu zat 1 Kelvin pada volume tetap. Artinya kalor yang diberikan dijaga selalu konstan, karena

volume sistim selalu konstan Sehingga sistim tidak bisa melakukan kerja pada

lingkungan demikian juga sebaliknya Maka,

Cv = Q/ T = (3/2 n R T)/(T)Q = U = 3/2 n R TCv = 3/2 n R

Dengan persamaan diatas, dapat diperoleh bahwa : Cp- Cv = 5/2 n R – 3/2 n R Cp- Cv = n R

Konstanta Laplace dapat dihitung secara teoretis sesuai persamaan sebagai berikut :

Gas Monoatomik : = Cp/Cv

= ((5/2 n R) / (3/2 n R)) = 5/3 = 1,67

Gas Diatomik = Cp/ Cv

= ((7/2 n R) / (5/2 n R) = 7/5 = 1,4

Contoh Soal :10 mol gas ideal memiliki suhu 27°C dan tekanan 2x105 N/m2. Gas tersebut ditekan secara adiabatik sehingga suhunya mencapai 117°C. Berapa usaha yang dilakukan oleh gas tersebut?

Diketahui: n = 10 mol T1 = 27°C = 27+273 = 300°K

T2 = 117 °C = 117+273 = 390°K

P = 2x105 N/m2

R = 8,31 J/mol KDitanya: W?Jawab:W = ΔU = 3/2 nR ΔT = 3/2 . 10 . 8,31 . (300-390) = - 11218,5 J = - 11,2 kJ

Soal :• Gas ideal mengalami ekspansi pada tekanan

konstan 8 atm sehingga volumenya berubah dari 400 mL menjadi 650 mL. Kemudian gas itu melepas kalor sehingga temperaturnya turun ke temperatur semula namun volumenya tidak berubah. Berapa total kalor yang masuk ke dalam sistem?

• Gas ideal mengalami kompresi pada temperatur konstan sehingga volumenya menjadi 0,5 dari volume semula. Pada proses tersebut dilepaskan kalor sebesar 200 kkal. Berapa perubahan energi dalam dari gas tersebut?

• Usaha sebesar 2x103 J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan 0,5 mol gas ideal monoatomik sehingga suhu mutlaknya menjadi 2 kali semula. Jika konstanta umum gas R=8,31 J/mol K, maka suhu awal gas adalah….• Suatu gas yang volumenya 1,2 liter perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap 1,5x10 5 N/m2. Usaha yang dilakukan gas adalah…

• Gas ideal mengalami ekspansi (penambahan volume) secara adiabatik sehingga volumenya menjadi dua kali semula. Pada proses itu gas melakukan usaha sebesar 2.550 J.a. Berapa besar kalor yang mengalir masuk ke

dalam sistem?b. Berapa perubahan energi dalam dari sistem?c. Tentukan apakah temperatur sistem naik atau

turun?