BAB I

MAKALAH TERMODINAMIKA

Disusun oleh :Muhammad Danang Permana

Kelas : XI TKR 2

No Absen : 01SMK NEGERI 1 PUNGGING MOJOKERTO2015

BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Suhu dan Kalor adalah dua hal yang tidak dapat dipisahka dalam kehidupan kita sehari-hari. Banyak kegiatan-kegiatan yang berkaitan dengan dua hal tersebut seperti hal yang paling sederhana saja perbedaan temperatur udara saat siang dan malam hari, penurunan suhu teh panas jika ditambahkan dengan es batu, dan lain sebagainya.

Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik

1.2. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang makalah ini, maka penyusun membuat suatu rumusan masalah, yaitu :1. Apa makna suhu, kalor dan kapasitas kalor.

2. Bagaimana isi Hukum Termodinamika I dan II.

3. Apa itu proses isokhorik, isobar, isotermik dan adiabatic.

4. Bagaiman prinsip mesin kalor dan mesin pendingin.

5. Apa penerapan konsep-konsep suhu dan kalor pada bidang teknik elektro.

1.3. Batasan Masalah

Hukum Termodinamika I dan Hukum Termodinamika II.

1.4. Tujuan

Makalah ini disusun agar dapat lebih mendalami tentang makna suhu, kalor dan kapasitas kalor. Mengetahui Hukum Termodinamika I dan II dan seterusnya seperti yang ada pada rumusan masalah. BAB II

PEMBAHASAN

2.1. Suhu, kalor dan kapasitas kalor

Suhu didefenisikan sebagai ukuran atau derajat panas dingin suatu benda atau sistem. Sifat termometrik adalah sifat-sifat benda yang mudah berubah akibat adanya perubahan suhu, contoh :1. Panjang logam

2. Volume zat cair.

Kalor adalah

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit.

Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor

1. massa zat

2. jenis zat (kalor jenis)

3. perubahan suhu

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Q = m.c.(t2 t1)

Dimana :

Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)

m adalah massa benda (kg)

c adalah kalor jenis (J/kgC)

(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis

Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu

Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.

H = Q/(t2-t1)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

c = Q/m.(t2-t1)

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

H = m.c

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar:

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

Satuan kapasitas kalor benda (C)Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

2.2. Hukum Termodinamika

A. Hukum Termodinamika I

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hokum ini menyatakan perubahan enegi dalam (U) dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hokum pertama termodinamika ( the First Law of Thermodynamic) adalah sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi dalam (U).

Rumus hukum I Termodinamika :

U = Q - W

Dengan ketentuan :

Q adalah positif jika sistem memperoleh kalor dan negatif jika kehilangan kalor. Usaha (W) postif jika usaha dilakukan oleh sistem dan negatif jika usaha dilakukan pada sistem. Jadi hukum I termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor, usaha dan energi dalam.

B. Hukum II Termodinamika

Hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan dalam dua cara, yaitu :

1. Kalor tidak pernah mengalir secara spontan dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi.

2. Tidak ada satu mesin kalor yang bekerjadalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah menjadi usaha.

Hukum kedua dapat dinyatakan dalam entropi sebagai berikut :

Entropi tota; jagad raya tidak berubah ketika proses reversible terjadi ( S jagad raya > 0 ). Perubahan entropi S dari suatu sistem sama dengan kalor yang mengalir ke dalam (bertanda positif) atau keluar dari (bertanda negatif) sitem, ketika sistem berubah dari suatu keadaan ke keadaan lainnya dibagi dengan suhu mutlak.

Q

S=

reversible

T Proses Isokhorik, Isobarik, Isotermik, dan Adiabatik.

A. Proses Isokhoriik

Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap. Rumus :

P1

P1

=

T1 T1

Usaha yang dilakukan di lungkungan adalah

W = PV = P.0 =0

Keterangan :

P: tekanan (Pa)

T: suhu (K)

V: perubahan volume (m3)B. Proses Isotermik

Proses isotermik adalah proses perubahan keadaan pada suhu tetap.

Rumus : W = nRT

Keterangan :

W: usaha (J)

n: Mol

R: ketetapan gas ideal (8.31 J/mol K)

T: suhu (K)

V: volume (m3)

C. Proses Isobarik

Proses isobaric adalah proses perubahan keadaan gas yang tekananya tetap, sedangkan suhu, dan volume berubah.

Rumus : V1

V1

=

T1

T1

Usaha luar yang dilakukan lingkungan adalah :

W = Pc V = Pc (V2 V1)

Keterangan :

Pc : tekanan

D. Proses Adiabatik

Adalah proses perubahan sistem tanpa kalor yang masuk atau keluar dari sistem,.

Rumus :

P1V1Y=P2V2Y

Keterangan :

Y: konstanta Laplace = Y = Cp

Cv

Cp: kalor jenis gas pada tekana tetap

Cv: kalor jenis gas pada volume tetap

Mesin Kalor dan Mesin Pendingin

A. Mesin Kalor

Mesin kalor memindahkan kalor Q1 dari redervoir panas, melakukan usaha W1 dan membuang kalor Q2 ke reservoir dingin. Efisiensi mesin kalor adalah nilai perbandingan antara usaha yang dilakukan terhadap kalor total yang diserap.

Rumus: = W1

Q2

=1

Q1

Q1

Q2

T2

Untuk mesin kalor ideal (mesin carnot),

=

sehingga,

Q1

T1

T2

= 1 -

T1

B. Mesin Pendingin

Mesin Pendingin memindahkan kalor Q2 dari reservoir dingin, menerima usaha listrik W, dan membuang kalor Q1 ke reservoir panas.

Jadi proses dalam mesin pendingin berlawanan arah dengan proses dala mesin kalor. Koefisien performasi Cp dari suatu mesin pendingin adalah nilai perbandingan antara kalor yang dipindahkan dari reservoir dingin terhadap usaha listrik yang diterima sistem.

Q2

Q2

Cp=

=

W Q1 - Q2

Penerapan suhu dan kalor pada bidang teknik elektroHukum I Termodinamika pada prinsipnya adalah hukum kekekalan energi.Hukum Hukum II Termodinamika membahas bisa tidaknya perubahan bentuk energi satu ke yang lain. Jadi, pada dasarnya pula semua mesin atau bahkan semua sistem tunduk pada hukum termodinamika.

Contoh Mesin sepeda motor anda. Dalam hukum I dikatakan Q = W + deltaU. Artinya pada sebuah sistem diberikan kalor sebesar Q maka akan digunakan sistem untuk melakukan usaha dan untuk menaikkan energi dalam. Kalor pembakaran bensin sebesar Q digunakan untuk mekakukan usaha W yakni menggerakkan motor anda (motor bergerak mempunyai energi kinetik Ek = W) dan mesin-mesin motor anda yang semula dingin menjadi panas (artinya terjadi kenaikan energi dalam).

Latihan Soal

Soal No. 1Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!(1 atm = 1,01 x 105 Pa)

PembahasanData :V2 = 4,5 m3V1 = 2,0 m3P = 2 atm = 2,02 x 105 PaIsobaris Tekanan Tetap

W = P (V)W = P(V2 V1)W = 2,02 x 105 (4,5 2,0) = 5,05 x 105 joule

Soal No. 21,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar.A. 60 kJB. 120 kJC. 280 kJD. 480 kJE. 660 kJ(Sumber Soal : UMPTN 1995)

PembahasanData :V1 = 1,5 m3T1 = 27oC = 300 KT2 = 87oC = 360 KP = 2 x 105 N/m2W = PVMencari V2 :V2/T2 = V1/T1V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3W = PV = 2 x 105(1,8 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ

Soal No. 32000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

PembahasanData :n = 2000/693 molV2 = 5 LV1 = 2,5 LT = 27oC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas :W = nRT ln (V2 / V1)W = (2000/693 mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( 5 L / 2,5 L )W = (2000/693) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule

Soal No. 4Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah.A. 120 JB. 124 JC. 135 JD. 148 JE. 200 J(Sumber Soal : UN Fisika 2009 P04 No. 18)

Pembahasan = ( 1 Tr / Tt ) x 100 %Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan : = ( 1 400/600) = 1/3 = ( W / Q1 ) 1/3 = W/600W = 200 J

Soal No. 5Diagram PV dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!

Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar.A. 660 kJB. 400 kJC. 280 kJD. 120 kJE. 60 kJ(Sumber Soal : UN Fisika 2010 P04 No. 17)

PembahasanWAC = WAB + WBCWAC = 0 + (2 x 105)(3,5 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ

Soal No. 6Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya..%A. 50,0B. 52,5C. 57,0D. 62,5E. 64,0(Sumber Soal : SPMB 2004)

PembahasanData pertama: = 40% = 4 / 10Tt = 400 KCari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan: = 1 (Tr/Tt)4 / 10 = 1 (Tr/400)(Tr/400) = 6 / 10Tr = 240 K

Data kedua :Tt = 640 KTr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama) = ( 1 Tr/Tt) x 100% = ( 1 240/640) x 100% = ( 5 / 8 ) x 100% = 62,5%

Soal No. 7Perhatikan gambar berikut ini!

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :a) Efisiensi mesin Carnotb) Usaha mesin Carnotc) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnotd) Jenis proses ab, bc, cd dan da

Pembahasana) Efisiensi mesin CarnotData :Tt = 227oC = 500 KTr = 27oC = 300 K = ( 1 Tr/Tt) x 100% = ( 1 300/500) x 100% = 40%b) Usaha mesin Carnot = W/Q14/10 = W/1200W = 480 joulec) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin CarnotQ2 = Q1 W = 1200 480 = 720 jouleQ2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan daab pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)bc pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)cd pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)da pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik)

Soal No. 8

Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah.kilojoule.A. 200B. 400C. 600D. 800E. 1000

PembahasanW = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcdaW = ab x bcW = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule

PAGE 2