termodinamika

Kompetensi Dasar:

Menganalisis dan menerapkan hukum termodinamika

Indikator :

Setelah mempelajari bab ini, siswa diharapkan mampu :

Menganalisis keadaan gas karena perubahan suhu, tekanan, dan volume.

Menggambarkan perubahan keadaan gas dalam diagram P-V.

Memformulasikan hukum I termodinamika dan penerapannya.

Mengaplikasikan hukum II termodinamika pada masalah fisika sehari-hari.

Memformulasikan siklus Carnot. Merumuskan proses reversibel dan tak

reversibel.

PENGERTIAN TERMODINAMIKA

Pengertian Menurut BahasaTermodinamika berasal dari bahasa Yunani,

yaitu thermos yang berarti panas, dan dynamic yang berarti perubahan.

Pengertian Secara UmumSecara umum mempunyai pengertian kajian

mengenai kalor (panas) yang berpindah.

Termodinamika adalah : ilmu yang mempelajari hukum-hukum yang mengatur perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lain, aliran dan kemampuan energi melakukan usaha.

Sistem adalah : sesuatu yang menjadi subyek

pembahasan atau fokus perhatian.Lingkungan adalah : segala sesuatu yang tidak termasuk

dalam sistem atau segala keadaan di luar sistem.

Dua istilah yang berkaitan erat dalam termodinamika, yaitu:

Perhatikan gambar:

Tabung berisi gas:

lingkungan

gas

Batas sistemsistem

THERMO vs. HEAT TRANSFER (cont)

Thermodynamics membicarakan sistem keseimbangan (equilibrium), bisa digunakan untuk menaksir besarnya energi yang diperlukan untuk mengubah suatu sistem keseimbangan, tetapi tidak dapat dipakai untuk menaksir seberapa cepat (laju) perubahan itu terjadi karena selama proses sistem tidak berada dalam keseimbangan.

Heat Transfer tidak hanya menerangkan bagaimana energi itu dihantarkan, tetapi juga menaksir laju penghantaran energi. Inilah yang membedakan Heat Transfer dengan thermodinamika.

Hukum termodinamika dibagi 2 yaitu :

Hukum pertama, yaitu : prinsip kekekalan energi yang memasukkan kalor sebagai mode perpindahan energi.

Hukum kedua, yaitu : bahwa aliran kalor memiliki arah, dengan kata lain, tidak semua proses di alam adalah reversibel (dapat dibalikkan arahnya)

Usaha, Kalor, dan Energi Dalam

Usaha

Usaha adalah: ukuran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya.

Energi mekanik sistem adalah : energi yang dimiliki sistem akibat gerak dan koordinat kedudukannya.

Usaha (W)

Usaha alias kerja merupakan proses perpindahan energi melalui cara-cara mekanis.

Usaha dalam gerak translasi :

Usaha dalam gerak rotasi:

Usaha pada termodinamika :𝑊= 𝐹.𝑠

𝑊= 𝜏.𝜃

𝑊= 𝑝∆𝑉= 𝑝(𝑉2 −𝑉1)

Kalor (Q)

Kalor mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, dan akan berhenti hingga suhu kedua benda sama. Kalor bukanlah suatu jenis energi, melainkan energi yang berpindah. Jadi dapat disimpulkan bahwa kalor adalah energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.

Pengertian Energi Dalam

Energi dalam : Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut.

Secara umum perubahan energi dalam (U), di rumuskan :

U = U2 – U1

Formulasi usaha, kalor dan Energi dalam

Usaha oleh sistem terhadap lingkungannya.Proses isobarik (tekanan konstan)

V1

V2

W = p V = p( V2 – V1 )

Perjanjian tanda :Usaha bertanda positif (+), jika sistem

melakukan usaha pada lingkungan (gas memuai V2 > V1).

Usaha bertanda negatif (-), jika lingkungan melakukan usaha pada sistem ( gas memampat V2 V1 ).

Contoh soal 1

Sejenis gas berada dalam wadah yang memiliki volum 2 m3 dan tekanan 4 atm. Hitung usaha luar yang dilakukan gas jika :

a. Gas memuai pada tekanan tetap sehingga volumnya mejadi dua kali semula.

b. Gas dimampatkan pada tekanan tetap sehingga volumnya mejadi sepertiga semula.

(1 atm = 1,0 x 105N/m2)

Penyelesaian

13

1V

Diket : V1 = 2 m3

p = 4 atm = 4 x 105 N/m2

Ditanya : W, jika: a. V2 = 2V1

b. V2 =

Jawab :

a. W = pV = p ( V2 – V1 )

= p ( 2V1 – V1)

= pV1

= ( 4 x 105 ) 2

W = 8 x 105 J

b. W = pV = p ( V2 – V1)

= p ( 1/3 V1 – V1)

= p (-2/3 )V1

= (-2/3)pV1

= (-2/3) 4 x 105 x 2

W = - 5,33 x 105 J

Grafik p - V

Dari grafik diperoleh : Usaha yg dilakuka oleh

atau pada sistem gas sama dg luas daerah di bawah grafik p-V dg batas volum awal dan volum akhir.

Luas = usaha

V1 V2

p1

p2

Contoh soal 2

Sejumlah gas pada keadaan A berubah ke keadaan B (lihat gambar).

a. Bagaimana cara anda menghitung usaha luar yang dilakukan gas ?

b. Hitung usaha luar tersebut.

A

B

8 36

2

5

p (x105 N/m2)

V(x10-3 m3)

Penyelesaian :

Jx

xxU 3

35

108,92

108361025

a. U = luas trapesiumb. Usaha luar:

Usaha dalam proses siklus

Dari grafik diperoleh: “usaha yang dilakukan

oleh (atau pada) sistem gas yang menjalani suatu proses siklus sama dengan luas daerah yang dimuat oleh siklus tersebut (luas daerah yg diasir)”

Lintasan 1

Lintasan 2

A

B

p

V

Contoh soal 3

Gas ideal diproses seperti gambar di samping.

a. Berapa usaha yang dilakukan sistem per siklus ?

b. Jika mesin bekerja 5 siklus per 2 sekon, berapa daya yang dibangkitkan sistem ? AB

C

V

p

0,0125 0,025

105

2x105

(Nm-2)

(m3)

Penyelesaian :

a. Usaha yg dilakukan sistem per siklus. W = luas ABC = AB x BC/2 = ( 0,0125 – 0,025) x (2x 105

– 1 x 105)/2 = (- 0,0125) x (1/2) x 105

= - 0,00625 x 105

W = - 6,25 x 102 J

wattxx

t

WP 3

3

10563,12

10125,3

b. Usaha dlm 5 siklus = 5 x – 6,25 x 102 = - 3,125 x 103 J

maka daya selama 2 sekon adalah :

nRTNkTU2

3

2

3

Formulasi Kalor Q = mcT = CTFormulasi Energi DalamGas monoatomik

nRTNkTU2

5

2

5

Gas diatomik

Perubahan Energi DalamGas monoatomik

122

3

2

3TTnRTnRU

122

5

2

5TTnRTnRU

Gas diatomik

Dari dua persamaan perubahan energi dalam di atas dapat disimpulkan :

“Perubahan energi dalam U hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir dan tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh oleh sistem”

Beberapa Proses Termodinamika Gas

Proses Isobarik ( tekanan tetap )A. Usaha yang dilakukan oleh sistem terhadap

lingkungan (V2 > V1). W = p ( V2 – V1)

W positif ( + )

1 2

p

V1 V2

V

B. Usaha yang dilakukan lingkungan terhadap sistem (V2 V1).

W = p ( V2 – V1 )

W negatif ( - )

p

VV2 V1

12

Proses Isokhorik (volum tetap )

W = 0

Karena V2 = V1

o Perhatikan gambar

p

VV1 = V2

p1

p2

V

nRTp

Proses Isotermal ( suhu tetap ) Dari persamaan : pV = nRT diperoleh :

dVpWV

V

2

1

Sehingga usaha yang dilakukan sistem (gas) dirumuskan :

dVV

nRTW

V

V

2

1

1

2lnV

VnRTW

2

1

2

1

ln VV

V

V

VnRTV

dVnRTW

12 lnln VVnRTW

Perhatikan gambar :

p

VV1 V2

Contoh soal 4

Suhu tiga mol suatu gas ideal 373 K. Berapa besar usaha yang dilakukan gas dalam pemuaian secara isotermal untuk mencapai empat kali volum awalnya ?

penyelesaian

Diket : n = 3 mol T = 373 K V2 = 4V1

R = 8,31 J/molDitanya : W

4ln37331,83 xxxW

Jawab :

1

2lnV

VnRTW

1

14ln37331,83V

Vxx

JW 999,12890