Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.
Pengertian Termodinamika. Termodinamika adalah bidang ilmu yang meliputi hubungan antara panas dan jenis energi lainnya. Termodinamika ditemukan dan diteliti awal tahun 1800-an. Pada saat itu, itu terkait dengan dan mendapat perhatian karena penggunaan mesin uap.
Termodinamika dapat dipecah menjadi empat hukum. Meskipun ditambahkan ke dalam hukum termodinamika setelah tiga hukum lainnya, hukum ke nol biasanya dibahas terlebih dahulu. Ini menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dengan kata lain, jika dua sistem adalah temperatur yang sama sebagai sistem yang ketiga, maka ketiganya adalah suhu yang sama.
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi total sistem tetap konstan, bahkan jika itu diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Misalnya, energi kinetik – energi yang memiliki obyek ketika bergerak – diubah menjadi energi panas ketika sopir menekan rem pada mobil untuk memperlambatnya. Ada sering menangkap frase untuk membantu orang mengingat hukum pertama termodinamika: “Usaha adalah kalor, dan kalor adalah usaha.” Pada dasarnya, usaha dan panas yang setara.
Hukum kedua termodinamika adalah salah satu hukum yang paling dasar dalam ilmu pengetahuan. Ini menyatakan bahwa panas tidak bisa mengalir ke sistem pada suhu yang lebih tinggi dari sistem pada suhu yang lebih rendah dengan kemauan sendiri. Untuk tindakan tersebut terjadi, usaha harus dilakukan. Jika es batu ditempatkan dalam secangkir air hangat, es batu mencair saat panas air mengalir ke dalamnya. Hasil akhirnya adalah secangkir air yang sedikit dingin. Es batu hanya bisa terbentuk jika menggunakan energi.
Contoh lain dari hukum kedua hanya bekerja dengan penambahan energi dapat dilihat dengan kulkas tua. Dalam hal ini, pendinginan dari dalam kulkas menghangatkan di luar itu. Jadi, usaha yang dilakukan dan usaha membuat kalor. Usaha selesai dengan pompa kulkas.
Hukum kedua termodinamika juga mengatakan bahwa hal-hal dapat aus. Sebagai contoh, jika sebuah rumah bata dibiarkan tidak terawat, akhirnya akan runtuh karena angin, hujan, dingin, dan kondisi cuaca lainnya. Namun, jika tumpukan batu bata jika dibiarkan tanpa pengawasan, tidak akan pernah membentuk sebuah rumah, kecuali usaha akan ditambahkan ke dalam campuran.
Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi dari suatu sistem ketika mengubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya mendekati nol suhunya mendekati nol pada skala Kelvin. Nol pada skala Kelvin adalah mutlak batas bawah suhu – ketika atom dan molekul memiliki energi paling mungkin. Entropi didefinisikan sebagai ketersediaan energi sistem untuk melakukan pekerjaan. Jadi, berikut bahwa ada skala absolut entropi. Akibatnya, tidak ada sistem nyata yang bisa mencapai nol derajat pada skala Kelvin.
9.1 Sistem, Keadaan Sistem, dan Koordinat Termodinamika
Sistem. Adalah sesuatu yang menjadi pusat perhatian kita, Sistem termodinamika adalah suatu sistem yang keadaannya didiskripsikan oleh besaran-besaran termodinamika. Segala sesuatu di luar sistem (yang dapat mempengaruhi keadaan sistem) disebut lingkungan. Suatu permukaan yang membatasi sistem dengan lingkungannya di sebut permukaan batas, yang dapat berupa permukaan nyata (real surface) atau berupa khayal (imaginary surface). Permukaan batas dapat tetap atau berubah bentuknya.
Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka. Sistem terisolasi adalah suatu sistem yang keadaannya tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem tertutup adalah suatu sistem yang tidak terjadi perpindahan materi dari sistem ke lingkungannya atau sebaliknya, tetapi dapat terjadi pertukaran (interaksi) energi antara sistem dengan lingkungannya. Sistem terbuka adalah suatu sistem yang dapat terjadi perpindahan materi dan/atau energi antara sistem dan lingkungannya.
Sistem A (Gambar 9.1a) adalah suatu sistem yang dilingkupi dengan dinding yang berupa isolator panas (dinding adiabat) sehingga tidak terjadi interaksi materi dan energi antara sistem A dan lingkungannya, sehingga keadaan sistem A tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungan. Sistem A merupakan sistem terisolasi.
Sistem B (Gambar 9.1b) merupakan suatu sistem yang dilingkupi dinding yang berupa konduktor panas ( dinding diaterm) sehingga dapat terjadi interaksi antara sistem B dengan lingkungannya meskipun disini tak terjadi perpindahan materi. Sistem B disebut sistem tertutup.
Sistem C dan sistem D pada Gambar 9.1c adalah sistem-sistem yang terbuka, di mana dapat terjadi perpindahan materi dari sistem C ke sistem D atau sebaliknya. Sistem C dilingkupi oleh dinding adiabatis
9.2 Keadaan Setimbang
Dalam termodinamika dikenal beberapa macam keadaan setimbang, yaitu keadaan setimbang mekanik, keadaan setimbang termal, dan keadaan setimbang kimiawi.
Kesetimbangan mekanik, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila tekanan di setiap titik di dalam sistem mempunyai harga yang konstan.
Kesetimbangan termal, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila temperatur di setiap titik di dalam sistem mempunyai harga sama.
Kesetimbangan kimiawi, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila struktur materi (komposisi) di dalam sistem tidak berubah.
Apabila ketiga macam kesetimbangan tersebut dipenuhi pada saat bersamaan maka sistemnya dikatakan berada dalam kesetimbangan termodinamik. Dalam keadaan setimbang termodinamik, keadaan
sistem direpresentasikan dengan besaran-besaran termodinamika.
termal. b. Sistem A dan B setimbang termal dengan sistem C dengan temperatur setimbang
.
Sistem a setimbang termal dengan sistem B pada temperatur setimbang
A. TEORI KINETIKA GAS
Teori yang menggunakan tinjauan tentang gerak dan energi partikel-partikel zat untuk menyelediki sifat-sifatnya disebut teori kinetik zat. Sifat yang dimaksud ialah sifat zat secara keseluruhan sebagai hasil rata-rata kelakuan partikel-partikel zat tersebut. Teori kinetik zat yang secara khusus diterapkan pada teori kinetik gas.
Pada kenyataannya tidak ada gas sejati yang memenuhi sifatsifat gas ideal, tetapi gas pada suhu kamar dan pada tekanan rendah dapat mendekati sifat-sifat gas ideal.
Penyelesaian:
m = 2 gram
T = 77 + 273 = 350 K
M = 10 g/mol
R = 8,31 J/mol . K
Catatan: Gas-gas nyata pada tekanan yang sangat rendah (tekanannya di bawah tekanan kritis) dan pada temperatur tinggi (temperaturnya di atas temperatur kritis) mempunyai sifat seperti gas ideal.
Bentu persamaan keadaan gas ideal yang lain adalah:
9.7 DIAGRAM PV, DIAGRAM PT, DAN PERMUKAAN PVT UNTUK GAS IDEAL
Gas ideal adalah gas yang memenuhi persamaan keadaan: PV = nRT
Gambar-gambar berikut ini menunjukkan diagram PV, diagram PT, dan permukaan PVT untuk gas ideal.
.Contoh:
1. Kerja pada proses perubahan volume yang irreversible.
Gambar di samping ini menunjukkan perubahan volume gas secara spontan apabila stoper dilepas. Kerja pada proses spontan ini dinyatakan dengan:
Catatan:
Prinsip pemuaian bebas ini digunakan oleh Gay Lussac dan Joule di dalam percobaannya untuk mengamati perubahan temperatur akibat perubahan volume. Percobaan dikenal sebagai eksperimen Joule-Gay Lussac.
9.11 KALOR DAN HUKUM TERMODINAMIKA I
Kalor
Istilah kalor dipergunakan untuk menyatakan energi yang berpindah. Aliran kalor terjadi karena adanya perbedaan temperatur dan kalor mengalir dari suatu tempat yang temperaturnya tinggi ke tempat
lain yang temperaturnya rendah. Kalor diberi simbol
dan perubahan infinitesimalnya dinyatakan dengan
yang merupakan diferensial tidak eksak seperti halnya
.
Suatu sistem yang tidak terisolasi akan menyerap kalor dari lingkungannya jika temperatur sistem lebih rendah dari temperatur lingkungan, dan sebaliknya sistem akan melepaskan kalor ke lingkungannya jika temperatur sistem.
9.11.1 PANAS (KALOR) TRANSFORMASI DAN ENTALPI
Perubahan Fasa
Apabila suatu zat padat dipanaskan terus-menerus pada tekanan tetap maka temperaturnya akan naik terus sampai pada suatu harga temperatur tertentu di mana temperaturnya menjadi konstan. Pada
temperatur konstan tersebut kalor yang diserap zat dipergunakan seluruhnya untuk melakukan perubahan wujud (transformasi fasa).
Temperatur zat akan naik lagi apabila seluruh massa zat sudah berubah wujudnya. Perubahan wujud zat secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut:
1. Usaha Luar
Sebua tabung ditutup dengan penghisap (piston) yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan, dan berisi gas ideal (lihat Gambar 9.13). Bila gas dalam tabung dipanaskan, penghisap akan bergerak. Dikatakan bahwa gas melakukan usaha luar atau melakukan usaha terhadap lingkungannya.
A.PROSES ISOTERMAL
Proses isotermal dalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap (T = tetap). Dalam proses isotermal ini, berlaku persamaan keadaan gas ideal pV = nRT. Tetapi karena T tetap dan nR juga selalu tetap, maka dinyatakan:
pV = konstan
atau
Latihan 9.5
Dua gas argon memuai secara isotermal pada suhu 500 K, dari volume awal 0,05 m3 ke volume akhir 0,1 m3. Bila tekanan awal gas 8,31 . 107Pa, tentukanlah:
a. Tekanan akhir gas!
b. Usaha yang dilakukan gas!
B. PROSES ISOKHORIK
Proses iskhorik gas pada volume tetap (V = tetap). Dalam proses ini, juga berlaku persamaan gas ideal pV = nRT
Contoh 9.9
Suatu sistem menyerap kalor 2000 kalori dari lingkungannya (1 kalori = 4,2 J) dan melakukan kerja sebesar 2400 J terhadap lingkungannya.
Tentukan perubahan energi sistem!
Petunjuk:
Gas diproses pada volume tetap, berarti
= 0, sihingga W = 0.
D. PROSES KELILING (SIKLUS) TERMODINAMIKA
1. Pengertian proses keliling (siklus)
Mengubah usaha menjadi kalor dapat dilakukan secara terusmenerus.Tetapi mengubah kalor menjadi usaha tidak semudah itu karena menyangkut terbatasnya ruang tempat gas. Untuk dapat mengubah kalor menjadi usaha secara terus-menerus, haruslah diupayakan agar gas yang telah melakukan usaha itu dikembalikan ke keadaan semula. Proses seperti ini disebut proses keliling atau siklus atau daur. Perhatikan contoh siklus sembarang dalam diagram p-V seperti diperlihatkan pada Gambar 4.7. Rangkaian prosesnya dapat dijelaskan sebagai berikut:
Proses pertama (a – b)
Pada proses a – b, gas memuai secara adiabatik. Usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas bidang abV2V1, harganya positif (+ Wab).
Proses kedua (b – c) Pada proses b – c, gas dimampatkan secara isotermal. Usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luas bcV2V1, harganya negatif (-Wbc).
Proses ketiga (c – a) Proses c – a adalah proses isokhorik. Pada proses ini gas tidak melakukan usaha luar karena volume tetap (Wca = 0). Proses c – a dilakukan hanya untuk mengembalikan keadaan gas ke keadaan semula, agar bisa lagi melakukan proses pertama dan seterusnya.
Usaha luar total (
) dalam satu siklus a – b – c – a dapat dinyatakan:
= Wab - Wbc
atau= luas daerah abca
Dalam penerapannya, suatu proses keliling (siklus) dilakukan di dalam sebuah mesin kalor. Misanya :
• Mesin otto, siklusnya disebut siklus Otto
Siklus carnot secara lengkap ditunjukkan oleh gambar 9.29. Prosesprosesnya yaitu sebagai berikut:
• Proses a ke b, gas mengalami pemuaian isotermal, menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi T1 dan melakukan usaha.
Efisiensi mesin:
Contoh 9.10
Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi sebesar 11000 joule. Bila mesin melakukan usaha sebesar 4000 joule,
hitunglah:
a. kalor yang dikeluarkan mesin ke reserfoar suhu rendah!
b. Efisiensi mesin!
b. Hukum kedua termodinamika
Hukum pertama temodinamika berbicara tentang kekekalan energi, bahwa jumlah seluruh energi itu selalu tetap meskipun energi itu telah berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain. Tetapi apakah perubahan bentuk energi itu dapat berlangsung sembarang? Hukum pertama termodinamika tidak membatasi hal ini. Kenyataan menunjukkan bahwa kalor selalu mengalir dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Dapatkah kalor berpindah dengan arah sebaliknya? Keadaan ini tidak pernah terjadi walaupun tetap memenuhi hukum termodinamika. Pembatasan tentang perubahan mana yang dapat terjadi dan mana yang tidak, dinyatakan dalam hukum kedua termodinamika.
Beberapa rumusan hukum kedua termodinamika yaitu sebagai berikut.
1) Hukum kedua termodinamika tentang entropi
Hukum kedua termodinamika tentang entropi menyatakan:
Total entropi jagat raya (alam semesta) tidak berubah ketika proses reversibel terjadi (
jagat raya = 0) dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi (jagat raya > 0). Kata ”jagad raya” berarti keseluruhan sistem dan lingkungannya.
2) Hukum kedua termodinamika tentang mesin kalor
Rumusan Kelvin dan Planck menyatakan:
Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari satu sumber kalor dan mengubah kalor itu seluruhnya menajdi usaha.
3) Prinsip dasar mesin pendingin
Berdasarkan rumusan Clausius, kalor dapat dipaksa mengalir dari reservoar dingin T1 ke reservoar panas T2 dengan melakukan usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja dengan cara seperti ini disebut
mesin pendingin (refrigerator). Skemanya ditunjukkan pada Gambar 9.32. Contoh mesin pendingin, yaitu lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (air conditioner).
Penyelesaian:
Untuk mengubah wujud air menjadi uap, sistem menyerap kalor sebesar Q (bertanda positif). Persamaan Q yang berhubungan dengan kalor laten adalah:
Soal-soal Latihan
1. Partikel-partikel gas ideal mempunyai sifat antara lain .....
1. selalu bergerak 3. Bertumbukan lenting sempurna
2. tidak tarik menarik 4. Tidak mengikuti hukum Newton
Pernyataan diatas yang benar yaitu ......
A. 1, 2, dan 3 D. 4 saja
B. 1 dan 3 E. Semua benar
C. 2 dan 4
2. Suatu gas ideal tekanannya 30 Pa, volumenya 1,38 liter, dan suhunya 27o. Jika tetapan Boltzman = 1,38 x 10-23J/K, maka jumlah partikel gas tersebut yaitu ...
3. Jika konstanta Boltzman k = 1,38 x 10-23 J/K, maka energi kinetik sebuah atom gas helium pada suhu 27oyaitu ....
A. 4,14 x 10-21 J D. 6,21 x 10-21 J
B. 2,07 x 10-21 J E. 12,42 x 10-21 J
C. 5,59 x 10-21 J
4. Energi dalam suatu gas ideal ditentukan oleh ....
A. volumenya saja D. Lintasannya saja
B. tekanannya saja E. Tekanan, volume, dan suhunya
C. suhunya saja
5. Suatu gas volumenya 0,5 m3 perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap hingga volumenya menjadi menjadi 2 m2. Jika usaha luar gas tersebut 3 x 105 J, maka tekanan gas yaitu ....
A. 6,0 x 105 J D. 2,0 x 105 J
B. 4,5 x 105 J E. 1,5 x 105 J
C. 3,0 x 105 J
6. Didalam sebuah ruangan tertutup, terdapat gas dengan suhu 27oC. Gas itu dipanaskan sampai 127oC sambil siperbesar volumenya menjadi tigas kali volume semula, tekanannya menjadi ....
8. Hukum pertama termidinamika menyatakan:
A. kalor tidak dapat masuk ke dan keluar dari suatu sistem
B. energi adalah kekal
9. Proses sebuah mesin dengan gas ideal digambarkan dalam gambar diagram di bawah. Dari gambar diagram tersebut dinyatakan:
10. Sebuah mesin turbin memakai uap dengan suhu awal 550oC dan membuangnya pada suhu 35oC. Efisiensi maksimum mesin turbin tersebut yaitu ...
A. 33 % D. 63 %
B. 43 % E. 73 %
C. 53 %
11. Dari lima gambar diagram arus mesin Carnot di bawah ini, yang memiliki efisiensi 60 % ialah ....
14. Sebuah mesin Carnot menggunakan reservoar suhu tinggi 800 K dan mempunyai efisiensi 20 %. Untuk menaikkan efisiensi menjadi 36 %, maka suhu reservoar kalor suhu tinggi dinaikkan menjadi ..
A. 928 K D. 1200 K
B. 1000 K E. 1380 K
C. 1160 K
15. Suhu didalam ruangan berpendingin = -23oC, sedangkan suhu di luar = 27oC. Setiap 30 menit dapat dikeluarkan kalor 3 x 106 joule. Daya tarik yang dipakai dalam menjalankan pesawat pendingin Carnot itu besarnya ...
1. Sebutkan sifat-sifat gas ideal ?
2. Tuliskan tiga persamaan yang menyatakan hubungan pV dengan faktor-faktor lainya dalam persamaan gas ideal ?
3. Pada suhu berapakah, energi kinetik molekul gas akan menjadi dua kali energi kinetiknya pada suhu 127oC ?
4. Berapa energi dalam 0,04 mol gas oksigen (diatomik) di dalamsebuah ruang tertutup yang suhunya 35o K ?
5. Suatu jenis gas menempati volum 100 cm3 pada 0oC dan tekanan 1 atm. Bila suhu dijadikan 50oC dan tekanan dijadikan
2 atm, berapa volume gas pada keadaan akhir ?
6. Gas ideal monoatomik mula-mula volumenya 2,5 m3, tekananannya 105 N/m2, dan suhunya250 K. Gas ini mengalami proses tekanan tetap sampai volumenya menjadi 10 m3.
Pengertian Termodinamika. Termodinamika adalah bidang ilmu yang meliputi hubungan antara panas dan jenis energi lainnya. Termodinamika ditemukan dan diteliti awal tahun 1800-an. Pada saat itu, itu terkait dengan dan mendapat perhatian karena penggunaan mesin uap.
Termodinamika dapat dipecah menjadi empat hukum. Meskipun ditambahkan ke dalam hukum termodinamika setelah tiga hukum lainnya, hukum ke nol biasanya dibahas terlebih dahulu. Ini menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dengan kata lain, jika dua sistem adalah temperatur yang sama sebagai sistem yang ketiga, maka ketiganya adalah suhu yang sama.
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi total sistem tetap konstan, bahkan jika itu diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Misalnya, energi kinetik – energi yang memiliki obyek ketika bergerak – diubah menjadi energi panas ketika sopir menekan rem pada mobil untuk memperlambatnya. Ada sering menangkap frase untuk membantu orang mengingat hukum pertama termodinamika: “Usaha adalah kalor, dan kalor adalah usaha.” Pada dasarnya, usaha dan panas yang setara.
Hukum kedua termodinamika adalah salah satu hukum yang paling dasar dalam ilmu pengetahuan. Ini menyatakan bahwa panas tidak bisa mengalir ke sistem pada suhu yang lebih tinggi dari sistem pada suhu yang lebih rendah dengan kemauan sendiri. Untuk tindakan tersebut terjadi, usaha harus dilakukan. Jika es batu ditempatkan dalam secangkir air hangat, es batu mencair saat panas air mengalir ke dalamnya. Hasil akhirnya adalah secangkir air yang sedikit dingin. Es batu hanya bisa terbentuk jika menggunakan energi.
Contoh lain dari hukum kedua hanya bekerja dengan penambahan energi dapat dilihat dengan kulkas tua. Dalam hal ini, pendinginan dari dalam kulkas menghangatkan di luar itu. Jadi, usaha yang dilakukan dan usaha membuat kalor. Usaha selesai dengan pompa kulkas.
Hukum kedua termodinamika juga mengatakan bahwa hal-hal dapat aus. Sebagai contoh, jika sebuah rumah bata dibiarkan tidak terawat, akhirnya akan runtuh karena angin, hujan, dingin, dan kondisi cuaca lainnya. Namun, jika tumpukan batu bata jika dibiarkan tanpa pengawasan, tidak akan pernah membentuk sebuah rumah, kecuali usaha akan ditambahkan ke dalam campuran.
Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi dari suatu sistem ketika mengubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya mendekati nol suhunya mendekati nol pada skala Kelvin. Nol pada skala Kelvin adalah mutlak batas bawah suhu – ketika atom dan molekul memiliki energi paling mungkin. Entropi didefinisikan sebagai ketersediaan energi sistem untuk melakukan pekerjaan. Jadi, berikut bahwa ada skala absolut entropi. Akibatnya, tidak ada sistem nyata yang bisa mencapai nol derajat pada skala Kelvin.
Termodinamika
adalah cabang fisika yang mempelajari hubungan antara kalor dan usaha
mekanik. Dalam pengertian yang lebih luas, termodinamika merupakan
kajian tentang suhu dan kalor serta pengaruh suhu dan kalor terhadap
sifat-sifat zat. Dengan konsepv dasar termodinamika ini sejal, sejak
permulaan abad XIX, orang sudah berhasil menemukan mesin-mesin yang
dapat membantu mempermudah pekerjaan manusia dan mempernyaman
kehidupannya.
9.1 Sistem, Keadaan Sistem, dan Koordinat Termodinamika
Sistem. Adalah sesuatu yang menjadi pusat perhatian kita, Sistem termodinamika adalah suatu sistem yang keadaannya didiskripsikan oleh besaran-besaran termodinamika. Segala sesuatu di luar sistem (yang dapat mempengaruhi keadaan sistem) disebut lingkungan. Suatu permukaan yang membatasi sistem dengan lingkungannya di sebut permukaan batas, yang dapat berupa permukaan nyata (real surface) atau berupa khayal (imaginary surface). Permukaan batas dapat tetap atau berubah bentuknya.
Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka. Sistem terisolasi adalah suatu sistem yang keadaannya tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem tertutup adalah suatu sistem yang tidak terjadi perpindahan materi dari sistem ke lingkungannya atau sebaliknya, tetapi dapat terjadi pertukaran (interaksi) energi antara sistem dengan lingkungannya. Sistem terbuka adalah suatu sistem yang dapat terjadi perpindahan materi dan/atau energi antara sistem dan lingkungannya.
Sistem A (Gambar 9.1a) adalah suatu sistem yang dilingkupi dengan dinding yang berupa isolator panas (dinding adiabat) sehingga tidak terjadi interaksi materi dan energi antara sistem A dan lingkungannya, sehingga keadaan sistem A tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungan. Sistem A merupakan sistem terisolasi.
Sistem B (Gambar 9.1b) merupakan suatu sistem yang dilingkupi dinding yang berupa konduktor panas ( dinding diaterm) sehingga dapat terjadi interaksi antara sistem B dengan lingkungannya meskipun disini tak terjadi perpindahan materi. Sistem B disebut sistem tertutup.
Sistem C dan sistem D pada Gambar 9.1c adalah sistem-sistem yang terbuka, di mana dapat terjadi perpindahan materi dari sistem C ke sistem D atau sebaliknya. Sistem C dilingkupi oleh dinding adiabatis
sehingga
hanya dapat berinteraksi dengan sistem D saja, sedangkan sistem D
dilingkupi dengan dinding diaterm sehingga dapat berinteraksi dengan
sistem C dan dengan lingkungannya.
Besaran-besaran
makroskopis yang dapat diukur pada sistem mencirikan keadaan sistem.
Besaran makroskopis sistem menunjukkan sifat (properties) sistem.
Besaran makroskopis sistem disebut juga
koordinat termodinamika sistem. Koordinat termodinamika sistem cukup dinyatakan oleh tiga variabel dan baisanya salah salah satunya adalah temperatur. Pada buku ini temperatur secara umum diberi
simbol
dan khusus untuk temperatur Kelvin diberi simbol T.
koordinat termodinamika sistem. Koordinat termodinamika sistem cukup dinyatakan oleh tiga variabel dan baisanya salah salah satunya adalah temperatur. Pada buku ini temperatur secara umum diberi
simbol
dan khusus untuk temperatur Kelvin diberi simbol T.9.2 Keadaan Setimbang
Dalam termodinamika dikenal beberapa macam keadaan setimbang, yaitu keadaan setimbang mekanik, keadaan setimbang termal, dan keadaan setimbang kimiawi.
Kesetimbangan mekanik, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila tekanan di setiap titik di dalam sistem mempunyai harga yang konstan.
Kesetimbangan termal, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila temperatur di setiap titik di dalam sistem mempunyai harga sama.
Kesetimbangan kimiawi, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila struktur materi (komposisi) di dalam sistem tidak berubah.
Apabila ketiga macam kesetimbangan tersebut dipenuhi pada saat bersamaan maka sistemnya dikatakan berada dalam kesetimbangan termodinamik. Dalam keadaan setimbang termodinamik, keadaan
sistem direpresentasikan dengan besaran-besaran termodinamika.
9.3 HUKUM TERMODINAMIKA KE NOL DAN
TEMPERATUR
Hukum termodinamika ke nol berbunyi:Jika dua buah sistem yang terpisah berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem yang lain (sistem yang ketiga), maka kedua sistem tersebut juga berada dalam kesetimbangan termal. Gambar 9.2 menggambarkan pernyataan hukum termodinamika ke nol yang berlaku pada sistem A, B, dan C.
TEMPERATUR
Hukum termodinamika ke nol berbunyi:Jika dua buah sistem yang terpisah berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem yang lain (sistem yang ketiga), maka kedua sistem tersebut juga berada dalam kesetimbangan termal. Gambar 9.2 menggambarkan pernyataan hukum termodinamika ke nol yang berlaku pada sistem A, B, dan C.
Gambar 9.2: a. Keadaan sistem A, B, dan C sebelum kontak
termal. b. Sistem A dan B setimbang termal dengan sistem C dengan temperatur setimbang
.Sistem a setimbang termal dengan sistem B pada temperatur setimbang
Dinding pemisah antara dua sistem yang bersentuhan dapat berupa dinding adiabatis atau dinding diaterm.
Dinding adiabatis adalah dinding pemisah yang menyebabkan masing-masing sistem yang bersentuhan tetap dalam keadaannya semula (tidak ada perubahan keadaan sistem). Contoh dinding adiabatis, untuk temperatur sekitar temperatur ruang, adalah dinding yang terbuat dari bahan isolator panas misalnya kayu, semen, dan keramik yang ukurannya cukup tebal.
Dinding diterm, adalah dinding pemisah yang menyebabkan adanya interaksi dari sistem-sistem yang bersentuhan sehingga tercapai keadaan setimbang. Contoh dinding diaterm adalah logam. Keadaan
kontak antara dua sistem melalui dinding diaterm disebut kontak termal. Besaran yang mencirikan keadaan sistem yang berada dalam kesetimbangan termal adalah temperatur. Dalam keadaan sehari-hari istilah temperatur digunakan untuk membedakan apakah suatu benda bersifat panas atau dingin relatif terhadap tubuh kita.
Karena kajian termodinamika yang akan kita pelajari di dalam bab ini banyak berhubungan dengan proses gas, maka diawal bab ini kita akan mempelajari lebih dahulu teori kinetika gas.
Dinding adiabatis adalah dinding pemisah yang menyebabkan masing-masing sistem yang bersentuhan tetap dalam keadaannya semula (tidak ada perubahan keadaan sistem). Contoh dinding adiabatis, untuk temperatur sekitar temperatur ruang, adalah dinding yang terbuat dari bahan isolator panas misalnya kayu, semen, dan keramik yang ukurannya cukup tebal.
Dinding diterm, adalah dinding pemisah yang menyebabkan adanya interaksi dari sistem-sistem yang bersentuhan sehingga tercapai keadaan setimbang. Contoh dinding diaterm adalah logam. Keadaan
kontak antara dua sistem melalui dinding diaterm disebut kontak termal. Besaran yang mencirikan keadaan sistem yang berada dalam kesetimbangan termal adalah temperatur. Dalam keadaan sehari-hari istilah temperatur digunakan untuk membedakan apakah suatu benda bersifat panas atau dingin relatif terhadap tubuh kita.
Karena kajian termodinamika yang akan kita pelajari di dalam bab ini banyak berhubungan dengan proses gas, maka diawal bab ini kita akan mempelajari lebih dahulu teori kinetika gas.
A. TEORI KINETIKA GAS
Teori yang menggunakan tinjauan tentang gerak dan energi partikel-partikel zat untuk menyelediki sifat-sifatnya disebut teori kinetik zat. Sifat yang dimaksud ialah sifat zat secara keseluruhan sebagai hasil rata-rata kelakuan partikel-partikel zat tersebut. Teori kinetik zat yang secara khusus diterapkan pada teori kinetik gas.
1. Pengertian gas Ideal
Gas yang ditinjau dalam pembahasan ini ialah gas ideal, yaitu suatu gas yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut :
• gas ideal terdiri atas partikel-partikel (atom-atom atau molekulmolekul) yang jumlahnya banyak sekali dan antarpartikelnya tidak terjadi gaya tarik-manarik (interaksi);
• setiap pertikel gas bergerak dengan arah sembarang;
• ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan;
• setiap tumbukan yang terjadi berlangsung secara lenting sempurna;
• partikel gas terdistribusi merata dalam seluruh ruangan;
• berlaku hukun newton tentang gerak.
Gas yang ditinjau dalam pembahasan ini ialah gas ideal, yaitu suatu gas yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut :
• gas ideal terdiri atas partikel-partikel (atom-atom atau molekulmolekul) yang jumlahnya banyak sekali dan antarpartikelnya tidak terjadi gaya tarik-manarik (interaksi);
• setiap pertikel gas bergerak dengan arah sembarang;
• ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan;
• setiap tumbukan yang terjadi berlangsung secara lenting sempurna;
• partikel gas terdistribusi merata dalam seluruh ruangan;
• berlaku hukun newton tentang gerak.
Pada kenyataannya tidak ada gas sejati yang memenuhi sifatsifat gas ideal, tetapi gas pada suhu kamar dan pada tekanan rendah dapat mendekati sifat-sifat gas ideal.
2. Persamaan keadaan gas Ideal
a. Hukum Boyle-Gay Lussac
Gas dalam suatu ruang tertutup, keadaanya ditentukan oleh volum, tekanan, dan suhu gas tersebut. Menurut hukum Boyle-Gay Lussac, tekanan (p), volum (v), dan suhu mutlak (T) dari gas ideal
memenuhi hubungan :
a. Hukum Boyle-Gay Lussac
Gas dalam suatu ruang tertutup, keadaanya ditentukan oleh volum, tekanan, dan suhu gas tersebut. Menurut hukum Boyle-Gay Lussac, tekanan (p), volum (v), dan suhu mutlak (T) dari gas ideal
memenuhi hubungan :
dengan :
p = tekanan gas
V = volume gas
n = jumlah mol gas
R = tetapan umum gas
p = tekanan gas
V = volume gas
n = jumlah mol gas
R = tetapan umum gas
= 8314 J/kmol.K atau 8,31 J/mol.K
T = suhu mutlak (K)
Persamaan (9.1) disebut persamaan keadaan gas ideal atau disebut juga hukum Boyle-Gay Lussac.
b. Hubungan jumlah mol dengan massa total dan jumlah partikel Misalkan massa total gas = m dan jumlah partikel gas = N, maka jumlah mol gas (n) dapat dinyatakan:
T = suhu mutlak (K)
Persamaan (9.1) disebut persamaan keadaan gas ideal atau disebut juga hukum Boyle-Gay Lussac.
b. Hubungan jumlah mol dengan massa total dan jumlah partikel Misalkan massa total gas = m dan jumlah partikel gas = N, maka jumlah mol gas (n) dapat dinyatakan:
atau
dengan :
m = massa total gas
M = massa relatif partikel (atom atau molekul) gas
N = bilangan Avogadro
= 6,02 x 1023 partikel/mol
Bila persamaan (9.2) dimasukka ke persamaan (9.1), maka akan diperoleh persamaan keadaan gas berikut:
m = massa total gas
M = massa relatif partikel (atom atau molekul) gas
N = bilangan Avogadro
= 6,02 x 1023 partikel/mol
Bila persamaan (9.2) dimasukka ke persamaan (9.1), maka akan diperoleh persamaan keadaan gas berikut:
dengan memasukkan persamaan (9.3) ke persamaan (9.1) dapat juga diperoleh persamaan gas bentuk lain, yaitu:
dengan:
N = jumlah partikel gas
No = bilangan Avogadro = 6,02 x 1023 partikel/mol
k = tetapan Boltzman = 1,38 x 10-23 J/K
k = R/No atau R = k . No
N = jumlah partikel gas
No = bilangan Avogadro = 6,02 x 1023 partikel/mol
k = tetapan Boltzman = 1,38 x 10-23 J/K
k = R/No atau R = k . No
Contoh 9.1
Satu mol gas berada dalam tabung yang volumenya 50 liter. Bila suhu gas itu 227oC, berapa tekanan gas ?
Satu mol gas berada dalam tabung yang volumenya 50 liter. Bila suhu gas itu 227oC, berapa tekanan gas ?
Penyelesaian:
Contoh 9.2
Berapa volume 5 gram gas oksigen O2 yang berat molekulnya M = 32
kg/kmol pada keadaan normal (t = 0oC dan p = 1 atm) ?
Berapa volume 5 gram gas oksigen O2 yang berat molekulnya M = 32
kg/kmol pada keadaan normal (t = 0oC dan p = 1 atm) ?
Latihan 9.1
1. Sebua tangki 300 liter berisi gas oksigen (M = 32 kg/k mol) pada suhu 27oC dan tekanan 4 atm. Tentukan massa gas oksigen tersebut!
2. 6,9 liter gas suhunya 27oC dan bertekanan 60 N/m2. Berapa jumlah partikel gas tersebut (k = 1,38 x 10-23 J/k) ?
3. Tekanan dan energi kinetik Sejumlah gas dengan N buah partikel berada dalam tabung yang volumenya V. Bila diketahui massa sebuah partikelnya mo dan kecepatan rata-ratanya
, makatekanan gas itu memenuhi hubungan:
1. Sebua tangki 300 liter berisi gas oksigen (M = 32 kg/k mol) pada suhu 27oC dan tekanan 4 atm. Tentukan massa gas oksigen tersebut!
2. 6,9 liter gas suhunya 27oC dan bertekanan 60 N/m2. Berapa jumlah partikel gas tersebut (k = 1,38 x 10-23 J/k) ?
3. Tekanan dan energi kinetik Sejumlah gas dengan N buah partikel berada dalam tabung yang volumenya V. Bila diketahui massa sebuah partikelnya mo dan kecepatan rata-ratanya
, makatekanan gas itu memenuhi hubungan:
Contoh 9.3
Tentukan energi kinetik rata-rata 5 mol gas neon yang volumenya 23 liter dengan tekanan 100 kPa !
Tentukan energi kinetik rata-rata 5 mol gas neon yang volumenya 23 liter dengan tekanan 100 kPa !
Latihan 9.2
Energi kinetik 2 mol gas monoatomik dalam tabung 10 liter adalah 2,3 x 10-22 joule. Berapa tekanan gas dalam tabung itu ?
4. Suhu dan energi kinetik rata-rata
Hubungan antara suhu dan energi kinetik rata-rata, dapat kita tentukan dengan cara sebagai berikut.
Dari persamaan (9.5) kita peroleh harga p:
Energi kinetik 2 mol gas monoatomik dalam tabung 10 liter adalah 2,3 x 10-22 joule. Berapa tekanan gas dalam tabung itu ?
4. Suhu dan energi kinetik rata-rata
Hubungan antara suhu dan energi kinetik rata-rata, dapat kita tentukan dengan cara sebagai berikut.
Dari persamaan (9.5) kita peroleh harga p:
Dengan k = tetapan Boltzman, k = 1,38 x 10-23 J/K
Persamaan (9.7) hanya berlaku untuk gas monoatonik. Untuk gas diatomik atau poliatomik tidak berlaku.
Persamaan (9.7) hanya berlaku untuk gas monoatonik. Untuk gas diatomik atau poliatomik tidak berlaku.
Contoh 9.4
Tentukan energi kinetik rata-rata partikel gas yang memiliki suhu 57oC!
Tentukan energi kinetik rata-rata partikel gas yang memiliki suhu 57oC!
Latihan 9.3
1. Berapa suhu suatu gas monoatomik yang memiliki energi kinetik rata-rata (Ek) = 5,6511 x 10-21J. (k = 1,38 x 10-23 J/K)?
2. Suatu gas ideal dalam ruang tertutup suhunya 27oC. Energi kinetik partikelnya Eko. Tentukan besarnya suhu gas apabila energi kinetiknya 2 Eko !
1. Berapa suhu suatu gas monoatomik yang memiliki energi kinetik rata-rata (Ek) = 5,6511 x 10-21J. (k = 1,38 x 10-23 J/K)?
2. Suatu gas ideal dalam ruang tertutup suhunya 27oC. Energi kinetik partikelnya Eko. Tentukan besarnya suhu gas apabila energi kinetiknya 2 Eko !
Energi
dalam suatu gas didefinisikan sebagai jumlah energi kinetik seluruh
partikel gas. Bila terdapat N buah partikel gas dalam wadah tertutup,
maka energi dalam gas U merupakan hasil kali N dengan
kinetik tiap partikel
.
kinetik tiap partikel
.
Contoh 9.5
Berapa energi dalam 2 gram neon (Ne) pada suhu 77oC? (diketahui neon memiliki M = 10 g/mol).
Berapa energi dalam 2 gram neon (Ne) pada suhu 77oC? (diketahui neon memiliki M = 10 g/mol).
Penyelesaian:
m = 2 gram
T = 77 + 273 = 350 K
M = 10 g/mol
R = 8,31 J/mol . K
U = ..... ?
Latihan 9.4
1. Tentukan energi dalam dari satu mol gas diatomik pada suhu 127oC! (k = 1,38 x 10-23J/K; No = 6,02 x 1023 molekul/mol)
2. Tentukan energi kinetik dan energi dalam 0,5 mol gas idel pada suhu 1227oC jika gas tersebut berupa:
a) gas monoatomik!
b) Gas diatomik! (k dan No lihat soal nomor diatas)
1. Tentukan energi dalam dari satu mol gas diatomik pada suhu 127oC! (k = 1,38 x 10-23J/K; No = 6,02 x 1023 molekul/mol)
2. Tentukan energi kinetik dan energi dalam 0,5 mol gas idel pada suhu 1227oC jika gas tersebut berupa:
a) gas monoatomik!
b) Gas diatomik! (k dan No lihat soal nomor diatas)
9.4 PERSAMAAN KEADAAN
Bentuk umum persamaan keadaan suatu sistem dalam keadaan setimbang dinyatakan dengan:
Bentuk umum persamaan keadaan suatu sistem dalam keadaan setimbang dinyatakan dengan:
Di
mana x, y, z merupakan koordinat termodinamika sistem. Untuk sistem
hidrostatik atau sering disebut sistem PVT, persamaan keadaannya
dinyatakan sebagai:
Sistem
hidrostatik adalah sistem dengan massa tetap yang mengadakan tekanan
yang homogen, tanpa efek grafitasi, listrik, dan magnetik. Contoh sistem
hidrostatik:
a. Zat murni, yaitu sistem yang hanya terdiri satu macam zat, misalnya gas oksigen (O2), gas helium (He), dan air murni (H2O).
b. Campuran homogen, yaitu sistem yang terdiri dari beberapa macam senyawa/unsur yang tidak bereaksi, misalnya campuran antara gas nitrogen dan oksigen pada temperatur ruang.
c. Campuran heterogen, misalnya campuran dari beberapa macam cairan dengan uapnya.
a. Zat murni, yaitu sistem yang hanya terdiri satu macam zat, misalnya gas oksigen (O2), gas helium (He), dan air murni (H2O).
b. Campuran homogen, yaitu sistem yang terdiri dari beberapa macam senyawa/unsur yang tidak bereaksi, misalnya campuran antara gas nitrogen dan oksigen pada temperatur ruang.
c. Campuran heterogen, misalnya campuran dari beberapa macam cairan dengan uapnya.
Persamaan
keadaan gas banyak dihasilkan secara empirik, yaitu didapatkan dari
hasil eksperimen. Beberapa bentuk persamaan keadaan gas yang dihasilkan
secara teoritis diberikan seperti berikut ini.
9.5 Persamaan Keadaan Gas Ideal
Gas ideal gas hipotesis (gas khayalan) yang model molekularnya mengikuti asumsi tertentu. Berdasarkan model molekular tersebut, dapat diturunkan suatu bentuk persamaan keadaan ga ideal:
Gas ideal gas hipotesis (gas khayalan) yang model molekularnya mengikuti asumsi tertentu. Berdasarkan model molekular tersebut, dapat diturunkan suatu bentuk persamaan keadaan ga ideal:
Di mana,
P = tekanan gas ideal
V = volume gas ideal
= volume ruang yang ditempati gas
n = jumlah mol gas tersebut
R = konstanta gas universal
= 8.314,3 J Kmol-1 K-1
T = Temperatur gas tersebut
P = tekanan gas ideal
V = volume gas ideal
= volume ruang yang ditempati gas
n = jumlah mol gas tersebut
R = konstanta gas universal
= 8.314,3 J Kmol-1 K-1
T = Temperatur gas tersebut
Catatan: Gas-gas nyata pada tekanan yang sangat rendah (tekanannya di bawah tekanan kritis) dan pada temperatur tinggi (temperaturnya di atas temperatur kritis) mempunyai sifat seperti gas ideal.
Bentu persamaan keadaan gas ideal yang lain adalah:
Di mana,
, disebut volume spesifik molar dengan satuan m3
, disebut volume spesifik molar dengan satuan m3
Kmol-1 (SI).
Bentuk persamaan yang lain lagi:
Bentuk persamaan yang lain lagi:
Di mana,
berat molekul gas, adalah konstanta dengan satuan Kg-1Kmol-1K-1.
berat molekul gas, adalah konstanta dengan satuan Kg-1Kmol-1K-1.
9.6 DIAGRAM PT, DIAGRAM PV, DAN PERMUKAAN PVT UNTUK ZAT MURNI
Zat murni adalah yang terdiri dari satu macam senyawa kimia.
Gambar-gambar di bawah ini menunjukkan diagram PT, diagram PV, dan permukaan PVT untuk zat murni
Zat murni adalah yang terdiri dari satu macam senyawa kimia.
Gambar-gambar di bawah ini menunjukkan diagram PT, diagram PV, dan permukaan PVT untuk zat murni
Diagram PT untuk zat murnii yang Diagram PT untuk zat murni
yang menyusut pada waktu membeku memuai pada waktu membeku
yang menyusut pada waktu membeku memuai pada waktu membeku
Diagram PV untuk zat murni yang Diagram PV untuk zat murni
yangmenyusut pada waktu membeku memuai pada waktu membeku
yangmenyusut pada waktu membeku memuai pada waktu membeku
Gambar 9.7 a.Permukaan PVT zat murni yang memuai pada waktu
membeku, b. Permukaan PVT zat mumi yang menyusut pada waktu
membeku.
membeku, b. Permukaan PVT zat mumi yang menyusut pada waktu
membeku.
9.7 DIAGRAM PV, DIAGRAM PT, DAN PERMUKAAN PVT UNTUK GAS IDEAL
Gas ideal adalah gas yang memenuhi persamaan keadaan: PV = nRT
Gambar-gambar berikut ini menunjukkan diagram PV, diagram PT, dan permukaan PVT untuk gas ideal.
9.8 KERJA
Kerja atau usaha, dengan simbol W, adalah besaran skalar yang didefinisikan sebagai hasil kali antara lintasan dengan komponen gaya pada arah lintasa.
Secara vektor, kerja didefinisikan sebagai perkalian skalar antara gaya
dengan vektor lintasan
atau:
Kerja atau usaha, dengan simbol W, adalah besaran skalar yang didefinisikan sebagai hasil kali antara lintasan dengan komponen gaya pada arah lintasa.
Secara vektor, kerja didefinisikan sebagai perkalian skalar antara gaya
dengan vektor lintasan
atau:
di mana
menyatakan sudut yang dibentuk oleh vektordengan vektor,
sedangkan F dan S menyatakan besarnya vektor gaya dan lintasan
tersebut. Secara umum, untuk setiap perpindahan (pergeseran) dihasilkan
kerja sebesar dW:
menyatakan sudut yang dibentuk oleh vektordengan vektor,
sedangkan F dan S menyatakan besarnya vektor gaya dan lintasan
tersebut. Secara umum, untuk setiap perpindahan (pergeseran) dihasilkan
kerja sebesar dW:
Persamaan
(9.17) menyatakan kerja dalam bentuk diferensial (kerja infinitesimal).
Kerja total oleh gaya F dituliskan dalam bentuk:
Di
dalam termodinamika, besaran kerja dibedakan menajdi kerja eksternal
dan kerja internal. Kerja eksternal adalah kerja yang dilakukan oleh
gaya eksternal. Kerja eksternal dapat dilakukan oleh
lingkungan terhadap sistem atau sebaliknya (dilakukan oleh sistem terhadap lingkungan. Kerja internal adalah kerja yang dilakukan oleh gaya internal. Kerja internal dilakukan oleh satu bagian sistem terhadap bagian sistem yang lainnya. Untuk pembahasan selanjutnya istilah kerja dimaksudkan untuk kerjaeksternal.
lingkungan terhadap sistem atau sebaliknya (dilakukan oleh sistem terhadap lingkungan. Kerja internal adalah kerja yang dilakukan oleh gaya internal. Kerja internal dilakukan oleh satu bagian sistem terhadap bagian sistem yang lainnya. Untuk pembahasan selanjutnya istilah kerja dimaksudkan untuk kerjaeksternal.
Gambar 9.9 a. Gaya sebesar F bekerja pada abenda m dan
menyebabkan perpindahan sejauh S, b. Vektor gayamembentuk
sudutdengan vektor.
menyebabkan perpindahan sejauh S, b. Vektor gaya
membentuksudut
dengan vektor.
9.10 KERJA PADA PROSES IRREVERSIBLE (TAK REVERSIBLE)
Proses irreversible terjadi jika perubahan besaran ekstensif sistem berlangsung secara spontan. Selama berlangsungnya proses ini sistem berada dalam keadaan tak setimbang. Untuk proses irreversible kerja sistem hanya dapat dinyatakan sebagai harga negatif dari kerja lingkungan terhadap sistem:
Proses irreversible terjadi jika perubahan besaran ekstensif sistem berlangsung secara spontan. Selama berlangsungnya proses ini sistem berada dalam keadaan tak setimbang. Untuk proses irreversible kerja sistem hanya dapat dinyatakan sebagai harga negatif dari kerja lingkungan terhadap sistem:
Dengan Yeks menyatakan besaran intensif lingkungan (eksternal) yang pada umumnya konstan.
.Contoh:
1. Kerja pada proses perubahan volume yang irreversible.
Gambar di samping ini menunjukkan perubahan volume gas secara spontan apabila stoper dilepas. Kerja pada proses spontan ini dinyatakan dengan:
2. KERJA PADA PROSES PEMULAAN BEBAS (EKSPANSI BEBAS)
Gambar di bawah ini menunjukkan perubahan volume gas karena mengisi ruang vakum.
Gambar di bawah ini menunjukkan perubahan volume gas karena mengisi ruang vakum.
Setelah
kran dibuka, maka gas dari ruang A akan mengalir ke ruang B yang
mula-mula vakum, sehingga volume gas bertambah dari V = VAmenjadi V = VA + VB. Karena Peks =
0, maka perubahan volume gas tersebut dikatan sebagai pemuaian bebas
dan prosesnya berlangsung secara spontan. Pada pemuaian bebea besarnya
kerja. W = 0, karena Peks = 0.
Catatan:
Prinsip pemuaian bebas ini digunakan oleh Gay Lussac dan Joule di dalam percobaannya untuk mengamati perubahan temperatur akibat perubahan volume. Percobaan dikenal sebagai eksperimen Joule-Gay Lussac.
9.11 KALOR DAN HUKUM TERMODINAMIKA I
Kalor
Istilah kalor dipergunakan untuk menyatakan energi yang berpindah. Aliran kalor terjadi karena adanya perbedaan temperatur dan kalor mengalir dari suatu tempat yang temperaturnya tinggi ke tempat
lain yang temperaturnya rendah. Kalor diberi simbol
dan perubahan infinitesimalnya dinyatakan dengan
yang merupakan diferensial tidak eksak seperti halnya
.Suatu sistem yang tidak terisolasi akan menyerap kalor dari lingkungannya jika temperatur sistem lebih rendah dari temperatur lingkungan, dan sebaliknya sistem akan melepaskan kalor ke lingkungannya jika temperatur sistem.
9.11.1 PANAS (KALOR) TRANSFORMASI DAN ENTALPI
Perubahan Fasa
Apabila suatu zat padat dipanaskan terus-menerus pada tekanan tetap maka temperaturnya akan naik terus sampai pada suatu harga temperatur tertentu di mana temperaturnya menjadi konstan. Pada
temperatur konstan tersebut kalor yang diserap zat dipergunakan seluruhnya untuk melakukan perubahan wujud (transformasi fasa).
Temperatur zat akan naik lagi apabila seluruh massa zat sudah berubah wujudnya. Perubahan wujud zat secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut:
Proses 1
2 disebut melebur (meleleh) yaitu perubahan zat padat ke cair, dan kebalikannya (proses 21) disebut membeku. Proses 34 disebut mendidih yaitu perubahan zat dari cair ke uap dan
kebalikkannya (proses 43) di sebut mengembun. Proses 23 adalah proses kenaikan temperatur zat (dalam bentuk cairnya) secara isobarik dari titik leburnya (Tm) sampai dengan titik didihnya (Tb).
Ada beberapa zat yang di dalam pengamatan kita zat tersebut dapat berubah wujud dari padat langsung menjadi uap, misalnya es kering (CO2pada) dana pada kamper (kapur barus). Hal ini disebabkan karena titik beku dan titik didihnya mempunyai harga yang berdekatan, sehingga bentuk cair dari zat tersebut tidak sempat teramati. Perubahan zat dari padat ke uap disebut suplimasi.
2 disebut melebur (meleleh) yaitu perubahan zat padat ke cair, dan kebalikannya (proses 21) disebut membeku. Proses 34 disebut mendidih yaitu perubahan zat dari cair ke uap dankebalikkannya (proses 4
3) di sebut mengembun. Proses 23 adalah proses kenaikan temperatur zat (dalam bentuk cairnya) secara isobarik dari titik leburnya (Tm) sampai dengan titik didihnya (Tb).Ada beberapa zat yang di dalam pengamatan kita zat tersebut dapat berubah wujud dari padat langsung menjadi uap, misalnya es kering (CO2pada) dana pada kamper (kapur barus). Hal ini disebabkan karena titik beku dan titik didihnya mempunyai harga yang berdekatan, sehingga bentuk cair dari zat tersebut tidak sempat teramati. Perubahan zat dari padat ke uap disebut suplimasi.
Titik lebur suatu zat (Tm) adalah harga temperatur pada zat sejumlah zat padat berubah seluruhnya menjadi zat cair jika dipanaskan pada tekanan konstan.
Titik didih suatu zat (Tb) adalah harga temperatur pada saat sejumlah zat cair berubah seluruhnya menjadi uap jika dipanaskan pada tekanan konstan.
Banyak panas persatuan massa yang dibutuhkan oleh suatu zat di dalam proses perubahan wujudnya di sebut kalor transformasi dan diberi simbol l. Satuan l menurut SI adalah Jkg-1.
Kalor transformasi untuk proses melebur disebut kalor lebur (lm) dan untuk proses mendidih disebut kalor didih atau kalor uap (lb atau lv).
Banyaknya kalor yang diperlukan m kg zat untuk melebur seluruhnya, Qm, atau untuk mendidih, Qb, dapat dinyatakan dengan:
Titik didih suatu zat (Tb) adalah harga temperatur pada saat sejumlah zat cair berubah seluruhnya menjadi uap jika dipanaskan pada tekanan konstan.
Banyak panas persatuan massa yang dibutuhkan oleh suatu zat di dalam proses perubahan wujudnya di sebut kalor transformasi dan diberi simbol l. Satuan l menurut SI adalah Jkg-1.
Kalor transformasi untuk proses melebur disebut kalor lebur (lm) dan untuk proses mendidih disebut kalor didih atau kalor uap (lb atau lv).
Banyaknya kalor yang diperlukan m kg zat untuk melebur seluruhnya, Qm, atau untuk mendidih, Qb, dapat dinyatakan dengan:
Tabel 9.1
Harga Tm, Tb, lm dan lb pada temperatur ruang dan tekanan 1 atm
Harga Tm, Tb, lm dan lb pada temperatur ruang dan tekanan 1 atm
9.11.2 Entalpi
Entalpi, H, suatu sistem didefinisikan sebagai:
Entalpi, H, suatu sistem didefinisikan sebagai:
Dan entapi spesifik, yaitu entalpi persatuan massa atau persatuan
jumlah mol:
jumlah mol:
Pada
peristiwa transformasi fasa, banyaknya kalor yang diserap atau
dilepaskan oleh sistem atau zat persatuan massa sama dengan kalor
transformasi l. Jadi dapat kita tuliskan:
Persamaan
(9.25) menyatakan bahwa pada perubahan fasa, besarnya kalor
transformasi sama dengan besarnya perubahan entalpi sistem.
Dalam
termodinamika, sekumpulan gas yang kita amati disebut sistem, sedangkan
semua yang berada di sekitar sistem (misalkan tabung tempat gas dan
udara luar) disebut lingkungan.
1. Usaha Luar
Sebua tabung ditutup dengan penghisap (piston) yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan, dan berisi gas ideal (lihat Gambar 9.13). Bila gas dalam tabung dipanaskan, penghisap akan bergerak. Dikatakan bahwa gas melakukan usaha luar atau melakukan usaha terhadap lingkungannya.
Besarnya usaha luar yang dilakukan oleh gas adalah:
Dengan:
Selain
dapat melakukan usaha luar, gas juga dapat menerima usaha luar. Usaha
yang dilakukan lingkungan terhadap gas adalah kebalikan dari usaha luar
gas. Persamaan (9.26a) dapat kita tulis:
2. Proses yang dialami gas
Suatu gas ideal dalam ruang tertutup dapat diubah keadaanya melalui berbagai proses, antara lain proses isotermal, proses isokhorik, proses isobarok, dan proses adiabatik.
Suatu gas ideal dalam ruang tertutup dapat diubah keadaanya melalui berbagai proses, antara lain proses isotermal, proses isokhorik, proses isobarok, dan proses adiabatik.
A.PROSES ISOTERMAL
Proses isotermal dalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap (T = tetap). Dalam proses isotermal ini, berlaku persamaan keadaan gas ideal pV = nRT. Tetapi karena T tetap dan nR juga selalu tetap, maka dinyatakan:
pV = konstan
atau
Persamaan (9.27) sesuai dengan hukum Boyle, dengan:
. p1 dan V1 = tekanan dan volume mula-mula
· p2dan V2= tekanan dan volume akhir
Grafik hubungan tekanan (p) dengan volume (V) pada proses isotermal, ditunjukkan seperti Gambar 9.14 Luas daerah di bawah grafik (daerah yang diraster), menggambarkan besarnya usaha yang dilakukan gas atau usaha luar (W). Secara umum usaha yang dilakukan gas dinyatakan dengan persamaan integral sebagai berikut:
. p1 dan V1 = tekanan dan volume mula-mula
· p2dan V2= tekanan dan volume akhir
Grafik hubungan tekanan (p) dengan volume (V) pada proses isotermal, ditunjukkan seperti Gambar 9.14 Luas daerah di bawah grafik (daerah yang diraster), menggambarkan besarnya usaha yang dilakukan gas atau usaha luar (W). Secara umum usaha yang dilakukan gas dinyatakan dengan persamaan integral sebagai berikut:
Dari persamaan umum gas ideal, diperoleh:
Faktor-faktor nRT dapat dikeluarkan dari tanda integral, karena nilainya tetap (konstan). Kemudian digunakan sifat integral
Contoh 9.6
Dua mol gas mula-mulamenempati ruang V dan tekanannya p. Gas tersebut dimampatkan secara isotermal pada suhu 227oC, sehingga volume akhir gas tersebut menjadi setengah dari volume awalnya.
Dua mol gas mula-mulamenempati ruang V dan tekanannya p. Gas tersebut dimampatkan secara isotermal pada suhu 227oC, sehingga volume akhir gas tersebut menjadi setengah dari volume awalnya.
Tebtukan:
a. tekanan gas pada keadaan akhir!
b. Usaha yang dilakukan gas bila R = 8,31 J/molK!
a. tekanan gas pada keadaan akhir!
b. Usaha yang dilakukan gas bila R = 8,31 J/molK!
Usaha yang dilakukan gas dalam kasus di atas ternyata bernilai negatif. Ini berarti bahwa gas menerima usaha dari luar.
Dalam soal disebutkan bawah gas dimampatkan.
Latihan 9.5
Dua gas argon memuai secara isotermal pada suhu 500 K, dari volume awal 0,05 m3 ke volume akhir 0,1 m3. Bila tekanan awal gas 8,31 . 107Pa, tentukanlah:
a. Tekanan akhir gas!
b. Usaha yang dilakukan gas!
B. PROSES ISOKHORIK
Proses iskhorik gas pada volume tetap (V = tetap). Dalam proses ini, juga berlaku persamaan gas ideal pV = nRT
Persamaan (9.27) sesuai dengan hukum Gay-Lussac, dengan:
· p1 dan T1 = tekanan san suhu mula-mula
· p2 dan T2 = tekanan dan suhu akhir
grafik hubungan tekanan (p) dengan volume (V) pada proses iskhorik, ditunjukkan seperti Gambar 9.15 Karena volume tetap, maka dalam proses ini usaha sama dengan nol (W = 0).
· p1 dan T1 = tekanan san suhu mula-mula
· p2 dan T2 = tekanan dan suhu akhir
grafik hubungan tekanan (p) dengan volume (V) pada proses iskhorik, ditunjukkan seperti Gambar 9.15 Karena volume tetap, maka dalam proses ini usaha sama dengan nol (W = 0).
C. PROSES ISOBARIK
Proses isobarik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap. Dari persamaan keadaan gas iseal pV = nRT, dengan menganggap p dan nR tetap, diproleh hubungan:
Proses isobarik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap. Dari persamaan keadaan gas iseal pV = nRT, dengan menganggap p dan nR tetap, diproleh hubungan:
Peramaan (9.28) sesuai dengan hukum Gay-Lussac.
Grafik hubungan p-V-nya, ditunjukkan seperti Gambar 9.16 Usaha yang dilakukan gas sama dengan luas daerah yang diraster, yaitu sebesar:
Grafik hubungan p-V-nya, ditunjukkan seperti Gambar 9.16 Usaha yang dilakukan gas sama dengan luas daerah yang diraster, yaitu sebesar:
d. Proses adiabatik
Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor yang masuk ke atau ke luar dari sistem (gas) (Q = 0). Proses ini mengikuti rumus Poisson sebagai berikut:
Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor yang masuk ke atau ke luar dari sistem (gas) (Q = 0). Proses ini mengikuti rumus Poisson sebagai berikut:
Tabel 10.2 Konstanta Laplace
beberapa gas tertentu hasil pengukuran pada tekanan 1 atm dan suhu 20oC
beberapa gas tertentu hasil pengukuran pada tekanan 1 atm dan suhu 20oC
Perhatikan grafik p – V pada Gambar 9.17. Tampak bahwa grafik
adiabatik lebih curam dari pada grafik isotermal. Suhu, tekanan,
maupun volume pada proses adiabatik adalah tidak tetap.
adiabatik lebih curam dari pada grafik isotermal. Suhu, tekanan,
maupun volume pada proses adiabatik adalah tidak tetap.
Karena
pada proses adiabatik sistem tidak melepas atau menerima kalor (Q = 0),
maka usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) hanya mengubah energi dalam
.Besarnya usaha tersebut
dinyatakan sebagai berikut:
.Besarnya usaha tersebutdinyatakan sebagai berikut:
Contoh 10.7
Dalam silinder sebuah mesin, dilakukan pemampatan gas (campuran behan bakar dan udara) secara adiabatik dengan rasio 15 : 1, artinya volume gas dimampatkan, tekanannya 1 atm, hitunglah: (g1,4).
Dalam silinder sebuah mesin, dilakukan pemampatan gas (campuran behan bakar dan udara) secara adiabatik dengan rasio 15 : 1, artinya volume gas dimampatkan, tekanannya 1 atm, hitunglah: (g1,4).
a. tekanan gas pada keadaan akhir!
b. Suhu gas pada keadaan akhir!
b. Suhu gas pada keadaan akhir!
Contoh 10.8
Untuk memampatkan 1 mol gas monoatomik dilakukan usaha sebesar 1,5 x 104J, sehingga suhu mutlak gas itu menjadi 2 kali susu awal.
Bebarapa suhu awal gas tersebut? (R = 8,31 J/mol K)
Untuk memampatkan 1 mol gas monoatomik dilakukan usaha sebesar 1,5 x 104J, sehingga suhu mutlak gas itu menjadi 2 kali susu awal.
Bebarapa suhu awal gas tersebut? (R = 8,31 J/mol K)
Latihan 9.6
1. Suatu gas monotomik dimampatkan secara adiabatik, sehingga volumenya menjadi
kali semula. Barapa tekanan dan suhu gas pada keadaan akhir?
2. Dua mol gas manoatomik dimampatkan secara adiabatik, sehingga suhu mutlaknya menajadi lima kali semula. Berapa usaha yang dilakukan pada gas? (R = 8,3 J/mol K)
3. Hukum pertama termodinamika
Hukum pertama termodinamika merupakan perluasan dari hukum kekekalan energi yang menyatakan ”meskitpin energi kalor telah berubah menjadi perubahan energi dalam dan usaha luar gas, jumlah
seluruh energi itu selalu tetap”. Hukum tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan:
1. Suatu gas monotomik dimampatkan secara adiabatik, sehingga volumenya menjadi
kali semula. Barapa tekanan dan suhu gas pada keadaan akhir?2. Dua mol gas manoatomik dimampatkan secara adiabatik, sehingga suhu mutlaknya menajadi lima kali semula. Berapa usaha yang dilakukan pada gas? (R = 8,3 J/mol K)
3. Hukum pertama termodinamika
Hukum pertama termodinamika merupakan perluasan dari hukum kekekalan energi yang menyatakan ”meskitpin energi kalor telah berubah menjadi perubahan energi dalam dan usaha luar gas, jumlah
seluruh energi itu selalu tetap”. Hukum tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan:
dengan:
= energi kalor yang diserap atau dilepas sistem
= perubahan energi dalam
= usaha luar (kerja)
Ketentuan menggunakan persamaan (9.36), lihat Gambar 9.18.
= energi kalor yang diserap atau dilepas sistem
= perubahan energi dalam
= usaha luar (kerja)Ketentuan menggunakan persamaan (9.36), lihat Gambar 9.18.
Gambar 9.18 Ketentuan nilai W dan Q
• Jika sistem melakukan kerja, nilaibertanda positif
• Jika sistem menerima kerja, nilaiW bertanda negatif
• Jika sistem melapas kalor, nilaibertanda negatif
• Jika sistem menerima kalor, nilaibertanda positif
• Jika sistem melakukan kerja, nilai
bertanda positif• Jika sistem menerima kerja, nilaiW
bertanda negatif• Jika sistem melapas kalor, nilai
bertanda negatif• Jika sistem menerima kalor, nilai
bertanda positifContoh 9.9
Suatu sistem menyerap kalor 2000 kalori dari lingkungannya (1 kalori = 4,2 J) dan melakukan kerja sebesar 2400 J terhadap lingkungannya.
Tentukan perubahan energi sistem!
Latihan 9.7
Hitunglah perubahan energi dalam gas apabila:
a. gas menyerap kalor 800 kalori dan melakukan usaha 1680 J!
b. Gas menyerap kalor 400 kalori dan lingkungan melakukan usaha terhadap gas sebesar 1000 J!
Hitunglah perubahan energi dalam gas apabila:
a. gas menyerap kalor 800 kalori dan melakukan usaha 1680 J!
b. Gas menyerap kalor 400 kalori dan lingkungan melakukan usaha terhadap gas sebesar 1000 J!
c. Gas mengeluarkan kalor 1600 kalori pada volume tetap!
Petunjuk:
Gas diproses pada volume tetap, berarti
= 0, sihingga W = 0.D. PROSES KELILING (SIKLUS) TERMODINAMIKA
1. Pengertian proses keliling (siklus)
Mengubah usaha menjadi kalor dapat dilakukan secara terusmenerus.Tetapi mengubah kalor menjadi usaha tidak semudah itu karena menyangkut terbatasnya ruang tempat gas. Untuk dapat mengubah kalor menjadi usaha secara terus-menerus, haruslah diupayakan agar gas yang telah melakukan usaha itu dikembalikan ke keadaan semula. Proses seperti ini disebut proses keliling atau siklus atau daur. Perhatikan contoh siklus sembarang dalam diagram p-V seperti diperlihatkan pada Gambar 4.7. Rangkaian prosesnya dapat dijelaskan sebagai berikut:
Gambar 9.19 Contoh proses keliling (siklus) dalam diagram p-V
Proses pertama (a – b)
Pada proses a – b, gas memuai secara adiabatik. Usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas bidang abV2V1, harganya positif (+ Wab).
Proses kedua (b – c) Pada proses b – c, gas dimampatkan secara isotermal. Usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luas bcV2V1, harganya negatif (-Wbc).
Proses ketiga (c – a) Proses c – a adalah proses isokhorik. Pada proses ini gas tidak melakukan usaha luar karena volume tetap (Wca = 0). Proses c – a dilakukan hanya untuk mengembalikan keadaan gas ke keadaan semula, agar bisa lagi melakukan proses pertama dan seterusnya.
Usaha luar total (
) dalam satu siklus a – b – c – a dapat dinyatakan: = Wab - Wbcatau
= luas daerah abcaDalam penerapannya, suatu proses keliling (siklus) dilakukan di dalam sebuah mesin kalor. Misanya :
• Mesin otto, siklusnya disebut siklus Otto
• Mesin Diesel, siklusnya disebut siklus Diesel
• Mesin Uap, siklusnya disebut siklus Rankine
Gambar 9.28 memperlihatkan siklus mesin-mesin tersebut.
• Mesin Uap, siklusnya disebut siklus Rankine
Gambar 9.28 memperlihatkan siklus mesin-mesin tersebut.
Gambar 9.20 Proses keliling (siklus) mesin
2. Sekitar tahun 1824 seorang insinyur dan ahli fisika bernama Sardi Carnot, telah berhasil menciptakan suatu landasan teori tentang siklus dalam suatu mesin, yang kemudian disebut mesin carnot dan
siklusnya disebut siklus carnot. Mesin carnot merupakan mesin kalor ideal yang bekerja secara siklus dan dapat dibalik (reversible) di antara dua suhu.
Mesin carnot dibayangkan sebagai mesin yang terdiri atas sebuah silinder gas ideal dan ditutup dengan penghisap (piston) yang dapat bergerak bolak-balik dalam silinder. Perhatikan gerakan piston pada setiap proses dari satu bidang siklus (Gambar 9.21).
2. Sekitar tahun 1824 seorang insinyur dan ahli fisika bernama Sardi Carnot, telah berhasil menciptakan suatu landasan teori tentang siklus dalam suatu mesin, yang kemudian disebut mesin carnot dan
siklusnya disebut siklus carnot. Mesin carnot merupakan mesin kalor ideal yang bekerja secara siklus dan dapat dibalik (reversible) di antara dua suhu.
Mesin carnot dibayangkan sebagai mesin yang terdiri atas sebuah silinder gas ideal dan ditutup dengan penghisap (piston) yang dapat bergerak bolak-balik dalam silinder. Perhatikan gerakan piston pada setiap proses dari satu bidang siklus (Gambar 9.21).
Gambar 9.21 Siklus Carnot dan gerak piston di dalam silinder.
Siklus carnot secara lengkap ditunjukkan oleh gambar 9.29. Prosesprosesnya yaitu sebagai berikut:
• Proses a ke b, gas mengalami pemuaian isotermal, menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi T1 dan melakukan usaha.
• Proses b ke c, gas mengalami pemuaian adiabatik dan melakukan usaha.
• Proses c ke d, gas mengalami pemampatan isotermal, membuang kalor Q2 ke reservoar suhu rendah T2, usaha dilakukan pada gas.
• Proes d ke a (kembali ke kedudukan awal), gas mengalami pemampatan adiabatik dan usaha dilakukan pada gas.
• Proses c ke d, gas mengalami pemampatan isotermal, membuang kalor Q2 ke reservoar suhu rendah T2, usaha dilakukan pada gas.
• Proes d ke a (kembali ke kedudukan awal), gas mengalami pemampatan adiabatik dan usaha dilakukan pada gas.
Gambar 9.22 Diagram PV untuk proses isothermal dan adiabatis.
Karena dalam satu siklus, gas kembali ke keadaan semula, maka tidak ada perubahan energi dalam ( = 0). Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gas () dalam satu siklus adalah:
Karena dalam satu siklus, gas kembali ke keadaan semula, maka tidak ada perubahan energi dalam (
= 0). Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gas () dalam satu siklus adalah:
Dengan :
Q1 = kalor yang diserap dari reservoir suhu tinggi T1
Q2 = kalor yang dibuang ke reservoar suhu rendah T2
= usaha dalam satu siklus
Menurut Gambar 9.22, usaha total satu siklus sama dengan luas abcd (bidang yang diranster).
Q1 = kalor yang diserap dari reservoir suhu tinggi T1
Q2 = kalor yang dibuang ke reservoar suhu rendah T2
= usaha dalam satu siklusMenurut Gambar 9.22, usaha total satu siklus sama dengan luas abcd (bidang yang diranster).
3. Efisiensi mesin Carnot
Mesin Carnot adalah mesin paling efisien, yang siklusnya hanya merupakan siklus teoritik saja. Skema yang menggambarkan perubahan kalor menjadi usaha pada mesin kalor, termasuk mesin Carnot,
ditunjukkan pada Gambar 9.23.
Mesin Carnot adalah mesin paling efisien, yang siklusnya hanya merupakan siklus teoritik saja. Skema yang menggambarkan perubahan kalor menjadi usaha pada mesin kalor, termasuk mesin Carnot,
ditunjukkan pada Gambar 9.23.
• Pada mesin uap, reservoar bersuhu tinggi adalah ketel uap dan reservoar bersuhu rendah aalah lingkungan mesin itu.
• Pada mesin pembakaran, reservoar bersuhu tinggi adalah campuran bahan bakar dan udara yang dibakar dalam silinder dan reservoar bersuhu rendah adalah lingkungan mesin itu.
Untuk menghasilkan usaha W, memerlukan energi. Perbandingan antara usaha yang dihasilkan dengan kalor yang diserap oleh mesin disebut efisiensi mesin (
).
• Pada mesin pembakaran, reservoar bersuhu tinggi adalah campuran bahan bakar dan udara yang dibakar dalam silinder dan reservoar bersuhu rendah adalah lingkungan mesin itu.
Untuk menghasilkan usaha W, memerlukan energi. Perbandingan antara usaha yang dihasilkan dengan kalor yang diserap oleh mesin disebut efisiensi mesin (
).Efisiensi mesin:
Menurut Kelvin,
. Dari hubungan kalor dengan suhu
tersebut, diperoleh rumusan efisiensi mesin Carnot sebagai berikut:
. Dari hubungan kalor dengan suhutersebut, diperoleh rumusan efisiensi mesin Carnot sebagai berikut:
Rumusan
efisiensi mesin secara umum dan efisiensi mesin carnot di atas,
menggambarkan bahwa efisiensi mesin tidaklah mungkin mencapai 100%,
karena tidak mungkin semua kalor yang diserap
mesin seluruhnya diubah menjadi usaha. Tetapi menurut carnot, dari semua mesin yang bekerja dengan menyerap kalor ke resevoar T1(bersuhu tinggi) dan melepas kalor ke reservoar T2 (bersuhu
rendah) tidak ada yang seefisien mesin carnot.
mesin seluruhnya diubah menjadi usaha. Tetapi menurut carnot, dari semua mesin yang bekerja dengan menyerap kalor ke resevoar T1(bersuhu tinggi) dan melepas kalor ke reservoar T2 (bersuhu
rendah) tidak ada yang seefisien mesin carnot.
Contoh 9.10
Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi sebesar 11000 joule. Bila mesin melakukan usaha sebesar 4000 joule,
hitunglah:
a. kalor yang dikeluarkan mesin ke reserfoar suhu rendah!
b. Efisiensi mesin!
Contoh 10.11
Tentukan efisiensi mesin carnot yang bekerja antara suhu 27oC dan 127oC!
Tentukan efisiensi mesin carnot yang bekerja antara suhu 27oC dan 127oC!
Contoh 10.12
Sebuah mesin Carnot mempunyai efisiensi 30% ketika reserfoar suhu tinggi 800 K. Agar efisiensi mesin naik menjadi 50%, harus dibuat suhu berapa reserfoar suhu tinggi?
Sebuah mesin Carnot mempunyai efisiensi 30% ketika reserfoar suhu tinggi 800 K. Agar efisiensi mesin naik menjadi 50%, harus dibuat suhu berapa reserfoar suhu tinggi?
Latihan 9.8
1. Reserfoar suhu tinggi sebuah mesin Carnot besarnya 127oC dan resefoar bersuhu rendah 27oC. Kalor yang diambil mesin dalam satu siklus adalah 80 J. Hitunglah:
a) kalor yang dibuang
b) usaha yang dilakukan
c) efisiensi mesin
2. Tentukan efisiensi mesin Carnot yang bekerja antara suhu 0oC dan 100oC:
3. Jika reserfoar suhu rendah bersuhu 27oC, maka efisiensi mesin besarnya 40%. Berapa suhu reserfoar suhu tinggi harus dinaikkan agar efisiensi mesin menjadi 50%?
4. Entropi dan hukum kedua termodinamika
a. Pengertian entropi
Konsep entropi berhungan dengan salah satu cara tinjauan hukum kedua termodinamika. Entropi adalah suatu ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Seperti halnya energi dalam, entropi termasuk fungsu keadaan, sehingga harga entropi hanya bergantung pada kedudukan awal dan kedudukan akhir sistem dan tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh untuk mencapai keadaan akhir itu. Jadi, untuk suatu siklus termodinamika, gas mulai dari suatu keadaan menempuh lintasan tertentudan kembali lagi ke kedudukan semula, perubahan entropinya
) sama dengan nol = 0).
Jika suatu sistem pada suhu mutlak T mengalami suatu proses reversibel dengan menyerap sejumlah kalor Q, maka kenaikan entropi
) dinyatakan sebagai berikut:
1. Reserfoar suhu tinggi sebuah mesin Carnot besarnya 127oC dan resefoar bersuhu rendah 27oC. Kalor yang diambil mesin dalam satu siklus adalah 80 J. Hitunglah:
a) kalor yang dibuang
b) usaha yang dilakukan
c) efisiensi mesin
2. Tentukan efisiensi mesin Carnot yang bekerja antara suhu 0oC dan 100oC:
3. Jika reserfoar suhu rendah bersuhu 27oC, maka efisiensi mesin besarnya 40%. Berapa suhu reserfoar suhu tinggi harus dinaikkan agar efisiensi mesin menjadi 50%?
4. Entropi dan hukum kedua termodinamika
a. Pengertian entropi
Konsep entropi berhungan dengan salah satu cara tinjauan hukum kedua termodinamika. Entropi adalah suatu ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Seperti halnya energi dalam, entropi termasuk fungsu keadaan, sehingga harga entropi hanya bergantung pada kedudukan awal dan kedudukan akhir sistem dan tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh untuk mencapai keadaan akhir itu. Jadi, untuk suatu siklus termodinamika, gas mulai dari suatu keadaan menempuh lintasan tertentudan kembali lagi ke kedudukan semula, perubahan entropinya
) sama dengan nol = 0).Jika suatu sistem pada suhu mutlak T mengalami suatu proses reversibel dengan menyerap sejumlah kalor Q, maka kenaikan entropi
) dinyatakan sebagai berikut:
dengan = kenaikan (perubahan) entropi, satuannya J/K atau JK-1 Proses reversibel dan ireversibel
Proses reversibel adalah proses yang dapatdibalik arahnya ke keadaan semula dengan memberikan pengaruh atau kondisi tertentu, tetapi tanpa menimbulkan perubahanpada sitem lain. Proses reversibel, dalam kenyataannya sukar dilakukan. Jadi, adanya hanya dalam konsep. Kebalikan dari proses ini adalah proses ireversibel, di mana usaha yang diperoleh kurang dari usahayang diperlukan untuk mengembalikan sistem ke keadaan semula. Umunya semua proses di alam semesta (jagad raya) merupakan proses ireversibel.
= kenaikan (perubahan) entropi, satuannya J/K atau JK-1 Proses reversibel dan ireversibelProses reversibel adalah proses yang dapatdibalik arahnya ke keadaan semula dengan memberikan pengaruh atau kondisi tertentu, tetapi tanpa menimbulkan perubahanpada sitem lain. Proses reversibel, dalam kenyataannya sukar dilakukan. Jadi, adanya hanya dalam konsep. Kebalikan dari proses ini adalah proses ireversibel, di mana usaha yang diperoleh kurang dari usahayang diperlukan untuk mengembalikan sistem ke keadaan semula. Umunya semua proses di alam semesta (jagad raya) merupakan proses ireversibel.
b. Hukum kedua termodinamika
Hukum pertama temodinamika berbicara tentang kekekalan energi, bahwa jumlah seluruh energi itu selalu tetap meskipun energi itu telah berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain. Tetapi apakah perubahan bentuk energi itu dapat berlangsung sembarang? Hukum pertama termodinamika tidak membatasi hal ini. Kenyataan menunjukkan bahwa kalor selalu mengalir dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Dapatkah kalor berpindah dengan arah sebaliknya? Keadaan ini tidak pernah terjadi walaupun tetap memenuhi hukum termodinamika. Pembatasan tentang perubahan mana yang dapat terjadi dan mana yang tidak, dinyatakan dalam hukum kedua termodinamika.
Beberapa rumusan hukum kedua termodinamika yaitu sebagai berikut.
1) Hukum kedua termodinamika tentang entropi
Hukum kedua termodinamika tentang entropi menyatakan:
Total entropi jagat raya (alam semesta) tidak berubah ketika proses reversibel terjadi (
jagat raya = 0) dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi (jagat raya > 0). Kata ”jagad raya” berarti keseluruhan sistem dan lingkungannya.2) Hukum kedua termodinamika tentang mesin kalor
Rumusan Kelvin dan Planck menyatakan:
Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari satu sumber kalor dan mengubah kalor itu seluruhnya menajdi usaha.
Dapat
juga dikatan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang efisiensinya 100%.
Jadi, seperti telah dikemukakan di atas, bahwa dari semua mesin yang
ada, mesin Carnotlah yang memiliki efisiensi terbesar.
Rumusan Clausius menyatakan:
Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikkannya. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam
suatu siklus, mengambil kalor dari reservoar yang suhunya rendah dan memberikan kalor itu pada reservoar yang suhunya tinggi tanpa memerlukan usaha luar.
Rumusan Clausius menyatakan:
Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikkannya. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam
suatu siklus, mengambil kalor dari reservoar yang suhunya rendah dan memberikan kalor itu pada reservoar yang suhunya tinggi tanpa memerlukan usaha luar.
3) Prinsip dasar mesin pendingin
Berdasarkan rumusan Clausius, kalor dapat dipaksa mengalir dari reservoar dingin T1 ke reservoar panas T2 dengan melakukan usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja dengan cara seperti ini disebut
mesin pendingin (refrigerator). Skemanya ditunjukkan pada Gambar 9.32. Contoh mesin pendingin, yaitu lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (air conditioner).
Dalam
lemari es (kulkas), sebagai reservoar dingin adlah bagian dalam kulkas
(tempat menyimpan makanan), sedangkan sebagai reservoar panas adalah
udara luar sekitar kulkas. Usaha luar dilakukan arus listrik pada
sistem, menyebabkan kalor yang diambil dari makanan dipindahkan ke udara
luar. Dalam pendingin ruangan (air conditioner), sebagai reservoar
dingin adalah ruangan dalam, sedangkan sebagai reservoar panas adalah
udara diluar ruangan.
Besarnya usaha luar yanh diperlukan adalah mesin pendingin
adalah:
adalah:
Dengan:
Q1 = kalor yang diserap dari suhu rendah
Q2 = kalor uamg diberikan pada suhu tinggi
Koefisien performansi
Penampilan (performansi) mesin pembakaran ditunjukkan oleh efisiensi mesin itu. Untuk mesin pendingin, penampilannya ditunjukkan oleh nilai koefisien performansi (Cp). Koefisien performansi
didefinisikan sebagai nilai perbandingan antara kalor reservoar dingin dengan usaha yang diberikan pada sitem.
Q1 = kalor yang diserap dari suhu rendah
Q2 = kalor uamg diberikan pada suhu tinggi
Koefisien performansi
Penampilan (performansi) mesin pembakaran ditunjukkan oleh efisiensi mesin itu. Untuk mesin pendingin, penampilannya ditunjukkan oleh nilai koefisien performansi (Cp). Koefisien performansi
didefinisikan sebagai nilai perbandingan antara kalor reservoar dingin dengan usaha yang diberikan pada sitem.
Nilai koefisien performansi selalu lebih besar daripada satu (Cp>1).
Makin tinggi nilai Cp, maka makin baik mesin pendingin. Kulkas atau AC umumnya memiliki nilai Cp antara 2 sampai dengan 6.
Contoh 1.11
Satu kg air pada suhu 100oC berubah seluruhnya menjadi uap air 100oC. Jika kalor laten uap air adalah 2,2 x 10-6J/kg, tentukan kenaikan entropi sistem!
Makin tinggi nilai Cp, maka makin baik mesin pendingin. Kulkas atau AC umumnya memiliki nilai Cp antara 2 sampai dengan 6.
Contoh 1.11
Satu kg air pada suhu 100oC berubah seluruhnya menjadi uap air 100oC. Jika kalor laten uap air adalah 2,2 x 10-6J/kg, tentukan kenaikan entropi sistem!
Penyelesaian:
Untuk mengubah wujud air menjadi uap, sistem menyerap kalor sebesar Q (bertanda positif). Persamaan Q yang berhubungan dengan kalor laten adalah:
Contoh 9.12
Sebuah kulkas ideal mempunyai koefisien performansi 5,0. Jika suhu ruang di luar kulkas adalah 27oC, berapa suhu paling rendah di dalam kulkas yang dapat diperoleh?
Sebuah kulkas ideal mempunyai koefisien performansi 5,0. Jika suhu ruang di luar kulkas adalah 27oC, berapa suhu paling rendah di dalam kulkas yang dapat diperoleh?
Latihan 9.9
1. Sebanyak 5 kg es pada suhu 0oC diubah seluruhnya menjadi air 0oC. Jika kenaikan entropi adalah 3 x 103 J/K, tentukanlah besar kalor laten es!
2. Koefisien performansi sebuah kulkas adalah 4,0. Berapa banyak energi listrik yang digunakan untuk memindahkan 4000 joule dari makanan yang terdapat didalam kulkas?
3. Berapa koefsien performansi sebuah mesin pendingin ideal yang bekerja di antara suhu 2oC dan + 35oC?
1. Sebanyak 5 kg es pada suhu 0oC diubah seluruhnya menjadi air 0oC. Jika kenaikan entropi adalah 3 x 103 J/K, tentukanlah besar kalor laten es!
2. Koefisien performansi sebuah kulkas adalah 4,0. Berapa banyak energi listrik yang digunakan untuk memindahkan 4000 joule dari makanan yang terdapat didalam kulkas?
3. Berapa koefsien performansi sebuah mesin pendingin ideal yang bekerja di antara suhu 2oC dan + 35oC?
Soal-soal Latihan
1. Partikel-partikel gas ideal mempunyai sifat antara lain .....
1. selalu bergerak 3. Bertumbukan lenting sempurna
2. tidak tarik menarik 4. Tidak mengikuti hukum Newton
Pernyataan diatas yang benar yaitu ......
A. 1, 2, dan 3 D. 4 saja
B. 1 dan 3 E. Semua benar
C. 2 dan 4
2. Suatu gas ideal tekanannya 30 Pa, volumenya 1,38 liter, dan suhunya 27o. Jika tetapan Boltzman = 1,38 x 10-23J/K, maka jumlah partikel gas tersebut yaitu ...
A. 1014 D. 1022
B. 1019 E. 1025
C. 1020
B. 1019 E. 1025
C. 1020
3. Jika konstanta Boltzman k = 1,38 x 10-23 J/K, maka energi kinetik sebuah atom gas helium pada suhu 27oyaitu ....
A. 4,14 x 10-21 J D. 6,21 x 10-21 J
B. 2,07 x 10-21 J E. 12,42 x 10-21 J
C. 5,59 x 10-21 J
4. Energi dalam suatu gas ideal ditentukan oleh ....
A. volumenya saja D. Lintasannya saja
B. tekanannya saja E. Tekanan, volume, dan suhunya
C. suhunya saja
5. Suatu gas volumenya 0,5 m3 perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap hingga volumenya menjadi menjadi 2 m2. Jika usaha luar gas tersebut 3 x 105 J, maka tekanan gas yaitu ....
A. 6,0 x 105 J D. 2,0 x 105 J
B. 4,5 x 105 J E. 1,5 x 105 J
C. 3,0 x 105 J
6. Didalam sebuah ruangan tertutup, terdapat gas dengan suhu 27oC. Gas itu dipanaskan sampai 127oC sambil siperbesar volumenya menjadi tigas kali volume semula, tekanannya menjadi ....
7.
Perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas
panas pada volum tetap adalah 5 : 3 untuk suatu gas ideal 8 m3. gas ini tekanan awalnya 2,43 x 105 Nm-2 dieskpansi
secara adiabatik hingga volumenya menjadi 27 m3. Tekanan gas pada akhir ekspansi ialah ......
A. 0,23 x 105 Nm-2 D. 1,17 x 105 Nm-2
B. 0,72 x 105 Nm-2 E. 1,85 x 105 Nm-2
C. 1,08 x 105 Nm-2
secara adiabatik hingga volumenya menjadi 27 m3. Tekanan gas pada akhir ekspansi ialah ......
A. 0,23 x 105 Nm-2 D. 1,17 x 105 Nm-2
B. 0,72 x 105 Nm-2 E. 1,85 x 105 Nm-2
C. 1,08 x 105 Nm-2
8. Hukum pertama termidinamika menyatakan:
A. kalor tidak dapat masuk ke dan keluar dari suatu sistem
B. energi adalah kekal
C. energi dalam adalah kekal
D. suhu adalah tetap
E. sistem tidak menadapat usaha dari luar
D. suhu adalah tetap
E. sistem tidak menadapat usaha dari luar
9. Proses sebuah mesin dengan gas ideal digambarkan dalam gambar diagram di bawah. Dari gambar diagram tersebut dinyatakan:
1. Proses dari A ke B adalah proses isokhorik
2. Usaha yang dilakukan dalam proses dari A ke B sebasar 6 joule
3. Proses dari B ke C, kalor keluar dari sistem
4. Proses dari C ke A adalah proses isotermis
Pernyataan di atas yang benar yaitu ......
A. 1, 2, dan 3 D. 4 saja
B. 1 dan 3 E. Semua benar
C. 2 dan 4
2. Usaha yang dilakukan dalam proses dari A ke B sebasar 6 joule
3. Proses dari B ke C, kalor keluar dari sistem
4. Proses dari C ke A adalah proses isotermis
Pernyataan di atas yang benar yaitu ......
A. 1, 2, dan 3 D. 4 saja
B. 1 dan 3 E. Semua benar
C. 2 dan 4
10. Sebuah mesin turbin memakai uap dengan suhu awal 550oC dan membuangnya pada suhu 35oC. Efisiensi maksimum mesin turbin tersebut yaitu ...
A. 33 % D. 63 %
B. 43 % E. 73 %
C. 53 %
11. Dari lima gambar diagram arus mesin Carnot di bawah ini, yang memiliki efisiensi 60 % ialah ....
13. Sebuah mesin Carnot bekerja antara suhu 27oC dan 227oC, digunakan untuk menggerakkan sebuah generator yang tegangan keluarannya 220 V. Jika setiap detik mesin Carnot itu
menyerap kalor 5500 J, maka kuat arus keluaran meksimum generator ialah ....
A. 2,75 A D. 22 A
B. 10 A E. 25 A
C. 15 A
menyerap kalor 5500 J, maka kuat arus keluaran meksimum generator ialah ....
A. 2,75 A D. 22 A
B. 10 A E. 25 A
C. 15 A
14. Sebuah mesin Carnot menggunakan reservoar suhu tinggi 800 K dan mempunyai efisiensi 20 %. Untuk menaikkan efisiensi menjadi 36 %, maka suhu reservoar kalor suhu tinggi dinaikkan menjadi ..
A. 928 K D. 1200 K
B. 1000 K E. 1380 K
C. 1160 K
15. Suhu didalam ruangan berpendingin = -23oC, sedangkan suhu di luar = 27oC. Setiap 30 menit dapat dikeluarkan kalor 3 x 106 joule. Daya tarik yang dipakai dalam menjalankan pesawat pendingin Carnot itu besarnya ...
II. SOAL URAIAN
1. Sebutkan sifat-sifat gas ideal ?
2. Tuliskan tiga persamaan yang menyatakan hubungan pV dengan faktor-faktor lainya dalam persamaan gas ideal ?
3. Pada suhu berapakah, energi kinetik molekul gas akan menjadi dua kali energi kinetiknya pada suhu 127oC ?
4. Berapa energi dalam 0,04 mol gas oksigen (diatomik) di dalamsebuah ruang tertutup yang suhunya 35o K ?
5. Suatu jenis gas menempati volum 100 cm3 pada 0oC dan tekanan 1 atm. Bila suhu dijadikan 50oC dan tekanan dijadikan
2 atm, berapa volume gas pada keadaan akhir ?
6. Gas ideal monoatomik mula-mula volumenya 2,5 m3, tekananannya 105 N/m2, dan suhunya250 K. Gas ini mengalami proses tekanan tetap sampai volumenya menjadi 10 m3.
Kemudian mengalami proses dengan volume tetap sampai tekanannya menjadi 2 x 105 N/m2.
a. Gambarkan keadaan proses gas tersebut pada diagram p – V!
b. Tentukan suhu gas pada setiap akhir proses!
c. Berapa usaha total yang dilakukan gas!
7. Sebuah silinder yang ditutup dengan penghisap yang bergerak tanpa gesekan, berisi udara dengan tekanan 20 x 105 Pa. Pada saat itu, suhu udara 300 K dan volumenya 0,03 m3.
Udara didalam silinder melakukan proses sebagai berikut:
1) Dipanaskan pada tekanan tetap sampai 500 K
2) Lalu didinginkan pada volume tetap sampai 250 K
3) Kemudian didinginkan pada tekanan tetap sampai 150 K
4) Dipanaskan pada volume tetap sampai 300 K
a. Lukislah proses-proses itu ke dalam diagram p – V!
a. Gambarkan keadaan proses gas tersebut pada diagram p – V!
b. Tentukan suhu gas pada setiap akhir proses!
c. Berapa usaha total yang dilakukan gas!
7. Sebuah silinder yang ditutup dengan penghisap yang bergerak tanpa gesekan, berisi udara dengan tekanan 20 x 105 Pa. Pada saat itu, suhu udara 300 K dan volumenya 0,03 m3.
Udara didalam silinder melakukan proses sebagai berikut:
1) Dipanaskan pada tekanan tetap sampai 500 K
2) Lalu didinginkan pada volume tetap sampai 250 K
3) Kemudian didinginkan pada tekanan tetap sampai 150 K
4) Dipanaskan pada volume tetap sampai 300 K
a. Lukislah proses-proses itu ke dalam diagram p – V!
b. Hitunglah usaha luar total yang dilakukan gas !
8. Mesin Carnot dengan suhu reservoar dingin 7oC mempunyai efisiensi 40 %. Bila mesin itu efisiensinya ingin ditingkatkan menjadi 50%, berapa derajat suhu reservoar tinggi harus dinaikkan?
9. Koefisien performansi sebuah mesin pendingin adalah 3,5. Berapa banyak energi listrik yang digunakan untuk memindahkan 6000 joule kalor yang terdapat dalam sebuah ruangan?
10. Sebutkan hukum kedua termodinamika:
a. tentang entropi!
b. rumusan menurut Kelvin-Plank dan menurut Clausius!
c. Berhubungan dengan mesin apa perumusan Kelvin- Plank dan perumusan Clausius?
8. Mesin Carnot dengan suhu reservoar dingin 7oC mempunyai efisiensi 40 %. Bila mesin itu efisiensinya ingin ditingkatkan menjadi 50%, berapa derajat suhu reservoar tinggi harus dinaikkan?
9. Koefisien performansi sebuah mesin pendingin adalah 3,5. Berapa banyak energi listrik yang digunakan untuk memindahkan 6000 joule kalor yang terdapat dalam sebuah ruangan?
10. Sebutkan hukum kedua termodinamika:
a. tentang entropi!
b. rumusan menurut Kelvin-Plank dan menurut Clausius!
c. Berhubungan dengan mesin apa perumusan Kelvin- Plank dan perumusan Clausius?
Comments