![Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna
pada temperatur nol absolut bernilai nol. [8]
Rangkuman :
1. Sistem dalam termodinamika adalah bagian ruang atau benda yang menjadi
pusat perhatian pengamatan.
2. Lingkungan dalam termodinamika adalah segala sesuatu yang berada di luar
sistem dan memengaruhi sistem.
3. Hukum Pertama Termodinamika menyatakan bahwa jumlah energi yang
diberikan pada sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah
usaha yang dilakukannya :
Q = ΔU +W
4. a. Pada proses isokhorik, ΔW = 0
b. Pada proses isotermal, ΔU = 0
c. Pada proses adiabatik, Q = 0
5. Hukum Kedua Termodinamika memberi batasan terhadap perubahan energi
yang dapat berlangsung atau tidak dapat berlangsung.
6. Entropi adalah suatu ukuran banyaknya kalor yang tidak dapat diubah
menjadi usaha.
ΔS = Q/T
7. Mesin kalor mengubah energi termal menjadi usaha dengan cara
memindahkan kalor dari reservoir bersuhu tinggi ke reservoir bersuhu rendah.
8. Efisiensi mesin kalor
9. Mesin pendingin memerlukan usaha untuk memindahkan kalor dari reservoir
bersuhu rendah ke reservoir bersuhu tinggi.](https://image.slidesharecdn.com/resumemateritermodinamika-171129142517/85/Resume-materi-termodinamika-13-320.jpg)
More Related Content
What's hot (20)
Similar to Resume materi termodinamika (20)
Recently uploaded (6)
Resume materi termodinamika
- 1. RESUME MATERI TERMODINAMIKA Usaha dan Proses dalam Termodinamika, Hukum Termodinamika 1 2 dan 3 A. Usaha dan Proses dalam Termodinamika Termodinamika adalah cabang ilmu Fisika yang membahas tentang hubungan antara panas (kalor) dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Dalam melakukan pengamatan mengenai aliran energi antara panas dan usaha ini dikenal dua istilah, yaitu sistem dan lingkungan. Apakah yang dimaksud sistem dan lingkungan dalam termodinamika? Untuk memahami penggunaan kedua istilah tersebut dalam termodinamika, perhatikanlah Gambar 1. berikut. Gambar 1. Bola besi dan air merupakan sistem yang diamati. Adapun, udara luar merupakan lingkungannya. Misalkan, Anda mengamati aliran kalor antara bola besi panas dan air dingin. Ketika bola besi tersebut dimasukkan ke dalam air. Bola besi dan air disebut sistem karena kedua benda tersebut menjadi objek pengamatan dan perhatian Anda. Adapun, wadah air dan udara luar disebut lingkungan karena berada di luar sistem, tetapi dapat memengaruhi sistem tersebut. Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang digunakan adalah besaran makroskopis suatu sistem, yaitu tekanan, suhu, volume, entropi, kalor, usaha, dan energi dalam. Usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) terhadap lingkungannya bergantung pada proses -proses dalam termodinamika, di antaranya proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.
- 2. 1. Usaha Sistem terhadap Lingkungannya Pada pembahasan Bab sebelumnya, Anda telah mempelajari definisi usaha (W) yang dilakukan pada benda tegar, yaitu W = F x s Bagaimanakah cara menghitung usaha pada gas? Tinjaulah suatu gas yang berada dalam tabung dengan penutup berbentuk piston yang dapat bergerak bebas, seperti terlihat pada Gambar 2. Gambar 2. Ketika gas ideal di dalam tabung dipanaskan,gas tersebut memuai sehingga piston berpindah sejauh Δs. Ketika gas tersebut dipanaskan, piston akan berpindah sejauh Δs karena gas di dalam tabung memuai dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2. Gaya yang bekerja pada piston adalah F = pA. Jika luas penampang piston (A) dan tekanan gas dalam tabung (P) berada dalam keadaan konstan, usaha yang dilakukan oleh gas dinyatakan dengan persamaan W = pA Δs Oleh karena A Δs = ΔV, persamaan usaha yang dilakukan gas dapat ditulis menjadi : W = p ΔV (1–1) atau W = p(V2 – V1) (1–2) dengan: p = tekanan gas (N/m2 ), ΔV = perubahan volume (m3), dan W = usaha yang dilakukan gas (joule).
- 3. Nilai W dapat berharga positif atau negatif bergantung pada ketentuan berikut. a. Jika gas memuai sehingga perubahan volumenya berharga positif, gas (sistem) tersebut dikatakan melakukan usaha yang menyebabkan volumenya bertambah. Dengan demikian, usaha W sistem berharga positif. b. Jika gas dimampatkan atau ditekan sehingga perubahan volumenya berharga negatif, pada gas (sistem) diberikan usaha yang menyebabkan volume sistem berkurang. Dengan demikian, usaha W pada tersebut sistem ini bernilai negatif. Usaha yang dilakukan oleh sistem dapat ditentukan melalui metode grafik. Pada Gambar 3a dapat dilihat bahwa proses bergerak ke arah kanan (gas memuai). Hal ini berarti V2 > V1 atau ΔV > 0 sehingga W bernilai positif (gas melakukan usaha terhadap lingkungan). W sama dengan luas daerah di bawah kurva yang diarsir (luas daerah di bawah kurva p –V dengan batas volume awal dan volume akhir) Selanjutnya perhatikan Gambar 3b. Jika proses bergerak ke arah kiri (gas memampat), V2 < V1 atau ΔV < 0 sehingga W bernilai negatif (lingkungan melakukan usaha terhadap gas). W = – luas daerah di bawah kurva p–V yang diarsir. Gambar 3. (a) Grafik P–V suatu gas yang mengalami pemuaian (melakukan ekspansi) (b) Grafik P–V suatu gas yang mengalami pemampatan (diberi kompresi) Cobalah Anda tinjau kembali Persamaan (1–1). Dari persamaan tersebut dan grafik hubungan tekanan (p) terhadap (V) pada Gambar 3, Anda dapat menyimpulkan bahwa suatu sistem dikatakan melakukan usaha (W berharga positif) atau sistem diberi usaha (W berharga negatif), jika pada sistem tersebut terjadi perubahan volume ( ΔV).
- 4. 2. Proses dalam Termodinamika a. Proses Isotermal Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Gambar 4. A–B merupakan proses isotermal. Menurut Hukum Boyle, proses isotermal dapat dinyatakan dengan persamaan : pV = konstan atau p1V1 = p2V2 Dalam proses ini, tekanan dan volume sistem berubah sehingga persamaan W = p ΔV tidak dapat langsung digunakan. Untuk menghitung usaha sistem dalam proses isotermal ini digunakan cara integral. Misalkan, pada sistem terjadi perubahan yang sangat kecil sehingga persamaan usahanya dapat dituliskan sebagai dW = pdV (1–3) Jika Persamaan (1–3) diintegralkan maka dapat dituliskan :  dW =  pdV Dari persamaan keadaan gas ideal diketahui bahwa p = nRT/V. Oleh karena itu, integral dari Persamaan (9–3) dapat dituliskan menjadi :  dW = ïƒ²ï‚ (nRT / V)
- 5. Jika konstanta n R, dan besaran suhu (T) yang nilainya tetap dikeluarkan dari integral, akan diperoleh : W = nR T (lnV2 – lnV1) W = n RT ln (V2/V1) atau, W = n RT ln (p2/p1) (1–4) b. Proses Isokhorik Proses isokhorik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada volume tetap. Gambar 5. A–B merupakan proses isokhorik. Menurut Hukum Gay-Lussac proses isokhorik pada gas dapat dinyatakan dengan persamaan : p/T = konstan atau p1/T1 = p2/T2 Oleh karena perubahan volume dalam proses isokhorik ΔV = 0 maka usahanya W = 0. c. Proses Isobarik Proses isobarik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap.
- 6. Gambar 6. C–D adalah proses isobarik. Menurut Hukum Charles, persamaan keadaan gas pada proses isobarik dinyatakan dengan persamaan : V/T = konstan atau V1/T1 = V2/T2 Oleh karena volume sistem berubah, sedangkan tekanannya tetap, usaha yang dilakukan oleh sistem dinyatakan dengan persamaan W = pΔV = p (V2 – V1) (1–5) d. Proses Adiabatik Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor (Q) yang masuk atau keluar dari sistem (gas). Proses ini dapat dilakukan dengan cara mengisolasi sistem menggunakan bahan yang tidak mudah menghantarkan kalor atau disebut juga bahan adiabatik. Adapun, bahan-bahan yang bersifat mudah menghantarkan kalor disebut bahan diatermik Proses adiabatik ini mengikuti persamaan Poisson sebagai berikut p Vγ = konstan atau p1 V1 γ = p2 V2 γ (1–6) Oleh karena persamaan gas ideal dinyatakan sebagai pV = nRT maka Persamaan (9–4) dapat ditulis : T1V1 (γ –1) = T2 V2 (γ –1) (1–7)
- 7. dengan γ = CP/CV = konstanta Laplace, dan CP/CV > 1. CP adalah kapasitas kalor gas pada tekanan tetap dan CV adalah kalor gas pada volume tetap. Perhatikan diagram p – V pada Gambar 7. Gambar 7. Pada proses adiabatik, kurva p–V lebih curam dibandingkan dengan kurva p–V pada proses isotermal. Dari kurva hubungan p – V tersebut, Anda dapat mengetahui bahwa: 1) Kurva proses adiabatik lebih curam daripada kurva proses isotermal. 2) Suhu, tekanan, maupun volume pada proses adiabatik tidak tetap. Oleh karena sistem tidak melepaskan atau menerima kalor, pada kalor sistem proses adiabatik Q sama dengan nol. Dengan demikian, usaha yang dilakukan oleh sistem hanya mengubah energi dalam sistem tersebut. Besarnya usaha pada proses adiabatik tersebut dinyatakan dengan persamaan berikut. W= 3/2 nRT−T = 3/2 (p1 V1 − p2 V2) (1–8) B. Hukum Termodinamika 1 Hukum Pertama Termodinamika adalah perluasan bentuk dari Hukum Kekekalan Energi dalam mekanika. Hukum ini menyatakan bahwa: "Jumlah kalor pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem tersebut ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem." Dengan demikian, meskipun energi kalor sistem telah berubah menjadi energi mekanik (usaha) dan energi dalam, jumlah seluruh energi tersebut selalu tetap. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W (1–9) dengan: Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem, ΔU = U2 — U1 = perubahan energi dalam sistem, dan W = usaha yang dilakukan sistem.
- 8. Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan (1-9) tersebut adalah sebagai berikut. 1. Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif. 2. Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif 3. Jika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif 4. Jika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif 1. Perubahan Energi Dalam Perubahan energi dalam ΔU tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut. Anda telah mengetahui bahwa proses-proses dalam termodinamika terbagi atas empat jenis, yaitu isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik. Perubahan energi dalam terjadi pada setiap proses tersebut dijelaskan sebagai berikut. a. Proses Isotermal Anda telah memahami bahwa proses isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap. Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V2/V1). Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan ΔU = 3/2 nRΔTyang telah dibahas pada Bab 8. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W = 0 + W Q = W = nR T ln (V2/V1) (1 -10) b. Proses Isokhorik Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Anda telah memahami bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W = pΔV = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagai Q = ΔU + W = ΔU + 0 Q = ΔU = U2 - U1 (1-11)
- 9. Dari Persamaan (1-11) Anda dapat menyatakan bahwa kalor yang diberikan pada sistem hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut. Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan (1-11), didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut. Q = ΔU = 3/2 nR ΔT (1-12) atau Q = U2 - U1 = 3/2 nR (T2 —T1) (1-13) c. Proses Isobarik Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas berada dalam keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV = p(V2 – V1). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W Q = ΔU + p(V2 – V1) (9-14) Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (1-14) dapat dituliskan sebagai : Q = 3/2 nR (T2 —T1) + p (V2 – V1) (1-15) d. Proses adiabatik Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Anda telah mengetahui bahwa dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi Q = ΔU + W 0 = ΔU + W atau W = - ΔU = - (U2 - U1) (1-16) Berdasarkan Persamaan (1-16) tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya.
- 10. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai : W = - ΔU = - 3/2 nR (T2 —T1) (1-17) 2. Kapasitas Kalor Kapasitas kalor gas adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas sebesar 1°C, untuk volume tetap disebut CV dan untuk tekanan tetap disebut Cp. Secara matematis, kapasitas kalor (C) dinyatakan dengan persamaan : C = Q/ΔT (1–18) Pada gas, perubahan suhu dapat dilakukan dengan proses isobarik atau proses isokhorik. Dengan demikian, kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua, yakni kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas kalor pada volume tetap (V). Perumusan kedua pada kapasitas kalor tersebut secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut. Cp = QP/ΔT dan CV = QV/ΔT (1–19) Jika besaran QP dan QV dimasukkan ke dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika, akan didapatkan persamaan berikut. a. Pada proses isokhorik QV = ΔU + W (1–20) Oleh karena dalam proses ini volume sistem tetap (ΔU = 0) maka usaha sistem W = 0 sehingga didapatkan persamaan : QV = ΔU (1–21) b. Pada proses isobarik QP = ΔU + W Oleh karena dalam proses ini tekanan sistem tetap ( Δp + 0), usaha sistem W = p ΔV. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika dapat dituliskan QP = ΔU + p ΔV (1–22)
- 11. Dengan melakukan substitusi Persamaan (1–21) ke Persamaan (1–22) dapat dituliskan persamaan Qp = ΔU + p ΔV atau Qp – QV = p ΔV (1–23) Selanjutnya, jika Persamaan (9–19) disubstitusikan Persamaan (1–23) akan diperoleh persamaan (Cp ΔT) – (CV ΔT) = p ΔV (Cp CV)ΔT = p ΔV Cp – CV = p ΔV / ΔT (1–24) Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal pV = nRT, Persamaan (1–24) dapat dituliskan menjadi Cp – CV = nR (1–25) Untuk gas monoatomik, energi dalam gas dinyatakan dengan persamaan : ΔU = 3/2 nRΔT Dengan demikian, kapasitas kalor pada proses isokhorik (QV = ΔU) dapat dituliskan sebagai : CV = 3/2 nR (9–26) 3. Mesin Pendingin (refrigerator) Kalor dapat dipaksa mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja dengan cara seperti ini disebut mesin pendingin (refrigerator). Contohnya lemari es dan pendingin ruangan (Air Conditioner). Perhatikan Gambar 11.
- 12. Gambar 11. Skema kerja mesin pendingin (refrigerator). Dengan melakukan usaha W pada sistem (pendingin), sejumlah kalor Q2 diambil dari reservoir bersuhu rendah T2 (misalnya, dari dalam lemari es). Kemudian, sejumlah kalor Q1 dibuang ke reservoir bersuhu tinggi T1 (misalnya, lingkungan di sekitar lemari es). Ukuran kemampuan sebuah mesin pendingin dinyatakan sebagai koefisien daya guna (koefisien performansi) yang diberi lambang Kp dan dirumuskan dengan persamaan : Kr = Q2 / W (1–33) Oleh karena usaha yang diberikan pada mesin pendingin tersebut dinyatakan dengan W = Q1 - Q2, Persamaan (1–33) dapat ditulis menjadi : Kr = Q2 / (Q1 - Q2) (1–34) Jika gas yang digunakan dalam sistem mesin pendingin adalah gas ideal, Persamaan (1–34) dapat dituliskan menjadi : Kp = T2 / (T1 - T1) (1–35) Lemari es dan pendingin ruangan memiliki koefisien performansi dalam jangkauan 2 sampai dengan 6. Semakin tinggi nilai KP, semakin baik mesin pendingin tersebut. C. Hukum Termodinamika 2 Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.
- 13. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. [8] Rangkuman : 1. Sistem dalam termodinamika adalah bagian ruang atau benda yang menjadi pusat perhatian pengamatan. 2. Lingkungan dalam termodinamika adalah segala sesuatu yang berada di luar sistem dan memengaruhi sistem. 3. Hukum Pertama Termodinamika menyatakan bahwa jumlah energi yang diberikan pada sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah usaha yang dilakukannya : Q = ΔU +W 4. a. Pada proses isokhorik, ΔW = 0 b. Pada proses isotermal, ΔU = 0 c. Pada proses adiabatik, Q = 0 5. Hukum Kedua Termodinamika memberi batasan terhadap perubahan energi yang dapat berlangsung atau tidak dapat berlangsung. 6. Entropi adalah suatu ukuran banyaknya kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. ΔS = Q/T 7. Mesin kalor mengubah energi termal menjadi usaha dengan cara memindahkan kalor dari reservoir bersuhu tinggi ke reservoir bersuhu rendah. 8. Efisiensi mesin kalor 9. Mesin pendingin memerlukan usaha untuk memindahkan kalor dari reservoir bersuhu rendah ke reservoir bersuhu tinggi.