Pada akhir pembelajaran bab ini anda dapat :
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.
Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.
Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.
Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.
Konsep dasar dalam termodinamika
Pengabstrakkan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.
Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:
sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
o pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
o pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.
Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
Keadaan termodinamika
Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).
Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.
Hukum-hukum Dasar Termodinamika
Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:
Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.
Hukum Pertama Termodinamika
sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
Hukum kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
Hukum ketiga Termodinamika
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. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.
Proses-proses Pada Hukum 1 Termodinamika : Isobaris Isokhoris Isotermis Adiabatis
1. Hukum I termodinamika untuk Proses Isobaris
Pada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap.
Proses Isobaris
Dengan demikian pada proses ini berlaku persamaan Boyle-GayLussac
V1 / T1 = V2 / T2
Usaha luar yang dilakukan adalah : W = p ( V2 – V1 ). karena itu hukum I
termodinamika dapat dinyatakan :
dQ = dU + p ( V2 – V1 )
Panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan tetap dapat dinyatakan dengan persamaan :
dQ = m cp ( T2 – T1 )
Pertambahan energi dalam gas dapat pula dinyatakan dengan persamaan :
dU = m cv ( T2 – T1 )
Karena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobaris dapat pula dinyatakan dengan persamaan :
dW = dQ – dU = m ( cp - cv ) ( T2 – T1 )
m = massa gas
cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap
cv = kalor jenis pada volume tetap.
2. Hukum I termodinamika untuk Proses Isokhoris
Pada proses ini volume Sistem konstan.
Proses Isokhoris
Dengan demikian dalam proses ini berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac dalam bentuk :
P1 / T1 = P2 / T2
Karena dV = 0 maka W = p . dV
W = 0 ( tidak ada usaha luar selama proses )
dQ = U2 – U1
Kalor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi dalam (dU)
dQ = dU
3. Hukum I termodinamika untuk Proses Isotermis
Selama proses suhunya konstan.
4. Hukum I termodinamika untuk Proses Adiabatis
Selama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem jadi Q = 0
Proses Adiabatis
MESIN CARNOT
Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850an dan 1860an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.
Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.
Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau melepaskan kalor pada atau dari kedua benda ini tanpa mengubah suhunya, dan bertindak sebagai dua reservoir kalor. Carnot menyebut benda A "tungku" dan benda B "kulkas".[1]
Carnot lalu menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak (usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir A ke B.
Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya dimodelkan dalam pembahasan modern
Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu tinggi TH melalui "fluida kerja", menuju reservoir dingin TC, dan menyebabkan fluida kerja memberikan usaha mekanis kepada lingkungan, melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan pemuaian (ekspansi).
Teorema Carnot
Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada temperatur and tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.
Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan). Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur. Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair ( lihat siklus Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan (misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.
Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan oleh efisiensi mesin Carnot,
Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang beroperasi antara dua reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang sama pula.
1. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada volum tetap disebut ... 2. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada tekanan tetap disebut ... 3. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
4. Hukum pertama termodinamika dinyatakan dengan rumus ...
5. Suatu gas dimampatkan sehingga volumnya berkurang dari 5,0 L menjadi 3,5 L pada tekanan konstan 105 Pa. Maka usaha luar yang dilakukan pada
gas adalah ...
6. Penerapan Hukum I Termodinamika pada mesin.... 7. Penerapan Hukum II Termodinamika pada mesin.... 8. Pengertian dari efisiensi mesin Carnot adalah...
9. Jika sebuah mesin Carnot bekerja antara suhu 27°C dan 127°C, maka efisiensi mesin tersebut adalah ...
II.Essay
1. Tuliskan bunyi dan rumus hukum Gay Lussac, hukum Charles dan hukum Boyle-Gay Lussac!
2. Tuliskan bunyi Hukum I Termodinamika beserta rumusnya! 3. Tuliskan proses dan rumus untuk proses isotermis dan isokhoris! 4. Tuliskan proses dan rumus untuk proses isobaris dan adiabatis!
5. Sebuah tangki berisi gas dengan volume 0,5 m3 dipanaskan pada tekanan tetap
hingga volumenya menjadi 2 m3. Jika usaha yang dihasilkan 3 x 10 5 J, maka
hitunglah tekanan gas dalam tangki!
6. Suatu sistem menyerap kalor 300 J dan dikenai kerja dari lingkungan 450 J pada saat bersamaan. Hitung perubahan energi dalam sistem!
7. Sebuah mesin mampu melakukan kerja 105 J dengan bahan bakar (energi) sebesar
2·105 J. Hitunglah efisiensi mesin tersebut!
8. Mesin Carnot menerima kalor dari reservoir suhu tinggi 227ºC dan melepaskannya pada reservoir bersuhu 77 ºC. Hitunglah efisiensi Mesin Carnot tersebut!
9. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi 800K mempunyai efisiensi 40 %. Agar efisiensinya naik menjadi 50 % , maka tentukan berapakah suhu reservoir tinggi harus dinaikkan!
10. Pada grafik PV mesin Carnot di bawah ini, W = 6.000 joule. Tentukan banyak kalor yang dilepas oleh mesin tiap siklus!
2. Tekanan gas oksigen pada suhu
00C adalah 3 x 105 N/m2. Volume
4. Dalam suatu ruangan bersuhu T kelvin, sebuah partikel gas kecepatan efektif molekul-molekul suatu gas ideal adalah
6. Gas dalam tabung yang suhunya 270C dipanaskan pada volum
oksigen. Jika suhu gas 270C,
maka volume ruang tersebut adalah…
a. 30 liter
b. 40 liter
c. 50 liter
d. 60 liter
URAIAN
1. Suatu mesin Carnot yang bekerja antara suhu 270C dan 227 0C digunakan untuk
mengoperasikan sebuah generattor yang tegangannya 220 V. Jika setiap detik mesin Carnot menyerap kalor 5500 J, berapakah kuat arus keluaran maksimum generator tersebut?
2. Koefisien performansi sebuah kulkas adalah 4. Berapa banyak energi listrik yang digunakan untuk memindahkan 4000 J kalor dari makanan yang terdapat di kalori ke sebuah reservoir lain yang suhunya rendah. Efisiensi mesin itu adalah ..
A. 12,5 %
B. 14,3 %
C. 25,0 %
D. 87,5 %
E. 200 %
2. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
A. proses Isokhorik
D. proses Adiabatik
E. proses Asimilasi
3. Hukum pertama termodinamika menyatakan ...
A. kalor tidak dapat masuk ke dalam dan keluar suatu sistem
B. energi adalah kekal
C. energi dalam adalah kekal
D. suhu adalah tetap
E. sistem tidak mendapat usaha dari luar
4. Grafik-grafik berikut ini menunjukan hubungan antara tekanan (P) dengan volume (V) gas yang mengalami suatu proses.
A. (1)
B. (2)
C. (3)
D. (4)
E. (5)
5. Jika sebuah mesin Carnot menggunakan reservoir dengan suhu tinggi 900oK dan mempunyai effisiensi 60
%, maka suhu yang rendah adalah … A. 700oK
B. 400oK C. 387oC D. 360oK
