Termokimia 007

Physics Zone

Minggu, 03 Maret 2013 Kuliah Fisika

KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar belakang

Termodinamika memainkan peran penting dalam analisis sistem dan piranti yang ada

didalamnya terjadi perpindahan formasi energi . Implikasi termodinamika bercakupan jauh, dan

penerapannya

membentang ke seluruh kegiatan manusia. Bersamaan dengan sejarah teknologi kita , perkembangan sains telah memperkaya kemampuan kita untuk memanfaatkan energi dan menggunakan energi tersebut untuk kebutuhan masyarakat. Kebanyaakan kegiatan kita melibatkan perpindahan energi dan perubahan energi.

Termodinamika merupakan sains aksiomatik yang berkenaan dengan tranformasi energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Termodinamika klasik diformalkan oleh Carnot, Joule, Kelvin, Clausian dan Boltzman telah menjembatani celah antara titik pandang termodinamika klasik dan makroskopik. Melalui percobaan dimungkinkan untuk menerangkan perilaku makroskopik

materi dalam perilaku probalitis partikel mikroskopiknya. Melalui percobaan J.W Gibbs

membentang pendekatan termodinamika klasik hingga ke zat yang sedang mengalami perubahan fisis dan kimiawi.

Apabila materi diperhatikan dari sudut pandang mikroskopik, pokok bahasan termodinamika statistik yang dianggap sebagai mekanika statistik. Pendekatan mikroskopik berfokus pada perilaku statistik suatu massa yang terdiri atas sejumlah molekul yang berdiri sendiri dan mengaitkan sifat-sifat makroskopik materi dengan konfigurasi molekul dan dengan gaya-gaya antara molekul. Perbedaan antara kedua pendekatan ini adalah dengan memperhatikan tekanan

yang dikerahkan oleh gas yang terkungkung dalam suatu wadah. Dari pandangan mikroskopik tekanan yang dikerahkan gas pada titik tertentu dan pada saat tertentu tergantung pada perilaku sesaat molekul yang berada di sekitar titik tersebut.

Termodinamika klasik dan statistik cendrung untuk salaing melengkapi dan memperkuat sehingga kedua disiplin ini memberikan lebih banyak wawasan atas perilaku materi yang tidak

satu pun diantara kedua nya dapat memberikan secara sendiri.

1.2 Rumusan Masalah

Adapun masalah-masalah yang akan dibahas dalam makalah ini diantaranya adalah:

1. Bagaimana hukum termodinamika dapat menjelaskan hubungan dengan fisika statistik.

1.3 Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan makalah ini antara lain adalah untuk:

1. Dapat memahami tentang hukum-hukum termodinamika

2. Mengetahui besaran terukur dari suatu sistem ditinjau melalui persamaan-persamaan

termodinamika 1.4 Manfaat

BAB II

PEMBAHASAN

2.1 Pengertian dasar termodinamika.

Thermodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesific membahas tentang

abad ke 19. Pengembangan ilmu thermodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik,

yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum partikel -partikel zat yang menjadi media

pembawa energi, yang disebut pendekatan thermodinamika klasik. Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu thermodinamika modern, atau disebut

thermodinamika statistik. Pendekatan thermodinamika statistik dimungkinkan karena

perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu dalam menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.

Metode termodinamika statistik dikembangkan pertama kali beberapa tahun terakhir oleh Boltzmann di Jerman dan Gibbs di Amerika Serikat. Dengan ditemukannya teori kuantum, Bose, Einstein, Fermi, dan Dirac memperkenalkan beberapa modifikasi ide asli Boltzmann dan telah berhasil dalam menjelaskan beberapa aspek yang tidak dipenuhi oleh statistik Boltzmann.

Pendekatan statistik memiliki hubungan dekat dengan termodinamika dan teori kinetik. Untuk sistem partikel di mana energi partikel bisa ditentukan, kita bisa menurunkan dengan statistik mengenai persamaan keadaan dari suatu bahan dan persamaan energi bahan tersebut. Termodinamika statistik memberikan sebuah penafsiran tambahan tentang konsep entropi.

Termodinamika statistik (Mekanika statistik), tidak seperti teori kinetik, tidak fokus pada pertimbangan tumbukan antara 1 molekul dengan molekul lain atau dengan permukaan secara detail. Malahan ia mengambil keuntungan dari fakta bahwa molekul itu memiliki jumlah yang sangat banyak dan sifat rata-rata dari sejumlah besar molekul bisa dihitung walaupun tidak berisi informasi tentang molekul tertentu. Jadi sebagai misal, perusahaan asuransi bisa memprediksi dengan ketelitian yang tinggi tentang harapan hidup rata-rata semua orang yang yang lahir di Amerika Serikat pada tahun yang diberikan, tanpa mengetahui keadaan kesehatan salah satu dari orang-orang tersebut.

2.2 Klasifikasi Sistem Termodinamika

dengan lingkungannya disebut batas sistem (boundary), seperti terlihat pada Gambar 1.1. Dalam aplikasinya batas sistem nerupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak.

Gambar 1.1. Skema sistem thermodinamika

Sistem termodinamika bisa diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok: 1. Sistem tertutup; 2. Sistem terbuka; dan 3. Sistem terisolasi.

1. Sistem tertutup.

Merupakan sistem massa tetap dan identitas batas sistem ditentukan oleh ruang zat yang menempatinya. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon Sistem tertutup ditunjukkan oleh gambar 1. Gas di dalam silinder dianggap sebagai suatu sistem. Jika panas diberikan ke silinder dari sumber luar, temperatur gas akan naik dan piston bergerak ke atas.

Gambar 1. Sistem termodinamika tertutup.

Ketika piston naik, batas sistem bergerak. Dengan kata lain, panas dan kerja melewati batas sistem selama proses, tetapi tidak ada terjadi penambahan atau pengurangan massa zat.

Asyari-Daryus, Termodinamika Teknik I Universitas Darma Persada – Jakarta. 9

2. Sistem terbuka

Pada sistem ini, zat melewati batas sistem. Panas dan kerja bisa juga melewati batas sistem. Gambar 2 menunjukkan diagram sebuah kompresor udara yang menggambarkan sistem terbuka ini.

Gambar 2. Sistem termodinamika terbuka.

Zat yang melewati batas sistem adalah udara bertekanan rendah (L.P) yang memasuki kompresor dan udara bertekanan tinggi (H.P) yang meninggalkan kompresor. Kerja melewati batas sistem melalui poros penggerak dan panas ditransfer melewati batas sistem melalui dinding silinder.

3. Sistem terisolasi

Adalah sebuah sistem yang sama sekali tidak dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem ini massanya tetap dan tidak ada panas atau kerja yang melewati batas sistem.

Keadaan sistem bisa diidentifikasi atau diterangkan dengan besaran yang bisa diobservasi seperti volume, temperatur, tekanan, kerapatan dan sebagainya. Semua besaran yang mengidentifikasi keadaan sistem disebut sifat-sifat sistem.

2.4 Klasifikasi Sifat-sifat Sistem

Sifat-sifat termodinamika bisa dibagi atas dua kelompok umum: 1. Sifat ekstensif, dan 2. Sifat intensif.

1. Sifat ekstensif

Besaran sifat dari sistem dibagi ke dalam beberapa bagian. Sifat sistem, yang harga untuk keseluruhan sistem merupakan jumlah dari harga komponen-komponen individu sistem tersebut, disebut sifat ekstensif. Contohnya, volume total, massa total, dan energi total sistem adalah sifat-sifat ekstensif.

2. Sifat intensif

Perhatikan bahwa temperatur sistem bukanlah jumlah dari temperatur-temperatur bagian sistem. Begitu juga dengan tekanan dan kerapatan sistem. Sifat-sifat seperti temperatur, tekanan dan kerapatan ini disebut sifat intensif.

2.5 Kesetimbangan Termal

Misalkan dua benda yang berasal dari material yang sama atau berbeda, yang satu panas, dan lainnya dingin. Ketika benda ini ditemukan, benda yang panas menjadi lebih dingin dan benda yang dingin menjadi lebih panas. Jika kedua benda ini dibiarkan bersinggungan untuk beberapa lama, akan tercapai keadaan dimana tidak ada perubahan yang bisa diamati terhadap sifat-sifat kedua benda tersebut. Keadaan ini disebut keadaan kesetimbangan termal, dan kedua benda akan mempunyai temperatur yang sama.

2.6 Bentuk-bentuk energi

(E). Dalam analisis thermodinamika sering digunakan energi total setiap satuan masa media (m), yang disebut sebagai energi per-satuan masa (e) yaitu,

Berbagai bentuk energi diatas dapat pula dikelompokkan menjadi dua bentuk, yaitu energi makroskopik dan energi mikroskopik. Energi makroskopik adalah keberadaan energi ditandai dari posisinya terhadap lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang ditentukan. Contoh bentuk energi makroskopik adalah energi kinetik (KE) dan energi potensial (PE). Keberadaan energi mikroskopik ditentukan oleh struktur internal dari= zat pembawa energi sendiri dan tidak tergantung kepada lingkungannnya, yaitu struktur dan gerakan molekul zat tersebut. Energi mikroskopik ini disebut sebagai energi internal (U).

Energi makroskopik berhubungan dengan gerakan masa pembawa energi, dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi, pengaruh energi listrik, sifat magnit, dan tegangan pemukaan fluida. Energi kinetis KE adalah energi yang disebabkan oleh gerakan relatif terhadap suatu referensi, dan besarnya adalah:

atau dalam bentuk energi per-satuan masa: dengan, m = satuan masa media pembawa energi

V = satuan kecepatan gerakan masa.

Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh posisi elevasinya dalam medan gravitasi, dan besarnya adalah:

PE = m g z

Atau dalam bentuk energi per-satuan masa,

pe = g z

dengan, g = gaya gravitasi

z = posisi elevasi terhadap suatu referensi.

yang ditandai oleh perubahan temperatur dari masa yang ditinjau. Energi kimia adalah energi internal sebagai akibat dari komposisi kimia sua tu zat, yang merupakan energi yang mengikat atom dalam molekul zat tersebut. Perubahan struktur atom menyebabkan perubahan energi pengikat atom dalam molekul, sehingga reaksinya dapat melepaskan energi (eksothermis) misalnya dalam reaksi pembakaran, atau memerlukan energi (indothermis). Bentuk energi internal lainnya adalah energi nuklir, yang merupakan energi ikatan antara atom dengan intinya.

Dalam bahasan thermodinamika efek dari jenis energi makroskopik lain yaitu energi magetik, dan tegangan permukaan fluida dapat diabaikan, sehingga energi total E dari masa pembawa energi tersebut adalah:

E = U + KE + PE = U + + mgz

atau dalam bentuk energi per-satuan masa,

e = u +ke +pe = u + + gz

Dalam aplikasi bidang teknik masa atau sistem thermodinamika yang ditinjau biasanya tidak bergerak selama proses berlangsung, sehingga perubahan energi potensial dan energi kinetisnya sama dengan nol.

2.7 Karakteristik

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property dari sistem, seperti tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang disefinisikan dari property yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai property yang tetap. Apabila property nya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaandisebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium). Perubahan sistem thermodinamika dari keadaan seimbang satu menjadi keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkaian keadaan diantara keadaan awal dan akhir disebut linasan proses seperti terlihatpada Gambar 1.2.

Tergantung dari jenis prosesnya, maka keadaan 2 dapat dicapai dari keadaan 1 melalui berbagai lintasan yang berbeda. Proses thermidinamika biasanya digambarkan dalam sistem koordinat 2 dua property, yaitu P-V diagram, P-v diagram, atau T-S diagram. Proses yang berjalan pada satu jenis property tetap, disebut proses iso - diikuti nama property nya, misalnya proses isobaris (tekanan konstan), proses isochoris (volume konstan), proses isothermis (temperatur konstan) dan la in-lain. Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut menjalani rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya. Pada Gambar 1.3 (a) terlihat suatu siklus terdiri dari 2 jenis proses, dan Gambar 1.3 (b) siklus lain dengan 4 jenis proses.

(a). Siklus dengan 2 proses (b). Siklus dengan 4 proses Gambar 1.3. Diagram siklus thermodinamika

2.8 SISTEM SATUAN, TEKANAN, DAN TEMPERATUR.

2.8.1 Sistem Satuan.

Suatu sistem satuan adalah sistem besarn atau unit untuk mengkuantifikasikan dimensi dari suatu property. Sistem satuan yang sekarang dipergunakan di seluruh dunia, termasuk Indonesia, adalah Sistem SI (Sistem Internasional. Sistem ini menggantikan 2 sistem yang dipergunakan sebelumnya, yaitu sistem British dan sistem Metris. Dalam sistem SI ada 7 macam dimensi dasar, yaitu panjang (m), massa (kg), waktu (detik), temperatur (K), arus listrik (A), satuan sinar (candela-c), dan satuan molekul (mol). Satuan gaya merupakan kombinasi dari masa dan percepatan, dan mempunyai besaran N (Newton), yang didefinisikan menurut Hukum Newton,

F = m a

Dan 1 N adalah gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan sebesar 1 m/det2 pada suatu masa sebesar 1 kg sehingga.

1 N = 1 kg. m/det2

Ukuran berat (W) adalah gaya yang ditimbulkan oleh masa m kg, dengan percepatan sebesar medan gravitasi yang terjadi (g), sebagai berikut.

Satuan W adalah Newton, sedang besar gravitasi di bumi adalah 9,807 m/det2 di permukaan laut dan semakin kecil dengan bertambahnya elevasi. Kerja yang merupakan salah satu bentuk energi, adalah gaya kali jarak dengan satuan N.m, dan disebut pula J (Joule) yaitu,

1 J = 1 N.m

Satuan Joule juga digunakan dalam dimensi energi panas, dan biasanya ukurannya dalam kJ (kilojoule) atau MJ (Mega Joule).

2.8.2 Tekanan.

Tekanan merupakan salah satu property yang terpenting dalam thermodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair atau gas) pada satu satuan unit luas area. Istilah tekanan pada benda padat disebut tegangan (stress). Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan sebagai, 1 Pa = 1 N/m2 Karena satuan Pascal terlalu kecil, maka dalam analisis thermodinamika

seringdigunakan satua kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1 MPa = 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar (barometric), atau atm (standard atmosphere), sebagai berikut.

1 bar = 105 Pa = 0,1 Mpa = 100kPa

1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa = 1, 01325 bar

Pengukuran tekanan dengan menggunakan referensi tekanan nol absolut disebut tekanan absolut (ata), sedang tekanan manometer (ato) adalah tekanan relatif terhadap tekanan atmosfir. Tekanan vakum adalah tekanan dibawah 1 atm, yaitu perbedaan antara tekanan atmosfir dengan tekanan absolut, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.4. sebagai berikut,

Gambar 1.4. Hubungan pengukuran beberapa jenis tekanan

Alat pengukur tekanan diatas atmosfir adalah manometer, alat pengukur tekanan vakum disebut manometer vakum, sedang alat pengukur tekanan atmosfir disebut barometer. Terdapat banyak jenis metode pengukuran tekanan seperti pipa U, manometer pegas, atau transduser elektronik.

2.8.3 Temperatur

suatu material karena panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik. Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas ke alat ukur sampai terjadi keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur yang terterapada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Thermodinamika Zeroth (Zeroth Law of

Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam keadaan seimbang thermal dengan benda

ketiga maka dua benda tersebut juga dalam keadaan seimbang thermal walaupuntidak saling bersentuhan.

Dalam sistem SI satuan temperatur adalah Kelvin (K) tanpa derajad. Skala dari ukuran temperatur dalam derajad Celcius adalah sama dengan skala ukuran Kelvin, tetapi titik nol oC sama dengan 273,15 K. Titik nol oC adalah kondisi es mencair pada keadaan standard atmosfir, sedang kondisi 0 K adalah kondisi nol mutlak dimana semua gerakan yang menghasilkan energi pada semua materi berhenti. Dalam analisis thermodinamika, apabila yang dimaksudkan adalah ukuran temperatur maka yang digunakan adalah ukuran dalam K, sedang apabila analisis berhubungan dengan perbedaan temperatur maka baik ukuran oC maupun K dapat digunakan.

2.9 Persamaan keadaan gas ideal dan diagram P-v-T

Dari hasil eksperimen, nilai besaran-besaran termodinamika bergantung satu sama lain.

Volume dikecilkan Suhu dinaikkan tekanan naik panjang bertambah

`Apabila volume (V), suhu (T) dan massa (m) diatur dengan nilai tertentu, maka nilai tekanan (P) tidak bisa sebarang. Ada hubungan antara besaran-besaran ini sbb: f(P, V, T, m) = 0

Hubungan ini disebut persamaan keadaan.Biasanya persamaan keadaan dituliskan berdasarkan sifat-sifat alam bukan berapa banyak material berada, sehingga besaran ekstensif diganti dengan nilai spesifiknya. Seperti V menjadi v = sehingga persamaan keadaan menjadi:

f(P, v, T) = 0

Persamaan ini bervariasi dari satu zat ke zat yang lain. Hubungan antar satu sama lain biasanya tidak sederhana. Untuk mempermudah, sering dipakai ilustrasi grafik. Contoh eksperimen untuk 1 mole gas karbon dioksida:

Ilustrasi grafik tersebut menunjukkan:  Tampak bahwa nilai Pv/T tidak konstan

 Pada tekanan rendah ketiga kurva menyatu pada nilai Pv/T = R dengan R merupakan konstanta gas

universal.

 Pada suhu tinggi, kurva mendekati garis lurus

Pada tekanan yang cukup rendah, untuk semua gas:

Pv/T = R atau Pv = RT

Oleh karena itu seringkali digunakan pendekatan “gas ideal” yang mengasumsikan bahwa rasio

Pv/T selalu sama dengan R untuk semua tekanan dan temperatur. Kita tahu bahwa di alam tidak ada “gas ideal” semacam itu, gas yang mendekati gas ideal terjadi pada tekanan rendah dan suhu tinggi, namun studi tentang gas ideal sangat bermanfaat sebagai salah satu pendekatan untuk mengetahui sifat-sifat gas sesungguhnya.

Persamaan gas ideal:

Pv = RT

karena v = maka persamaan gas ideal juga dapat ditulis

PV = nRT

Permukaan kurva gas ideal

2.10 Proses-Proses dalam termodinamika 2.10.1 Proses Isokoris (volume konstan) Bila volume konstan, p/T = konstan, pi/ Ti = pf/Tf

p f

i

V

Pada proses ini V = 0, maka usaha yang dilakukan W = 0, sehingga

Q = U = n cv T

2.10.2 Proses Isobaris (tekanan konstan) Bila tekanan konstan, V/T = konstan, Vi/ Ti = Vf/Tf

p

i f

V

Pada proses ini usaha yang dilakukan W = p V = p (Vf - Vi ) , sehingga

U = Q - W U = n cp T - p V

2.10.3 Proses Isotermis (temperatur konstan) Bila temperatur konstan, pV = konstan,

Vo disini Pv = RT = konstan, sering disebut sebagai “Hukum Boyle”. piVi = pfVf

p i

f V

Pada proses ini T = 0, maka perubahan tenaga internal U = 0, dan usaha yang dilakukan :

W =  p dV

p = nRT/V, maka

W = nRT  (1/V) dV

W = nRT ln (Vf/Vi)

2.10.4 Proses Adiabatis

Pada proses ini tidak ada kalor yang masuk, maupun keluar dari sistem, Q = 0. Pada proses

adiabatik berlaku hubungan pV_{= konstan (buktikan),}

piVi = pfVf

p i

f

V Usaha yang dilakukan pada proses adiabatis :

W =  p dV

p = k/V _{, k = konstan , maka}

W =  (k/V_{) dV}

W = 1/(1-) { pfVf - piVi}

U = -W

2.11 Hukum Termodinamika

Berikut ini ada tiga hukum termodinamika yang penting untuk diketahui: 1. Hukum termodinamika ke-nol;

2. Hukum termodinamika kesatu dan 3. Hukum termodinamika kedua.

2.11.1 Hukum Ke-nol Termodinamika

Hukum ini berbunyi: “Jika dua benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka benda-benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lainnya”.

Hukum ini berbunyi: “Kalor dan kerja mekanik adalah bisa saling tukar”. Sesuai dengan hukum ini, maka sejumlah kerja mekanik dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah kalor, dan sebaliknya.

Hukum ini bisa juga dinyatakan sebagai: “Energi tidak bisa dibuat atau dimusnahkan, namun bisa dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya”. Sesuai dengan hukum ini, energi yang diberikan oleh kalor mesti sama dengan kerja eksternal yang dilakukan ditambah dengan perolehan energi dalam karena kenaikan temperatur. Keseluruhan energi potensial dan energi kinetik zat-zat yang terdapat dalam suatu sistem, disebut energi dalam ; U . Energi dalam merupakan fungsi keadaankarena besarnya hanya bergantung pada keadaan sistem. Bila dalam suatu perubahan sistem menyerap sejumlah (kecil) kalor, δ q , dan melakukan kerja (kecil), δ w , makasistem akan mengalami perubahan energi dalam, d U , sebesar

U = δ q + δ w ...…( 7)

untuk perubahan yang besar pada suatu sistem dari keadaan 1 (energi dalam U 1 ) keadaan 2 (energi dalam U 2 ), maka akan terjadi perubahan energi dalam (∆ U ),sebesar

∆U = U 2 - U 1…………(8)

sehingga diperoleh

U 2 - U 1 = q + w...… …(9) ∆U = q + w………..(10)

Persamaan (10) merupakan bentuk matematik dari hukum pertamatermodinamika. Menurut ungkapan ini, energi suatu sistem dapat berubah melalui kalor dan kerja.Bila kerja yang dilakukan oleh sistem hanya terbatas pada kerja ekspansi (misalnyapada kebanyakan reaksi kimia), maka persamaan (10) dapat diubah menjadi

Menurut persamaan (13) perubahan energi dalam adalah kalor yang diserap oleh sistem bila proses berlangsung pada volume tetap

Secara matematik:

Q = ΔU +W

ΔU = perubahan energi dalam

W = kerja yang dilakukan dalam satuan kalor

Persamaan di atas bisa juga ditulis dalam bentuk diferensial atau untuk perubahan infinitisimal :

dQ = dU + dW

2.113 Hukum Kedua Termodinamika

Hukum ini berbunyi: “Ada batas tertentu dari jumlah energi mekanik, yang diperoleh dari sejumlah energi panas”.

Pada umumnya perubahan yang terjadi di alam disertai dengan perubahan energi. Dalam proses perubahan energi ini ada dua aspek penting, yaitu arahpemindahan energi dan pengubahan energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain.Walaupun hukum pertama termodinamika menetapkan hubungan antara kalor yangdiserap dengan kerja yang dilakukan oleh sistem, tetapi hukum ini tidak menunjukkanbatas-batas mengenai sumber maupun arah aliran energi.Hukum kedua termodinamika dirumuskan untuk menyatakan pembatasan-pembatasan yang berhubungan dengan pengubahan kalor menjadi kerja, dan jugauntuk menunjukkan arah perubahan proses di alam. Dalam bentuknya yang palingumum, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan mempergunakan suatu fungsi keadaan yang disebut entropi.

Hukum termodinamika ini telah dinyatakan oleh Claussius dalam bentuk yang sedikit berbeda: “adalah tidak mungkin bagi mesin yang bekerja sendiri bekerja dalam proses siklik, untuk mentransfer panas dari benda dengan temperatur lebih rendah ke benda dengan temperatur yang lebih tinggi, tanpa adanya bantuan pihak luar”. Atau dengan kata lain, panas tidak bisa mengalir dengan sendirinya dari benda dingin ke benda panas tanpa bantuan pihak eksternal. Hukum ini juga dinyatakan oleh Kelvin-Planck sebagai: “adalah tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam proses siklik yang tujuan tunggalnya untuk mengkonversi energi panas ke energi kerja”. Dengan kata lain, tidak ada mesin panas sebenarnya, bekerja dalam proses siklik, bisa merubah energi panas yang diberikan menjadi kerja mekanik. Artinya terjadi penurunan energi dalam proses menghasilkan kerja mekanik dari panas. Berdasarkan pernyataan ini, hukum kedua termodinamika kadang-kadang disebut sebagai hukum degradasi energi.

Jika ∆ S as ialah perubahan entropi yangterjadi di alam semesta, maka bagi setiap proses spontan berlaku, ∆S as > 0.Dengan memandang alam semesta itu sebagai sistem dan lingkungan, maka dapatpula dikatakan bahwa untuk semua proses spontan berlaku,

∆S Sistem + ∆S lingkungan > 0

2.12 Hukum ketiga termodinamika

2.12.1 Entropi zat mumi pada titik not absolut

Entropi dapat dipandang sebagai besaran makroskopis yang mengukurketidakteraturan sistem, yang berarti suatu sifat menyangkut sejumlah besar molekulyang tersusun secara tidak teratur dalam ruangan termasuk distribusi energinya.Sebagai ilustrasi, dua buah balon yang sama besar dan saling berhubungan melaluisebuah kran. Satu balon berisi

N molekul gas ideal, sedangkan balon yang satu hampaudara. Jika kran dibuka, maka gas akan berdifusi ke dalam balon yang kosong secarasecara spontan, sehingga distribusi gas dalam dua buah balon menjadi merata.Kebolehjadian untuk menemukan sebuah molekul gas pada salah satu balonadalah ½. Kebolehjadian untuk menemukan dua buah molekul dalam balon yangsama adalah (½)2 , dan kebolehjadian untuk menemukan N molekul berada dalambalon yang sama adalah (½) N. Kebolehjadian semakin kecil dan praktis mendekati nolapabila harga

N sangat besar (misalnya sebesar tetapan Avogadro) Gas yangberdifusi secara spontan dan mengisi stiap ruang yang ada dalam balon merupakankeadaan dengan kebolehjadian yang paling tinggi, atau keadaan yang paling memungkinkan .Jika W menyatakan besarnya kebolehjadian sistem untuk mencapai suatukeadaan tertentu, maka menurut Boltzmann dan Planck hubungan antara entropi dankeboleh jadian diberikan oleh ungkapan S = k ln W

murni yang sempurna ialah nol pada 0 K . Pernyataan initerkenal sebagai Hukum Ketiga Temomedinamika. Ungkapan matematik hukumtermodinamika ketiga adalah

0ST=0 = 0

2.12.2 Fungsi Energi Bebas Helmholtz

Bagi suatu perubahan kecil yang berlangsung tak reversibel pada temperatur T berlaku: dS> δ q/T atau δ q - T d S<0

kalau sistem hanya dapat melakukan kerja volume, maka persamaan (43) dapatdiubah menjadid U + pdV -T dS< 0 ..

pada volume tetap, dV = 0, sehinggad U - T d S < 0 atau d( U — TS ) T,p < 0 fungsi

U - TS,

yang merupakan fungsi keadaan, disebut energi bebas Helmholtz, A, A=U-TS

Bila persamaan dideferensiasi, diperolehd A = d U - T dS – Sd T

bagi proses yang berjalan reversibel dan isoterm d A = δ W ..

jadi penurunan energi bebas helmholtz,

∆ A , ialah kerja maksimum yang dapatdihasilkan dan suatu proses yang dikerjakan secara isoterm.

2.12.3 Fungsi Energi Bebas Gibbs

Kebanyakan proses biasanya dikerjakan pada temperatur dan tekanan tetap.Pada kondisi ini, persamaan (44) dapat ditulis dalam bentuk,d( U — pV — TS)T,p< 0 .

Besaran U + PV — TS

merupakan fungsi keadaan, disebut energi bebas Gibbs , G. G =U+PV — TS =H -TS =A + PV

Jadi, suatu proses yang berlangsung pada temperatur dan tekanan tetap disertaidengan penurunan energi bebar Gibbs,

Suatu persamaan penting yang mengkaitkan ∆ H , ∆S dan ∆G dapat diturunkan sebagai berikut, ∆ G = ∆

BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan

Termodinamika merupakan ilmu yang mengkaji berbagai bentuk energi danhubungannya satu dengan yang lain. bersifat mendasar untuk semua ilmu. Ruanglingkup termodinamika kimia ialah hubungan antara berbagai energi jenis tertentudengan sistem kimia. Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan hukumpelestarian energi. Energi total suatu sistem adalah energi dalamnya yang merupakansuatu fungsi keadaan. Suatu perubahan energi dalam, ∆ U , dilaksanakan dengantransfer kalor ataupun perlakuan kerja.Termokimia menangani pengukuran dan penafsiran perubahan kalor yangmenyertai proses kimia. Kebanyakan pengukuran semacam itu dilakukan dengan sebuah kalorimeter. Kespontanan suatu reaksi kimia tertentu dapat terjadi tidak hanya bergantungpada perubahan entalpi, ∆ H ,tetapi juga pada temperatur dan perubahan entropi, ∆ S ,yang mengukur perubahan dalam derajat ketidakteraturan suatu sistem. Entropicenderung mencapai harga maksimum yang dimungkinkan oleh besarnya energidalam sistem. Hal ini diungkapkan dalam hukum kedua termodinamika. Pada 0 K(suhu mutlak) nilai entropi pada semua zat nyata adalah nol, dan ini merupakanhukum ketiga termodinamika.

3.2 Saran

CONTOH – CONTOH SOAL.

1. Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem, sedangkan sistem melakukan kerja 1000 Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Panduan jawaban :

∆U = Q – W

∆U = 2000 J – 1000 J

∆U = 1000 J

2. Kurva 1-2 pada dua diagram di bawah menunjukkan pemuaian gas (pertambahan volume gas) yang terjadi secara adiabatik dan isotermal. Pada proses manakah kerja yang dilakukan oleh gas lebih kecil ?

Kerja yang dilakukan gas pada proses adiabatik lebih kecil daripada kerja yang dilakukan gas pada proses isotermal. Luasan yang diarsir = kerja yang dilakukan gas selama proses pemuaian (pertambahan volume gas). Luasan yang diarsir pada proses adiabatik lebih sedikit dibandingkan dengan luasan yang diarsir pada proses isotermal.

3. Serangkaian proses termodinamika ditunjukkan pada diagram di bawah… kurva a-b dan d-c = proses isokorik (volume konstan). Kurva b-c dan a-d = proses isobarik (tekanan konstan). Pada proses a-b, Kalor (Q) sebanyak 600 Joule ditambahkan ke sistem. Pada proses b-c, Kalor (Q) sebanyak 800 Joule ditambahkan ke sistem. Tentukan :

a) Perubahan energi dalam pada proses a-b

b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c

P1 = 2 x 105 _{Pa = 2 x 10}5 _N/m2

P2 = 4 x 105 _{Pa = 4 x 10}5 _N/m2

V1 = 2 liter = 2 dm3 _{= 2 x 10}-3 _m3

V2 = 4 liter = 2 dm3 _{= 4 x 10}-3 _m3

Panduan jawaban :

a) Perubahan energi dalam pada proses a-b

dalam sistem. Dengan demikian, perubahan energi dalam sistem setelah menerima sumbangan kalor :

∆U = Q

∆U = 600 J

b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c

Proses a-b = proses isokorik (volume konstan). Pada proses a-b, kalor sebanyak 600 J ditambahkan ke sistem. Karena volume konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem.

Proses b-c = proses isobarik (tekanan konstan). Pada proses b-c, kalor (Q) sebanyak 800 Joule ditambahkan ke sistem. Pada proses isobarik, sistem bisa melakukan kerja. Besarnya kerja yang dilakukan sistem pada proses b-c (proses isobarik) adalah :

W = P(V2-V1) — tekanan konstan

W = P2 (V2-V1)

W = 4 x 105 _N/m2 _{(4 x 10}-3 _m3 _{- 2 x 10}-3 _m3₎

W = 4 x 105 _N/m2 _{(2 x 10}-3 _m3₎

W = 8 x 102 _Joule

W = 800 Joule

Kalor total yang ditambahkan ke sistem pada proses a-b-c adalah :

Q total = Qab + Qbc

Q total = 600 J + 800 J

Q total = 1400 Joule

Kerja total yang dilakukan oleh sistem pada proses a-b-c adalah :

W total = Wab + Wbc

W total = 0 + Wbc

W total = 0 + 800 Joule

Perubahan energi dalam sistem pada proses a-b-c adalah :

∆U = Q – W

∆U = 1400 J – 800 J

∆U = 600 J

Perubahan energi dalam pada proses a-b-c = 600 J

4. Sebuah mesin uap bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC. Tentukan efisiensi ideal (efisiensi

Carnot) dari mesin uap tersebut.

Panduan jawaban :

Suhu harus diubah ke dalam skala kelvin

TH (suhu tinggi) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K

TL (suhu rendah) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K

5. Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha alias kerja (W)

dan membuang kalor sebanyak 2500 Joule (QL). Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?

Panduan jawaban :

e = 1 -

e = 1 -

e = 1 – 0,83

e = 0,17

e = 17%

6. Agar efisiensi ideal alias efisiensi mesin Carnot mencapai 100 % (1), berapakah suhu

pembuangan (TL) yang diperlukan ?

Panduan jawaban :

e = 1 -

1 = 1 -

= 1 – 1

Tl = (0)(TH) = 0

Agar efisiensi ideal alias efisiensi mesin kalor sempurna bisa mencapai 100 % (semua kalor masukkan bisa digunakan untuk melakukan kerja) maka suhu pembuangan (TL) harus = 0 K.

Karena efisiensi 100 % tidak bisa dicapai oleh mesin kalor maka kita bisa menyimpulkan bahwa tidak mungkin semua kalor masukan (QH) digunakan untuk melakukan kerja.Pasti ada kalor yang

terbuang (QL). Hasil ini bisa ditulis dengan bahasa yang lebih gaul :

Tidak mungkin ada mesin kalor (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat mengubah semua kalor alias panas menjadi kerja seluruhnya (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Kelvin-Planck).

7. Sejumlah gas dalam sebuah wadah mengalami pemuaian adiabatik. Berapakah perubahan

entropi gas tersebut ?

Panduan juawaban :

Selama proses adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem (gas). Karena Q = 0 maka delta S = 0. Bisa disimpulkan bahwa pada proses pemuaian adiabatik, entropi sistem tidak berubah alias selalu konstan…

Bagaimanakah dengan penekanan adiabatik ? Pada dasarnya sama saja. Selama penekanan adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Karenanya entropi sistem tidak berubah alias selalu konstan.

8. Sebuah tangki berisi 4 liter gas oksigen (O2). Suhu gas oksigen tersebut = 20 oC dan tekanan

terukurnya = 20 x 105 _N/m2_{. Tentukan massa gas oksigen tersebut (massa molekul oksigen = 32}

PV = RT

tinggi, suhu di dalam ban naik menjadi 40 o_{C. Berapa tekanan di dalam ban sekarang ?}

Panduan jawaban :

Setelah suhu di dalam ban meningkat menjadi 40 o_{C, tekanan dalam ban bertambah menjadi}

327,4 kPa. Ini adalah tekanan ukur. Besarnya pertambahan tekanan adalah : 327,4 kPa – 300 kPa = 27,4 kPa

Kalau dihitung dalam persentase : x 100% = 0,09 %

Kenaikan tekanan di dalam ban sebesar 0,09 %

1 liter (L) = 1000 mililiter (mL) = 1000 centimeter kubik (cm3₎

1 liter (L) = 1 desimeter kubik (dm3_{) = 1 x 10}-3 _m3

Tekanan 1 N/m2 _{= 1 Pa}

1 atm = 1,013 x 105 _N/m2 _{= 1,013 x 10}5 _{Pa = 1,013 x 10}2 _{kPa = 101,3 kPa (biasanya dipakai 101}

kPa)

Pa = pascal atm = atmosfir

10. Suatu gas menerima kalor 4.000 kalori, menghasilkan usaha sebesar 8.000 J. Berapakah

perubahan energi dalam pada gas? (1 kalori = 4,18 joule)

Penyelesaian :

Q = 4.000 kalori = 16.720 J W = 8.000 J

∆U = ... ?

∆U = ∆Q – W = (16.720 – 8.000) J = 8.720 J

11. Sejumlah 4 mol gas helium suhunya dinaikkan dari 0 oC menjadi 100 oC pada tekanan tetap. Jika

konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan: a. perubahan energi dalam,

b. usaha yang dilakukan gas, dan

c. kalor yang diperlukan!

Penyelesaian:

n = 4 mol = 0,004 mol T1 = 0 oC = 0 + 273 = 273 K

T2 = 100 oC = 100 + 273 = 373 K

W = ... ? Q = ... ?

a. ∆U = n R (T1 - T2)

∆U = (0,004 8,314(373 273)) ∆U = 4,988 J

b. W = P (V2– V1)

W = nR(T2–T1) =

W = 0,004 x 8,314 (373 – 273) = 3,326 J

c. Q = ∆U x W

Q = (4,988 + 3,326) J = 8,314 J

12. Suatu mesin Carnot dengan reservoir panasnya bersuhu 400 K mempunyai efisiensi 40%. Jika

mesin tersebut reservoir panasnya bersuhu 640 K, tentukan efisiensinya!

Penyelesaian:

T1 = 400 K η1 = 40%

η= ... ? (T1 = 640 K)

η = x 100 % untuk T1 = 640 K maka :

0,4 = η = x 100 % 0,4= η = x 100 % = 0,4 η = 37,5 % T2 = 160 K

13. Suatu sistem gas berada dalam ruang yang fleksibel. Pada awalnya gas berada pada kondisi P1 =

1,5 × 105 _{N/m² , T}

1 = 27º C, dan V1 = 12 liter.Ketika gas menyerap kalor dari lingkungan secara

isobaric suhunya berubah menjadi 127º C. Hitunglah volume gas sekarang dan besar usaha luar yang dilakukan oleh gas!

P1 = 1,5 × 105 N/m2

T1 = 27 + 273 = 300 K

V1 = 12 liter = 1,2 × 10-2 m3

T2 = 127 + 273 = 400 K

P2 = P1 (isobarik)

a. V2= ... ?

b. W = ... ?

a. =

V2 =

V2 =

V2 = 1,6 x 10-2 m3

Jadi, volume gas akhirsebesar 1,6 × 10-2 _m3_.

b. W = P × ∆V = P × (V2 – V1)

W = 1,5 × 105 _{(1,6 × 10}-2 _{– 1,2 × 10}-2₎

W = (1,5 × 105_{) × (0,4 × 10}-2₎

W = 0,6 × 103

W = 6 × 102 _J

Jadi usaha luar yang dilakukanoleh gas sebesar W = 6 × 10² J

14. sepotong tembaga dengan massa m1 = 300 g temperature mula-mula t1 = 97 0C diletakkan dalam

sebuah calorimeter yang berisi air dengan massa 100 g dan suhu t2 = 7 0C. tentukan kenaikan

entropi dari system sesaat setelah tercapai keseimbangan thermal ? … abaikanlah kapasitas panas dari calorimeter ? …

penyelesaian

Qserap = Qlepas

Qair = QCu

m2 .c2(T – T2) = m1 . c1(T1 – T)

T =

T = 26,608940_{C = 299,60894 K}

15. ada bungkusan sebuah biskuit terdapat tulisan : karbohidrat = 10 kkal. Berapakah tambahan

energi yang diperoleh tubuh jika biskuit tersebut dimakan ? Panduan Jawaban :

1 kkal = 1000 kalori = 4.186 Joule

10 kkal = (10)(4186 Joule) = 41.860 Joule

1.

DAFTAR PUSTAKA

- Zemansky, Mark W,1982. Kalor dan Termodinamika.Penerbit ITB: Bandung

- Saad,Michel A, 2000, Termodinamika Prinsip dan Aplikasi. PABELA: Surakarta

- Bueche, Frederick J. 1992. Fisika teori dan soal-soal. Penerbit Erlangga: Jakarta.

- http: // hukum-hukum termodinamika.html (www.google.com)

- http:// persamaan keadaan.htm (www.google.com)

- http: //temodinamika « All About Fisika.htm (www.google.com)

- Asyari-Daryus, Termodinamika Teknik I Universitas Darma Persada – Jakarta. 10

Diposkan oleh irun khairunnisa di 23.30

2 komentar:

Trinawati amalia mengatakan... kak ini lagu apa

6 November 2013 02.57

irun khairunnisa mengatakan... forever young

6 November 2013 05.29 Poskan Komentar

Link ke posting ini

Buat sebuah Link

Posting Lebih Baru Posting Lama Beranda Langganan: Poskan Komentar (Atom)

 Follow Us on Twitter!

 "Join Us on Facebook!

Contact

Blogger templates

Blogger news

Labels

 E-BOOK (1)

 Fisika Inti (3)

 Info Fisika (3)

 Kuliah Fisika (11)

 Laboratorium (2)

 Pendidikan (6)

 Software (3)

 Tokoh Fisika (5)

Blogroll

Pages

 Beranda

Pengunjung

45528

Blogger templates

Forever Young – One Direction Song Lyrics Diberdayakan oleh Blogger.

 Beranda

Google+ Badge

Mengenai Saya

irun khairunnisa Lihat profil lengkapku

followers

Share

Latest Tweets

...searching twitter...

Theme by Site5.

Experts in Web Hosting.