Bab 11 B Panas Hukum I Termodinamika

Panas & Hukum Pertama

Termodinamika

In this photograph of Bow Lake in Banf National Park, Alberta, we see evidence of water in all three phases. In the lake is liquid water, and solid water in the form of snow

appears on the ground. The clouds in the sky consist of liquid water droplets that have

condensed from the gaseous water vapor in the air.

Changes of a substance from one phase

to another are a result of energy transfer.

Panas dan Energi Dalam

Energi Dalam (

Internal

Energy

, U)

• _{Energi kinetik translasi} • _{Rotasi molekular}

• _{Vibrasi ikatan}

• _{Tarikan intermolekul} • _{Ikatan kimia}

• _{Elektron-elektron}

Energi Dalam adalah energi total

(potensial dan kinetik) di dalam sistem

yang berhubungan dengan

Panas adalah energi yang

mengalir antara sistem dan

lingkungannya karena

perbedaan temperatur antara

keduanya

.

Saat memanaskan bahan, kita memindahkan energi ke dalam bahan tersebut dengan

menempatkannya pada

lingkungan dengan temperatur lebih tinggi. Contoh: saat satu panci diletakkan di atas

kompor (kompor memiliki temperatur lebih tinggi

daripada air) maka air

memperoleh energi dalam bentuk panas.

Istilah panas juga digunakan untuk menyatakan jumlah yang dipindahkan dengan metode seperti ini.

Panas (Heat, Q)

• _{Panas mengalir dari kompor} ke air

• _{Temperatur air naik}

Beda antara panas dan energi dalam, analogi dengan beda antara kerja dan energi mekanik.

Kerja yang dilakukan pada suatu sistem adalah ukuran jumlah energi yang ditransfer ke sistem dari lingkungannya, sedangkan energi mekanik sistem tersebut adalah konsekuensi dari gerak dan konfigurasi sistem tersebut.

Bila seseorang melakukan kerja pada suatu sistem, energi ditransfer dari

orang tersebut ke sistem tersebut. Kerja dari suatu sistem tidak memiliki arti – orang hanya dapat mengacu hanya pada kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem.

Panas dan kerja bukan sifat intrinsik suatu sistem.

Kita tidak dapat mengatakan suatu sistem “mengandung”

sejumlah tertentu panas atau kerja. Keduanya bukan fungsi

keadaan.

Keduanya, panas dan kerja, berhubungan dengan “proses

termodinamika”. Panas hanya dapat diacu bila energi

Sistem adalah air dalam wadah terisolasi termal. Kerja dilakukan pada air oleh roda pedal yang berputar, yang dihasilkan oleh balok yang jatuh dengan kelajuan tetap.

Temperatur air naik karena gesekan dengan pedal. Jika energi pada pemutar dan yang melewati

dinding diabaikan, maka kehilangan energi

potensial balok setara dengan kerja oleh pedal pada air. Jika kedua balok jauh sejauh jarak h, kehilngan energi potensial adalah 2mgh, dimana m adalah

massa balok; energi ini menyebabkan temperatur air naik. Joule menemukan bahwa energi mekanik

2mgh sebanding dengan kenaikan temperatur air, ΔT. Konstanta pembanding ditemukan kira-kira 4,18 J/g . _{°C. Disini, energi mekanik 4,18 J}

menaikkan temperatur dari 1 g air sebanyak 1°C. Dari pengukuran lebih akurat ditemukan

kesebandingan tersebut adalah 4,186 J/g._{°C bila} temperatur air naik dari 14,5°C ke 15,5°C. Dari sini diperoleh:

J

186

,

4

cal

1



Persamaan ini dengan kesetaraan mekanis dari panas (mechanical

equivalent of heat).

• _{Panas setara dengan energi, sehingga satuannya adalah satuan}

energi. Energi mempunyai satuan Joules, tetapi, panas mempunyai satuan khusus, yaitu calorie.

• _{Satu calorie adalah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan}

temperatur satu gram air sebanyak 1 Co. • _{1cal = 4,186J}

• _{1kcal = 1000 cals}

• _{1Cal (kandungan energi dari makanan) = 1000 cals} • _{1 Btu = 252 cal =1055 J}

Satuan Panas

• calorie (cal) is defined as the amount of energy transfer necessary to raise the temperature of 1 g of water from 14.5°C to 15.5°C.1

• (Note that the “Calorie,” written with a capital “C” and used in describing the energy content of foods, is actually a kilocalorie.)

Q

 

T

Bila suatu sistem diberi energi, dan tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial, maka temperatur sistem akan naik (kecuali saat sistem mengalami perubahan fasa).

Jumlah energi panas (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu zat sebanding dengan perubahan temperatur dan massa zat tersebut. Jumlah ini berbeda bila jenis zat berbeda.

Q C T

 

C disebut kapasitas panas zat

C didefensikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur suatu zat sebanyak satu derajat.

Kapasitas Panas dan Panas Jenis

Heat Capacity and Specific Heat

C

c

m



Panas jenis (c) adalah kapasitas panas per satuan massa.

Salah satu cara mengukur panas jenis yang terlibat dalam

memanaskan suatu sampel ke temperatur tertentu Tx, letakkan sampel tersebut ke dalam wadah berisi air yang diketahui massanya dan

temperatur Tw < Tx, dan ukur temperatur air setelah kesetimbangan tercapai.

Teknik ini disebut calorimetry, dan alatnya disebut calorimeter. Jika sistem sampel dan air

terisolasi, menurut hukum

kekekalan energi maka jumlah

energi yang meninggalkan sampel (yang panas jenisnya tidak

diketahui) sama dengan jumlah energi yang masuk ke air.

Berdasarkan hukum kekekalan energi dapat ditulis:

Q

_dingin

= - Q

_panas

Anggap m_x adalah massa sampel dari bahan yang akan ditentukan

panas jenisnya. Panas jenis misalnya dinamakan adalah c_x dan

temperatur awalnya T_x . Dengan cara yang sama m_w, c_w, dan T_w

menyatakan nilai yang berhubungan untuk air. Jika T_f adalah

temperatur kesetimbangan akhir setelah semuanya tercampur, maka

transfer energi untuk air adalah m_wc_w(T_f - T_w), yang bernilai positif

karena T_f > T_w , dan transfer energi untuk sampel adalah m_xc_x(T_f - T_x),

yang bernilai negatif.



f w



x x



f x



w

w

c

T

T

m

c

T

T

Pada saat terjadi perubahan fasa, zat menyerap sejumlah

panas tetapi tidak terjadi perubahan temperatur.

Panas yang dibutuhkan dalam perubahan fasa sebanding

dengan massa zat dan jenis bahan zat tersebut.

mL

Q



Panas Laten Peleburan

L = Panas laten peleburan atau kalor lebur (J/kg)

Panas Laten

mU

Q



U = Panas laten penguapan atau kalor uap (J/kg)

Grafik temperatur-kalor untuk es dengan temperatur di bawah 0oC

yang dipanaskan sampai temperatur di atas 100oC.

mU

Q

_de



Q

ef



mc

uap



T

ef

cd air

cd

mc

T

Q





mL

Q

_bc



ab es

ab

mc

T

Langkah-Langkah Penyelesaian Soal

tentang kalor



Perhatikan berapa jenis zat yang terlibat, catat data

masing-masing.



Buat grafik temperatur-kalor tiap zat

•

Untuk zat yang mengalami perubahan suhu,

grafiknya berbetuk garis miring

•

Untuk zat yang mengalami perubahan wujud,

grafiknya datar

•

Hitung kalor yang diterima masing-masing

•

Sistem (system) adalah sekumpulan benda

yang menjadi perhatian.

•

Lingkungan (surrounding / environment)

adalah segala sesuatu di luar sistem.

•

System + Surroundings = Universe

(sistem + lingkungan = semesta)

_{Kerja (W) adalah positif untuk usaha yang dilakukan}

pada sistem oleh lingkungan.

_{Kerja adalah negatif jika usaha dilakukan pada}

lingkungan.

Contoh: gas mengembang melawan piston  sistem melakukan kerja (W negatif).

_{Panas (Q) adalah positif jika masuk ke dalam}

sistem.

_{Panas Q adalah negatif bila ke luar dari sistem.}

Dalam pendekatan makroskopik pada termodinamika,

keadaan (

state

) sistem digambarkan menggunakan variabel

•

tekanan (

pressure

,

P

),

•

volume (

V

),

•

temperatur (

T

), dan

•

energi dalam (

U

)

Besaran-besaran ini disebut

variabel keadaan

(

state

variables

). Untuk setiap konfigurasi sistem, dapat

diidentifikasi nilai variabel keadaan.

Keadaan makroskopik sistem terisolasi dapat ditentukan

hanya bila sistem tersebut dalam kesetimbangan termal.

Kategori kedua variabel dalam situasi yang melibatkan

energi adalah

variabel perpindahan

(

transfer variables

).

Variabel ini bernilai nol, kecuali suatu proses terjadi dimana

energi dipindahkan (ditransfer) melewati batas sistem.

Karena perpindahan energi melewati batas menyatakan

suatu perubahan di dalam sistem tersebut, variabel

perubahan tidak berhubungan dengan keadaan sistem, tetapi

dengan perubahan keadaan sistem.

Perhatikan suatu sistem piston dan

silinder berisi gas dengan volume V dan memberikan tekanan P pada dinding silinder dan piston. Jika luas piston adalah A, gaya oleh gas pada piston adalah F = PA. Jika piston ditekan ke arah dalam (tapi tetap setimbang

termal), kerja pada gas:

Di sini, akan dikaji variabel perpindahan yang lain yaitu kerja,

khususnya kerja pada sistem yang dapat berubah bentuk (deformable, yaitu gas.

Jika gas ditekan maka

dV

negatif, maka kerja positif.

Untuk mengetahui integral ini, maka bentuk fungsi P

harus diketahui. Secara umum, tekanan tidak konstan selama proses yang dialami oleh gas, tetapi bergantung volume dan temperatur.

Kerja total yang dilakukan pada gas jika volumenya berubah dari V_i

ke V_f dinyatakan oleh:

Jika tekanan dan volume diketahui pada setiap tahap dari proses, maka keadaan gas tersebut pada setiap tahap dapat diplot pada suatu grafik yang disebut

diagram PV. Diagram ini dapat

memvisualisasikan suatu proses yang sedang dijalani suatu gas. Kurva pada

suatu diagram PV disebut lintasan (path) yang dilalui antara posisi awal dan akhir.

Kerja

pada atau oleh gas dari keadaan awal ke

keadaan akhir

bergantung pada lintasan

yang

dilalui antara dua keadaan tersebut.

---> Gaya tekan oleh gas bukan gaya konservatif.

Perhatikan proses penekanan pada suatu gas dalam silinder, kerja yang dilakukan bergantung pada lintasan yang dilalui dari posisi awal ke posisi akhir.

Perpindahan energi oleh panas (Q) ke dalam atau ke luar sistem juga bergantung pada proses.

Perhatikan gambar di samping. Gas memiliki volume, temperatur, dan tekanan yang sama dan diasumsikan ideal. Gas terisolasi termal dari lingkungan kecuali pada bagian bawah, dimana ada kontak termal dengan reservoir energi.

Piston ditahan pada posisi awalnya dengan agen luar, misalnya tangan. Bila gaya yang menahan piston dikurangi sedikit, piston naik perlahan ke posisi akhirnya. Karena piston bergerak ke atas maka gas melakukan kerja.

Selama ekspansi ke volume akhir V_f, energi panas masuk dari reservoir ke gas untuk mempertahankan temperatur tetap T_i.

Perhatikan suatu sistem yang terisolasi termal sempurna seperti gambar di

samping. Bila membran tiba-tiba dirobek maka gas mengembang dekan cepat ke daerah vakum sampai mengisi volume V_f

dan pada tekanan P_f.

Gas tidak melakukan kerja karena tidak ada gaya padanya. Tidak ada gaya yang diperlukan untuk membuat gas

mengembang. Tidak ada energi yang dipindahkan panas melewati dinding isolasi.

Proses ini memiliki keadaan awal dan akhir sama dengan Gambar pada slide sebelumnya, tetapi lintasan berbeda.

Jadi, energi yang dipindahkan oleh panas, seperti kerja yang

Kedua mekanisme ini menyebabkan perubahan energi-dalam sistem dan menghasilkan

perubahan yang dapat diukur pada variabel makroskopik dari sistem tersebut seperti tekanan, temperatur dan volume suatu gas.

Hukum Pertama Termodinamika

Ada dua cara energi dipindahkan antara sistem dan lingkungannya.

1. kerja pada sistem (ada perpindahan

makroskopik pada titik yang dikenai gaya). 2. panas, pada level molekular bilamana

Suatu sistem berubah dari kedaan awal (P_i, V_i) ke keadaan akhir (P_f, V_f).

Selama perubahan ini, terjadi perpindahan panas (Q) ke sistem, dan

kerja (W) dilakukan pada sistem. Jika Q+W diukur diukur untuk

berbagai lintasan, hasilnya sama untuk semua lintasan. Jadi Q+W

ditentukan sepenuhnya oleh kedaan awal dan akhir, kuantitas ini disebut

perubahan energi-dalam (ΔU) sistem.

W

Q

U







Persamaan ini disebut Hukum Pertama Termodinamika (First law of thermodynamics)

Konsekuensi dari hukum ini adalah terdapatnya suatu kuantitas yang dikenal dengan energi dalam yang nilainya ditentukan oleh keadaan sistem. Jadi energi dalam adalah variabel keadaan seperti tekanan, volume, dan temperatur.

dW

dQ

Sistem tidak berinteraksi dengan lingkungan. Tidak ada perpindahan energi oleh panas (Q=0) dan tidak ada kerja yang dilakukan pada sistem (W=0). Karena

Q = W = 0, maka ΔU = 0, dan

U_akhir = U_awal

Energi dalam sistem terisolasi adalah konstan.

Sistem tidak terisolasi, proses berupa suatu siklus (proses yang dimulai dan berakhir di keadaan yang sama). Disini, perubahan energi dalam adalah nol,

karena U adalah variabel keadaan, dan jadinya energi panas Q yang ditambahkan pada sistem sama dengan kerja W pada sistem. ΔU = 0 dan Q = -W.

Kasus Khusus Hukum Pertama Termodinamika

Proses Siklus

Aplikasi Hukum Pertama Termodinamika

Tidak ada energi panas keluar atau masuk sistem (Q=0). Dinding atau batas-sistem terisolasi termal.

Jika suatu gas ditekan secara adiabatik sehingga W

positif, dan ΔU positif dan temperatur gas naik.

Sebaliknya, temperatur gas turun bila gas tersebut mengembang (berekspansi) secara adiabatik.

W

Q

U







W

U





Proses yang terjadi pada tekanan tetap disebut proses isobarik. Proses ini dapat dibuat dengan membiarkan piston bergerak bebas sehingga piston selalu dalam kesetimbangan antara gaya netto dari tekanan gas ke atas dan berat piston ditambah gaya karena tekanan atmosferik ke arah bawah.

Pada proses ini, nilai panas dan kerja biasanya tidak nol.

Proses Isobarik



Vf Vi



P

Proses yang berlangsung pada volume tetap disebut proses isovolum. Tahan piston pada posisi tetap akan menjamin terjadinya proses

isovolum. Kerja yang dilakukan adalah nol karena volume tidak berubah.

Proses

Isovolum

Bila energi ditambahkan pada sistem pada volume tetap, maka semua energi yang dipindahkan tetap di dalam sistem sehingga energi-dalam sistem naik.

Contoh: kaleng cat semprot didekatkan ke api, energi masuk ke dalam sistem (gas di dalam kaleng) oleh panas melewati dinding kaleng.

Sehingga, temperatur dan tekanan di dalam kaleng naik.

W

= 0

Proses yang berlangsung pada temperatur tetap

disebut proses isotermal. Proses ini dapat

dibuat dengan meletakkan silinder dalam

kontak termal dengan reservoir dengan

temperatur tetap. Energi-dalam gas ideal hanya

fungsi temperatur, sehingga

Proses Isotermal

Semua energi panas yang masuk sistem

dipindahkan ke luar sistem sebagai kerja,

sehingga tidak ada perubahan energi-dalam

sistem.

Δ

U

= 0

(a). Kerja pada volume konstan

0



W

P

V

i

V

f

(b). Kerja pada tekanan konstan













PdV

P

dV

W

V P

i

V

V

_f

V

_f

>

V

_i

→ W

<

0

: kerja dilakukan oleh sistem

(gas).

V

_f

<

V

_i

→ W

>

0

: kerja dilakukan pada sistem

(gas).



V

V



P

V

P

Kurva PV adalah sebuah hiperbola. Kurva PV = konstan

disebut suatu “isotherm ”.

f

ln

i V _f V i

V

nRT

dV

W

PdV

dV

nRT

nRT

V

V

V

 



 



 



 

nRT

P

V



constant

PV



KERJA GAS IDEAL PADA KONDISI ADIABATIK

• _{Kondisi adiabatik: sistem terisolasi dari pengaruh lingkungan}

(Q = 0).

• _{Persamaan gas ideal:}

   f f i

i

V

P

V

P

konst

PV

 



V

V

P

P

i i

1 1 1

-(

)

[(

)

1]

1

1

f i V i i i i V

i i i i i

i f

f

PV

dV

W

PdV

dV

PV

V

V

PV

PV

V

V

V

V

       





  



 

 

 

















 



_{f f} i

V

P

V

P

_i

1

(

)

1

f f i i

W

P V

PV







Contoh Soal:

Panas dipindahkan secara langsung melalui sebuah material,

tanpa disertai perpindahan partikel.

• The efectiveness of a material in conducting heat is

characterized by a parameter called the thermal conductivity

• there are good thermal conductors (metals) and poor

Konvek

si

•

Panas dipindahkan dari satu tempat ke

tempat lain oleh partikel zat cair atau gas.

•

Tidak terjadi pada zat padat.

•

Ketika air direbus, air panas naik dan

bercampur dengan air yang dingin, dengan

demikian panas ditransfer ke air dingin.

•

Udara panas akan bergerak naik, proses inilah

yang terjadi pada atmosfer kita, sehingga

Konveksi di dalam rumah

Angin

Sea Breeze

•

Radiasi atau pancaran

adalah perpindahan

kalor dalam bentuk

gelombang

elektromagnetik.

•

Laju radiasi bergantung

pada luas penampang

dan pangkat empat

temperatur.

Radiasi

•

Benda gelap menyerap sebagian besar

radiasi padanya.

•

Jika sebuah benda memancarkan radiasi

lebih banyak dari yang diterimanya, akan