KALOR DAN HUKUM
KE-1TERMODINAMIKA
OLEH :
Kelompok 8
1. NANDA RAHMADANI
2. LINDA RAMADHANI HARAHAP
3. TESYA NATALIA MARPAUNG
4. SAMUEL TOM W. PADANG
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MEDAN
2016
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Kuasa atas segala limpahan Rahmat sehingga kami dapat menyelesaikan penyusunan makalah ini dalam bentuk maupun isinya yang sangat sederhana. Makalah ini kami buat untuk melengkapi tugas mata kuliah Termodinamika.
Harapan kami semoga makalah ini membantu menambah pengetahuan dan pengalaman bagi para pembaca, sehingga kami dapat memperbaiki bentuk maupun isi makalah ini sehingga kedepannya dapat lebih baik.
Makalah ini kami akui masih banyak kekurangan karena pengalaman yang saya miliki sangat kurang. Oleh karena itu kami harapkan kepada para pembaca untuk memberikan masukan-masukan yang bersifat membangun untuk kesempurnaan makalah ini.
Medan, 25 September 2016
Daftar Isi :
KATA PENGANTAR……….………….i
DAFTAR ISI………..………..ii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang………...………..………...1
1.2. Rumusan Masalah………..……….1
1.3. Tujuan………..……...1
BAB II PEMBAHASAN 2.1 Kalor………2
2.2 Perpindahan Kalor Secara Kuasistatik……….3
2.3 Perumusan Hukum Ke-1 Termodinamika……….5
2.4 Kapasitor Kalor……….7
2.5 Persamaan Untuk Sistem Hidrostatik………..9
BAB III PENUTUP 3.1. Kesimpulan……….11
3.2. Saran……….……….11
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Termodinamika berasal dari bahasa Yunani: thermos = panas
and dynamic = perubahan, dengan kata lain termodinamika adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika
berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan
termodinamika berasal. Jadi, secara kompleks termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja.
Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu, energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dimusnahkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya dengan hukum–hukum dasar pada termodinamika. Dalam makalah ini kami akan membahas tentang hukum pertama termodinamika dan kapasitas kalor gas. 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 kecuali perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan.
1.2 Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud dengan kalor ?
2. Bagaimana proses perpindahan kalor secara kuasistatik? 3. Bagaimana perumusan pada hukum ke-1 termodinamika? 4. Apa yang dimaksud kapasitas kalor ?
5. Bagaimana persamaan untuk system hidrostatis?
1.3 Tujuan
1. Mengetahui definisi dari kalor
2. Mengetahui proses perpindahan kalor secara kuasistatik
3. Dapat menuliskan perumusan pada hukum ke-1 termodinamika 4. Mengetahui definisi dari kapasitas kalor
5. Mengetahui persamaan untuk system hidrostatis
BAB II
Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit.
Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor : massa zat, jenis zat (kalor jenis), perubahan suhu Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :
Q = m.c.(t2 – t1)
Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis
Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang
digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)
Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c) :
1. Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.
H = Q/(t2-t1)
2. Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.
c = Q/m.(t2-t1)
Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru
H = m.c
pembahasan ini hanya akan diulas tentang hubungan energi listrik dengan energi kalor. Alat yang digunakan mengubah energi listrik menjadi energi kalor adalah ketel listrik, pemanas listrik, dll.
Besarnya energi listrik yang diubah atau diserap sama dengan besar kalor yang dihasilkan. Sehingga secara matematis dapat dirumuskan:
W = Q
Untuk menghitung energi listrik digunakan persamaan sebagai berikut :
W = P.t
Keterangan :
W adalah energi listrik (J) P adalah daya listrik (W)
t adalah waktu yang diperlukan (s)
Bila rumus kalor yang digunakan adalah Q = m.c.(t2 – t1) maka diperoleh persamaan :
P.t = m.c.(t2 – t1)
4.2 Perpindahan Kalor Secara Kuasistatik
Setiap proses termodinamika ditandai oleh perubahan variabel termodinamika makroskopik yang terkait dengannya. Sebuah proses isotermal adalah saat di mana semua perkembangan terjadi pada suhu konstan.
Dalam bahasa termodinamika, itu adalah proses yang ditandai dengan ΔT = 0. Ini dapat terjadi karena kontak dengan reservoir termal. Pertukaran kalor sistem dan perubahan keadaan perlahan-lahan (ΔQ ≠ 0), sambil mempertahankan suhu, yang sama dengan suhu reservoir.
Hukum gas ideal dinyatakan sebagai: PV = nRT, dimana P adalah tekanan, V adalah volume, dan T adalah suhu sistem, sedangkan ‘n’ adalah jumlah mol gas. Selama proses isotermal, ‘nRT’ menjadi konstan dan persamaan keadaan untuk gas dapat ditulis sebagai:
Ini adalah Hukum Boyle dalam termodinamika, yang menggambarkan variasi volume dan tekanan, dalam kondisi isotermal. Jika grafik perubahan tekanan dan volume yang dihasilkan, untuk suhu konstan, berbagai variasi tekanan dan volume akan memenuhi persamaan tersebut. Sebuah grafik dapat dihasilkan, yang menampilkan perkembangan dari sistem, di bawah kondisi isotermal.
Semua kurva ini dikenal sebagai ‘Isotermal’. Dalam kasus gas ideal, selama proses isotermal, energi internal tetap tidak berubah, karena suhu tetap (ΔU = 0) konstan. Namun, karena hukum pertama termodinamika, dalam hal ini menyatakan bahwa ΔU = ΔQ + ΔW, kita sampai pada kesimpulan bahwa ΔQ = – ΔW. Ini berarti bahwa semua masukan kalor dari sistem tersebut digunakan untuk melakukan usaha.
Untuk proses reversibel, ekspresi untuk usaha yang dilakukan, diberikan oleh persamaan berikut:
Wiso = – nRT ln (Vfinal / Vinitial)
Dalam persamaan ini, Wiso adalah usaha yang dilakukan dalam proses isotermal, Vfinal
adalah volume akhir, dan Vinitial adalah volume awal dari sistem, yang mengalami perubahan
isotermal. Jika gas akan dikompresi, karena sistem ini mengalami proses isotermal (Vfinal –
Vinitial <0), maka menurut persamaan di atas, usaha yang dilakukan akan menjadi positif. Itu
berarti usaha yang positif telah dilakukan oleh lingkungan, pada sistem.
Sedangkan, jika gas mengembang karena sistem berjalan melalui proses isotermal (Vfinal – Vinitial> 0), usaha yang dilakukan adalah negatif. Dalam hal ini, usaha dilakukan oleh
sistem, untuk ekspansi.
Ini adalah proses termodinamika yang penting untuk dipelajari, yang memiliki
aplikasi luas dalam bidang sains dan teknik. Hal ini penting ketika mempelajari siklus Carnot, yang merupakan salah satu proses yang paling penting dalam termodinamika teknik.
Keseluruhan energi potensial dan energi kinetik zat-zat yang terdapat dalam suatu sistem, disebut energi dalam, U.
ENERGI DALAM merupakan fungsi keadaan karena besarnya hanya bergantung pada keadaan sistem.
Bila dalam suatu perubahan sistem menyerap sejumlah (kecil) kalor, δq, dan melakukan kerja (kecil), δw, maka sistem akan mengalami perubahan energi dalam, dU, sebesar
dU = δq + δw..………(1)
untuk perubahan yang besar pada suatu sistem dari keadaan 1 (energi dalam U1) ke keadaan 2 (energi dalam U2), maka akan terjadi perubahan energi dalam (ΔU), sebesar
ΔU = U2 - U1………(2)
sehingga diperoleh
U2 - U1 = q + w.………(3) ΔU = q + w…………………..(4)
Persamaan (4) merupakan bentuk matematik dari hukum pertama termodinamika. Menurut ungkapan ini, energi suatu sistem dapat berubah melalui kalor dan kerja. Bila kerja yang dilakukan oleh sistem hanya terbatas pada kerja ekspansi (misalnya pada kebanyakan reaksi kimia), maka persamaan (4) dapat diubah menjadi
dU = δq – p dV.……..…………(5) pada volume tetap, dV = 0,
maka : dU = δq.……….. (6) atau untuk perubahan besar,
ΔU = q………. (7)
Menurut persamaan (7) perubahan energi dalam adalah kalor yang diserap oleh sistem bila proses berlangsung pada volume tetap.
Fungsi Entalpi dan Perubahan Entalpi :
Kebanyakan reaksi-reaksi kimia dilakukan pada tekanan tetap yang sama dengan tekanan atmosfir.
Dalam hal ini, bila pada persamaan (11) dU = δq – p dV
diintegrasikan (di mana p ialah tekanan sistem), Akan diperoleh
U2 – U1= q - p(V2- V1)………..(8)
p1= p2= p, maka
(U2+ p2V2) - (U1+ p1V1) = q……… (9)
oleh karena U, p dan V adalah fungsi keadaan, maka (U + pV) juga merupakan fungsi keadaan.
Fungsi ini disebut ENTALPI, H,
H=U+pV .
Jadi, menurut persamaan (9),
H2- H1= q
ΔH = q………...(10)
Berdasarkan hasil ini dapat dikatakan bahwa :
KALOR YANG DIPERTUKARKAN ANTARA SISTEM DAN LINGKUNGAN PADA TEKANAN TETAP BESARNYA SAMA DENGAN PERUBAHAN ENTALPI SISTEM.
Mengingat entalpi, H merupakan fungsi keadaan, maka perubahan entalpi, ΔH, hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem.
4.4 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
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
Jika besaran QP dan QV dimasukkan ke dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika,
a. Pada proses isokhorik
QV = ΔU + W
Oleh karena dalam proses ini volume sistem tetap (ΔU = 0) maka usaha sistem W = 0 sehingga didapatkan persamaan :
QV = ΔU
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
Dengan melakukan substitusi Persamaan Qp = ΔU + p ΔV atau Qp – QV = p ΔV
Selanjutnya, diperoleh persamaan
(Cp ΔT) – (CV ΔT) = p ΔV
(Cp CV)ΔT = p ΔV
Cp – CV = p ΔV / ΔT
Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal pV = nRT,
Cp – CV = nR
Untuk gas monoatomik, energi dalam gas dinyatakan dengan persamaan :
Dengan demikian, kapasitas kalor pada proses isokhorik (QV = ΔU) dapat dituliskan sebagai :
CV = 3/2 nR (9–26)
Catatan Fisika :
Umumnya memasak melibatkan proses isobarik. Hal ini disebabkan karena tekanan udara di atas panci, wajan, atau dalam oven microwave tetap konstan sementara makanan dipanaskan. (Sumber: Fisika Universitas, 2000)
Besar Cp dapat ditentukan dari Persamaan sehingga diperoleh :
Cp = CV + nR
Cp = 3/2 nR + nR
Cp = 5/2 nR
4.5 Persamaan Untuk Sistem Hidrostatis
Sistem hidrostatis merupakan zat kimia yang tidak diperhatikan sifat kelistrikannya, kemagnetannya, elastisitasnya, dan sifat tegangan permukaannnya. Sistem hidrostatis ada dua, yaitu: zat murni dan zat tak murni. Contoh sistem hidrostatis adalah: gas, cairan, atau padatan.
Sistem hidrostatis disebut zat murni apabila terdiri atas satu senyawa kimia saja dan berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: Es (H2O), Air (H2O), Uap Air
(H2O), Karbondioksida (CO2), Hidrogen (H2), Nitrogen (N2), atau Oksigen (O2).
Karbondioksida, hidrogen, nitrogen, dan oksigen dapat berada dalam wujud padatan, gas, maupun cairan.
Sistem hidrostatis disebut zat tak murni apabila terdiri atas campuran zat murni yang berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: udara yang terdiri dari campuran oksigen, nitrogen, uap air, dan karbondioksida. Dalam udara masih ada beberapa jenis gas lagi, namun jumlahnya sedikit sekali, misalnya gas argon, helium, neon, dan gas kripton.
Persamaan keadaan sistem hidrostatis dinyatakan dalam fungsi
b. Gas Clausius, dengan persamaan kedaan: p (v – b) = R T
c. Gas van der Waals, dengan persamaan keadaan
Dalam bentuk lain persamaan keadaan gas van der Waals dapat ditulis sebagai berikut.
p v2 – (p b + R T) v2 + a v – a b = 0
d. Persamaan keadaan gas real sebagai berikut.
A, B, C, dan seterusnya disebut sebagai koefisien virial yang merupakan fungsi temperatur. Karena persamaan 3.8.b sama dengan persamaan 3.9, maka diperoleh:
BAB III
PENUTUP
3.1 Kesimpulan
Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Setiap proses termodinamika ditandai oleh perubahan variabel termodinamika makroskopik yang terkait dengannya. Sebuah proses isotermal adalah saat di mana semua perkembangan terjadi pada suhu konstan. Bila dalam suatu perubahan sistem menyerap sejumlah (kecil) kalor, δq, dan melakukan kerja (kecil), δw, maka sistem akan mengalami perubahan energi dalam, dU, sebesar dU = δq + δw. 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. Sistem hidrostatis disebut zat tak murni apabila terdiri atas campuran zat murni yang berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: udara yang terdiri dari campuran oksigen, nitrogen, uap air, dan karbondioksida. Dalam udara masih ada beberapa jenis gas lagi, namun jumlahnya sedikit sekali, misalnya gas argon, helium, neon, dan gas kripton. Persamaan keadaan sistem hidrostatis dinyatakan dalam fungsi : f(p,V.T) = 0
3.2 Saran
Dengan adanya makalah ini, penulis berharap makalah ini dapat dijadikan sebagai bahan referensi dalam memahami dunia fisika khususnya mengenai termodinamika. Makalah ini juga dapat dijadikan sebagai bahan ajar. Dan mudah-mudahan dapat bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari.
Daftar Pustaka
http://14komangekayanapendidikanfisika69.blogspot.co.id/2014/02/materi-tentang-kalor-lengkap.html
