157
HUKUM I TERMODINAMIKA
I. IDENTITAS
Mata kuliah : Fisika Umum
Program Studi : Fisika/Pendidikan Fisika Jurusan : Fisika
Fakultas : MIPA
Dosen : Tim Fisika Umum SKS : 4 sks
Kode : FMA 019 Minggu ke : 13 dan 14
II. CAPAIAN PEMBELAJARAN
Mengaplikasikan konsep dasar tentang hukum 1 termodinamika pada persoalan fisika sederhana
III. MATERI
A. Pendahuluan
Termodinamika bagian dari fisika yang mempelajari hubungan antara kalor dengan usaha mekanik atau bentuk lain dari energi yang didasarkan atas dua hukum utama yaitu hukum pertama dan hukum ke dua termodinamika. Termodinamika merupakan ilmu empiris, sehingga hukum-hukum yang dikembang-kan berdasarkan pengamatan dan fakta eksperimental.
Prinsip–prinsip termodinamika dipakai pada perencanaan motor bakar, pesawat pendingin, pusat tenaga nuklir, roket, pesawat yang menggunakan energi listrik, aliran kalor dan kesetimbangan reaksi kimia.
B. Sistem Termodinamika
Kumpulan benda-benda atau objek telaah dalam termodinamika disebut sistem, Sedangkan semua yang terdapat diluar sistem disebut lingkungan, secara keseluruhan sistem dan lingkungan membentuk alam semesta.
158 perpindahan kalor dan perantaraan kerja, sehingga sistem dapat dibedakan atas 3 macam, yaitu :
1. sistem terbuka , yaitu suatu sistem yang dapat melakukan pertukaran energi atau benda/zat sistem dengan lingkungannya, misalnya pompa, kompressor udara dll. 2. sistem tertutup, yaitu sistem yang hanya dapat melakukan pertukaran energi
dengan lingkungannya, misalnya ; gas dalam silinder yang dilengkapi dengan piston.
3. sistem terisolasi, yaitu sistem yang tidak dapat melakukan pertukaran energi dan benda/zat sistem dengan lingkungannya.
C. Koordinat Termodinamika
Sifat atau keadaan sistem ditentukan oleh besaran-besaran seperti ; volume, tekanan, temperatur, kapasitas kalor, massa jenis dsb. Besaran besaran yang mempengaruhi sifat-sifat atau keadaan sistem disebut koordinat termodinamika /koordinat sistem atau variable keadaan sistem. Variabel keadaan sistem ini dibedakan atas :
1. variabel ekstensif, yaitu variable keadaan yang dipengaruhi oleh massa atau jumlah mol sistem, seperti volume dan energi
2. variabel intensif, yaitu variabel keadaan yang tidak dipengaruhi oleh massa atau jumlah mol sistem
D. Keseimbangan Termodinamik
Bila suatu sistem dalam keadaan setimbang termal, setimbang mekanik, dan setimbang kimia, dikatakan sistem tersebut berada dalam keadaan setimbang termodinamik. Dalam keadaan setimbang antara variabel-variabel sistem memberikan gambaran mengenai keadaan sistem. Hubungan antara sesama variebel/koordinat sistem disebut persamaan keadaan sistem. Perubahan salah satu atau lebih variabel keadaan sistem disebut proses . Jadi proses dalam termodinamika dapat diartikan sebagai interaksi antara sistem dan lingkungan yang mengubah keadaan sistem dari keadaan keseimbangan awal (i) menjadi keseimbangan akhir (f).
159 selama proses kuasistatik dianggap sistem berada dala keseimbangan. Dalam kenyataan proses kuasistatik sebenarnya tidak ada, dan ini merupakan suatu proses ideal yang dimaksudkan untuk mempermudah pembahasan. Proses yang dijumpai dalam kenyataan adalah proses nonkuasistatik.
2. Proses isometric (isovolum, isokhorik) adalah proses yang berlangsung pada volume tetap.
3. Proses Isobarik adalah proses yang berlangsung pada tekanan tetap 4. Proses isotermal adalah proses yang berlangsung pada temperatur tetap. E. Persamaan Keadaan Sistem
Persamaan keadaan yang paling sederhana adalah persamaan gas ideal yang diperoleh melalui eksperimen.
Misalkan dari hasil pengukuran n kmol gas CO2 pada pada suatu saat , temperatur,
volume, dan tekanan masing-masing adalah T, V, dan p . Bila v = V/n (volume jenis molar), maka selanjutnya di hitung harga ( pv) / T nya. Kalau v di ubah-ubah pada T tetap, maka harga p akan berubah-ubah pula. Untuk tiap harga V dihitung harga ( pv) / T nya. Harga ( pv) / T dijadikan sumbu koordinat, dapn p sebagai absis. Percobaan ini dilakukan untuk berbagai harga temperatur. Grafik hasil percobaan adalah seperti oad gambar berikut ini.
Bila CO2 diganti dengan O2 grafiknya akan tetap menuju titik R sehingga dapat
disimpulkan bahwa :
1. Pada semua temperatur grafik memotong sumbu ordinat ( pv) / T pada titik yang sama
600C 1370C
2520C
600C
160 2. Grafik dari semua macam gas juga memotong sumbu ( pv) / T pada titik yang
sama.
Harga limit ( pv) / T dari semua harga temperatur dan semua jenis gas disebut konstanta gas umum (R) dan pada tekanan rendah memenuhi :
R
F. Perubahan Keadaan Pada Berbagai Proses Termodinamika
1. Proses Isotermal (T = C) , pv = RT , pv = C (H. Boyle )
G.
Interaksi Sistem Dengan Lingkungan
Interaksi sistem dengan lingkungan dapat dilakukan dengan tiga cara yaitu : 1. Kerja (Usaha luar)
2. Pertukaran Kalor
161 Misalkan didalam silinder yang tertutup piston yang sangat tipis (dianggap tak bermassa) berisi gas . Piston dapat bergerak maju/mundur tanpa gesekan.
Bila gaya yang dilakukan gas (F) lebih besar dari gaya yang udara luar (F’) maka piston akan bergeser ke arah luar dikatakan sistem (gas) melakukan usaha luar . Bila F < F’ maka piston akan bergeser kearah dalam maka dikatakan usaha dilakukan terhadap sistem .
Berdasarkan rumus usaha dalam mekanika , maka usaha yang dilakukan
Bila sistem (gas) berekspansi sehingga volume sistem bertambah sebesar dV maka dikatakan gas melakukan usaha luar terhadap lingkungannya, karena itu energi sistem berkurang, sehingga usaha luar ini dihitung negatif (-) dan sebaliknya bila gas mengalami kompressi usaha yang dilakukan lingkungan terhadap gas dihitung positif.
a. Bila gas berekspansi dW = - p dV b. Bila gas mengalami kompressi dW = p dV
162 dengan lingkungan. Selain itu ada lagi energi internal (energi dalam = U) yang dimiliki sistem, yaitu semua energi yang dimiliki sistem seperti energi kinetik, energi potensial, energi rotasi, energi vibrasi, energi listrik dll. Untuk gas ideal energi dalamnya hanya terdiri dari energi kinetik partikel-partikel gas yang merupakan fungsi temperatur. (T) saja. Perubahan energi dalam sistem akibat suatu proses termodinamika dinyatakan oleh persamaan :
H. Usaha Pada Berbagai Proses Termodinamika
1. Proses Isokhorik
Proses isokhorik adalah proses yang berlangsung pada volume konstan. Untuk gas ideal memenuhi persamaan
Pada proses isokhorik ini tidak ada kerja yang dilakukan gas, sebab volume gas tidak berubah. dan memenuhi persamaan :
2. Proses Isobarik
163
3. Proses Isotermal
Proses isotermal adalah proses yang berlangsung pada temperatur tetap (T =C) . Untuk gas ideal memenuhu persamaan :
164
Pada proses adiabatik berlaku persamaan :
Jika sistemnya adalah gas ideal berlaku persamaan pV = nRT sehingga persamaan diatas dapat ditulis :
persamaan ini kita bagi dengan T cv akan kita peroleh :
𝑃 𝑉𝛾 𝑃 𝑉𝛾
Dengan 𝛾 > 1 adalah tetapan gas sebagai sistem . Karena 𝑝 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛
𝑉𝛾 maka kurva p-V berbentukhiperbola seperti pada proses isotermik. Hanya kurva p-V pada proses adiabatik lebih curam dari proses isotermik. Pada proses adiabatik T1 menyatakan
keadaan 1 dari sistim dan T2
menyatakan keadaan 2 dari sistem. Jika kejadian ini kita masukkan ke
165
1 ,
( 1 )
( 1)
( )
( ) ( )
Jika persamaan ini kita subsitusikan ke persamaan gas ideal : P V = n R T = konstan
( )
( )
I. Usaha Bergantung Pada Jalan Proses
Besarnya usaha yang dilakukan oleh /terhadap sistem, sama dengan luas daerah dibawah kurva pada grafik p-V. dan bergantung pada jalannya proses. Perhatikan grafik berikut ini :
A
C B
D p
v
VA VC
WABC = - = luas bidang VABCVC
WAC = - = luas bidang VAACVC
166 Perhatikan Proses Siklis berikut ini yang berlangsung mulai dari A dan kembali ke A
J. Hukum I Termodinamika
1. Tara Kalor Mekanik
Rumford dan Joule dari hasil percobannya mendapatkan bahwa apabila sejumlah energi mekanik W dapat dirubah menjadi sejumlah energi kalor Q atau sebaliknya . Hubungan ini dikenal sebagai tara kalor mekanik dan merupakan dasar hukum I Termodinamika. Kesetaraan yang diperoleh antara energi dan kalor adalah 1 kalori = 4,2 joule
2. Hukum Pertama Termodinamika
Gas dalam silinder yang dilengkapi piston Mula-mula suhunya T1 , dan energi dalam-
nya U1. Terhadap gas diberikan sejumlah
kalor Q akibatnya suhu naik menjadi T2 dan
energi dalamnya berubah dari U1 menjadi U2
Karena pemanasan, akibatnya tekanan gas Bertambah, sehingga piston terdorong keatas sampai tercapai keadaan setimbang.
Pemberian kalor kepada sistem menyenabkan terjadinyan perubahan energi dalam (ditandai dengan naiknya temperatur ) dan adanya usaha luar yang dilakukan sistem. Keadaan ini dirumuskan sebagai :
W U U W U
Q ( 2 1) A
B p
v
VA VC
WAB = - = luas bidang VAABVB
WBA = = luas bidang BAVAVB
Wtotal = WAB-WBA = Luas bidang ABA
U1 U2
T1 T2
Gas
167 Artinya : kalor yang diserap oleh sistem sebagian digunakan untuk menaikkan energi dalam (U positif ) dan sisanya untuk melakukan usaha luar (W negatif ) Dari persamaan : QUW (U2U1)W, nilai Q dan W bergantung pada jalannya proses, sedangkan U tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem.
Beberapa ketentuan dalam menggunakan hukum I Termodinamika yaitu : 1. Semua besaran harus dalam satuan yang sama
2. W positif bila usaha dilakukan pada sistem, dan negatif, bila usaha dilakukan oleh sistem
3. Q positif bila kalor diterima sistem dan negatif bila di lepas sistem.
Pernyataan Hukum I Termodinamika yang didapat secarea eksperimental dapat pula dirumuskan sebagai :
U + Q + W
Maksudnya : perubahan energi dalam sistem dapat disebabkan sistem menerima/melepaskan energi secara kalor atau dengan perantaraan usaha/kerja. Dalam bentuk diffrensial H. I Termodinamika dapat ditulis sebagai :
dW dU
dQ
Untuk proses kuasisatatik : dW = -p dV sehingga : dQ = dU + p dV
3. Aplikasi Hukum Pertama Termodinamika
a. Pada proses isometric V = C atau dV = 0 maka dQv = dU , artinya kalor
yang diterima sistem hanya digunakan untuk menambah energi dalam (pemanasan pada volume tetap )
b. Pada proses isobaric : p = C sehingga dQp = dU – dW artinya ; kalor yang
diberikan pada sistem digunakan untuk memanbah energi dalam dan melakukan usaha luar.
c. Pada proses siklis , energi dalam mula-mula sama dengan energi dalam pada keadaan akhir jadi dU = 0 sehingga dQs = -dW, artinya ; kalor yang
168 d. Pada proses adiabatic (tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem , dQ = 0) akibatnya dU = dW, artinya untuk menambah energi dalam sistem maka pada sistem dilakukan usaha.
4. Kapasitas Kalor, Konstanta Laplace dan Persamaan Pada Proses Adiabatik
Hukum I termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut :
dQdUdW……….(1) atau sehingga berdasarkan persamaan (4) diperoleh
dU CvdT………..(5)
Bila persamaan (5) disubstitusikan ke persamaan (2) diperoleh : dQCVdT pdV ……….……. (6)
Dalam bentuk differnsial persamaan gas ideal dapat dinyatakan sebagai :
nRdT Vdp
pdV atau pdV nRdT Vdp ………..….(7)
169
Bila persamaan (9) di subsitusikan ke persamaan (8) diperoleh :
dQCpdT Vdp………..(10)
Persamaan (6) dan (10) merupakan bentuk lain dari persamaan hukum I Termodinamika .
Pada proses adiabatic tidak terjadi pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan sehingga :
dQ = 0 dan Q =
dQ 0……….(11)(konstanta laplace) dan dengan menggunakan persamaan (14)
diperoleh :
-Penyelesaiannya adalah sbb :
170 SOAL-SOAL DAN SOLUSI
1
172 3
175 REFERENSI
P.A. Tipler. 1998. Fisika untuk sains dan teknik, Terjemahan, Erlangga. Jakarta.
H.D. Young dan R.A. Freedman, 2008. University Physics. 12th Edition. Addison Wesley.New York.
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker, 2007, Fundamental of Physics, 8th Edition, John Wiley & Sons.
Sears & Zemansky. 1985. Fisika Universitas Jilid 1 Seri Mekanika, Panas & Bunyi. Jakarta.
