Dokumen Tentang HUKUM TERMODINAMIKA

HUKUM HUKUM

TERMODINAMIKA

TERMODINAMIKA

Fenomena Fenomena

 Gelembung air

semakin membesar ketika bergerak ke atas

 Bagaimana Anda menerangkan

fenomena ini ?

Hukum Gas Hukum Gas

 Prinsip pemuaian tidak mampu menjelaskan ekspansi gas

◦Ketika gas memuai akan mengisi ruangan

◦Volume gas juga tergantung pada tekanan

 Perlu mencari hubungan antara volume, tekanan, temperatur dan massa  Persamaan Keadaan

 Ketika keadaan sistem berubah  akan

menunggu sampai terjadi keadaan setimbang

B B alon disiram nitrogen cair alon disiram nitrogen cair

 Melembung

◦ditiup (diisi oleh molekul gas, massa m)

◦mempunyai volume (V)

◦bentuknya tetap: P_i = P_o

 Disiram Nitrogen cair

◦temperaturnya (T) diturunkan

Hukum gas ideal Hukum gas ideal



Robert Boyle (1627- 1691)

◦Pada temperatur konstan

 P >> bila V << dan sebaliknya

◦P berbanding terbalik dgn V  PV = konstan

◦Berlaku pada hampir semua gas dengan kerapatan rendah

 Jacques Charles (1746-1823) Gay Lussac (1778-1850)

◦Pada kerapatan rendah, untuk gas

 Temperatur absolut sebanding dengan tekanan pada volume konstan

 Temperatur absolut sebanding dengan volume pada tekanan konstan

PV = CT

◦C sebanding dengan jumlah gas sehingga

PV = NkT

 N = jumlah molekul gas

 k = konstanta Boltzman 1,381 x 10^-23 J/K

Terkadang lebih mudah menyatakan jumlah gas dalam mol daripada

dalam molekul sehingga PV = nRT

 N = n N^A

◦N^A = bilangan avogadro 6,022 x 10²³ molekul/mol

◦n = jumlah mol gas

 R = konstanta gas umum

= 8,314 J/mol.K

= 0,08206 L.atm/mol.K

RT P M

V nM V

m











 Gas ideal didefinisikan sebagai gas dimana PV/nT konstan untuk seluruh tekanan.

 Persamaan keadaan gas ideal PV = nRT

 Massa molar M, massa 1 mol unsur/senyawa

◦Massa molar ¹²C = 12 g/mol

 Massa n mol gas m = nM

 Kerapatan gas ideal

◦Pada temperatur tertentu,

kerapatan gas ideal sebanding dengan tekanan

 Perilaku gas ideal  perilaku gas nyata pada kerapatan dan tekanan rendah

 Untuk sejumlah gas tertentu PV/T = konstan, sehingga dapat ditulis

2 2 2 1

1 1

T V P T

V

P 

Interpretasi molekuler tentang temperatur:

Interpretasi molekuler tentang temperatur:

teori kinetik gas teori kinetik gas

 Temperatur gas adalah ukuran energi kinetik rata² molekul² gas

 Asumsi-asumsi

◦ Gas terdiri dari sejumlah molekul yang bertumbukan elastik satu sama lain dan dgn dinding wadah

◦ Molekul terpisah secara rata² oleh jarak yang besar dibandingkan dgn diameter masing² dan tidak saling memberikan gaya kecuali bila bertumbukan  gas ideal

◦ Tanpa adanya gaya eksternal, tidak ada posisi yang dicenderungi oleh molekul dalam wadah dan tidak ada kecenderungan arah vektor kecepatan

kT K

_{x,ratarata}



¹₂



Energi kinetik rata

²

(translasi) untuk gerak satu arah (sb x saja)



Energi kinetik translasi molekul rata

²

(temperatur menjadi ukuran)



Energi kinetik translasi total n mol gas mengandung N molekul



Kelajuan rata

²

kT K

_ratarata



₂³

nRT NkT

NK

K 

_ratarata



₂³



₂³

M RT m

v_rms 

3

kT 

3

Hukum Pertama Termodinamika Hukum Pertama Termodinamika

 Pernyataan kekekalan energi

 Percobaan Joule

◦Dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanik untuk menaikkan temperatur 1 g air 1^oC

◦4,18 J = 1 kal energi panas  ekivalensi mekanis dari panas

◦Cara lain pakai generator listrik, melepas air jatuh dari ketinggian tertentu

◦Usaha yang dilakukan harus menjadi pertambahan energi internal sistem (perubahan temperatur/perubahan fasa)

Hukum Pertama Termodinamika Hukum Pertama Termodinamika

 Panas neto yang ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi internal

sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem.

Q = ΔU + W

Q = +  panas masuk ke sistem -  panas keluar dari sistem U = energi internal sistem

W = +  usaha dilakukan oleh sistem -  usaha dilakukan pada sistem

 Sebuah pemanas air menggunakan listrik sebagai sumbernya digunakan untuk memanaskan 3 kg air pada 80^oC. Usaha yang diberikan filamen

pemanas 25 kJ sementara panas yang terbuang karena konduksi sebesar 15 kkal. Berapa

perubahan energi internal sistem dan temperatur akhir ?

Panas terbuang 15 kkal = 62,7 kJ Q = ΔU + W

-62,7 kJ = ΔU -25 kJ  ΔU = -37,7 kJ

T’ = 76,9^oC

kg C Cx kg kJ

T _okJ 3,01^o

3 /

18 , 4

7 ,

37  

 



contoh

Proses Isotermal Proses Isotermal

 Selama proses temperatur sistem tetap konstan

A

B

Proses Isotermal Proses Isotermal



Misalkan suatu gas ideal berada pada kontainer dengan piston yang bebas bergerak

◦Saat awal keadaan sistem (gas) pada titik A

◦Ketika Q diberikan pada sistem  terjadi ekspansi ke B

◦Temperatur (T) dan massa gas (m) konstan selama proses

0 T

R n

U 

³₂

 



Hk. Termodinamika ke-1: U = Q – W = 0 W = Q

Proses Adiabatik Proses Adiabatik

 Selama proses tidak terjadi transfer panas yang masuk atau keluar sistem

Proses adiabatik terjadi pada sistem terisolasi atau dapat terjadi pada sistem yang mempunyai proses yang sangat cepat

Hk. ke-1: U = Q – W = 0 Q = 0

U = - W



Perbedaan Diagram PV untuk gas Ideal antara proses adiabtik ( 1 – 2 ) dan

isotermal

Contoh Proses

adiabatik Piston motor

Proses Adiabatik

Proses Isobarik Proses Isobarik

 Selama proses tidak terjadi perubahan tekanan pada sistem

Pada umumnya terjadi pada sistem yang mempunyai kontak langsung dengan tekanan atmosfer bumi yang dianggap konstan (misal: reaksi

biokimia)

Proses Isokhorik Proses Isokhorik

 Selama proses volume sistem tidak mengalami perubahan

 Disebut juga proses: volume konstan, isometrik, isovolumik

Proses ini terjadi pada sistem yang mempunyai volume (wadah) yang kuat, tertutup dan tidak dapat berubah

Hk. ke-1: U = Q – W = 0 V = 0 , jadi W = 0

U = Q

TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA

 PROSES-PROSES TERMODINAMIKA

 Proses Isobarik (1)

 Tekanan konstan

 Proses Isotermis (2)

 Temperatur kontan

 Proses Adiabatis (3)

 Tidak ada kalor yang hilang

Proses Isokorik (4)

 Volume konstan

HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Selisih antara Kalor yang diberikan dan kerja yang dilakukan selalu sama untuk setiap proses

i

f

U

U U

W Q

U     



U

_i

= Energi dalam mula-mula U

_f

= Energi dalam akhir

U = Perubahan energi dalam sistem

Q = Panas yang diberikan pada sistem

W = Kerja yang dilakukan oleh sistem



PROSES ISOKHORIK

0 W

V V

pdV W

i f

V

V

f

i







 

 KERJA :

 KALOR

) T T

( nC T

nC

Q 

_V

 

_{V f}



_i

T nC

U W

Q

U     

_V





 PERUBAHAN ENERGI DALAM :

n = Jumlah mol

C_V = Kapasitas panas volume konstan



PROSES ISOBARIK

V p

) V V

( p W

tan kons

p pdV

W

i f

V

V

f

i











 

 KERJA :

 KALOR

) T T

( nC T

nC

Q 

_P

 

_{P f}



_i

T nC

T nR T

nC U

R C

C

T nR V

p nRT

pV

V p

T nC

U W

Q U

V P

V P

P

















































 PERUBAHAN ENERGI DALAM :

R = Konstanta gas universal = 8.31 J/mol.K C_P = Kapasitas panas tekanan konstan



PROSES ISOTERMIS

i f V

V V

V

V ln V nRT V dV

W nRT

pdV W

V p nRT tan

kons T

nRT pV

: Ideal Gas

f

i f

i



















 KERJA :

 KALOR

i V f

V ln V nRT T

nC W

U Q

W Q

U         



T nC

U 

_V





 PERUBAHAN ENERGI DALAM :

 KALOR :



PROSES ADIABATIK



i ¹



1 f

V V 1 V

V V

V

V 1 V

C

1 V C 1

W

dV CV

pdV W

V CV p C

tan kons

pV :

Adiabatik

f i f

i f

i





























 

 





 















 KERJA :

C 1 C

V P







C W

V p V

p C

pV

_{i i f f}









^{ }



 ^p

_f

^V

_f

^p

_i

^V

_i



1 W 1

U W

Q U

0

Q 



 

















 PERUBAHAN ENERGI DALAM :

  ^

f f i i

^

1 i

i i 1

f f f

f f i

i

V p V

1 p V 1

V p V

V 1 p

W 1

V p V

p C

pV

 

 

 

 































i ¹



1

f

V

1 V

W C

^



^



 

W Q U

Isokhorik 0

Isobarik

Isotermis 0

Adiabatik 0

T

nC

_V

 nC

_V

 T

T nC

_V

 W

Q U  



1 f

V ln V nRT

1 f

V ln V nRT

 ^p

_i

^V

_i

^p

_f

^V

_f



1

1 





) V V

(

p

_f



_i

nC

_P

 T nC

_V

 T

TEORI KINETIK GAS TEORI KINETIK GAS

MOLEKUL

GAS ENERGI

DALAM C

_V

C

_V

J/mol.K Monoatomik

He, Ne

1.5 nRT 1.5 R 12.5 Diatomik

O

₂

, H

₂

2.5 nRT 2.5 R 20.8 Poliatomik 3 nRT 3 R 24.9

NH

₄

29.0

CO

₂

29.7

MESIN-MESIN KALOR

H C H

C H

H C

H

Q

1 Q Q

Q Q

Q Q W

Q

W         

 = Efisiensi mesin kalor

MESIN-MESIN PENDINGIN

W 1 Q W

W Q

W COP Q

Q Q

W 

_H



_C

 

^C



^C

 

^C



COP = Coefficient Of Performance mesin pendingin

Contoh Soal No. 1

Pada gambar di bawah ini ditunjukkan siklus proses-proses yang terjadi pada mesin diesel (gasoline internal combustion engine).

Jawab :

nR V T p

nRT V

p

_{1 1}



₁



₁



^{1 1}

a).

Titik 1 :

nR V , p

V ,

p

_{1 1} ^{1 1}

a). Tentukan tekanan dan temperatur pada setiap keadaan (titik) dalam p₁, V₁ dan perbandingan panas jenis .

b). Hitung efisiensi dari mesin diesel ini

1  2 : Proses isokhorik

nR V 3 p

T 3 T

V V

p 3 p

V T p

V T p

T V p T

V p

tan kons

T nR V p

1 1 1

2

1 2

1 2

1 1 1

2 2 2

2 2 2 1

1 1

1 1 1



















Titik 2 :

nR V 3 p

, V , p

3

_{1 1} ^{1 1}

1  2 : Proses adiabatik

nR

V p ) 25 . 0 ( 12 nR

V p ) 3 4 ( ) 25 . 0 ( V T

V V

T V

p ) 25 . 0 ( 3 p

V 4 p V p

V 4 V

V V p

V p p V

p

V T p

V T p

T V p T

V p

1 1 1

2 1 2 3 3

3 2

1 3

2 2 2

3 2

3

3 2 2

3 3

3 2

2

2 2 2

3 3 3

3 3 3 2

2 2

 















 



 



 





 



 







 



 











Titik 3 :

nR V ) p

25 . 0 ( 12 , V 4 , p ) 25 . 0 (

3

^ _{1 1} ^{ 1 1}

3  4 : Proses isokhorik

3 3 4 4

3 4

3 3 3

4 4 4

4 4 4 3

3 3

p T T p

V V

V T p

V T p

T V p T

V p













Titik 4 :

nR V ) p

25 . 0 ( 4 , V 4 , p ) 25 . 0

(

^ _{1 1} ^{ 1 1}

4  1 : Proses adiabatik

nR V ) p

25 . 0 ( nR 4

V p ) 25 . 0 ( 12 p

) 25 . 0 ( 3

p ) 25 . 0 T (

p ) 25 . 0 ( 3 p

p ) 25 . 0 ( p

V 4 V

V p V

p V

p V

p

1 1 1

1 1

4 1 1

3

1 4

1 4

4 1 1

4 1

1 4

4

 



 























 

 



 





b).

) T T

( nC Q

) T T

( nC Q

0 Q

Q

3 4

V 34

1 2

V 12

23 41













nR V , p

V , p : 1

Titik _{1 1} ^{1 1}

nR V ) p

25 . 0 ( 12 , V 4 , p ) 25 . 0 ( 3 : 3

Titik

^ _{1 1} ^{ 1 1}

nR V ) p

25 . 0 ( 4 , V 4 , p ) 25 . 0 ( : 4

Titik

^ _{1 1} ^{ 1 1}

nR V 3 p

, V , p 3 : 2

Titik _{1 1} ^{1 1}

R V C p

) 25 . 0 ( 8 nR ]

V ) p

25 . 0 ( nR 12

V ) p

25 . 0 ( 4 [ nC )

T T

( nC Q

R V C p

2 nR ]

V p nR

V 3 p

[ nC )

T T

( nC Q

1 1 V 1

1 1

1 V

3 4

V 34

1 1 V 1

1 1

1 V

1 2

V 12





   

















) V p V

p 1 (

W 1

) V p V

p 1 (

W 1 0

W W

4 4 1

1 41

2 2 3

3 23

34 12

 

 

 

 





] 3 )

25 . 0 ( 12 1 [

V ] p

V p 3 V

4 p ) 25 . 0 ( 3 1 [

) 1 V p V

p 1 (

W₂₃ 1 _{3 3 2 2 1 1 1} ^{1 1}

1 



 

 

 

 

  ^{ }

nR V , p

V , p : 1

Titik _{1 1} ^{1 1}

nR V ) p

25 . 0 ( 12 , V 4 , p ) 25 . 0 ( 3 : 3

Titik

^ _{1 1} ^{ 1 1}

nR V ) p

25 . 0 ( 3 , V 4 , p ) 25 . 0 ( : 4

Titik

^ _{1 1} ^{ 1 1}

nR V 3 p

, V , p 3 : 2

Titik _{1 1} ^{1 1}

] ) 25 . 0 ( 4 1 1 [

V ] p

V 4 p ) 25 . 0 ( V p 1 [

) 1 V p V

p 1 (

W₄₁ 1 _{1 1 4 4 1 1 1} ^{1 1}

1



 



 

 

 

 

 

] ) 25 . 0 ( 8 2 1[ V W p

W W

W

W_{total 12 23 34 41} ^{1 1}  ^



 









R V C p

) 25 . 0 ( 8 nR ]

V ) p

25 . 0 ( nR 12

V ) p

25 . 0 ( 4 [ nC )

T T

( nC Q

R V C p

2 nR ]

V p nR

V 3 p

[ nC )

T T

( nC Q

1 1 V 1

1 1

1 V

3 4

V 34

1 1 V 1

1 1

1 V

1 2

V 12





   

















] ) 25 . 0 ( 8 2 1[ V W p

W W

W

W_{total 12 23 34 41} ^{1 1}  ^



 









R V C p

2 Q

Q₁₂  _H  _V ^{1 1}

R V C p

) 25 . 0 ( 8 Q

Q₃₄  _C   ^ _V ^{1 1}

] ) 25 . 0 ( 8 2 [ ) 1 1 (

] ) 25 . 0 ( 8 2 [ C

C C

1

] ) 25 . 0 ( 8 2 [

] ) 25 . 0 ( 8 2 C [

R 1 1 R

V C p

2

] ) 25 . 0 ( 8 2 1[ V p Q

W

V V p

1 V V 1

1 1

H

 













 



 







 



 

 

 

 





85 . 0 )

25 . 0 ( 8 2

4 .

1    

^1.4







Contoh Soal No. 2

Pada gambar di bawah ini ditunjukkan siklus mesin kalor yang disebut mesin kalor Carnot. Mesin ini bekerja pada dua

temperatur T_H dan T_C. Nyatakan efisiensinya dalam T_H dan T_C Jawab :

a H b

H a H b

ab

V ln V nRT

Q 0

U

V ln V nRT

W











a  b : Isotermis

c  d : Isotermis

c C d

C c C d

cd

V ln V nRT

Q 0

U

V ln V nRT

W











1 b

1 c C

1 H c C 1

b H

c c

b C b

H

c c C

C c

c

b b H

H b

b

c c b

b

V V T

V T T V

T

V V V nRT

V nRT

V p nRT

nRT V

p

V p nRT

nRT V

p

V p V

p







 





































b  c : Adiabatis

1 a

1 d C

1 H a H 1

d C

a a

d H d

C

a a H

H a

a

d d C

C d

d

a a d

d

V V T

V T T V

T

V V V nRT

V nRT

V p nRT

nRT V

p

V p nRT

nRT V

p

V p V

p







 





































d  a : Adiabatis

d c a

b a

d b

c

1 a

1 d 1

b 1 c 1

a 1 d C

H 1

b 1 c C

H

V V V

V V

V V

V

V V V

V V

V T

T V

V T

T















_^_^ _^_^ _^_^ _^_^

a b H

H

V

ln V nRT

Q 

c d C

C

V

ln V nRT

Q 

H C

a H b

c C d

H C

T 1 T

V ln V nRT

V ln V nRT

Q 1

1  Q    





Efisiensi mesin Carnot

HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA



Tidak ada mesin kalor yang mempunyai

efisiensi lebih besar dari mesin kalor Carnot



Tidak ada mesin pendingin yang mempunyai COP lebih besar dari mesin pendingin Carnot

C H

C C

H C

C

T T

COP T T

1 T

 







Contoh Soal No. 3

Sebuah turbin pada suatu steam power plant mengambil uap air dari boiler pada temperatur 520^oC and membuangnya ke

condenser pada temperatur 100^oC. Tentukan efisiensi maksimumnya.

Jawab :

% 53 53

. 793 0

1 373 T

1 T

H

C

   







Efisiensi maksimum = efisiensi Carnot

Karena gesekan, turbulensi dan kehilangan panas Efisiensi aktual dari turbin disekitar 40 %

Efisiensi teoritis dari mobil adalah disekitar 56 %.

Eefisiensi aktualnya hanya disekitar 25 %

Contoh Soal No. 4

Seorang inventor menyatakan bahwa ia telah mengembangkan sebuah mesin kalor yang selama selang waktu tertentu

mengambil panas sebesar 110 MJ pada temperatur 415 K dan membuang panas hanya sebesar 50 MJ pada temperatur 212K sambil menghasilkan kerja sebesar 16.7kwh. Apakah saudara akan menginvestasikan uang saudara ?

Jawab :

55 . 10 0

x 110

) 360 (

7 . 16 Q

W

6 H







 0 . 49

415 1 212

T 1 T

H C

C

    



Efisiensinya > Efisiensi mesin Carnot  Jangan investasi

Contoh Soal No. 5

Sebuah mobil yang efisiensinya 22 % beroperasi pada 95 c/s dan melakukan kerja dengan daya sebesar 120 hp.

Jawab :

J 95 942

) 746 (

W  120 

a). Berapa kerja yang dilakukan mesin tersebut setiap siklus ? b). Berapa bayak kalor yang diserap dari reservoir setiap siklus ? c). Berapa banyak kalor yang terbuang setiap siklus

Kerja setiap siklus : a).

b).

J 22 4282

. 0

942 Q W

Q W

H H



 









c).

J 3340 942

4282 W

Q

Q

_C



_H

   