Beranda
Facebook
Twitter
Ask.fm
Google +
Termodinamika 2015
BBM
Email
Sabtu, 14 Maret 2015
Sejarah Perkembangan Termodinamika
Orang yang pertama kali menemukannya adalah Aristoteles (350 SM). Dia mengatakan bahwa panas adalah bagian dari materi atau materi tersusun dari panas.
Penalaran yang dilakukan oleh Aristoteles diteruskan oleh Galileo Galilei (1593) yang menganggap bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur dengan penemuannya berupa termometer air. Beberapa abad setelahnya Sir Humphrey Davy dan Count Rumford (1799) menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir. Kesimpulan ini mendukung prinsip kerja termometer, tapi membantah pernyataan Aristoteles. Seharusnya hukum ke-nol termodinamika dirumuskan saat itu, tapi karena termodinamika belum berkembang sebagai ilmu, maka belum terpikirkan oleh para ilmuwan. “dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.
Pada tahun 1778, Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uap pertama yang mengkonvesi panas menjadi kerja mekanik. Mesin tersebut disempurnakan oleh Sardi Carnot (1824). Saat itu, dia berupaya menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkan. Hasil pemikirannya merupakan titik awal perkembangan ilmu termodinamika klasik dan beliau dianggap sebagai Bapak Termodinamika.
Pada tahun 1845, James P. Joule menyimpulkan bahwa panas dan kerja adalah dua bentuk energi yang satu sama lain dapat dikonversi. Kesimpulan ini didukung pula oleh Rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thomson), Helmhozt, dan Robert Mayer. Selanjutnya, para ilmuwan ini merumuskan hukum pertama termodinamika (1850). Setahun sebelumnya, Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah termodinamika melalui makalahnya: An Account of Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat. Buku pertama tentang termodinamika ditulis oleh William Rankine pada tahun 1859.
“perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi panas yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem”
∆U = Q + W
Setelah mempelajari mesin Carnot, Lord Kelvin, Planck, dan menyimpulkan bahwa pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima mesin diubah semuanya menjadi kerja, selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini karena adalah sifat sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi (S) meningkat. Saat itu hukum kedua termodinamika diperkenalkan (1860). Menurut Clausius, besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem tersebut mendapat tambahan kalor (Q) pada temperatur tetap dinyatakan melalui persamaan di bawah :
“total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”
Selama tahun 1873-1976, fisikawan matematika Amerika Josiah Willard Gibbs menerbitkan tiga makalah, salah satunya adalah On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. Makalah tersebut menunjukkan bahwa proses termodinamika dapat dijelaskan secara matematis, dengan mempelajari energi, entropi, volume, temperatur dan tekanan sistem, sedemikian rupa untuk menentukan apakah suatu proses akan terjadi secara spontan. Pada awal abad ke-20, ahli kimia seperti Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim mulai menerapkan metode matematis Gibbs tersebut untuk analisis proses kimia yang disebut termodinamika kimia.
Pada tahun 1885, Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Pernyataan ini mengawali berkembangnya termodinamika statistik, yaitu pendekatan mikroskopis tentang sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel yang menyusunnya. Dasar-dasar termodinamika statistik ditetapkan oleh fisikawan seperti James Clerk Maxwell, W. Nernst, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius dan J. Willard Gibbs .Willard Gibbs. Pada tahun 1906 Giauque dan W. Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika.
“pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”
Pada tahun 1911, Einstein menyatakan bahwa massa merupakan perwujudan dari energi (E=mc2). Hal ini kemudian dibenarkan oleh ilmuwan mekanika kuantum (1900-1940) bahwa radiasi sebagai bentuk energi bisa bersifat sebagai partikel. Pernyataan ini seakan-akan membenarkan penalaran Aristoteles sebelumnya bahwa materi = energi.
Pada tahun 1950, para ilmuwan, seperti Carl Anderson menemukan adanya partikel antimateri yang bisa memusnahkan materi.
Penalaran yang dilakukan oleh Aristoteles diteruskan oleh Galileo Galilei (1593) yang menganggap bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur dengan penemuannya berupa termometer air. Beberapa abad setelahnya Sir Humphrey Davy dan Count Rumford (1799) menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir. Kesimpulan ini mendukung prinsip kerja termometer, tapi membantah pernyataan Aristoteles. Seharusnya hukum ke-nol termodinamika dirumuskan saat itu, tapi karena termodinamika belum berkembang sebagai ilmu, maka belum terpikirkan oleh para ilmuwan. “dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.
Pada tahun 1778, Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uap pertama yang mengkonvesi panas menjadi kerja mekanik. Mesin tersebut disempurnakan oleh Sardi Carnot (1824). Saat itu, dia berupaya menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkan. Hasil pemikirannya merupakan titik awal perkembangan ilmu termodinamika klasik dan beliau dianggap sebagai Bapak Termodinamika.
Pada tahun 1845, James P. Joule menyimpulkan bahwa panas dan kerja adalah dua bentuk energi yang satu sama lain dapat dikonversi. Kesimpulan ini didukung pula oleh Rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thomson), Helmhozt, dan Robert Mayer. Selanjutnya, para ilmuwan ini merumuskan hukum pertama termodinamika (1850). Setahun sebelumnya, Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah termodinamika melalui makalahnya: An Account of Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat. Buku pertama tentang termodinamika ditulis oleh William Rankine pada tahun 1859.
“perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi panas yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem”
∆U = Q + W
Setelah mempelajari mesin Carnot, Lord Kelvin, Planck, dan menyimpulkan bahwa pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima mesin diubah semuanya menjadi kerja, selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini karena adalah sifat sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi (S) meningkat. Saat itu hukum kedua termodinamika diperkenalkan (1860). Menurut Clausius, besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem tersebut mendapat tambahan kalor (Q) pada temperatur tetap dinyatakan melalui persamaan di bawah :
“total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”
Selama tahun 1873-1976, fisikawan matematika Amerika Josiah Willard Gibbs menerbitkan tiga makalah, salah satunya adalah On the Equilibrium of Heterogeneous Substances. Makalah tersebut menunjukkan bahwa proses termodinamika dapat dijelaskan secara matematis, dengan mempelajari energi, entropi, volume, temperatur dan tekanan sistem, sedemikian rupa untuk menentukan apakah suatu proses akan terjadi secara spontan. Pada awal abad ke-20, ahli kimia seperti Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim mulai menerapkan metode matematis Gibbs tersebut untuk analisis proses kimia yang disebut termodinamika kimia.
Pada tahun 1885, Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Pernyataan ini mengawali berkembangnya termodinamika statistik, yaitu pendekatan mikroskopis tentang sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel yang menyusunnya. Dasar-dasar termodinamika statistik ditetapkan oleh fisikawan seperti James Clerk Maxwell, W. Nernst, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf Clausius dan J. Willard Gibbs .Willard Gibbs. Pada tahun 1906 Giauque dan W. Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika.
“pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”
Pada tahun 1911, Einstein menyatakan bahwa massa merupakan perwujudan dari energi (E=mc2). Hal ini kemudian dibenarkan oleh ilmuwan mekanika kuantum (1900-1940) bahwa radiasi sebagai bentuk energi bisa bersifat sebagai partikel. Pernyataan ini seakan-akan membenarkan penalaran Aristoteles sebelumnya bahwa materi = energi.
Pada tahun 1950, para ilmuwan, seperti Carl Anderson menemukan adanya partikel antimateri yang bisa memusnahkan materi.
Prinsip Kerja Kalorimeter
Kalor dapat disebut sebagai sesuatu yang berpindah karena perbedaan suhu. Sedangkan kalori merupakan satuan panas untuk menaikkan suhu temperatur air 1 derajat celcius. Jika kitag mengenal termometer merupakan alat pengukur suhu, akan sama halnya dengan kalorimeter ini. Secara definisi,Kalorimeter merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor yang terlibat dalam suatu perubahan atau reaksi kimia. Dalam Hukum pertama termodinamika, ditunjukkan hubungan antara perubahan energi dalam suatu proses termodinamika dengan jumlah kerja yang dilakukan pada sistem dan jumlah kalor yang dipindahkan ke sistem.
Berikut merupakan gambar dari kalorimeter dan prinsip kerjanya :
Prinsip kerja dari kalorimeter adalah mengalirkan arus listrik pada kumparan kawat penghantar yang dimasukan ke dalam air suling. Pada waktu bergerak dalam kawat penghantar (akibat perbedaan potenial) pembawa muatan bertumbukan dengan atom logam dan kehilangan energi. Akibatnya pembawa muatan bertumbukan dengan kecepatan konstan yang sebanding dengan kuat medan listriknya. Tumbukan oleh pembawa muatan akan menyebabkan logam yang dialiri arus listrik memperoleh energi yaitu energi kalor / panas.
Diketahui bahwa semakin besar nilai tegangan listrik dan arus listrik pada suatu bahan maka tara panas listrik yang dimiliki oleh bahan itu semakin kecil. Kita dapat melihat seolah pengukuran dengan menggunakan arus kecil menghasilkan nilai yang kecil. Hal ini merupakan suatu anggapan yang salah karena dalam pengukuran pertama perubahan suhu yang digunakan sangatlah kecil berbeda dengan data yang menggunakan arus besar. Tapi jika perubahan suhu itu sama besarnya maka yang berarus kecil yang mempunyai tara panas listrik yang besar.
Cara Kerja Sistem Pendingin
Cara Kerja Sistem Pendingin
Cara kerja dari sistem pendingin yaitu ada empat prinsip kerja untuk menghasilkan proses pendinginan. Danrefrigerant disirkulasikan berulang kali dengan perubahan-perubahan yang mendukung dapat mengahasilkan proses pendinginan. Empat perubahan padarefrigerant itu yaitu kompresi, kondensasi, ekspansi dan evaporasi ( cair, uap, gas dan kembali cair).- Kompresi
- Kondensasi
- Ekspansi
- Evaporasi
Proses ini terus-menerus sehingga pendinginan udara didalam kabin akan terjadi selama AC dihidupkan.
Pengertian Gas Ideal
Pengertian Gas Ideal
Gas ideal adalah suatu gas yang memiliki sifat sebagai berikut:
1. Gas ideal terdiri atas partikel-partikel (atom-atom atau molekul-molekul) yang jumlahnya banyak sekali dan antar partikelnya tidak terjadi gaya tarik-menarik.
2. Setiap partikel gas bergerak dengan arah sembarangan atau secara acak ke segala arah.
3. Setiap tumbukan yang terjadi berlangsung lenting sempurna.
4. Partikel gas terdistribusi merata dalam seluruh ruangan.
5. Jarak antara partikel itu jauh lebih besar daripada ukuran partikel
6. Volume molekuladalah pecahan kecil yang dapat diabaikan dari volume yang ditempati oleh gas tersebut.
7. Berlaku hukum Newton tentang gerak
Sifat gas ada dua, yaitu:
— Makroskopis, yaitu sifat sifat yang dapat diukur. Seperti volume, tekanan, suhu dan massa.
— Mikroskopis, yaitu sifat sifat yang didasarkan pada kelakuan molekul molekul gas.
— Sifat sifat mikroskopik bisa dijelaskan dengan menggunakan sifat sifat mikroskopik.
Teori yang memandang gas dari sudut pandang mikroskopis dinamakan teori kinetik gas. Dalam teori ini, besaran besaran mikroskopis ditulis dalam suatu besaran mikroskopis (massa molekul, kecepatan molekul, dsb)
Deskripsi makroskopis dari gas ideal : gas ideal adalah gas yang kerapatannya cukup rendah, sifatnya sederhana. Yaitu kebanyakan gas pada suhu ruang dan tekanan sekitar 1atm.
Deskripsi mikroskopis dari gas ideal : gas ideal adalah gas yang terdiri dari molekul molekul yang sangat banyak an jarak pisah antarmolekul jauh lebih besar daripada ukurannya, bergerak acak, dan patuh pada hukum gerak newton. Tumbukan yang dialami tumbukan elastik, gaya molekul nya dapat diabaikan. Dan molekul gas sama tidak bisa dibedakan satu dengan yang lain.
2.2 Persamaan Keadaan Gas (nyata dan ideal)
a) 
Pada Gas Ideal
Pada Gas IdealPV = nRT atau PV = RT atau PV =NkT
n = N/No
Keterangan:
P = tekanan gas (N/m²)
V = volume gas (m³)
n = jumlah mol gas (mol)
R = tetapan umum gas (8,31 x 10³)
T = suhu mutlak (K)
m = massa total gas
M = massa relatif partikel (atom atau molekul gas)
k = ketetapan Boltzman (1,38 x 10²³J/K)
No = bilangan Avogadro (6,02 x 10²³partikel/mol)
Pengertian Suhu dan Kalor
Konsep suhu atau temperatur sebenarnya berawal dari rasa panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kita. Berdasarkan apa yang dirasakan oleh indera peraba, kita mengatakan suatu benda lebih panas dari benda yang lain atau suatu benda lebih dingin dari benda lain. Benda yang panas memiliki suhu yang lebih tinggi sedangkan benda yang dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah suhunya. Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya. Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini disebut suhu (temperature). Dalam pokok bahasan teori kinetik gas yang akan dipelajari nanti di kelas XI, anda akan memahami lebih mendalam pengertian suhu; apa yang terjadi pada molekul-molekul penyusun suatu benda sehingga tersebut benda bisa terasa panas, hangat, sejuk atau dingin.
Kalor.
Apabila benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada perpindahan panas atau sering disebut kalor, dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan kalor terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya jika kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor berpindah dari air panas menuju air dingin. Ketika kita memasukkan besi panas ke dalam air dingin, kalor berpindah dari besi yang lebih panas menuju air. Kalor akan berhenti mengalir setelah besi dan air mencapai suhu yang sama. Ketika dokter atau perawat menempelkan termometer ke tubuhmu, kalor berpindah dari tubuhmu menuju termometer. Perpindahan kalor terhenti setelah tubuhmu dan termometer telah mencapai suhu yang sama. Jika termometer yang digunakan adalah termometer raksa maka ketika tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama, permukaan air raksa berhenti bergerak. Angka yang ditunjukkan permukaan air raksa merupakan suhu tubuhmu saat itu.
Secara alami, kalor dengan sendirinya berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan kalor cenderung menyamakan suhu benda yang saling bersentuhan. Pada abad ke-18, para fisikawan menduga bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida adalah zat yang dapat mengalir. Fluida meliputi zat cair dan zat gas. Air (zat cair) termasuk fluida karena dapat mengalir. Udara juga termasuk fluida karena dapat mengalir). Fluida tersebut dinamakan caloric. Teori mengenai caloric tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan caloric ini tidak bisa dibuktikan. Pada abad ke-19, seorang fisikawan Inggris bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara memanaskan air dalam sebuah wadah menggunakan roda pengaduk dan membandingkan memanasnya air akibat putaran roda pengaduk dengan memanasnya air dalam wadah yang disentuhkan dengan nyala api atau sumber listrik. Berdasarkan percobaannya, Joule menyimpulkan bahwa kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu, seperti energi kinetik, energi potensial, energi kimia dll). Kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan energi terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama atau setimbang termal.
Penerapan Hukum II Termodinamika
Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. Namun, kenyataannya tidak demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun. Hal ini menunjukkan proses perubahan bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak dapat dibalik. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel.
Peristiwa di atas mengilhami terbentuknya hukum II termidinamika. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”; hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor: “Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar”; hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi”.
Hukum II Termodinamika memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan.
1. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck).
2. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).
3. Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).
a. Pengertian Entropi
Dalam menyatakan Hukum Kedua Termodinamika ini, Clausius memperkenalkan besaran baru yang disebut entropi (S). Entropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Ketika suatu sistem menyerap sejumlah kalor Q dari reservoir yang memiliki temperatur mutlak, entropi sistem tersebut akan meningkat dan entropi reservoirnya akan menurun sehingga perubahan entropi sistem dapat dinyatakan dengan persamaan
ΔS = Q/T
tersebut berlaku pada sistem yang mengalami siklus reversibel dan besarnya perubahan entropi (ΔS) hanya bergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal sistem. Ciri proses reversibel adalah perubahan total entropi ( ΔS = 0) baik bagi sistem maupun lingkungannya. Pada proses irreversibel perubahan entropi semesta ΔSsemestea > 0 . Proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta.
ΔSsistem + ΔSlingkungan = ΔSseluruhnya > 0
b. Mesin Pendingin
Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu tinggi dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya pendingin rungan (AC) dan almari es (kulkas). Perhatikan Gambar 9.9! Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan pada suhu tinggi T1. Berdasarkan hukum II termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap (Q1 = Q2 + W)
Gambar 9.9 Siklus mesin pendingin.
Hasil bagi antara kalor yang masuk (Q1) dengan usaha yang diperlukan (W) dinamakan koefisien daya guna (performansi) yang diberi simbol Kp. Secara umum, kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai 6. Makin tinggi nilai Kp, makin baik kerja mesin tersebut.
Kp = Q2 /W
Untuk gas ideal berlaku:
Keterangan
Kp : koefisien daya guna
Q1 : kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J)
Q2 : kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J)
W : usaha yang diperlukan (J)
T1 : suhu reservoir suhu tinggi (K)
T2 : suhu reservoir suhu rendah (K)
Penerapan Hukum I Termodinamika
Hukum I Termodinamika berkaitan dengan Hukum Kekekalan Energi untuk sebuah sistem yang sedang melakukan pertukaran energi dengan lingkungan dan memberikan hubungan antara kalor, energi, dan kerja (usaha). Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa untuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan ke dalam sistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadi perubahan energi. Jadi, dapat dikatakan bahwa Hukum I Termodinamika menyatakan adanya konsep kekekalan energi.
Energi dalam sistem merupakan jumlah total semua energi molekul pada sistem. Apabila usaha dilakukan pada sistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya, energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukan usaha pada lingkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalam pada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan oleh sistem. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut.
Q = ΔU + W …….. (9–9)
dengan: Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem,
ΔU = U2 — U1 = perubahan energi dalam sistem, dan
W = usaha yang dilakukan sistem.
Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan (9-9) tersebut adalah sebagai berikut.
- Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif.
- Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif
- Jika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif
- Jika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif
a. Proses Isotermal
Anda telah memahami bahwa proses isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap. Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V2/V1). Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU= 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan ΔU=(3/2)nRΔT. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut.
Q = ΔU + W = 0 + W
Q = W = nR T ln (V2/V1) …. (9-10)
b. Proses Isokhorik
Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Anda telah memahami bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W = pΔV = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagai
Q = ΔU + W = ΔU + 0
Q = ΔU = U2 — U1
Dari Persamaan (9-11) Anda dapat menyatakan bahwa kalor yang diberikan pada sistem hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut. Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan (9-11), didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.
Q = ΔU =(3/2)nR ΔT …(9-12)
atau
Q = U2 — U1 =(3/2)nR (T2 —T1) …. (9-13)
c. Proses Isobarik
Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas berada dalam keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV = p(V2– V1). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut.
Q = ΔU + W
Q = ΔU + p(V2 – V1) … (9-14)
Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (9-14) dapat dituliskan sebagai
Q =(3/2)nR (T2 — T1) + p (V2 – V1) … (9-15)
d. Proses adiabatik
Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Anda telah mengetahui bahwa dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi
Q = ΔU + W
0 = ΔU + W
atau
W = — ΔU = —(U2— U1) … (9-16)
Berdasarkan Persamaan (9-16) tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat
bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai
W = — ΔU = —(3/2)nR (T2 – T1)
Aplikasi thermodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu thermodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin pada 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 da lam menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.
Penerapan termodinamika secara teknik (dalam perencanaan) yaitu :
- Refrigerasi dan Pengkondisian Udara
- Pembangkit Daya Listrik
- Motor Bakar
- Sistem pemanasan surya
- Pesawat Terbang
- Dan sebagainya
Penerapan termodinamika secara teknik (dalam perencanaan) yaitu :
- Refrigerasi dan Pengkondisian Udara
- Pembangkit Daya Listrik
- Motor Bakar
- Sistem pemanasan surya
- Pesawat Terbang
- Dan sebagainya
- Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap :
Energi kimia atau energi nuklir dikonversikan menjadi energi termal dalam ketel uap atau reaktor nuklir. Energi ini dilepaskan ke air, yang berubah menjadi uap. Energi uap ini digunakan untuk menggerakkan turbin uap, dan energi mekanis yang dihasilkan digunakan untuk meng- gerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik.
- Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air :
Energi potensial air dikonversikan menjadi energi mekanis melalui penggunaan turbin air. Energi mekanis ini kemudian dikonversikan lagi Menjadi energi listrik oleh generator listrik yang disambungkan pada poros turbinnya.
- Motor pembakaran dalam
Energi kimiawi bahan bakar dikonversikan menjadi kerja mekanis. Campuran udarabahanbakar dimampatkan dan pembakaran dilakukan oleh busi. Ekspansi gas hasil pembakaran mendorong piston, yang menghasilkan putaran pada poros engkol.
