HUKUM I TERMODINAMIKA.
KALOR JENIS GAS.
Suhu suatu gas dapat dinaikkan dalam kondisi yang bermacam-macam. Volumenya dikonstankan, tekanannya dikonstankan atau kedua-duanya dapat dirubah-rubah menurut kehendak. Pada tiap-tiap kondisi ini panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar satu satuan suhu untuk tiap satuan massa adalah berlainan. Dengan kata lain suatu gas mempunyai bermacam-macam kapasitas panas. Tetapi hanya dua macam yang mempunyai arti praktis yaitu :
- Kapasitas panas pada volume konstan.
- Kapasitas panas pada tekanan konstan.
Kapasitas panas gas ideal pada tekanan konstan selalu lebih besar dari pada kapasitas panas gas ideal pada volume konstan, dan selisihnya sebesar konstanta gas umum (universil) yaitu : R = 8,317 J/mol 0K.
cp - cv = R
cp = kapasitas panas jenis ( kalor jenis ) gas ideal pada tekanan konstan.
cv = kapasitas panas jenis ( kalor jenis ) gas ideal pada volume konstan.
Berdasarkan teori kinetik gas kita dapat menghitung panas jenis gas ideal,sebagai berikut:
a. Untuk gas beratom tunggal ( monoatomik ) diperoleh bahwa :
b. Untuk gas beratom dua ( diatomik ) diperoleh bahwa :
= konstanta Laplace.
LATIHAN SOAL
Hitunglah kalor jenis gas Oksigen pada volume dan tekanan tetap bila massa molekul gas Oksigen 32 gram/mol.
Hitunglah kalor jenis gas-gas berikut ini pada volume dan tekanan tetap.
a. Gas Neon monoatomik, bila masa molekulnya 2,018 gram/mol
b. Gas Hidrogen diatomik, bila massa molekulnya 2,016 gram/mol
Kapasitas panas jenis Nitrogen pada volume tetap adalah 7,14 x 102 J/kg 0K. Carilah kapasitas panas jenisnya pada tekanan tetap. Diketahui massa molekul Nitrogen 28 gram/mol dan konstanta umum gas R = 8,317 J/mol0K
Hitunglah kalor jenis gas Argon beratom satu pada volume tetap bila kalor jenisnya pada tekanan tetap 5,23 x 102 J/kg 0K = 1,67
Hitunglah kalor jenis pada tekanan tetap dari gas Oksida zat lemas beratom dua bila kalor jenisnya pada volume tetap adalah 6,95 x 102 J/kg. 0K dan = 1,4
USAHA YANG DILAKUKAN GAS.
Temodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari mengenai pengaliran panas, perubahan-perubahan energi yang diakibatkan dan usaha yang dilakukan oleh panas.
Usaha luar ( W ) yaitu : Usaha yang dilakukan oleh sistem terhadap sekelilingnya terhadap sistem. Misalkan gas dalam ruangan yang berpenghisap bebas tanpa gesekan dipanaskan ( pada tekanan tetap ) ; maka volume akan bertambah dengan V.
Usaha yang dilakukan oleh gas terhadap udara luar :
W = p.V
Usaha dalam ( U ) adalah : Usaha yang dilakukan oleh bagian dari suatu sistem pada bagian lain dari sitem itu pula. Pada pemanasan gas seperti di atas, usaha dalam adalah berupa gerakan-gerakan antara molekul-molekul gas yang dipanaskan menjadi lebih cepat.
Energi dalam suatu gas Ideal adalah :
HUKUM I TERMODINAMIKA.
Dalam suatu sistem yang mendapat panas sebanyak Q akan terdapat perubahan energi dalam (U ) dan melakukan usaha luar (W ).
Q = U + W
Q = kalor yang masuk/keluar sistem
U = perubahan energi dalam
W = Usaha luar.
PROSES - PROSES PADA HUKUM TERMODINAMIKA I.
Hukum I termodinamika untuk Proses Isobarik.
Pada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap.
( lihat gambar ).
sebelum dipanaskan sesudah dipanaskan
Dengan demikian pada proses ini berlaku persamaan Boyle-GayLussac
Jika grafik ini digambarkan dalam hubungan P dan V maka dapat grafik sebagai berikut :
Pemanasan Pendinginan
Usaha luar yang dilakukan adalah : W = p ( V2 - V1 ). karena itu hukum I termodinamika dapat dinyatakan :
Q = U + p ( V2 - V1 )
Panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan tetap dapat dinyatakan dengan persamaan :
Q = m cp ( T2 - T1 )
Pertambahan energi dalam gas dapat pula dinyatakan dengan persamaan :
U = m cv ( T2 - T1 )
Karena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobarik dapat pula dinyatakan dengan persamaan :
W =Q - U = m ( cp - cv ) ( T2 - T1 )
m = massa gas
cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap
cv = kalor jenis pada volume tetap.
LATIHAN SOAL.
Satu gram air ( 1 cc ) berubah menjadi 1,671 cc uap bila dididihkan pada tekanan 1 atm. Panas penguapan pada tekanan ini adalah 539 kal/gram. Hitunglah usaha luar pada penembakan energi dalam.
1 liter air massanya 1 kg mendidih pada suhu 1000 C dengan tekanan 1,013 x 105 N/m2 diubah menjadi uap pada suhu 1000 C dan tekanan 1,013 x 105 N/m2 . Pada keadaan ini volume uap air adalah 1,674 liter. Carilah usaha luar yang dilakukan dan dihitung penambahan energi dalam. Panas penguapan air 2,26 . 106 J/kg.
Gas Nitrogen yang massanya 5 kg suhunya dinaikkan dari 100 c menjadi 1300 c pada tekanan tetap. Tentukanlah :
a. Panas yang ditambahkan
b. Penambahan energi dalam
c. Usaha luar yang dilakukan.
Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari 150 C menjadi 160 C pada tekanan tetap. Bila massa molekul karbon monoksida adalah 28,01 gram/mol cp = 1,038 x 103 J/kg 0 = 1,4K dan
Tentukanlah :
a. Penambahan energi dalam.
b. Usah luar yang dilakukan.
Hukum I Termodinamika untuk Proses Isokhorik ( Isovolumik )
Pada proses ini volume Sistem konstan. ( lihat gambar )
Sebelum dipanaskan. Sesudah dipanaskan.
Dengan demikian dalam proses ini berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac dalam bentuk :
Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka grafiknya sebagai berikut :
Pemanasan Pendinginan
Karena V = 0 maka W = p . V
W = 0 ( tidak ada usaha luar selama proses )
Q = U2 - U1
Kalor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi dalam (U )
Q = U
U = m . cv ( T2 - T1 )
LATIHAN SOAL
Temperatur 5 kg gas Nitrogen dinaikkan dari 100 C menjadi 1300 C pada volume tetap. Bila cv = 7,41 x 102 J/kg 0K , cp = 1,04 x 103 J/kg 0K, carilah :
a. Usaha luar yang dilakukan.
b. Penambahan energi dalam.
c. Panas Yang ditambahkan.
Suatu gas yang massanya 3 kg dinaikkan suhunya dari -200 C menjadi 800 C melalui proses isokhorik. Hitunglah penambahan energi dalam gas tersebut, bila diketahui cp = 248 J/kg 0K, cv = 149 J/kg 0K
Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari 150 C menjadi 160 C pada volume tetap. Massa molekulnya 28,01 gram/mol. cp = 1,03 x 103 J/kg. 0 = 1,40 . Hitunglah penambahan energi dalam.K dan
Gas Ideal sebanyak 2 mol dengan tekanan 4 atsmosfer volumenya sebesar 8,2 liter. Gas ini mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya menjadi 8 atsmosfer. Bila diketahui : cv = 3 kal/mol. 0C dan R = 0,08207 liter. atm/mol. 0 C ; tentukanlah :
a. Usaha yang dilakukan.
b. Panas yang ditambahkan.
3. Hukum I termodinamika untuk proses Isothermik.
Selama proses suhunya konstan.
( lihat gambar )
Sebelum dipanaskan. Sesudah dipanaskan.
Oleh karena suhunya tetap, maka berlaku Hukum BOYLE.
P1 V2 = P2 V2
Jika digambarkan grafik hubungan P dan V maka grafiknya berupa :
Pemanasan Pendinginan
Karena suhunya konstan T2 = T1 maka :
U = U2 - U1
= n R T2 - n R T1 = 0 ( Usaha dalamnya nol )
Kalor yang diserap sistem hanya dipakai untuk usaha luar saja.
ln x =2,303 log x
4. Hukum I Termodinamika untuk proses Adiabatik.
Selama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem jadi Q = 0
( lihat gambar )
Sebelum proses Selama/akhir proses
oleh karena tidak ada panas yang masuk / keluar sistem maka berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac
Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka berupa :
Pengembangan Pemampatan
Karena Q = 0 maka O = U + W
U2 -U1 = -W
Bila W negatif ( -W = sistem ditekan ) usaha dalam sistem (U ) bertambah. Sedangkan hubungan antara suhu mutlak dan volume gas pada proses adibatik, dapat dinyatakan dengan persamaan :
-1 = konstanT.V atau T1-1 = T.V12.V2-1
Usaha yang dilakukan pada proses adiabatik adalah :
W = m . cv ( T1 - T2 ) atau W = ( V2-1 )-1 - V1
Juga berlaku persamaan : P1 = P.V12.V2
LATIHAN SOAL.
Perbandingan kompresi sebuah mesin disel kira-kira 156. Jika pada permulaan gerak pemampatan silindernya berisi udara sebanyak 2 mol pada tekanan 15 N/m2 dan suhu 2470 c, hitunglah tekanan dan suhu pada akhir gerak. Andai kata udara sebagai gas ideal dan pemampatanya secara adiabatik. massa molekul udara adalah 32 gram/mol. cv = 650 J/kg0K dan cp = 909 J/kg 0K. Hitunglah usaha luar yang dilakukan.
Suatu volume gas Nitrogen sebesar 22,4 liter pada tekanan 105 N/m2 dan suhu 00 C dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/10 volume mula-mula. Carilah :
a. Tekanan akhirnya.
b. Suhu akhirnya.
c. Usaha luar yang dilakukan.
Diketahui pula bahwa Mr = 28 gram/mol = 1,4 cv = 741 J/kg 0K.
Lima molekul gas Neon pada tekanan 2 x 105 Nm-2 dan suhu 270 c dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/3 dari volume mula-mula. Bila = 1,67 cp = 1,03 x 103 J/kg 0K Mr = 20,2 gram/mol. Tentukan :
a. Tekanan akhir pada proses ini.
b. Temperatur akhir.
c. Usaha luar yang dilakukan.
Suatu gas ideal dengan = 1,5 dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi kali dari volume mula-mula. Bila pada awal proses tekanan gas 1 atm, tentukanlah tekanan gas pada akhir proses.
Gas oksigen dengan tekanan 76 cm Hg dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi volume mula-mula. Bila gas Oksigen adalah gas diatomik dan R = 8,317 J/mol 0K ; Tentukanlah tekanan akhir gas tersebut.
Volume gas pada suhu 200 C mengembang secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 2 kali volume mula-mula. Tentukanlah temperatur akhirnya bila =1,4.
PENERAPAN HUKUM I TERMODINAMIKA.
PENGERTIAN SIKLUS.
Suatu pesawat yang dapat mengubah seluruh kalor yang diserapnya menjadi usaha secara terus menerus belum pernah kita jumpai. yang ada hanya pengubahan kalor menjadi usaha melalui satu tahap saja. Misalnya : proses isothermis.
Agar sistem ini dapat bekerja terus-menerus dan hasilnya ada kalor yang diubah menjadi usaha, maka harus ditempuh cara-cara tertentu. Perhatikan gambar di bawah ini.
- Mulai dari ( P1 , V1 ) gas mengalami proses isothermis sampai ( P2 , V2 ).
- Kemudian proses isobarik mengubah sistem dari ( P2 , V2 ) sampai ( P2 , V1 ).
- Akhirnya proses isobarik membuat sistem kembali ke ( P1 , V1 ).
Usaha yang dilakukan sama dengan luas bagian gambar yang diarsir proses seperti yang ditunjukkan pada gambar diatas disebut : SIKLUS. Pada akhir proses sistem kembali ke keadaan semula. Ini berarti pada akhir siklus energi dalam sistem sama dengan energi dalam semula. Jadi untuk melakukan usaha secara terus menerus, suatu siklus harus melakukan usaha secara terus menerus, suatu siklus harus bekerja dalam suatu siklus.
LATIHAN SOAL.
Gas sebanyak 2mol dengan cv = 12,6 J/mol 0K menjalani garis tertutup (1), (2) dan (3). Proses 2-3 berupa pemampatan isotermik. Hitunglah untuk tiap-tiap bagian garis tertutup itu :
a. Usaha oleh gas.
b. Panas yang ditambahkan pada gas.
c. Perubahan energi dalamnya.
Pada suatu prose tertentu diberikan panas sebanyak 500 kalori ke sistem yang bersangkutan dan pada waktu yang bersamaan dilakukan pula usaha mekanik sebesar 100 joule terhadap sistem tersebut. Berapakah tambahan energi dalamnya ?
Diagram di bawah ini menunjukkan tiga proses untuk suatu gas ideal, di titik 1 suhunya 600 0K dan tekanannya 16 x 105 Nm-2 sedangkan volumenya 10-3m3 . Dititik 2 volumenya 4 x 10-3m3 = 1,5dari proses 1-2 dan 1-3 salah satu berupa proses isotermik dan yang lain adiabatik.
a. Diantara proses 1-2 dan 1-3 yang manakah proses isotermik dan mana adiabatik ?
Bagaimana kita dapat mengetahui ?
b. Hitung tekanan di titik 2 dan 3
c. Hitung suhu dititik 2 dan 3
d. Hitung volumenya di titik 3 pada proses itu.
Pada permulaan 2 mol zat asam ( gas diatomik ) suhunya 270 c dan volumenya 0,02 m3. Gas disuruh mengembang secara isobaris sehingga volumenya menjadi dua kali lipat kemudian secara adiabatik hingga suhunya mencapai harga yang seperti permulaan lagi. R = 8,317 J/mol 0K. Tentukanlah :
a. Berapakah banyaknya energi dalam totalnya ?
b. Berapakah banyaknya panas yang ditambahkan ?
c. Berapakah usaha yang dilakukan ?
d. Berapakah volume pada akhir proses ?
Sebuah mesin pemanas menggerakkan gas ideal monoatomik sebenyak 0,1 mol menurut garis tertutup dalam diagram P-V pada gambar di bawah ini. Proses 2-3 adalah proses adiabatik.
a. Tentukanlah suhu dan tekanan pada titik 1,2 dan 3.
b. Tentukanlah usaha total yang dilakukan gas.
EFISIENSI MESIN.
3
Mengubah tenaga panas menjadi tenaga mekanik pertama-tama selalu memerlukan sebuah mesin, misalnya : mesin uap, mesin bakar atau mesin diesel. Pengalaman-pengalaman dengan mesin-mesin yang terdapat dalam praktek membawa kita kepada hukum Termodinamika II yang ringkasnya sebagai berikut :
" Adalah Tidak Mungkin Dapat Suatu Mesin Yang Bekerja Dalam Lingkaran Yang Tidak Menimbulkan Efek Lain Selain Daripada Mengambil Panas Dari Suatu Sumber Dan Merubah Panas Ini Seluruhnya Menjadi Usaha ".
Siklus Carnot Dan Efesiensinya.
Siklus Carnot.
Siklus carnot yang disebut siklus ideal ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Siklus Carnot dibatasi oleh garis lengkung isotherm dan dua garis lengkung adiabatik. Hal ini memungkinkan seluruh panas yang diserap ( input panas ) diberikan pada satu suhu panas yang tinggi dan seluruh panas yang dibuang ( panas output ) dikeluarkan pada satu suhu rendah.
Kurva ab dan cd masing-masing adalah kurva pengembangan dan pemampatan isoteremis.
Kurva bc dan da masing-masing adalah kurva pengembangan dan pemampatan adiabatik.
Untuk bahan perbandingan, ditunjukkan beberapa siklus untuk berbagai jenis mesin.
SIKLUS MESIN BAKAR.
Siklus mesin bakar atau lebih umum disebut siklus Otto di tunjukkan pada gambar di bawah ini.
Siklus Otto dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isokhorik. Dimulai dari titik a, maka :
Kurva ab dan cd masing-masing adalah kurva pemampatan dan pengembangan adiabatik.
Garis lurus bc dan da masing-masing adalah garis lurus untuk pemanasan dan pendi nginan isokhorik.
SIKLUS MESIN DIESEL.
Siklus untuk mesin diesel ditunjukkan pada gambar di atas ini. Siklus pada mesin diesel dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan satu garis lurus isobarik serta satu garis lulo9illo[p[21 .9[rus isokhorik.
Dimulai dari titik a, maka :
Kurva ab dan cd masing-masing adalah kurva pemampatan dan pengembangan adiabatik.
Garis lurus bc adalah garis lurus pemanasan isobarik.
Garis lurus cd adalah garis lurus pendinginan isokhorik..
SIKLUS MESIN UAP.
Siklus mesin uap yang juga disebut siklus Rankine ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Siklus ini dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isokhorik. hanya saja pada mesin uap ini terdapat proses penguapan dan pengembunan.
Mula-mula air dalam keadaan cair dengan suhu dan tekanan rendah di titik a.
- kurva ab adalah kurva pemampatan secara adiabatik dengan tekanan yang sama dengan tekanan di dalam periuk pendingin.
- garis cd adalah proses pengubahan air menjadi uap.
- Garis de adalah prosers pemanasan sehingga suhu uap sangat tinggi.
- Kurva ef adalah proses pengembangan secara adiabatik.
- garis fa adalah proses pengembunan sehingga kembali ke keadaan awalnya.
HUKUM II TERMODINAMIKA.
Effisiensi (daya guna mesin)
Dalam hukum II Termodinamika akan dibahas perubahan kalor menjadi energi mekanik melalui sebuah mesin, dan ternyata belum ada sebuah mesinpun yang dapat mengubah sejumlah kalor menjadi energi mekanik seluruhnya.
Sebuah mesin diberi energi berupa kalor Q1 pada suhu tinggi T1, sehingga mesin melakukan usaha mekanik W. Energi yang dibuang berupa kalor Q2 pada suhu T2, maka effisiensi mesin adalah :
Menurut Carnot untuk effisiensi mesin carnot berlaku pula :
Sebenarnya tidak ada mesin yang mempunyai effisiensi 100 % dan dalam praktek effisiensi mesin kurang dari 50 %.
LATIHAN SOAL
Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu tingginya pada 127 oC menyerap 100 kalori dalam tiap-tiap siklus pada suhu ini dan mengeluarkan 80 kalori ke reservoir suhu rendah. Tentukanlah suhu reservoir terakhir ini.
Berapakah effisiensi suatu mesin yang menerima 200 kalori dari sebuah reservoir bersuhu 400 oK dan melepaskan 175 kalori ke sebuah reservoir lain yang bersuhu 320 oK. Jika mesin tersebut merupakan mesin carnot berapakah effisiensinya.
Hitunglah effisiensi ideal dari suatu mesin Carnot yang bekerja antara 100 oC dan 400 oC.
Sebuah mesin carnot yang menggunakan reservoir suhu rendah pada 7 oC, daya gunanya 40 %. Kemudian daya gunanya diperbesar 50 %. Berapakah reservoir suhu tingginya harus dinaikkan.
Mesin Carnot beke5rja di antara dua reservoir panas yang bersuhu 400 oK dan 300oK. Jika dalam tiap siklus, mesin menyerap panas sebanyak 1.200 kalori dari reservoir yang bersuhu 400 oK, maka berapakah panas yang dikeluarkan ke reservoir yang bersuhu 300 oK.
Sebuah mesin carnot bekerja diantara 450 oC dan 50oC. Berapakah effisiensinya ?
----o0o-----PERUMUSAN KELVIN-PLANK
TENTANG HUKUM II TERMODINAMIKA
Pada dasarnya perumusan antara Kelvin dan Plank mengenai suatu hal yang sama, sehingga perumusan keduanya dapat digabungkan dan sering disebut : Perumusan Kelvin-Plank Tentang Hukum Ii Termodinamika.
Perumusan Kelvin-Plank secara sederhana dapat dinyatakan sebagai berikut :
"Tidak Mungkin Membuat Pesawat Yang Kerjanya
Semata-Mata Menyerap Kalor Dari Sebuah Reservoir
Dan Mengubahnya Menjadi Usaha"
Sebagai contoh marilah kita perhatikan proses yang sebenarnya terjadi pada motor bakar dan motor bensin.
Mula-mula campuran uap bensin dan udara dimasukkan ke dalam silinder dengan cara menarik penghisap.
Kemudian penghisap ditekan, dengan demikian campuran tadi dimampatkan sehingga temperatur dan tekanannya naik.
Campuran tadi kemudian dibakar dengan loncatan bunga api listrik. Proses pembakaran ini menghasilkan campuran dengan temperatur dan tekanan yang sangat tingi, sehinga volume campuran tetap (proses isokhorik)
Hasil pembakaran tadi mengembang, mendorong penghisap, sedangkan tekanan dan temperaturnya turun, tetapi masih lebih tinggi dari tekanan dan temperatur di luar.
Katub terbuka, sehingga sebagian campuran itu ada yang keluar sedangkan penghisap masih tetap ditempatnya.
Akhirnya penghisap mendorong hampir seluruhnya campuran hasil pembakaran itu keluar.
PERUMUSAN CLAUSIUS
TENTANG HUKUM II TERMODINAMIKA.
Perumusan Clausius tentang hukum II Termodinamika secara sederhana dapat diungkapkan sebagai berikut :
"Tidak Mungkin Membuat Pesawat Yang Kerjanya Hanya Menyerap Dari Reservoir Bertemperatur Rendah Dan Memindahkan Kalor Itu Ke Reservoir Yang Bersuhu Tinggi, Tanpa Disertai Perubahan Lain.
Sebagai contoh marilah kita lihat proses pada lemari pendingin (lemari es) yang bagannya pada gambar di bawah ini.
Zat cair di dalam wadahnya pada tekanan tinggi harus melalui saluran yang sempit, menuju ke ruang yang lapang (Avoporator). Proses ini disebut : Proses Joule-Kelvin.
Tiba di ruang yang lapang, temperatur dan tekanan zat cair tadi berkurang, dan zat cair juga menguap. Untuk menguap maka zat cair ini memerlukan kalor yang diserap dari reservoir T2 (suhu reservoir dingin = suhu benda yang akan didinginkan).
Kemudian uap pada tekanan rendah ini masuk ke dalam kompresor, dimampatkan, sehingga tekanannya dan temperaturnya naik. Temperatur uap ini lebih tingi dari temperatur reservoir T1 (temperatur suhu tingi) dan T1 > T2
[p'['pDi dalam kondensor uap ini memberikan kalor pada reservoir T1. Sebagai reservoir T1 dapat digunakan udara dalam kamar atau air. Zat yang sering dipakai pada pesawat pendingin adalah : Amoniak. Pada proses ini selain pemindahan kalor dari reservoir dingin T2 ke reservoir T1, terjadi pula perubahan usaha menjadi kalor yang ikut dibuang di T1.
KUNCI JAWABAN.
Kalor Jenis Gas.
1. 6,5 x 102 joule/kg 0K
9,1 x102 J/kg 0K
2. a) 6,2 x 102 J/kg 0K
1,03 x 102 J/kg 0K
b) 1,03 x 104 J/kg 0K
1,44 x 104 J/kg 0K
3. 1,04 x 103 J/kg 0K
4. 3,13 x 102 J/kg 0K
5. 9,73 x 102 J/kg 0K
Hukum I Termodinamika
Untuk Proses Isobarik.
1. W = 0,0671 J; U = 2389,7329 J
2. W = 68,3 J; U =2,259932 x 106 J
3. a) Q = 6,23775 x105 J
U = 4,45554 x10b) 5 J
c) W = 1,78221 x105 J
U = 20,767 J4. a)
b) W = 9,0668 J
Hukum I Termodinamika
Untuk Proses Isokhorik ( Isovolumik )
1. a) W = 0
b)
c)
2.
3.
4. a) W=0
b)
Hukum I Termodinamika
Untuk Proses Adiabatik.
1. 663 N/m2 ; 1.2620 C; -4,2 x 104 Joule
2. 2,5 x 106 N/m2 ; 6860 K;
8,57 x 103 Joule
3. 1,25 x 106 N/m2; 6260 K;
2,02 x 104 Joule
4. 3 atm
5. 134,07 cmHg
6. 510 C
Penerapan Hukum I Termodinamika.
Siklus.
1. a) W1-2 = 3,28 x 106 joule
W2-3 = -1,97 x 106 joule
W3-1 = 0
b) Q1-2 = 8,23 x 106 joule
Q2-3 = 0
Q3-1 = 4,96 x 106 joule
c) U1-2 = 4,96 x 106 joule
U2-3 = 0
U3-1 = 4,96 x 106 joule
2. 2 x 103 joule
3. a) 1-2 Proses adiabatik dan 1-3 proses
isotermik. Kurva adiabatik lebih
curam dari pada kurva isotermik.
b) P2 = P3 = 2 x 10-5 Nm-2
c) T2 = T1 = 6000 K
d) V3 = 8 x 10-3 m3
4. a) 0 b) 1,7 x 104 joule
c) 1,7 x 104 joule
d) 0,23 m3
5. a) T1 = 3000 K; P1 = 105 Nm-2
T2 = 6000 K; P2 = 2 x 105 Nm-2
T3 = 4550 K; P3 = 105 Nm-2
b) 52,34 Joule.
Hukum II Termodinamika
Efisiensi Mesin.
1. 470 c
2. 12,5 %; 20 %
3. 44,6 %
4. 93,1 %
5. 900 kalori 6. 59,4 %
Makalah Kapasitas Kalor Gas
Diposting oleh IMamZ PunyabLog Di: Educations , Islamic
November282012
Hadduhhh gillaa .... pusing bgt nih otak mau hadapi Ujian Semester I, Catatan kurang lengkap, SPP belum lunas,, lengkap dah derita ane ,,. Plus ini mana malah disuruh bikin Makalah lg sma Ibu Mujiah ( guru Fisika guee hehehe.. ) hhaduuh,,, untung ada sahabat karib gue.. (ciiieh sahabat ^^,) siapa lagi kalau bukan Mbah Gugel Jengjrennngg.... lngsung aja deh kbetulan makalah ane udah jadi, jadi ane posting aje ye,, siapa tau ada yg bernasib sama kaya ane ,, biar gak terlalu pusing gitu... ohh iya thank jg bwt blog Gina Urfah,, dr dia jg nih Makalah, sok akrab bgt gue ,,, hhheheh pdahal knal jg nggak.. #_#,, oke Cekiiitttbbroot
KATA PENGANTAR
Bismillahiramanirrahim
Alhamdulilah, puji dan syukur penuyusun panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah membimbing hambanya-Nya yang dlo'if ke jalan yang dirihoi-Nya. Berkah rahmat dan karunia-Nya akhirnya penulis dapat menyelesaikan penyusunan makalah ini. Shalawat serta salam mudah-mudahan selalu tercurah kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW yang telah membawa kita sebagai umatnya ke jalan yang benar dan diridoi Allah SWT.
Makalah ini berjudul "Kapasitas Kalor Gas" yang yang bertujuan untuk memenuhi Tugas Mandiri Fisika pada Jurusan Pendidikan Multimedia Di SMK PGRI Ciawigebang
Sungguh merupakan suatu kebanggaan dari penulis apabila makalah ini dapat terpakai sesuai fungsinya, dan pembacanya dapat mengerti dengan jelas apa yang dibahas didalamnya dapat bermamfaat khusunya bagi penulis dan masyarakat akademik pada umumnya.
Dengan segala kerendahan hati penulis menyadari masih banyak kekurangan dalam penyusunan makalah ini. Segala kritikan dan saran yang membangun, sungguh sangat diharapkan demi memperbaiki pembuatan makalah di kemudian hari. Amin. Akhirnya pada Allah jua penulis kembali.
Selamat membaca!
Penulis, November 2012
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar belakang Masalah
Ilmu pengetahuan alam (sains) merupakan ilmu yang diperoleh melalui pengamatan dan penelitian terhadap alam serta gejala-gejala alam. Sains itu sendiri pada hakikatnya berkaitan dengan cara mencari tahu dan memahami tentang alam secara sistematis, sehingga sains bukan hanya penguasaan tentang kumpulan pengetahuan berupa fakta-fakta, konsep, prinsip saja tetapi juga merupakan suatu proses penemuan.
Fisika adalah satu bagian dari sains yang membahas tentang fenomena dan proses nyata yang menjadi masalah-masalah yang ada di alam. Dasar analisa Kapasitas Kalor Gas adalah kesetimbangan tekanan dan volum dalam system yang terisolasi dari lingkungan. Jika suatu sistem tidak menunjukkan terjadinya perubahan, maka sistem tersebut dapat dikatakan berada pada status keseimbangan.
Salah satunya uap super panas mempunyai sifat seperti gas jika berada di bawah suhu kritisnya, yaitu pada proses volume tetap (isokhorik) adalah proses yang bekerja pada satu garis volume sehingga volume akhir sama dengan volume awal proses. Proses tekanan tetap (isobarik) adalah proses yang bekerja pada satu garis tekanan sehingga tekanan akhir sama dengan tekanan awal proses.
Kapasitas kalor (C) dinyatakan dalam per satuan massa sehingga disebut sebagai kapasitas kalor jenis. Kapasitas kalor jenis didefinisikan sebagai perubahan kandungan panas yang terjadi sebagai akibat perubahan suhu pada satu satuan massa zat gas tertentu. Kapasitas kalor gas dapat berupa kapasitas kalor gas pada volume tetap (Cv) dan pada tekanan tetap (Cp).
B. Tujuan Penyusunan Makalah
1. Untuk mengetahui maksud dari Kapasitas Kalor Gas ?
2. Untuk mengetahui persamaan secara matematis dalam kapasitas kalor gas ?
3. Untuk memahami bagaimana pentingnya kapasitas kalor gas dalam penyuksesan Ilmu pengetahuan di eraglobalisasi ?
4. Untuk memahamai kegunaan kapasitas kalor dalam kehidupan ?
BAB II
PEMBAHASAN
Kapasitas Gas kalor
A. Pengertian Kapasitas Kalor Gas
Kapasitas kalor C suatu zat menyatakan banyaknya kalor Q yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 kelvin. Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis sebagai
C = Q/ΔT atau Q = CΔT
C= Kapasitas Kalor
Q = Qalor
T = Kenaikan Suhu
Kapasitas gas kalor adalah kalor yang diberikan kepada gas untuk menaikan suhunya dapat dilakukan pada tekanan tetap (proses isobarik) atau volum tetap (proses isokhorik). Karena itu, ada dua jenis kapasitas gas kalor yaitu:
1. Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap
2. Kapasitas kalor pada volum tetap.
B. Uraikan Konsep Kapasitas kalor Gas
Kapasitas kalor gas diperoleh dari fungsi empirik temperatur, dan biasanya dalam bentuk yang sama. Kapasitas kalor gas sangat dipengaruhi oleh tekanan, namun pengaruh tekanan pada sifat termodinamika tidak digunakan dalam. Karena gas pada tekanan rendah biasanya mendekati ideal, kapasitas kalor gas ideal bisa digunakan untuk hampir semua perhitungan gas real pada tekanan atmosfir.
1. kapasitas kalor gas pada tekanan tetap (Cp)
Kapasitas kalor gas adalah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu Kelvin pada tekanan tetap. tekanan system dijaga selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan, maka perubahan energi dalam, kalor, dan kerja pada proses ini tidak ada yang bernilai nol.
Maka secara matematis :
Cp = Q/ΔT = ((5/2PΔV)/(ΔT)) = ((5/2nRΔV)/(ΔT)
Cp = 5/2nR
2. Kapasitas kalor gas pada volum tetap (Cv)
Kapasitas kalor pada volum tetap artinya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu kelvin pada volum tetap. Artinya kalor yang diberikan dijaga selalu konstan.
Karena volume system selalu konstan, maka system tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada system. Jadi kalor yang ditambahkan pada system digunakan untuk menaikan energi dalam sistem.
Maka secara matematis :
Cv = Q/ΔT = (3/2nRΔT)/ΔT
Cv = 3/2nR
Berdasarkan persamaan di atas dapat diperoleh bahwa:
Cp – Cv = 5/2nR – 3/2nR
Cp – Cv = nR
Kapasitas yang diperoleh pada persamaan tersebut adalah untuk gas monoatomik. Sedangkan untuk gas diatomik dan poliatomik tergantung pada derajat kebebasan gas. Dapat digunakan pembagian suhu sebagai berikut:
Pada suhu rendah (± 250 K): Cv = 3/2nR dan Cp = 5/2nR
Pada suhu sedang (± 500 K): Cv = 5/2nR dan Cp = 7/2nR
Pada suhu tinggi (± 1000 K): Cv = 7/2nR dan Cp = 9/2nR
Oleh karena itu, konstanta Laplace γ dapat dihitung secara teoretis sesuai persamaan sebagai berikut:
Gas monoatomik: γ = Cp/Cv = ((5/2nR)/(3/2nR)) = 5/3 = 1,67
Gas diatomik pada suhu kamar: γ = Cp/Cv = ((7/2nR)/(5/2nR)) = 7/5 = 1,4
Dengan memasukan nilai Qp danQc sertqa W diperoleh :
C p T – Cv T = p V
(C p – Cv ) = p V
C p – Cv= p V / T
Akhirnya kita mendapatkan rumus lengkap usaha yang dilakukan oleh gas seperti dibawah ini :
· W = p V = p (V2- V1)
· W = nR V = nR(T2- T1)
· W = Qp - Qv = (Cp – Cv) T
C. Konsep Kimia yang terkait dengan konsep fisika
Persyaratan energi memainkan peranan penting dalam menentukan arah akan terjadinya suatu reaksi kimia. Kapasitas kalor gas pada kimia yang menangani hubungan kalor, kerja dan bentuk lain energi, dengan kesetimbangan dalam reaksi kimia dan perubahan keadaan. Dalam konsep kimia kapasitas kalor gas yang menangani pengukuran dan penafsiran perubahan kalor yang menyertai reaksi kimia, perubahan keadaan dan pembentukan larutan.
Kedua konsep, kapasitas kalor gas dalam kimia dan fisika berupa perubahan energi yang dapat diperoleh dari reaksi-reaksi. Karena pengukuran dan perhitungan kalor reaksi kimia bersifat dasar untuk pemahaman kalor gas.
a. Hubungan energi dalam pada Reaksi Kimia
Energi dalam adalah energi total pada system zat-zat kimia. Energi dalam bergantung pada gerakan molekul, penataan, gaya tarik antar molekul, dan faktor-faktor lain semua itu adalah suatu fungsi keadaan. Sana halnya dengan entalpi H, harga mutlak energi dalam E, dari suatu keadaan tidak dapat ditentukan, namun perubahan energi dalam dapat ditentukan.
Perubahan kimia mencakup perubahan pada energi dalam produk relative terhadap pereaksi. Jika E2 yaitu energi dalam sama denagn E2 – E1. suatu perubahan pada energi dalam suatu system dilaksanakan oleh transfer kalor ataupun dilakukannya kerja.
b. Hubungan Kapasitas kalor Gas dalam konsep Kimia
Perubahan kapasitas kalor pada volume kostan (Cv) dan tekanan konstan (Cp) lebih mudah diukur, meskipun proses yang dilakukan pada tekanan konstan (tekanan atmosfer) bagi proses reaksi kimia lebih penting daripada volume konstan.
Sifat materi yang dapat dikur secara kuantitatif. Kerja dan pindah panas dapat diukur dan dihitung, namun kedua hal tersebut bukan properti. Tekanan sebagai fungsi volume spesifik dan suhu, atau p = p(v,T), dan seterusnya. Properti yang umum digunakan untuk menyatakan status suatu sistem sederhana (zat murni yang hanya terdiri atas satu komponen) adalah tekanan (p; satuan Pa), volume spesifik (v; satuan m3/kg), suhu (T; satuan K), energi dalam spesifik (u; satuan kJ/kg), entalpi spesifik (h; satuan kJ/kg), dan entropi spesifik (s; satuan kJ/kg). Untuk sistem yang terdiri atas lebih dari satu zat yang tidak saling bersenyawa, penentuan nilai properti tersebut dapat dilakukan jika komposisi masing-masing zat di dalam sistem diketahui. (Tambunan, 2007)
Kapasitas panas (c) adalah ekstensif yang sering dinyatakan dalam per satuan massa sehingga disebut sebagai kapasitas panas jenis. Kapasitas panas jenis didefinisikan sebagai perubahan kandungan panas yang terjadi sebagai akibat perubahan suhu pada satu satuan massa zat tertentu. Kapasitas panas jenis dapat berupa kapasitas panas jenis pada volume tetap (cv) dan pada tekanan tetap (cp), sesuai dengan kondisi yang ditetapkan. cv dituliskan dalam persamaan:
Hubungan antara kapasitas panas jenis suatu gas ideal pada tekanan tetap dengan pada volume tetap dapat ditentukan jika u, h, dan pV dinyatakan sebagai fungsi T. Bentuk diferensial persamaan terhadap suhu ada Untuk gas ideal, berdasarkan percobaan joule diperoleh Cp – Cv = nR
Perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas panas pada volume tetap (cp/cv) sering sangat bermanfaat untuk analisis sistem pendinginan. Untuk gas ideal nilai rasio kapasitas panas tersebut adalah:
Fasa suatu zat dapat diketahui berdasarkan dua sifat yang berbeda. Jika nilai salah satu properti berubah maka dikatakan zat tersebut mengalami proses. Sifat yang umum dipakai adalah tekanan, suhu, dan volume.
Kalor-kalor pembakaran senyawa oganik lazim dilakukan denagn menggunakan kalorimeter bom. Dalam alat ini, reaksi dilakukan dalam suatu sistem yang tertutup atau terisolasi dan proses terjadi pada voleme konstan. Perubahan kalor yang diukur sama denagn energi dalam
Perubahan kalor dalam suatu proses tekanan konstan sebagai perubahan entalpi, H.
Kalor pembentukan atom gas, dalam kJ/ mol, pada 250
Atom
Hfo
H
218.0
N
472.6
O
249.2
F
78.5
CL
121.3
Br
111.9
I
106.8
B
571.1
C
716.7
S
277.4
Harga-harga dihitug dari data dalam handbook of chemistry and physics, R.C Weast,Weast, Ed,CRC Press Inc,1979
harga H yang diingikan dihubungkan dengan E, secara matematis :
H= E + nRT
n ialah jumlah mol produk-produk yang berbentuk gas minus jumlah mol pereaksi yang berbentuk gas, seperti dinyatakan pada persamaan berimbang untuk reaksi.
Selisih antara H dan E kecil untuk kebanyakan reaksi pada temperature biasa. Hanya bila n atau T besar , selisih itu akan bermakna.
Penentuan Kalor reaksi dalam reaksi kimia menggunakan kalorimetri. Kalorimetri reaksi merujuk pada penentuan kalor reaksi apa saja selain reaksi pembakaran. Metoda ini digunakan denagn senyawa anorganik dan larutannya.
Dalam subuah kalorimetri jenis, reaksi berlangsung dalam bilik reaksi yang dibenamkan dalam air yang kuantitasnya diketahui dengan penimbangan, dalam suatu bejanayang erisolasi. Satu cara untuk mengawali reaksi dalam bilik tyang tertutup rapat ini adalah memanasi suatu kumparan kawat yang tidak bereaks, denagn mengalirkan kelistrikan. Jika reaksi itu diduga bersifat sanagnt eksoterm bilik dibuat dari baja agar tahan terhadap tekanan yang dihasilkan oleh gas-gas panas yang ada.
Banyaknya kalor yang dibebaskan ataupun diserap diperoleh denagn menaruh suatu kuantitas yang ditimbang dari pereaksi dalam wadah, membiarkan reaksi berlangsung.dari bobot bahan-bahan yang terlibat (air, hasil reaksi, dan kalorimeter), perubahan temperaturnya, kapasitas kalor gas, maka banyaknya perubahan kalor selama reaksi dapat dihitung.
D. Contoh soal dan masalah dalam kapsitas kalor gas
Soal dalam konsep fisika
1. Sebanyak 56,0 x 10-3 kg Nitrogen dipanaskan dari270 K menjadi 310 K, jika nitrogen ini dipanaskan dalam bejana yang bebas memuai, maka diperlukan kalor 2,33 kJ. Jika nitrogen ini dipanaskan dalam bejana kaku ( tidak dapat memuai ), maka diperlukan kalor 1,66 kJ. Hitung :
a. kapasitas gas umum
b. tetapan gas umum
Penyelesaian :
Diketahui : massa m = 56,0 x 10-3 kg
T = 310 K – 270 K = 40,0 K
Massa molekul M = 28,0 g/mol = 28,0x10-3 kg/mol
a. Untuk bejana yang bebas memuai
Qp = 2,33 kJ = 2330 J
Cp = Qp/ T = 2330 J / 40,0 = 58,2 J K-1
Untuk bejana yang kaku ( tidak dapat memuai )
Qv = 1,66 kJ = 1660 J
Cv = Qv/ T = 1660 / 40,0 = 41,5 J K-1
b. Tetapan gas umum R
n = m/M
Cp – Cv = nR
R= m/ M (Cp - Cv)
= 28, 0 x 10-3 kg/mol / 56,0 x 10-3 kg (58,2 JK-1 – 41,5 J K-1)
= 8,35 J K-1 mol-1
Soal dalam konsep kimia
2. Satu mol gas helium, dianggap dianggap bersifat ideal. Dipanaskan pada tekanan tetap dari 25o C sampai 45oC . Tentukan perubahan entalpi system jika diketahui kapasitas kalor molar, Cv = 3/2 R.
Penyelesaian :
Diketahui :
Keadaan 1 keadaan 2
n1 = 1 mol P2 = P1
P1 = P T2 = 45O C + 273
T1 = 25o C + 273 = 318, 15 K
= 298,15 K
Ditanyakan :
Perubahan entalpi, H ?
H = n 5/2 R (T2-T1)
= 5/2 1 mol 8, 314 JK-1 mol -1 (318, 15 – 298,15 ) K
= 400 J
Jadi, entalpi system meningkat 400 J
3. kalor pembakaran benzena C6H6 (l), seperti yang ditentukan dalam sebuah kalori meter bom adalah – 3623,9 kJ mol pada 25o C dan tekanan 1 atm. Hitunglah perubahan entalpi , Hro untuk proses ini.
Penyelesaian :
Qv/ E = - 3623, 9 kJ/ mol
n = 6CO2(g) – 15/2 O2 (g)
6 mol – 7,5 mol = 1,5 mol
H = E + nRT
H =- 3623,9 kJ + [ ( -1,5 mol) (8,314 x J/ K x mol ) x (298 K) (1kJ/ 1.000 J ) ]
Hro = - 3623,9 kJ x (- 3,72 kJ) = - 3,267, 6 kJ
Penyelesaian Masalah Kapasitas kalor gas
Lihat satuan untuk kerja dan kalor, kerja sering kali dinyatakan dalam joule dan kalor dalam kalori atau kilikalori, tetapi pilih hanya satu satuan untuk satu soal
Temperatur pada umumnya dinyatakan dalam Kelvin, perbedaan temperatur bias dinyatakan dalam Co atau K
Satuan SI untuk kalor Q adalah J dan T adalah K, sehingga satuan SI untuk kapasitas kalor adalah J/K atau J K-1
Perhatikan dalam penyelesaian soal, Kapasitas yang diperoleh untuk gas monoatomik, diatomik dan poliatomik tergantung pada derajat kebebasan gas.
Gas pada kapasitas kalor dalam tekanan dan volum tetap selalu dijaga konstan
Energi dalam merupakan sifat system, sedangkan kerja dan kalor bukan sifat system.
Perubahan kalor dapat menghasilkan usaha dari perubahan energi dalam.
Kalor yang masuk sistem menjelma sebagai penambahan energi dalam system
BAB III
PENUTUP
A. Manfaat Kapasitas kalor Gas
Konsep kapasitas kalor gas berarti memberikan kalor kepada gas untuk menaikan suhunya satu system ke lingkungan lainnya dengan cara-cara tertentu. Diperlukan analisa pindah panas dan massa untuk mengetahui proses yang terjadi. Memberikan konsep adanya energi dalam suatu sistem (u). Jumlah energi dalam suatu benda selalu tetap jika tidak ada panas (q) maupun kerja yang dilakukan padanya (w). dewasa ini, konsep ini bermanfaat untuk pengolahan sampah dan beberapa mesin pendingin.
1. Teknologi pengolahan sampah
Untuk mengkonversi sampah menjadi energi. Pada dasarnya ada dua alternatif proses pengolahan sampah menjadi energi, yaitu proses biologis yang menghasilkan gas-bio dan proses thermal yang menghasilkan panas. Konsep ini digunakan pada PLTSa dan takakura.
2. Teknik pendinginan
Refrigerasi (pendinginan) adalah suatu sistem yang mengambil panas dari suatu benda atau ruangan yang bersuhu lebih rendah dari lingkungan alamiahnya. Bangsa Romawi dan Cina mengambil es dan salju untuk digunakan sebagai penyejuk udara saat musim panas. Bangsa Mesir meletakkan bejana air di atap rumah pada malam hari untuk mendinginkannya. Terlihat bahwa usaha untuk mendinginkan bahan atau udara telah ada sejak dahulu. Peradaban yang maju membuat teknik pendinginan semakin berkembang
Terdapat dua bidang pendinginan yang saling terkait dalam pendinginan yaitu bidang refrigerasi dan pengkondisian udara. Aplikasi teknik pendinginan dapat dijumpai di berbagai bidang. Di bidang industri, pengkondisian udara digunakan untuk mendapatkan suhu dan kelembaban yang nyaman bagi pekerja.
Dingin merupakan hasil yang diciptakan oleh mesin pendingin terutama kulkas dan freezer. Sedangkan AC lebih ke keadaan sejuk. Proses terjadinya pendinginan yang diciptakan oleh mesin pendingin sebenarnya merupakan tiruan terjadinya dingin yang disebabkan oleh alam. Dan dingin sebenarnya merupakan suatu proses penguapan karena adanya panas akan menimbulkan udara dingin disekitarnya. Dingin terjadi karena adanya penguapan, dan penguapan berlangsung karena adanya panas.