TERMODINAMIKA

Diktat Fisika SMA Kls XI Usep Kasman – SMAN 6 Depok

Pendahuluan

Setiap kali kita mengendarai mobil, menyalakan pendingin ruangan, atau memakai alat-alat elektronik, kita memanfaatkan aplikasi praktis dari termodinamika, suatu ilmu yang menjelaskan hubungan antara panas, kerja mekanik, dan aspek-aspek lain dari energi dan perpindahan energi. Ketika kita ingin mencairkan gas nitrogen , kita mengkompresi gas tesebut sampai tekanan tekanan yang sangat tinggi sambil tetap menjaga agar suhu konstan, kemudian mengisolasinya dan membiarkannya berekspansi. Gas akan menjadi jauh lebih dingin saat berekspansi dan menjadi cair. Ini adalah sebuah termodinamika . contoh dari proses termodinamika

Lokomotif uap ini bekerja dengan menggunakan hukum pertama termodinamika. Saat panas dihasilkan oleh batu bara atau kayu yang di baker dalam mesin lokomotif, sebagian energi menaikan suhu air (yang mendidih dan menghasilkan uap) dalam mesin.Sisa energi dipakai guna mengekspansikan uap untuk menghasilkan kerja dan menggerakan lokomotif

Dalam membahas termodinamika, kita akan seringkali mengacu ke suatu sistem tertentu. Sistem adalah benda atau sekumpulan benda apa saja yang akan kita teliti. Benda-benda lainnya di alam semesta ini akan kita sebut sebagai "lingkungan"-nya. Ada beberapa macam sistem. Sistem tertutup adalah sistem di mana tidak ada massa yang masuk maupun keluar (tetapi energi dapat dipertukarkan dengan lingkungan). Pada sistem terbuka, massa bisa masuk atau keluar (demikian pula dengan energi). Banyak sistem (yang dianggap ideal) yang kita pelajari di fisika yang merupakan sistem tertutur. Tetapi banyak sistem, termasuk tumbuhan dan hewan, merupakan sistem terbuka karena mereka bertukar materi (makanan, oksigen, hasil pembuangan) dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak ada energi dalam bentuk apapun yang melintasi batasnya, selain dari itu sistem tidak terisolasi. Hukum pertama termodinamika, titik tolak dari pemahaman proses tersebut, adalah sebuah kelanjutan dari prinsip kekekalan energi. Prinsip tersebut diperluas hingga meliputi pertukaran energi, baik oleh perpindahan panas maupun kerja mekanik serta memperkenalkan konsep energi dalam dari sebuah sistem. Kekekalan energi berperan penting dalam setiap bidang ilmu fisika, dan hukum pertama termodinamika memiliki kegunaan yang sangat luas. Untuk menyatakan hubungan antar energi secara tepat, kita membutuhkan konsep tentang system termodinamik, dan kita akan - 72 -


membahas panas dan kerja sebagai dua sarana perpindahan energi yang masuk atau keluar pada sistem tersebut. Usaha Yang Dilakukan Gas

Gambar disamping menunjukkan sebuah padatan atau cairan dalam silinder dengan piston yang dapat bergerak. Anggap bahwa silinder memiliki luas penampang A dan tekanan yang dikeluarkan sistem pada permukaan piston adalah p. Total gaya F yang dihasilkan sistem terhadap piston adalah F = pA. Ketika piston bergerak keluar sejauh jarak d x yang sangat pendek, maka kerja dW yang dilakukan oleh gaya tersebut adalah : dW =F.dx =pA dx, dimana A dx = dV d V adalah perubahan volume yang sangat kecil dalam sistem. Maka kita dapat menyatakan kerja yang dilakukan oleh sistem pada perubahan volume yang sangat kecil ini: dW = p dV.

Pada perubahan volume yang cukup besar dari V 1 k e V 2 , usaha yang dilakukan dapat ditentukan dengan: V 2

∫

W = p.dV V 1

Dari persamaan di atas, usaha dapat dituliskan dalam bentuk :

W = p.ΔV

W = usaha ............................................joule 2 p = tekanan ........................................N/m ΔV = perubahan volume ( V 2 – V 1)........m3

Jika W > 0 gas (sistem ) melakukan usaha ( V 2 > V 1)dan jika W < 0 gas (sistem) menerima usaha dari lingkungannya ( V 2 < V 1) Proses Termodinamika a. Proses Isotermal Suatu proses dimana suhu gas pada wadah dipertahankan tetap. V nRT , maka W = p.dV ; karena p = V V 2

∫ 1

V 2

W =

nRT

∫ V

dV

V 1

- 73 -


V 2

1

∫ V dV , dihasilkan :

W = nRT

V 1

W = nRT ln

V 2 V 1

Besarnya usaha yang dilakukan gas ini sama dengan luas daerah yang diarsir pada grafik seperti gambar di atas. Jika arah anak panahnya ke kiri atau volumenya berkurang maka usaha gas adalah negatif dari luasan di bawah kurva tersebut. Contoh :

Dalam sebuah selinder 0 ,5 mol gas dengan volume 5 liter mengalami proses isotermik (T = 300 K) hingga volumenya menjadi 2 liter. Jika tekanan gas 100 kPa, hitunglah usaha yang dilakukan oleh gas. Berapa usaha yang dilakukan oleh lingkungan? Hitung juga usaha yang dilakukan oleh gas jika volume gas dijadikan 10 liter melalui proses isotermik!

b. Proses Isokhoris

Merupakan suatu proses dimana volume gas dipertahankan tetap. Usaha yang dilakukan gas pada proses ini sama dengan nol karena volume gas tidak bertambah atau berkurang (Δ ( ΔV = 0 ) Dari diagram PV di atas , proses isokhorik digambarkan berupa garis lurus sejajar sumbu P. Dapat dilihat pada gambar bahwa disini tidak ada luas daerah yang diarsir sehingga usaha yang dilakukan gas adalah sama dengan nol.

- 74 -


c. Proses Isobaris

Merupakan suatu proses dimana tekanan gas dipertahankan tetap Gambar di bawah melukiskan melukiskan proses isobarik. isobarik. Piston Piston dapat bergerak leluasa dan mempertahankan tekanan gas tetap sama ketika suhu gas berubah. Misalnya mula-mula tekanan gas P. Dalam keadaan ini terdapat keseimbangan karena gaya yang diberikan gas pada piston (ke arah atas) sama besar dengan gaya berat dari piston itu. Ketika suhu gas dinaikkan perlahan-lahan, perlahan-lahan, tekanan gas mulai naik secara perlahan. Jika kita biarkan beberapa saat gas akan menekan piston keatas sampai seimbang. Setelah seimbang tekanan gas sekarang sama dengan tekanan gas semula. Proses pemanasan perlahanlahan ini dapat kita teruskan sampai volume gas naik dari V 1 ke V 2 (volume yang kita kehendaki). Pada proses ini yang berubah adalah T dan V gas, sedangkan P gas tetap. Diagram PV untuk proses ini ditunjukkan. pada gambar di bawah ini : Usaha yang dilakukan gas pada proses isobarik dapat dicari sebagai berikut : V 2

∫

W = p.dV V 1

W = p(V 2

− V 1 )

Jika W < 0 (negatif) usaha dilakukan pada gas, sedangkan jika W > 0 (positif) usaha dilakukan oleh gas Besarnya usaha yang dilakukan gas ini sama dengan luas daerah yang diarsir pada grafik seperti gambar di atas Contoh Soal : Suatu gas yang bertekanan 5 atm mengalami proses isobarik sehingga volumenya naik dari 4 m3 menjadi 6 m3. Hitunglah usaha yang dilakukan gas selama proses ini. Gambarkan diagram PV -nya -nya dan hitung besarnya usaha dengan menghitung luas di bawah kurva dalam diagram ini.

- 75 -


d. Proses Adiabatis

Merupakan suatu proses dimana tidak ada panas yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Situasi ini bisa terjadi jika sistem terisolasi dengan baik, atau proses terjadi dengan sangat cepat sehingga kalor-yang mengalir dengan lambat-tidak memiliki waktu untuk mengalir ke dalam atau keluar. Pemuaian gas yang sangat cepat pada mesin pembakaran dalam merupakan satu contoh proses yang hampir adiabatik. Pada proses adiabatis, tekanan p berbanding terbalik dengan volume gas V dipangkatkan dengan γ , dimana adalah konstanta laplace yang besarnya berkisar antara 1,1 sampai 1,8. γ dapat diperoleh dari perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dengan kalor jenis gas pada volume tetap:

γ = c c

P

V

pα

1 γ

V

; p.V γ γ

p1V 1

= kons tan

= p 2V 2 γ

Dengan p1 dan p2 menyatakan tekanan gas mula-mula dan akhir. Sedangkan V l dan V 2 adalah volume mula-mula dan volume akhir gas. Untuk gas ideal , P

=

nRT V

, sehingga persamaan di atas dapat dituliskan

dalam bentuk :

⎛ nRT 1 ⎞ γ ⎛ nRT 2 ⎞ γ ⎜⎜ ⎟⎟V 1 = ⎜⎜ ⎟⎟V 2 V V ⎝ 1 ⎠ ⎝ 2 ⎠ T 1V 1

γ −1

= T 2V 2 γ −1

Kurva proses adiabatis digambarkan seperti di samping . Pada diagram PV akan tampak lebih curam dibandingkan dengan proses isotermal karena γ > 1 (lihat Gb. Di samping ). Sehingga besarnya usaha yang dilakukan gas pada proses ini diharapkan lebih kecil dibandingkan pada proses isotermal (luas dibawah kurvanya lebih kecil).

- 76 -


Besarnya usaha pada proses ini dapat ditentukan : V 2

= kons tan , maka p =

γ

∫

W = p.dV ; dari persamaan p.V V 1

V 2

W =

C

∫ V

γ

V 2

V 1

γ

γ

V

sehingga :

dV

V 1

1 1−γ W = C V 2 1 − γ

(

Dengan mengganti C = p1V 1 W =

1

∫ V

dV = C

C

1 1 − γ

γ

− V 11−γ )

= p 2V 2 γ , diperoleh :

( p 2V 2 − p1V 1 )

Contoh Soal :

Gambar disamping melukiskan keadaan gas pada keadaan 1 yang mengalami kompresi/pemampatan adiabatik menjadi keadaan 2. Pada keadaan 1 gas mempunyai tekanan dan volume masing-masing 4 2 3 p1 = 10 N/m dan V2 = 4 m sedangkan pada 4 2 3 keadaan 2 P 2 = 6 x 10 N/m dan V2 = 1 m . Untuk mendapatkan keadaan 2 dari keadaan 1 sebenarnya gas dapat melewati lintasan a atau lintasan b. Bandingkan usaha yang dilakukan oleh gas dari ketiga lintasan ini! Kesimpulan apa yang dapat anda tarik?

Hukum I Thermodinamika

Dalam suatu sistem yang mendapat panas sebanyak Δ Q akan digunakan untuk menaikan energi dalamnya ( Δ u ) dan melakukan usaha( Δ W ). Q=

Δ u + W

Q = kalor yang yang masuk/keluar masuk/keluar sistem sistem ......... joule Δ u = perubahan perubahan energi energi dalam ...................... joule W = Usaha .................................................. joule

- 77 -


Energi Dalam (u)

Menurut teori kinetik gas, gas dianggap terdiri dari molekulmolekul . Tiap molekul bergerak karena mempunyai energi. Jumlah energi yang dimiliki oleh tiap molekul gas inilah yang dinamakan e n e r g i d a l a m gas. Pada sistem gas yang terdiri dari molekul monoatomik, masingmasing molekul memiliki 3 derajat kebebasan, sehingga energi 3 tiap molekul adalah kT . Energi sistem adalah energi tiap 2 molekul dikalikan dengan jumlah molekul. Dengan demikian besarnya energi dalam ( u ) sistem adalah : 1. Untuk gas monoatomik : u

=

3 2

NkT =

3 2

nRT

2 . Untuk gas diatomik pada suhu sedang u

=

5 2

NkT =

5 2

nRT

3 . Untuk gas diatomik pada suhu tinggi ti nggi u

=

7 2

NkT =

7 2

nRT

Penerapan Hukum I Termodinamika Proses Isotermal

Yaitu suatu proses perubahan keadaan gas yang terjadi pada suhu tetap. Pada proses ini suhu awal T 1 sama dengan suhu akhir T 2, sehingga perubahan energi dalam (Δ (Δu) sama dengan nol (Δ ( Δu = 0). Dari persamaan usaha pada proses isotermal diketahui bahwa W = nRT ln maka :

Δ u = Q – W 0 = Q – W ; jadi

Q = W = nRT ln

- 78 -

V 2 V 1

V 2 V 1

,


Proses Isokhoris

Adalah suatu proses perubahan keadaan gas yang terjadi pada volume tetap. Pada proses ini usa yang dilakukan sistem (gas) sama dengan nol, dengan demikian maka persamaan hukum I termodinámika menjadi Δ u = Q. Persamaan tersebut menyatakan bahwa jika kalor diberikan pada statu sistem pada volume tetap, seluruh kalor digunakan untuk menaikan energi dalam sistem.

Proses Isobaris

Adalah suatu proses perubahan keadaan gas yang terjadi pada tekanan tetap. Pada proses ini usa yang dilakukan sistem dirumuskan dengan persamaan W = p(V 2 − V 1 ) . Pada proses isobaris ini terjadi perubahan suhu sistem yang berarti pula terjadinya perubahan energi dalam Δu. Aplikasi hukum I termodinámika menghasilkan :

Δ u = Q – W Δu = Q − p(V 2 − V 1 ) Proses Adiabatis

Adalah proses perubahan keadaan gas dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem ( Q = 0). Aplikasi hukum I termodinámika menghasilkan :

Δ u = Q – W Δ u = 0 – W atau Δ u = – W Jika pada proses ini gas ideal monoatomik mengalami perubahan suhu dari T 1 menjadi T 2 , maka perubahan energi dalam ( Δu) adalah

Δu =

3 2

nR(T 2

− T 1 ) ,

dari hukum I termodinámika termodinámika diketahui W = −

3 2

nR(T 2

Δ u = – W, maka

− T 1 ) = −

- 79 -

3 2

nRT

W = -

Δu;


Cont Contoh oh Soal :

1 . Hitung perubahan energi dalam sistem pada proses berikut : a . sistem menyerap 400 kal panas dan melakukan kerja 600 joule b . sistem menyerap 600 kal panas dan ia menerima kerja 400 joule c . sistem melepaskan panas 300 kal tanpa melakukan usaha 3 2 . Ketika usaha 2,00 x 10 J diberikan secara adiabatis untuk memampatkan setengah mol suatu gas ideal monoatomik, suhu mutlaknya menjadi dua kali semula. Tentukanlah suhu awal gas. R= 8,31 J/mol K Siklus Mesin Dan Efesiensinya. 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 ( P 2 , V2 ). Kemudian proses isobaris mengubah sistem dari ( P2 , V2 ) sampai ( P2 , V1). Akhirnya proses isobaris 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 sistem harus bekerja dalam suatu siklus.

- 80 -


Siklus Carnot. Mesin kalor bekerja dalam suatu siklus, dan si klus untuk mesin Carnot dimulai pada titik a di diagram PV di bawah ini. 1. Pertama gas dimuaikan secara isotermis, dengan tambahan kalor Q H, sepanjang lintasan ab pada temperatur T H.

2. Selanjutnya gas memuai secara adiabatis dari b ke c.Tidak ada kalor yang dipertukarkan, tetapi temperatur turun sampai T L.

3. Gas kemudian ditekan pada temperatur konstan T L, lintasan c ke d, dan kalor QL keluar. 4. Akhirnya, gas ditekan secara adiabatis, lintasan da, kembali ke keadaan awalnya. Mesin Carnot tidak benar-benar ada, tetapi sebagai mesin teoritis, ia berperan penting pada pengembangan termodinamika. 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 pendinginan isokhorik.

- 81 -


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 lurus 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.

- 82 -


Effisiensi

Effisiensi suatu mesin dapat didefinisikan sebagai perbandingan kerja yang dilakukan oleh mesin itu dengan panas yang diserap selama satu siklus. Effisiensi dilambangkan dengan η Sebuah mesin diberi energi berupa kalor Q 2 pada suhu tinggi T 2, sehingga mesin melakukan usaha mekanik W. Energi yang dibuang berupa kalor Q1 pada suhu rendah T 1, maka effisiensi mesin adalah : η

=

Kerja yang dilakukan

η

=

W

η

Panas yang diserap

Q2

=

Q2

= ( 1−

− Q1 Q2

Q1 Q2

) × 100%

Menurut Carnot untuk effisiensi mesin carnot berlaku pula :

η

= ( 1−

T 1 T 2

) × 100%

Sebenarnya tidak ada mesin yang mempunyai effisiensi 100 % dan dalam praktek effisiensi mesin kurang dari 50 %. Berdasarkan kenyataan ini disimpulkan bahwa tidak mungkin membuat mesin kalor yang dapat mengubah seluruh kalor yang diterima menjadi usaha . Kesimpulan tersebut merupakan salah satu cara mengungkapkan hukum II termodinamika.


1 . Hitung efisiensi maksimum dari suatu mesin yang bekerja pada temperature 50 0 0 C dan 500 C ! 2 . Sebuah mesin carnot bekerja diantara reservoir panas 500 K dan reservoir dingin 270 K. Jika mesin tersebut menyerap 800 joule dari reservoir panas, tentukanlah kerja yang dihasilkan !

- 83 -


Kapasitas Kalor Gas.

Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan Q untuk menaikan suhu gas sebesar satu kelvin. Q C = ΔT Dengan : Q = ΔT = C =

Jumlah kalor yang diterima … Perubahan suhu gas ………… Kapasitas kalor gas …………

Joule K J/K

Kapasitas kalor untuk gas ada dua macam yaitu : 1. Kapasitas kalor pada volume tetap ( C v): 3 - gas monoatomik : cV = R 2 5 - gas diatomic : cV = R 2 2. Kapasitas kalor pada tekanan tetap ( C p) : - gas monoatomik : - gas diatomic :

5 c = 2 R P

7 c = 2 R P

Dari persamaan di atas terlihat bahwa kapasitas kalor gas ideal pada tekanan tetap selalu lebih besar dari pada kapasitas kalor gas ideal pada volume tetap. Hubungan antara C p dengan Cv adalah : C p - C v = nR

Cp = kapasitas kalor gas ideal pada tekanan tetap. Cv = kapasitas kalor gas ideal pada volume tetap. n = jumlah mol gas Perbandingan antara kapasitas kalor pada tekanan tetap dengan kapasitas kalor gas ideal pada volume tetap dinamakan dengan konstanta laplace (γ ). 1. Untuk gas monoatomik

γ = c = 1,67 c P

V

2. Untuk gas diatomik

γ = c = 1,4 c P

V

- 84 -


Disamping besaran kapasitas kalor ada besaran lain yang didefinisikan sebagai kalaor yang diperlukan untuk menaikan suhu satu kg gas sebesar satu Kelvin. Besaran ini disebut dengan Kalor Jenis dengan lambang c ( d i t u l i s d e n g a n h u r u f k e c i l ) . c=

Q m.ΔT -1

-1

Satuan untuk c untuk c adalah Joule/kg K atau J k g K . c

Hubungan c dengan C adalah :

Dengan demikian c p =

C p m

dan cv

=

=

C m

C v m

Dari persamaan tersebut diperoleh :

c p

− cv =

R M

M = massa molekul ( kg/mol) R = tetapan gas umum =8,31 J/mol.K


Sebanyak 56,0 x 10-3 kg nitrogen dipanaskan 270 K menjadi 310 K. Jika nitrogen ini dipanaskan dalam bejana kaku (tidak dapat memuai), maka diperlukan kalor 2,33 kJ. Jika nitrogen ini dipanaskan dalam bejana diperlukan kalor 1,66 kJ, hitunglah : a . kapasitas kalor nitrogen b . tetapan gas umum ( massa molekul nitrogen = 28,0 gr/mol)

- 85 -


Hukum II Thermodinamika Perumusan Kelvin Plank

Pada dasarnya perumusan antara Kelvin dan Plank mengenai suatu hal yang sama, sehingga perumusan keduanya dapat digabungkan dan sering disebut : Per Perum umus usan an Kel Kelvinvin-Pla Pla nk Ten tan g H uku m I I Ter mod ina mik a. Perumusan Kelvin-Plank secara sederhana dapat dinyatakan sebagai berikut : “Tidak mungkin mungkin membuat mesin yang kerjanya mengubah kalor seluruhnya menjadi usaha”. Dari perumusan ini, dapat disimpulkan bahwa effesiensi suatu mesin tidak mungkin 100%. Sebagai contoh marilah kita perhatikan proses yang sebenarnya terjadi pada motor bakar dan motor bensin.

1. campuran bensin-udara mengalir ke dalam silinder pada waktu piston bergerak ke bawah; 2. piston bergerak ke atas dan menekan gas; 3. pengapian busi menyalakan campuran bensin-udara, menaikkannya ke temperatur tinggi; 4. gas, sekarang pada temperatur dan tekanan tinggi, memuai di dalam piston ini, disebut tenaga pendorong; 5. gas yang terbakar didorong ke pipa pembuangan; katup masuk kemudian terbuka, dan seluruh langkah diulangi.

- 86 -


Perumusan Clausius

Perumusan Clausius tentang hukum II Termodinamika secara sederhana dapat diungkapkan sebagai berikut : “Tidak mungkin membuat mesin yang kerjanya hanya menyerap d a r i r e s e r v o i r b e r t e m p e r a t u r r e n d a h d a n m e m i n d a h k an an k a l o r i t u ke reservoir yang bersuhu tinggi, tanpa memerlukan usaha dari luar”. 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 T 2 (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 T 1 (temperatur suhu tingi) dan T1 > T2 Di dalam kondensor uap ini memberikan kalor pada reservoir T 1. 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 T 2 ke reservoir T 1, terjadi pula perubahan usaha menjadi kalor yang ikut dibuang di T 1.

- 87 -


Latihan Soal

1. Dalam suatu proses , suatu system menerima panas 6.000 kal (1 kal= 4,18 j) dan melakukan kerja sebanyak 10.000 joule. Berapakah perubahan energi dalamnya ? 2. Hitunglah perubahan energi dalam pada proses adiabatic di bawah ini: a. gas melakukan kerja 15 joule b. pada pemampatan adiabatis gas menerima menerima 16 joule 0

0

3. Suhu 2 kg gas nitrogen (BM = 28) dinaikan dari 15 C sampai 100 C. Jika 0 ini dilakukan pada tekanan tetap, jika Cv = 4956 kal/Mol C dan Cp=6945 0 kal/Mol C hitunglah : a. kenaikan energi dalam b. usaha yang dilakukan gas 4. Berapakah usaha yang dilakukan gas agar volumenya bertambah dari 1 liter menjadi 2,5 liter pada tekanan 1 atm ? 5. Hitunglah usaha yang dilakukan pada proses dibawah ini ! P (N/m2) B

3. 105

105

A B’

5

C

15

V (cm3)

6. Pada diagram PV disamping suatu gas mengalami perubahan menurut siklus ABCD. Berapa kerja yang dilakukan gas pada garis : a. AB b. BC c. CD d. DA e. Usaha Total f. Panas yang mengalir dalam gas

P (N/m2)

2. 105

105

8

3

3

0

V (cm3)

5

7. Suatu gas amoniak sebanyak 50 cm pada suhu 15 C dan tekanan 10 2 3 N/m secara tiba-tiba dimampatkan menjadi 10 cm secara adiabatis. Tentukanlah tekanan dan suhu gas sekarang !

- 88 -


0

5

2

8. Gas diatomik pada suhu sedang 200 C dan tekanan 10 N/m mempunyai volume 4 liter. Gas ini mengalamiproses isobaris sehingga volumenya 6 5 2 liter kemudian proses isokhoris sehingga tekanannya 1,2 x 10 N/m . a. Buatlah sketsa proses dalam diagram PV! b. Berapa perubahan energi dalamnya ? c. Hitung usaha total yang dilakukan gas ! 9. Sebuah mesin kalor mengandung 10-3 Mol gas monoatomik suhu rendah. Gas mengalami proses isokhoris (AB), adiabatis (BC), dan isobaris (CA). Jika TA = 300 K, TB = 800 K, TC = 500 K, hitunglah : a. Jumlah panas b. Perubahan energi dalam c. Usaha pada masing-masing proses d. Usaha pada seluruh proses

B

P

A

C V

0

10. Gas sebanyak 2mol dengan c v = 12,6 J/mol K menjalani garis tertutup (1), (2) dan (3). Proses 23 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. 11. Diagram di bawah ini menunjukkan tiga proses untuk suatu gas ideal, di 0 5 -2 titik 1 suhunya 600 K dan tekanannya 16 x 10 Nm sedangkan volumenya -3 3 -3 3 10 m . Dititik 2 volumenya 4 x 10 m dari proses 1-2 dan 1-3 salah satu berupa proses isotermik dan yang lain adiabatik. γ = 1,5 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. 12. 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. - 89 -


0

13. Volume gas pada suhu 20 C mengembang secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 2 kali volume mula-mula. Tentukanlah temperatur akhirnya bila γ =1,4. 0

0

14. Temperatur 5 kg gas Nitrogen dinaikkan dari 10 C menjadi 130 C pada 2 0 3 0 volume tetap. Bila c v = 7,41 x 10 J/kg K , cp = 1,04 x 10 J/kg K, carilah : a. Usaha luar yang dilakukan. b. Penambahan energi dalam. c. Panas Yang ditambahkan. 15. 1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27°C dipanaskan secara isobaric sampai 87°C. Jika tekanan gas helium 2 x 10 5 N/m², berapakah usaha yang dilakukan gas helium ? 16. Hitunglah kalor jenis gas Oksigen pada volume dan tekanan tetap bila massa molekul gas Oksigen 32 gram/mol. 17. Kalor jenis gas amoniak pada volume tetap 0,14 kal/grK. Hitung kalor jenis gas amoniak pada tekanan tetap jika BM amoniak = 17 ! 18. 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 19. Hitunglah kalor jenis gas Argon beratom satu pada volume tetap bila kalor 2

0

jenisnya pada tekanan tetap 5,23 x 10 J/kg K

γ

= 1,67

20. 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. 0

21. Gas Nitrogen yang massanya 5 kg suhunya dinaikkan dari 10 C menjadi 0 130 C pada tekanan tetap. Tentukanlah : a. Panas yang ditambahkan b. Penambahan energi dalam c. Usaha luar yang dilakukan. 0

0

22. Suatu gas yang massanya 3 kg dinaikkan suhunya dari -20 C menjadi 80 C melalui proses isokhorik. Hitunglah penambahan energi dalam gas 0 0 tersebut, bila diketahui c p = 248 J/kg K, cv = 149 J/kg K

23. Suatu gas ideal dengan = 1,5 dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 12 kali dari volume mula-mula. Bila pada awal proses tekanan gas 1 atm, tentukanlah tekanan gas pada akhir proses.

- 90 -


5

2

24. Suatu volume gas Nitrogen sebesar 22,4 liter pada tekanan 10 N/m dan 0 suhu 0 C dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/10 volume mula-mula. Carilah : a. Tekanan akhirnya. b. Suhu akhirnya. c. Usaha luar yang dilakukan. 0 Diketahui pula bahwa Mr = 28 gram/mol ∂ = 1,4 cv = 741 J/kg K. 5

-2

0

25. Lima molekul gas Neon pada tekanan 2 x 10 Nm dan suhu 27 c dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/3 dari γ = 1,67 cp = 1,03 x 103 J/kg 0K Mr = 20,2 volume mula-mula. Bila gram/mol. Tentukan : a. Tekanan akhir pada proses ini. b. Temperatur akhir. c. Usaha luar yang dilakukan. 26. Gas oksigen dengan tekanan 76 cm Hg dimampatkan secara adiabatik 2 sehingga volumenya menjadi volume mula-mula. Bila gas Oksigen 3 0

adalah gas diatomik dan R = 8,317 J/mol K ; Tentukanlah tekanan akhir gas tersebut. 27. 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 ? 0

28. Pada permulaan 2 mol zat asam ( gas diatomik ) suhunya 27 c dan 3 volumenya 0,02 m . Gas disuruh mengembang secara isobaris sehingga volumenya menjadi dua kali lipat kemudian secara adiabatik hingga 0 suhunya mencapai harga yang seperti permulaan lagi. R = 8,317 J/mol K. a. Berapakah banyaknya energi dalam totalnya ? b. Berapakah banyaknya panas yang ditambahkan ? c. Berapakah usaha yang dilakukan ? d. Berapakah volume pada akhir proses ? 29. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi 800 K mempunyai efisiensi 20%. Untuk menaikkan efisiensi menjadi 36%, berapakah suhu reservoir kalor suhu tinggi ? o

30. Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu tingginya pada 127 C menyerap 100 kalori dalam tiap-tiap siklus pada suhu ini dan mengeluarkan 80 kalori ke reservoir suhu rendah. Tentukanlah suhu reservoir terakhir ini.

- 91 -


31. Berapakah effisiensi suatu mesin yang menerima 200 kalori dari sebuah o reservoir bersuhu 400 K dan melepaskan 175 kalori ke sebuah reservoir o lain yang bersuhu 320 K. Jika mesin tersebut merupakan mesin carnot berapakah effisiensinya. 32. Hitunglah effisiensi ideal dari suatu mesin Carnot yang bekerja antara 100 o o C dan 400 C. o

33. Sebuah mesin carnot yang menggunakan reservoir suhu rendah pada 7 C, daya gunanya 40 %. Kemudian daya gunanya diperbesar 50 %. Berapakah reservoir suhu tingginya harus dinaikkan. o

34. Mesin Carnot bekerja di antara dua reservoir panas yang bersuhu 400 K o dan 300 K. Jika dalam tiap siklus, mesin menyerap panas sebanyak 1.200 o kalori dari reservoir yang bersuhu 400 K, maka berapakah panas yang o dikeluarkan ke reservoir yang bersuhu 300 K. 35. Sebuah mesin carnot bekerja diantara 450 effisiensinya ?

- 92 -

o

o

C dan 50 C. Berapakah

TERMODINAMIKA

Recommend Documents