Te r m o d i n a m i k a
Lailani, SMA 74
HUKUM I TERMODINAMIKA . KAL OR J ENI S GA S . Suhu suatu gas dapat dinaikkan dalam kondisi yang bermacam-macam. Volumenya dikonstankan, tekanannya tekanannya dikonstankan dikonstankan atau kedua-duanya dapat dirubah-rubah menurut menurut kehendak. ada tiap-tiap kondisi ini panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar satu satuan suhu untuk tiap satuan massa adalah berlainan. !engan kata lain suatu gas mempunyai bermacam-macam kapasitas panas. Tetapi hanya dua macam yang mempunyai arti praktis yaitu " - #apasitas panas pada $olume konstan. - #apasitas panas pada tekanan konstan.
#apasitas panas gas ideal pada tekanan konstan selalu lebih besar dari pada kapasitas panas gas ideal pada $olume konstan, dan selisih selisihnya nya sebesar konstanta gas umum %uni$ersil& yaitu " ' ( ),*+7 mol #. c p - c$ ( ' c p ( kapasitas panas /enis % kalor /enis & gas ideal pada tekanan konstan. c$ ( kapasitas panas /enis % kalor /enis & gas ideal pada $olume konstan. 0erdasarkan teori kinetik gas kita dapat menghitung panas /enis gas ideal,sebagai berikut" a. 1ntuk gas beratom tunggal % monoatomik & diperoleh bah2a bah2a " 3
c
P
4
*
c
R
V
4
R
c
P
c
+,57
V
b. 1ntuk gas beratom dua % diatomik & diperoleh diperoleh bah2a bah2a "
c
P
7
4
R
c
V
3
4
R
c
P
c
+,4
V
( konstanta Laplace.
+. .
*.
4.
LATIHAN SOAL 6itungl 6itunglah ah kalor /enis /enis gas ksige ksigen n pada $olume dan tekanan tekanan tetap bila bila massa massa molekul molekul gas ksigen * grammol. 6itunglah 6itunglah kalor kalor /enis /enis gas-gas berikut berikut ini ini pada $olume $olume dan tekanan tetap. a. 8as 9eon monoatomik, bila masa molekulnya ,+) grammol b. 8as 6idrogen diatomik, diatomik, bila bila massa massa molekul molekulnya nya ,+5 grammol grammol #apasit #apasitas as panas panas /enis /enis 9itrogen 9itrogen pada pada $olume $olume tetap adalah adalah 7,+4 7,+4 : + + kg #. ;arilah kapasitas panas /enisnya pada tekanan tetap. !iketahui massa molekul 9itrogen ) grammol dan konstanta umum gas ' ( ),*+7 mol# 6itungl 6itunglah ah kalor kalor /enis /enis gas Argon Argon beratom beratom satu pada $olume $olume tetap bila kalor kalor /enisn /enisnya ya
pada tekanan tetap 3,* : + kg #
( +,57
3. 6itungl 6itunglah ah kalor kalor /enis /enis pada tekanan tekanan tetap dari gas ksida ksida
Temodinamika emodinamika merupakan cabang ilmu ilmu >isika >isika yang mempela/a mempela/ari ri mengenai mengenai pengaliran pengaliran panas, perubahan-perubahan perubahan-perubahan energi yang diakibatkan diakibatkan dan usaha yang dilakukan dilakukan oleh panas. +. 1saha 1saha luar % ? & yaitu yaitu " 1saha 1saha yang dilaku dilakukan kan oleh oleh sist sistem em terhadap terhadap sekelil sekelilin ingn gnya ya terhadap sistem. Misalkan gas dalam ruangan yang berpenghisap bebas tanpa gesekan dipanaskan % pada tekanan tetap & @ maka $olume akan bertambah dengan V.
**
Termodinamika
Lailani, SMA 74
1saha yang dilakukan oleh gas terhadap udara luar " ? ( p. V . 1saha dalam % 1 & adalah " 1saha yang dilakukan oleh bagian dari suatu sistem pada bagian lain dari sitem itu pula. ada pemanasan gas seperti di atas, usaha dalam adalah berupa gerakan-gerakan antara molekul-molekul gas yang dipanaskan men/adi lebih cepat. U
nergi dalam suatu gas Bdeal adalah "
*
4
n. R. T
HUKUM I TERMODINAMIKA. !alam suatu sistem yang mendapat panas sebanyak C akan terdapat perubahan energi dalam % 1 & dan melakukan usaha luar % ? &. C( 1D ? C ( kalor yang masukkeluar sistem 1 ( perubahan energi dalam ? ( 1saha luar. PROSES - PROSES PADA HUKUM TERMODINAMIKA I. 1. Hukum I termodinamika untuk Proses Isobarik. ada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap. % lihat gambar &.
sebelum dipanaskan
sesudah dipanaskan
!engan demikian pada proses ini berlaku persamaan 0oyle-8ayLussac V + V 4 T +
T 4
ika gra>ik ini digambarkan dalam hubungan dan V maka dapat gra>ik sebagai berikut "
emanasan
endinginan
1saha luar yang dilakukan adalah " ? ( p % V - V+ &. karena itu hukum B termodinamika dapat dinyatakan " C ( 1 D p % V - V+ & anas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan tetap dapat dinyatakan dengan persamaan " C ( m c p % T - T+ & ertambahan energi dalam gas dapat pula dinyatakan dengan persamaan " 1 ( m c$ % T - T+ & #arena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobarik dapat pula dinyatakan dengan persamaan " ? ( C - 1 ( m % c p - c$ & % T - T+ & m ( massa gas *4
Termodinamika
Lailani, SMA 74
c p ( kalor /enis gas pada tekanan tetap c$ ( kalor /enis pada $olume tetap.
LATIHAN SOAL. +. Satu gram air % + cc & berubah men/adi +,57+ cc uap bila dididihkan pada tekanan + atm. anas penguapan pada tekanan ini adalah 3*= kalgram. 6itunglah usaha luar pada penembakan energi dalam. . + liter air massanya + kg mendidih pada suhu + ; dengan tekanan +,+* : +3 9m diubah men/adi uap pada suhu + ; dan tekanan +,+* : +3 9m . ada keadaan ini $olume uap air adalah +,574 liter. ;arilah usaha luar yang dilakukan dan dihitung penambahan energi dalam. anas penguapan air ,5 . +5 kg. *. 8as 9itrogen yang massanya 3 kg suhunya dinaikkan dari + c men/adi +* c pada tekanan tetap. Tentukanlah " a. anas yang ditambahkan b. enambahan energi dalam c. 1saha luar yang dilakukan. 4. Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari +3 ; men/adi +5 ; pada tekanan tetap. 0ila massa molekul karbon monoksida adalah ),+ grammol c p * ( +,*) : + kg # dan ( +,4
Tentukanlah " a. enambahan energi dalam. b. 1sah luar yang dilakukan. . Hukum I Termodinamika untuk Proses Isokhorik ( Isovolumik ) ada proses ini $olume Sistem konstan. % lihat gambar &
Sebelum dipanaskan.
Sesudah dipanaskan.
!engan demikian dalam proses ini berlaku 6ukum 0oyle-8ay Lussac dalam bentuk " P + T +
P 4
T 4
ika digambarkan dalam gra>ik hubungan dan V maka gra>iknya sebagai berikut "
emanasan endinginan #arena V ( maka ? ( p . V ? ( % tidak ada usaha luar selama proses & C ( 1 - 1 + #alor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi dalam % 1 & C( 1 1 ( m . c$ % T - T+ &
LATIHAN SOAL +. Temperatur 3 kg gas 9itrogen dinaikkan dari + ; men/adi+* ; pada $olume tetap. 0ila c$ ( 7,4+ : + kg # , c p ( +,4 : +* kg #, carilah " a. 1saha luar yang dilakukan. b. enambahan energi dalam. c. anas Eang ditambahkan. *3
Termodinamika
Lailani, SMA 74
. Suatu gas yang massanya * kg dinaikkan suhunya dari - ; men/adi ) ; melalui proses isokhorik. 6itunglah penambahan energi dalam gas tersebut, bila diketahui c p ( 4) kg #, c$ ( +4= kg #
*. Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari +3 ; men/adi +5 ; pada $olume tetap. Massa molekulnya ),+ grammol. c p ( +,* : +* kg. # dan ( +,4 . 6itunglah penambahan energi dalam. 4. 8as Bdeal sebanyak mol dengan tekanan 4 atsmos>er $olumenya sebesar ), liter. 8as ini mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya men/adi ) atsmos>er. 0ila diketahui " c$ ( * kalmol. ; dan ' ( ,)7 liter. atmmol. ; @ tentukanlah " a. 1saha yang dilakukan. b. anas yang ditambahkan.
3. Hukum I termodinamika untuk proses Isothermik. Selama proses suhunya konstan. % lihat gambar &
Sebelum dipanaskan. Sesudah dipanaskan. leh karena suhunya tetap, maka berlaku 6ukum 0EL. + V ( V ika digambarkan gra>ik hubungan dan V maka gra>iknya berupa "
emanasan #arena suhunya konstan T ( T+ maka " 1 ( 1 - 1 +
endinginan
( 4* n ' T - 4* n ' T+ ( % 1saha dalamnya nol & #alor yang diserap sistem hanya dipakai untuk usaha luar sa/a. V V P+ V + % ln 4 & P4 V 4 % ln 4 & V + V +
P+ V + % ln
P + P 4
n R T+ % ln
n R T+ % ln
V 4 V + P + P 4
&
P4 V 4 % ln
P + P 4
& n R T 4 % ln & n R T 4 % ln
V 4 V + P +
P 4
& & &
ln : (,** log :
!. Hukum I Termodinamika untuk proses "diabatik . Selama proses tak ada panas yang masuk keluar sistem /adi C ( % lihat gambar &
*5
Termodinamika
Lailani, SMA 74
Sebelum proses Selamaakhir proses oleh karena tidak ada panas yang masuk keluar sistem maka berlaku Hukum #o$le%&a$ 'ussac PV P4V 4 + + T +
T 4
ika digambarkan dalam gra>ik hubungan dan V maka berupa "
engembangan emampatan #arena C ( maka ( 1 D ? 1 -1+ ( - ? 0ila ? negati> % -? ( sistem ditekan & usaha dalam sistem % 1 & bertambah. Sedangkan hubungan antara suhu mutlak dan $olume gas pada proses adibatik, dapat dinyatakan dengan persamaan " T.V -+ ( konstan atau T .V+ -+ ( T .V -+ +
1saha yang dilakukan pada proses adiabatik adalah " P+ .V +
? ( m . c$ % T+ - T &
atau
?(
+
% V -+ - V+ -+ &
uga berlaku persamaan " +.V+ ( .V
LATIH AN SO AL .
+. erbandingan kompresi sebuah mesin disel
V + V 4
kira-kira +35. ika pada permulaan
gerak pemampatan silindernya berisi udara sebanyak mol pada tekanan +3 9m dan suhu 47 c, hitunglah tekanan dan suhu pada akhir gerak. Andai kata udara sebagai gas ideal dan pemampatanya secara adiabatik. massa molekul udara adalah * grammol. c$ ( 53 kg# dan c p ( == kg #. 6itunglah usaha luar yang dilakukan. . Suatu $olume gas 9itrogen sebesar ,4 liter pada tekanan +3 9m dan suhu ; dimampatkan secara adiabatik sehingga $olumenya men/adi ++ $olume mula-mula. ;arilah " a. Tekanan akhirnya. b. Suhu akhirnya. c. 1saha luar yang dilakukan. !iketahui pula bah2a Mr ( ) grammol ( +,4 c$ ( 74+ kg #. *. Lima molekul gas 9eon pada tekanan : +3 9m- dan suhu 7 c dimampatkan secara adiabatik sehingga $olumenya men/adi +* dari $olume mula-mula. 0ila * ( +,57 c p ( +,* : + kg # Mr ( , grammol. Tentukan " a. Tekanan akhir pada proses ini. b. Temperatur akhir. c. 1saha luar yang dilakukan. 4. Suatu gas ideal dengan ( +,3 dimampatkan secara adiabatik sehingga $olumenya men/adi 4+ kali dari $olume mula-mula. 0ila pada a2al proses tekanan gas + atm, tentukanlah tekanan gas pada akhir proses. *7
Termodinamika
Lailani, SMA 74
3. 8as oksigen dengan tekanan 75 cm 6g dimampatkan secara adiabatik sehingga $olumenya men/adi 4* $olume mula-mula. 0ila gas ksigen adalah gas diatomik dan ' ( ),*+7 mol # @ Tentukanlah tekanan akhir gas tersebut.
5. Volume gas pada suhu ; mengembang secara adiabatik sehingga $olumenya men/adi kali $olume mula-mula. Tentukanlah temperatur akhirnya bila (+,4.
*)
Termodinamika
Lailani, SMA 74
PENERAPAN HUK UM I TE RMODINA MIKA . PEN GERTI AN SI KLU S . Suatu pesa2at yang dapat mengubah seluruh kalor yang diserapnya men/adi usaha secara terus menerus belum pernah kita /umpai. yang ada hanya pengubahan kalor men/adi usaha melalui satu tahap sa/a. Misalnya " proses isothermis. Agar sistem ini dapat beker/a terus-menerus dan hasilnya ada kalor yang diubah men/adi usaha, maka harus ditempuh cara-cara tertentu. erhatikan gambar di ba2ah ini.
- Mulai dari % + , V+ & gas mengalami proses isothermis sampai % , V &. - #emudian proses isobarik mengubah sistem dari % , V & sampai % , V+ &. - Akhirnya proses isobarik membuat sistem kembali ke % + , V+ &. 1saha yang dilakukan sama dengan luas bagian gambar yang diarsir proses seperti yang ditun/ukkan pada gambar diatas disebut " SB#L1S. ada akhir proses sistem kembali ke keadaan semula. Bni berarti pada akhir siklus energi dalam sistem sama dengan energi dalam semula. adi untuk melakukan usaha secara terus menerus, suatu siklus harus melakukan usaha secara terus menerus, suatu siklus harus beker/a dalam suatu siklus.
LATIHAN SOA L . +. 8as sebanyak mol dengan c$ ( +,5 mol # men/alani garis tertutup %+&, %& dan %*&. roses -* berupa pemampatan isotermik. 6itunglah untuk tiap-tiap bagian garis tertutup itu "
a. 1saha oleh gas. b. anas yang ditambahkan pada gas. c. erubahan energi dalamnya. . ada suatu prose tertentu diberikan panas sebanyak 3 kalori ke sistem yang bersangkutan dan pada 2aktu yang bersamaan dilakukan pula usaha mekanik sebesar + /oule terhadap sistem tersebut. 0erapakah tambahan energi dalamnya F *. !iagram di ba2ah ini menun/ukkan tiga proses untuk suatu gas ideal, di titik + 3 - -* * suhunya 5 # dan tekanannya +5 : + 9m sedangkan $olumenya + m . !ititik $olumenya 4 : +-*m* dari proses +- dan +-* salah satu berupa proses isotermik dan yang lain adiabatik. ( +,3
*=
Termodinamika
Lailani, SMA 74
a. !iantara proses +- dan +-* yang manakah proses isotermik dan mana adiabatik F 0agaimana kita dapat mengetahui F b. 6itung tekanan di titik dan * c. 6itung suhu dititik dan * d. 6itung $olumenya di titik * pada proses itu. 4. ada permulaan mol
a. Tentukanlah suhu dan tekanan pada titik +, dan *. b. Tentukanlah usaha total yang dilakukan gas.
EFISIENSI MESIN . Mengubah tenaga panas men/adi tenaga mekanik pertama-tama selalu memerlukan sebuah mesin, misalnya " mesin uap, mesin bakar atau mesin diesel. engalaman-pengalaman dengan mesin-mesin yang terdapat dalam praktek memba2a kita kepada hukum Termodinamika BB yang ringkasnya sebagai berikut " “ Adalah Tidak Mungkin Dapat Suatu Mesin Yang Bekerja Dalam Lingkaran Yang Tidak Menimbulkan Efek Lain Selain Daripada Mengambil Panas Dari Su atu Su mber Dan Meruba h Pa nas In i Seluru hn a Menjad i !sah a “" Siklus #arn$t Da n Ef esiensina "
iklus arnot. Siklus carnot yang disebut siklus ideal ditun/ukkan pada gambar di ba2ah ini.
Siklus ;arnot dibatasi oleh garis lengkung isotherm dan dua garis lengkung adiabatik. 6al 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. #ur$a ab dan cd masing-masing adalah kur$a pengembangan dan pemampatan isoteremis. #ur$a bc dan da masing-masing adalah kur$a pengembangan dan pemampatan adiabatik. 4
Termodinamika
Lailani, SMA 74
1ntuk bahan perbandingan, ditun/ukkan beberapa siklus untuk berbagai /enis mesin. SB# L1S M SB 9 0A#A '. Siklus mesin bakar atau lebih umum disebut siklus tto di tun/ukkan pada gambar di ba2ah ini.
Siklus tto dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isokhorik. !imulai dari titik a, maka " #ur$a ab dan cd masing-masing adalah kur$a pemampatan dan pengembangan adiabatik. 8aris lurus bc dan da masing-masing adalah garis lurus untuk pemanasan dan pendinginan isokhorik.
SB#L1S MSB9 !BSL. Siklus untuk mesin diesel ditun/ukkan 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.
!imulai dari titik a, maka " #ur$a ab dan cd masing-masing adalah kur$a pemampatan dan pengembangan adiabatik. 8aris lurus bc adalah garis lurus pemanasan isobarik. 8aris lurus cd adalah garis lurus pendinginan isokhorik.. SB# L1S MS B9 1 A . Siklus mesin uap yang /uga disebut siklus 'ankine ditun/ukkan pada gambar di ba2ah ini. Siklus ini dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isokhorik. hanya sa/a pada mesin uap ini terdapat proses penguapan dan pengembunan.
Mula-mula air dalam keadaan cair dengan suhu dan tekanan rendah di titik a. - kur$a ab adalah kur$a pemampatan secara adiabatik dengan tekanan yang sama dengan tekanan di dalam periuk pendingin. - garis cd adalah proses pengubahan air men/adi uap. - 8aris de adalah prosers pemanasan sehingga suhu uap sangat tinggi. - #ur$a e> adalah proses pengembangan secara adiabatik. 4+
Termodinamika
Lailani, SMA 74
- garis >a adalah proses pengembunan sehingga kembali ke keadaan a2alnya.
HUKU M II TE RMOD INA MIK A . Effisiensi (daya !na "esin# !alam hukum BB Termodinamika akan dibahas perubahan kalor men/adi energi mekanik melalui sebuah mesin, dan ternyata belum ada sebuah mesinpun yang dapat mengubah se/umlah kalor men/adi energi mekanik seluruhnya.
Sebuah mesin diberi energi berupa kalor C+ pada suhu tinggi T+, sehingga mesin melakukan usaha mekanik ?. nergi yang dibuang berupa kalor C pada suhu T, maka e>>isiensi mesin adalah " *ner+i $an+ berman,aat
*ner+i $an+
-4
-4
% +
dim asukkan
-+
-4 -+ -4
& +..G
enurut arnot untuk e,,isiensi mesin carnot berlaku pula $ T + % + & +..G T 4 Sebenarnya tidak ada mesin yang mempunyai e>>isiensi + G dan dalam praktek e>>isiensi mesin kurang dari 3 G.
LATIHAN SOAL
+. Sebuah mesin ;arnot yang reser$oir suhu tingginya pada +7 o; menyerap + kalori dalam tiap-tiap siklus pada suhu ini dan mengeluarkan ) kalori ke reser$oir suhu rendah. Tentukanlah suhu reser$oir terakhir ini. . 0erapakah e>>isiensi suatu mesin yang menerima kalori dari sebuah reser$oir bersuhu 4 o# dan melepaskan +73 kalori ke sebuah reser$oir lain yang bersuhu * o#. ika mesin tersebut merupakan mesin carnot berapakah e>>isiensinya. *. 6itunglah e>>isiensi ideal dari suatu mesin ;arnot yang beker/a antara + o; dan 4 o;. 4. Sebuah mesin carnot yang menggunakan reser$oir suhu rendah pada 7 o;, daya gunanya 4 G. #emudian daya gunanya diperbesar 3 G. 0erapakah reser$oir suhu tingginya harus dinaikkan.
4
Termodinamika
Lailani, SMA 74
3. Mesin ;arnot beker/a di antara dua reser$oir panas yang bersuhu 4 o# dan *o#. ika dalam tiap siklus, mesin menyerap panas sebanyak +. kalori dari reser$oir yang bersuhu 4 o#, maka berapakah panas yang dikeluarkan ke reser$oir yang bersuhu * o#. 5. Sebuah mesin carnot beker/a diantara 43 o; dan 3o;. 0erapakah e>>isiensinya F
----oo-----
4*
Termodinamika
Lailani, SMA 74
PERUMUSAN KEL%IN-PLANK TENTANG HUKUM II TERMODINAMIKA ada dasarnya perumusan antara #el$in dan lank mengenai suatu hal yang sama, sehingga perumusan keduanya dapat digabungkan dan sering disebut " Perumusan /elvin% P lan k Ten tan g %uk u m I i Ter m$ di na mik a" erumusan #el$in-lank secara sederhana dapat dinyatakan sebagai berikut " “Tidak Mungkin Membuat P esa&at Yang ' erjana Semata(Mata Menerap 'al$r Dari Sebuah )eser*$ir Dan Mengubahna Menjadi !saha+
Sebagai contoh marilah kita perhatikan proses yang sebenarnya ter/adi pada motor bakar dan motor bensin. Mula-mula campuran uap bensin dan udara dimasukkan ke dalam silinder dengan cara menarik penghisap. #emudian penghisap ditekan, dengan demikian campuran tadi dimampatkan sehingga temperatur dan tekanannya naik. ;ampuran tadi kemudian dibakar dengan loncatan bunga api listrik. roses pembakaran ini menghasilkan campuran dengan temperatur dan tekanan yang sangat tingi, sehinga $olume campuran tetap %proses isokhorik& 6asil pembakaran tadi mengembang, mendorong penghisap, sedangkan tekanan dan temperaturnya turun, tetapi masih lebih tinggi dari tekanan dan temperatur di luar. #atub terbuka, sehingga sebagian campuran itu ada yang keluar sedangkan penghisap masih tetap ditempatnya. Akhirnya penghisap mendorong hampir seluruhnya campuran hasil pembakaran itu keluar.
44
Termodinamika
Lailani, SMA 74
PERUMUSAN &LAUSIUS TENTANG HUKUM II TERMODINAMIKA " erumusan ;lausius tentang hukum BB Termodinamika secara sederhana dapat diungkapkan sebagai berikut " “Tidak Mungkin Membua t Pesa&at Yang 'erjana %ana Menerap Da ri )eser *$ir Be rtem per a tu r )en da h D an Me mind ah ka n 'al$r Itu 'e )es er* $ir Yang Ber su hu Ti ng gi , Tanp a Diser ta i Pe r ub ah an La in "
Sebagai contoh marilah kita lihat proses pada lemari pendingin %lemari es& yang bagannya pada gambar di ba2ah ini.
Hat cair di dalam 2adahnya pada tekanan tinggi harus melalui saluran yang sempit, menu/u ke ruang yang lapang %A$oporator&. roses ini disebut " roses oule-#el$in. Tiba di ruang yang lapang, temperatur dan tek anan
43
