TERMODINAMIKA dan Hukum Pertama PENGENALAN TERMODINAMIKA dan Hukum Pertama Thermos = Panas Dynamic = Perubahan

Termodinamika Cabang ilmu fisika yang mempelajari: 1. Pertukaran energi dalam bentuk: - Kalor menjadi - Kerja 2. Sistem ---- Pembatas sistem (boundary) 3. Lingkungan

1. SISTEM TERBUKA: 3. SISTEM TERISOLASI : TIGA MACAM SISTEM 1. SISTEM TERBUKA: ADA pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungannya. Misal : lautan, tumbuh-tumbuhan, aliran fluida disungai dll 2. SISTEM TERTUTUP ADA pertukaran energi tetapi TIDAK terjadi pertukaran massa sistem dengan lingkungannya. Misalnya: Green House ADA pertukaran kalor tetapi TIDAK terjadi pertukaran massa dengan lingkungan, Internal combustion engine 3. SISTEM TERISOLASI : TIDAK ada pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungan. Misalnya: Tabung gas yang terisolasi.

SIFAT PEMBATAS Pembatas adiabatik: tidak ada pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan Pembatas tegar: tidak ada kerja baik dari sistem terhadap lingkungan ataupun dari lingkungan terhadap sistem

Hukum Ke I Pernyataan tentang kekekalan energi dalam sistem: ∆U = Q – W Atau Q = W + ΔU Perubahan energi dalam (∆U) sistem = kalor (Q) yang ditambahkan ke sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem. Pada sistem terisolasi Q = 0 dan W = 0 untuk sistem isovolumos tidak ada perubahan energi dalam.

Contoh soal: Kalor sebanyak 1000 J ditambahkan ke sistem sementara kerja dilakukan pada (terhadap) sistem sebesar 500 J. Berapa perubahan energi dalam sistem? Jawab = ∆U = Q – W = ( + 1000 J ) – (-500 J) = 1500 J. Perhatikan bahwa HK 1 dalam bentuk ∆U = Q – W Q positip : KALOR DITAMBAHKAN KE SISTEM Q negatip: KALOR DILEPASKAN OLEH SISTEM W positip KERJA DILAKUKAN OLEH SISTEM W negatip KERJA DILAKUKAN PADA SISTEM

DIAGRAM P-V P P1 Kerja yang dilakukan gas untuk proses dari (P1, V1) ke (P2, V2) adalah Luas bagian kurva yang diarsir P2 P (105 N/m2) V V2 4 V1 Contoh: hitunglah kerja yang dilakukan gas jika mengalami proses seperti pada gambar di samping ini! 2 1 5 V (m3)

PERSAMAAN GAS IDEAL PV = nRT U=(3/2) nRT Contoh: suatu gas ideal mula-mula suhunya 500K, tekanannya 2x105 Pa dan volumenya 0,4 m3. (a)Tentukan energi dalam gas ideal tersebut (b)Jika kemudian gas didinginkan pada volume tetap sehingga suhunya menjadi 200K, tentukan tekanan akhir, energi dalam, kerja serta kalor yang dilepaskan gas

Kerja atau usaha (W) yang dilakukan fluida pada Termodinamika . Kita tinjau suatu sistem berupa piston silinder sbb : silinder piston p A v1 v2 Dari gambar diatas : A = luas penampang piston dalam m2 p = tekanan gas dalam piston dalam Pa ( N/m2 ) v1 = volume mula-mula dalam m3 v2 = volume akhir dalam m3 , Kerja secara defrensial dituliskan dw = p dv sedangkan kerja total sistem : W = ʃ F dx . . . . . . . . .1.

dimana F adalah gaya dan dx adalah perpindahan gaya tersebut dimana F adalah gaya dan dx adalah perpindahan gaya tersebut. Karena gaya F = tekanan p x luas penampang F = p A , sehingga w = ʃ p A dx Karena A dx = dv , maka kerja w = ʃ F dx = ʃ p dv dengan batas integrasi dari v1 ke v2 , jadi kerja dalam termodinamika : w = ʃ v2 p dv dengan dv = v2 - v1 v1 Panas jenis gas , adalah panas atau kalor yang diperlukan oleh suatu gas dengan massa 1 gram (kg) untuk menaikkan suhu 1 skala derajad Celsius atau Kelvin (untuk satuan SI ). Panas jenis gas ada dua macam, panas jenis gas pada proses tekanan konstan ( cp ) panas jenis gas pada proses volume konstan ( cv ) , keduanya dalam satuan J (kJ)/ gram(kg). C0 .

Hubungan antara panas jenis gas dengan dengan konstante gas ideal. Dalam termodinamika dibuktikan secara matematika, bahwa : cp - cv = n R dalam kJ/kg C Atau n R + cv = cp . . . . . . . . . . .2 Energi dalam (internal energy) u (u kecil) didefinisikan sebagai energi berupa panas yang dikandung oleh 1 kg suatu benda atau fluida, dalam satuan kJ/kg. energi dalam ini sebagai fungsi temperatur, sehingga perubahan energi dalam didefinisikan berupa perkalian antara panas jenis gas volume tetap cv dengan perbahan temperaturnya dan secara matematis dituliskan : du = cv dT atau u2 - u1 = cv ( T2 – T1 ) . . . .3

dh = n R dT + du = nR dT + cv dT Pengertian entalpi (h): Entalpi suatu benda adalah kandungan energi dalam benda tersebut dan kemampuannya untuk melakukan kerja , dituliskan secara matematis : Untuk 1 kg gas (benda) entalpi h = p.v + u = n RT + u , didefrensialkan menjadi : dh = n R dT + du = nR dT + cv dT dh = ( n R + cv ) dT = cp dT . . . . . 4

Proses – proses gas ideal : Ada empat macam proses, Proses gas volume tetap atau isovolumis, isokhoris. Proses gas tekanan tetap atau isobaris. Proses gas suhu tetap atau isotermis. Proses gas adiabatis (tanpa ada perpindahan panas). Proses gas volume tetap. dari persamaan gas ideal p . V = n R T Pada proses v tetap persamaan menjadi p/T = n R /v = tetap sehingga : p/T = tetap, sehingga p1 / T1 = p2 / T2 , jadi persamaan gas ideal untuk proses gas volume tetap adah : p / T = konstan . . . . . . . . . . .5

Pernyataan proses isovolumis pada diagram p V : gravik v tetap v

Hubungan proses isovolumis dengan Hukum I Termodinamika : q = Δu + dw = cv dT + p dv untuk v tetap dv = 0 , sehingg pana yang ditransfer untuk proses v tetap q = cv dT = cv (T2 - T1 ) = u2 – u1 . . . . . . . . .6 jadi panas yang ditransfer = perubahan energi dalam yang terjadi karena kerja w = 0.

2. Proses gas ideal isobaris. Persamaan gas ideal untuk proses isobaris : Dari persamaan umum gas ideal p v = n R T pada proses isobaris tekanan p adalah tetap. Sehingga persamaan menjadi : v / T = n R / p = konstan sehingga v1 / T1= v2 / T2 = konstan . . . . . 7

pernyataan proses isobaris pada diagram p v : garis isobaris

q = cv dT + n R dT = ( cv + n R ) dT . ..7a Hubungan proses isobaris dengan Hukum I Termodinamika : q = Δu + dw = cv dT + p dv Dari persamaan umum gas ideal p v = n R T ,apabila didefrensialkan didapat persamaan p dv + v dp = n R dT, untuk isobaris dp = 0 Sehingga persamaan menjadi : p dv = n R dT , sehingga persamaan Hk. I Termodinamika menjadi : q = cv dT + n R dT = ( cv + n R ) dT . ..7a q = cp dT = dh = perubahan entalpi

Jadi pada proses gas ideal secara isobaris : Kerja yang terjadi pada proses isobaris : w = ʃ p dv = p ( v2 - v1 ) Jadi pada proses gas ideal secara isobaris : q = cp ( T2 - T1 ) dan kerja yang terjadi w = p ( v2 - v1 ) . . . . . . . . . . .7b

3. Proses Gas Temperatur Tetap ( Isotermal) Dari persamaan umum gas ideal p V = n R T , bila suhunya dibuat konstan maka p V = konstan,jadi persamaan gas ideal pada proses gas suhu tetap adalah : p V = n R T = konstan, ini berarti hubungan p dengan V berbanding terbalik, Sehingga p = n RT / V p1. V1 = p 2 . V2 = konstan . . . . . . .8

Pernyataan proses isotermis pada diagram p v

w = n R T ln v2 / v1 . . . . . . . 9 w = ʃ c/v dv = c ln v2 / v1, atau Hukum I Temodinamika untuk proses Isotermal : Dari persamaan hukum I termodinamika secara defrensial dq = du + p dv atau dq = cv dT + p dv, untuk proses isotermis dT = 0, sehingga dq = p dv; Jadi untuk proses isotermis panas yang ditransfer = kerja yang terjadi. Besarnya yang terjadi w = ʃ p dv , dimana untuk proses isotermis p = c / V , c = nR T , jadi kerja yang terjadi w = ʃ c/v dv = c ln v2 / v1, atau w = n R T ln v2 / v1 . . . . . . . 9

4. Proses Gas Ideal Secara Adiabatis Pada proses adiabatis, tidak terjadi perpindahan panas baik dari sistem keluar maupun dari lingkungan kedalam sistem. Persamaan Hukum I termodinamika menjadi : 0 = cv dT + p dv atau dT = - p/cv dv . . . . . . . 10 Persamaan gas ideal untuk proses adiabatis : Dari persamaan umum gas ideal p V = n R T didefrensial menjadi p dv + v dp = n R dT atau p dv + v dp – n R dT = 0 dari dT pers.10 didapatkan p dv + v dp - n R (- p/cv dv ) = 0 p dv + v dp - ( cp – cv ) ( - p/cv dv) = 0 p dv + v dp + cp / cv p dv – p dv = 0 v dp + ˠ p dv = 0 atau 1/p dp + ˠ/v dv = 0

p . v ˠ = konstan 1/p dp + ˠ/v dv = 0 diintegralkan didapat lnp + ˠ ln v = konstan sehingga didapakan persamaan gas ideal untuk proses adiabatis p . v ˠ = konstan . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Cari rumus hubungan antara p dengan T dan V dengan T !

Pernyataan proses adiabatis pada diagram p v kurva adiabatis p vˠ = c

W = ʃ p dv = c / vˠ dv = c ʃ ʃ wad = 1 / 1- ˠ ( p2 v2 – p1 v1 ) Kerja yang terjadi pada proses adiabatis : W = ʃ p dv = c / vˠ dv = c ʃ ʃ 1/ vˠ dv karena c = p. vˠ sehingga wad = 1 / 1- ˠ ( p2 v2 – p1 v1 ) . . . . . . . . . . . . 12. Kerja adiabatis ini sama dengan – perubahan energi dalam sistem (Δu )

Diagram PV untuk 4 proses dasar Proses Isokhorik ∆ U = Q, W = 0 Proses Isobarik W = P(V2−V1) V1 V2 V P Proses Isotermal W = Q = nRT ln (V2/V1) Proses Adiabatik W = - ∆ U V1 V2 V

Diagram PV untuk rangkaian proses yang berbeda (proses siklus) Suatu gas ideal mula-mula suhunya 400K, tekanan 2x104 Pa dan volumenya 0.001 m3. Gas dikompresi secara perlahan pada tekanan konstan ditekan sehingga volumenya menjadi separuh semula. Kemudian kalor ditambahkan ke gas sementara volume diatur tetap konstan sehingga suhu dan tekanan naik sampai suhu sama dengan suhu mula-mula. Sistem kemudian diekspansi pada suhu tetap sehingga volumenya sama dengan mula-mula (a) Gambarkan proses-proses tersebut dalam suatu diagram P-V (b) Tentukan tekanan, suhu dan volume di akhir tiap proses (c)Tentukan kerja, kalor dan perubahan energi dalam pada tiap proses

Pernyataan proses siklus diatas adalah sbb. : Proses 1 ke 2 tekanan tetap p2 = p1 Proses 2 ke 3 volume tetap v2 = v3 Proses 3 ke 1 isotermis T3 = T1 3 w 2 1 v2 v1 v

Hukum Ke II HK I kekekalan energi HK II menyatakan arah reaksi sistem. HK II dapat dinyatakan dalam berbagai bentuk. ENTROPI : DERAJAT KETIDAKATURAN Kalor mengalir secara alami dari benda panas ke benda dingin; kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke panas Banyak proses yang irreversible: 1) Campurkan kopi dan gula lalu kocok, keduanya menyatu akan tetapi seberapapun anda kocok kembali keduanya tidak memisah lagi. 2) Pecahan gelas tidak kembali ke bentuk utuhnya. Proses alamiah cenderung menuju ketidakteraturan (entropi maximum)!

η = = 1 − W Qo Qi Mesin Pemanas HK II : Pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima mesin diubah semuanya menjadi kerja. Selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. W Qi Qo Qi η = = 1 − Reservoar panas Qi Efisiensi: Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 20 persen dan menghasilkan kerja rata-rata 20.000 J. Tentukan berapa besar kalor yang dibuang dari mesin ini perdetik? Jawab: 80.000 J W Qo Reservoar dingin

Mesin Carnot (Ideal) Menurut Carnot siklus mesin pemanas harus reversibel(dapat balik) dan tidak terjadi perubahan entropi. Ini adalah idealisasi karena kenyataannya kalor tidak seluruhnya diubah menjadi kerja (ada yang hilang dalam bentuk gesekan/turbulensi) Efisiensi (n) mesin bergantung pada selisih suhu kedua reservoir : Contoh: Sebuah mesin Carnot bekerja pada suhu 27oC dan 327oC. Tentukan efisiensi mesin tersebut!

Coefficient of Performance ukuran MESIN PENDINGIN Merupakan kebalikan Reservoar panas Q2 W Q1 Reservoar dingin dari mesin pemanas. Q1=kalor masuk tandon (resevoir) Q2=kalor keluar tandon W= kerja yang ditambahkan ke sistem Q2=Q1+W Coefficient of Performance ukuran kerja sistem didefinisikan sebagai (COP)= Q1/W X 100% Sebuah mesin pendingin bekerja dengan daya sebesar 200W. Jika kalor yang dibuang direservoar panas tiap sekonnya adalah 250 J, tentukan koefisien performansi dari mesin tersebut!