Hukum-Hukum Termodinamika Tim TPB Fisika 2016

Hukum Pertama Hukum pertama merupakan pernyataan konservasi energi. Hukum pertama menjelaskan perubahan energi dalam dan perpindahan panas dengan mekanisme panas dan kerja. Hukum pertama tidak membedakan antara panas dan kerja.

Energi Dalam Eint Energi dalam adalah semua energi sistem yang diasosiasikan dengan komponen mikroskopik (atom dan molecule) yang dilihat dari kerangka acuan yang diam terhadap pusat massa sistem. Energi kinetik sistem merupakan gerakan seluruh bagian sistem, tetapi gerakan pusat massa tidak dimasukkan. Energi dalam termasuk energi kinetik dari translasi, rotasi dan vibrasi dari molekul-molekul dalam sistem dan energi potensial pada molekul dan antar molekul. Energi dalam berhubungan dengan suhu benda, tetapi hubungan ini terbatas karena perubahan energi dalam dapat juga terjadi tanpa perubahan suhu.

Panas/Kalor Q Panas didefinisikan sebagai perpindahan energi melalui batas sistem karena perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan. Ketika kita memanaskan suatu bahan, kita memindahkan energi ke bahan dengan menempatkan secara kontak pada lingkungan dengan suhu yang lebih tinggi. Contohnya kita memanaskan air dengan kompor yang memiliki suhu lebih tinggi. Energi yang terkandung dalam air meningkat. Panas merepresentasikan jumlah energi yang dipindahkan secara kontak termal.

Kerja atau Usaha

Kerja atau Usaha Kerja atau usaha yang dikerjakan pada gas adalah negatif luas dibawah kurva diagram PV

Kerja tergantung lintasan

Hukum Pertama Perubahan energi dalam sama dengan panas dan kerja yang diberikan ke sistem. Q SISTEM W

Perhatikan segelas air: Bagaimana mengubah energi dalamnya? Memberikan Panas (dipanaskan) Memberikan Kerja (diaduk)

Proses Thermodinamika Sistem Terisolasi Proses Siklik Proses Adiabatik Proses Isobarik Proses Isotermal Proses Isovolumetrik / Isokhorik

Sistem Terisolasi Sistem tidak beriinteraksi dengan lingkungan. Energi dalam tetap konstan. Q = W = 0. DE = 0 atau Eint,i = Eint,f

Sistem Siklik (Cyclic) Pertimbangkan juga sistem siklik (Cyclic proses)-proces yang mempunyai awal dan akhir yang sama. Pada kasus ini perubahan energi dalam sama dengan nol, DEint = 0

Proses Adiabatik Tidak Ada Panas Q yang masuk atau keluar Gas Ideal:

Proses Isobarik (Tekanan Konstan)

Proses Isovolumetrik Jika energi ditambahkan pada sistem dengan menjaga volume konstan, DV = 0 W = -PDV = 0

Isotermal Suhu Tetap

Contoh: Jenis Proses? Note : Q = 0 untuk lintasan B.

Hukum Kedua Termodinamika Hukum pertama tidak menyatakan proses yang mana bisa terjadi secara spontan dan yang mana tidak. Pada kenyataannya, hanya jenis konversi energi dan transfer energi tertentu saja yang bisa terjadi di alam. Hukum kedua Termodinamika yang menyatakan proses-proses yang mana bisa terjadi dan tidak terjadi.

Contoh Proses yang Tidak mungkin terjadi secara alamiah Proses berikut ini sesuai dengan Hukum Pertama tetapi pada kenyataannya hanya terjadi satu arah saja (tergantung pada Hukum Kedua). Dua benda dengan suhu berbeda berkontak termal. Energi selalu berpindah dari suhu yang tinggi ke suhu yang rendah. Tidak pernah kebalikannya! Bola jatuh memantul pada lantai dan kemudian diam. Tidak pernah terjadi bola yang diam kemudian memantul sampai pada ketinggian tertentu. Gelas jika dijatuhkan menjadi pecah, tidak pernah terjadi gelas yang pecah menyatu kembali.

Proses Irreversibel Semua contoh proses sebelumnya adalah proses irreversibel —Proses yang terjadi satu arah saja tidak dapat dikembalikan secara alamiah. Tidak ada proses irreversibel ditemukan dengan arah kebalikannya. Dari segi bidang teknik, hukum kedua membatasi efisiensi mesin panas.

Mesin Panas Mesin panas adalah sebuah alat yang mengambil energi dengan panas dan beroperasi dalam proses siklus mengeluarkan energinya dengan kerja. Contoh mesin kendaraan bermotor. Minyak bensin/solar dibakar yang digunakan melakukan kerja pada piston yang menghasilkan gerak kendaraan.

Proses Mesin Panas Mesin Panas membawa bahan yang diproses secara siklus yang mana: (1) bahan menyerap energi dengan panas dari sumber panas bersuhu tinggi (2) kerja dilakukan oleh mesin, dan (3) energi dikeluarkan dengan panas ke sumber panas bersuhu rendah

Penggambaran dengan diagram Penting menggambarkan proses yang terjadi pada mesin. (1) Panas yang diserap mesin (Qh) dari sumber panas suhu tinggi (2) Kerja yang dilakukan mesin Weng (3) Panas yang dibuang ke sumber panas denga suhu rendah Qc

Satu Siklus Energi dalam awal = Energi dalam akhir Sehingga DEint = 0. Jadi Q = Weng Kerja net yang dilakukan mesin sama dengan energi panas net yang ditransfer ke mesin. Jadi

Jika bahannya Gas, Proses dengan siklus pada kurva P-V Luas daerah dalam satu siklus sama dengan kerja yang dilakukan mesin

Definisi: Efisiensi mesin, e Efisiensi termal e mesin panas adalah rasio dari kerja net yang dilakukan oleh mesin (Weng) dalam satu siklus dan energi masukkan pada suhu tinggi (Qh) selama siklus.

Efisiensi Kita bisa pikirkan efisiensi merupakan apa yang kita peroleh dengan apa yang kita berikan pada suhu tinggi. Biasanya efisiensi diberikan dalam bentuk presentase. Efisiensi selalu lebih kecil dari 100%. Contoh: Mesin motor bensin yang baik efisiensi sekitar 20% Mesin diesel dari 35% sampai 40%.

Mungkinkah Efisiensi 100%? Persamaan efisiensi 100% hanya jika |Qc| = 0 Jadi tidak ada energi yang dibuang ke sumber panas yang dingin. Dengan kata lain mesin panas dengan efisiensi sempurna menggunakan semua panas yang diserap menjadi kerja. Pada kenyataannya selalu efisiensi lebih kecil dari 100%. Hukum kedua termodinamika (perumusan Kelvin–Planck) menyatakan: Suatu yang mustahil membuat mesin panas yang beroperasi dalam suatu siklus menghasilkan kerja sebesar energi panas yang masuk.

Hukum Kedua Termodinamika Pernyataan hukum kedua berarti bahwa selama operasi mesin panas, kerja Weng tidak pernah dapat sama dengan |Qh| Atau ada energi |Qc| harus dibuang ke lingkungan

Pompa Panas atau Pendingin Kita ingin mentransfer energi dari sumber panas suhu rendah ke sumber panas suhu tinggi? Karena ini suatu yang tidak alamiah maka kita harus memberikan energi ke sistem untuk melakukan hal ini. Alat untuk hal ini disebut Pemompa panas atau mesin pendingin. Pada pendingin atau pemompa panas, mesin mengambil energi |Qc| dari sumber panas suhu rendah dan mengeluarkan/membuang energi |Qh| ke sumber panas suhu tinggi. Ini bisa dilakukan jika kerja dilakukan pada mesin.

Hukum Kedua Termodinamika Diinginkan sekali jika proses pendingin dilakukan dengan kerja yang minimum. Jika ini bisa dilakukan tanpa kerja berarti pendingin atau pemompa panas sempurna. Tetapi kenyataannya ini mustahil dan melanggar hukum kedua termodinamika. Hukum kedua (perumusan Clausius): Suatu hal yang mustahil membuat mesin yang bersiklus yang mentransfer energi dari benda satu ke benda yang lain bersuhu tinggi tanpa masukkan energi dalam bentuk kerja.

Mesin Carnot Mesin Carnot adalah mesin panas teoritis yang paling efisien.

Efisiensi Mesin Carnot Untuk Mesin Carnot :

Definisi Entropi Perubahan entropi didefinisikan sebagai rasio panas pada proses reversibel (Qr) dan suhu sistem (T)

Hukum Kedua Termodinamika Entropi total suatu sistem terisolasi yang mengalami perubahan, tidak dapat menurun. Jika prosesnya adalah irreversibel, maka entropi total dari suatu sistem terisolasi selalu meningkat. Dalam suatu proses reversibel, entropi total dari sistem terisolasi tetap konstan.

Contoh Soal: 1. Dalam sistem berupa gas dalam silinder pada tekanan sama dengan 1,01x105 Pa dan piston memiliki luas 0,100 m2. Energi perlahan ditambahkan ke gas oleh panas, piston didorong ke atas sejauh 4,00 cm. Hitung usaha yang dilakukan oleh gas dengan asumsi tekanan tetap konstan.

Contoh Soal 1. Gas ideal menyerap 5,00x103 J energi saat melakukan 2.00x103 J kerja pada lingkungan selama proses tekanan konstan. (A) Hitunglah perubahan energi internal gas. (B) Jika energi internal sekarang berkurang sebanyak 4,50x103 J dan 7,50x103 J dikeluarkan dari sistem, Hitung perubahan volume, dengan asumsi konstan proses tekanan konstan 1,01x105 Pa.

Soal-soal tambahan (PR) Jelaskan secara ringkas mesin Otto pada sepeda motor anda. Berapa volume mesin sepeda motor anda? Cari informasi di internet tentang rasio kompresi mesin sepeda motor anda. Berapakah efisiensi mesin sepeda motornya?

Semangat Belajar