TERMAL DAN HUKUM I TERMODINAMIKA

14.1 Panas (Heat) Lingkungan TE TS > TE Sistem TS Lingkungan TE Panas, sering disebut kalor, disimbolkan dgn Q, adalah energi yang dipindahkan antara sistem dan lingkungannya yang disebabkan adanya perbedaan temperatur. Lingkungan TE TS > TE Sistem TS Lingkungan TE TS = TE Sistem TS Lingkungan TE TS < TE Sistem TS Q Q (a) (b) (c) Gambar 14.1 Sistem dan lingkungannya

Panas disebut juga energi termal atau energi dalam yang merupakan gabungan energi kinetik dan potensial yang dihasilkan oleh gerakan acak dari atom dan molekul di dalam sistem. Energi juga dapat dipindahkan antara sistem dan lingkungannya dengan bantuan kerja, disimbolkan dengan W. Panas dan kerja merupakan energi yang berpindah antara sistem dan lingkungannya.

14.2 Satuan Energi Panas Salah satu satuan dari energi panas adalah kalori, yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang dapat meningkatkan temp. 1 gram air dari 14,5 0C ke 15,5 0C. Satuan lainnya adalah British Thermal Unit (Btu) yang didefinisikan sbg jumlah panas yg dapat meningkatkan temperatur air 1 lb air dari 630F ke 640F. Tahun 1948 digunakan sistem satuan SI yaitu Joule. Satu kalori didefinisikan sebagai 4,1860 J. Hubungan antara satuan energi panas. 1 J = 0,2389 kal = 9,481 x 10–4 Btu 1 Btu = 1055 J = 252,0 kal 1 kal = 3,969 x 10–3 Btu = 4,186 J

14.3 Penyerapan Panas oleh benda Padat dan Cair 14.3.1 Kapasitas Panas Kapasitas panas, disimbolkan dengan C, adalah konstanta proporsional antara jumlah energi panas dan perubahan temperatur yang diakibatkannya. Q = C (Tf – Ti) (14.1) Ti dan Tf adalah temp. awal dan akhir dari sistem. 14.3.2 Panas Jenis Panas jenis didefinisikan sebagai kapasitas panas per satuan massa, dan disimbolkan dengan c. Sehingga persamaan (14.1) menjadi Q = c m (Tf – Ti) (14.2)

Tabel 14.1 Panas Jenis pada Temperatur Ruang kal/g.K J/kg.K Timah 0,0305 128 Tungsten 0,0321 134 Perak 0,0564 236 Tembaga 0,0923 386 Aluminium 0,215 900 Kuningan 0,092 380 Granit 0,19 790

lanjutan Tabel 14.1 Panas Jenis pada Temperatur Ruang Panas Jenis kal/g.K J/kg.K Glass 0,20 840 Es (–100C) 0,530 2220 Merkuri 0,033 140 Ethyl Alkohol 0,58 2430 Air Laut 0,93 3900 Air 1,00 4190

14.3.3 Panas Transformsi (Heat of Transformation) Jika terjadi penyerapan atau pelepasan panas, baik oleh benda padat maupun cair, temperatur objek bisa tidak berubah, jika panas yang diserap digunakan untuk merubah fasa dari objek. Jumlah panas per satuan massa yang harus dipindahkan pada saat objek mengalami perubahan fasa disebut Panas Transformasi dan disimbolkan dengan L. Jika objek mempunyai massa m mengalami perubahan fasa secara keseluruhan, maka total panas yang dipindahkan adalah Q = Lm (14.3)

Apabila terjadi perubahan fasa dari cair ke gas (objek menyerap panas) atau perubahan fasa dari gas ke cair (objek melepas panas), maka panas transformasi disebut panas penguapan, disimbolkan dengan LV. Untuk air pada temperatur uap atau didih normal, LV = 539 kal/g = 40,7 kJ/mol = 2260 kJ/kg (14.4) Cair Gas LV

LF Cair Padat Apabila terjadi perubahan fasa dari fasa padat ke fasa cair (objek menyerap panas) atau perubahan fasa dari fasa cair ke fasa padat (objek melepas panas), maka panas transformasi disebut panas fusi dan disimbolkan dengan LF. Untuk air pada temperatur leleh dan beku normal, LF = 79,5 kal/g = 6,01 kJ/mol = 333 kJ/kg (14.5) Padat Cair LF

Tabel 14.2 Panas Transformasi Titik Lebur (K) Panas Fusi (LF) (kJ/kg) Didih Penguapan (LV) Hidrogen 14,0 58,0 20,3 455 Oksigen 54,8 13,9 90,2 213 Merkuri 234 11,4 630 296 Air 273 333 373 2256 Timah 601 23,2 2017 858 Perak 1235 105 2323 2336 Tembaga 1356 207 2868 4730

Contoh 14.1 Hitung energi yang diperlukan agar es yang mempunyai massa 720 g dan temperatur –10 0C berubah fasa menjadi cair dan mencapai temperatur 15 0C Penyelesaian Langkah 1 Naikkan temperatur dari –100C ke titik lebur, yaitu 00C dengan menyerap panas sebesar Q1 = ces m (Tf – Ti) (14.2) c = 2220 J/kg.K; m = 0,72 kg Ti = –100 C = 263 0K ; Tf = 00 C = 273 0K Q = (2220 J/kg.K)(0,72 kg)(273 0K – 263 0K) = 15984 J = 15,984 kJ

Langkah 2 Perubahan fasa dari padat ke cair dengan menyerap panas sebesar Q2 = LF m (14.3) LF = 333 J/kg; m = 0,72 kg Q2 = (333 kJ/kg)(0,72 kg) = 239,8 kJ

Langkah 3 Naikkan temperatur dari 00C ke 150C dengan menyerap panas sebesar Q3 = ccair m (Tf – Ti) (14.2) c = 4190 J/kg.K; m = 0,72 kg Ti = 00 C = 273 0K ; Tf = 150 C = 288 0K Q3 = (4190 J/kg.K)(0,72 kg)(288 0K – 273 0K) = 45252 J = 45,25 kJ Total panas yang diserap untuk mengubah fasa es pada temperatur –100C ke fasa cair temperatur 150C adalah Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 = 15,984 kJ + 239,8 kJ + 45,25 kJ = 301,034 kJ

Dalam bentuk formula dinyatakan sebagai 14.4 Hukum I Termodinamika Perubahan energi dalam pada sistem tertutup sama dengan panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem. Dalam bentuk formula dinyatakan sebagai Eint = Eint, f – Eint, i = Q – W (14.6) Q = panas total ditambahkan ke sistem W = kerja total yang dilakukan oleh sistem (14.7)

Perhatikan! Jika Q keluar dari sistem, maka nilai Q negatif Jika Q masuk ke sistem, maka nilai Q positif Jika W keluar dari sistem, maka nilai W positif Jika W masuk ke sistem, maka nilai W negatif Peningkatan energi dalam berarti peningkatan temperatur, begitu juga sebaliknya.

14.5 Proses Termodinamika 14.5. 1 Proses Adiabatik, yaitu proses yg berlangsung tanpa adanya perpindahan panas dari sistem ke lingkungan. Berarti Q = 0. Sehingga pers.(14.6) menjadi Eint = – W (14.8) Jika kerja dilakukan oleh sistem, maka dikatakan kerja kositif. Sebaliknya jika kerja dilakukan pada sistem maka dikatakan kerja negatif.

W < 0 Tekanan Volume i f Gambar 14.1 Proses Adiabatik

14.5.2 Proses Volume konstan, yaitu proses yang berlangsung dengan cara menjaga volume silinder konstan. Artinya tidak ada gerakan silinder, sehingga W = 0. Dari persamaan (14.6) didapat  Eint = Q (14.9) Jika panas dimasukkan ke dalam sistem maka energi dalam dari sistem akan meningkat . Sebaliknya jika sejumlah panas dikeluarkan dari sistem maka energi dalam akan menurun.

f Tekanan i Volume Gambar 14.2 Proses Volume Konstan

14.5.3 Proses Tertutup, yaitu proses yang kembali ke keadaan awal setelah berlangsung proses pertukaran panas dan kerja, sehingga persamaan (14.6) menjadi Q = W (14.10) Tekanan Volume Wnet < 0 f i ▸ Gambar 14.3 Proses Tertutup

14.5.4 Proses Ekspansi Bebas, adalah proses adiabatis tanpa ada kerja yang masuk maupun keluar sistem. Artinya Q = 0 dan W = 0. Jadi Eint = 0 (14.11)                                                                        Gambar 14.4 Proses Ekspansi Bebas

Tabel 14.3 Hukum Pertama Termodinamika Eint = Q – W Proses Batasan Konsekuensi Adiabatik Q = 0 Eint = – W Volume Konstan W = 0 Eint = Q Siklus Tertutup Eint = 0 Q = W Ekspansi Bebas Q = W = 0 Eint =0

Contoh 14.2 Sejumlah 1,00 kg air dengan temperatur 100 0C dan berada pada fasa cair akan dikonversikan menjadi uap (steam) air dengan temperatur tetap 100 0C (lihat gambar berikut). Volume awal 1,00 x 10-3 m3 dalam kondisi cair ke volume akhir 1,671 m3 dalam bentuk uap. Tentukan kerja yang dilakukan sistem selama proses berlangsung! Berapa banyak panas yang harus ditambahkan ke sistem selama proses berlangsung? Berapakah besar perubahan energi dalam selama proses berlangsung? Penyelesaian

W Q m = 1,00 kg; Vf = 1,671 m3 Vi = 1,00 x 10–3 m3 ; t = 1000 C Kerja yang dilakukan sistem selama proses berlangsung! W = (1,01 x 105 Pa)(1,671 m3 – 1,00 x 1,00 x 10–3 m3 = 1,69 x 105 J = 169 kJ

b) Panas yang harus ditambahkan ke sistem selama proses berlangsung adalah Q = LV m = (2260 kJ/kg)(12,00 kg) = 2260 kJ. Perubahan energi dalam selama proses berlangsung Eint = Q – W = 2260 kJ – 169 kJ = 2091 kJ.

Pressure (Pa) Volume (m3) Latihan Sejumlah gas berekspansi dari 1,0 ke 4,0 m3, sedangkan tekanannya menurun dari 40 ke 10 Pa. Tentukan kerja yang dilakukan oleh gas jika perubahan tekanan terhadap volume ditunjukkan oleh masing-masing proses pada gambar berikut. Pressure (Pa) 40 30 20 10 Volume (m3) 1 2 3 4 C B A

Suatu sistem termodinamika bergerak dari titik A ke titik B, dan selanjutnya kembali ke A melalui titik C. Proses tersebut ditunjukkan oleh lintasan ABCA pada diagram p-V berikut. (a) Lengkapi tabel berikut dengan tanda + atau – (b) Tentukan kerja yang dilakukan pada siklus ABCA. C Pressure (Pa) 40 30 20 10 Q W Eint A  B B  C C  A A B Volume (m3) 1 2 3 4

14.6 Perpindahan Panas Perpindahan panas merupakan peristiwa atau proses mengalirnya panas (kalor) dari satu titik ke titik yang lainnya dalam suatu medium. Peristiwa perpindahan panas berkaitan dengan laju dan tergantung dengan jenis mediumnya. Peristiwa perpindahan panas terdiri dari tiga mekanisme, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.