Berkelas

Bab 9 Termodinamika

Standar Kompetensi: Menerapkan konsep termodinamika dalam mesin kalor. Kompetensi Dasar: Menganalisis perubahan keadaan gas ideal dengan menerapkan hukum termodinamika.

A. Usaha, Kalor, dan Energi Dalam W = P(V2 – V1) Keterangan: W = usaha (J) P = tekanan tetap (N/m2) V1 = volume awal (m3) V2 = volume akhir (m3) Gas dalam silinder tertutup melakukan usaha terhadap lingkungan

B. Hukum I Termodinamika Gambar di samping: gas yang diberi kalor (∆Q) tidak menyebabkan posisi piston berubah. Hal itu disebabkan gas tidak melakukan usaha (W = 0). ∆Q = ∆U Gambar di samping: gas yang diberi usaha W secara adiabatik mengalami perubahan energi dalam. Q = ∆U + W Keterangan: W = usaha (segala bentuk usaha) (J) Q = jumlah kalor (J) ∆U = perubahan energi dalam gas (J)

Apabila sistem menerima kalor, Q bernilai positif (Q). Apabila sistem melepaskan kalor, Q bernilai negatif (–Q). Apabila sistem melakukan kerja, W bernilai positif (W). Apabila sistem menerima kerja, W bernilai negatif (–W).

C. Kalor Jenis Gas ∆Q = C ∆T Hukum I termodinamika dinyatakan : dQ = dU + dW atau dalam bentuk diskrit dituliskan ∆Q = ∆U + ∆W Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepas oleh gas untuk menaikkan atau menurunkan suhu tiap satu satuan kelvin disebut kapasitas kalor gas (C). ∆Q = C ∆T

Kalor jenis gas pada proses volume tetap (CV) dirumuskan: Kalor jenis gas pada proses tekanan tetap (CP) dirumuskan Apabila selama menerima kalor, gas menga lami proses isokorik (∆W = 0) maka menurut hukum I termodinamika berlaku ∆Q =∆U ∆U = CV ∆T

Kapasitas kalor pada tekanan tetap terhadap Kapasitas kalor pada tekanan tetap terhadap kapasitas kalor pada volume tetap, dirumuskan: CP = CV + nR Besarnya perbandingan CP dengan CV disebut tetapan Laplace yang dituliskan: Nilai tetapan Laplace ini berbeda-beda, bergantung pada jenis dan keadaan gas.

1. Gas Monoatomik Besar energi dalam gas monoatomik adalah Besarnya kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas monoatomik adalah:

Besar kapasitas kalor pada tekanan tetap untuk gas monoatomik yaitu: Besarnya tetapan Laplace untuk gas monoatomik adalah

Molekul gas diatomik pada suhu rendah, bertranslasi a. Pada Suhu Rendah (T < 100 K) Kapasitas kalor pada volume tetap: Molekul gas diatomik pada suhu rendah, bertranslasi Kapasitas kalor pada tekanan tetap:

b. Pada Suhu Sedang (100 K < T < 5.000 K) Besarnya kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas ini, yaitu: Besarnya kapasitas kalor pada tekanan tetapnya adalah Besarnya tetapan Laplace untuk gas diatomik pada suhu sedang adalah Molekul gas diatomik pada suhu sedang, bertranslasi dan berotasi

c. Pada Suhu Tinggi (T > 5.000 K) Besar kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas diatomik pada suhu tinggi Besar kapasitas kalor pada tekanan tetap untuk gas tersebut adalah Molekul gas diatomik pada suhu tinggi, berotasi, bertranslasi, dan bervibrasi Besarnya tetapan Laplace gas diatomik pada suhu tinggi adalah

3. Energi Dalam Gas ∆U = U2 – U1 Energi dalam adalah energi yang dimiliki benda karena aktivitas antarmolekulmolekulnya. Besarnya perubahan energi dalam adalah: Keterangan: ∆U = perubahan energi dalam (J) U1 = energi dalam keadaan awal (J) U2 = energi dalam keadaan akhir (J) ∆U = U2 – U1 Energi dalam untuk gas monoatomik adalah Sedangkan energi dalam untuk gas diatomik

Perubahan energi dalamnya untuk gas monoatomik: Sedangkan perubahan energi dalam untuk gas diatomik: Keterangan: ∆U = perubahan energi dalam (J) N = banyak partikel gas n = jumlah mol gas (mol) R = konstanta gas umum (J/mol.K) k = konstanta Boltzmann (J/K) T1 = suhu awal (K) T2 = suhu akhir (K)

D. Proses Termodinamika 1. Proses Isobarik Proses isobarik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang berlang- sung pada tekanan tetap. Proses isobarik Gas melakukan usaha sebesar: Grafik tekanan P terhadap volume V

Dari hukum I termodinamika Q = ∆U + W karena W = 0 maka Q = ∆U 2. Proses Isokorik Proses isokorik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada volume tetap. Dirumuskan: V1= V2 = V W = P(V2 – V1) W = P(V – V) = 0 Grafik pada proses isokorik Dari hukum I termodinamika Q = ∆U + W karena W = 0 maka Q = ∆U Jadi, pada proses isokorik, besarnya kalor yang diberikan digunakan untuk mengubah energi dalam.

3. Proses Isotermik Proses isotermik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada suhu tetap. Besarnya usaha adalah Grafik pada proses isotermik

4. Proses Adiabatik Proses adiabatik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang ber lang sung dengan tidak ada panas atau kalor yang masuk dan keluar. Usaha Gas pada Proses Adiabatik Keterangan: n = jumlah mol Cv = kapasitas kalor pada volume tetap

E. Hukum II Termodinamika Pada roda yang diputar kencang terjadi perubahan usaha (energi kinetik) menjadi kalor Menurut perumusan Kelvin Planck: Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah sumber (reservoir) dan mengubah kalor itu menjadi energi atau usaha seluruhnya. Menurut perumusan Clausius. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus,mengambil kalor dari sumber (reservoir) yang mempunyai suhu rendah dan mem berikannya kepada sumber yang mempunyai suhu tinggi,tanpa melibatkan usaha dari luar.

Skema mesin kalor : (a) mesin yang tidak mungkin dibuat dan (b) mesin yang mungkin dibuat. Skema mesin pendingin (c) mesin yang tak mungkin dibuat dan (d) mesin yang mungkin dibuat.

1. Siklus Carnot Siklus adalah suatu rangkaian proses yang berjalan sedemikian rupa sehingga pada akhirnya kembali kepada keadaan semula. Pada gambar di samping: proses AB isokorik, proses BC isotermik, proses CA isobarik. Proses itu membentuk satu siklus ABCA. Siklus ABCA Mesin Carnot bekerja secara reversibel (dapat bekerja bolak-balik) yang idealnya bekerja dengan dua proses isotermik dan dua proses adiabatik.

Untuk memahami proses siklus Carnot tersebut, perhatikan gambar berikut! Proses a – b Gas mula-mula berada pada keadaan (P1, V1, T1), ditempatkan pada wadah (reservoir) bersuhu T1. Gas dikembangkan (diekspan sikan) secara isotermis hingga mencapai keadaan (P2, V2, T1). Pada proses ini, gas menyerap kalor Q1. Bagan siklus Carnot (a) isotermis,(b) adiabatis, (c) isotermis, dan (d) adiabati

Gas mengembang secara adiabatis sampai pada keadaan (P3, V3, T2). Pada b. Proses b – c Gas mengembang secara adiabatis sampai pada keadaan (P3, V3, T2). Pada proses ini, gas melakukan usaha hingga suhunya turun menjadi T2. Bagan siklus Carnot (a) isotermis,(b) adiabatis, (c) isotermis, dan (d) adiabati

c. Proses c – d Gas berada pada wadah (reservoir) yang lebih dingin T2 kemudian ditekan hingga berada pada keadaan (P4, V4, T2) secara isotermis. Selama proses ini, gas melepaskan panas (kalor) Q2. . Skema mesin kalor. Mesin menerima kalor Q1 untuk melakukan usaha W, sisa kalor Q2 dilepas.

d. Proses d – a Gas dikembalikan pada keadaan semula (P1, V1, T1) melalui proses adiabatis. Selama proses ini gas dikenai usaha. Pada keempat proses di atas, usaha total W dinyatakan sebagai luas kurva abcda (gambar di samping). Jumlah kalor yang diterima adalah Q1 – Q2. Skema mesin kalor. Mesin menerima kalor Q1 untuk melakukan usaha W, sisa kalor Q2 dilepas. Pada proses di atas telah terjadi perubahan energi kalor menjadi usaha. Mesin yang melakukan proses dengan mengubah energi panas (kalor) menjadi usaha disebut mesin panas atau mesin kalor.

2. Efesiensi Mesin Kalor Keterangan: ή = efisiensi mesin Carnot (%) W = usaha (J) Q1 = kalor yang diserap (J) Keterangan: Q1 = kalor yang diserap (J) Q2 = kalor yang dilepas (J) Sehingga efisiensi mesin Carnot dapat dinyatakan: Keterangan: T1 = suhu pada reservoir suhu tinggi (K) T2 = suhu pada reservoir suhu rendah (K)

3. Mesin Pendingin Berdasarkan skema gambar di samping, bahwa kalor pada reservoir suhu rendah Q2 oleh usaha dari luar W dipindahkan ke reservoir suhu tinggi Q1. Daya kerja mesin pendingin dapat ditentukan dari perbandingan kalor Q2 yang dipindahkan dengan usaha W Jika koefisien daya kerja mesin ditulis K maka: Skema mesin Kalor

4. Motor Bensin Motor bensin menggunakan sistem empat langkah dalam satu siklus yang biasa disebut empat tak. Misal, pada posisi piston di puncak (top), lalu bergerak turun, campuran udara dan bensin masuk ke dalam silinder karena katup masuk terbuka dan katup pembu-angan tertutup. Langkah piston me-nurun ini disebut langkah menghisap. Motor bahan bakar bensin

bc- langkah bereksplosi, cd- langkah usaha, dan langkah pembuangan. Berdasarkan proses langkah kerjanya, gambar di samping dapat dijelaskan bahwa garis: ab- langkah kompresi, bc- langkah bereksplosi, cd- langkah usaha, dan langkah pembuangan. Siklus Otto (mesin bensin) V1 pada gambar adalah volume udara maksimum dalam silinder dan V2 volume udara minimum dalam silinder. Perbandingan V1/V2 disebut perbandingan kompresi, yang nilainya untuk motor bakar ± 10.

dengan  = konstanta Laplace. Jika perbandingan kompresi 10 dan g = 1,4 maka efisiensinya kurang dari 60%.

5. Motor Diesel Pada siklus motor diesel, udara masuk ke dalam silinder saat langkah menghisap dan ditekan secara adiabatik sampai suhu naik cukup tinggi. Akibatnya, bahan bakar yang diinjeksikan pada akhir langkah ini akan terbakar tanpa memerlukan percikan bunga api. Mobil berbahan bakar diesel

Perhatikan gambar! Mulai dari titik a, udara ditekan secara adiabatik sampai titik b, akibatnya timbul panas yang menyebabkan terjadi pemuaian secara isobarik sampai titik c. Kemudian, memuai secara adiabatik sampai di titik d. dan menjadi dingin dan terjadi perubahan tekanan secara isokorik sampai titik a. Siklus diesel Pada mesin diesel, saat langkah kompresi di dalam silinder belum terdapat bahan bakar sehingga belum terjadi penyalaan dini. Perbandingan kompress V1/V2 mempunyai nilai jauh lebih besar dibanding dengan perbandingan kompresi motor bensin yaitu bisa mencapai angka perbandingan 15. Dengan mengambil g =1,4 maka efisiensi siklus diesel kira-kira 56%.