Hukum Termodinamika Pertama

THERMODINAMIKA berasal dari kata thermos yaitu 'panas' dan dynamic yang artinya 'perubahan' adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnyadinamakan termostatik.

A.  Usaha dan Proses dalam Termodinamika

Termodinamika adalah ilmu pengetahuan yang membahas tentang hubungan antara panas (kalor) dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Dalam melakukan pengamatan mengenai aliran energi antara panas dan usaha ini dikenal dua istilah, yaitu sistem dan lingkungan.

Apakah yangdimaksud sistem dan lingkungan dalam termodinamika? Untukmemahami penggunaan kedua istilah tersebut dalam termodinamika, perhatikanGambar berikut :

Bola besi dan air merupakan suatu sistem yang akan diamati. Adapun, udara luar merupakan lingkungannya.

Misalkan, Anda mengamati aliran kalor antara bola besi panas dan air dingin. Ketika bola besi tersebut dimasukkan ke dalam air. Bola besi dan air disebut sistem karena kedua benda tersebut menjadi objek pengamatan dan perhatian Anda. Adapun, wadah air dan udara luar disebut lingkungan karena berada di luar sistem, tetapi dapat memengaruhi sistem tersebut. Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang digunakan adalah besaran makroskopis suatu sistem, yaitu tekanan, suhu, volume, entropi, kalor, usaha, dan energi dalam.

Usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) terhadap lingkungannya bergantung pada proses -proses dalam termodinamika, di antaranya proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.

1. Usaha Sistem terhadap Lingkungannya

Bagaimanakah cara menghitung usaha pada gas? Amati  suatu gas yang berada dalam tabung dengan penutup berbentuk piston yang dapat bergerak bebas, seperti terlihat pada gambar

Ketika gas ideal di dalam tabung dipanaskan,gas tersebut memuai sehingga piston berpindah sejauh Δs.

Ketika gas tersebut dipanaskan, piston akan berpindah sejauh Δs karena gas di dalam tabung memuai dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂. Gaya yang bekerja pada piston adalah F = pA. Jika luas penampang piston (A) dan tekanan gas dalam tabung (P) berada dalam keadaan konstan, usaha yang dilakukan oleh gas dinyatakan dengan persamaan

W = pA Δs

Oleh karena A Δs = ΔV, persamaan usaha yang dilakukan gas dapat ditulis menjadi :

W = p ΔV

            atau

W = p(V2 – V1)

                       

Keterangan :

p = tekanan gas (N/m2),

ΔV = perubahan volume (m3), dan

W = usaha yang dilakukan gas (joule).

Nilai W dapat berharga positif atau negatif bergantung pada ketentuan berikut.

a.       Jika gas memuai sehingga perubahan volumenya berharga positif, gas (sistem) tersebut dikatakan melakukan usaha yang menyebabkan volumenya bertambah. Dengan demikian, usaha W sistem berharga positif.

b.      Jika gas dimampatkan atau ditekan sehingga perubahan volumenya berharga negatif, pada gas (sistem) diberikan usaha yang menyebabkan volume sistem berkurang. Dengan demikian, usaha W pada tersebut sistem ini bernilai negatif.

2. Proses dalam Termodinamika

2.1  Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂ pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V2 – V1)

Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V₂>V₁. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V₂<V₁ dan usaha gas bernilai negatif.

2.2  Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas.

Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol⁻¹ K⁻¹, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

Terdapat empat proses dalam gas pada bahasan termodinamika, yaitu proses Isotermal, Isobarik, Isokhorik dan Adiabatik. Usaha yang terdapat pada gas yang mengalami proses-proses termodinamika tersebut akan diuraikan sebagai berikut.

a.      Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

b.      Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan Q_V.

Q_V = ∆U

c.       Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Q_p.  Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan

Q_V =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Q_p − Q_V

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Q_p) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (Q_V).

d.      Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p₁ dan V₁ mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p₂ dan V₂, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai

Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.

3. Hukum Termodinamika 1

Suhu gas berhubungan dengan energi kinetik yang dimiliki oleh gas tersebut. Perubahan energi dalam dapat terjadi jika terjadi perubahan suhu (energi dalam akan meningkat jika suhu gas (sistem) meningkat atau pada gas diberikan kalor). Apakah perubahan energi dalam dapat terjadi pada gas yang diberi atau melakukan usaha mekanik?

Hubungan antara kalor yang diterima atau dilepaskan suatu sistem, usaha yang dilakukan pada sistem, serta perubahan energi dalam sistem yang ditimbulkan oleh kalor dan usaha tersebut dijelaskan dalam Hukum Pertama Termodinamika.

Hukum Pertama Termodinamika adalah perluasan bentuk dari Hukum Kekekalan Energi dalam mekanika. Hukum ini menyatakan bahwa: "Jumlah kalor pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem tersebut ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem."

Dengan demikian, meskipun energi kalor sistem telah berubah menjadi energi mekanik (usaha) dan energi dalam, jumlah seluruh energi tersebut selalu tetap. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut.

Q = ΔU + W

         

dengan: 

Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem,

ΔU = U2 — U1 = perubahan energi dalam sistem, dan

W = usaha yang dilakukan sistem.

Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan tersebut adalah sebagai berikut.

1. Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif.

2. Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif

3. Jika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif

4. Jika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif

Contoh Soal :

1. Suatu gas ideal berada di dalam wadah bervolume 3 liter pada suhu 27⁰C. Gas itu dipanaskan dengan tekanan tetap 1 atmosfer sampai mencapai suhu 227⁰C. hitung kerja yang dilakukan gas!

Diketahui :

P_A        = P_B = 1 atm = 10⁵ Pa

V_A       = 3 liter = 3 x 10^-3 m³

T_A        = 273 + 27 = 300 K

T_B        = 273 + 227 = 500 K

Ditanya : W?

Jawab :

Pada proses isobarik (tekanan tetap) berlaku:

V_A/T_A = V_B/T_B

(3 x 10^-3)/500 = V_B/300

V_B       = 5 x 10³ m³

Sehingga,

W        = P (V_B – V_A) = (10⁵) {(5x10^-3) - (3x10^-3)} = 202,6 J

2. Tiga mol gas memuai secara isotermal pada suhu 27⁰C, volumenya berubah dari 20 cm³ menjadi 50 cm³. Hitung besar usaha gas tersebut!

Diketahui :

n          = 3 mol

R         = 8,314 J/mol K

T          = 27⁰C + 273 = 300 K

V₁          = 2 x 10^-5 m³

V₂        = 5 x 10^-5 m³

Ditanya : W?

Jawab :

W        = n R T ln V₂/V₁ = (3) (8,314) (300) ln 5 x 10^-5/2 x 10^-5 = 6852,94 J

3. Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m³. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa)

Diketahui :
V2       = 4,5 m³
V1       = 2,0 m³
P          = 2 atm = 2,02 x 10⁵ Pa

Ditanya : W?

Jawab :
W        = P (ΔV)
W        = P(V2 − V1)
W        = 2,02 x 10⁵ (4,5 − 2,0) = 5,05 x 10⁵ joule

4. Sejumlah 1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27^oC dipanaskan secara isobarik sampai 87^oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m² , gas helium melakukan usaha luar sebesar….

Diketahui :
V1       = 1,5 m³
T1        = 27^oC = 300 K
T2        = 87^oC = 360 K
P          = 2 x 10⁵ N/m2

Ditanya : W?

Jawab :
W = PΔV
Mencari V2 :
V₂/T₂    = V₁/T₁
V₂          = ( V₁/T₁ ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3
W        = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ

5. Suatu gas yang volumenya 1,2 liter dipanaskan pada tekanan tetap 1,5 × 105 N/m2 hingga volumenya menjadi 2 liter. Berapakah usaha yang dilakukan gas?

Diketahui :

V₁        = 1,2 L

V₂        = 2 L

p          = 1,5 × 10⁵ N/m²

Ditanya : W?

Jawab :

1 liter = 1 dm³ = 10^–3 m³

Usaha yang dilakukan gas pada tekanan tetap (isobarik) adalah

W        = p (V₂ – V₁) = (1,5 × 10⁵ N/m²) (2 – 1,2) × 10^–3 m³ = 120 joule

6. Delapan mol gas ideal dipanaskan pada tekanan tetap sebesar 2 × 10⁵ N/m² sehingga volumenya berubah dari 0,08 m³ menjadi 0,1 m³. Jika gas mengalami perubahan energi dalam gas sebesar 1.500 J, berapakah kalor yang diterima gas tersebut.

Diketahui :

p          = 2 × 10⁵ N/m²

V1       = 0,08 m³

V₂        = 0,1 m³

ΔU       = 1.500 J

Ditanya : Q?

Jawab :

Q         = ΔU+ W

Q         = ΔU + p(V₂ – V₁)

Q         = 1.500 joule + 2 × 10⁵ N/m² (0,1 – 0,08) m³

= 1.500 joule + 4.000 joule = 5.500 J

7. Gas nitrogen bermassa 56 × 10–3 kg dipanaskan dari suhu 270 K menjadi 310 K. Jika nitrogen ini dipanaskan dalam bejana yang bebas memuai, diperlukan kalor sebanyak 2,33 kJ. Jika gas nitrogen ini dipanaskan dalam bejana kaku (tidak dapat memuai), diperlukan kalor sebesar 1,66 kJ. Jika massa molekul relatif nitrogen 28 g/mol, hitunglah kapasitas kalor gas nitrogen dan tetapan umum gas.

Diketahui :

m         = 56 × 10^–3 kg

ΔT       = 40 K

Mr       = 28 g/mol

= 28 × 10^–3 kg/mol

Ditanya :

a.  Proses tekanan tetap pada gas

b. Tetapan umum gas R dihitung sebagai berikut.

Jawab :

a.         Proses tekanan tetap pada gas:

Q_p        = 2,33 kJ = 2.330 J

Q_p        = C_p ( ΔT)

2.330 J = C_p (40 K) → C_p = 58, 2 J/K.

Proses volume tetap pada gas:

Q_V = 1,66 kJ = 1.660 J.

Q_V = C_V ( ΔT)

1.660 joule = C_V (40 K) → C_V = 41,5 J/K

b.         Tetapan umum gas R dihitung sebagai berikut.

C_p – C_V = n R = (m/Mr) R → R = Mr/m (C_P – C_V)

R = ((28 x 10 kg/mol) / (56 x 10 kg)) ((58,2 - 41,5)J/K) = 8,35 J/mol K

8. Usaha sebesar 2 × 10³ J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan 0,5 mol gas ideal monoatomik sehingga suhu mutlaknya menjadi 2 kali semula. Jika konstanta umum gas R = 8,31 J/mol K, tentukanlah suhu awal gas.

Diketahui :

W        = 2 × 10³ J

T₂         = 2T₁

n          = 0,5 mol

Ditanya : T₁?

Jawab :

W = 3/2 n R (T₂ – T₁) = 3/2 n R (2T₁ – T₁)

W = 3/2 n R T₁

T₁ = 2W / 3nR = 2(2 x 10³ joule) / 3 x 0,5 mol x 8,31 J/molK = 321 K

Jadi, suhu awal gas adalah 321 K

9. Suatu sistem mengalami proses isobarik. Pada sistem dilakukan usaha sebesar 100 J. Jika perubahan energi dalam sistem ΔU dan kalor yang diserap sistem = 150 joule, berapakah besarnya ΔU?

Diketahui :

W = –100 joule (dilakukan usaha)

Q = 150 joule (sistem menyerap kalor).

Ditanya : ΔU ?

Jawab :

Menurut Hukum Pertama Termodinamika

ΔU = Q – W = 150 joule – (–100 joule) = 250 joule

10. Sebuah mesin gas ideal bekerja dalam suatu siklus Carnot antara suhu tinggi T₁ °C dan dan suhu rendah 127 °C. Jika mesin menyerap kalor 60 kkal pada suhu tertinggi dan membuang kalor 48 kkal, hitunglah:

Diketahui :

T₂         = 127 °C

Q₁        = 60 kkal

Q₂        = 48 kkal

Ditanya :

a. usaha yang dihasilkan dalam satu siklus,

b. efisiensi mesin tersebut, dan

c. besarnya suhu tinggi T₁

Jawab :

a. Berdasarkan Hukum Pertama termodinamika:

W = Q₁ – Q₂ = 60 kkal – 48 kkal = 12 kkal

b. Efisiensi mesin Carnot

η = (W/Q₁) x 100 % = (12 kkal / 60 kkal) x 100 % = 20%

c. Efisiensi mesin dalam bentuk suhu dinyatakan dengan persamaan :

Terima Kasih Telah Berkunjung dan Membaca Artikel Blog Ini
Judul: Hukum Termodinamika Pertama
Ditulis Oleh: Unknown
Blogger Sejati Selalu Meninggalkan Komentar Berupa Kritik dan Saran