TERMODINAMIKA

TERMODINAMIKADisusun oleh Devi MirandaXI IPA 5SMA NEGERI 1 MEDAN

Peta KonsepTERMODINAMIKAMempelajari hukum-hukum dasar yang dipatuhi oleh kalor dan usaha.

Termodinamika gas mempelajari:1.) Perubahan energi dalam suatu gas.2.) Faktor-faktor yang mempengaruhi energi dalam.3.) Usaha yang dilakukan dan kalor yang disuplai atau hilang dari suatu gas.

Dalam Termodinamika, terdapat sistem dan lingkungan yang dipisahkan oleh batas.Sistem: Objek pengamatan.Lingkungan: Segala sesuatu yang berada di luar sistem.Batas: Pemisah sistem dan lingkungan, dapat bergerak ataupun tetap.

ENERGI DALAM Jumlah energi kinetik seluruh partikel penyusunnya ditambah dengan seluruh energi potensial dari interaksi antara seluruh partikel itu.BENDAMOLEKULATOMEnergi Kinetik

Energi PotensialEnergi dalam tidak dapat diukur secara langsung karena berupa suatu sifat mikroskopik zat.Pengukuran perubahan energi dalam (U) diukur secara tidak langsung.

Untuk gas monoatomik:

Untuk gas diatomik:

USAHA LUARUkuran energi yang dipindahkan oleh sistem ke lingkungan/sebaliknya.Bernilai (+) jika sistem MELAKUKAN usaha luar pada lingkungan (gas memuai). (V = positif) Bernilai (-) jika sistem DIKENAKAN usaha luar oleh lingkungan ketika gas dimampatkan. (V = negatif)

W = Usaha mekanik gas (J)p = Tekanan gas (Pa)A = Luas penampang tabung (m2)s = pergeseran piston (m)

HUKUM I TERMODINAMIKADalam suatu sistem yang mendapat panas sebanyak Q, akan terdapat perubahan energi dalam (U) dan melakukan usaha luar (W).Proses adiabatik:W = - U Proses non-adiabatik:Q = U + WQ = kalor yang masuk/keluar sistemU= perubahan energi dalamW = usaha luar

KAPASITAS PANAS GAS IDEALKapasitas panas gas ideal pada tekanan konstan selalu lebih besar dari pada kapasitas panas gas ideal pada volume konstan, dan selisihnya sebesar konstanta gas umum (universil) yaitu: R = 8,317 J/mol 0K.

cp - cv = R

cp = kapasitas panas jenis ( kalor jenis ) gas ideal pada tekanan konstan. cv = kapasitas panas jenis ( kalor jenis ) gas ideal pada volume konstan.

Berdasarkan teori kinetik gas, kita dapat menghitung panas jenis gas ideal:a. Untuk gas beratom tunggal (monoatomik) b. Untuk gas beratom dua (diatomik)

= konstanta Laplace.

PROSES - PROSES PADA HUKUM TERMODINAMIKA I1. Hukum I Termodinamika untuk Proses Isobarik.Pada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap.

sebelum dipanaskan sesudah dipanaskanDengan demikian pada proses ini berlaku persamaan Boyle-GayLussac:

Jika grafik ini digambarkan dalam hubungan p dan V maka dapat grafik sebagai berikut:

Pemanasan PendinginanUsaha luar yang dilakukan adalah:W = p ( V2 - V1 )Karena itu, hukum I termodinamikanya dapat dinyatakan:Q = U + p ( V2 - V1 )

Panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan tetap dapat dinyatakan dengan persamaan:Q = m cp ( T2 - T1 )

Pertambahan energi dalam gas dapat pula dinyatakan dengan persamaan: U = m cv ( T2 - T1 )

Karena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobarik dapat pula dinyatakan dengan persamaan:W = Q - U = m ( cp - cv ) ( T2 - T1 )m = massa gascp = kalor jenis gas pada tekanan tetapcv = kalor jenis pada volume tetap.

2. Hukum I Termodinamika untuk Proses Isokhorik (Isovolumik) .Pada proses ini volume sistem konstan.

sebelum dipanaskan sesudah dipanaskan

Dengan demikian dalam proses ini berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac dalam bentuk:

Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka grafiknya sebagai berikut:

Pemanasan PendinginanKarena V = 0, maka W = p . V = 0 (tidak ada usaha luar selama proses). Kalor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi dalam (U).U = QU = m . cv ( T2 - T1 )

3. Hukum I termodinamika untuk proses Isothermik. Selama proses terjadi, suhunya konstan.

sebelum dipanaskan sesudah dipanaskanOleh karena suhunya tetap, maka berlaku Hukum BOYLE:P1 V2 = P2 V2

Jika digambarkan grafik hubungan P dan V maka grafiknya berupa:

Pemanasan PendinginanKarena suhunya konstan (T2 = T1 ), maka: U = U2 - U1 = n R T2 - n R T1 = 0(perubahan energi dalamnya nol)Kalor yang diserap sistem hanya dipakai untuk usaha luar saja.

ln x =2,303 log x

4. Hukum I Termodinamika untuk Proses Adiabatik.Selama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem, jadi Q = 0

sebelum proses selama/akhir prosesOleh karena tidak ada panas yang masuk / keluar sistem maka berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac:

Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka berupa:

Pengembangan PemampatanKarena Q = 0, maka 0 = U + W, sehingga U2 -U1 = - WBila W negatif ( -W = sistem ditekan ) energi dalam sistem (U ) bertambah, sehingga hubungan antara suhu mutlak dan volume gas pada proses adibatik dapat dinyatakan dengan persamaan: = konstan atauUsaha yang dilakukan pada proses adiabatik adalah:

W = m . cv ( T1 - T2 ) atau .

Juga berlaku persamaan:

HUKUM II TERMODINAMIKA Adalah Tidak Mungkin Dapat Suatu Mesin Yang Bekerja dalam Lingkaran yang Tidak Menimbulkan Efek Lain Selain daripada Mengambil Panas dari Suatu Sumber dan Merubah Panas Ini Seluruhnya Menjadi Usaha.EFISIENSI MESINKemampuan mesin untuk mengubah sejumlah kalor menjadi energi mekanik.Belum ada mesin yang dapat mengubah sejumlah kalor menjadi energi mekanik seluruhnya.Karena itu, tidak ada mesin yang mempunyai effisiensi 100 % dan dalam praktek effisiensi mesin kurang dari 50 %.Tidak ada mesin kalor yang mempunyai efisiensi lebih besar dari mesin kalor Carnot.Tidak ada mesin pendingin yang mempunyai COP lebih besar dari mesin pendingin Carnot.

EFISIENSI MESIN KALOR

= Efisiensi mesin kalor

Sebuah mesin diberi energi berupa kalor Q1 pada suhu tinggi T1, sehingga mesin melakukan usaha mekanik W. Energi yang dibuang berupa kalor Q2 pada suhu T2, maka effisiensi mesin adalah:

Menurut Carnot untuk effisiensi mesin carnot berlaku pula:

PERUMUSAN KELVIN-PLANKTENTANG HUKUM II TERMODINAMIKATidak Mungkin Membuat Pesawat yang Kerjanya Semata-Mata Menyerap Kalor dari Sebuah Reservoir dan Mengubahnya Menjadi Usaha

Sebagai contoh, mari kita perhatikan proses yang sebenarnya terjadi pada motor bakar dan motor bensin.Mula-mula campuran uap bensin dan udara dimasukkan ke dalam silinder dengan cara menarik penghisap.

Kemudian penghisap ditekan, dengan demikian campuran tadi dimampatkan sehingga temperatur dan tekanannya naik.

Campuran tadi kemudian dibakar dengan loncatan bunga api listrik. Proses pembakaran ini menghasilkan campuran dengan temperatur dan tekanan yang sangat tingi, sehinga volume campuran tetap (proses isokhorik)Hasil pembakaran tadi mengembang, mendorong penghisap, sedangkan tekanan dan temperaturnya turun, tetapi masih lebih tinggi dari tekanan dan temperatur di luar.

Katub terbuka, sehingga sebagian campuran itu ada yang keluar sedangkan penghisap masih tetap ditempatnya.

Akhirnya penghisap mendorong hampir seluruhnya campuran hasil pembakaran itu keluar.

EFISENSI MESIN PENDINGIN

COP = Coefficient of Performance dari mesin pendingin

PERUMUSAN CLAUSIUS TENTANG HUKUM II TERMODINAMIKATidak Mungkin Membuat Pesawat yang Kerjanya Hanya Menyerap Dari Reservoir Bertemperatur Rendah dan Memindahkan Kalor Itu Ke Reservoir yang Bersuhu Tinggi, Tanpa Disertai Perubahan Lain.

Sebagai contoh, mari kita lihat proses pada lemari pendingin (lemari es) .

Zat cair di dalam wadahnya pada tekanan tinggi harus melalui saluran yang sempit, menuju ke ruang yang lapang (Avoporator). Proses ini disebut: Proses Joule-Kelvin.

Tiba di ruang yang lapang, temperatur dan tekanan zat cair tadi berkurang, dan zat cair juga menguap. Untuk menguap maka zat cair ini memerlukan kalor yang diserap dari reservoir T2 (suhu reservoir dingin = suhu benda yang akan didinginkan).

Kemudian uap pada tekanan rendah ini masuk ke dalam kompresor, dimampatkan, sehingga tekanannya dan temperaturnya naik. Temperatur uap ini lebih tingi dari temperatur reservoir T1 (temperatur suhu tingi) dan T1 > T2

Di dalam kondensor uap ini memberikan kalor pada reservoir T1. Sebagai reservoir T1 dapat digunakan udara dalam kamar atau air. Zat yang sering dipakai pada pesawat pendingin adalah Amoniak. Pada proses ini selain pemindahan kalor dari reservoir dingin T2 ke reservoir T1, terjadi pula perubahan usaha menjadi kalor yang ikut dibuang di T1.

APLIKASI TERMODINAMIKAAntara lain pada:Tubuh manusia.Meniup kopi panas.Perkakas elektronik (sirip, heat sink).Refrigerator (AC, Kulkas).Mobil (siklus engine, sirip, radiator).Pembangkit listrik (turbin, boiler).Industri (penyulingan, pendinginan, pengeringan, dll).CONTOH SOAL DAN PEMBAHASANSoal No. 1

Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3dipanaskan 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 105Pa)

PembahasanData:V2= 4,5 m3V1= 2,0 m3P = 2 atm = 2,02 x 105PaIsobaris Tekanan Tetap

W = p (V)W = p(V2 V1)W = 2,02 x 105(4,5 2,0) = 5,05 x 105joule

Soal No. 2

1,5 m3gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105N/m2, gas helium melakukan usaha luar sebesar....

PembahasanData :V1= 1,5 m3T1= 27oC = 300 KT2= 87oC = 360 KP = 2 x 105N/m2

W = pVMencari V2:V2/T2=V1/T1V2= (V1/T1) x T2= (1,5/300) x 360 = 1,8 m3W = pV = 2 x 105(1,8 1,5) = 0,6 x 105= 60 x 103= 60 kJSoal No. 3

2000/693mol gas helium pada suhu tetap 27oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693, tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

PembahasanData:n =2000/693molV2= 5 LV1= 2,5 LT = 27oC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas:W = nRT ln (V2/ V1)W = (2000/693mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln (5 L/2,5 L)W = (2000/693) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 jouleSoal No. 4Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah....

Pembahasan = ( 1 Tr/Tt) x 100 %Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan: = ( 1 400/600) =1/3 = (W/Q1)1/3=W/600W = 200 J

Soal No. 5Diagram PV dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!

Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar....

PembahasanWAC= WAB+ WBCWAC= 0 + (2 x 105)(3,5 1,5) = 4 x 105= 400 kJ

Soal No. 6Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, berapa persenkah efisiensinya?

PembahasanData pertama: = 40% =4/10 Tt= 400 KCari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr), hilangkan 100% untuk mempermudah perhitungan: = 1 (Tr/Tt)4/10= 1 (Tr/400)(Tr/400) =6/10Tr = 240 KData kedua:Tt = 640 KTr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama) = ( 1 Tr/Tt) x 100% = ( 1 240/640) x 100% = (5/8) x 100% = 62,5%Soal No. 7

Perhatikan gambar berikut ini!

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :a) Efisiensi mesin Carnotb) Usaha mesin Carnotc) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnotd) Jenis proses ab, bc, cd dan da

Pembahasana) Efisiensi mesin CarnotData:Tt = 227oC = 500 KTr = 27oC = 300 K = ( 1 Tr/Tt) x 100% = ( 1 300/500) x 100% = 40%

b) Usaha mesin Carnot =W/Q14/10=W/1200W = 480 joule

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin CarnotQ2= Q1 W = 1200 480 = 720 jouleQ2: W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan daab pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)bc pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)cd pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)da pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik)

Soal No. 8

Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah....kilojoule.

PembahasanW = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcdaW = ab x bcW = 2 x (2 x 105) = 400 kJ

S.E.L.E.S.A.ITerimakasih karena telah memperhatikan presentasi saya. Mohon maaf apabila terdapat banyak kekurangan di dalam presentasi saya ini. :)Sampai jumpa di kesempatan berikutnya! ;D