MATERI LENGKAP TERMODINAMIKA

HUKUM TERMODINAMIKA,PROSES TERMODINAMIKA, DAN KAPASITAS GAS IDEAL

 
Termodinamika

berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika adalah suatu ilmu yang menggambarkan usaha  untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan termodinamika bisa terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.

HUKUM TERMODINAMIKA

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

A. Hukum Awal (Zeroth Law/Hukum ke-0)
Bunyi Hukum Termodinamika 0 : "Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain"

B. Hukum Pertama
1. Bunyi Hukum Termodinamika 1 : "Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja."
2. Rumus/Persamaan 1 Termodinamika:
Q = W + ∆U


Q = kalor/panas yang diterima/dilepas (J)
W =  energi/usaha (J)
∆U = perubahan energi (J)

3. Hukum 1 Termodinamika dibagi menjadi empat proses, yaitu
a. Proses Isobarik (tekanan tetap)
Proses isobarik adalah proses perubahan gas dengan tahanan tetap. Pada garis P – V proses isobarik dapat digambarkan seperti pada berikut.

Usaha proses isobarik dapat ditentukan dari luas kurva di bawah gra fik P – V.

b. Proses Isotermis (suhu tetap)
Proses isotermis adalah proses perubahan gas dengan suhu tetap. Perhatikan gra fikk pada Gambar berikut.

Pada proses ini berlaku hukum Boyle.


Karena suhunya tetap maka pada proses isotermis ini tidak terjadi perubahan energi dalam ∆U=O . Sedang usahanya dapat dihitung dari luas daerah di bawah kurva, besarnya seperti berikut.

c. Proses Isokhoris (volume tetap)

Proses isokhoris adalah proses perubahan gas dengan volume tetap. Pada grafik P.V dapat digambarkan seperti pada Gambar berikut.

Karena volumenya tetap berarti usaha pada gas ini nol,


d. Proses Adiabatis (kalor tetap)
Pada proses isotermis sudah kita ketahui, U = 0 dan pada proses isokoris, W = 0. Bagaiaman jika terjadi proses termodinamika tetapi Q = 0 ?

Proses yang inilah yang dinamakan proses adiabatis. Berdasarkan hukum I Termodinamika maka proses adiabatis memiliki sifat dibawah.




e. Proses Gabungan
Proses-proses selain 4 proses ideal diatas dapat terjadi. Untuk memudahkan penyelesaian dapat digambarkan grafik  P – V prosesnya. Dari grafik tersebut dapat ditentukan usaha proses sama dengan luas kurva dan perubahan energi dalamnya

Sedangkan gabungan proses adalah gabungan dua proses adiabatis yang berkelanjutan. Pada gabungan proses ini berlaku hukum I termodinamika secara menyeluruh.

C. Hukum Kedua
Bunyi Hukum Termodinamika 2 : "Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya."

D. Hukum Ketiga
Bunyi Hukum Termodinamika 3 :
"Suatu sistem yang mencapai temperatur nol absolut, semua prosesnya akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum."
"Entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol."

Proses Termodinamika

1. Proses tekanan konstan (isobarik)
Pada proses tekanan konstan, tekanan awal proses sama dengan tekanan akhir proses atau p₁= p₂ . Bila p = C maka dp = 0. Pada diagram p-V dapat digambar sebagai berikut.

Kerja akibat ekspansi atau kompresi gas pada tekanan konstan dapat dihitung sebagai berikut :

Perubahan energi dalam pada proses isobarik dapat dihitung :

Perubahan kalor pada proses isobarik dapat dihitung :

Dari persamaan gas ideal didapat :

dan

Sehingga :

Entalpi pada proses isobar :

2. Proses volume konstan (isokhorik)
Pada proses isokhorik, volume awal akan sama dengan volume akhir gas atau V₁ = V₂. Bila V₁ = V₂ maka dV = 0.
Pada diagram p-V dapat digambar sebagai breikut :

Pada proses isokhorik atau volume konstan, tidak ada kerja yang diberikan atau dihasilkan sistem, karena volume awal dan akhir proses sama sehingga perubahan volume (dV) adalah 0. Pada proses isokhorik semua kalor yang diberikan diubah menjadi energi dalam sistem.

Perubahan energi dalam pada proses isokhorik :

Kalor pada proses isokhorik :

Dimana dV = 0 sehingga dQ = dU = m.c_v.(T2 – T1)
Entalpi pada proses isokhorik :

 3. Proses temperatur konstan (isotermal)
Pada proses isotermal, temperatur awal proses akan sama dengan temperatur akhir proses atau T₁ = T₂ . kondisi ini menyebabkan dT = 0 sehingga perubahan energi dalam sistem (dU) = 0.

Kerja pada proses isotermal dapat dihitung :

Dari hukum gas ideal :

Karena T = konstan maka p.V = konstan (C). sehingga maka

m, R dan T konstan maka :

Didapat:

Perubahan energi dalam pada proses isotermal adalah 0 sehingga besar perubahan kalor akan sama dengan kerja pada proses isotermal.

Perubahan entalpi pada proses isotermal :

4. Proses Isentropis (adiabatis reversibel)

Proses adiabatis reversibel adalah proses termodinamika dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (adiabatis) dan proses ini mampu balik (reversibel) artinya tidak ada hambatan atau gesekan. Pada kenyataannya proses ini tidak ada di alam, tetapi penyederhaan yang demikian dapat mempermudah untuk menganalisa sistem. Pada p-V diagram dapat digambarkan sebagai berikut.

Karena tidak ada kalor yang dapat masuk dan keluar dari sistem, maka tidak ada perubahan kalor atau dQ = 0. Sehingga kerja yang diberikan atau dilakukan oleh sistem akan mengubah energi dalam sistem. Proses ini berlangsung pada kondisi p.V^k = konstan. Dimana k adalah rasio panas jenis pada tekanan konstan dengan panas jenis pada volume konstan atau sering disebut juga sebagai index isentropis. Kerja pada proses adiabatis reversibel dapat dihitung sebagai berikut :

Karena proses berlangsung pada kondisi p.V^k ₌ C , maka:

sehingga :

Perubahan energi dalam sistem adiabatis reversibel :

Tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem sehingga :

Entalpi pada proses adiabatis reversibel :

Entalpi proses adiabatis reversibel  adalah massa dikali panas jenis tekanan konstan dan dikali dengan delta temperatur. Dari mana asalnya coba turunin sendiri. Petunjuk dQ = 0 untuk proses ini.

5. Proses polytropis

Proses polytropis adalah proses termodinamika dengan index isentropis k = n dimana n > 1 atau p.Vⁿ = C. Proses ini sama dengan proses adiabatis reversibel hanya dibedakan jika pada proses adiabatis, kalor tidak dapat keluar atau masuk ke sistem, tetapi pada proses ini kalor dapat berubah (dapat keluar – masuk sistem). p – V diagram untuk proses politropis sama dengan p-V diagram proses adiabatis.

Kerja pada proses politropis adalah sama dengan kerja pada proses adiabatis reversibel, hanya k diganti dengan n dimana n > 1.

Karena proses berlangsung pada kondisi p.Vⁿ ₌ C , maka

sehingga :

Perubahan energi dalam sistem politropis :

Perubahan kalor dalam sistem politropis :

Bila n pada proses politropis sama dengan 1 maka proses akan berjalan mengikuti proses isotermal, sedangkan bila besar harga n = k, maka proses akan berjalan berdasarkan proses adiabatis reversibel dan bila n sama dengan 0, maka harga vn akan sama dengan 1 sehingga proses akan mengikuti proses tekanan konstan.

Kapasitas gas ideal

Kapasitas kalor C suatu zat menyatakan "banyaknya kalor Q yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 kelvin". Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis sebagai

C = Q/ΔT atau Q = CΔT\

keterangan:

C= Kapasitas Kalor

Q = Qalor

∆T = Kenaikan Suhu

Kapasitas gas kalor adalah kalor yang diberikan kepada gas untuk menaikan suhunya dapat dilakukan pada tekanan tetap (proses isobarik) atau volum tetap (proses isokhorik). Karena itu, ada dua jenis kapasitas gas kalor yaitu:

1. Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap

2. Kapasitas kalor pada volum tetap.

Uraikan Konsep Kapasitas kalor Gas

Kapasitas kalor gas diperoleh dari fungsi empirik temperatur, dan biasanya dalam bentuk yang sama. Kapasitas kalor gas sangat dipengaruhi oleh tekanan, namun pengaruh tekanan pada sifat termodinamika tidak digunakan dalam. Karena gas pada tekanan rendah biasanya mendekati ideal, kapasitas kalor gas ideal bisa digunakan untuk hampir semua perhitungan gas real pada tekanan atmosfir.
1. kapasitas kalor gas pada tekanan tetap (C_p)

Kapasitas kalor gas adalah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu Kelvin pada tekanan tetap. tekanan system dijaga selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan, maka perubahan energi dalam, kalor, dan kerja pada proses ini tidak ada yang bernilai nol.

Maka secara matematis :

Cp = Q/ΔT = ((5/2PΔV)/(ΔT)) = ((5/2nRΔV)/(ΔT)

Cp = 5/2nR
2. Kapasitas kalor gas pada volum tetap (C_v)

Kapasitas kalor pada volum tetap artinya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu kelvin pada volum tetap. Artinya kalor yang diberikan dijaga selalu konstan.

 Karena volume system selalu konstan, maka system tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada system. Jadi kalor yang ditambahkan pada system digunakan untuk menaikan energi dalam sistem.

Maka secara matematis :

Cv = Q/ΔT = (3/2nRΔT)/ΔT

Cv = 3/2nR

Berdasarkan persamaan di atas dapat diperoleh bahwa:

Cp – Cv = 5/2nR – 3/2nR

Cp – Cv = nR

Kapasitas yang diperoleh pada persamaan tersebut adalah untuk gas monoatomik. Sedangkan untuk gas diatomik dan poliatomik tergantung pada derajat kebebasan gas. Dapat digunakan pembagian suhu sebagai berikut:

• Pada suhu rendah (± 250 K): Cv = 3/2nR dan Cp = 5/2nR
• Pada suhu sedang (± 500 K): Cv = 5/2nR dan Cp = 7/2nR
• Pada suhu tinggi (± 1000 K): Cv = 7/2nR dan Cp = 9/2nR

Oleh karena itu, konstanta Laplace γ dapat dihitung secara teoretis sesuai persamaan sebagai berikut:

• Gas monoatomik: γ = Cp/Cv = ((5/2nR)/(3/2nR)) = 5/3 = 1,67
• Gas diatomik pada suhu kamar: γ = Cp/Cv = ((7/2nR)/(5/2nR)) = 7/5 = 1,4

Dengan memasukan nilai Q_p danQ_c sertqa W diperoleh :

C _p∆T – C_v∆T = _p∆V

(C _p – C_v ) = _p∆V

C _p – C_v= _p∆V / ∆T

Akhirnya kita mendapatkan rumus lengkap usaha yang dilakukan oleh gas seperti dibawah ini :

· W = p∆V = p (V₂- V₁)

· W = nR∆V = nR(T₂- T₁)

· W = Q_p - Q_{v =} (C_p – Cv)∆T

 <div style="position: fixed; bottom: 0px; right: 20px;width:82px;height:160px;"><a href="http://content.sweetim.com/sim/cpie/emoticons/0002031F.gif" target="_blank"><img src="http://content.sweetim.com/sim/cpie/emoticons/0002031F.gif" alt="animasi blog" /></a><small><center><a href="http://christiantatelu.blogspot.com" target="_blank">Animasi Blog</a></center></small></div>

Sumber dari http://www.gurupendidikan.co.id/termodinamika-pengertian-prinsip-sistem-hukum-dan-rumus-beserta-contoh-soalnya-lengkap/

https://djukarna.wordpress.com/2014/05/07/proses-proses-termodinamika/

http://murninana.blogspot.co.id/2013/05/kapasitas-kalor-gas.html