materi78.co.nr FIS 4 Gas & Termodinamika A. Proses isokhorik adalah keadaan dimana volume selalu konstan, dan berlaku hukum GayLussac yang menghubungkan tekanan dengan suhu gas. PENDAHULUAN Partikel gas dalam ruang berhubungan dengan tekanan, volume dan suhu. Berapapun partikel gas, dapat diletakkan dalam suatu ruangan dengan volume tertentu, begitupula sebaliknya. P P1 Gas terdiri atas gas ideal dan gas sejati. T1 Sifat-sifat gas ideal: dan P V1 T1 4) Gas ideal memiliki gaya tarik menarik antarpartikel yang lemah. PERSAMAAN GAS IDEAL P.V = n.R.T P.V = N.k.T Satuan tekanan yang sering digunakan: 1 bar = 105 Pa 1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg = 1,01 bar = 1,01 x 105 Pa Hubungan tetapan, mol, dan jumlah partikel persamaan gas ideal: R NA n= N NA n= V2 T2 ENERGI KINETIK GAS Energi kinetik gas (Ek) adalah energi yang dimiliki gas akibat bergerak. P = tekanan gas (N/m2 atau Pa) V = volume gas (m3) n = jumlah mol partikel (mol) N = jumlah partikel (partikel) R = tetapan gas ideal (8,314 J/mol.K atau 0,082 atm.L/mol.K) k = tetapan Boltzmann (1,38 x 10-23 J/K) T = suhu mutlak gas (K) k= = V C. Persamaan gas ideal adalah: T2 Proses isobarik adalah keadaan dimana tekanan selalu konstan, dan berlaku hukum Charles (Boyle Gay-Lussac) yang menghubungkan volume dengan suhu gas. 3) Gas ideal bergerak akibat tumbukan antarpartikel atau tumbukan dengan ruangannya yang lenting sempurna. B. P2 V 1) Gas ideal memiliki ukuran partikel yang sangat kecil dibanding ruangannya. 2) Gas ideal bergerak secara cepat sembarang, menurut garis lurus. = m M NA atau L = bilangan Avogadro (6,02 x 1023 partikel) m = massa benda (gram) M atau mm = massa molar (Ar atau Mr) (gram/mol) Proses isotermik adalah keadaan dimana suhu selalu konstan, dan berlaku hukum Boyle yang menghubungkan volume dengan tekanan gas. Energi kinetik rata-rata suatu partikel gas secara umum dapat dirumuskan: ̅̅̅ = Ek 1 2 mo.v̅ 2 ̅̅̅ = Ek 3 2 k.T mo = massa tiap partikel (kg) v̅ = kecepatan rata-rata (m/s2) Teori ekuipartisi energi menjelaskan bahwa energi kinetik rata-rata dipengaruhi derajat kebebasan partikel gas. ̅̅̅ = Ek 1 2 f.k.T ̅̅̅ = Ek 1 2 f. PV N Derajat kebebasan adalah kebebasan partikel gas untuk bergerak dalam ruang akibat gerak translasi (vibrasi) dan gerak rotasi. Energi kinetik ekuipartisi energi: rata-rata menurut Gas monoatomik Gas monoatomik hanya melakukan gerak translasi (vibrasi) ke tiga sumbu, sehingga f = 3. y P x P1.V1 = P2.V2 V teori ̅̅̅ = Ek 3 2 k.T z TERMODINAMIKA 1 materi78.co.nr FIS 4 Gas diatomik Usaha (W) pada gas dapat dirumuskan: Gas diatomik melakukan gerak translasi (vibrasi) ke tiga sumbu dan gerak rotasi pada sumbu y dan z, sehingga f = 5. y W = P. ΔV W = nRΔT V W = ∫V 2 P(V)dV 1 x ̅̅̅ = Ek 5 2 Usaha pada grafik hubungan P-V: k.T P W = luas raster grafik P-V z Kecepatan rata-rata atau efektif (vrms) gas ideal dapat dirumuskan: vrms =√ 3.k.T mo =√ 3.R.T M =√ 3.P V 𝛒 Perubahan energi dalam (U) dapat dirumuskan: mo = massa tiap partikel (kg) ρ = massa jenis gas (kg/m3) Energi dalam gas (U) adalah total energi kinetik seluruh partikel gas dalam suatu ruangan. 1 2 f.k.T U= 1 3 2 n.R.ΔT Makna nilai usaha dan perubahan energi dalam: 2 2) -W berarti gas menerima usaha, volume berkurang (kompresi). f.n.R.T 3) +ΔU berarti terbentuk energi dalam, suhu naik. U = energi dalam gas (J) N = jumlah partikel (partikel) Derajat kebebasan gas pada energi dalam gas dipengaruhi oleh suhu juga. 1) Gas monoatomik memiliki f = 3, tidak dipengaruhi suhu. 2) Gas diatomik dipengaruhi suhu: a. ΔU = 1) +W berarti gas melakukan usaha, volume bertambah (ekspansi). U = N. ̅̅̅ Ek U = N. ΔU = U2 – U1 4) -ΔU berarti energi dalam berubah menjadi usaha, suhu turun. Proses-proses pada gas: 1) Proses isobarik (P konstan) P Suhu rendah (0-300 K) memiliki f = 3, V1 b. Suhu sedang (300-500 K) memiliki f = 5, c. Tekanan dan suhu gas ideal berdasarkan energi kinetik rata-ratanya dapat dirumuskan: P= D. T1 Suhu tinggi (500-1000 K) memiliki f = 7. ̅̅̅ 2.N.Ek 3V T= ̅̅̅ 2.Ek T2 V Pada proses isobarik, berlaku: ΔU = U2 – U1 HUKUM TERMODINAMIKA I hukum Kalor yang diterima gas digunakan untuk mengubah energi dalam gas menjadi usaha. Persamaan hukum termodinamika I: V2 V2 P1 = P2 3k Hukum termodinamika I adalah kekekalan energi pada gas, berbunyi: V1 = W = P. ΔV Hukum termodinamika I Q = ΔU + W 2) Proses isokhorik (V konstan) P P1 Q = ΔU + W T1 Q = energi kalor (J) ΔU = perubahan energi dalam (J) W = usaha gas (J) = P2 T2 V TERMODINAMIKA 2 materi78.co.nr FIS 4 Pada proses isokhorik, berlaku: Hukum termodinamika I ΔV = 0 V1 = V2 ΔU = U2 – U1 W = –ΔU 5) Siklus (isotermik) W=0 P Hukum termodinamika I Q = ΔU 3) Proses isotermik (T konstan) V P Pada siklus gas, segala sesuatu tidak bergantung proses, tetapi bergantung pada awal dan akhir siklus. P1.V1 = P2.V2 V1 V2 V Pada proses isotermik, berlaku: ΔT = 0 ΔU = 0 W = luas raster grafik Hukum termodinamika I T1 = T2 ΔT = 0 ΔU = 0 W = nRT.ln Q=W V2 V1 E. Hukum termodinamika I HUKUM TERMODINAMIKA II Hukum termodinamika II dinyatakan oleh Clausius dan Thomas-Kevin-Planck. Q=W Kalor tidak mengalir spontan dari dingin ke panas, kecuali ada usaha dari luar. 4) Proses adiabatik (Q = 0) P P1.V1γ = P2.V2γ T1.V1γ-1 = P2.V2 γ-1 V Pada proses adiabatik, berlaku: Q=0 Tetapan Laplace adalah perbandingan kapasitas kalor gas pada P konstan dengan kapasitas kalor gas pada V konstan. γ= T1 = T2 CP Cp = kalor jenis pada P konstan (J/kg.K) CV = kalor jenis pada V konstan (J/kg.K) CV γ = tetapan Laplace (>1) Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh dan reversibel. Tidak ada mesin yang bekerja hanya dengan mengambil energi dari reservoir panas kemudian membuangnya kembali untuk menghasilkan mesin abadi. Mesin kalor/panas adalah mesin yang mengubah kalor dari suatu sumber kalor (reservoir panas) menjadi usaha dan sebagian lainnya dibuang ke lingkungan (reservoir dingin). R. PANAS Q1 MESIN PANAS 5 2 nR CV = 3 2 nR γ ≈ 1,6 Tetapan Laplace pada gas diatomik: CP = 7 2 nR CV = 5 2 Hukum termodinamika II Q1 = W + Q 2 W = Q 1 – Q2 Efisiensi mesin panas nR γ ≈ 1,4 Hubungan kapasitas kalor CP dan CV: CP – CV = nR R. DINGIN W Tetapan Laplace pada gas monoatomik: CP = Q2 W = (CP – CV)ΔT η= W Q1 x 100% η = (1 – Q2 Q1 ) x 100% η = efisiensi mesin panas (<100%) W = usaha (J) Q2 = kalor yg diterima dari reservoir panas (J) TERMODINAMIKA 3 materi78.co.nr FIS 4 Mesin panas Carnot adalah mesin panas yang efisiensinya mendekati 100% atau mesin ideal. Siklus Carnot: P Mesin dingin Carnot adalah mesin yang bekerja berkebalikan dengan mesin panas Carnot, yang koefisien performansinya besar. Q2 Q1 Q1 T1 = kP = = Q1 dan Q2 = kalor input dan output (J) T1 dan T2 = suhu tinggi dan rendah (K) T1 W = Q 1 – Q2 Koefisien performansi mesin dingin V Q1 Q1 dan Q2 = kalor keluar dan ke dalam (J) T1 dan T2 = suhu luar dan dalam (K) W + Q 2 = Q1 Q2 T2 T1 Hukum termodinamika II T2 Q2 T2 T2 Q2 T1 -T2 W = T2 T1 -T2 Hukum termodinamika II Q1 = W + Q 2 W = Q 1 – Q2 Efisiensi mesin panas η = (1 – T2 T1 ) x 100% W Q1 =1– T2 T1 Mesin dingin/pendingin (refrigerator) adalah mesin yang menggunakan usaha untuk membuang kalor dari lingkungan dalam (reservoir dingin) ke lingkungan luar (reservoir panas). R. PANAS Q1 MESIN DINGIN Q2 R. DINGIN W Hukum termodinamika II W + Q 2 = Q1 W = Q 1 – Q2 Koefisien performansi mesin dingin kP = Q2 W = Q2 Q1 -Q2 KP = koefisien performansi (>1) Q2 = kalor yg dipindahkan dari reservoir dingin (J) W = usaha (J) TERMODINAMIKA 4
