B. Hukum I Termodinamika

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
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:
QV
CV 
T

Kalor jenis gas pada proses tekanan tetap (CP)
dirumuskan
QP
CP 
T

Apabila selama menerima kalor, gas menga lami proses
isokorik (∆W = 0) maka menurut hukum I
termodinamika berlaku
∆Q =∆U
∆U = CV ∆T
U
CV 
T

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:
CP

CV

Nilai tetapan Laplace ini berbeda-beda,
bergantung pada jenis dan keadaan gas.
1. Gas Monoatomik
Besar energi dalam gas monoatomik adalah
3
U  nRT
2
Besarnya kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas
monoatomik adalah:
3
nRT
3
2
CP 
 nR
T
2

Besar kapasitas kalor pada tekanan tetap
untuk gas monoatomik yaitu:
5
CP  nR
2

Besarnya tetapan Laplace untuk gas
monoatomik adalah
CP

 1, 67
CV
2. Gas Diatomik
a. Pada Suhu Rendah (T < 100 K)
Kapasitas kalor pada volume tetap:
3
CV  nR
2
Kapasitas kalor pada tekanan tetap:
5
CP  nR
2
Molekul gas diatomik
pada suhu rendah,
bertranslasi
b. Pada Suhu Sedang (100 K < T < 5.000 K)
Besarnya kapasitas kalor pada volume tetap untuk
gas ini, yaitu:
5
CV  nR
2
Besarnya kapasitas kalor pada tekanan
tetapnya adalah
7
CP  nR
2
Besarnya tetapan Laplace untuk gas
diatomik pada suhu sedang adalah
CP

 1, 4
CV
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
7
CV  nR
2
Besar kapasitas kalor pada tekanan
tetap untuk gas tersebut adalah
9
CP  nR
2
Besarnya tetapan Laplace gas
diatomik pada suhu tinggi adalah
CP

 1,28
CV
Molekul gas diatomik
pada suhu tinggi,
berotasi, bertranslasi,
dan bervibrasi
3. Energi Dalam Gas
Energi dalam adalah energi yang dimiliki benda karena
aktivitas antarmolekulmolekulnya.
Besarnya perubahan energi dalam adalah:
∆U = U2 – U1
Keterangan:
∆U = perubahan energi dalam (J)
U1 = energi dalam keadaan awal (J)
U2 = energi dalam keadaan akhir (J)
Energi dalam untuk gas monoatomik adalah
3
U  NkT
2
3
U  nRT
2
Sedangkan energi dalam untuk gas diatomik
5
5
U  NkT  nRT
2
2
Perubahan energi dalamnya untuk gas monoatomik:
3
3
U  NkT  Nk T2  T1 
2
2
3
3
U  nRT  nR T2  T1 
2
2
Sedangkan perubahan energi dalam untuk gas diatomik:
5
5
U  NkT  Nk T2  T1 
2
2
5
5
U  nRT  nR T2  T1 
2
2
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 berlangsung pada tekanan tetap.
V1
V2

T1 T2
Proses isobarik
Gas melakukan usaha sebesar:
W  P V2  V1 
Grafik tekanan P terhadap volume V
2. Proses Isokorik
Proses isokorik adalah proses gas dalam ruang
tertutup yang berlangsung pada volume tetap.
P1
P2

T1 T2
Dirumuskan: V1= V2 = V
W = P(V2 – V1)
Grafik pada proses isokorik
W = P(V – V) = 0
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.
PV
1 1  P2V2
P1 V2

P1 V2
Besarnya usaha adalah
 V2 
W  nRT ln  
 V1 
 V2 
W  2,3nRT log  
 V1 
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.
1
1
TV

T
V
1 1
2 2


PV

P
V
1 1
2 2
Usaha Gas pada Proses Adiabatik
W  nCV T1  T2 
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.
Siklus ABCA
Proses itu membentuk satu 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!
a. 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
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.
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.
Skema mesin kalor. Mesin
menerima kalor Q1 untuk
melakukan usaha W, sisa
kalor Q2 dilepas.
2. Efesiensi Mesin Kalor
Keterangan:
ή = efisiensi mesin Carnot (%)
W = usaha (J)
Q1 = kalor yang diserap (J)
W

 100%
Q1

Q2 
  1 
  100%
Q1 

Keterangan:
Q1 = kalor yang diserap (J)
Q2 = kalor yang dilepas (J)
Sehingga efisiensi mesin Carnot
dapat dinyatakan:
Keterangan:

T2 
  1 
  100%
T1 

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:
Q2
K
W
T2
K
T1  T2
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
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.



Efisiensi  1 




1

 100%
 1 
 V1  
  
 V2  
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
Siklus 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.
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%.