termodinamika

1
termodinamika
2
Kompetensi Dasar

• Menganalisis dan menerapkan hukum termodinamika

3
Indikator

• Setelah mempelajari bab ini, siswa diharapkan
  mampu
• Menganalisis keadaan gas karena perubahan suhu,
  tekanan, dan volume.
• Menggambarkan perubahan keadaan gas dalam diagram
  P-V.
• Memformulasikan hukum I termodinamika dan
  penerapannya.
• Mengaplikasikan hukum II termodinamika pada
  masalah fisika sehari-hari.
• Memformulasikan siklus Carnot.
• Merumuskan proses reversibel dan tak reversibel.

4

• Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari
  hukum-hukum yang mengatur perubahan energi dari
  suatu bentuk ke bentuk lain, aliran dan kemampuan
  energi melakukan usaha.
• Dua istilah yang berkaitan erat dalam
  termodinamika, yaitu

5

• Sistem
• adalah sesuatu yang menjadi subyek
  pembahasan atau fokus perhatian.
• Lingkungan
• adalah segala sesuatu yang tidak termasuk
  dalam sistem atau segala keadaan di luar sistem.

6
Perhatikan gambar

• Tabung berisi gas

lingkungan
Batas sistem
sistem
gas
7
Hukum termodinamika dibagi 2 yaitu

• Hukum pertama, yaitu prinsip kekekalan energi
  yang memasukkan kalor sebagai mode perpindahan
  energi.
• Hukum kedua, yaitu bahwa aliran kalor memiliki
  arah, dengan kata lain, tidak semua proses di
  alam adalah reversibel (dapat dibalikkan arahnya)

8
Usaha, Kalor, dan Energi Dalam

• Pengertian Usaha dan Kalor.
• Usaha adalah ukuran energi yang dipindahkan dari
  sistem ke lingkungan atau sebaliknya.
• Energi mekanik sistem adalah energi yang
  dimiliki sistem akibat gerak dan koordinat
  kedudukannya.

9
Pengertian Energi Dalam

• Energi dalam adalah suatu sifat mikroskopik
  zat, sehingga tidak dapat di ukur secara
  langsung.
• Secara umum perubahan energi dalam (?U), di
  rumuskan
• ?U U2 U1

10
Formulasi usaha, kalor dan Energi dalam

• Usaha oleh sistem terhadap lingkungannya.
• Proses isobarik (tekanan konstan)

W p ?V p( V2 V1 )
V2
V1
11

• Perjanjian tanda
• Usaha bertanda positif (), jika sistem melakukan
  usaha pada lingkungan (gas memuai V2 gt V1).
• Usaha bertanda negatif (-), jika lingkungan
  melakukan usaha pada sistem ( gas memampat V2 ?
  V1 ).

12
Contoh soal 1

• Sejenis gas berada dalam wadah yang memiliki
  volum 2 m3 dan tekanan 4 atm. Hitung usaha luar
  yang dilakukan gas jika
• Gas memuai pada tekanan tetap sehingga volumnya
  mejadi dua kali semula.
• Gas dimampatkan pada tekanan tetap sehingga
  volumnya mejadi sepertiga semula.
• (1 atm 1,0 x 105N/m2)

13
Penyelesaian

• Diket
• V1 2 m3
• p 4 atm 4 x 105 N/m2
• Ditanya W, jika
• a. V2 2V1
• b. V2

14
Jawab

• W p?V
• p ( V2 V1 )
• p ( 2V1 V1)
• pV1
• ( 4 x 105 ) 2
• W 8 x 105 J

15

• W p?V
• p ( V2 V1)
• p ( 1/3 V1 V1)
• p (-2/3 )V1
• (-2/3)pV1
• (-2/3) 4 x 105 x 2
• W - 5,33 x 105 J

16
Grafik p - V

• Dari grafik diperoleh
• Usaha yg dilakuka oleh atau pada sistem gas sama
  dg luas daerah di bawah grafik p-V dg batas volum
  awal dan volum akhir.

p1
p2
Luas usaha
V1
V2
17
Contoh soal 2

• Sejumlah gas pada keadaan A berubah ke keadaan B
  (lihat gambar).
• Bagaimana cara anda menghitung usaha luar yang
  dilakukan gas ?
• Hitung usaha luar tersebut.

p (x105 N/m2)
A
5
B
2
8
36
V(x10-3 m3)
18
Penyelesaian

1. U luas trapesium
2. Usaha luar

19
Usaha dalam proses siklus

• Dari grafik diperoleh
• usaha yang dilakukan oleh (atau pada) sistem
  gas yang menjalani suatu proses siklus sama
  dengan luas daerah yang dimuat oleh siklus
  tersebut (luas daerah yg diasir)

p
Lintasan 1
A
B
Lintasan 2
V
20
Contoh soal 3

• Gas ideal diproses seperti gambar di samping.
• Berapa usaha yang dilakukan sistem per siklus ?
• Jika mesin bekerja 5 siklus per 2 sekon, berapa
  daya yang dibangkitkan sistem ?

p
(Nm-2)
C
2x105
105
A
B
V
(m3)
0,0125
0,025
21
Penyelesaian

• Usaha yg dilakukan sistem per siklus.
• W luas ?ABC
• AB x BC/2
• ( 0,0125 0,025) x (2x 105
• 1 x 105)/2
• (- 0,0125) x (1/2) x 105
• - 0,00625 x 105
• W - 6,25 x 102 J

22

• Usaha dlm 5 siklus 5 x 6,25 x 102 - 3,125 x
  103 J
• maka daya selama 2 sekon adalah

23

• Formulasi Kalor
• Q mc?T C?T
• Formulasi Energi Dalam
• Gas monoatomik

24

• Gas diatomik
• Perubahan Energi Dalam
• Gas monoatomik

25

• Gas diatomik
• Dari dua persamaan perubahan energi dalam di atas
  dapat disimpulkan
• Perubahan energi dalam ?U hanya bergantung
  pada keadaan awal dan keadaan akhir dan tidak
  bergantung pada lintasan yang ditempuh oleh
  sistem

26
Beberapa Proses Termodinamika Gas

• Proses Isobarik ( tekanan tetap )
• Usaha yang dilakukan oleh sistem terhadap
  lingkungan (V2 gt V1).
• W p ( V2 V1)

27

• W positif ( )

p
2
1
V
V1
V2
28

• Usaha yang dilakukan lingkungan terhadap sistem
  (V2 ? V1).
• W p ( V2 V1 )

29

• W negatif ( - )

p
1
2
V
V1
V2
30

• Proses Isokhorik (volum tetap )
• W 0
• Karena V2 V1

• Perhatikan gambar

p
p2
p1
V
V1 V2
31

• Proses Isotermal ( suhu tetap )
• Dari persamaan
• pV nRT
• diperoleh

32

• Sehingga usaha yang dilakukan sistem (gas)
  dirumuskan

33
(No Transcript)
34

• Perhatikan gambar

p
V
V1
V2
35
Contoh soal 4

• Suhu tiga mol suatu gas ideal 373 K. Berapa besar
  usaha yang dilakukan gas dalam pemuaian secara
  isotermal untuk mencapai empat kali volum awalnya
  ?

36
penyelesaian

• Diket
• n 3 mol
• T 373 K
• V2 4V1
• R 8,31 J/mol
• Ditanya W

37

• Jawab

38

• Proses Adiabatis
• adalah suatu proses keadaan gas di mana
  tidak ada kalor yang masuk ke dalam atau keluar
  dari sistem ( Q 0 )

39

• Perhatikan gambar

Silinder logam
Bahan pengisolasi
40
Grafik p V pada proses Adibatik
p2
kurva adiabatik
T1
p1
T2
V2
V1
41

• Contoh proses adiabatis
• Pemuaian gas dalam mesin diesel
• Pemuaian gas dalam sistem pendingin
• Langkah kompresi dalam mesin pendingin

42

• Usaha dalam proses adiabatik secara matematis di
  rumuskan

43
Contoh soal 5

• Suatu gas ideal monoatomik ? 5/3 dimampatkan
  secara adiabatik dan volumnya berkurang dengan
  faktor pengali dua. Tentukan faktor pengali
  bertambahnya tekanan.

44

• Diket
• ? 5/3
• V1 2V2 atau V2 (1/2)V1
• Ditanya p2

45

• Jawab

46
Hukum pertama termodinamika

• Perhatikan Gambar.

lingkungan
-W
W
sistem
-Q
Q
47

• Secara matematis hukum I Termodinamika,
  dirumuskan
• ?U U2-U1 Q W
• Q sistem menerima kalor
• -Q sistem mengeluarkan kalor
• W sistem melakukan usaha
• -W sistem dikenai usaha

48
Contoh soal 6

• Suatu sistem menyerap 1500 J kalor dari
  lingkungannya dan melakukan 2200 J usaha pada
  lingkungannya. Tentukan perubahan energi dalam
  sistem. Naik atau turunkah suhu sistem?

49

• Diket
• Q 1500 J
• W 2200 J
• Ditanya ?U

50

• Jawab
• ?U Q W
• 1500 2200
• - 700 J
• Karena energi dalam sistem bernilai negatif
  maka suhu sistem menurun (T2 ? T1)

51
Aplikasi Hukum Pertama pada Berbagai Proses

• Proses Isotermal
• ( suhu tetap T1 T2 )
• Karena T1 T2 maka ?U 0 sehingga
• ?U Q W
• 0 Q W atau

52
Proses Isokhorik ( volume tetap )

• Karena ?V 0, maka W 0 sehingga persamaannya
  menjadi
• ?U Q W
• ?U Q 0
• ?U Q

53
Proses Isobarik( tekanan konstan )

• Dirumuskan
• ?U Q W Q p ( V2 V1 )

54
Proses Adiabatik

• Karena Q 0 , dirumuskan
• ?U Q W
• ?U - W
• Atau
• Gas monoatomik

55
Contoh

• Sebanyak 2,4 mol gas oksigen (O2) pada 47oC
  dimampatkan melalui proses adiabatik sehingga
  suhu mutlaknya meningkat menjadi tiga kali
  semula. Berapa besar usaha yang harus diberikan
  pada gas O2? ( R 8,3 J mol-1K-1).

56
Penyelesaian

• Diket
• n 2,4 mol
• T1 47 273 320 K
• T2 3 T1
• R 8,3 J. mol-1.K-1
• Ditanya W (gas diatomik)

57

• Jawab

58
Kapasitas Kalor Gas

• Kapasitas kalor gas
• dirumuskan

59

• Kapasitas kalor pada tekanan tetap ( Cp )
• adalah kalor yg diperlukan untuk menaikkan
  suhu suatu zat satu kelvin pada tekanan tetap.
• dirumuskan

60

• Kapasitas kalor pada volume tetap ( Cv )
• adalah kalor yg diperlukan untuk menaikkan
  suhu suatu zat satu kelvin pada volume tetap.
• dirumuskan

61

• Usaha yang dilakukan pada tekanan tetap
  dirumuskan

62
Contoh

• Lima kilogram gas N2 dipanaskan pada tekanan
  tetap sehingga suhunya naik dari 10oC menjadi
  130oC. Jika Cv 0,177 kal/goC dan Cp 0,248
  kal/goC, hitung
• Kenaikan energi dalam.
• Usaha luar yang dilakukan gas.

63

• Diket
• m 5 kg
• T1 10 273 283 K
• T2 130 273 403 K
• Cv 0,177 kal/goC
• Cp 0,248 kal/goC
• Ditanya
• a. ?U
• b. W

64

• Jawab
• a. ?U Qp nR (T2 T1)
• Cp (T2-T1) nR(T2-T1)
• Cp (T2-T1) (Cp-Cv)(T2-T1)
• (Cp Cp Cv) (T2-T1)
• (Cv )(T2-T1)
• 0,177 (403 283)
• 0,177 x 120
• 21,24 kalori

65

• b. W (Cp Cv)?T
• ( 0, 248 0,177)120
• 0,071 x 120
• 8,52 kalori

66
Kapasitas Kalor Molar ( Cm )

• Adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan
  suhu satu mol zat dalam satu kelvin.
• Secara matematis dirumuskan

67

• Kapasitas molar pada tekanan tetap ( Cp,m )
• dirumskan

68

• Kapasitas kalor molar pada volume tetap ( Cv,m )
• dirumuskan

69

• Hubungan antara Cp,m dengan Cv,m.
• dirumuskan
• Cp,m Cv,m R

70
Kalor jenis gas (c)

• Dirumuskan

71

• Kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volume
  tetap.
• dirumuskan

72

• Hubungan antara cp dg cv
• dirumuskan

73
Contoh soal

• Kalor jenis nitrogen pada volume tetap Cv 0,177
  kal.g-1K-1. Jika massa molekul nitrogen adalah 28
  kg.kmol-1, tentukan kalor jenis nitrogen pada
  tekanan tetap.

74

• Diket
• cv 0,177 kal.g-1K-1
• 743,4 J/kgK
• M 28 kg.kmol-1
• R 8314 J/kmol K
• 1k 4,2 J
• Ditanya cp

75

• Jawab
• cp cv R/M
• cp R/M cv
• cp 8314/ 28 743,4
• cp 296,9 743,4
• cp 1040,3 J/kgK

76

• Nilai Cp,m Cv,m dan cv
• Gas monoatomik

77

• Tetapan Laplace
• dirumuskan