HUKUM KE - I TERMODINAMIKA

 

HUKUM KE - I TERMODINAMIKA

Kata Termodinamika merupakan asal kata dari thermos (panas) dan dynamic yang artinya gerak atau perubahan. Berati termodinamikamerupakan salah satu cabang dari ilmu fisika yang mempelajari panas dan temperatur, serta hubungan antara keduanya pada energi dan gerak. Inti pembahasan termodinamika adalah bagaimana energi dalam bentuk panas dapat mengalir dari satu benda ke benda lain, proses dari aliran energi tersebut, dan akibat yang dihasikan oleh perpindahan energi tersebut.

Bunyi Hukum Ke-I Termodinamika :

“Untuk setiap proses apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ΔU = Q – W”.

Secara matematis hukum I termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut:

 

Keterangan :
ΔU = perubahan energi dalam (joule)
Q = kalor (joule)
W = usaha (joule)

Hukum pertama termodinamika berhubungan erat dengan konsep kekekalan energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan energi juga tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat berubah bentuk menjadi bentuk energi lainnya.

Ketentuan-ketentuan yang berlaku pada hukum ke-I Termodinamika :
Q(+) → sistem menerima kalor
OR → sistem melepas kalor
W(+) → sistem melakukan usaha
W(-) → sistem dikenai usaha
∆U(+) → terjadi penambahan energi dalam
∆U(-) → terjadi penurunan energi dalam

 

 

Untuk perubahan yang sangat kecil biasanya persamaan hukum pertama termodinamika dinyatakan dalam bentuk differensial yaitu :

dU adalah diferensial fungsi energi dalam, tetapi dQ dan dW  bukan diferensial fungsi apapun. dQ menyatakan sejumlah kecil panas yang ditambahkan ke sistem atau diambil dari sistem,  dan dW adalah sejumlah kecil usaha yang dilakukan oleh sistem atau yang diberikan ke sistem.

Dari hasil pengujian didapat kesetaraan antara energi mekanik dengan energi kalor adalah

1 Joule = 0,24 calori

atau 1 calori = 4,18 Joule

1 kalori adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat Celsius. sedangkan 1 kilo kalori adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kilogram air sebesar 1 derajat Celsius.

1 Joule adalah banyaknya energi yang dibutuhkan untuk memindahkan beban seberat 1 Newton sejauh 1 meter.

Dalam satuan British kalor dinyatakan dalam satuan btu (british termal unit). 1 btu adalah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 lbm (pond) air sebesar 1 derajat Fahrenheit.

Proses-proses Termodinamika

Isobaris → tekanan tetap
Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0
Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0
Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0
Siklus → daur → ΔU = 0

Persamaan Keadaan Gas

Hukum Gay-Lussac
Tekanan tetap → V/T = Konstan → V₁/T₁ = V₂/T₂

Hukum Charles
Volume tetap → P/T = Konstan → P₁/T₁ = P₂/T₂

Hukum Boyle
Suhu tetap → PV = Konstan → P₁ x V₁ = P₂ x V₂

P, V, T Berubah (non adiabatis)
(P₁ x V₁) / (T₁) = (P₂ x V₂) / (T₂)

Adiabatis
T₁ x V₁ γ= P₂ x V₂γ
T₁ x V₁ γ − 1= T₂ x V₂γ − 1
γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = Cp/Cv

Usaha
W = P(ΔV) → Isobaris
W = 0 → Isokhoris
W = nRT ln (V₂ / V1) → Isotermis
W = − 3/2 nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik)

Keterangan :
T = suhu (Kelvin, jangan Celcius)
P = tekanan (Pa = N/m²)
V = volume (m³)
n = jumlah mol
1 liter = 10⁻³m³
1 atm = 10⁵ Pa ( atau ikuti soal!)
Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693

Mesin Carnot
η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %
η = ( W / Q1 ) x 100%
W = Q₁ − Q₂

Keterangan :
η = efisiensi mesin Carnot (%)
Tr = suhu reservoir rendah (Kelvin)
Tt = suhu reservoir tinggi (Kelvin)
W = usaha (joule)
Q₁ = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)
Q₂ = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

Contoh Soal

Jika suatu gas mempunyai volume awal 3,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 7,0 m³. Bila tekanan gas yaitu 3 atm, tentukan usaha luar gas tersebut ??
(1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa)

Pembahasan

Diketahui :
V₂ = 7,0 m³
V₁ = 3,0 m³
P = 3 atm = 3,03 x 10⁵ Pa
Isobaris → Tekanan Tetap

Ditanya W ??

Dijawab :

W = P (ΔV)
W = P(V₂ − V₁)
W = 3,03 x 10⁵ (7,0 − 3,0) = 12,12 x 10⁵ joule

 

HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA

 

HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

 

A.      Pengertian Kerja, Kalor dan Energi

Sebelum kita lebih jauh mempelajari tentang hukum-hukum termodinamika, alangkah lebih baiknya memahami beberapa istilah atau besaran fisika berikut ini :

ü  Kerja, Kalor dan Energi adalah konsep yang mendasar dalam termodinamika .

ü  Semua pengukuran kalor dan perubahan energi menghasilkan pengukuran kerja.

ü  Kerja = gaya x jarak ; kerja dilakukan selama proses untuk menghasilkan suatu perubahan

ü  Energi = kapasitas sistem untuk melakukan kerja

ü  Kalor = energi sistem yang berubah sebagai hasil perbedaan temperatur antara sistem dan temperatur lingkungan.

ü  Proses pelepasan energi sebagai kalor disebut eksoterm, dan proses penyerapan energi sebagai kalor disebut endoterm

 

B.       Hukum ke 0 termodinamika

Bunyi Hukum ke nol termodinamika adalah sebagai berikut :

” Jika 2 buah benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda yang ke 3, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu dengan lainnya” .

Untuk memudahkan dalam memahami pengertian dari hukum termodinamika ke nol ini, coba kita ilustrasikan kedalam pertnyataan berikut :

Apabila kita tinjau ada 3 buah sistem A, B dan C, bersinggungan, maka fakta eksperimentalnya adalah : “bila sistem A ada dalam kesetimbangan termal (temperatur/suhu) dengan sistem B, dan sistem B juga ada dalam kesetimbangan termal (temperatur/suhu) dengan C maka A ada dalam kesetimbangan (temperatur/suhu) dengan C”

 

Sebagai salah contoh yang dapat kita temui dalam kehidupan sehari-hari tentang fenomena yang menggambarkan hukum ke 0 termodinamika. Semua pernah merasakan mandi dengan air panas atau hangat bukan? Pada saat kita membuat air hangat untuk mandi, maka kita mencampur air panas dengan air dingin. Pada saat air panas dicampur dengan air dingin, maka kalor akan berpindah dari air panas ke air dingin. Pada proses perpindahan panas ini berlangsung beberapa saat hingga tercapai kesetimbangan termal antara air panas dengan air dingin. Pada saat tercapai kesetimbangan termal antara air panas dengan air dingin, temperatur air panas akan turun sedangkan temperatur air dingin akan naik menuju ke temperatur kesetimbangan termal dengan air panas sebelumnya.

Pada saat kita mencelupkan badan ke dalam air hangat yang sudah mencapai kesetimbangan termal, maka tubuh kita akan merasakan hangat/panasnya air. Hal ini menunjukkan bahwa ada sebagian kalor yang berpindah dari air ke tubuh kita. Peristiwa ini terjadi dikarenakan tubuh kita memiliki temperatur yang lebih rendah dibandingkan dengan campuran air hangat.  Dan setelah berendam beberapa saat, maka tubuh kita tidak akan merasa panas lagi, disebabkan karena tubuh kita telah tercapai kesetimbangan termal dengan air hangat/panas.

Kemudian, pada saat kita keluar dari bak mandi setelah berendam di air panas, maka yang terjadi pada tubuh kita akan terasa dingin. Hal ini disebebabkan karena temperatur ruangan lebih rendah dibandingkan dengan temperatur tubuh kita sebagai akibat dari sejumlah kalor dari tubuh berpindah ke udara di sekitar kita. Pada saat kalor keluar dari tubuh kita, oleh karena itu tubuh kita akan merasa lebih dingin.