Bab 7 Termodinamika [PDF]

Citation preview

BAB 7 TERMODINAMIKA



Termodinamika adalah ilmu fisika yang mempelajari energi panas dan transformasinya, transformasi energi pada termodinamika



berlandaskan



pada



hukum



pertama



termodinamika yang merupakan pernyataan lain dari hukum kekekalan energi dan hukum kedua termodinamika yang



memberikan



berlangsung



atau



batasan tidak.



apakah



proses



Tujuan



dapat



mempelajari



termodinamika adalah untuk memahamai hukum-hukum termodinamika, siklus termodinamika sehingga dapat menerapkannya dalam kehidupan sehari-hari misalnya lemari es (kulkas), AC, motor bendin dan disel. Pada hukum termodinamika ada istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah suatu benda atau keadaan yang menjadi pusat perhatian/pembicaraan. Lingkungan adalah segala sesuatu diluar system yang dapat mempengaruhi keadaan sistem secara langsung. Apabila sistem dan lingkungan memungkinkan terjadinya pertukaran energi dan materi disebut sistem terbuka, saat terjadi pertukaran



materi saja, maka disebut sistem tertutup. Apabila tidak terjadi pertukaran materi dan energi maka system disebut sistem terisolasi.



A. USAHA DAN PROSES TERMODINAMIKA 1. Usaha Sistem pada Lingkungan Contoh usaha yang dilakukan sistem pada lingkungan adalah gas yang berada dalam ruang tertutup dilengkapi dengan piston yang dapat bergerak bebas



x



Luas penampang piston FA dan tekanan gas P, maka gas akan mendorong piston keatas dengan gaya F. Dengan demikian usaha yang dilakukan oleh gas adalah: dW = F dx = P A dx dW = P dV untuk proses V1 ke V2 maka usaha yang dilakukan oleh gas pada lingkungan adalah



v2



W   P dV v1



P



P



1



2 1



2



W



W Grafik pertama adalah usaha yang dilakukan olehV sistem V



V



1 pada Vlingkungan, grafik kedua usaha yangV2 dilakukan V2 1



lingkungan oleh system. 2. Usaha pada proses Termodinamika Usaha (W) proses termodinamika antara lain proses isothermis, isobaris, isokhoris dan adiabatic.



a. Proses Isotermis Proses isotermis adalah proses termodinamika pada saat gas berada pada suhu tetap/konstan. Usaha yang dilakukan:



PV  n R T



P



n RT V



Usaha yang dilakukan oleh system: v2



P



v1



P2



W   P dV



P1



V1



V2



V



v2



W  v1



n RT dV V



P



v2



1 dV V v1



W  n RT 



V2 V1 b. Proses Isobaris Proses isobaris adalah proses perubahan sistem pada W  n R T ln



tekanan tetap. Usaha pada proses ini :



P



v2



W   P dV v1



P1 =P2



v2



W  P  dV v1



W  P (V 2  V1 )



V1



V2



V



c. Proses Isokhoris Proses isokhoris adalah Pproses perubahan sistem pada volume tetap. Usaha pada sistem dapat dirumuskan: W  P (V 2  V1 ) Karena V1 = V2, maka P W=0 P1



d. Proses Adiabatis



P2



V V1 = V2



P



Proses adiabatic adalah proses perubahan keadaan tanpa



ada



pertukaran



kalor



antara



sistem



dan



lingkungan. 



P1 V1  P2 V2



T1 V1



(  1)



Dengan







 T2 V2



(   1)



 > 1 yang merupakan perbandingan



kapasitas kalor gas pada tekanan konstan C P dengan kapasitas kalor pada volume tetap CV. yang disebut juga tetapan Laplace. C  P CV Karena sistem tidak melepas/menyerap kalor maka usaha yang dilakukan hanya untuk mengubah energi dalam W 



1 ( P1V1  P2V2 )  1



W



3 n R (T1  T2 ) 2



P P2



Contoh Soal: P1 V Sebuah tabung tertutup dengan volume 600 liter berisi gas V1



V2



bertekanan 6 atm, hitunglah besarnya usaha yang dilakukan oleh gas, jika:



P



a. gas dimampatkan pada tekanan tetap, sehingga volumenya 3 kali semula b. gas dimampatkan pada tekanan tetap sehingga volumenya menjadi ½ kali semula Diketahui: V1 = 600 liter = 600 x 10 -3 m3 P = 6 atm = 6 x 10 5 Pa Proses isobaris Ditanya: a. W, jika V2 = 3 V1 = 3 x 600x 10-3 = 1800 x 10-3 m3 W  P (V 2  V1 ) = 6 x 105 (1800 x 10-3 - 600 x 10 -3 ) = 6 x 105 ( 1200 x 10-3 ) = 720 000 J = 720 KJ (melepas kalor) b. W, jika V2 = ½ V1 = ½ x 600x 10-3 = 0,3 m3 W  P (V 2  V1 ) = 6 x 105 (300 x 10-3 - 600 x 10 -3 ) = 6 x 105 ( -300 x 10-3 ) = -180 KJ (menerima kalor)



1.



SOAL LATIHAN Gas dengan volume 0,5 m3 perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap hingga volumenya 2 m3, jika usaha luar gas itu adalah 3 x 10 5 Joule, tentukan tekanan pada keadaan tersebut.



2.



Gas ideal bervolume 3 liter pada suhu 27 0C, gas ini dipanaskan pada tekanan tetap 2 atm, hingga suhunya



3.



227 0 C, maka tentukan usaha yang dilakukan gas Hitunglah kelajuan rms molekul-molekul hydrogen pada suhu 270 C jika massa jenis hydrogen adalah 0,09



4.



kg/m3 dan tekanan 1 atm. Sejumlah massa gas didinginkan sehingga volumenya berkurang dari 4 liter menjadi 2,5 liter pada tekanan 1



5.



x 10 5 Pa. Hitunglah usaha luar yang dilakukan oleh gas. Hitunglah usaha yang



dihasilkan



dari



grafik



disamping.



P (x 10 5 N/m2) A



6 2



6.



Diagram



D



samping



menunjukkan perubahan



suatu



keadaan



P (x 10



gas. Hitunglah usaha yang dilakukan pada



1



ini:



a. a-b b. b-c



C



2



1,8



tiap siklus dibawah



B



V (cm3)



10



5N



2



/m ) b



a 4



c 10



V (m3)



c. a-b-c d. a-c B. Hukum I Termodinamika Kalor Q yang diberikan pada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam (U), pernyataan ini disebut Hukum I Termodinamika. U  Q  W



Dimana:



= perubahan energi dalam (J) Q = Energi Kalor (J) W = Usaha Luar (J) Untuk memahami ditentukan perjanjian tanda untuk Q U



dan W sebagai berikut:  W bertanda + jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan  W bertanda – jika sistem menerima usaha dari lingkungan  Q bertanda + jika sistem menerima kalor dari lingkungan  Q bertanda – jika sistem melepas kalor pada lingkungan lingkungan Q>0



Q 0



Perubahan energi dalam hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. Perubahan energi dalam adalah perubahan suhu mutlaknya. Pada gas monoatomik (derajat kebebasan f = 3) U U 2 U1



3 n R T 2 3  N k T 2 3   PV 2 



2. Aplikasi Hukum I Termodinamika Penerapan hukum I Termodinamika pada proses isotermis, isobaris, isokhoris dan adiabatic. a.Proses Isotermis Proses ini terjadi pada suhu konstan sehingga tidak ada perubahan suhu mutlak, atau  T = 0, maka: V 3 U  Q  W n R  T  Q  n R T ln 2 2 V1



0  Q  n R T ln



V2 V1



b. Proses Isobaris V2 Pada proses tidak perubahan tekanan Q  nini RT ln terjadi V1 sehingga  P = 0, maka U  Q  W



3 P  V  Q  P V 2



3 P  V  P V 2 5 Q  P V 2 Q 



c. Proses Isokhoris Pada proses ini



system



tidak



mengalami



perubahan volume, sehingga  V = 0, karena W pada proses ini adalah 0, maka U  Q  W



3 n R T Q  0 2 3 Q  n R T 2



d. Proses Adiabatis Proses adiabatic



adalah



proses



yang



tidak



memerlukan kalor, sehingga Q = 0, oleh karena itu besarnya penerapan hukum termodinamika I menghasilkan: U  Q  W U  0  W



W   U 3 W   n R T 2



Contoh Soal Suatu gas berada dalam tekanan konstan sebesar 8 x 10 4 Pa, dimampatkan dari volume 9 liter menjadi 2 liter. Dalam proses tersebut gas melepas kalor sebesar 400 J, tentukan: a. Usaha yang dilakukan oleh gas b. Perubahan energi dalam Diketahui: P = 8 x 104 Pa



V1= 9 liter = 9 x 10-3 m3 V2 = 2 liter = 2 x 10-3 m3 Q = - 400 J (melepas)



Ditanya: a. W …? b.  U … ? Jawab: a. W = P  V = 8 x 104 (2 x 10-3 - 9 x 10-3) = 8 x 104 ( - 7 x 10-3) = -560 J b.  U = Q - W = -400 - (-560) = 160 J Soal Latihan 1. Satu gram air bervolume 1 cm3 membentuk 1671 cm3 uap air selama penguapan pada suhu 100 0 C, dengan tekanan udara luar 1 x 105 Pa, jika kalor laten uap 2 x



2.



106 J/kg tentukan: a. Usaha luar b. Kenaikan energi dalam 200 J usaha dilakukan gas pada suatu system dan 70 kalori dikeluarkan dari system, tentukan: a. Usaha luar yang diberikan b. Kalor yang keluar dari system c. Perubahan energi dalam



3.



0,1 mol udara dalam volume 2 liter pada suhu 270 C dan tekanan 1 atm. Udara dipanaskan dengan tekanan tetap



4.



hingga suhu 87 0 C, tentukan: a. Usaha luar yang dilakukan udara b. Perubahan energi dalam c. Kalor yang diberika Dalam sebuah tangki tertutup terdapat 0,0 12 mol gas monoatomik dengan suhu 270C berapa kalor yang



5.



diberikan agar suhu naik menjadi 127 0C. Gas memuai dari 7 liter menjadi 8,2 liter pada tekanan 2,5



Bar,



selama



500



J



ditambahkan,



tentukan



perubahan energi dalam gas. C. Siklus Termodinamika Pada aplikasi hukum I termodinamika untuk proses isotermis, seluruh kalor yang diberikan pada sistem dapat diubah menjadi usaha yang besarnya W  n R T ln



V2 , V1



pernyataan ini menunjukkan bahwa untuk melakukan usaha, perlu proses yang berulang-ulang dan terus menerus samapi volume V2 mencapai nilai maksimal. Agar dapat mengubah kalor menjadi usaha lagi maka sistem harus dikembalikan



ke



keadaan



semula,



rangkaian



yang



mengubah keadaan akhir menjadi keadaan semula disebut siklus. Pada siklus termodinamika seperti disamping,



pada



grafik



melibatkan



P A



P2



proses isotermis, isobaris,



B



dan isokhoris. P1 V Sistem menjalani proses secara isotermis dariVkeadaan A V C



1



2



sampai B kemudian menjalani proses isobaris dari keadaan B ke keadaan C, akhirnya keadaan isokhoris menyebabkan sistem kembali pada keadaan semula, proses dari keadaan A kembali ke A lagi disebut satu siklus. Usaha yang dilakukan sistemP dalam satu siklus sama dengan luas dibawah grafik. Usaha bernilai positif jika arah proses dalam siklus searah dengan putaran jarum jam, sedangkan proses bernilai negative jika siklus berlawanan dengan putaran jarum jam.



D. Siklus Carnot Pada tahun 1824 seorang insinyur berkebangsaan Prancis Sadi Carnot memperkenalkan metode untuk meningkatkan efisiensi mesin yang bekerja berdasarkan siklus termodinamika, yang selanjutnya disebut



siklus



Carnot. Siklus ini terdiri dari empat proses yaitu 2 proses isotermis dan 2 proses adiabatic seperti gambar dibawah ini.



https://www.google.co.id/search?q=gambar+siklus+carno, 31 januari 2018, 09.23



1.



Proses AB adalah proses pemuaian isotermis pada suhu T1 dalam proses ini system menyerap kalor sebesar Q 1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha sebesar WAB.



2.



Proses BC adalah proses pemuaian adiabatic, selama proses ini suhu istem turun dari T 1 menjadi T2 sambil



3.



melakukan usaha WBC. Proses CD adalah pemampatan isothermal pada suhu T2 dalam proses ini system menerima usaha W CD dan



4.



melapas kalor Q2 ke reservoirbersuhu rendah T2 Proses DA adalah pemampatan adiabatic, selama proses ini suhu system naik dari T2 menjadi T1 hal ini terjadi karena system menerima usaha sebesar WDA Siklus Carnot adalah model mesin ideal yaitu mesin



yang memiliki efisiensi tertinggi. Usaha total yang dilakukan oleh system untuk satu siklus sama dengan luas daerah didalam siklus. Pada proses siklus Carnot system menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2, maka usaha yang dilakukan oleh system menurut hokum I Termodinamika adalah:



U  Q  W



Q  U W Q1  Q2  0  W W  Q1  Q2



EFISIENSI MESIN CARNOT ( )



Yaitu perbandingan antara usaha yang dihasilkan dengan usaha yang diberikan pada sistem. Besarnya efisiensi mesin Carnot dapat dirumuskan sebagai berikut:  



W Q1



 



Q1  Q2 Q1



 1



Q2 Q1



Pada siklus Carnot berlaku: Q2 T  2 Q1 T1 Sehingga besarnya efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebagai berikut: T   1 2 T1 Dimana:  = efisiensi (%) Q1 = Kalor yang masuk/diserap (J) Q2 = Kalor yang keluar/dilepas (J) T1 = Suhu tinggi (K) T2 = Suhu rendah (K) Contoh soal Sebuah mesin carnot yang menggunakan suhu reservoir tinggi sebesar 7270 C, mempunyai efisiensi sebesar 30%, berapakah suhu reservoir rendahnya? Diketahui: T1 = 727 0 C = 727 + 273 = 1000 K



Ditanya:T2 …? Jawab:



 = 30 %



  1 30%  1 



T2 T1T



2



1000 30 T2  1 100 1000 T  2   0,7T2 01000 ,3  1  1000 T2  0,7 x 1000 T2  1 427 0 C Soal Latihan T2 1000  700  K 0,3 atau 1. Dalam siklus mesin carnot suhu reservoir adalah 127



0



C dan suhu kondensor adalah 27 0 C, kalor yang diambil



2.



dari mesin per siklus adalah 60 J, hitung: a. Kalor yang dibuang b. Usaha yang dilakukan c. Efisiensi mesin Tentukan efisiensi mesin kalor yang bekerja antara



3.



suhu 0 0 C sampai 100 0 C. Efisiensi mesin carnot adalah ¼ . jika reservoir suhu rendahnya dikurangi menjadi 60 0C efisiensi mesin menjadi ½ , hitunglah suhu reservoir tinggi dan



4.



rendahnya. Q1



Sebuah mesin Carnot memiliki spesifikasi



T1 W = 4800 J



T2 Q2 = 3200 J



seperti



gambar



disamping. Tentukan efisiensi dari mesin tersebut. 5.



Sebuah mesin carnot memiliki efisiensi 60 %, ketika suhu rendahnya 27 0 C, berapa kenaikan suhu reservoir tinggi agar efisiensinya menjadi 80 %



E. HUKUM II TERMODINAMIKA Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi yang dapat terjadi dan tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dapat dilakukan dengan berbagai cara antara lain: 1. Hukum II Termodinamika dalam pernyataan aliran kalor Kalor mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya 2. Hukum II Termodinamika dalam pernyataan mesin Kalor. Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar 3. Hukum II Termodinamika dalam pernyataan entropi



Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan bertambah ketika proses irreversible terjadi Pengertian Entropi Entropi menyatakan ukuran ketidak teraturan suatu sistem, suatu sistem yang memiliki tingkat entropi tinggi berarti system tersebut makin tidak teratur. Besarnya entropi hanya tergantung keadaan awal dan keadaan akhir sistem, proses reversible tidak dapat mempengaruhi/mengubah entropi semesta tetapi proses irreversible selalu menaikkan entropi semesta. Mesin Pendingin Mesin pendingin merupakan peralatan yang bekerja berdasarkan aliran kalor dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada system. Contohnya kulkas dan AC. Kemampuan mesin pendingin untuk mengubah dari panas ke dingin/ sebaliknya disebut koefisien performansi (kp). koefisien performansi mesin pendingin berkisar antara 2 samapi 6, semakin besar nilai koefisien performansinya semakin baik kualitas mesin tersebut untukmendinginkan. Besarnya koefisien performansi sebuah mesin pendingin dapat ditentukan dengan rumus:



Q2 W Q2  Q1  Q2



kP  kP



kp 



T2 T1  T2



Dimana: Kp = koefisien performansi



Contoh Soal Suhu dalam sebuah kulkas -3



0



C, fluida kerja yang



dimampatkan didalamnya menngembun 270 C, berapakah besarnya koefisien daya guna kulkas tersebut. Diketahui: T2 = -3 0 C = 270 K T1 = 27 0 C + 273 = 300 K Ditanya: KP ….? T2 kp  Jawab: T1  T2 kp 



270 300  270



270 30  9 



Soal Latihan 6. Koefisien performansi sebuah kulkas adalah 4,5, berapa banyak



energi



listrik



yang



digunakan



untuk



memindahkan 3600 Joule kalor dari makanan yang terdapat di kulkas? 7. Berapa besar koefisien performansi sebuah mesin pendingin yang bekerja antara suhu -3 0 C dan 27 0 C. 8. Sebuah mesin pendingin mengambil kalor sebesar Q 2 diambil dari sebuah ruang pendingin yang mengandung sejumlah air pada suhu 0



0



C dan kalor Q1 dibuang



keudara sekitarnya pada 15 0 Cjika koefisien performansi mesin pendingin 20 %, hitung: a. Usaha yang dilakukan mesin pendingin b. Berapa waktu yang diperlukan untuk membuat 1 kg es jika daya motor pendingin yang digunakan 50 W



SOAL 1. Diagram PV berikut menunjukkan suatu gas yang mengalami proses siklus ABCDA hitung usaha yang terjadi pada : a. Proses AB b. Proses BC c. Proses CD d. Proses DA e. Siklus ABCDA



P (Pa) 2 x 105 Pa



1 x 105 Pa



A



D 3



B



C 8



V (cm3)



P



2. Hitung perubahan energi dalam pada suatu proses adiabatic jika: a. system melakukan usaha sebesar 20 J b. system menerima usaha sebesar 50 J 3. Suhu 560 gram gas N2 dinaikkan dari 300 C menjadi 100 0 C melalui suatu proses isokhoris, jika konstanta gas umum R = 8,31 J/mol K a. perubahan energi dalam b. Usaha yang dilakukan oleh gas 4. Hitunglah usaha yang dilakukan oleh suatu gas agar volumenya bertambah dari 1 liter menjadi 5 liter pada tekanan tetap 5 atm. 5. Dua mol gas memuai secara isotermis dari volume 10 cm3 menjadi 40cm3 pada suhu 27



0



C tentukan usaha



yang dilakukan oleh gas tersebut. 6. Gas diatomic pada suhu 128 0 C dan tekanan 2 atm memiliki volume 4 liter kemudian gas mengalami proses isobaris sehingga volumenya menjadi 8 liter, setelah itu gas mengalami proses isokhoris sehingga tekanannya menjadi 1,2 Pa. a. buatlah diagram PV b. hitung perubahan energi dalam gas c. tentukan usaha total yang dilakukan gas 7. 20 gr gas SO2 dipanaskan dari suhu 20 0 C sampai 90 0 C pada tekanan tetap jika Cp = 40 J/mol K dan Cv = 30 J/mol K, hitung:



a. perubahan energi dalam b. usaha yang dilakukan system 8. Gas helium mengalami pemampatan secara adiabatic hingga suhunya naik dari 20



0



C menjadi 270



0



volumenya 1 liter dan tekanan 1 atm,tentukan: a. volume gas sekarang b. tekanan gas sekarang 9. Hitunglah besarnya usaha dilakukan



P (Pa)



dalam



A



6 x 103 4 x 103



1 x 103



10.



B



D



oleh



proses



C, jika



yang gas siklus



ABCDA seperti pada gambar berikut:



C



Sebuah mesin gas ideal bekerja V (cm3)



dalam siklus 22720 C dan 127 4 0 C dan menyerap kalor sebesar 50 kkal pada suhu reservoir panas. Jika 1 kal = 4,2 J berapakah besarnya efisiensi mesin carnot tersebut. 11. Mesin carnot menggunakan suhu reservoir tinggi 800 K memiliki efisiensi 50 %, agar efisiensinya menjadi 80 %, berapa besar suhu reservoir tinggi harus diubah. 12. Suhu dalam suatu ruangan ber AC -230 C dan suhu diluar ruangan 27 0 C, jika setiap jam



dapat dikeluarkan kalor sebesar 68000 J, hitunglah besarnya daya guna AC tersebut. 13. Sebuah lemari



es



mempunyai



koefisien performansi 7, tentukan besarnya suhu rendah yang dicapai jika suhu diluar adalah 300 C. 14. Sebuah pompa kalor digunakan untuk memanasi rumah kaca, dimana kalor diambil dari aliran kalor disekitar rumah kaca dengan laju 20 kW, suhu maksimum rumah kaca 300 K, jika beda suhu maksimum dengan aliran kalor adalah 40 K, dianggap sebagai suatu siklus carnot, maka hitunglah daya maksimum yang diperlukan. 15. G rafik P – Vdari sebuah mesin carnot terlihat



P



pada gambar berikut. Jika mesin menyerap



Q1



A



B T = 500 K 1



kalor 600 J, maka berapakah yang system.



W



usaha dilakukan



D



Q2



C T2= 300 K



V