Materi Termodinamika Kelas XI [PDF]

Citation preview

Termodinamika 1. Usaha Luar Volume gas berubah, maka gas melakukan usaha luar. Usaha luar dinyatakan oleh persamaan 9.1 V2



W =∫ p dV .........(9.1) V1



Usaha luar pada proses isobarik dinyatakan oleh persamaan 9.2.



W =p ( V 2−V 1 )= p . ∆ V .........(9.2) Usaha yang dilakukan oleh gas ditunjukkan oleh luas arsiran di bawah grafik.



4. Proses Isobarik Proses isobarik merupakan proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap. Usaha luar dirumuskan oleh persamaan 9.5. W =p ( V 2−V 1 )= p . ∆ V .........(9.5) 5. Proses Adiabatik Proses adaiabatik merupakan proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor yang masuk maupun keluar dalam sistem. Proses Adiabatik dinyatakan dalam persamaan 9.6 dan 9.7. γ γ PV γ =k atau P1 V 1 =P2 V 2 .........(9.6)



T 1 V 1(γ −1)=T 2 V 2(γ−1) .........(9.7)



P 1



Dengan konstanta Laplace



2



3 W = nR ( T 1−T 2 ) ..........(9.8) 2



V Keterangan: Proses ke kanan 1-2 Proses ke kiri 3-4



: :



Proses ke atas atau bawah 2-3 atau 4-1



:



W (+) W (-) W (0)



2. Proses Isotermal Proses isotermal merupakan proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Usaha luar proses isotermal ditunjukkan oleh luas arsiran di bawah grafik p-V. Usaha luar dirumuskan oleh persamaan 9.3.



W =nRT ln dengan



Cp Cp , dan >1. Cv Cv



Usaha pada proses adiabatik hanya mengubah energi dalam yang dinyatakan oleh persamaan 9.8.



3



4



γ=



V2 .........(9.3) V1



W n R



: : :



Usaha luar (J) Jumlah mol gas (mol) Tetapan umum gas (8,31 Jmol-1K-1)



T V1 V2



: : :



Suhu mutlak (K) Volume awal (m3) Volume akhir (m3)



3. Proses Isokhorik Proses isokhorik merupakan proses perubahan keadaan gas pada volume tetap. Usaha luar dirumuskan oleh persamaan 9.4. V2



W =∫ p dV =0 .........(9.4) V1



Berdasarkan persamaan 9.4 pada proses isokhorik gas tidak melakukan usaha luar.



6. Energi Dalam Energi dalam merupakan jumlah energi kinetik dan energi potensial yang berhubungan dengan atom-atom atau molekul-molekul. Energi dalam merupakan fungsi keadaan sistem. Energi dalam merupakan sifat mikroskopok zat yang tidak dapat diukur secara langsung. 7. Perubahan Energi Dalam Perubahan energi dalam dirumuskan persamaan 9.9; 9.10; 9.11; dan 9.12.



oleh



Untuk gas monoatomik



3 ∆ u= nR(T 2−T 1) .........(9.9) 2 3 ∆ u= ( p 2 v 2 −p 1 v1 ) ......... 2 (9.10) Untuk gas diatomik



5 ∆ u= nR(T 2−T 1) ......... 2 (9.11)



5 ∆ u= ( p2 v 2 −p 1 v1 ) ......... 2 (9.12) 8. Hukum I Termodinamika Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi itu kekal atau bisa disebut juga energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Jumlah energi kalor Q diserap oleh gas sama dengan usaha luar



W dengan pertambahan ∆u. Perubahan energi dalam dinyatakan dalam persamaan 9.13 dan 9.14. Q = W + ∆u.........(9.13) atau ∆u = Q – W......... (9.14) Keterangan: Q (+) : Sistem menyerap kalor dari lingkungan Q (-) : Sistem mengeluarkan kalor ke lingkungan W (+) : Usaha dilakukan sistem W (-) : Usaha dilakukan pada sistem Latihan Soal



V 1=3 l=3 × 10−3 m3 V 2=7 l=7× 10−3 m 3



Qp .........(9.) ∆T



Hubungan C p dan C V dinyatakan oleh persamaan Meyer seperti pada persamaan 9 berikut:



Nilai C V ,C V , m , dan c V gas monoatomik



3 5 C V = nR dan C p= nR 2 2



3 5 C V ,m = R dan C p ,m = R 2 2 cV =



= 1 x 105 Pa



3 R 3 R dan c p= 2M 2M



Nilai C V ,C V , m , dan c V gas diatomik



W =p ( V 2−V 1 ) W =1× 10 ( 7 × 10 −3× 10 )



5 7 C V = nR dan C p= nR 2 2



Hukum I Termodinamika Proses Isotermal Pada hukum I Termodinamika proses isotermal berlaku persamaan 9.15.



5 7 C V ,m = R dan C p ,m = R 2 2



Q=W =nRTln



cV =



−3



−3



V2 .........(9.15) V1



10. Hukum I Termodinamika Proses Isokhorik Pada hukum I Termodinamika proses isokhorik berlaku persamaan 9.16 dan 9.17. ∆ u=QV .........(9.16) Q V =CV ∆T .........(9.17)



C V : merupakan kapasitas kalor pada volume



tetap 11. Hukum I Termodinamika Proses Isobarik Pada hukum I Termodinamika proses isobarik berlaku persamaan 9.18. W =QP −QV .........(9.18) 12. Hukum I Termodinamika Proses Adiabatik Pada hukum I Termodinamika proses adiabatik berlaku persamaan 9.19.



W=



1 ( P V −P2 V 2 ) γ −1 1 1



13. Kapasitas Kalor Kapasitas kalor merupakan banyaknya energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas sebesar 10C. Kapasitas kalor dinyatakan oleh persamaan 9.



C=



Q .........(9.) ∆T



5 R 5 R dan c p= 2M 2M



Hasil bagi antara kapasitas kalor gas pada tekanan tetap dengan kapasias kalor gas pada volume tetap disebut tetapan Laplace, yang dinyatakan oleh persamaan 9.



γ=



Cp .........(9.) CV



14. Mesin Carnot Berikut ini merupakan skema mesin Carnot: Reservoir suhu tinggi T1 Q1



Mesi n kalor



Q2



W = Q1 Q2



5



9.



C p=



C p−C V =nR .........(9)



1. Gas dengan volume 3 liter dipanaskan hingga volumenya bertambah menjadi 7 liter. Pada tekanan konstan 1 x 105 Pa, berapakah usaha luar yang dilakukan gas? Jawab: Usaha luar pada proses isobarik dapat diselesaikan dengan persamaan 9.5.



p



Kapasitas kalor ada dua, yakni kapasitas kalor pada tekanan tetap C p dan kapasitas kalor pada volume tetap C V . Persamaan kapasitas kalor pada tekanan tetap dinyatakan oleh persamaan 9.



Reservoir suhu rendah T2 Kerja pada mesin Carnot dinyatakan oleh persamaan 9.



W =Q 1−Q 2 .........(9.)



1 , 6× 105 N m −2 c. 1,3 ×105 N m−2 d. 1,0 ×105 N m−2 e. 0,3 ×105 N m−2 b.



Q 1 : Kalor yang diberikan pada gas oleh reservoir bersuhu tinggi



Q 2 : Kalor yang dilepas oleh gas pada reservoir bersuhu rendah



Efisiensi mesin persamaan 9.



ƞ=



Carnot



dirumuskan



Q2 T2 W Q 1−Q 2 = =1− =1− Q1 Q1 Q1 T1



3. oleh .........



(9.) 15. Hukum II Termodinamika Hukum II Termodinamika tentang pernyataan aliran kalor menyatakan bahwa kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Hukum II Termodinamika tentang enteropi menyatakan bahwa enteropi jagad raya tidak berubah ketika proses reversibel terjadi ( ∆ S jagad raya=0) dan bertambah ketika proses irreversibel terjadi (∆ S jagad raya >0 ). Hukum II Termodinamika tentang mesin kalor menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin kalor bekerja dalam suatu siklus sematamata menyerap kalor dari reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha. 16. Mesin Pendingin Prinsip mesin pendingin berlawanan dengan mesin kalor. Pada mesin pendingin berlaku hukum kekekalan energi seperti pada persamaan 9. W =Q 1−Q 2 .........(9.) Koefisien performasi merupakan ukuran penampilan sebuah mesin pendingin yang dinyatakan oleh persamaan 9.



C p=



2.



5.



6.



7.



Q2 Q2 T2 = = W Q 1−Q 2 T 1−T 2



Ulangan Harian A. 1.



4.



Pilihan Ganda Gas dengan massa tetap ditekan pada suhu tetap, maka .... a. Lebih sering menumbuk dinding tempat gas b. Bergerak lebih lambat c. Bergerak lebih cepat d. Energi kinetik menjadi besar e. Momentum menjadi besar Gas dengan volume 0,7 m3 dipanaskan hingga volumenya menjadi 3 m3. Jika usaha luar gas sebesar 3 x 105 joule, tekanan pada gas sebesar.... a. 1,9 ×105 N m−2



Energi dalam gas ideal adalah.... a. Fungsi volume b. Fungsi tekanan c. Fungsi suhu d. Fungsi lintasan e. Fungsi tekanan, volume, dan suhu Suhu rendah mesin Carnot sebesar ½T Kelvin. Suhu tingginya T Kelvin. Efisiensi mesin Carnot sebesar.... a. 50 % b. 40% c. 30% d. 20% e. 10% Volume gas neon 2 m3 bersuhu 550C dipanaskan isobarik sampai 970C. Tekanan gas neon sebesar 3 x 105 N/m2. Berapakah usaha yang dilakukan gas neon? a. 7,6 x 104 joule b. 7,6 x 103 joule c. 7,6 x 102 joule d. 7,6 x 101 joule e. 7,6 x 100 joule Mesin Carnot bekerja antara suhu 800 K dan 400 K, menerima masukan kalor 2000 J. Usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus adalah.... a. 400 J b. 500 J c. 800 J d. 1000 J e. 1500 J Usaha yang dilakukan gas ideal pada proses isokhorik adalah.... a. 0 b. p ( V 2−V 1 )



p ( V 1−V 2 ) d. p V 2 e. p V 1 c.



8.



9.



Koefisien performasi mesin pendingin bernilai 5. Jika suhu di luar ruangan adalah 305 K. Tandon suhu rendah adalah.... a. 254,16K b. 255,16K c. 256,16K d. 257,16K e. 258,16K Hukum I termodinamika menyatakan bahwa.... a. Suhu adalah tetap b. Energi itu kekal c. Kalor tidak dapat masuk ke dalam dan ke luar sistem d. Enerfi dalam adalah kekal



e. Sistem tidak mendapat usaha luar 10. Mesin Carnot mengambil 1000 kkal dari reservoir 6270C dan mengeluarkannya pada reservoir 270C. Kalor yang dikeluarkan pada reservoir 270C adalah.... a. 43,1 kkal b. 333,3 kkal c. 600 kkal d. 666,7 kkal e. 956,9 kkal B. 1.



2.



3. 4. 5.



Uraian Gas ideal sebanyak dua mol bersuhu 300 K dan tekanan 2 atm. Bila gas mengalami proses isotermik hingga tekanannya menjadi 1 atm. Tentukan usaha luar gas! Usaha 2000J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan 0,5 mol gas ideal menjadi bersuhu dua kali semula. Tentukan suhu awal gas! Tentukan perubahan energi jika gas memuai dari 1 liter menjadi 2 liter pada tekanan 1 atm dan selama pemuaian 200 J kalor ditambahkan! Mesin Carnot menyerap kalor 700 kkal dari reservoir bersuhu 700 K dan mengeluarkannya pada reservoir 300K. Tentukan efisiensi mesin! Performansi sebuah kulkas bernilai 6. Jika suhu di luar ruangan 300K, tentukan suhu paling rendah kulkas tersebut!



1 1− T 2 = 50% Ƞ= T 5.



6.



2.



Pilihan Ganda Gas dengan massa tetap ditekan pada suhu tetap akan lebih sering menumbuk dinding tempat gas. Tekanan gas pada proses isobarik dapat diselesaikan dengan persamaan 9.5.



V 1=0,7 m3 V 2=3 m3



P1 V 1 ( T 2−T 1 ) T1



W=



3 ×10 5 ∙ 2 ( 370−328 ) = 7,6 x 104 joule 328



Q1=1000 J T 1=800 K T 2=400 K



2000 800 = Q2 400 Q2=1000 J W =Q 1−Q 2= 2000J -1000J= 1000J 7.



Usaha yang dilakukan gas ideal pada proses V2



isokhorik adalah 0 karena W =



∫ p dV =0. V1



8.



Cp = 5 T1 = 305K



W = 3 x 10 joule



4.



W =p ( V 2−V 1 )



C p=



3 ×105 J = p ( 3 m 3−0,7 m3 ) 3 ×105 J = p ( 2,3 m 3 ) P=1,3 × 105 N m−2



5=



1−T 2 T1



T2 305−T 2



6 T 2=1525



1 T 2= T 2



Ƞ=



T2 T 1−T 2



1525−5T 2=T 2



Energi dalam merupakan fungsi keadaan sistem, sehingga energi dalam dipengaruhi oleh fungsi tekanan, suhu, dan volume.



T 1=T



yang



W=



5



3.



proses



Q1 T 1 = Q2 T 2



Pembahasan Ulangan Harian A. 1.



Proses isobarik merupakan dilakukan dengan tekanan tetap. P1 = P2 = 3 x 105 N/m2 Volume awal = 2 m3 Suhu awal = 550C = 328 K Suhu akhir = 970C = 370 K Usaha yang dilakukan



T2 =254,16K 9.



Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal. 10. T1 = 6270C = 900K T2 = 270C = 300K Q1 = 1000 kkal



Q1 T 1 = Q2 T 2



4.



T2 = 300K



1000 900 = Q2 300



ƞ=1−



T2 T1



Q2=333,3 kkal



ƞ=1−



300 =57 % 700



5. B. 1.



T1 = 700K



Cp = 6



Uraian n : 2 mol



T1 = 300K



T : 300 K



C p=



P1=2 atm P2=1 atm



6=



V 1 P 1=V 2 P2 V 2 P1 = V 1 P2



V2 V1



W = 2000 J n = 0,5 mol T2 = 2 T 1



3 W = nR ( T 1−T 2 ) 2 3 2000= (0,5)(8,314) ( 2 T 1−T 1 ) 2 2000=6,2355 ( T ) T = 321 K 3.



1800−6 T 2=T 2 T2 =257K



W =( 2 )( 8,31 ) ( 300 ) ln 2=3456 J 2.



T2 300−T 2



7 T 2=1800



V2 2 = =2 V1 1 W =nRT ln



T2 T 1−T 2



V 1=1 L=1 ∙10−3 m 3 V 2=2 L=2 ∙ 10−3 m3 P=1 atm=1∙ 105 Pa Q = 200 J



W =p ( V 2−V 1 ) W =1∙ 105 ( 2∙ 10−3 −1∙ 10−3 ) =100 J ∆ u=Q−W ∆ u=200−100=100 J