RESUME
Hukum pertama termodinamika
miftahul ikhsan
teknik mesin lp3i cilegon
Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan
energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk
perpindahan energi.
Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini
berbunyi:
“
|
Kenaikan energi
internal dari suatu sistem termodinamika
sebanding dengan jumlah energi panas yang
ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan
oleh sistem terhadap lingkungannya.
|
Pondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh James Prescott Joule yang melalui eksperimen-eksperimennya
berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja saling dapat dikonversikan.
Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf Clausius pada 1850: "Terdapat suatu fungsi keadaan E, yang
disebut 'energi', yang diferensialnya sama dengan jumlah kerja yang
dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu proses adiabatik."
- Hukum
I Termodinamika menyatakan bahwa :
“untuk setiap proses, apabila kalor Q
diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi
perubahan energi dalam ∆U = Q – W “
Jadi dapat dikatakan bahwa hukum I
termodinamika menyatakan adanya konsep kekekalan energi..
Energi dalam
sistem merupakan jumlah total semua energi molekul dalam sistem. Apabila usaha
dilakukan pada sistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi
dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya energi dalam akan berkurang apabila
sistem melakukan usaha pada linngkungan atau sistem memberi kalor pada
lingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalam pada sistem yang tertutup
merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan sistem.
∆U = Q – W
atau
Q = ∆U + W
dengan
∆U : Perubahan energi dalam (J)
Q : Kalor yang
diterima/dilepas (J)
W : Usaha (J)
demensi /
tanda :
d : + (bila energy system bertambah)
- (sebaliknya)
Q : + (bila dQ masuk kedalam system)
- (bila dQ keluar dari system)
w : + ( bila volume di kompresi )
- (sebaliknya)
Q : + (bila dQ masuk kedalam system)
- (bila dQ keluar dari system)
w : + ( bila volume di kompresi )
- (bila terjadi ekspansi volume)
Hukum pertama
termodinamika merupakan hukum kekekalan energi. Menurut hukum pertama
termodinamika, setelah mengalami proses tertentu, sistem berubah dari keadaan 1
ke keadaan 2, maka energi-dalamnya berubah dari U1 ke U2.
Selama proses itu berlangsung, sistem menerima kalor sebanyak Q dan melakukan
usaha sebesar W, sehingga didapat persamaan :
dQ = dU + dW
(persamaan 1)
Q = (U2
- U1) +
W
(persamaan 2)
Baik persamaan
1 ataupun persamaan 2 merupakan hukum pertama termodinamika.
Hukum pertama
termodinamika menyatakan bahwa energi kekal adanya, kalau diperhitungkan semua
bentuk energi yang timbul. Tidak hanya energi mekanik saja yang harus
diperhitungkan, tapi juga energi-dalam dan kalor.
Hukum ini
menyatakan pula, bahwa usaha tak dapat diperoleh dengan cuma-cuma. Kalau tidak
diberi energi dari luar, sistem yang melakukan usaha itu akan berkurang
energi-dalamnya dan pada suatu saat akan habis sehingga sistem akan
berhenti.
Proses Isotermal
Anda telah memahami bahwa proses isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap. Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V2/V1). Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan ΔU = 3/2 nRΔT
Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk
proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut.
Q = ΔU + W = 0 + W
Q = W = nR T ln (V2/V1) (1-1)
Proses Isokhorik
Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem
berada dalam keadaan volume tetap. Anda telah memahami bahwa besar usaha pada
proses isokhorik dituliskan W = pΔV = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama
Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagai
Q = ΔU + W = ΔU + 0
Q = ΔU = U2 - U1
(1-2)
Dari Persamaan (1-2) Anda dapat menyatakan bahwa kalor yang
diberikan pada sistem hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut.
Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam
Persamaan (1-2), didapatkan perumusan Hukum
Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.
Q = ΔU = 3/2 nR ΔT
(1-3)
atau
Q = U2 - U1 = 3/2 nR (T2
—T1) (1-4)
Proses Isobarik
Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas berada dalam keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV = p(V2 – V1). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut.
Q = ΔU + W
Q = ΔU + p(V2 – V1) (1-5)
Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (1-5) dapat dituliskan sebagai :
Q = 3/2 nR (T2 —T1) + p (V2
– V1)
(1-6)
Proses adiabatik
Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Anda telah mengetahui bahwa dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi
Q = ΔU + W
0 = ΔU + W
atau
W = - ΔU = - (U2 - U1) (1-7)
Berdasarkan Persamaan (1-7) tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya.
Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai :
W = - ΔU = - 3/2 nR (T2
—T1)
(1-8)
Catatan Fisika :
Double Espresso
Energi dalam secangkir kopi hanya
bergantung pada keadaan termodinamikanya (seberapa banyak kopi dan air yang
dikandungnya, dan berapa suhunya). Energi tersebut tidak bergantung pada proses
persiapan kopinya, yaitu lintasan termodinamika yang membawanya ke keadaan yang
sekarang.
Kapasitas Kalor
Kapasitas kalor gas adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas sebesar 1°C, untuk volume tetap disebut CV dan untuk tekanan tetap disebut Cp.
Secara matematis, kapasitas kalor (C) dinyatakan dengan persamaan :
C = Q/ΔT
(1–9)
Pada gas, perubahan suhu dapat dilakukan dengan proses isobarik atau
proses isokhorik. Dengan demikian, kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi
dua, yakni kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas kalor pada
volume tetap (V). Perumusan kedua pada kapasitas kalor tersebut secara
matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
Cp = QP/ΔT dan
CV = QV/ΔT (1–10)
Jika besaran QP dan QV dimasukkan ke dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika,
akan didapatkan persamaan berikut.
a. Pada proses isokhorik
QV = ΔU +
W
(1–11)
Oleh karena dalam proses ini volume sistem tetap (ΔU = 0) maka usaha
sistem W = 0 sehingga didapatkan persamaan :
QV = ΔU
(1–12)
b. Pada proses isobarik
QP = ΔU +
W
Oleh karena dalam proses ini tekanan sistem tetap ( Δp + 0), usaha
sistem W = p ΔV. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika dapat
dituliskan
QP = ΔU +
p ΔV
(1–13)
Dengan melakukan substitusi Persamaan (1–12) ke Persamaan (1–13)
dapat dituliskan persamaan
Qp = ΔU + p ΔV atau Qp – QV
= p ΔV
(1–14)
Selanjutnya, jika Persamaan (9–19) disubstitusikan Persamaan (1–14)
akan diperoleh persamaan
(Cp ΔT) – (CV ΔT) = p ΔV
(Cp CV)ΔT = p ΔV
Cp – CV = p ΔV / ΔT
(1–15)
Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal pV = nRT, Persamaan (1–15)
dapat dituliskan menjadi
Cp – CV = nR
(1–16)
Untuk gas monoatomik, energi dalam gas dinyatakan dengan persamaan :
ΔU = 3/2 nRΔT
Dengan demikian, kapasitas kalor pada proses isokhorik (QV = ΔU)
dapat dituliskan sebagai :
CV =
3/2 nR (1–17)
Catatan Fisika :
Umumnya memasak melibatkan proses isobarik. Hal ini disebabkan
karena tekanan udara di atas panci, wajan, atau dalam oven microwave tetap
konstan sementara makanan dipanaskan. (Sumber: Fisika Universitas, 2000)
Besar Cp dapat ditentukan dari Persamaan (1–16) sehingga diperoleh :
Cp = CV + nR
Cp = 3/2 nR + nR
Cp = 5/2 nR
(1–18)
Contoh Soal :
Gas nitrogen bermassa 56 × 10–3 kg dipanaskan dari suhu 270 K
menjadi 310 K. Jika nitrogen ini dipanaskan dalam bejana yang bebas memuai,
diperlukan kalor sebanyak 2,33 kJ. Jika gas nitrogen ini dipanaskan dalam
bejana kaku (tidak dapat memuai), diperlukan kalor sebesar 1,66 kJ. Jika massa
molekul relatif nitrogen 28 g/mol, hitunglah kapasitas kalor gas nitrogen dan
tetapan umum gas.
Kunci Jawaban :
Diketahui: m = 56 × 10–3
kg, ΔT = 40 K, dan Mr = 28 g/mol = 28 × 10–3 kg/mol.
a. Proses tekanan tetap pada gas:
Qp = 2,33 kJ = 2.330 J
Qp = Cp ( ΔT)
2.330 J = Cp (40 K) → Cp =
58, 2 J/K.
Proses volume tetap pada gas:
QV = 1,66 kJ = 1.660 J.
QV = CV ( ΔT)
1.660 joule = CV (40 K) → CV
= 41,5 J/K
b. Tetapan umum gas R dihitung sebagai berikut.
Cp – CV = n R = (m/Mr) R → R =
Mr/m (CP – CV)
R = ((28 x 10 kg/mol) / (56 x 10 kg)) ((58,2
- 41,5)J/K) = 8,35 J/mol K.
Tokoh Fisika :
Nicolas
Léonard Sadi Carnot
Sadi Carnot ialah seorang ilmuwan yang
lahir di Paris, Prancis. Sebagian besar waktunya ia gunakan untuk menyelidiki
mesin uap. Pada 1824, ia mempublikasikan esai yang berjudul Réflexions sur la
puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette
puissance. Penemuannya menjadi dasar ilmu termodinamika dan memberikan manfaat
besar terhadap kehidupan manusia.
Siklus Carnot dan Efisiensi Mesin
Keadaan suatu sistem dalam termodinamika dapat berubah-ubah, berdasarkan percobaan besaran-besaran keadaan sistem tersebut. Namun, besaran-besaran keadaan tersebut hanya berarti jika sistem berada dalam keadaan setimbang. Misalnya, jika Anda mengamati suatu gas yang sedang memuai di dalam tabung, temperatur dan tekanan gas tersebut di setiap bagian tabung dapat berubah-ubah. Oleh karena itu, Anda tidak dapat menentukan suhu dan temperatur gas saat kedua besaran tersebut masih berubah. Agar dapat menentukan besaran-besaran keadaan gas, gas harus dalam keadaan reversibel. Apakah yang dimaksud dengan proses reversibel?
Proses reversibel adalah suatu proses dalam sistem di mana sistem hampir selalu berada dalam keadaan setimbang.
Perhatikanlah
Gambar dibawah
Perubahan keadaan gas dalam siklus reversibel.
Dari grafik p–V tersebut, suatu gas mengalami perubahan
keadaan dari A ke B. Diketahui bahwa pada keadaan A sistem memiliki
tekanan p1 dan volume V1. Pada tekanan B,
tekanan sistem berubah menjadi p2 dan volumenya
menjadi V2. Jika gas tersebut mengalami proses reversibel,
keadaan gas tersebut dapat dibalikkan dari keadaan B ke A dan tidak ada energi
yang terbuang. Oleh karena itu, pada proses reversibel, kurva p–V yang dibentuk
oleh perubahan keadaan sistem dari A ke B dan dari B ke A adalah sama.
Dalam kenyataannya, sulit untuk menemukan proses reversibel karena proses ini tidak memperhitungkan energi yang hilang dari dalam sistem (misalnya, gesekan). Namun, proses reversibel memenuhi Hukum Pertama Termodinamika. Tahukah Anda yang dimaksud dengan siklus termodinamika? Siklus termodinamika adalah proses yang terjadi pada sistem sehingga akhirnya sistem kembali pada keadaan awalnya.
Prinsip siklus termodinamika ini kali pertama dijelaskan oleh seorang insinyur Perancis bernama Sadi Carnot dan disebut siklus Carnot. Siklus Carnot adalah suatu siklus ideal reversibel yang terdiri atas dua proses isotermal dan proses adiabatik, seperti terlihat pada Gambar dibawah.
siklus
carnot
Siklus Carnot ini merupakan salah satu prinsip dasar
siklus termodinamika yang digunakan untuk memahami cara kerja mesin Carnot.
Perhatikanlah Gambar keadaan dibawah
berikut.
Pada
gambar tersebut suatu gas ideal berada di dalam silinder yang terbuat dari
bahan yang tidak mudah menghantarkan panas. Volume silinder tersebut dapat diubah
dengan cara memindahkan posisi pistonnya. Untuk mengubah tekanan gas,
diletakkan beberapa beban di atas piston. Pada sistem gas ini terdapat dua
sumber kalor yang disebut reservoir suhu tinggi (memiliki suhu 300 K) gas
memiliki temperatur tinggi (300 K), tekanan tinggi (4 atm), dan volume rendah
(4 m3).
Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus Carnot.
a. Pada langkah, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur sistem tidak berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2, sejumlah kalor (Q1) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.
b.
Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami
proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang
keluar atau masuk ke dalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan cara
mengurangi beban yang ada di atas piston. Akibatnya, temperatur sistem akan
turun dan volumenya bertambah.
c.
Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 melalui
proses kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah (200 K)
menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston bertambah. Akibatnya
tekanan sistem meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun.
Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q2) dipindahkan dari
gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak
berubah.
d.
Pada langkah keempat, gas mengalami proses kompresi adiabatik dan keadaannya
berubah dari keadaan 4 ke keadaan1. Jumlah beban di atas piston bertambah.
Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam
sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang.
Menurut kurva hubungan p–V dari siklus Carnot, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas daerah di dalam kurva p–V siklus tersebut. Oleh karena siklus selalu kembali ke keadaannya semula, ΔUsiklus = 0 sehingga persamaan usaha siklus (Wsiklus) dapat dituliskan menjadi
Wsiklus
= ΔQsiklus = (Q1 – Q2)
(1–19)
dengan:
Q1 = kalor yang diserap sistem, dan
Q2 = kalor yang dilepaskan
sistem.
Ketika mesin mengubah energi kalor menjadi energi mekanik (usaha). Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energi kalor yang diserapnya (Q1) disebut sebagai efisiensi mesin. Persamaan matematis efisiensi mesin ini dituliskan dengan persamaan :
η
= (W/Q1) x 100 %
(1–20)
dengan η = efisiensi mesin.
Oleh karena usaha dalam suatu siklus termodinamika
dinyatakan dengan
W = Q1 – Q2
maka Persamaan (1–21) dapat dituliskan menjadi :
η
= (Q1 - Q2 / Q1) x 100 %
Pada mesin Carnot, besarnya kalor yang diserap oleh sistem (Q1) sama dengan temperatur reservoir
suhu tingginya (T1). Demikian juga, besarnya kalor yang dilepaskan sistem (Q2) sama dengan temperatur reservoir
suhu rendah mesin Carnot tersebut. Oleh karena itu, Persamaan (1–30) dapat
dituliskan menjadi :
Dari Persamaan (1–22) tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa efisiensi mesin Carnot dapat ditingkatkan dengan cara menaikkan temperatur reservoir suhu tinggi atau menurunkan temperatur reservoir suhu rendah.
Catatan Fisika :
lokomotif uap
Lokomotif uap ini bekerja dengan menggunakan hukum pertama
termodinamika. Saat panas dihasilkan oleh batubara atau kayu yang dibakar dalam
mesin lokomotif, sebagian energi menaikkan suhu air (yang mendidih dan
menghasilkan uap) dalam mesin. Sisa energi dipakai guna mengekspansikan uap
untuk menghasilkan kerja dan menggerakkan lokomotif
Ulasan
Catat Ulasan