Bab 18 Kalor Dan Hukum1 Termodinamika Diktat

•Kalor dan Energi DalamA

•Kalor Jenis dan KalorimeterB

•Kalor Laten dan Perubahan FaseC•Transfer Energi TermalD

•Kerja dan Kalor dalam Proses TermodinamikaE•Energi InternalF

•Hukum Termodinamika 1G

Kalor dan Hukum Termodinamika 1







Mendefinisikan pengertian kalor dan menjelaskan perbedaannya dengan temperatur

Melakukan perhitungan yang melibatkan aliran kalor, perubahan temperatur, dan perubahan fase

Membedakan transfer kalor melalui konduksi, konveksi dan radiasi

Mendefinisikan bagaimana aliran kalor dan kerja yang dilakukan dalam suatu proses termodinamika

Menjelaskan arti sebuah lintasan antara keadaan-keadaan termodinamika

Menghitung kerja yang dilakukan oleh sistem saat volumenya berubah

Tujuan Pembelajaran







Menggunakan hukum I Termodinamika yang menghubungkan aliran kalor, kerja dan perubahan energi dalam

Menentukan perbedaan antara proses adiabatic, isokhorik, isobaric dan isotermal

Menjelaskan hubungan energi dalam hanya sebagai fungsi temperatur

Menentukan perbedaan kapasitas dan tekanan konstan dan dapat menggunakannyua dalam perhitungan

Menganalisa proses adiabatic gas ideal







Kalor dan Energi Dalam Kalor Jenis dan Kalorimetri Kalor Laten Kerja dan Kalor dalam Proses Termodinamika Hukum I Termodinamika Aplikasi Hukum I Termodinamika Mekanisme Transfer Energi

Bab yang akan dipelajari







Sebuah lokomotif yang menggunakan bahan bakar untuk menggerakkan roda-rodanya.

Prinsip dasar dari kerja mesin tersebut adalah hukum Termodinamika I.

Pada bab ini kita akan mempelajari mengenai bagaimana mekanisme perubahan dan proses-proses apa saja yang dapat terjadi di dalamnya.

Pada bab ini kita juga akan mempelajari mekanisme perpindahan kalor dari satu tempat ke tempat lainnya melalui proses konduksi dan radiasi.

Pendahuluan







Mobil yang digunakan secara terus menerus dapat mengalami penurunan performa mesin.

Panas yang berlebihan dapat menyebabkan kerusakan pada mesin. Oleh sebab itulah pada mobil dilengkapi dengan alat pendingin mesin dimana alat tersebut menggunakan air sebagai penyerap panas yang dihasilkan mobil. Alat ini dinamakan radiator

Kita dapat membayangkan adanya semacam aliran temperatur dari benda yang memiliki temperatur lebih tinggi ke benda yang memiliki temperatur lebih rendah.

Namun demikian, apa sebenarnya yang direpresentasikan oleh temperatur suatu benda? Mengapa temperatur benda dapat berubah?







Untuk mengubah temperatur benda kita bisa menggunakan cara lain selain menginteraksikan benda tersebut dengan benda lain secara panas.

Sebagai contoh: Sebatang besi yang

dipanggang di atas api

Sebuah panci berisi air yang direbus diatas pemanas listrik

Kalor dan Energi Dalam







Uap-uap yang dihasilkan dari mesin uap berasal dari pemanasan.

Panas itu sendiri merupakan bentuk energi.







Pada awal mulanya, para ilmuwan abad ke – 17 seperti Galileo, Newton dan lainnya menganggap bahwa panas merupakan wujud dari gerakan molekuler.

Karena panas diidentifikasi sebagai suatu bentuk materi maka pada saat itu panas dianggap sebagai suatu materi berbentuk fluida yang tak kasat mata dan diberi nama caloric.

Namun pengamatan lebih lanjut ditemukan bahwa panas bukanlah kuantitas kekal dan tidak dapat diciptakan.







Sifat non konservatif panas pertama kali diamati oleh Benjamin Thompson dimana pada saat itu ia menjadi mandor proses pemboran meriam Bavaria.

Kesimpulan penting dari pengamatan Thompson adalah bahwa panas bukanlah dihasilkan dari transfer serpihan logam yang membawa caloric melainkan panas tercipta semata-mata dari gesekan antara mata bor dan logam.







Pada akhir 1830-an seorang ilmuwan muda James P. Joule membuat eksperimen yang menunjukkan bahwa panas sebenarnya merupakan bentuk energi yang dapat ditransfer dari satu benda ke benda yang lain karena adanya beda temperatur.

Energi panas tersebut diidentifikasi sebagai energi dalam atau energi internal dimana jika suatu sistem panas bersinggungan dengan sistem dingin maka energi internal akan ditransfer dari sistem yang panas ke sistem yagn dingin dalam bentuk panas.







Energi panas maupun energi mekanik tidaklah kekal secara bebas artinya energi mekanik yang hilang selalu sama dengan energi panas yang dihasilkan.

Hal pertama yang harus dilakukan untuk menjelaskan suatu sistem adalah mendefinisikan apa itu sistem dan variabel-variabel fisis apa saja yang terekam di dalamnya.

Sistem adalah segala sesuatu yang ingin kita selidiki perilaku dan keadaannya secara energetik.

Segala sesuatu di luar sistem yang telah kita definisikan kita sebut lingkungan.







Jika sejumlah panas diberikan ke sistem maka biasanya suhu sistem tersebut meningkat, kecuali jika sistem tersebut berada dalam proses perubahan fase.

Jumlah energi panas Q yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu zat sebanding dengan kapasitas panas zat perubahan temperaturnya atau Q = CT







Kapasitas panas suatu zat pada saat mengalami kenaikan temperature sebesar dT oleh sejumlah panas sebesar dQ adalah:

Semakin banyak jumlah air yang kita panaskan maka semakin banyak jumlah energi yang dibutuhkan.

Massa zat berhubungan dengan kapasitas panas melalui persamaan:

C = cm

Q = mcT

dT

dQC







Kapasitas panas zat dapat bergantung pada perubahan tekanan dan suhu, C = C (p, T) atau bergantung pada perubahan volume dan suhu, C = C (V, T).

Terdapat dua macam kapasitas panas yaitu kapasitas panas pada kondisi volume konstan(CV) dan kapasitas panas pada kondisi tekanan konstan(Cp).

Kalor Jenis dan Kalorimeter

dT

dQCv

dT

dQC p







Salah satu cara yang digunakan untuk mengukur kapasitas panas suatu zat adalah dengan menggunakan kalorimeter.

Panas yang masuk ke suatu benda di dalam sistem selalu sama dengan panas yang dikeluarkan oleh benda lain dalam sistem tersebut. Dalam ungkapan matematis,pernyataan tersebut kita tulis sebagai:

Qmasuk = Qkeluar

Salah satu cara yang digunakan untuk menghitung kapasitas panas zat yang belum diketahui adalah dengan menginteraksikan zat tersebut dengan air.







Gambar disamping menunjukkan skema sederhana kalorimeter

Sistem di isolasi terhadap pengaruh lingkungan dengan menggunakan bahan isolator panas







Misalnya pada keadaan mula-mula, air bermassa m memiliki suhu T0 ditempatkan pada sebuah bejana bermassa M. Sebuah benda A yang bermassa mA dan memiliki suhu T0A dimasukkan ke dalam bejana yang berisi air. Kita asumsikan suhu benda lebih tinggi dibanding suhu air dan bejana. Pada suatu saat sistem tersebut akan mencapai kesetimbangan. Jika suhu akhir yang dicapai adalah Ts maka jumlah panas (selanjutnya disebut kalor) yang dilepaskan oleh benda adalah:

Qkeluar (benda) = mAcA (T0A – TS)







Kalor yang dilepaskan oleh benda A diserap oleh air dan bejana sehingga jumlah Qmasuk total adalah Qair dan Qbejana:

Karena kalor masuk harus sama dengan kalor keluar maka Qmasuk = Qkeluar sehingga:

Q masuk total = Q keluar (benda)mcair (Ts – T0) + Mcbejana (Ts – T0) = mAcA (T0A – TS)

(Ts – T0) [mcair + Mcbejana] = mAcA (T0A – TS)

Qtotal = Qair + Qbejana

Qtotal = mcair (Ts – T0) + Mcbejana (Ts – T0)







Es yang mencair atau air yang mendidih adalah dua contoh proses perubahan fase.

Di daerah dengan tekanan udara rata-rata 1 atm, air dipanaskan hingga suhu 1000C (mendidih) kemudian terjadi penguapan. Namun selama proses perubahan wujud tersebut tidak terjadi kenaikan suhu. Bagaimana hal ini bisa terjadi? Bukankah kalor yang diberikan pada benda akan mengubah suhu benda tersebut?

Kalor Laten dan Perubahan Fase







Perubahan fase zat digolongkan menjadi tiga jenis antara lain pembekuan, pencairan dan sublimasi.

Pembekuan adalah proses perubahan zat dari cair menjadi padatan.

Pencairan adalah proses kebalikan dari pembekuan yaitu perubahan zat dari padat menjadi cairan.

Sublimasi adalah proses perubahan zat yang terjadi dari bentuk padatan ke bentuk gas atau sebaliknya.

Energi ikat antar molekul ini untuk setiap zat dan setiap jenis perubahan fase adalah bersifat unik artinya kita bisa mengetahui jenis zat jika kita mengetahui berapa besar energi kalor yang dibutuhkan untuk mentransformasi dalam bentuk yang berbeda.







Energi diserap oleh zat dimana salah satu gejala yang teramati adalah terjadinya perubahan temperatur atau perubahan fase.







Kalor jenis tranformasi fase dibagi menjadi dua macam yaitu kalor jenis peleburan (disebut juga kalor laten peleburan) dan kalor jenis penguapan (disebut juga kalor laten penguapan).

Jumlah kalor yang dibutuhkan untuk mencairkan suatu zat sebanding dengan massa zat dikalikan dengan kalor laten peleburannya atau:

Jumlah kalor yang diperlukan untuk menguapkan suatu zat bergantung pula pada massa zat dan kalor laten penguapan yang dinyatakan dalam persamaan berikut:

Q = mL

Q = mU







Perhatikanlah ilustrasi pada gambar di bawah ini.







Pada proses yang ditunjuk dengan huruf A, es dipanaskan hingga mencapai suhu 00C.

Proses B adalah proses perubahan fase karena segmen grafik B tidak menunjukkan perubahan temperatur.

Proses B terdapat keterangan “air dan es”, hal ini menunjukkan bahwa es tidak serta merta berubah menjadi air dalam seketika melainkan sedikit demi sedikit.

Pada segmen grafik D terlihat bahwa air kembali mengalami perubahan fase. Kali ini air berubah menjadi uap.







Jika uap terus diberi kalor maka uap akan mengalami kenaikan suhu.

Kalor yang dibutuhkan untuk mentransformasi bentuk zat sama dengan jumlah kalor yang digunakan untuk mengembalikan zat tersebut ke wujud semula.







Kalor dapat mengalir melalui zat padat, cair dan gas. Kalor juga dapat ditransmisikan dalam bentuk gelombang elektromagnetik sehingga kalor dapat berpindah melalui ruang hampa.

Perpindahan kalor melalui zat padat dimana tidak disertai dengan perindahan bagian-bagian zat itu sendiri disebut dengan perpindahan kalor secara konduksi.

Transfer Energi Termal







Zat cair dan gas bersirkulasi dalam ruang tertentu dan melalui mekanisme tumbukan antar molekul, panas ditransmisikan antar bagian zat tersebut. Cara perpindahan kalor semacam ini disebut dengan konveksi.







Perpindahan kalor yang tidak memerlukan medium disebut dengan radiasi. Contohnya adalah panas cahaya matahari yang sampai ke bumi







Jika sebatang material padat sepanjang L, kedua ujungnya dibuat sedemikian rupa sehingga memiliki suhu yang berbeda, katakanlah T1 dan T2 dimana T2 < T1, maka kalor akan mengalir dari ujung yang bersuhu lebih tinggi ke ujung yang bersuhu lebih rendah.

L

TA

t

Q







Persamaan laju energi adalah sebagai berikut:

Jika suatu material memiliki nilai к besar maka konduktivitas panas material tersebut tergolong bagus. Material jenis ini disebut dengan konduktor. Sebaliknya, jika nilai к suatu material kecil hal itu menandakan bahwa konduktivitas termal material tersebut jelek. Material yang tidak dapat menghantarkan panas dengan baik disebut dengan isolator.

dx

dTA

dt

dQ







Pada rangkaian listrik terdapat tiga jenis rangkain yaitu seri, parallel, dan campuran. Material penghantar kalor juga dapat membentuk konfigurasi seri, parallel dan campuran.







Sebuah sumber dapat memancarkan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Jumlah kalor per detik yang dipancarkan oleh sebuah sumber diberikan oleh persamaan berikut ini:

Nilai e berada antara 0 hingga 1. Untuk benda yang memiliki nilai e = 1 berarti benda tersebut memiliki daya serap dan pancar 100%.

Pradiasi = eσA Pserap = eσA 44LB TT 44

BL TT

P = eσAT4







Daya radiasi gelombang elektromagnetik kadang diidentifikasi dari frekuensi dan panjang gelombang yang dipancarkannya.

Panjang gelombang yang dipancarkan oleh benda pada saat memancarkan daya maksimum berbanding terbalik dengan temperaturnya.

Hukum Pergeseran Wien, Salah satu penerapannya adalah pengukuran temperature bintang melalui analisis radiasi yang dipancarkannya.

Tmaks898,2







Piston dapat menekan gas dalam silinder karena piston ditekan dengan F.

Besarnya kerja yang dilakukan oleh gaya F adalah:

ΔW = – FΔy F = pAΔW = – pAΔy

Kerja dan Kalor dalam Proses Termodinamika







Tanda negatif pada persamaan sebelumnya menandakan kerja dilakukan terhadap sistem.

dW = – pAdy Piston menekan Gas ke bawah dW = pAdy Gas menekan Piston ke atas

2

1

V

V

pdVW







Kerja termal yang dilakukan oleh gas sama dengan luas bidang di bawah kurva.







Kerja yang dilakukan oleh gas pada keadaan dimana volume gas berubah sedangkan tekanannya tetap disebut proses isobarik.

W = pΔV = p (V2 – V1)







Proses termodinamika lainnya yang dapat dilakukan adalah perubahan tekanan sementara volume gas dijaga konstan. Proses semacam ini disebut dengan proses isokhorik. Kurva isokhorik dapat dilihat pada Gambar







Bahwa kerja yang dilakukan oleh gas pada proses isokhorik adalah nol.

Jika gas diekspansi pada keadaan temperature konstan maka disamping volume, tekanan gas juga berubah.

Pada sistem proses isothermal, nama lain proses dimana temperature sistem dijaga konstan.

2

1

2

1

2

1

0

0

20

1

ln

V

V

V

V

V

V

W pdV

nRTdV

V

dVnRT

V

VnRT

V







Apakah terdapat proses yang melibatkan perubahan ketiga variabel p, T, dan V? Proses dimana ketiga variabel tersebut berubah disebut dengan proses adiabatik. Pada proses adiabatic dihasilkan kerja ke lingkungan namun sistem diisolasi secara termal terhadap lingkungan yang menyebabkan tidak ada aliran kalor dari dan atau ke sistem.







Pada proses adiabatik, sistem tidak melakukan kontak termal dengan lingkungan namun sistem dapat melakukan kerja terhadap lingkungan.

Kerja dapat dihasilkan karena sistem memiliki sejumlah energi. Kita sebut energi yang yang dimiliki sistem itu energi dalam yang disimbolkan dengan U.

dU tidak bergantung pada lintasan, hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir proses, sedangkan dW merupakan fungsi yang bergantung pada lintasan.

dW = – dU

Energi Internal







Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan kerja yang dilakukan suatu sistem ke lingkungan ditambah dengan aliran kalor yang masuk dari lingkungan ke sistem.

ΔU = UB – UA = – WA – B + QA – B

Hukum 1 Termodinamika







Jika suatu gas mengalami proses termodinamika dari keadaan, katakanlah, 1 ke keadaan 2 kemudian dikembalikan lagi ke keadaan 1 maka energi internal sistem kembali ke nilai awalnya. Berbeda dengan panas Q dan kerja W. Kedua-duanya bukanlah fungsi keadaan sistem artinya baik Q dan W bersifat independen terhadap variabel T, p, dan V.







Jika sistem mengalami proses termodinamika pada keadaan volume konstan maka tidak ada kerja yang dihasilkan sehingga:

Pada keadaan volume konstan maka dQv = CvdT

sehingga:

Dalam keadaan tekanan konstan maka sejumlah kerja dihasilkan dalam proses tersebut.

dQp = pdV + dU dQp = CpdTdU = – pdV + CpdT

dU = CvdT

dQ = dW + dU dQv = 0 + dU







Gambar dibawah menunjukkan set up eksperimen Joule.







Pada mekanisme ekspansi gas secara bebas tidak ada kerja yang dilakukan oleh gas dan juga tidak ada aliran panas.

Kesimpulan lainnya adalah bahwa berdasarkan hukum I termodinamika, energi internal sistem gas tidak berubah. Pada ekspansi gas bebas, volume yang ditempati gas berubah. Selain itu, energi internal (U) bergantung pada temperatur, dengan kata lain:

U (T) = CV T

12

2

1

2

1

TTC

dTCdTCTU

V

T

TV

T

TV

Ugas ideal = U (T)







Terdapat hubungan yang unik antara CV dan Cp.

Hubungan antara CV dan CP ini akan kita gunakan untuk menganalisis proses adiabatik.

CVdT = – nRdT + CpdTCVdT = (Cp – nR)dT CV = Cp – nR

CP = CV + nR







Analisis proses adiabatik:

V

dV

p

dp

C

C

V

dV

C

C

p

dp

nRCCV

dV

C

nRC

p

dp

pdVC

nRCVdp

pdVnR

VdppdVC

V

p

V

p

pVV

V

V

V

V

dU = CVdT CVdT = – pdV nRdT = pdV + Vdp







Integralkan menjadi:

persamaan yang merepresentasikan hubungan antara variabel T, p, V pada sistem gas ideal.

00

0

0

0

0

00

0ln

0lnln

lnln

00

VppV

V

V

p

p

V

V

p

p

V

V

p

p

V

dV

p

dp V

V

p

p







Kerja yang dihasilkan pada proses adiabatik dapat kita hitung dengan mudah yaitu:

TC

dTCpdVpdVW

V

Vadiabatik

pVVpWadiabatik

001

1

Bab 18 Kalor Dan Hukum1 Termodinamika Diktat

Documents

Transcript of Bab 18 Kalor Dan Hukum1 Termodinamika Diktat