KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

HUKUM I TERMODINAMIKA

1. Hukum I Termodinamika

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.

Sebelum lebih membahas tentang Hukum I Termodinamika maka

terlebih dulu akan dibahas konsep kalor dan reservoir. Ada dua sistem, yaitu

sistem A dan sistem B, masing-masing temperaturnya TA dan TB seperti

terlihat pada gambar di bawah ini, di mana temperatur sistem A lebih besar

daripada temperatur sistem B.

Jika kedua sistem ini saling dikontakkan atau disentuhkan suatu saat

temperatur sistem A akan sama dengan temperatur sistem B, karena ada

sesuatu yang berpindah dari sistem A ke sistem B. Sesuatu tersebut kemudian

disebut dengan kalor yang merupakan salah satu bentuk energi. Jadi kalor

adalah energi yang berpindah dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke

Hukum I Termodinamika Page 1

Kalor

TA>TB

Gambar 1

sistem

ΔS

QR

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

benda yang bertemperatur lebih rendah. Jadi, kalor baru muncul jika ada

perpindahan energi.

Reservoir adalah suatu benda yang begitu besarnya, sehingga

temperaturnya tetap meskipun menerima atau melepaskan sejumlah kalor. Udara

luar dan angin laut dapat dipandang sebagai reservoir.

Jika sistem dikontakkan dengan reservoir yang mempunyai temperatur

lebih tinggi daripada sistem, maka sejumlah kalor akan masuk sistem seperti yang

ditunjukan pada gambar 2.

Gambar 2.

Apabila sistem berekspansi dan melakukan kerja sebesar W, maka

sebagian kalor akan digunakan untuk itu, dan sisanya akan digunakan menambah

energi sistem (U). Jika energi awal sistem U1 dan energi sistem pada akhir proses

U2, maka pada akhir proses selisih energi sistem sama dengan selisih antara Q dan

W, secara matematik dapat dirumuskan dengan persamaan :

………………………………………..(1)

Persamaan (1) merupakan salah satu bentuk persamaan Hukum I Termodinamika.

U disebut dengan energi dalam sistem. Jadi perubahan energi dalam sistem sama

dengan selisih antara jumlah kalor dengan jumlah usaha.

Hukum I Termodinamika Page 2

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

Seperti yang telah ketahui bahwa usaha (W) bergantung pada lintasan atau

bergantung pada proses yang dijalani sistem. Namun, dengan menggunakan

Hukum I Termodinamika ternyata perubahan energi dalam sitem (U) tidak

bergantung pada proses yang dijalani sistem, untuk lebih memahami perhatikan

diagram p-V berikut :

Suatu sistem keadaannya berubah dari keadaan a ke keadaan b. Banyak

proses yang bisa dilakukan untuk mencapai b, di antaranya melalui proses ab, acb,

dan adb. Tetapi perubahan energi dalam sistem sama, jadi U acb = U adb = U

ab. Perubahan energi dalam sistem hanya bergantung pada keadaan awal sistem

dan keadaan akhir sistem. Oleh karena perubahan energi dalam tidak bergantung

pada proses, maka U merupakan fungsi keadaan sistem/variabel sistem.

2. Kalor Tergantung pada Proses/Lintasan

Sama seperti usaha (W), jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah

keadaan sistem dari suatu keadaan setimbang menuju keadaan kesetimbangan

baru tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem dan juga bergantung

pada proses yang dijalani oleh sistem (Rapi, 2009). Seperti proses yang

ditunjukkan pada gambar 3, maka Q adb ≠ Q acb ≠ Q ab. Karena kalor (Q) bukan

merupakan fungsi keadaan sistem dan dQ bukan diferensial eksak, maka ditulis

dengan đQ. Apabila perubahan yang dialami sistem infinit yaitu, proses yang

sistemnya berubah dari keadaan setimbang awal ke keadaan setimbang

berikutnya, maka persamaan Hukum I Termodinamika menjadi :

Hukum I Termodinamika Page 3

V

P

Pb

Pa

Va Vb

a

b

d

c

Gambar 3.

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

dU = đq – đW...............................................(2)

Per unit massa/permol sistem maka persamaan Hukum I Termodinamika menjadi:

du = đq – đw.................................................(3)

Konversi/perjanjian tanda untuk Q :

Q positif jika kalor masuk sistem

Q negatif jika kalor keluar sistem

Catatan :

dU = perubahan kecil energi dalam

đq = sejumlah kecil kalor

đW = sejumlah kecil usaha

Dalam sumber lain juga disebutkan persamaan Hukum I Termodinamika, yaitu

sebagai berikut.

Perhatikan bahwa tanda diferensial pada Q dan W ditulis , sementara kita

menulis dU. Besaran Q dan W berbeda dengan sifat U secara mendasar. Sifat

seperti U selalu mempunyai harga bergantung hanya pada keadaan sistem. Sebuah

proses yang merubah keadannya, merubah U. Jadi, dU mewakili perubahan U

yang sangat kecil dan integrasi memberikan perbedaan antara kedua harga sifat

tersebut :

Di sisi lain, Q dan W bukan sifat-sifat sistem dan bergantung pada jalur proses.

Jadi, digunakan untuk menunjukkan besaran yang sangat kecil. Integrasi tidak

memberikan perbedaan antara kedua harga, tetapi sebuah besaran tertentu, yaitu :

Jadi integrasi : menghasilkan

Penerapam Hukum I Termodinamika

Hukum I Termodinamika Page 4

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

3. Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor merupakan banyaknya kalor yang diperlukan untuk

menaikkan suhu zat sebesar satu Kelvin atau satu derajat Celsius. Apabila kalor

diserap oleh suatu sistem, maka perubahan temperatur bisa terjadi dan bisa juga

tidak, hal ini tergantung pada prosesnya. Jika sistem menjalani perubahan

temperatur dari T1 ke T2 selama berlangsungnya perpindahan kalor (Q), maka

kapasitas kalor rata-rata dari sistem didefinisikan sebagai berikut

Dengan :

= Kapasitas kalor rata-rata

Q = Jumlah kalor yang diserap sistem

T1 = Temperatur awal

T2 = Temperatur akhir

Kapasitas kalor sesungguhnya (C) yang didefinisikan sebagai energi panas

yang diperlukan untuk menaikkan suhu sejumlah zat tertentu sebesar 1 K atau 1 0C. Jika jumlah kalor yang diserap sistem kecil (đQ), maka perubahan

temperaturnya juga kecil (dT). Perbandingan antara đQ dengan dT disebut

Kapasitas kalor (C) sesungguhnya :

C = đQ/dT

Kapasitas kalor sesungguhnya tiap satu satuan massa disebut dengan kalor

jenis (c) :

Dari definisi C = đQ/dT maka c = đQ/mdT, maka :

đQ = m c dT

Hukum I Termodinamika Page 5

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

Berdasarkan persamaan di atas, dapat ditentukan secara kuantitatif nilai Q dengan

mengetahui massa benda dan perubahan temperatur benda.

Telah diketahui bahwa perubahan energi dalam sistem (∆U) tidak

tergantung pada proses yang dijalani oleh sistem, lalu bagaimanakah dengan kalor

jenisnya, apakah bergantung pada proses yang dijalani oleh sistem atau tidak?

Untuk menjawabnya, kita pandang suatu sistem yang menyerap sejumlah kalor,

sehingga temperatur sistem berubah dari T menjadi T + dT. Perubahan ini dilalui

dengan berbagai proses, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Gambar di atas menunjukkan sebuah sistem yang menyerap kalor,

sehingga temperatur berubah dari T menjadi T + dT, karena Q bergantung pada

proses yang dijalani sistem, maka đQ ab ≠ đQ ac ≠ đQ ad ≠ đQ ae , dalam hal ini

pada setiap proses memiliki harga tertentu. Jadi dapat disimpulkan bahwa

kalor jenis tergantung pada proses dan juga pada jenis benda.

Untuk gas, proses perubahan suhu dapat dilakukan pada tekanan tetap

(isobarik) atau pada volume tetap (isokhorik). Kapasitas kalor gas dibedakan

menjadi dua, yaitu : kapasitas kalor gas pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas

kalor gas pada volume tetap (Cv) yang masing-masing memiliki persamaan :

dan

Hukum I Termodinamika Page 6

v

T

e

d

c

b

a

p

T + dT

Gambar 5. Diagram p-v

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

Berdasarkan persamaan hukum I termodinamika, untuk gas pada volume

tetap diperoleh : QV = ΔU + W. Dalam proses ishokorik ΔV = 0 maka W = P. ΔV

= 0, sehingga dalam proses isokhorik didapatkan :

QV = ΔU

Sedangkan untuk tekanan tetap dituliskan QP = ΔU + W, dengan memasukkan

persamaan di atas maka diperoleh :

Nilai QP dan QV diperoleh dari persamaan di atas, maka menjadi

karena dalam persamaan gas ideal PV = nRT, maka persamaan di atas dapat

ditulis dengan Cp – Cv = nR atau CP = CV + nR. Dengan n adalah jumlah mol gas

(mol) dan R adalah tetapan gas (8,315 joule/mol K). Untuk gas monoatomik

energi dalam gas dituliskan dengan :

Oleh karena QV = ΔU, maka :

Dari persamaan di atas ditunjukkan bahwa kapasitas kalor gas pada volume tetap

adalah nR, dengan persamaan Cp – Cv = nR dapat ditentukan kapasitas gas

monoatomik pada tekanan tetap yaitu :

CP = CV + nR

Hukum I Termodinamika Page 7

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

Untuk gas diatomik, besarnya kapasitas kalor gas pada tekanan tetap dan kapasitas

kalor pada volume tetap tergantung pada derajat kebebasan gas.

a. Pada suhu rendah ( ±250 K)

sehingga dan , maka besarnya

konstanta laplace adalah :

b. Pada suhu sedang ( ±500K)

sehingga dan , maka besarnya

konstanta laplace adalah :

c. Pada suhu tinggi ( ±1000 K)

sehingga dan , maka besarnya

konstanta laplace adalah :

4. Penerapan Hukum I Termodinamika

a. Isotermis

Pada proses isotermik, temperatur sistemnya konstan ( ), maka

. Sesuai dengan hukum I termodinamika :

b. Isokhorik

Pada proses isokhorik, volume sistemnya yang konstan (( ), maka

. Sesuai dengan hukum I termodinamika :

Hukum I Termodinamika Page 8

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

c. Isobaris

Pada proses isobaris, tekanan sistemnya bernilai konstan. Sesuai dengan

hukum I termodinamika :

d. Adiabatis

Pada proses adiabatis tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan

lingkungan ( Q = 0). Sesuai dengan hukum I termodinamika :

DAFTAR PUSTAKA

Haryadi,Bambang.2008. Fisika : Untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta : Pusat

Perbukuan

Departemen Pendidikan Nasional

Rapi,Ni Ketut. 2099. Buku Ajar Termodinamika. Singaraja : FMIPA

UNDIKSHA.

Http://id.wikipedia.org/wiki/Hukum_pertama_termodinamika

Hukum I Termodinamika Page 9