Hukum I Termodinamika

Hukum I Termodinamika

T. Istirokhatun

Kerja, Kalor dan EnergiKerja, Kalor dan Energi adalah konsep yang mendasar dalam termodinamika

Semua pengukuran kalor dan perubahan energi menghasilkan pengukuran kerja. Kerja = gaya x jarak ; kerja dilakukan selama proses untuk menghasilkan suatu perubahan

Energi = kapasitas sistem untuk melakukan kerja

Kalor = energi sistem yang berubah sebagai hasil perbedaan temperatur antara sistem dan temperatur lingkungan.

Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu (energi sistem yang berubah sebagai hasil perbedaan temperatur antara sistem dan temperatur lingkungan)

Kalor merupakan energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu.

Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju sistem.

Proses pelepasan energi sebagai kalor disebut eksoterm, dan proses penyerapan energi sebagai kalor disebut endoterm

Sistem dan LingkunganKerja atau Usaha adalah perpindahan energi melalui cara-cara mekanis.

Sistem adalah benda atau sekumpulan benda yang hendak diteliti , digunakan untuk mengidentifikasi subyek proses yang akan dianalisis.Lingkungan adalah benda –benda di sekitar sistem. Biasanya antara sistem dan lingkungan dipisahkan dengan penyekat/pembatas.

Sistem dan LingkunganSistem ada 2 jenis yaitu terbuka dan tertutup.Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan.Sistem tertutup merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran materi antara sistem tersebut dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak adanya kemungkinan terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan tidak terisolasi jika masih bisa terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan

Energi Dalam

Energi dalam merupakan jumlah seluruh energi kinetik atom atau molekul, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara atom atau molekul.Secara umum ada 2 sumber energi :1. Energi makroskopis :energi yang disebabkan

oleh benda2. Energi mikroskopis : energi yang disebabkan

perbedaan antara atom dalam molekul.

INTERNAL ENERGY (U)

66

INTERNAL ENERGY

ENERGI KINETIK

Sebagai akibat gerakan molekul

(translasi, rotasi dan vibrasi)

ENERGI POTENSIAL

Berhubungan dengan ikatan kimia dan juga elektron bebas pada

logam

Catatan :- Energi dalam adalah suatu fungsi keadaan, yang hanya tergantung

pada keadaan awal dan akhir sistem

- Kalor dan kerja bukan fungsi keadaan, tergantung pada jalannya proses sistem.

d = diferensial eksakd = diferensial tak eksak

b

a

b

a

QdQ

Udw

a

b ab UUdu

8

GAS MONOATOMIK GAS POLIATOMIK

Energi kinetik akibat gerakan translasi linier

dari atom tipe "hard sphere"

GAS

Energi kinetik akibat gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi

999

• Energi kinetik akibat adanya gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi.

• Energi potensial akibat adanya gaya tarik antar molekul.

CAIRAN

Hukum Termodinamika ke Nol

Hukum ini meletakkkan konsep suhu pada dasar yang kokoh, yaitu bila dua sistem ada dalam kesetimbangan termal, maka keduanya mempunyai suhu yang sama, bila tak ada dalam kesetimbangan termal maka keduanya mempunyai suhu yang berbeda.

Tinjau 3 sistem A, B dan C, Fakta eksperimental : bila sistem A ada dalam kesetimbangan termal dengan sistem B, dan sistem B juga ada dalam kesetimbangan termal dengan C maka A ada dalam kesetimbangan dengan C:

- TA = TB TA = TC

- TB = TC

A B CA B C

Aplikasi Hukum ke Nol

Bagaimana termometer air raksa bekerja untuk mengukur suhu badan?

Contoh Aplikasi HK ke nol Termodinamika

Termometer Air Raksa terdiri dari pipa kapiler kaca hampa udara dengan kandungan air raksa di ujung bawah. Jika T naik, air raksa (merkuri) mengembang naik ke arah atas dan menunjukkan suhu di sekitar alat ukur sesuai dengan skala yang telah ditentukan.

1. Sebelum terjadi perubahan suhu, volume air raksa berada pada kondisi awal.

2. Perubahan suhu lingkungan di sekitar termometer direspon air raksa dengan perubahan volume.

3. Volume akan mengembang jika suhu meningkat dan akan menyusut jika suhu menurun.

4. Skala pada termometer akan menunjukkan nilai suhu sesuai keadaan lingkungan.

Cara Kerja Termometer Air Raksa

HK I Termodinamika

Merupakan hukum kekekalan/kelestarian energi, bahwa enegi tidak bisa dihilangkan/dimusnahkan, tetapi berubah menjadi bentuk lain.E = Ep + Ek + UDari kekekalan energi, kita dapat menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – kerja yang dilakukan oleh sistem (sistem melepaskan energi).

Energi tidak dapat

diciptakan atau

dimusnahkan

Energi hanya dapat diubah

dari satu bentuk ke

bentuk lainnya

EK = ½mu2

EP = 0

EK = 0

EP = mgh

EK = ½mu2

EP = 0

16

Bergerak lebih cepat

EK bertambah

T naik

HK I Termodinamika

Keterangan :ΔU = Perubahan energi dalamQ = KalorW = Kerja

HK I TermodinamikaAnalisa dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika hanya perubahan energi dalam saja. Perubahan energi dalam dapat diketahui akibat adanya energi yang ditambahkan pada sistem dan energi yang dilepaskan sistem dalam bentuk kalor dan kerja. Jika besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara langsung, maka besaran yang menyatakan keadaan makroskopis bisa diketahui secara langsung. Besaran yang menyatakan keadaan makroskopis adalah suhu (T), tekanan (p), volume (V) dan massa (m) atau jumlah mol (n). Contoh besaran mikroskopis antara lain adalah kecepatan, energi kinetik, momentum atom-atom dll.

HK I TermodinamikaAturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan Hukum Pertama Termodinamika. Kalor (Q) yang merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif), sedangkan Kerja (W) jika merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada sistem, maka W bernilai negatif.

U= Q + W

Konvensi tanda:

• Positif jika Q atau W ditransfer ke dalam sistem

• Negatif jika Q atau W ditransfer dari sistem

HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Secara matematis hukum termodinamika I pada sistem tertutup, dinyatakan sebagai:

dU = dq + dw U = q + w

Dengan kata lain, perubahan energi dalam sistem (U) setara dengan panas yang diberikan pada sistem (q) dan kerja yang dilakukan terhadap sistem (w)

Jika hanya diberikan panas, berlaku: U = q

Jika hanya dilakukan kerja berlaku: U = w

- Energi dalam terdiri dari : energi transisi, energi vibrasi dan energi rotasi pada tingkat molekuler dari suatu materi

- Kerja (W) adalah akibat aksi melawan gaya luar, yang dinyatakan : d W = F dh

F adalah gaya luar dan dh adalah jarak perpindahan - Kerja tergantung pada 2 faktor yaitu faktor intensitas dan faktor

kapasitas

Jenis-jenis Kerja

KERJA EKSPANSI DAN KOMPRESIKerja yang dilakukan oleh sistem

dw = F dh (F=gaya dh = jarak)Kerja terhadap sistem

dw = -F dhF = P (tekanan) x A (luas) maka :

dw = -Pluar A dhAtau :

dw = -Pluar dV

Sehingga : dw = -Pluar dV Karena: dU = dq +dw maka : dU = dq - pdV Integrasinya adalah:

atau

U = q – P(V2 – V1)

Atau U = q + w

2

1

V

V

PdVdqdU

Pluar

A

dhEkspansi: V2>V1

Kompresi: V2<V1

W-: sistem melakukan kerjaW+: dilakukan kerja thd sistem

Beberapa terapan kerja (W)Pada proses reversibel (Pluar=Pdalam= P) dan isotermis (dT = 0)

untuk gas ideal PV = n R T sehingga :wrev = - n R T ln (V2/V1)wrev = - n R T ln (P1/P2)

Pada proses irreversibel (Pluar Pdalam) dan isotermis (dT=0) Wirrev = - Pluar dV

untuk gas ideal ,Wirrev = - Pluar (V2-V1)

= - n R T (1-P2/P1)Pada proses ekspansi isotermal terhadap vakum (Pluar = 0)

Wvak = 0

dVPW dalamrev

Kerja maksimum bisa dilakukan pada pemuaian gas ideal isotermis jika sistem beroperasi secara reversibel isotermal. (jelaskan!)

Entalpi (H) / Heat content• Pengertian entalpi dipakai untuk perubahan-perubahan pada

tekanan tetapH = U + PV

dan PV hanya targantung kedaan awal dan akhir sistem

• Besarnya perubahan entalpi dari sistem : H = H2 –H1

= (U2+P2V2) – (U1+P1V1) = (U2-U1) + (P2V2-P1V1)

pada P tetap H = U + P(V2-V1) H = U + P V

• Jika dihubungkan dengan hukum termodinamika pertama pada tekanan tetap berlaku: H = q

Enthalpy the amount of energy possessed by a thermodynamic system (see Thermodynamics) for transfer between itself and its environment. For example, in a chemical reaction, the change in enthalpy of the system is the heat of the reaction. In a phase change, as from a liquid to a gas, the change in enthalpy of the system is the latent heat of vaporization. In a simple temperature change, the change in enthalpy with each degree is the heat capacity of the system at constant pressure. The German physicist Rudolf J.E. Clausius originated the term in 1850. Mathematically, enthalpy H is identified as U + PV, where U is internal energy, P is pressure, and V is volume. H is measured in joules or British termal units (BTUs). (Encarta 2007)

What is enthalpy ?

Pengukuran perubahan entalpi

Perubahan entalpi mengikuti perubahan kimia dan fisika.

Diukur dengan kalorimeter• Kalorimeter api bertekanan tetap H = q• Kalorimeter Bom, pada volume tetap, melelui

U dimana U = q • untuk reaksi yang tidak menghasilkan gas H

U • Untuk reaksi yang menghasilkan gas:

H = U + PV = U + nRT H = U + (PV) = U + n gasRT Dengan n = n gas produk = n gas reaktan

Besarnya perubahan entalpi pada tekanan konstan setara dengan panas yang diserap sistem

Perubahan energi pada berbagai keadaan-Perubahan energi pada volum konstan dV = 0

atau U = qV

Terjadi pada kalorimeter bom-Perubahan energi pada tekanan konstan dP = 0

U2 – U1= qp – p(V2 – V1)(U2+PV2) - (U1+PV1) = qp H2 - H1 = qp

dqVdU

PdVdW

v 0

2

1dVPqU

PdVdqdU

p

H = qp

BAGAIMANA BOMB KALORIMETERBEKERJA?

Kalorimeter bom adalah alat yang digunakan untuk mengukur jumlah kalor (nilai kalori) yang dibebaskan pada pembakaran sempurna (dalam O2 berlebih). Sejumlah sampel ditempatkan pada tabung beroksigen yang tercelup dalam medium penyerap kalor (kalorimeter), dan sampel akan terbakar oleh api listrik dari kawat logam terpasang dalam tabung.

Kalorimeter bom terdiri dari tabung baja tebal dengan tutup kedap udara.Sejumlah tertentu zat yang akan diuji ditempatkan dalam cawan platina dan sebuah "kumparan besi” yang diketahui beratnya (yang juga akan dibakar) ditempatkan pula pada cawan platina sedemikian sehingga menempel pada zat yang akan diuji.Kalorimeter bom kemudian ditutup dan tutupnya lalu dikencangkan.Setelah itu "bom" diisi dengan O2 hingga tekanannya mencapai 25 atm.Kemudian "bom" dimasukkan ke dalam kalorimeter yang diisi air.Setelah semuanya tersusun, sejumlah tertentu aliran listrik dialirkan ke kawat besi dan setelah terjadi pambakaran, kenaikan suhu diukur.

Kapasitas panas (C) Kapasitas panas ( C ) : nisbah antara

kalor yang dipasok dengan kenaikan suhu. Satuan Joule/K

Kapasitas panas spesifik ( c ) : nisbah antara kalor yang dipasok pada sejumlah zat (Kg) dengan perubahan suhu. Satuan Joule/K.Kg

Kapasitas kalor molar: J K-1mol-1. Secara matematis dinyatakan sebagai:

C = dq (proses)/dT Pada volume konstan,

CV = dqV /dT = (∂U/∂T)V Pada tekanan tetap

CP = dqP /dT = (∂H/∂T)P

Berdasar pada Hk Term I

-Pada V tetap : dV = 0

-Pada P tetap : dP = 0

Bila persamaan H = U + PV dideferensialkan terhadap T pada tekanan tetap :

Sehingga

dT

PdVdUC

V

VV T

UdT

qC

PP

P TVPT

UC

pPp T

VPTU

TH

P

P THC

Hubungan Cv dan Cp dapat dituliskan beberapa persamaan :

VTVP

PTVP

TP

PHVCC

TVPV

UCC

}{

}){(

RCC VP

Buktikan !

Untuk gas Ideal

Buktikan !

PERUBAHAN ENERGI PADA PERUBAHAN T DAN V

Energi dalam sebagai fungsi T dan V ; U= f(T,V)

Pada volume konstan

Pada temperatur konstan

dTT

UdU

V

dVV

UdU

T

dVV

UdTCdU

dVV

UdT

T

UdU

TV

TV

Percobaan Joule

Bertujuan menentukan (∂U/∂V )T

Jika kran dibuka maka gas mengalir dari A ke BJoule menemukan bahwa tak ada perubahan suhu

dq = 0dT = 0 tak ada perubahan suhudw = 0 kerja melawan vakumdU = 0

dU= (∂U/∂V )T dV=0

Karena dV≠0 maka (∂U/∂V )T=0Pd isotermal dU tdk tgt dV

Perubahan entalpi pada perubahan P, T

• Entalpi sebagai fungsi T dan p; H= f(T,P)

• Cp diperoleh dengan kalorimeter • Untuk padatan dan cairan• Untuk gas ideal

dPP

HdTCdU

dPP

HdT

T

HdH

TP

TP

VP

H

T

0

TP

H

Perubahan energi pada proses adiabatis (dq = 0)

-untuk kerja P-T

-pada gas ideal : dU = nCv(T) dT

-untuk proses reversial Pluar = Pdalam

wdU

dVPdU luar

dVPdTTnCv luar)(

dVVnR

TdTTnCv

dVVnRTdTTnCv

)()(

][)(

1

2

1

2 lnlnV

VR

T

TCV

2211

122

111

1

1

2

1

2

VPVP

VTVT

T

T

T

T

VC

R

V

V

T

T

2

1

1

2 V

P

C

C1

VCR

Jika CV konstan

Maka

Kerja yang dilakukan sistem selama perubahan volume

Suatu gas ideal berada dalam wadah yang ditutup oleh piston yang bisa digerakkan naik turun, seperti gambar :


Adanya tambahan energi dari lingkungan menyebabkan energi dalam sistem (gas ideal) bertambah. U = 3/2 nRT, karenanya ketika energi dalam gas ideal bertambah, suhu meningkat dan menyebabkan gas ideal memuai dan mendorong piston sejauh s, yang artinya sistem (gas ideal) melakukan kerja terhadap lingkungan (udara luar).Pada mulanya tekanan sistem besar (P1) dan volume sistem kecil (V1). Setelah kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem dan sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem bertambah (V2) dan tekanan sistem berkurang (P2).

W = Fs —– F = PAW = PAs —– As = VW = PVKerja yang dilakukan sistem terjadi selama perubahan volume. W = (ΔP)(ΔV)


Kerja adalah hasil kali dari perubahan tekanan dan perubahan volume


P konstan, ΔP=0 sehingga W = P (Δ V)sistem melakukan kerja terhadap lingkungan apabila volume sistem bertambah dan lingkungan melakukan kerja terhadap sistem apabila volume sistem berkurang. Jika V konstan selama proses maka sistem tidak dapat melakukan kerja terhadap lingkungan dan lingkungan juga tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem,W = 0.

Penerapan HK I dalam beberapa proses Termodinamika

Proses isotermal

Pada proses isotermal (suhu konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan sistem untuk melakukan kerja (W).


Proses adiabatik


Proses adiabatikApabila sistem ditekan dengan cepat (kerja dilakukan terhadap sistem), maka W negatif, U bernilai positif (energi dalam sistem bertambah). Sebaliknya jika sistem berekspansi atau memuai dengan cepat (sistem melakukan kerja), maka W positif, dan U bernilai negatif (energi dalam sistem berkurang).Energi dalam sistem (gas ideal) berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya jika energi dalam sistem bertambah maka suhu sistem juga bertambah. Sebaliknya, jika energi dalam sistem berkurang maka suhu akan berkurang.


Proses adiabatik

Untuk kenaikan volume yang sama, tekanan sistem berkurang lebih banyak pada proses adiabatik dibandingkan dengan proses isotermal, karena pada proses adiabatik terjadi pemuaian adiabatik, maka suhu sistem juga berkurang. Suhu berbanding lurus dengan tekanan, karenanya apabila suhu sistem berkurang, maka tekanan sistem juga berkurang. Sebaliknya pada proses isotermal, suhu sistem selalu konstan, jadi suhu tidak ikut mempengaruhi penurunan tekanan.


Proses isobarikΔU = Q – WP dijaga agar konstankalor ditambahkan pada sistem, sistem memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan, kemudian volume sistem memuai menjadi menjadi V2

Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.


Proses isokhorik

pada proses isokorik (volume konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan untuk menaikkan energi dalam sistem.


Studi kasus

Pada proses manakah terjadi kerja yang dilakukan oleh gas lebih kecil?

HK I TermodinamikaContoh soal :Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem, sedangkan sistem melakukan kerja 1000 Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Jika kalor sebanyak 2000 Joule meninggalkan sistem kemudian sistem melakukan kerja 1000 Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem dan kerja 1000 Joule dilakukan pada sistem, berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Soal• 0,412 gram glukosa dibakar dalam kalorimeter bom yang kapasitas

kalornya 541 J K-1, temperatur naik 7,801 K. Hitung entalpi molar pembakaran standar, energi dalam pembakaran standar dan entalpi pembentukan glukosa standarnya.

• Hitung perubahan entropi dari 30 gram alumunium yang dipanaskan dari 500 sampai 700 OC. Titik leleh 660OC, kalor pelelehan 393 J g-1dan kapasitas kalor zat padat dan zat cair masing-masing adalah : (31,8 + 3,15 .10-3 T) JK-1 mol-1 dan (34,3 + 1,12 .10-3 T) JK-1 mol-1.

• Suatu tangki mengandung 20 L gas monoatomik terkompresi pada 10 atm dan 25oC. Hitung kerja maksimum (dalam Jaoule) yang dilakukan bila gas terekspansi sampai tekanan 1 atm secara: a) isotermal, b) adiabatis

Soal

• Dalam pemampatan reversibel isotermal dari 52 mmol gas ideal pada temperatur -13 oC, volume gas berkurang sampai 1/3 volume awal. Kerja dalam proses ini adalah..............

• Suatu gas menempati volume 0,5 L pada tekanan 1,2 bar dan temperatur 0 oC. Jika dimampatkan dengan tekanan udara luar tetap sebesar 100 bar, volume menyusut 60 %. Kerja dalam proses ini adalah….

Hukum I Termodinamika

Documents

Transcript of Hukum I Termodinamika