TERMODINAMIKA

Disusun oleh,Nama : Siti NurjanahNIM : 133711010

Sumber energiBagian atas sebuah mobil dengan luas 4 m2 ditutupi

dengan sel fotovoltaik yang menyediakan energi untuk sebuah motor listrik. Cuaca hari itu sangat cerah tanpa awan, maka daya matahari yang diterima per satuan luas adalah 0,8 kW/m2 . Jika efisiensi sel fotovoltaik adalah 25% berapa daya yang diberikan pada motor ?

pembahasan:Daya yang diberikan adalah daya matahari per satuan

luas, dikalikan dengan luas pengumpul dan dengan efisiensi.

P= 800 W/m2 (4 m2)(0,25) = 800 W

I. SUHU DAN PANAS

A. Suhu dan Kesetimbangan Termal

suhu merupakan besaran skalar yang dipunyai semua sistem termodinamika, sehingga kesamaan suhu adalah syarat yang perlu dan cukup untuk kesetimbangan termal.

kesetimbangan termal merupakan suatu keadaan dimana interaksi termal antara kedua benda sudah tidak mengalami perubahan lagi. Keduanya memiliki suhu yang sama.

Hukum ke-nol termodinamika (zeroth law of thermodynamics)

Jika sistem A dan B masing-masing berada pada kesetimbagan termal dengan sistem C , maka A dan B juga mengalami kestimbangan termal terhadap satu sama lain.

NB : Kedua sistem dikatakan berada dalam kesetimbangan termal jika dan hanya jika memiliki suhu yang sama.

B. Termometer dan Skala Suhu

Skala suhu celcius dan fahrenheit dibuat berdasarkan suhu pembekuan (0 ˚ C = 32 ˚ F) dan pendidihan (100˚C = 212 ˚ F ) pada air. Keduanya dihubungkan oleh :

TF = 9/5. TC + 32 ˚

TC = 5/9 (TF – 32 ˚)

1 C ˚ = 9/5 F ˚

C. Termometer Gas dan Skala Kelvin

Prinsip dalam termometer gas adalah bahwa tekanan gas pada volume konstan akan bertambah seiring dengan perubahan suhu.

Skala kelvin memiliki nilai nol dari ekstrapolasi suhu dengan tekanan nol pada termometer gas tekanan tetap, yaitu -273,15 ˚ C. Maka 0 K = -273,15 ˚ C, sehingga

TK = TC + 273,15

Pada skala termometer gas, perbandingan antara kedua suhu didefinisikan setara dengan perbandingan dua tekanan pada termometer gas yang berkaitan:

T2 P2

T1 P1

Suhu titik triple air adalah 0,01 ˚ C dan didefinisikan sebagai 273,15 ˚ K.

D. Ekspansi Termal

1. Ekspansi Linear

Jika suatu benda dengen panjang awal L0 dan suhu awal T0 mengalami perubahan suhu, maka besar perubahan panjang dirumuskan dengan :

∆L = αL0 ∆T Dan panjang akhirnya sama dengan

L = L0 + ∆L = L0 + αL0 ∆T = L0(1 + α ∆T ) dengan α = koefisien ekspansi linear masing-masing benda.

KoefisiEn ekspansi linear

BAHAN• Aluminium• Kuningan• Tembaga• Kaca • Invar (paduan besi dan

nikel)• Kuarsa (dilebur)• Baja

KOEFISIEN ( α )• 2,4 x 10-5

• 2,0 x 10-5

• 1,7 x 10-5

• 0,4-0,9 x 10-5

• 0,09 x 10-5

• 0,04 x 10-5

• 1,2 x 10-5

2. Ekspansi Volume

Peningkatan suhu umumnya menimbulkan ekspansi volume, baik pada benda padat maupun cair. Kenaikan ini juga akan berbanding lurus dengan kenaikan suhu.jika suatu benda dengan volume awal V0 maka besarnya perubahan volume ∆V adalah :

∆V = βV0∆T dengan β adalah koefisin ekspansi volume

masing-masing benda.

Koefisien ekspansi volume

Padatan • Aluminium = 7,2x10-5

• Kuningan = 6,0x10-5

• Kaca = 1,2-2,7x10-5

• Invar = 0,27x10-5

• Kursa = 0,12x10-5

• Baja = 3,6x10-5

Cairan • Etanol =75x10-5

• Karbon disulfida =115x10-5

• Gliserin =19x10-5

• Raksa =18x10-5

3. Ekspansi termal pada air

air pada rentang suhu 0 ˚ C sampai dengan 4 ˚ C, volumenya menyusut seiring kenaikan suhu, pada rentang ini koefisien ekspansi volume adalah negatif. Di atas 4 ˚ C, air berekspansi saat dipanaskan. Maka air memiliki dentitas tertinggi pada 4 ˚ C, air juga berekspansi pada saat membeku, itu sebabnya mengapa es menggumpal dibagian tengah baki es.

4. Tegangan Termal

jika kita menjepit ujung-ujung suatu batang secara erat untuk mencegah ekspansi atau kontraksi dan kemudian mengubah suhu, maka tarikan atau tegangan kompresi yang disebut tegangan termal akan terjadi. jika benda tersebut tidak dibiarkan berekspansi atau berkontraksi, maka prsamaannya adalah :

F /A = -Yα ∆T

E. Kuantitas Panas Panas adalah energi yang berpindah dari satu tempat ke

tempat lainsebagai akibat perpindahan suhu. Kuantitas panas Q yabg dibutuhkan untuk menaikkan suhu bahan dengan massa m sebesar ∆T adalah:

Q = mc ∆Tdengan c adalah kapasitas panas spesifik dari bahan.

Ketika kuantitas suatu bahan dinyatakan dalam n mol, maka persamaanya adalah:

Q = nC ∆T,dengan C = Mc adalah kapasitas panas molar (M adalah

massa molar). Jumlah mol n dan massa m dari suatu bahan dihubungkan oleh m = nM.kapasitas panas molar dari banyak unsur padatan adalah berkisar 25 J/mol. Ini merupakan aturan Dulong dan Petit.

F. Kalorimetri dan Perubahan Fasa

Peubahan fasa merupakan perubahan bahan dari salah satu bentuk materi (misalnya padat) menjadi bentuk lain (misalnya gas atau cair)Untuk mengubah fasa tersebut dengan massa m pada suhu yang sama , dibutuhkan penambahan atau pengurangan sejumlah kuantitas panas Q sebesar :

Q = ± mL.

Dengan L adalah panas peleburan, penguapan atau sublimasi. Jika panas ditambahkan, maka Q positif, dan jika dikeluarkan Q bernilai negatif. Untuk air pada tekanan atmospher normal, panas peleburan adalah 3,34x10-5 J/kg. Dan untuk penguapan sebesar 2,256x106 J/kg.

G. Mekanisme Perpindahan Panas

Konduksiperpindahan energi gerakan molekuler suatu bahan tanpa gerakan dasar dari bahan itu sendiri. arus panas H untuk konduksi tergantung pada luas A yang dilalui aliran panas, panjang L yang menjadi jalur panas, perbedaan suhu ( TH-TC) dan konduktivitas termal k dari bahan.

H = kA.TH-TC

L

Konveksi Perpindahan pana soleh gerakan massa pada fluida dari satu darah ruang ke daerah lainnya. Contoh : aliran darah dalam tubuh, sistem pendingin pada mesin.Konveksi proses perpindahan yang amat kompleks, tergantung pada luas permukaan, arah dan perbedaan suhu antara benda dan lingkungannya. Sehingga tidak ada persamaanya untuk mendiskripsikannya.

Fakta hasil percobaan konveksi

Arus panas karna konveksi berbanding lurus dengan luas permukaan.

Kekentalan fluida memungkinkan konvksi alamia berjalan lambat di dekat permukaan stasioner, menghasilkan lapisan permukaan yang pada permukaan vertikal umumnya memiliki harga isolasi yang sebanding dengan plywood setebal 1,3 cm (harga R 0,7). Konveksi paksa mengurangi ketebalan lapisan ini, meningkatkan laju prpindahan panas. Ini menjelaskan mengenai faktor angin dingin. ( kita merasa lebih cpat dingin oleh angin dingin dari pad udara diam pada suhu yang sama).

Arus panas akibat konveksi dapat dianggap sebanding dengan 5/4 daya dari perbedaan suhu antara permukaan dan bagian utama fluida.

Radiasi perpindahan panas oleh energi elektromagnetik seperti cahaya tampak, infra red, dan radiasi ultra ungu. Contoh radiasi matahari, panas dari perapian.Arus panas H akibat radiasi adalah :

H = AeσT4

dengan A adalah luas permukaan, e adalah emisivitas permukaan, T adalah suhu mutlak, σ adalah konstanta Stefan-Boltxmann.

Ketika suatu benda pada suhu T dikelilingi oleh bahan dengan suhu TS, maka total arus panas dari benda ke lingkungannya adalah :

Htotal = Aeσ(T4 – Ts4 )

H. Rangkaian Terintegrasi ( IC )

o Studi kasus tentang perpindahan panaskeping IC dan VLSI adalah jantung dari hampir seluruh perangkat elektronik modern, meliputi komputer, sistem stereod dan sistem injeksi bahan bakar pada mesin mobil. Kegunaan yang luas dari perangkat ini menimbulkan masalah yang baru perpind dan menarik mengenai perpindahan panas. Sejumlah energi listrik yang dikaitkan dengan arus listrik pada keping didisipasikan dalam keping sebagai panas. Jika keping menjadi terlalu panas maka rangkaian tidak lagi dapat diandalkan atau bahkan menjadi rusak.

o Untuk sebuah keping IC dalam kemasan plastik, suhu tertinggi yang aman adalah 100 ˚ C dan dalam kemasan keramik sampai pada suhu 120 ˚ C. Untuk melihat apakah suhu sebuah keping yang bekerja telah mencapai batasnya, kita gunakan prinsip “ daya masukan sama dengan daya keluaran “. Daya keluaran H adalah sebanding dengan perbedaan Tic – Tamb antara suhu keping Tic dan suhu lingkungan Tamb. Dengan menggunakan konstanta kesebandingan rth yang tergantung pada bentuk dan ukuran IC, kita nyatakan laju rugi panas H sebagai,

H = Tic – Tamb

rth

o Ketika IC mencapai suhu kerja akhir laju rugi panas harus setara dengan daya listrik P yang didisipasi dalam perangkat. Dengan menyetarakan P dan H dan mencari Tic kita peroleh : Tic = Tamb + rthPharga rth berkisar antara 30-70 K/W.

II. SIFAT TERMAL MATERI

A. Persamaan Keadaankeadaan biasanya didiskripsikan malalui kuantitas fisik seperti volume, tekanan, suhu dan jumlah bahan. Dalam beberapa kasus, hubungan antara V, p, T, dan n cukup sedderhana sehingga kita dapat menyatakannya sebagai sebuah persamaan yang disebut persamaan keadaan.

Persamaan Gas Idealpersamaa gas ideal : pV = nRT Dengan R merupakan konstanta gas yang nilainya sama untuk semua jenis, besarnya = 8,315 J/mol K.

Kita juga dapat menyatakan persamaan gas ideal berkaitan dengan massa mtot dari gas dengan menggunakan mtot = nM, pV= mtot x RT

MDari sini kita juga dapat mmeperoleh sebuah

pernyataan untuk krapatan ρ = mtot/V ρ = pM

RT

Untuk massa atau jumlah mol yang konstan dari suatu gas ideal, hasil nR adalah konstan, sehingga besarnya pV/T juga konstan, maka

p1V1 = p2V2 = konstan ( gas ideal, massa konstan )

T1 T2

Persamaan Van Der Waalspersamaan ini pertamakali dikemukakan oleh seorang fisikawan Belanda abad XIX D.J. Van der Waals.

P + an2 ( V – nb ) = nRTV2

Dengan a dan b adalah gas yang berlainan. Secara garis besar, b mewakili volume dari satu mol molekul, dan a merupakan konstanta yang bergantung pada gaya tarik menarik antar molekul.

Diagram pV

Penjelasan Pada diagram tampak garis-garis isotermal, pada suhu dibawah titik kritis maka tekanan akan konstan ketika melalui daerah dua fase cair-uap, tetapi pada daerah satu fasa maka tekanan akan turun pada temperatur temperatur tetap dan volume spesifik naik. Sedangkan saat temperature sama atau lebih dari temperature kritis (Tc), maka tekanan akan menurun secara terus menerus pada temperature tetap dan volume spesifik meningkat (kurva ditunjukkan oleh tanda panah biru). Hal ini terjadi karena kurva tersebut tidak memotong pada daerah dua fasa cair-uap.

B. Sifat Molekuler Materi Dalam gas molekul bergerak secara bebas, nyaris tanpa adanya

gangguan antara satu dengan yang lainnya, sedangkan dalam cairan dan padatan, nolekulunya terikat oleh gaya antar molekul yang berupa listrik alami, yang muncul dari interaksi partikel bermuatan listrik yang menyusun molekul tersebut. Interaksi tersebut dideskripsikan oleh sebuah gaya (saling menolak jika bermuatan sama, dan tarik menarik jika berlainan muatan) dengsn besar yg sebnading dengan 1/r2, dimana r adalah jarak antar titik. Harga F akan positif jika saling menolak, dan bernilai negatif jika saling menarik. Energi kinetik molekul besarnya sebanding dengan Dalam cairan, jarak antar molekul sedikit lebih besar daripada dalam fasa padatan, tetapi molekulnya memiliki kebebasan bergerak yang jauh lebih besar. Molekul gas umumnya terpisah dengan jarak yang lebar sehingga gaya tarik menarinya sangat kecil.

Mol adalah jumlah bahan yang mengandung partikel dasar sebanyak atom dalam 0,012 kg karbon 12.

Jumlah molekul dalam satu atom disebut bilangan avogadro(NA) yang nilainya sebesar 6,022.1023 .

Massa molar M adalah massa dari satu mol.M = NAm

C. Model Kinetik-Molekuler Gas Ideal Energi kinetik translasi rata-rata dari molekul gas ideal berbanding

lurus terhadap suhu mutlak.Ku = 3/2 nRT

dengan menggunakan konstanta Boltzmann, k = R/NA,

sehingga dapat dinyatakan berkaitan dengan energi kinetik translasi rata-rata per molekul :

1/2m. ( v2 )rt = 3/2kT Laju akar rata-rata kuadrat

vrms = ( v2 )rt 1/2 = ( 3kT/m )1/2 = (3RT/M)1/2

Tumbukan Antar Molekuljumlah tumbukan per satuan waktu adalah :

dN = 4π.21/2 . r2. v.N dt V

Waktu rata-rata trata antar tumbukan disebut waktu bebas rata-rata dinyatakan :

trata = V 4π.21/2 . r2. v.N

Jarak rata-rata yang ditempuh antar tumbukan disebut lintasan bebas rata-rata dilambangkan dengan λ,

λ = vtrata = V 4π.21/2 . r2. v.N

Karena pV=NkT, maka persamaanya dapat ditulis:λ = kT 4π.21/2 . R2. p

NB: jika suhu dinaikkan pada tekanan konstan, gas memuai, jarak rata-rata antar molekul bertambah, dan λ meningkat. Jika tekanan dinaikkan pada suhu yang konstan gas terkompresi dan λ berkurang.

D. Kapasitas PanasKapasitas Panas Gas

kapasitas panas gas monoatomik : Cv = 3/2 R

kapasitas panas gas diatomik : Cv = 5/2 R Dengan :

R = 8,315 J/mol. K

Cv = kapasitas panas molar pada volume konstan

Kapasitas Panas pada Padatan Atom memiliki energi kinetik rata-rata dan energi potensial rata-rata yang sama besar. Sehingga energi totalnya adalah :

Etot = 3NkT = 3nRTdari sini disimpulkan bahwa kapasitas panas pada padatan yakni :

Cv = 3R

pada suhu rendah, kapasitas panas dari hampir semua padatan menurun seiring turunnya suhu.

E. Laju Molekuler

Laju molekul pada gas ideal terdistribusi sesuai dengan Maxwell-Boltzmann :

f(v) = 4π m 3/2 v2 - e –mv2/2kT 2 πkT

Jika dihubungkan dengan energi kinetik translasi dari sebuah molekuler (ε) . Dimana ε = ½ mv2 maka akan diperoleh persamaan :

f(v) = 8π m 3/2 εe-ε/kT

m 2 πkT

F. Fasa – Fasa Materi Material umumnya terdapat dalam fasa cair, gas dan

padat. Perubahan dari satu fasa ke fasa lain umumnya terjadi pada kondisi kesetimbangan fasa antara dua fasa dan untuk tekanan tertentu ini terjadi pada hanya satu suhu tertentu.

Diagram fasa pT

KETERANGAN• Garis-garis titik merupakan sifat anomali air. Garis hijau menndakan

titik beku dan biru menandakan titik didih yang berubah-ubah sesuai dengan tekanan.

• Fase-fase dipisahkan dengan garis non-analisitas, dimana transisi fase terjadi dan disebut sempadan fase.

• Sempadan fase antara gas dan cair tidak berlanjut sampai tak terhingga, ia akan berhenti pada sebuah titik diagram fase yang disebut titik kritis. Ini menunjukkan bahwa pada temperatur dan tekanan yang sangat tinggi fase cair dan gas tidak dapat dibedakan, yang dikenal sebagai fluida suprkritis.

• Sempadan fase padat-cair umumnya memiliki gradiean yang positif. Hal ini karena fase padat memiliki dentitas yangb lebih tinggi daripada fase cair, sehingga peningkatan tekanan akan meningkatkan titik leleh. Pada beberapa bagian diagram fase air, sempadan fase padat-cair air memiliki gradien negatif, menunjukkan bahwa es memiliki dentitas yang lebih kecil daripada air.

III. HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

A. Sistem Termodinamika Sistem termodinamik adalah sistem yang dapat

berinteraksi (dan bertukar energi) dengan sekitarnya misalnya dengan perpindahan panas.Aplikasi sistem termodinamika dalam kehidupan yaitu, dalam proses pembuatan popcorn, mesin mobil dan mesin jet dalam pesawat terbang yang menggunakan panas pembakaran dari bahan bakarnya untuk menghasilkan kerja mekanik yang menggerakkan mesin.

NB: aturan tanda dalam termodinamikaQ + jika energi masuk ke dalam

sistem Q - jika energi keluar dari sistemW + energi meninggalkan sistemW - energi memasuki sistem

B. kerja yang dilakukan Selama Perubahan Volume

Pada saat gas berekspansi, sambil bergerak keluar gas akan menekan ke arah luar pada permukaannya, sehingga bernilai positif. Sebuah sistem termodinamikan dapat bertukar energi dengan lingkungannya dengan perpindahan panas atau kerja mekanik dan pada sejumlah kasus juga dengan mekansme yang lain. Ketika sebuah sistem pada tekanan p berekspansi dari volume V1 ke V2 menghasilkan sejumlah kerja .

jika tekanan konstan selama ekspansi maka : W = p(v2 – v1)

jika volume dalam sistem konstan, maka sistem tidak melakukan kerja, karena tidak terjadi prpindahan.

C. Lintasan diantara keadaan termodinamik

• Pada proses termodinamik manapun, panas yang ditambahkan ke sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem bergantung tidak hanya pada keadaan awal dan akhir, tetapi juga pada lintasannya (rangkaian keadaan menengah yang dilalui selama sistem bekerja).

C. Energi Dalam Dan Hukum Pertama Termodinamika

Energi dalam (U) adalah suatu sistem sebagai jumlah energi kinetik seluruh partikel penyusunnya, ditambah jumlah seluruh energi potensial dari interaksi antara seluruh partikel tersebut. Perumpamaannya jika sistem adalah segelas air, penempatannya pad rak yang tinggi akan meningkatkan energi potensial gravitasi akibat dari interaksiantara gelas dengan bumi, tapi hal ini tidak berpengaruh pada interaksi antara molekul air, sehingga energi dalamnya tidak berubah.

Hukum I Termodinamikahukum ini berkaitan dengan kekekalan energi, energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat dikonversi dari satu bentuk ke bentuk lain .

“ Jika panas Q ditambahkan ke sebuah sistem sementara sistem melakukan kerja W, maka energi U berubah sejumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya”

U2 – U1= ∆U = Q – WQ = ∆U + W

NB: walaupun diatas telah dijelaskan bahwa Q dan W bergantung pada lintasan, namun ∆U = Q – W tidak bergantung pada lintasan. Perubahan energi-dalam suatu sistem selama proses termodinamik apapun bergantung hanya pada keadaan awal dan akhir, tidak pada lintasan yang menghubungkan kedua keadaan.

Sebuah proses yang akhirnya mengembalikan suatu sistem ke keadaan awal disebut proses siklus. Untuk proses semacam itu, keadaan akhir sama dengan keadaan awal, sehingga energi-dalam total adalah nol.

U2 = U1 dan Q = W

Pada sistem terisolasi, yang tidak melakukan kerja pada lingkungannya dan tidak megalami aliraan panas dari atau menuju ke lingkungannya. Untuk proses apapun yang berlangsung dalam sistem terisolasi. Sehingga,

W = Q = 0 sehingga U2 – U1= ∆U = 0

dengan kata lain, energi-dalam suatu sistm terisolasi adalah konstan.

Perubahan Keadaan yang Sangat Kecil (Infinitesimal)

Pada proses yang sangat kecil Hukum I termodinamika didefinisikan sebagai

dU = dQ – dW sehingga dU = dQ – p dV

E. Proses-Proses TermodinamikProses Adiabatik

Proses tanpa perpindahan panas yang masuk atau keluar dari sistem. Q=0.

U2 – U1 = ΔU = -W

Proses IsokhorikProses pada volume konstan. Ketita volume suatu sistem termodinamika konstan, maka volume tidak melakukan kerja pada lingkungannya. W = 0, dan

U2 – U1 = ΔU =Q

Proses IsobarikProses pada tekanan konstan. Proses yang berkaitan dengan ini misalnya air mendidih.

W = p(V2 – V1)Proses Isotermal

Proses pada suhu konstan. Pada sejumlah kasus khusus, energi-dalam sistem bergantung hanya pada suhu, tidak pada tekanan atau volume, misalnya pada gas ideal. Jika suhu konstan energi-dalam juga konstan. ΔU = 0 dan Q = W. Sehingga semua energi yaang masuk ke sistem sebagai panas Q harus keluar sistem lagi sebagai kerja W yang dilakukan oleh sistem.

F. Energi Dalam Pada Gas Ideal

• Energi dalam dari gas ideal hanya bergantung pada suhunya, bukan pada tekanan atau volumenya. Namun untuk bahan lainnya energi dalam umumnya bergantung pada tekanan dan suhu.

G. Kapasitas Panas Dari Gas Ideal

• Kapasitas panas pada gas ideal ini berkaitan dengan kapasitas panas molar pada volume konstan Cv dan kapasitas panas molar pada tekanan konstan Cp. Keduanya dihubungkan oleh persamaan Cp = Cv + R .Rasio kapasitas panas, Cp/Cv dilambangkan dengan γ.

γ = Cp/Cv

H. Proses Adiabatik Untuk Gas Ideal• Untuk proses adiabatik pada gas ideal kuantitas

TVγ-1 dan pVγ adalah konstan. Untuk keadaan awal (p1, V1, T1) dan keadaan akhir (p2, V2, T2),

T1V1γ-1 = T2V2

γ-1 p1V1

γ = p2V2γ

kerja yang dilakukan oleh gas ideal selama ekspansi adiabatik adalah :

W = nCv (T1 – T2) = Cv (p1V1 – p2V2) R

= 1 (p1V1 – p2V2) γ-1

IV. HUKUM II TERMODINAMIKA

A. Arah Proses Termodinamik

proses termodinamika yang berlangsung seluruhnya secara alami disebut proses ireversibel. Hanya pada satu arah. Misalnya proses aliran panas dari benda panas ke benda dingin.Proses yang dapat berlangsung secara bolak balik disebut proses reversibel. Pada proses ini selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika. Misalnya panas yang mengalir diantara dua benda dengan perbedaan suhu yang sangat kecil.

B. Mesin KalorMesin kalor : seluruh perangkat yang dapat

mengubah panas secara parsial menjadi kerja atau energi mekanik. Seluruh mesin kalor menyerap panas dari sumber pada suhu yang relatif tinggi, melakukan sejumlah kerja mekanik, dan membuang sejumlah panas pada suhu yang lebih rendah. Proses siklus merupakan proses yang mendaur bahan buangan untuk menghasilkan keadaanakhir yang sama dengan keadaannya saat proses dimulai.

Ketika sistem mengalami proses siklus, energi-dalam awal dan akhirnya harus sama.

U2 – U1 = 0 = Q – Wjadi Q = W.

sebuah mesin kalor mengambil panas QH dari sebuah sumber, mengubahnya sebagian menjadi W, dan membuang sisanya QC pada suhu yang lebih rendah. Efisiensi termal e dari mesin kalor adalah :

e = W = 1 + QC = 1 – QC QH QH QH

C. Mesin Pembakaran Dalam Siklus Otto

NB : QL disini nanti penjelasannya diganti dengan QC

• aplikasinya dalam mesin bensin.

• Penjelasan diagram : a : campuran uap udara dan bensin masuk ke dalam silinder.a-b : campuran udara dan bensin di tekan secara adiabatik.b-c : volume silinder berkurang, campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan. Campuran dibakar.c-d : gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik.d-a : pendinginan pada volume konstan, gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara dan uap bensin yang baru masuk ke silinder.

• Nilai efisiensi termal maksimum teoritis e adalah :

e = 1 - 1 rγ-1

dengan r = rasio kompresi.

Siklus Diesel

NB : QL disini nanti dalam pembahasannya diganti dengan QC

• Penjelasan Diagrama-b : gas ditekan secara adiabatik.b-c : lalu dipanaskan pada tekanan konstan. Injektor menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran.c-d : gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik.d-a : pendinginan pada volume konstan. Gas yang terbakar dibuang pada pipa pembuangan dan udara yang baru masuk ke silinder.

• Rasio kompresi pada mesin diesel lebih tinggi daripada mesin bensin. Hal ini memperbaiki efisiensi dan mengahasilkan penyalaan yang lebih baik ketika bahan bakar diinjeksikan. Mesin diesel juga lebih efisien daripada mesin bensin. Namun mesin diesel juga lebih berat (per satuan daya keluaran) dan sering kali lebih sulit untuk dinyalakan.

D. Pendingin • Sebuah pendingin mengambil panas Qc dari

tempat yang lebih dingin, memiliki kerja masukan W dan membuang panas QH pada tempat yang lebih hangat. Koefisien kinerja K didefinisikan sebagai :

K = Qc = Qc W QH - Qc

E. Hukum II Termodinamika• Hukum II termodinamika menyatakan bahwa

tidak mungkin untuk sebuah sistem bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi kerja mekanik, dengan sistem yang berakhirbpada keadaan yang sama seperti keadaan awalnya.

• Hukum II ini menyatakan bahwa aliran memiliki arah, dengan kata lain, tidak semua proses di alam adalah reversibel (dapat dibalikkan arah).

F. Siklus Carnot

• Diagram Siklus Carnot

NB : Pada pembahasan selanjutnya kita sebut Q1 sebagai QH dan T1 sebagai TH, Q2 sebagai QC dan T2 sebagai TC.

penjelasan 1. Proses pemuaian secara isotermik A ke B. Pada

proses ini sistem menyerap kalor QH dari reservoir bersuhu tinggi TH dan melakukan usaha WAB.

2. Proses pemuaian adiabati B ke C. Selama proses ini berlangsung, suhu dari sistem turun dari TH ke Tc. Sambil melakukan usaha WBC.

3. Proses pemampatan secara isotermik C ke D. Pada proses ini sistem menerima usaha WCD dan melepas kalor Qc ke reservoir bersuhu rendah Tc .

4. Proses pemampatan secara adiabati D ke A. Selama proses ini suhu sistem naik dari Tc ke TH akibat penerimaan usaha WDA.

• Persamaan dalam siklus CarnotW = QH 1 – TC

TH

Bisa juga dituliskan W = Q1 – Q2.

QC = - TC atau QC = TC QH TH QH TH

Siklus Carnot beroperasi diantara dua reservoir panas pada suhu TH dan TC dan hanya menggunakan proses reversibel. Efisiensi termalnya adalah :

ecarnot = 1 – TC = TH – TC

TH TH

• Pendingin CarnotDalam mesin carnot berlangsung proses reversibel (bolak-balik), sehingga dimungkinkan untuk mengubahnya menjadi pendingin. Koefisien kinerja dari pendingin carnot adalah :

Kcarnot = TC TH – TC

Ketika perbedaan suhu TH – TC kecil, K lebih besar daripada satu, dalam kasus ini panas dalam jumlah besar dapat dipompakan dari suhu rendah ke suhu tinggi dengan hanya dibutuhkan sedikit kerja.

• Siklus Carnot dan Hukum II Bentuk lain dari hukum kedua adalah bahwa tidak ada pendingin yang beroperasi di antara dua suhu yang sama dapat memiliki koefisien kinerja yang lebih besar daripada sebuah pendingin Carnot. Semua pendingin carnot yang beroperasi di antara dua suhu yang sama memiliki koefisien kinerja yang sama.

G. Skala Suhu Kelvin• Skala suhu kelvin adalah skala yang

berdasarkan pada efisiensi siklus Carnot dan tidak tergantung pada sifat bahan spesifik apapun. Titik nol pada skala kelvin disebut nol mutlak.

• Devinisi rasio suhu, Tc/TH, setara dengan besar rasio QC/QH dari jumlah panas yang diserap dan dibuang.

TC = QC = -QC

TH QH QH

H. Entropi Entropi dan Ketidakaturan

entropi merupakan suatu aturan kuantitatif dari ketidakaturan. Gas berada dalam keadaan lebih tidak teratur setelah berekspansi karena molekul bergerak dalam volume yang lebih besar dan memiliki keacakan posisi.

ΔS = Q T

Suhu yang lebih tinggi mengakibatkan naiknya ketidakaturan. Perubahan entropi dalam proses reversibel apapun

keadaannya adalah :

ΔS =

Entropi dalam Proses Siklus

perubahan entropi total untuk satu siklus dari Mesin Carnot apapun adalah nol. Perubahan entropi total untuk siklus penuh adalah jumlah dari perubahan entropi masing-masing siklus carnot yang lebih kecil, yang masing-masing adalah nol. Maka perubahan entropi total selama siklus reversibel adalah nol.

= 0

Entropi dalam Proses IreversibelDalam semua proses ireversibel menghasilkan

kenaikan entropi. Entropi ini harganya bisa berubah, tapi tidak pernah turun.

Entropi dan Hukum KeduaKetika seluruh sistem yang menyusun proses dilibatkan, entropi akan tetap konstan atau bertambah. Dengan kata lain, tidak mungkin ada proses yang terjadi dengan entropi total yang menurun, jika seluruh sistem yang menyusun proses dilibatkan. Peningkatan entropi dalam setiap proses yang alami dan ireversibel menjadi ukuran terhadap peningkatan ketidakaturan dari alam yang berhubungan dengan proses tersebut.

I. Pengertian Entropi Secara Mikroskospik• Untuk setiap sistem apapun, keadaan makroskopik yang

paling mungkin adalah yang memiliki keadaan mikroskopik yang terbanyak, yang berarti juga keadaan makroskopik dengan ketidakaturan dan entropi terbesar. Persamaan entropinya dari kemungkinan beberapa keadaan mikroskopik untuk keadaan makroskopik tertentu adalah :

• S = k In w dan ΔS = S2 – S1 = k In w2 – k In w1

= k In w2

w1

dengan w = jumlah kemungkinan k = R/NA merupakan konstanta Boltzman

J. Sumber EnergiStudy Kasus dalam Termodinamika

Hukum termodinamika memberikan batasan bagi perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lain.

Lebih dari setengah tenaga listrik yang dibangkitkan di USA diperoleh dari turbin-uap dengan batu bara. Boiler modern dapat memindahkan 80%-90% panas pembakaran batubara ke dalam uap. Namun dalam prakteknya, efisiensi turbin hanya sekitar 50% dan efisiensi termalnya hanya sekitar 42%.

Pada tahun 1990, 18% dari pasokan daya listrik di seluruh dunia berasal dari tenaga nuklir. Biaya konstruksi yang tinggi, pertimbangan mengenai keselamatan umum dan soal pembuangan limbah radioaktif melambatkan pembangunannya.

Hal-hal tersebut menyadarkan masyarakat untuk lebih peka pada lingkungan, bahwa asap batubara dapat mengakibatkan kerusakan yang serius dan berbahaya, seperti hujan asam serta global warming. Penting bagi kita untuk mengatur pembangunan sumber energi dan penggunaannya demi kelangsungan hidup manusia. Lagipula, telah dijelaskan bahwa polusi termal pembakaran batubara dan pembangkit nuklir juga menghasilkan masalah lingkungan yang sangat serius.

Energi matahari sangat potensial untuk dimanfaatkan. Misalnya dengan sel fotovoltaik, bukan seperti mesin kalor yang tidak dibatasi efisiensi Carnot, efisiensinya bisa mencapai 50%, namun model ini membutuhkan modal yang tinggi. Akan tetapi banyak keuntungan yang potensial, rendahnya tingkat kebisingan, sedikitnya bagian yang bergerak, minimnya perawatan, dan pengurangan polusi.

Kedua dengan mengubah energi matahari menjadi energi angin. Sekitar 1% energi matahari diubah menjadi energi angin, kemudian dikumpulkan dan diubal oleh sekelompok turbin angin. Misalnya turbin dengan diameter 40 m, pada angin 8 m/s, itu dapat mengambil 400 kW dari udara. Dan seperempatnya bisa diubah menjadi daya listrik, yang cukup untuk 30 rumah, seperti pada sistem diatas, sistem ini juga memerlukan biaya yang tinggi.

Skema yang lain dengan menggunakan gradien suhu pada samudra. Sebagai contoh di Teluk Meksiko, suhu di dekat permukaan sekitar 25°C dan pada kedalaman beberapa ratus meter suhunya 5°C. Hukum kedua termodinamika melarang pendinginan samudra dan mengubah panas yang dihasilkan secara penuh menjadi kerja, tetapi tidak ada larangan untuk menjalankan mesin kalor antara kedua suhu tersebut. Efisiensinya memang hanya sekitar 7%, namun mengingat dua pertiga permukaan bumi adalah samudra, maka persediaan energi yang sangat besar dapat tersedia.

Soal-Soal

• Termometer dan Skala Suhu1. konversikan suhu Celcius berikut ini ke Fahrenheit.a. -62,8°C suhu terendah yang tercatat di Amerika Utara. b. 56,7°C suhu tertinggi yang tercatat di Amerikac. 31,1°C suhu tahunan rata-rata tertinggi.2. Tentukan suhu Celcius yang setara dengan a.Malam musim dingin di Seatle (41,0°F)b.Siang hari yang panas di Palm Springs (107,0°F)c.Hari musim dingin di sisi utara Manitoba (-18,0°F)

Pembahasan

• 1. Di : a. T =-62,8°C b. T = 56,7°C c. T = 31,1°C

Dii : TF ... ? Diii : a. TF = Tc + 32°

= (-62,8°) + 32° = - 81,04°F

b. TF = Tc + 32° = (56,7°) + 32° = 134,06°F

c. TF = Tc + 32° = 31,1 ° + 32° = 87,98°F

2. Di : a. T = 41°F b. T = 107 °F

C. T = -18 °F Dii : TC

Diii : a. TC = 5/9 (TF - 32°) = 5/9 (41° - 32°) = 5°Cb. TC = 5/9 (TF - 32°) = 5/9 (107° - 32°) = 41,66 °C

c. TC = 5/9 (TF - 32°) = 5/9 (-18° - 32°) = -27,77°C

Termometer Gas dan Skala Kelvin1. Titik didih normal dari neon cair adalah -

245,92°C, berapa skala itu dalam skala Kelvin?

2. Konversikan suhu berikut ke dalam skala kelvin.a. Suhu terendah tercatat di negara bagian

-70°F.b. Suhu tertinggi di Australia 127°F.C. Suhu terendah yang tercatat di belahan bumi bagian utara -90°.

1. Di : T = -245,92°CDii : TK = ... ? Diii: TK = TC + 273,15°

= -245,92° + 273,15° = 27,23°K

2. Di : a. TF = -70° b. TF = 127° c. TF = -90°

Dii : TK = ... ? Diii : langkah pertama, kita konversikan dulu ke skala celcius, baru kemudian diubah ke skala kelvin.a. TC = 5/9 (TF - 32°)

= 5/9 (-70° - 32°) = -56,66° C

TK = TC + 273,15° = -56,66° + 273,15° = 216,49° K

b. TC = 5/9 (TF - 32°) = 5/9 (127° - 32°) = 52,77°C

TK = TC + 273,15° = 52,77 ° + 273,15 ° = 325,92 ° K

c. TC = 5/9 (TF - 32°) = 5/9 (-90° - 32°)

= -67,77°C TK = TC + 273,15°

= -67,77° + 273,15° = 205,38 ° K

Ekspansi Termal1. Jembatan Humber di Inggris memiliki

rentangan terpanjang di dunia, yaitu 1410 m. Hitung perubahan panjang dari bahan baja tersebut saat suhu naik dari -5°C ke 18°.

2. Batang pendulum sebuah jam terbuat dari logam kuningan. Berapakah fraksi perubahan panjang batang tersebut jika didinginkan dari 19,5°C ke 5°C.

Pembahasan

1. Di : L0 = 1410 m ΔT = 23 C= 23 K (jika nanti dikonversi,

selisihnya tetap akan sama) α = 1,2 . 10-5 K-1

Dii : ΔL = ... ? Diii : ΔL = α L0. ΔT

= 1,2 . 10-5 K-1 . 1410 m . 23 K = 38916. 10-5

= 0,38916 m ≈ 0,49 m

2. Di : α = 2.10-5 K-1

ΔT = 14,5 C= 14,5KDii : ΔL = ... ?Diii : ΔL = α L0. ΔT

= 2.10-5 K-1 . L0 . 14,5K = 29.10-5 L0

Kuantitas Panas1. Seorang anak dengan massa 40 kg yang terkena flu

mengalami demam 3°C diatas normal, yaitu dengan suhu tubuh 40°C. Asumsikan tubuh manusia sebagian besar terdiri dari air, berapa panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu sebesar itu ?

2. Seorang insinyur merancang mesin baru. Salah satu bagian yang bergerak mengandung 1,6 kg aluminium dan 0,3 kg besi dirancang untuk beroperasi pada suhu 210°C. Berapa panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhunya dari 20°C ke 210°C ?

Pembahasan

1. Di : m = 40 kg ΔT = 3°C = 3°K cair= 4190 J/kg.K

Dii : Q = ... ?Diii: Q = mc ΔT

= 40 kg. 4190 J/kg.K . 3°K = 50,28.104 J.

Sebenarnya kapasitas panas spesifik tubuh manusia hanya sekitar 83% dari kapasitas panas spesifik air, sehingga panas yang dibutuhkan adalah : 41,7324. 104 J

2. Di : mAl = 1,6 kg CAl = 24,6 J/mol.K mFe = 0,3 kg Cfe = 26,3 J/mol.K ΔT = 190°C = 190°K

Dii : Q = ... ?Diii : QAl = nAlCAl ΔT

= (1,6 kg/0,0270 kg/mol) . 24,6 J/mol.K . 190 K

= 276.977,77 J QFe = nFe CFe ΔT

= (0,3 kg/ 0,0559 kg/mol). 26,3 J/mol.K . 190 K = 26.817,53 J

Q = QAl + QFe

= 276.977,77 J + 26.817,53 J = 303.795,3 J

Kalori Metri dan Perubahan Frasa1. Pada sebuah tungku masak berbahan bakar

bensin, 45% energi yang dilepaskan pembakaran bensin terpakai untuk memanaskan air dalam panci. Jika kita memanaskan 2 L ( 1 kg ) air dari 10°C ke 100°C dan mendidihkan 0,25 kg air sampai menguap. Berapa banyak bensin yang dibakar dalam proses tersebut ?

2. Pada proses pembuatan es lilin rasa kopi, kita memanaskan air 0,2 kg yang awalnya bersuhu 10°C menjadi 90°C, kemudian kita meletakkannya di freezer sampai mencapai keadaan membeku. Berapa energi panas yang dibutuhkan dalam proses tersebut?

Penyelesaian .

1. • Panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu air dari

10°C ke 100°C adalah :Q1 = mc. ΔT = 1 kg. 4190 J/kg.K . 90°K

= 0,3771 . 106

• Untuk mendidihkan air 0,25 kg membutuhkan : Q2 = m.Lv = (0,25 kg) . (2,256.106 J/kl)

= 5,64 . 106 energi total yang dibutuhkan adalah jumlah keduanya, yaitu 6,0171 . 106 J. Dalam proses ini hanya 45%, sehingga energinya adalah (6,0171 . 106 J)/0,45 = 13,37 . 106 J.Seperti yang kita ketahui, setiap gram bensin melepaskan 46.000 J, sehingga massa bensin yang dibutuhkan adalah

13,37 . 106 J = 290,65 g. 46.000 J/g

• Panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu dari 10°C ke 90°C adalah :

Q1 = mc. ΔT = 0,2 kg . 4190 J/kg.K . 80°C = 67040 J

• Untuk membekukan 0,2 kg air tersebut : Q2 = -mLV = - (0,2 kg . 3,34.105 J/kg)

= -66800 J. Jadi panas yang dibutuhkan dalam proses ini adalah

67040 J – 66800 J = 240 J

Mekanisme Perpindahan Panas

1. Sebuah plat baja bujursangkar tipis, dengan sisi 20 cm, dipanaskan hingga suhu 300°K . Jika emisivitas adalah 0,60. berapa laju radiasi energi total ?

2. Jika luas permukaan pada tubuh pada hewan kerbau adalah 4 m2 dan suhu permukaan adalah 400°K. Tentukan laju radiasi energi total dari tubuh kerbau tersebut, jika emisivitas = 1.

penyelesaian

1.• Luas permukaan total :

2(0,2 m)2 = 0,08 m2

• H = AeσT4

= 0,08 m2 . 0,60 . (5,76.10-8 W/ m2. K4 ) (300 K)4

= 22,39488 W = 22,4 W2. H = AeσT4

= 4. 1 . (5,76.10-8 W/ m2. K4 ) . (400 K) 4 = 5.898,24 W

Rangkaian terintegrasi

1. Sebuah bolam memiliki daya 10 watt, selubung bola lampu memilikim luas 10 cm2. tentukan disipasinya ?

2. Bolam tersebut memiliki rth = 4 K/W. Berapa suhu operasi permukaan jika suhu lingkungan 20°C ?

Pembahasan

• 1. Di : P = 10 watt A = 10 cm2

Dii : disipasi daya persatuan luas ? Diii : Disipasi = (10 watt) / (10 cm2 )

= 1 watt/ cm2 • 2. Di : rth = 4 K/W

Tamb = 20°CDii : Tic = ... ?Diii : P = Tic – Tamb

rth

Tic= 10 watt . 4 K/W + 20°C = 60°C

Persamaan Keadaan

1. Jika kita ingin menjagasatu mol gas ideal dalam kamar pada suhu STP, berapa volume wadah yang diperlukan ?

2. Dalam sebuah mesin mobil, campuran udara dan bensin dikompresi dalam silinder sebelum dinyalakan. Mesin ini memiliki rasio kompresi 8 hingga 1, artinya gas tersebut dikompresi menjadi 1/9 dari volume awal. Tekanan awal 1 atm dan suhu awal 27°C. Jika tekanan sesudah kompresi adalah 22 atm, tentukan suhu dari gas yang terkompresi.

Penyelesaian

1. Dalam keadaan STP berarti suhunya 273,15°K dan tekanan 1 atm = 1,013 . 105 Pa, makaV = nRT = 1 mol . 8,315 J/mol.K . 273,15 K

p 1,013 . 105 Pa = 0,0224 m3 = 22,4 L

2. p1 . V1 = p2 . V2

T1 T2

T2 = T1 p2 . V2 = 300 K (22 atm) . V2 p1 . V1 1 atm . (8 V2 )

= 825 K = 568°C

Sifat molekuler materi

1. Berapa mol yang terdapat dalam sebotol air 1 kg ? Dan berapa molekulnya ? Jika massa molar air = 18 g/mol

2. Tinjau 5 mol air cair, berapakah volume yang ditempati oleh jumlah air tersebut jika massa molar air adalah 18 g/mol dan berada pada keadaan STP.

pembahasan1. Di : m = 1 kg = 1000g M = 18 g/mol

Dii : n = ... ?Diii : n = m/M

= (1000 g)/(18 g/mol) = 125 mol

2. Di : n = 5 mol M = 18 g/molDii : V = ... ?Diii : karena berada pada keadaan STP, maka berlaku persmaan :

V = n.22,4 L = 5.22,4 L = 112 L

Model kinetik-molekuler gas ideal

1.Berapakah energi kinetik translasi rata-rata dari sebuah molekul gas ideal pada suhu 127°C ? Berapakah energi kinetik translasi acak total dari molekul dalam satu mol gas tersebut ?

2. Tentukan lintasan bebas rata-rata dari sebuah molekul udara pada suhu 200 K dan tekanan 1,5 atm dan molekul tersebut memiliki jari-jari 4.10-12 m.

Pembahasan

1.Di : T = 127°C = 400 KDii : a. Ku/N

b. Ku

Diii : a. Ku/N = ½ m ( v2 )rt = 3/2 kT = 3/2 (1,38.10-23 J/K) (400 K) = 828 . 10-23 J

b. Ku = NA (½ m ( v2 )rt ) = 6,022.1023 molekul (828 . 10-23

J) = 4986,216 J

2.Di : T = 200 K p = 1,5 atm

r = 4.10-12 m.Dii : λ = ... ?Diii : λ = kT

4π.21/2 . r2. p = ( 1,3.10-23 J/K) (200 K) 4π.21/2 . (4.10-12 m)2 . (1,5 .105 Pa) = 6,833 . 10-8 m

Kapasitas panasBerapa banyak panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 2 mol gas ideal diatomik suhu 30 K ke 40 K jika gas dijaga pada volume konstan ?

Di : n = 2 mol ΔT = 10 KDii : Q = ... ?Diii : cari dulu Cv nya.

Cv = 5/2 R = 5/2 . (8,315 J/mol. K) = 20,79 J/mol. K

Q = n.Cv. ΔT = 2 mol . 20,79 J/mol. K . 10 K = 415,8 J

Laju molekuler

• Untuk gas diatomik (CO2, massa molar 44 g/mol) pada T = 300 K. Hitunglah Vmp dan Vrt .

• Diket : M = 44 g/mol. T = 300 K

• Ditanya: a. Vmp

b. Vrt • Jawab : a. Vmp = = = 1,064 . 10-22g

• b. Vrt = = = 1,2 . 10-22 g

Kerja yang dilakukan Selama perubahan Volume dan lintasan diantaramkeadaan-keadaan termodinamik

1.Dua mol gas ideal dipanaskan pada tekanan konstan dari suhu 100 K menuju 180 K. Hitung kerja yang dilakukan oleh gas tersebut.2.Suatu gas mengalami dua proses. Pada proses pertama volume tetap konstan 0,2 m3 dan tekanan dinaikkan dari 2.105 Pa menjadi 5. 105 . Sedangkan proses kedua adalah kompresi volume menuju 0,1 m3 pada tekanan konstan 5. 105 Pa. Tentukan kerja total yang dilakukan selama kedua proses tersebut.

pembahasan1.Di : ΔT = 80 K

p = konstan Dii : w Diii : w = pV

= (nR ΔT/V) . V = nR ΔT = 2 mol. 8,315 J/mol.K.80 K = 1330,4 J

2.Di : pada proses awal : V= 0,2 m3 = konstan Δp= 3.105 Pa pada proses kedua : V= 0,1 m3 (dikompresi) p = konstan = 5.105 Pa

Dii : wtotal = ... ? Diii : wtotal = wawal + wkedua

= Δp. V + p(V2 – V1 )

= 3.105 Pa . 0,2 m3 + 5.105 Pa (0,1 m3 – 0,2 m3 ) = 0,1 J

Energi dalam dan hukum I termodinamika

1.Pada suatu proses kimia,seorang teknisi laboatorium memberikan 254 J panas pada sistem. Pada saat yang bersamaan, 73 J kerja dilakukan terhadap sistem oleh lingkungannya. Berapa kenaikan energi dalam sistem.2. Gas dalam silinder berekspansi dari volume 0,1 m3 menuju 0,3 m3 . Panas mengalir ke dalam gas cukup cepat untuk menjaga tekanan konstan pada 1,8.105 Pa selama ekspansi. Total panas yang ditambahkan adalah 2.105 J. Tentukan kerja yang dilakukan oleh gas tersebut. Dan berapakah nilai perubahan energi dalam gas tersebut.

pembahasan

1. Di : Q = 254 J (sistem menyerap) w = -73 J (negatif, lingkungan thd sistem)

Dii : ΔU = ... ? Diii: ΔU = Q + w = 254 J + (-73 J) = 181 J2. Di : ΔV = 0,2 m3 Q = 2.105 J

Pa = 1,8.105 Pa Dii : w = ... ?

ΔU= ... ? Diii: w = -p ΔV = -1,8.105 Pa . 0,2 m3

= -0,36.105 J ΔU = Q + w = 2.105 J + -0,36.105 J = 1,64 J

Jenis-jenis proses termodinamika, energi dalam pada gas ideal, kapasitas panas dari gas ideal

1. Selama berlangsungnya suatu kompresi isotermal gas ideal, 400 J panas harus dihilangkan dari gas untuk menjaga suhu konstan, berapa banyak kerja dilakukan oleh gas selama proses ini.

Pembahasan : pada gas ideal nilai ΔU hanya bergantung pada suhu, sehingga jika suhu konstan maka ΔU = 0, w = Q karena melepas panas, maka Q = -400 Jsehingga nila w juga = -400 J (tanda negatif berarti sistem melakukan kerja terhadap lingkungan)

2.Sebuah silinder berisi 0,1 mol etanol pada suhu 300 K. Berapa panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhunya menjadi 400 K ? Pembahasan :Di : n = 0,1 mol ΔT = 100 KDii : Q=...?Diii : Q = ΔU + w

= nCΔT +pV = nCΔT + ( nRΔT/V) . V = 0,1mol . 111,9 J/mol. K. 100 K + 0,1

mol.8,315 J/mol.K.100 K = 94,34 J

3.Gas propana C3H8 berperilaku seperti gas ideal dengan γ= 1,127. tentukan (a)kapasitas panas molar pada volume konstan dan (b)konstan.Pembahasan :(a) γ = Cp = Cv + R = 1+ R

Cv Cv Cv Cv = R = 8,315 J/mol.K

γ – 1 1,127 – 1 = 65,47 J/mol.K

(b) Cp = CV + R = 65,47 J/mol.K + 8,315 J/mol.K

= 73,785 J/mol.K

Proses adiabatik untuk gas ideal

1. Suatu gas ideal monoatomik yang pada awalnya berada pada tekanan 1,5.105 Pa dan volume 0,08 m3 dikompresi secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 0,04m3. tentukan. A.berapa tekanan akhir. B. berapa banyak kerja yang dilakukan oleh gas.Pembahasan :

(A) p2 = p1 (V1/V2)γ = 1,5.105 Pa (0,08 m3 / 0,04m3 )1.4

= 3,95.105 Pa(B) w = 1 (p1V1 – p2V2) γ - 1

= 1 (3,95.105 Pa . 0,08 m3 - 1,5.105 Pa . 0,04m3 )1,4 1,4-1

= 1/0,4 ( 25600 )1,4

= 3710871,875 J

Mesin kalor1.Sebuah mesin diesel menghasilkan 2200 J kerja

mekanik dan membuang 4300 J panas pada setiap siklus.(a) Berapa banyak panas yang harus diberikan ke mesin pada setiap siklus.(b) Berapa efisiensi termal mesin ?Di : w = 2200 J Qc = - 4300 J(membuang)

Dii : a. QH = ... ? b.e = ... ?Diii: a. QH = w – Qc

= 2200 J – (-4300 J) = 6500 J b. e = w/QH = 2200 J / 6500 J

= 0,338 = 33,8 %

2.Sebuah mesin pesawat mengambil 9000 J panas dan membuang 6400 J setiap detik. a. Berapa kerja mekanik keluaran dari mesin setiap siklus ? b. Berapa efisiensi termal dari mesin ?Di : QH = 9000 J Qc = -6400 J (membuang)

Dii : a.w = ... ? b. e = ... ?Diii: a.w= QH + Qc = 9000 J + (-6400 J) = 2600 J b.e = w/ QH = 2600 J/9000 J = 0,288

=28,8%

Mesin pembakaran-dalam

1. Berapa rasio kompresi yang harus dimiliki siklus otto untuk mencapai efisiensi ideal 65% jika γ = 1,4 ?

Di : e = 65 % γ=1,4 Dii : r = ... ?Diii: e = 1 - 1 = 1- 1

rγ-1 r1,4-1

0,65 = 1 - 1 r0,4

r0,4 = 1 = 2,857 1-0,65

r = 13,80

2.Mesin siklus otto dalam sebuah mercedes-Benz SLK230 memiliki rasio kompresi 8,8.a. berapa efisiensi ideal bagi mesin jika γ=1,4. mesin dalam sebuah Dodge Viper GT2 memiliki rasio kompresi yang sedikit lebih tinggi yaitu 9,6. b. berapa banyak kenaikan efisiensi yang dihasilkan dari kenaikan rasio kompresi ?Di : r1 = 8,8 γ=1,4

r2= 9,6Dii : a.e1 = … ? b.Δe= … ?Diii :a . e1 = 1 - 1 = 1 - 1 = 0,99956

r1γ-1 8,8. 1,4-1

b. e2 = 1 - 1 = 1 - 1 = 0,99965 r2

γ-1 9,61,4-1

Δe = e2 - e2 = 0,99965 - 0,99956 = 0,00009

Pendingin 1. Sebuah pendingin memiliki koefisien kinerja 2,1. setiap

siklus menyerap 3,4.104 J panas dari reservoir dingin. A. berapa banyak energi mekanik yang dibutuhkan dalam setiap siklus untuk menjalankan pendingin ? B. selama setiap siklus, berapa banyak panas yang dibuang ke reservoir dengan suhu yang tinggi?

Di : K = 2,1 Qc = 3,4.104 J Dii : A. W = … ? B. QH = … ?Diii : A. W = Qc = 3,4.104 J = 1,6 . 104 J

K 2,1 B. K = Qc

QH - Qc

QH= 3,4.104 J + 3,4.104 J = 5,525.104 J 1,6 . 104 J

2. Sebuah pendingin udara yang dipasang di jendela menyerap 9,8.104 J panas per menit dari ruangan yang didinginkan dan pada saat bersamaan memberikan 14,4.104 J panas ke udara luar. Tentukan konsumsi daya alat ini ?

Di : QH = 9,8.104 J Qc = 14,4.104 J Dii : P = … ? Diii : cari dulu nilai K. W = QH – Qc = 9,8.104 J - 14,4.104 J = 4,6.104 J

K = QC = 14,4.104 J = 3,13 W 4,6.104 J

Cari nilai H,H = Qc / t = 14,4.104 J /60 s = 24.102 J/sP = H/K = (24. 102 J/s) / (3,13)

= 7,66. 102 J/s

SIKLUS CARNOT.Sebuah masin carnot dengan reservoir suhu-

tinggi pada 620 K mengambil 550 J panas pada suhu ini dalam setiap siklus dan memberikan 335 J ke reservoir suhu-rendah. Berapa banyak kerja mekanik yang dilakukan mesin selama setiap siklus ?

Di : TH = 620 K QH = 550 J Qc= 335 J

Dii : W =…?Diii : W= QH + QC = 620 J + 550 J =1170 J

Entropi

.Hitunglah perubahan entropi pada 1 kg air yang dipanaskan dari suhu 7⁰C menjadi 97⁰C ?

Di : m = 1 kg Ta = 7⁰C = 280 K

Tb = 97⁰C = 370 K

Dii : ΔS = … ?Diii : ΔS = S1 – S2 = = mc In Tb/Ta = 1 kg. 4190 J/kg.K (In 370/280)

= 18,854 . 103 J/K

Pengertian entropi secara mikroskopik1.Dilakukan pelemparan empat koin yang identik ke

atas lantai. setiap koin memiliki kemungkinan yang sama untuk memunculkan kepala atau ekor. A.Berapa kemungkinan bahwa keempat koin memunculkan ke empat kepala ?b. Berapa kemungkinan muncul tiga koin kepala dan satu ekor ?

Di : a. w= 1 b.w=4Dii : a. S = k In w b.S = k In w Diii :a. S = k In w b. S = k In w = 8,315 J/mol.K In 1 =8,315 J/mol.K In 4

= 0 = 11,527 J/mol.K