TERMODINAMIKA

HUKUM TERMODINAMIKA I

Disusun Oleh:

YURI SYAHWIRAWANNRP 3713 100 701

Dosen Pengampu:

JUAN PANDU

JURUSAN TEKNIK GEOFISIKA

FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2015

Sistem dan Lingkungan

Sistem adalah sebuah atau sekumpulan obyek yang ditinjau sedangkan. Lingkungan adalah

segala sesuatu diluar sistem. Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem

(boundary). Dibawah ini terdapat contoh hubungan system, lingkungan, batas system dimana balon

yang terisi oleh gas yang pada awalnya balon terisi penuh oleh gas kemudian dimasukan kedalam

cairan nitrogen sehingga balon tersebut menyusut. Balon merupakan batas sistem.

Gambar 1. sistem, lingkungan, dan batas sistem

Jenis Sistem Termodinamika

Ada tiga jenis sistem termodinamika berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem

dan lingkungan:

Sistem Terisolasi

Pada sistem ini tidak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari

sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

Sistem Tertutup

Pada sistem ini terjadi pertukaran energi tapi tidak terjadi pertukaran benda dengan

lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup dimana terjadi pertukaran panas tetapi

tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja

atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

a. pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

b. pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Sistem Terbuka

Pada sistem ini terjadi pertukaran energi dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas

memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem

terbuka.

Hukum I Termodinamika

Hukum termodinamika pertama berbunyi “Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan

tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain”. Hukum pertama termodinamika

berhubungan dengan cara suatu sistem memperoleh energi dalam dari lingkungan atau kehilangan

energi dalam ke lingkungan.

Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model

perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi di dalam suatu benda dapat ditingkatkan

dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum

pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Jika suatu sistem memperoleh

energi Q dalam bentuk kalor dan pada saat yang sama kehilangan energi W dalam bentuk usaha,

perubahan energi dalam karena kedua faktor ini dinyatakan oleh persamaan: ΔU = U2 – U1 = Q – W.

Jadi, hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor,

usaha, dan energi dalam.

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa kalor yang terlibat diubah menjadi perubahan

energi dalam & usaha.

Energi dalam suatu system berubah dari nilai awal U1 ke nilai akhir U2 sehubungan dengan

kalor Q dan usaha W:

ΔU = U2 – U1 = Q – W

(perubahan energi dalam (ΔU) sistem = kalor (Q) yang ditambahkan ke sistem dikurangi

dengan kerja yang dilakukan oleh sistem)

Q adalah usaha positif jika sistem memperoleh kalor dan negatif jika kehilangan kalor. Usaha

W positif jika usaha dilakukan oleh sistem dan negatif jika usaha dilakukan pada sistem.

Beberapa sumber lain menuliskan hukum pertama termodinamika sebagai berikut:

ΔQ = ΔU + ΔW

ΔQ = kalor yang masuk / keluar sistem

ΔU = perubahan energi dalam

ΔW = usaha luar.

Penerapan Hukum I Termodinamika pada Proses Termodinamika

Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam empat proses, yaitu:

Proses Isotermal

Dalam proses ini, suhu sistem dijaga agar selalu konstan. Suhu gas ideal berbanding lurus

dengan energi dalam gas ideal dan tekanan sistem berubah penjadi (tekanan sistem berkurang).

Pada proses isothermal, suhu awal gas T1 sama dengan suhu akhir gas T2 (atau T2 = T1).

Dengan demikian, ΔU = 3/2 nRT = 0. Hukum pertama termodinamika memberikan:

ΔU = Q – W; 0 = Q – W atau Q = W

Pada proses isothermal: ΔU = 0 dan Q = W

Gambar 2. grafik proses isotermal

Proses Adiabatik

Dalam proses adibiatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan

sistem (Q = O). Proses adibiatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Untuk

sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya

mengalir kedalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adibiatik juga bisa terjadi pada sistem

tertutup yang tidak terisolasi. Proses dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat

mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem.

Gambar 3. grafik proses adiabatik

Pada proses adiabatik, Q = 0, sehingga hukum pertama memberikan:

ΔU = Q – W; ΔU = 0 – W atau ΔU = -W

Pada proses adiabatik: Q = 0 dan ΔU = -W

Karena Q = 0 maka O = U + W

U2 -U1 = - W

Bila W negatif ( -W = sistem ditekan ) usaha dalam sistem ( U ) bertambah. Sedangkan hubungan antara suhu mutlak dan volume gas pada proses adibatik, dapat dinyatakan dengan persamaan :

T.V-1 = konstan atau T1.V1-1 = T2.V2-1

Proses Isokhorik

Dalam prose isokhorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume sistem selalu

konstan, maka sistem tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya,

lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem.

Pada proses isokhorik, volum gas tetap (V1 = V2 atau ΔV = 0), sehingga usaha W = 0. Hukum pertama termodinamika memberikan:

ΔU = Q – W; ΔU = Q – 0 atau ΔU = Q

Pada proses isokhorik: W = 0 dan ΔU = Q

Gambar 4. grafik isokhorik

Proses Isobarik

Dalam proses isobarik, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang konstan adalah

tekanan maka perubahan energi dalam (U) ,kalor (Q), dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada

dan bernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum pertama termodinamika tetep utuh seperti

semula.

Pada proses isobarik: Q = ΔU + p.ΔV

Gambar 5. grafik isobarik

Kapasitas Kalor Gas

a. Pengertian Kapasitas Kalor

Ada tiga besaran yang umum digunakan untuk menghitung kalor yang diterima atau

dilepaskan oleh suatu gas: kalor jenis, kapasitas kalor dan kapasitas kalor molar. Ketiga besaran ini

saling berhubungan, sehingga jika rumus salah satu rumus besaran diketahui, maka rumus kedua

besaran lainnya dapat diperoleh.

Kapasitas kalor suatu zat (C) adalah banyaknya kalor (Q) yang diperlukan untuk menaikkan

suhu suatu zat sebesar 1 kelvin.

C = Q/ΔT atau Q = C.ΔT

Satuan SI untuk kapasitas kalor adalah J/K atau J.K-1.

Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap, Cp, didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan

untuk menaikkan suhu suatu zat 1 kelvin pada tekanan tetap.

Kapasitas kalor pada tekanan tetap: Cp = Qp/ΔT atau Qp = Cp.ΔT

Kapasitas kalor gas pada volum tetap, CV, didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk

menaikkan suhu suatu zat 1 kelvin pada volum tetap.

Kapasitas kalor pada volum tetap: CV = QV/ΔT atau QV = CV.ΔT

Hubungan Cp dan Cv adalah sebagai berikut: Cp – Cv = nR

Dengan n adalah banyak zat dalam mol dan R adalah tetapan umum gas.

Nilai Kapasitas Kalor dan Tetapan Laplace

Untuk gas monoatomik : Cv = 3/2 nR

Cp = 5/2 nR

Untuk gas diatomik : Cv = 5/2 nR

Cp = 7/2 nR

Tetapan Laplace (notasi γ) didefinisikan sebagai nilai perbandingan antara kapasitas kalor

pada tekanan tetap dengan kapasitas kalor pada volum tetap:

γ = Cp/CvPerhatikan, Cp > Cv maka pastilah γ > 1.

Untuk gas monoatomik: Cp = 5/2 nR dan Cv = 3/2 nR, sehingga:

γ = 5/2 nR : 3/2 nR = 5/3 = 1,67

Untuk gas diatomik: Cp = 7/2 nR dan Cv = 5/2 nR, sehingga:

γ = 7/2 nR : 5/2 nR = 7/5 = 1,4

b. Kapasitas Kalor Molar

Selain besaran kapasitas kalor yang digunakan di fisika, dalam kimia lebih sering digunakan

besaran kapasitas kalor molar. Kapasitas kalor molar (notasi Cm) adalah kapasitas kalor per mol.

Kapasitas kalor molar: Cm = C/n atau C = n.Cm

Dengan demikian dapat kita tulis:

Kalor pada tekanan tetap Qp = Cp . ΔT ; Qp = n . Cp,m . ΔT

Kalor pada volum tetap Qv = Cv . ΔT ; Qv = n . Cv,m . ΔT

Studi Kasus Hukum I Termodinamika

Penerapan hukum I termodinamika dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, misal:

- Termos

Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem

terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari

lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari

itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan

maupun sebaliknya.

Gambar 6. termos

- Mesin kendaraan bermotor

Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana

ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk

ke dalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.

Yuri Syahwirawan

3713100701

Buatlah sebuah contoh system termodinamika dan tentukanlah jenis system, batas system, serta

interaksi system dengan lingkungan !

Salah satu contoh system termodinamika ialah adanya embun diluar gelas yang berisi

es. Hal ini disebabkan udara yang berada di luar gelas (sistem) banyak mengandung uap

air, gelas yang berisi es bersuhu rendah dan terasa dingin sehingga udara yang bersentuhan

dengan gelas akan mengalami penurunan suhu. Udara yang mengandung uap air juga akan

mengalami penurunan suhu. Jika suhu udara sudah sangat rendah maka uap air akan

mengembun dan berubah menjadi tetesan-tetesan air di luar gelas tersebut. Peristiwa

tersebut sesuai dengan hukum II Termodinamika. Pada peristiwa tersebut terjadi proses

penyerapan panas di dalam gelas. Peristiwa tersebut merupakan sistem tertutup karena

hanya terjadi proses pertukaran kalor dan tidak terjadi proses pertukaran zat. Peristiwa

tersebut menggunakan media sebagai pembatas rigid yaitu mempertukarkan kalor

menggunakan gelas sebagai media.