1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Termodinamika adalah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas, danperubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk energi yang lain. Istilah termodinamika diturunkan dari bahasa yunani Therme (panas) dan dynamis (gaya). Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua prinsip dasar yang aslinya diturunkan dari eksperimen, tetapi kini dianggap sebagai aksioma (suatu pernyataan yang diterima sebagaikebenaran dan bersifat umum, tanpa memerlukan pembuktian). Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi, yang mengambil bentuk hukum kesetaraan panas dan kerja. Prinsip yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak dapat mengalir dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahandikedua benda tersebut.

Eksperimen membuktikan dua sifat lebih lanjut dari energi dalam. Pertama, energy dalam sistem yang terisolasi adalah tetap. Pengamatan ini sering diringkas dengan ucapan bahwa “energy bersifat kekal”. Bukti kekekalan energy adalah kemustahilan untuk membuat mesin yang bergerak terus menerus, yang bekerjatanpa bahan bakar, mustahil untuk menciptakan (atau menghancurkan) energi. (P.W.Atkins ,1999:34)

Sifat kedua dari energi dalam (yang membawa kita melampaui hukum fisika yang sederhana: kekekalan energi) adalah bahwa oleh karena kita bisa tahu cara perpindahan energi (karena kita dapat melihat apakah sebuah beban dinaikkan atau diturunkan dalam

2

lingkungannya, atau apakah es sudah meleleh), sistemnyatutup mata terhadap cara yang dipakai. Kalor dan kerja adalah cara yang setara dalam mengubah energy sistem: energy adalah energy, bagaimanapun cara memperolehnya atau cara menghabiskannya. Sistem termodinamika menyerupai sebua bank: menerima simpanan uang, lalu menyimpannya untuk cadangan sebagai energy dalam (P.W.Atkins ,1999:34)

B. Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang masalah di atas

rumusan masalah dalam makalah ini adalah :

1. Apakah yang dimaksud dengan sistem dan

lingkungan?

2. Apa saja jenis sistem termodinamika?

3. Bagaimana konsep hukum I termodinamika?

4. Bagaimana penerapan hukum I termodinamika pada

proses termodinamika?

5. Bagaimana penerapan hukum I termodinamika pada

manusia?

6. Bagaimana aplikasi hukum I termodinamika pada

kehidupan sehari-hari?

C. Manfaat Penulisan

3

Manfaat yang dapat diperoleh dari penulisan

makalah adalah:

a. Memberi penjelasan kepada pembaca tentang sistem

termodinamika,

b. Memberi penjelasan kepada pembaca mengenai hukum

I termodinamika beserta aplikasinya dalam proses

termodinamika, pada manusia, dan kehidupan

sehari-hari.

4

BAB II

PEMBAHASAN

A. Sistem dan Lingkungan

Suatu sistem termodinamika adalah suatu masa

atau daerah yang dipilih untuk dijadikan obyek

analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut

sebagai lingkungan. Batas antara sistem dengan

lingkungannya disebut batas sistem (boundary),

seperti terlihat pada Gambar 1. Dalam aplikasinya

batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun

lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah

posisi atau bergerak.

Gb.1 Skema sistem temodinamika

sistemBatas Sistem

LINGKUNGAN

5

B. Jenis Sistem Termodinamika

Ada tiga jenis sistem termodinamika

berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara

sistem dan lingkungan:

1.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.

2.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:

6

a pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan

pertukaran panas.

b pembatas rigid: tidak memperbolehkan

pertukaran kerja.

3. 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.

C. 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 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

7

pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang

dapat terjadi.

Berdasarkan hukum kekekalan energi maka Hukum

I Termodinamika dirumuskan:

Yaitu : U = Q + W

Dengan: U = U2-U1

Jadi, hukum pertama termodinamika adalah

prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada

kalor, usaha, & energi dalam. Hukum I

termodinamika menyatakan bahwa kalor yang terlibat

diubah menjadi perubahan energi dalam & usaha.

Proses :Reversible dan tidak reversible.

Proses reversible:H2O(l) H2O(g)

1 atm, 1000Cfasa cair dan uap berada dalam kesetimbangan.

Kalor dan KerjaKalor (q): energi yang dipindahkan melalui batas-batas sistem sebagai akibat langsung dari perbedaan suhu antara sistem dan lingkungannya.

q: positif jika kalor masuk sistem

8

q: negatif jika kalor keluar dari sistem.

Kerja (W): energi dan bukan kalor yang dipertukarkan antara sistem dengan lingkungannya pada suatu perubahankeadaan.

W positif bila lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, misalnya proses pemampatan gas.W negatif bila sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, misalnya proses pemuaian gas terhadap atmosfer.

Luas penampang penghisap : ATekanan luar : Pl

Jarak : dxKerja = gaya * jarakdW = - Pl * A * dxdW = - Pl * dV dV = perubahan volum yang terjadi pada proses tanda (-) karena kerja dilakukan oleh gas.

V2

W = - P∫ l dV V1

Pl = 0 : gas memuai terhadap vakum W = 0 proses ekspansi bebas

Pl tetap gas memuai pada tekanan atmosfir yang tetap. V2

W = - P∫ l dV = - Pl (V2 – V1) V1

W = - Pl ΔV

Proses pemuaian reversibel : Pl = P – dP V2 V2 V2

9

W = - (P – dP) dV = - P dV + dP dV ∫ ∫ ∫ V1 V1 V1

V2

Wrev = - P dV P = tekanan gas.∫ V1

Untuk gas ideal : PV = nRT

V2

Wrev = - nRT (dV/V) = -nRT ln (V∫ 2/V1) V1

Energi dalam dan perubahan energi dalam.

ΔU = U2 – U1

Hukum pertama Termodinamika.

dU = dq + dW2 2 2 dU = dq + dW (dW = -P∫ ∫ ∫ l dV)1 1 1

U2 – U1 = ΔU = q + W.

Untuk proses yang berjalan pada Volume tetap, maka harga ΔU = qv

Enthalpi dan Perubahan Enthalpi

Reaksi kimia berjalan pada tekanan sistem yang tetap dan sama dengan tekanan luar.

dU = dq - P dVU2 – U1 = qp - P (V2 – V1)U2 – U1 = qp - PV2 + PV1

10

U2 – U1 = qp - P2V2 + P1V1

(U2 + P2V2) = (U1 + P1V1) + qp

H = U + PV H : fungsi keadaan.

H2 – H1 = qp ΔH = qp

Kapasitas kalor.

C =

dqdT

U = f (T, V)dU = (∂U/∂V)T dV + (∂U/∂T)V dT

dU = dq – P dVdq = dU + P dV

dq = (∂U/∂V)T dV + (∂U/∂T)V dT + P dVdq = (∂U/∂T)V dT + (P + (∂U/∂V)T) dV

Proses pada volum tetap :dqv = (∂U/∂T)V dTCV = (dqv / dT) = (∂U/∂T)V

CV : kapasitas panas pada volum tetap.

Proses pada volume tetap: T2

ΔU = C∫ v dT T1

H = f (P, T)dH = (∂H/∂P)T dP + (∂H/∂T)P dT

Proses pada tekanan tetap : dqp = (∂H/∂T)P dT

11

CP =

dqPdT = (∂H/∂T)P

T2

ΔH = C∫ P dT T1

Penggunaan Hukum Termodinamika I :

Ekspansi Reversibel Isotermal gas ideal.

Wrev = - RT ∫

dVV = - RT ln

V2V1 (per mol gas)

P1V1 = P2V2

W = RT ln

P2P1 n mol : W = nRT ln

P2P1

ΔH dan ΔU = 0 pada proses isotermal

W = -q

Ekspansi Reversibel Adiabatis Gas Ideal

Adiabatis q = 0dU = dW = - P dVdU = CV dTCV dT = - P dV = - RT (dV/V)

CV (dT/T) = - R (dV/V)

CV ln

T2T1 = - R ln

V2V1

CPCV = γ

12

ln

T2T1 = -

CP- CVCV ln

V2V1 = - ( γ - 1) ln

V2V1

( γ - 1)T2T1 = (

V1V2 )

D. Penerapan Hukum I Termodinamika pada Proses

Termodinamika

Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam

empat proses, yaitu:

1. 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).

13

Gb.1 grafik proses isotermal

2. 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

14

sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju

sistem atau meninggalkan sistem.

Gb.2 grafik proses adiabatik

3. 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.

15

Gb.3 grafik isokhorik

4. 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.

Gb.4 grafik isobarik

16

E. Hukum I Termodinamika pada Manusia

Kita bisa menerapkan hukum pertama

termodinamika pada manusia : Agar bisa bertahan

hidup, setiap makhluk hidup, baik manusia, hewan

atau tumbuhan tentu saja membutuhkan energi. Kita

tidak bisa belajar, jalan-jalan atau berolahraga

kalau tubuh kita lemas tak berdaya karena

kekurangan energi. Biasanya tubuh memperoleh energi

dari makanan. Ketika menyantap makanan, kita

membawa energi potensial kimia yang terkandung

dalam makanan ke dalam tubuh. Adanya tambahan

energi dari makanan menyebabkan energi potensial

kimia dalam tubuh kita bertambah (U bertambah).

Selanjutnya energi tersebut dipakai untuk

melakukan Kerja (W). Banyak sekali bentuk kerja

yang kita lakukan, olahraga, jalan-jalan, belajar

dan lain sebagainya. Energi yang kita peroleh dari

makanan juga digunakan tubuh untuk menghasilkan

sel-sel yang baru, menggantikan sel-sel lama yang

17

rusak. Adanya sel-sel yang baru membuat dirimu bisa

bertambah tinggi, dan gemuk.

Selain dipakai untuk melakukan kerja,

sebagian energi dibuang ke luar tubuh (udara dan

sekitarnya) dalam bentuk kalor alias panas. Setiap

proses metabolisme dalam tubuh biasanya

menghasilkan kalor atau panas. Demikian juga ketika

melakukan kerja, tubuh terasa panas. Panas alias

kalor tersebut dibuang melalui keringat (melalui

poses penguapan) dan lain-lain. Setelah melakukan

kerja dan membuang-buang kalor ke luar tubuh, kita

akan merasa lapar lagi. Ketika merasa lapar, tubuh

memberi tahu kita bahwa stok energi dalam

berkurang. Dan kita akan menambah energi dengan

makan.

F. Aplikasi Hukum I Termodinamika dalam Kehidupan

Selain pada proses termodinamika dan manusia,

penerapan hukum I termodinamika juga dapat

ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, misal:

18

1. 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.

2. 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.

19

Contoh Soal

1) Satu mol gas ideal diekspansikan dari 5 sampai 1 bar pada 2980K. Berapa harga q dan W jika a) ekspansi berjalan secara reversibel dan b) melawan tekanan luar yang tetap sebesar 1 bar ?. Berapa harga c) ∆U dan d) ∆H ?

Penyelesaian:

(a). Wrev = RT ln

P2P1

= (8,314 J K-1 mol-1) (298 K) ln

1bar5bar

= - 3988 J mol-1

qrev = ∆U - Wrev

= 0 – (- 3988 J mol-1) = 3988 J mol-1

(b). W = -Pl (V2 – V1) = -Pl (

RTPalignl ¿ 2 ¿¿

¿ -

RTP1 )

= -(1 bar)(8,314 J K-1 mol-1)(298 K)(

11bar -

15bar ) = - 1982 J mol-1

q = ∆U – W = 1982 J mol-1

c) ∆U = q + W = 0

d) ∆H = ∆U + ∆(PV) = 0.

20

2) Satu mol gas ideal monoatom pada 1 bar dan 273,150K diekspansikan secara adibatis melawan tekanan luar yangtetap sebesar 0,315 bar sampai volum 2 kali volum semula. Berapa besarnya kerja yang dilakukan pada gas, suhu akhir dan perubahan energi dalam dari gas tersebut. Harga CV = 3/2 R.

Penyelesaian.V1 = RT/P1 =(0,08314 L bar K-1mol-1)(273,15 K)/(1 bar)V1 = 22,71 L mol-1

W = - Pl dV = - Pl (2V1 – V1) = - Pl V1

W = - (0,315 bar * (1atm/1,01325 bar)) * 22,71 L mol-1

W = - 7,06 L atm mol-1 = - 715,4 J mol-1

Adiabatis q = 0 ∆U = W = CV ∆T∆T = (- 715,4 J mol-1)/(3/2 * 8,314 J K-1 mol-1)

T2 – T1 = - 57,4 0K T2 = 273,15 – 57,4 = 215,75 0K.

∆U = - 715,4 J mol-1.

3) Satu mol gas ideal dengan CV = 5/2 R, diekspansikansecara adiabatis melawan tekanan luar yang tetap sebesar 1 atm, sampai volum 2 kalinya. Suhu awal gas 250C dan tekanan 5 atm. Hitung T2, q, W, ΔU dan ΔH untuk proses perubahan tersebut.

Penyelesaian.

Mula-mula T1 P1 V1 T2 P2 V2 Pl = 1 atmq = 0 ΔU = - P∫ l dVCV dT = - P∫ ∫ l dVCV (T2 - T1) = - Pl (V2 - V1) V2 = 2V1

5/2 R (T2 - T1) = - Pl (RT1/P1)T2 = T1 - 2/5( Pl (T1/P1))T2 = 298 K – 2/5(1 atm)(298 K/5 atm)

21

T2 = 274 K

ΔU = CV (T2 - T1) = 5/2 (8,314 J/K.mol)(274 – 298)KΔU = - 500 J mol-1 = W T2

ΔH = C∫ P dT = (5/2 R + R)(T2 – T1) T1 ΔH = 7/2(8,314 J K-1 mol-1)(274-298)K = 700 J mol-1

4) Satu mol gas ideal dengan volum 2 l pada suhu 250C

mengalami proses siklis sebagai berikut: Mula-mula gas diekspansikan adibatis dan reversibel sehingga tekanan menjadi 1 atm, kemudian ditekan secaraisotermal reversibel dan akhirnya gas mengalami proses volume tetap sampai kembali kekeadaan semula. Hitung q dan W untuk proses siklis tersebut jika harga CV = 3/2 R.

Penyelesaian : <-------------------------------------------------------

1------------------------> 2 ------------------------> 3

T1 = 298 K T2 = 109 0K T3 = T2

V1 = 2 l V2 = 8,93 l V3 = V1

P1 = nRT/V1 P2 = 1 atm P3 =

P1 = (0,08205 l atm K-1mol-1)(298 K)/(2 l) P1 = 12,23 atm

Adiabatis reversibel : P1 V1γ =

P2 V2γ γ = CP/CV =

5/3

22

(12,23)(2)5/3 = 1 V2γ

V25/3 = 38,84

V2 = 8,93 l

T2 = (P2 V2)/RT2 = (1)(8,93)/(0,08205) = 109 K

ΔU1 = q1 + W1

ΔU1 = CV (T2 – T1)ΔU1 = 3/2 (8,314 J K-1mol-1)(109 – 298)KΔU1 = -2357,02 J mol-1

q1 = 0 dan W1 = -2357,02 J mol-1

Proses 2- 3 : isotermal reversibel ΔU2 = 0q2 = - W2

W2 = -RT2 ln (V3/V2)W2 = - (8,314 J K-1mol-1)(109K)(ln 2/8,93)W2 = 1355,96 J mol-1

q2 = - 1355,96 J mol-1

Proses volum tetap 3 – 1: W3 = -Pl dV = 0ΔU3 = q3 = CV (T1 – T3)ΔU3 = 3/2 (8,314 J K-1mol-1)(298 – 109)KΔU3 = 2357,02 J mol-1

W = W1 + W2 = -2357,02 J mol-1 + 1355,96 J mol-1

W = -1001,06 J mol-1

q = q2 + q3 = - 1355,96 J mol-1 + 2357,02 J mol-1 q = 1001,06 J mol-1.

5) 0,4 mol udara (80% N2 dan 20% O2) mula-mula mempunyai suhu 300 K dan tekanan 4 atm. Udara dipanaskan pada tekanan konstan sampai volum menjadi 1,25 kali volum semula. Kemudian gas mengembang secara adiabatis reversibel sampai suhu kembali menjadi 300 K.Hitunglah volum akhir dan kerja total. CP = 0,24 kal K-1 gram-1, CV = 0,172 kal K-1 gram-1

23

Penyelesaian.1 --------------------> 2 ---------------------->

3T1 = 300K T2 =

T3 = 300KP1 = 4 atm P2 = 4 atm

P3 =V1 = nRT1/P1 V2 = 1,25 V1 V3 = ?V1 = (0,4 mol)(0,08205 L atm K-1 mol-1)(300K)/(4 atm)V1 = 2,46 LV2 = 1,25 * 2,46 = 3,075 LPV/T konstan T2 = 1,25 * T1 = 375 KProses adiabatis reversibel.

T3 V3γ-1

= T2 V2γ-1

γ = CP/CV = 0,24/0,172= 1,4 V3

0,4 = (375/300) * 3,0750,4

V3 = 5,37 L

W1 = -P ΔV = -4 (3,075 – 2,46) L atmW1 = -2,46 L atm = -59,57 kal.W2 = ΔU = n CV (T3 – T2) W2 = 0,4 (0,8*28 + 0,2*32)(0,172)(300 – 375) W2 = - 148,61 kal.

BAB III

24

PENUTUP

A. Kesimpulan

Berdasarkan uraian pada makalah di atas dapat

disimpulkan sebagai berikut:

1. Suatu sistem termodinamika adalah suatu masa

atau daerah yang dipilih untuk dijadikan obyek

analisis, dan daerah sekitar sistem tersebut

disebut sebagai lingkungan.

2. Ada tiga jenis sistem termodinamika berdasarkan

jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan

lingkungan, antara lain sistem terbuka, sistem

tertutup, dan sistem terisolasi.

3. Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi

yang memasukan kalor sebagai model perpindahan

energi.

4. Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam

empat proses, yaitu: proses isotermal, proses

25

isokhorik, proses isobarik, dan proses

adiabatik.

5. Penerapan hukum I termodinamika pada manusia

dapat dilihat pada saat manusia makan untuk

memenuhi kebutuhan energi guna mendukung segala

aktifitas yang dilakukan.

6. Aplikasi hukum termodinamika pada kehidupan

sehari-hari dapat dijumpai pada sistem kendaraan

bermotor dan termos.

B. Saran

Berdasarkan kesimpulan di atas, penulis dapat

memberikan saran kepada pembaca sebagai berikut:

1. Sebagai generasi muda hendaknya kita memiliki

pengetahuan yang luas dengan banyak membaca

referensi-referensi yang akurat dan dapat

dipercaya.

2. Sebagai generasi penerus bangsa hendaknya kita

mampu dan mau menyalurkan ilmu yang dimiliki

26

untuk dibagi kepada sesama sehingga bermanfaat

dan tercipta kelestarian lingkungan hidup.

DAFTAR PUSTAKA

27

Ahmad, yuri. 2011. Konsep dasar Termodinamika.

<http://ml.scribd.com/doc/55929073/makalah-

termodinamika>

Atkins, P.W. 1999. KIMIA FISIK jilid 1 edisi keempat. Jakarta:

Erlangga

Brady, James E. -. Kimia Universitas, terj. Anas, Kamianti, dkk.

Tangerang: bina Rupa Aksara Publisher

Budiyanto.2012. Usaha dan Proses dalam Termodinamika.

<http://budisma.web.id/materi/sma/fisika-kelas-xi/usaha

-dan-proses-dalam-termodinamika/>

http://images.google.com

Mointi, salmin. 2011. Makalah Termodinamika.

<http://mointi.wordpress.com/2011/03/30/makalah-

termodinamika/>