TERMODINAMIKA

TERMODINAMIKA

1.      Teori Kinetik Gas

a.      Gas ideal

Sifat – sifat gas ideal :

1)      Terdiri dari partikel – partikel yang jumlahnya banyak dan tidak ada gaya tarik menarik antara partikel – partikel

2)      Partikel – partikel gas bergerak dalam lintasan lurus dengan kelajuan tetap dan geraknya adalah acak

3)      Partikel – partikel itu tersebar secara merata di dalam ruangan

4)      Ukuran partikel – partikel sangat kecil sehingga diabaikan

5)      Semua tumbukan yang terjadi adalah tumbukan lenting sempurna sehingga tidak ada energi kinetik yang hilang

6)      Selang waktu tumbukan antara partikel yang satu dengan lain berlangsung sangat singkat

7)      Hukum Newton tentang gerak tetap berlaku

Gas pada suhu kamar dan pada tekanan rendah dapat mendekati sifat – sifat gas ideal .

b.      Persamaan Gas ideal

1)      Hukum Boyle

“Apabila suhu gas dalam ruang tertutup dipertahankan tetap (konstan), maka tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya “

			P1 = tekanan awal P2 = tekanan akhir V1 = volume awal V2 = volume akhir

 

2)      Hukum Charles

“Apabila tekanan gas dalam ruang tertutup dipertahankan tetap (konstan), maka volume gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya “

					V1 = volume awal V2 = volume akhir T1 = suhu mutlak awal (kelvin) T2 = suhu mutlak akhir (kelvin)

 

3)      Hukum Gay Lussac

“Apabila volume gas dalam ruang tertutup dipertahankan tetap (konstan), maka tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya “

			P1 = tekanan awal P2 = tekanan akhir T1 = suhu mutlak awal (kelvin) T2 = suhu mutlak akhir (kelvin)

 

4)      Hukum Boyle-Gay Lussac

5)      Persamaan gas ideal

Bentuk umum persamaan gas ideal :

  atau 

 atau

Dimana :

P = tekanan (Pa)

V = volume (m³)

n = jumlah mol gas (mol)

R = tetapan umum gas (8,31 J/mol.K)

T = suhu (Kelvin)

N = banyaknya partikel/atom

K = tetapan Stefann-Boltman (1,38 x 10-3 J/K)

Contoh soal :

Satu mol gas berada dalam tabung yang volumenya 50 liter. Bila suhu gas itu 2270C, berapa tekanan gas ?

Diket : n = 1 mol

V = 50 liter  = 50 x 10-3 m3 = 5 x 10-2 m3

T = 2270C = 227 + 273 =500 K

R = 8,314 J/mol.K

Ditanya : P = .. ?

Jawab :

6)      Tekanan dan Energi kinetic Gas Ideal

Sejumlah gas dengan N buah partikel berada dalam tabung yang volumenya V. Bila  diketahui massa sebuah partikelnya mo dan kecepatan rata-ratanya v , maka tekanan gas itu memenuhi hubungan:

Contoh soal :

Tentukan energi kinetik rata-rata 5 mol gas neon yang volumenya 23 liter dengan tekanan 100 kPa !

Diket : n = 5 mol

            V = 23 liter = 23 x 10^-3 m³

             P = 100 kPa = 100 x 10³ Pa = 1 x 10⁵ Pa

Ditanya : Ek = ... ?

Jawab :

 

7)      Suhu dan Energi kinetik

 

Contoh soal :

Tentukan energi kinetik rata-rata partikel gas yang memiliki suhu 57⁰C!

Diket : T = 57^oC = 57 + 273 = 330 K

            K = 1,38 x 10^-23 J/K

Ditanya : Ek = ... ?

Jawab :

 

2.      USAHA DAN HUKUM TERMODINAMIKA 1

USAHA

Usaha dihasilkan oleh perubahan volume system akibat proses pemanasan.

,  

W = usaha (joule)

P = tekanan (Pa atau N/m²)

ΔV = perubahan volume (m³)

V₁ = volume awal (m³)

V₂ = volume akhir (m³)

Usaha Pada Grafik P-V

Besarnya usaha yang dihasilkan pada proses termodinamika dapat juga ditentukan melalui grafik P – V seperti berikut:

Besarnya usaha yang dihasilkan berdasarkan grafik di samping adalah sebesar luas daerah yang diarsir di bawah garis proses yang paling atas W ( usaha ) = Luas daerah yang di arsir

Besarnya usaha tersebut dapat bernilai positif (+), dan dapat pula bernilai negatif (-). Nilai tersebut dapat diketahui dengan mengamati arah panah pada garis proses yang paling atas. Jika arah panah menuju ke volume yang lebih besar atau ke arah kanan maka usaha yang dihasilkan tersebut bernilai positif (+), tapi jika arah panah menuju ke volume yang lebih kecil atau ke arah kiri maka usaha tersebut bernilai negatif ( - ).

Contoh :

Besar usaha yang dihasilkan berdasarkan grafik P – V di samping yaitu:

W = Luas segitiga

Jadi, besar usaha yang dihasilkan dari grafik P – V di atas adalah –12 x 105 Joule. Nilai negatif ( - ) pada hasil tersebut didapat berdasarkan arah panah garis proses yang paling atas.

HUKUM TERMODINAMIKA 1

"Besar energy kalor yang diberikan pada suatu system tidak seluruhnya diubah menjadi usaha tapi sebagian berubah dalam bentuk perubahan energy dalam. Dalam proses tersebut jumlah energy tetap"

Berlaku:

ΔQ = ΔU +W

ΔQ = Perubahan kalor (joule)

ΔU = Perubahan energi dalam (joule)

W = Usaha luar (joule)

Jika sistem menghasilkan usaha, maka W positif (+). Jika system menerima usaha, maka W negatif (-)

Contoh soal :

1.      Suatu sistem dipanaskan dengan kalor sebesar 800 J. Jika besar energy dalam sistem 1000 J, tentukan besarnya usaha pada sistem

3.      PROSES – PROSES DALAM TERMODINAMIKA :

a.      Proses  Isotermal/isotermik

Adalah proses perubahan keadaan sistem pada suhu tetap (ΔT = 0)

Berlaku :       

Besarnya usaha  : 

n = banyaknya mol

R = tetapan umum gas (8,31 x 10³ J/kmol.K)

T = suhu (suhu mutlak)

V1 = volume awal (m³)

V2 = volume akhir (m³)

Besarnya energy dalam =

ΔU = perubahan energi dalam (joule)

b.      Proses Isokhorik

Adalah proses peribahan keadaan sistem pada volume tetap (ΔV = 0).

Berlaku :

Besarnya usaha : W = 0

Besarnya energy dalam =

ΔU = perubahan energi dalam (joule)

K = konstanta boltsman (1,38 x 10^-23 J/K)

T = suhu (k)            

c.       Proses Isobarik

Adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap  (ΔP = 0).

Berlaku :

Besarnya usaha :

Besarnya energy dalam =

ΔU = perubahan energi dalam (joule)

K = konstanta boltsman (1,38 x 10^-23 J/K)

T = suhu (k)            

d.      Proses Adiabatik

Adalah proses keadaan perubahan gas dimana tidak ada kalor yang masuk maupun keluar sistem.

Berlaku :

γ  = tetapan laplace

Besarnya usaha :

Besarnya energy dalam :

Latihan Soal :

1.      Dalam suatu tabung terdapat gas yang suhunya 27°C dan tekanannya 1,2 x 10⁵ Pa. Jika tabung dipanaskan hingga suhunya menjadi 127°C dan volume gas tetap maka berapa tekanan akhir gas ?

2.      Sebanyak 2 mol gas pada suhu 27°C dan tekanan 1 atm ( 1 atm = 105 Pa ) berapakah volume gas ?

3.      Suatu gas mula - mula volumenya 1 m³ , tekanannya 1,5 Pa, dan suhunya 300 K jika tekanan gas ditambah menjadi 3 Pa dan volumenya berubah menjadi 0,75 m³ , berapa suhu gas sekarang ?

4.      Volume suatu gas dalam ruang tertutup adalah 8,314 m³, dan suhunya 300 K. jika jumlah mol gas tersebut 10 mol, berapa tekanan yang dimiliki gas tersebut ? (R = 8,314 J/mol K)

5.      Sebanyak .1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27°C dipanaskan secara isobarik sampai 87°C. Bila tekanan gas helium 2 x 10⁵ N/m², gas helium melakukan usaha luar sebesar ....

6.      Sebuah piston berisi gas yang mula-mula volumenya 75 cm³. setelah terjadi proses pemanasan, volume gas tersebut menjadi 125 cm³. jika tekanan gas tersebut tetap sebesar 150000 Pa, besar usaha yang dihasilkan piston tersebut adalah . . .

HUKUM TERMODINAMIKA 2

Pernyataan kelvin-plack: ” Tidak mungkin untuk membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik.”

Berdasarkan pernyataan kevin-planck tersebut, dapat disimpulkan bahwa tidak mungkin suatu mesin memiliki effisiensi sebesar 100%. Pernyataan kelvin-planck ini diterapkan pada mesin kalor

Pernyataan Clausius: ”tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda bersuhu rendah ke benda yang suhunya lebih tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar”

Pernyataan clausius diterapkan pada mesin pendingin

4.      SIKLUS CARNOT

Mesin Carnot

A.    Siklus Carnot

Siklus carnot terdiri dari dua proses. Yaitu: proses isotermis dan proses adiabatik

Diagram siklus carnot:

Pada siklus tersebut terjadi 4 proses, yaitu: ·         a – b, proses isothermal ·         b – c, proses adiabatic ·         c – d, proses isothermal ·         d – a, proses adiabatic

B.     Bagan Energi Carnot

Pada prinsipnya, bagan skema energy mesin carnot sama dengan bagan skema energy pada mesin kalor (mesin yang yang menggunakan panas), bagan mesin kalor tersebut yaitu sebagai berikut:

Bagan mesin kalor

Berlaku :  Pada mesin carnot selain berlaku persamaan di atas juga berlaku :

C.     Efisiensi Mesin Carnot

Efisiensi yaitu persentase perbandingan antara usaha yang dihasilkan dengan energy pada reservoir suhu tinggi (energy yang diserap), atau dapat ditulis:

 ,      

Atau karena  maka

η : efisiensi (%)

W : usaha (joule)

Q1 : energy kalor pada reservoir suhu tinggi (joule)

T1 : suhu pada reservoir suhu tinggi (K)

T2 : suhu pada reservoir suhu rendah (K)

Latihan soal :

1.      Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi sebesar 11000 joule. Bila mesin melakukan usaha sebesar 4000 joule, hitunglah:

a.       kalor yang dikeluarkan mesin ke reserfoar suhu rendah!

b.      Efisiensi mesin!

2.      Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi 727 ^oC mempunyai efisiensi 30%, maka berapakah suhu pada reservoir rendahnya ?

3.      Tentukan efisiensi mesin carnot yang bekerja antara suhu 27^oC dan 127^oC!

4.      Sebuah mesin Carnot mempunyai efisiensi 30% ketika reserfoar suhu tinggi 800 K. Agar efisiensi mesin naik menjadi 50%, harus dibuat suhu berapa reserfoar suhu tinggi?