fisika dasar 2 - Bagian 11. Hukum Thermodinamika

BAGIAN XIHUKUM THERMODINAMIKA

11.1. Konsep Thermodinamika

Energi thermal atau kalor (Q) adalah energi yang mengalir dari

benda yang satu ke benda yang lain karena perbedaan suhu.

Kalor selalui berpindah dari benda yang panas ke benda yang

dingin. Agar ke dua benda yang saling bersentuhan tersebut

berada dalam keadaan thermal yang seimbang.

Energi dalam (U) suatu sistim adalah jumlah total energi yang

terkandung dalam sistim. Energi dalam merupakan jumlah energi

kinetik, energi potensial, energi kimiawi, energi listrik, energi

nuklir, dan segenap bentuk energi lain yang dimiliki atom dan

molekul sistim.

Usaha (W) yang dilakukan sistim dihitung positif jika sistim

melepaskan energi pada lingkungannya. Apabila keliling

mengadakan usaha pada sistim menerima sejumlah energi,

maka W adalah negatif.

Misalkan sebuah silinder yang dilengkapi dengan sebuah piston

yang dpat bergerak, berisi suatu zat padat atau fluida seperti

diperlihatkan dalam gambar 13-1 dibawah ini :

Fisika Dasar Teknik 1\Hukum Thermodinamika

135

jika piston itu bergerak ke luar sejauh jarak yang sangat kecil dx,

usaha dw gaya ini adalah

dW = pA dx A dx = dV

dW = p dV ...........(11.1)

dalam perubahan volume terbatas dari V1 ke V2

...........(11.2)

untuk gas ideal, karena n, R dan T konstan, maka :

...........

(11.3a)

pada pemuaian V2 > V1 dan W positif. Pada T konstan,

p1V1 = p2V2 atau V2/V1 = p1/p2

usaha isotermik dapat pula ditulis

...........(11.3b)

Proses adiabatik adalah proses dimana tidak ada kalor yang

masuk atau keluar sistim, maka Q = 0, hingga untuk proses

demikian, hukum pertama menjadi ; 0 = U + W artinya :

apabila sistim melakukan kerja, energi dalamnya haruslah turun

apabila gas ideal mengalami proses, dimana keadaannya (p1, v1,

T1) berubah secara adiabatik menjadi (p2, v2, T2) berlakulah :


136

P1V1y = P2V2

y dan P1V1y – 1 = P2V2

y – 1

dengan y = Cp/Co

“kapasitas kalor gas (specific heats of gases) : bila gas dipanasi

pada tekanan tetap, kalor yang diserap tidak hanya dipakai utnuk

menaikan energi dalam moekul gas, tetapi sebagian gas dipakai

untuk melakukan usaha luar dengan mengembangkan volume

gas sambil mengatasi gaya luar yang menentang tekanan yang

tetap itu”.

Dengan demikian pada tekanan tetap Cp >> Cv pada volume

tetap. Dapat dibuktikan bahwa untuk gas ideal dengan berat

molekuler M, berlaku hubungan :

nisba kapasitas kalor (y = cp/co) mestilah lebih besar dari 1. Dari

hasil teori kinetik gas diketahui bahwa untuk gas ideal faktor

nisba kapasitas kalor dapat dilihat pada tabel dibawah ini :

Tabel 11.1 Faktor Nisba Kapsitas Kalor

Komponen (gas) y = cp / co Komponen (gas) y = cp / co

Monoatomik Helium (He) Neon (Ne) Argon (Ar)

1,67

Diatomik Oksigen

(O2)Nitrogen (N2)

1,40

Tri-tetra-penta atomik Carbon Monoksida (CO2) Metana (CH4)

1,30

Sumber : Nicholas P. Cheremisinoff “Handbook of Chemical Processing Equipment” p - 521

Jika usaha dapat dihitung berdasarkan kedua integral dari

persamaan 11.2, mula – mula kita tinjau p dV. Karena pV =

p1V1 = p2V2

= suatu konstanta, K dapat ditulis :

...........

(11.4)


137

Andaikan dalam suku pertama K = p2V2 dan dalam suku ke dua

K = p1V1, maka :

pernyataan ini menyatakan usaha dalam bentuk tekanan dan

volume awal dan akhir, jika suhu awal dan akhir diketahui, maka

persamaan 11.2 dapat ditulis :

...........(11.5)

11.2. Hukum Thermodinamika I

Hukum I Thermodinamika adalah suatu pernyataan bahwa energi

adalah kekal. Hukum ini menyatakan jika kalor (Q) masuk ke

dalam sistim, energi ini haruslah muncul sebagai penambah

energi dalam sistim U dan atau usaha yang dilakukan sistim pada

sekelilingnya, atau dapat ditulis :

Q = U + W ...........(11.6)

jelas bahwa Q, U dan W harus dinyatakan dalam satuan

yang sama : joule atau ft lb atau kalori atau Btu.

Proses isobarik adalah proses dimana tekanan sistim tidak

berubah. Proses isokhorik adalah proses dimana volume sistim

tidak berubah, gas yang mengalami proses isokhorik memenuhi :

W = P V = 0

hingga hukum pertama untuk proses demikian menjadi :

Q = U

yaitu kalor yang masuk sistim menjelma sebagai penambah

energi dalam sistim.

Proses isothermik adalah proses dimana suhu tidak berubah

untuk gas ideal yang mengalami proses isothermik U = 0. Tetapi

hal ini tidaklah berlaku untuk sistim lain. Sebagai contoh kalau es

mencair pada 0oC U 0 meskipun proses pencair berlangsung


138

pada suhu tetap. Untuk gas ideal yang mengalami proses

isothermik, U = 0 hingga hukum pertama menjadi :

Q = W (gas ideal)

benar juga apabila gas ideal mengalami proses dimana (p1, v1)

berubah menjadi (P2, V2), dimana p1v1 = P2V2 berlaku bahwa

:

...........

(11.7)

Contoh 11.1 :

50 liter larutan dipanaskan dari 360 K menjadi 540 K pada

tekanan tetap 2 x 105 N/m2. Tentukan besar usaha

yang dilakukan!

Jawab :

Dari tekanan yang tetap = V / T

Perubahan volume, V = V2 - V1

= 75 – 50 = 25 liter

W = P . V

= (2 x 105 N/m2) (25 x 10-3 m3) = 5000 N.m

= 5000 Joule

11.3. Hukum Thermodinamika II

Hukum kedua Thermodinamika dapat dirumuskan dengan tiga

cara yang masing – masing sama dengan yang lainnya :

Kalor secara spontan akan mengalir dari benda yang panas ke

benda yang dingin, dan bukan sebaliknya.

Jika suatu sistim mengalami perubahan spontan, maka

perubahan akan berarah sedemikian rupa sehingga


139

ketidaktertiban sistim akan bertambah atau bertahan pada nilai

selanjutnya.

Jika suatu sistim mengalami perubahan spontan, maka

perubahan akan berarah sedemikian rupa sehingga entropi sisti

akan bertambah atau akan bertahan pada nilai sebelumnya.

Siklus Carnot

Siklus carnot terdiri dari dua proses isothermal reversibel dan dua

proses adiabatik reversibel. Ini dapat dilihat pada gambar

dibawah ini :

Langkah yang terjadi adalah :

1. Gas berekspansi secara isotermal pada suhu TH, menyerap

panas QH (ab)

2. Ekspansi terjadi secara adiabatik samapi suhu turun ke TC (bc)

3. Kompresi terjadi secara isotermal pada TC, mengeluarkan panas

QC (cd)

4. Kompresi secara adiabatik kembali ke keadaan semula pada

suhu TH (da)


140

Untuk gas ideal, energi dalam U hanya bergantung pada suhu,

sehingga akan konstan pada posisi isotermal manapun. Untuk

ekspansi isotermal ab, Uab = 0, dan QH setara dengan kerja

Wab yang dilakukan oleh gas selama ekspansi isotermal paad

suhu TH.

..........(11.10)

karena Vd << Vc, maka QC adalah negatif (QC = - QC); panas

mengalir keluar dari gas selama kompresi isotermal pada suhu

TC.

Rasio kedua kuantitas kalor tersebut,

...........(11.11)

untuk suatu keadaan awal (T1, V1) dan keadaan akhir (T2, V2),

T1V1 - 1 = T2V2

- 2

Hal ini dapat disederhanakan dengan menggunakan hubungan

suhu-volume untuk proses adiabatik, persamaan diatas.

Diperoleh untuk kedua proses adiabatik :

THVb - 1 = TCVc

- 1 dan THVa - 1 = TCVd

- 1

Dengan membagi persamaan pertama dengan persamaan ke

dua, didapatkan :

maka kedua logaritma dalam persamaan 11.11 adalah setara,

dengan demikian persamaan tersebut berubah menjadi :

............(11.11)


141

Tidak semua mesin panas cepat mengubah seluruh energi yang

diberikan (panas menjadi energi mekanis). Besaran yang

digunakan disebut efesiensi mesin () :

...........(11.12a)

untuk mesin carnot :

...........(11.12b)

dimana; T2 adalah suhu reservoar dingin, T1 adalah suhu

reservoar panas.

Rasio panas yang terbuang pada TC terhadap panas yang

terserap pada TH adalah setara dengan rasio TC/TH. Maka dari

persamaan 11.12b efesiensi mesin carnot adalah :

...........(11.13)

Contoh 11.2 :

Sebuah mesin Carnot mengambil 2000 J panas dari reservoir

pada 500 K, melakukan kerja dan membuang sejumlah panas ke

reservoir pada 350 K. Berapa banyak kerja yang dilakukan,

berapa banyak panas yang terbuang, dan berapa efesiensinya?

Jawab :

Kemudian dari hukum pertama, kerja W yang dilakukan oleh

mesin adalah

W = QH + QC

= 2000 + (-1400) = 600 J

Efesiensi thermal :

Sebagai alternatif lain, dari defenisi dasar efesiensi termal,


142


143

Documents

fisika dasar 2 - Bagian 11. Hukum Thermodinamika