Sistem dan Lingkungan
· Sistem adalah sekumpulan benda yang menjadi perhatian.
· Lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem.
· Sistem dipisahkan dari lingkungan oleh suatu batas sistem.
Kesetimbangan Termal
Pada dasarnya, dua benda dikatakan berada dalam keseimbangan termal, jika setelah bersentuhan, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Misalnya terdapat 2 benda, sebut saja benda A dan benda B. Pada mulanya benda A memiliki suhu tinggi (benda A panas) sedangkan benda B memiliki suhu rendah (Benda B dingin). Setelah bersentuhan cukup lama, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Dalam hal ini, benda A dan benda B dikatakan berada dalam keseimbangan termal.
Hukum ke-nol Termodinamika
Untuk memahami konsep keseimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau 3 benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Benda C bisa dianggap sebagai termometer. Misalnya benda A dan benda B tidak saling bersentuhan, tetapi benda A dan benda B bersentuhan dengan benda C. Lihat gambar.
Karena bersentuhan, maka setelah beberapa saat benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Demikian juga benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Apakah benda A dan benda B yang tidak saling bersentuhan juga berada dalam keseimbangan termal ?
Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda A = suhu benda B. Jadi walaupun benda A dan benda B tidak bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda C, maka benda A dan benda B juga ikut2an berada dalam keseimbangan termal.
Hal ini disimpulkan dalam sebaris kalimat di bawah ini:
“ Jika dua benda berada dalam keseimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam keseimbangan termal satu sama lain.”
Ini adalah hukum ke-0 termodinamika
Pengertian Usaha, Kalor, dan Energi
· Usaha yang dilakukan pada (atau oleh) sistem adalah ukuran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya.
· Energi mekanik (kinetik atau potensial) sistem adalah energi yang dimiliki sistem akibat gerak dan koordinat kedudukannya.
· Kalor mirip seperti usaha, yaitu hanya muncul jika terjadi perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Kalor muncul ketika energi dipindahkan akibat adanya perbedaan suhu perubahan wujud zat.
Pengertian Energi Dalam
Energi dalam sistem merupakan jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul sistem. Kita berharap bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam sistem akan bertambah. Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan (sistem melepaskan energi), energi dalam sistem akan berkurang.
Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – Kerja yang dilakukan oleh sistem (sistem melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini :
Formulasi Usaha
Proses Isobarik adalah proses yang terjadi pada tekanan tetap.
Secara Sistematis Usaha pada proses Isobarik
Rumus pada persamaan diatas hanya dapat digunakan untuk menghitung usaha gas pada tekanan tetap (proses Isobarik). Jika tekanan gas berubah, usaha W harus dihitung dengan cara integral. Secara umum, usaha dihitung dengan cara integral berikut.
Rumus umum Usaha
Oleh Karena itu, jika grafik tekanan terhadap Volume diberikan , maka arti geometris dari persamaan adalah luas dibawah kurva.
Usaha dalam proses siklus
Pengertian usaha dalam proses siklus ialah usaha yang dilakukan oleh atau pada system gas yang menjalani suatu proses siklus sama dengan luas daerah yang dimuat oleh siklus tersebut.
Formulasi kalor
Kalor yang diserap (atau diberikan) oleh sistem gas dapat dihitung dari rumus kalor, yaitu
Dengan c adalah kalor jenis gas dan C adalah kapasitas kalor gas.
Formulasi Energi Dalam
Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai
Untuk gas monoatomik:
Untuk gas diatomik:
Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol−1 K−1, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).
Proses-proses Termodinamika Gas
a. Proses isobarik
Proses isobarik adalah proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap. Persamaan keadaan untuk proses isobarik adalah
Ini adalah huku Gay Lussac. Sedangkan rumus usahanya adalah
b. Proses isokhorik
Ini adalah hukum Charles
c. Proses isotermal
Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W ).
Persamaan keadaan untuk proses isokhorik adalah
Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai
d. Proses adiabatik
Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya kalor yang masuk ke atau keluar dari sistem (gas), yaitu Q = 0.
Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.
Proses ini mengikuti rumus Poisson sebagai berikut:
Dengan
> 1, merupakan hasil perbandingan kapasitas kalor gas padatekanan tetap CP dan kapasitas kalor pada volume tetap CV. Yang disebut konstanta Laplace.
Hukum Pertama Termodinamika
Energi dalam suatu sistem berubah dari nilai awal awal U1 ke nilai akhir U2 sehubungan dengan kalor Q dan usaha W
Q adalah 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.
Hukum Pertama pada Berbagai Proses Termodinamika Gas
Proses isotermal
Pada proses isotermal, suhu awal gas T1 sama dengan suhu akhir gas T2 (T1 = T2). Hukum pertama termodinamika memberikan
Pada proses isokhorik, volum gas tetap , sehingga usaha W = 0. Hukum pertama termodinamika memberikan
Proses adiabatik
Pada proses adiabatik, Q = 0, sehingga hukum pertama memberikan
Kapasitas Kalor Gas
Pengertian kapasitas kalor
Kapasitas kalor adalah kalor Q, yang diperlukan oleh suatu zat untuk menaikan suatu zat itu sebesar satu kelvin
Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap, Cp didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat satu kelvin pada tekanan tetap.
Kapasitas kalor gas pada volum tetap, CV didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat satu kelvin pada volum tetap.
Kapasitas Kalor Molar ( Cm )
Kapasitas Kalor Molar ( Cm ) adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu satu mol zat dalam satu kelvin.
Secara matematis dirumuskan :
Kapasitas molar pada tekanan tetap ( Cp,m ) dirumskan :
Kapasitas kalor molar pada volume tetap ( Cv,m ) dirumuskan :
Hukum Kedua Termodinamika
HukumI I termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat berlangsung dan perubahan energi mana yang tidak dapat berlangsung. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, yaitu:
(1) Rudolf Clausius (1822 – 1888) menyatakan rumusan Clausius tentang hukum II termodinamika dengan pernyataan aliran kalor. Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.
(2) Hukum II termodinamika dinyatakan dalam entropi Total entropi jagat raya tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi.
(3) Kelvin dan Planck menyatakan rumusan yang setara sehingga dikenal rumusan Kelvin-Planck tentang hukum II termodinamika tentang mesin kalor.
Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah sluruhnya menjadi usaha luar.
Mesin Kalor
Mesin kalor adalah suatu alat yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Dalam mesin misalnya, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai disertai gas buangan, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik
Efisiensi Termal
Efisiensi termal sebuah mesin kalor adalah nilai perbandingan antara usaha yang dilakukan dan kalor yang diserap dari sumber suhu tinggi selama satu siklus.
Formulasi Clausius
Formulasi Clausius: Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas.
Formulasi Clausius menyatakan bahwa tidak ada mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang dapat membekukan air dan menggunakan energi yang dibebaskan dari proses pembekuan ini untuk mendidihkan lebih banyak air tanpa efek lebih lanjut.
Siklus Carnot
Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotesis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus carnot . Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Leonard Sadi Carnot seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Emile Clapeyron 1834.
Carnot dapat memahami proses dasar yang mendasari usaha oleh semua mesin. Proses itu adalah perubahan dari satu bentuk energi (kalor) menjadi bentuk energi lain (usaha mekanik). Ia berhasil mengenali bahwa usaha dapat dilakukan hanya ketika kalor mengalir dari suatu suhu tinggi ke suhu rendah. Karena itu, Carnot mengusulkan suatu mesin kalor ideal yang bekerja secara siklus dan dapat balik (reversibel) di antara dua suhu. Disebutkan bahwa mesin Carnot tidaklah memiliki efisiensi 100 %, tetapi merupakan mesin yang efisiensinya paling besar dari semua mesin yang mengubah kalor menjadi usaha. Carnot menganalisis perubahan energi selama satu siklus dari performa mesin dan menentukan kondisi-kondisi untuk mencapai efisiensi maksimum.
Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak mungkin ada mesin yang beroperasi diantara dua reservoir panas yang lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan oleh efisiensi mesin Carnot:
Kalor dapat dipaksa mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja secara ini disebut mesin pendingin (refrigerator), contohnya lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (AC) Ukuran penampilan sebuah mesin pendingin dinyatakan dengan koefisien daya guna (koefisien perfomansi) yang diberi lambang.
Peralatan sehari-hari yang termasuk mesin pendingin adalah lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (AC).
Dalam suatu lemari es (kulkas), bagian dalam peralatan bertindak sebagai sumber dingin, sedangkan bagian luar yang lebih hangat bertindak sebagai sember panas. Kulkas mengambil kalor dari makanan yang tersimpan di dalam kulkas dan mengalirkan kalor ini ke udara di sekitar kulkas. Untuk dapat melakukan ini diperlukan energi listik yang melakukan usaha pada sistem, sehingga kalor dapat mengalir dari sumber dingin ke sumber panas.
Ukuran kinerja sebuah kulkas dan pendingin ruangan bisa diperoleh dengan menetapkan hasil bagi kalor yang dipindahkan dari sumber dingin dengan usaha W yang dibutuhkan untuk memindahkan kalor ini. Hasil bagi ini disebut koefisien performansi ( CP ).
Koefisien performansi ( Cp )
Kulkas dan pendingin ruangan komersial memiliki koefisien performansi dalam jangkauan 2-6, bergantung pada selisih suhu dan . Pendingin dengan koefisien performansi lebih tinggi adalah pendingin yang lebih baik. Ini karena pendingin tersebut memindahkan sejumlah kalordengan usaha yang lebih kecil dan karena itu ongkos oprasionalnya lebih murah.
Postingan
0 komentar:
Posting Komentar