THE FIRST LAW OF THERMODYNAMICS AND ITS USEFULNESS IN LIFE THERMODYNAMICS GROUP 6 FITHA YURISTA SARI EISTY DELIMA NURZANAH NANDA APRIYUDA P

Transkripsi

1 THE FIRST LAW OF THERMODYNAMICS AND ITS USEFULNESS IN LIFE THERMODYNAMICS GROUP 6 FITHA YURISTA SARI EISTY DELIMA NURZANAH NANDA APRIYUDA P

2 The first law of thermodynamics and its usefulness in life Abstract: In this paper, we discuss the first law of thermodynamics and outside the business impact and its benefits in everyday life. This paper presents evidence from different studies to demonstrate the benefits and positive uses by humans in everyday life through the one in the first law of thermodynamics theory of an outside enterprise. We show the case of the first law of thermodynamics teaches concepts and venture out in the examples. Abstrak :Dalam tulisan ini, kita membahas hukum pertama termodinamika dan usaha luar serta dampak dan manfaatnya dalam kehidupan sehari-hari. Makalah ini menyajikan bukti dari studi yang berbeda untuk menunjukkan manfaat serta penggunaan-penggunaan positif yang dilakukan manusia dalam kehidupan sehari-hari melalui teori dlam hukum pertama termodinamika an usaha luar. Kami menunjukkan kasus mengajarkan konsep hukum pertama termodinamika dan usaha luar dalam contoh penggunaannya. Pendahuluan Termodinamika adalah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan hukumhukum pergerakan panas, dan perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk energy yang lain. Istilah termodinamika 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 sebagai kebenaran dan bersifat umum, tanpa memerlukan pembuktian ). Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi, yang mengambil bentuk umum 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 perubahan dikedua benda tersebut. Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang. Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik. Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentangtermodinamika benda hitam.

3 Kalor pada termodinamika merupakan transfer energy dari satu benda ke benda kedua yang temperaturnya lebih rendah. Berarti, kalor sangat mirip dengan kerja.untuk membedakannya, kalor didefinisikan sebagai transfer energy yang disebabkan oleh perbedaan temperature, sementara kerja adalah transfer energy yang tidak disebabkan oleh perbedaan temperature. Dalam membahas termodinamika, kita akan seringkali mengacu ke suatu system tertentu. System adalah benda atau sekumpulan benda apa saja yang akan kita teliti. Benda-benda lainnya di alam semesta ini akan kita sebut sebagai lingkungannya. Ada beberapa macam system.system tertutup adalah system dimana tidak ada massa yang masuk ataupun kluar ( tetapi energy dapat dipertukarkan dengan lingkungan ). Pada system terbuka, massa bisa masuk atau keluar ( demikian pula dengan energy ). Banyak system ( yang dianggap ideal ) yang kita pelajari di fisika merupakan system tertutup. Tetapi banyak system, termasuk tumbuhan dan hewan, merupakan system terbuka karena bertukar materi ( makanan, oksigen, hasil pembuangan) dengan lingkungan. System tertutup dikatakan terisolasi jika tidak ada energy dalam bentuk apapun yang melintasi betasnya; selain dari itu, system tidak terisolasi. Hukum Pertama Termodinamika Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Kita hanya dapat mengubah bentuk energi, dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain.apabila suatu sistem diberi kalor, maka kalor tersebut akan digunakan untuk melakukan usaha luar dan mengubah energi dalam. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa: Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam U = Q W. Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis: W bertanda positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan W bertanda negatif jika sistem menerima usaha dari lingkungan Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan Q bertanda negatif jika sistem melepas kalor pada lingkungan

4 Hukum Pertama Termodinamika adalah tidak lain penyataan dari hukum konservasi energy dengan melibatkan kalor di dalamnya. Hukum ini juga menghubungkan tiga jenis energy : kalor, energy kinetic, dan energy internal system. Menurut hukum pertama energy didalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Perpindahan energy kalor dicirikan oleh perubahan temperature system, tetapi pertanyaannya, mungkinkah kita menaikkan temperature tampa menambahkan energy kalor? Misalnya dengan hanya melakukan kerja mekanis padanya?jawabannya ternyata bisa, Joule melakukan percobaan ini.sebuah wadah yang disekat insulator agar tidak ada panas masuk dan keluar dari wadah.wadah berisi air yang dilengkapi sebuah kincir yang dihubungkan dengan tali yang ujung lainnya terikat dengan beban yang dapat jatuh bebas.kincir dapat berputar jika beban bergerak jatuh.selain itu di dalam wadah disediakan pula thermometer untuk mengukur apakah temperaturnya bertambah jika kincir bergerak?ternyata benar, perlu energy sebesar 4,18J untuk menaikkan temperature 1 air sebesar 1 gram.karena system ini adiabatic, yaitu tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari system, maka menjadi energy apakah energy mekanis dari kincir yang dapat menaikkan temperature dari air? Para ahli kemudian mendefinisikan energy internal U.Perubahan energy internal inilah yang menyebabkan temperature air bertambah. Untuk kasus adiabatic: -W = U Tanda negative menunjukan sudut pandang siapa yang melakukan kerja. Dalam ilmu fisika jika kerja dilakukan oleh system pada lingkungan maka kerja W bertanda positif ( +W). Sebaliknya jika kerja yang dilakukan oleh lingkungan pada system maka W bertanda negative ( -W). Dalam termodinamika tekhnik, sudut pandang kerja positif, dan demikia sebaliknya.perbedaan sudut pandang ini bukanlah masalah yang signifikan, namun dalam pembahasan kita, pandangan fisikalah yang kita gunakan. Jika kita lakukan percobaa Joule dengan mengubah dinding wadah menjadi tidak adiabatic, maka apa yang terjadi kemudian dalah hal ini, tanda jika kalor ditambahkan pada system maka beranda positif (+Q), namun jika kalor keluar dari system maka bertanda negative ( -Q)

5 Misalkan kita tambahkan kalor pada system sebesar Q sambil melakukan kerja dari turunnya beban ( -W), maka berlaku hukum konservasi energy sebagai berikut: Atau : -W + Q = U -W + Q = U Persamaan diatas ini adalah ungkapan matematis dari hukum pertama termodinamika. Penerapan hukum 1 termodinamika pada proses termodinamika 1. Proses Isothermal Dalam proses isothermal tidak ada perubahan suhu sehingga energy dalam system tidak akan berubah, akibatnya U = 0. Penerapan hukum 1 termodinamika mengkasilkan: Artinya pada proses isothermal seluruh panasyang diterima system digunakan sepenuhnya untuk melakukan kerja. Kebalikannya ketika gas menerima gaya F melalui proses isothermal pada gambar dibawah, energy / usaha yang diberikan oleh gaya F ini ( W negative) akan melepaskan dengan cepat oleh gas keluar system berupa panas Q ( Q negative) tanpa ada sedikitpun yang digunakan untuk merubah energy dalam dari system. Dalam proses ini, suhu system dijaga agar selalu konstan. Suhu gas ideal berbanding lurus dengan energy dalam gas ideal dan tekanan system berubah ( tekanan system berkurang.

6 Gambar 5. Grafik proses isothermal 2. Proses Isokhorik Dalam proses 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. Gambar 6. Grafik proses isokhorik Penerapan hukum 1 termodinamika menghasilkan : Artinya pada proses isokhorik seluruh panas yang diterima sistem digunakan sepenuhnya untuk menaikkan energi dalam sistem, dan panas yang diberikan sstem akan menurunkan energi dalam sistem. Untuk molekul monoatomik, persamaan Q diatas menjadi : 3. Proses Isobarik Dalam proses isobarik, tekanan sistem sijaga 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 tetap utuh seperti semula. Penerapan hukum 1 termodinamika menghasilkan : Dengan Untuk molekul monoatomik, persamaan Q menjadi :

7 Gambar 7. Gambar proses isobarik 4. Proses Adiabatik Dalam proses adiabatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem ( Q = 0 ). Proses adiabatik terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasaya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir kedalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adiabatik juga bisa terjad pada sistem tertutup yang tidak terisolasi. Proses ini dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem. Penerapan hukum I Termodinamika menghasilkan : Sketsa gambar proses adiabatik contoh dalam kehidupan

8 Gambar 8. Grafik proses adiabatik Penerapan hukum 1 termodinamika pada manusia Kita bisa menerapkan hukum pertama termodinamika pada manusia : agar bisa bertahan hidup, setiap makhluk hidup, setiap manusia, hewan tumbuhan tentu saja membutuhkan energi. Kita tidak bisa belajar, jalan jalan atau berolahraga kalau tubuh kita lemas tak berdaya karena kekurangan energi.ketika menyantap makanan, kita membawa energi potensial kimia yang terkandung dalam makanan ke dalam tubuh. Adanya tambahanenergi dari makanan menyebabkan energi potensial kimia dalam tubuh kita bertambah (ΔU bertambah). Selanjutnya energi tersebut dipakai untuk melakukan kerja (W).Banyak sekali bentuk kerja yang kita lakukan olahraga, jalan-jalan, belajar dan lain sebagainya. Energi lain yang kita peroleh dari makanan juga kita gunakan tubuh untuk menghasilkan sel-sel yang baru, menggantikan sel-sel lama yang 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. Panas alias kalor tersebut dibuang melalui keringat (melalui proses penguapan) dan lain-lain. Setalah 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.

9 Penerapan hukum 1 termodinamika dalam kehidupan Selain pada proses termodinamika dan manusia, penerapan hukum termodinamika pertama juga dapat ditemukan pada kehidupan sehari-hari, misalnya : 1. Termos Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos digunaka 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 ruan di dalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. 3. Hair dryer Pada hairdrey mengaplikasikan hukum pertama termodinamika dengan sistem terbuka. Dari jurnal thecnology interface Edwards, Recktenwald, Kuntz and Michael volume 10 no 3 persamaan hukum pertama temodinamika dari hairdryer

10 Usaha luar Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V 1 menjadi volume akhir V 2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya. W = p V= p(v 2 V 1) Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis sebagai Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik p V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik. Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V 2 > V 1.sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V 2 < V 1 dan usaha gas bernilai negatif. Gas dalam suatu silinder apabila dipanaskan, volumenya akan mengembag. Gas tersebut dapat dikatakan melakukan usaha.

11 Gas dalam suatu sipinder melakukan usaha: Kerja atau usaha luar pada gas ideal Pers. Gas ideal : a. Proses Isotermik ( T tetap)

12 b. Proses Isometrik / Isokhorik / Isovolum ( V tetap ) d.w = p d.v dalam proses ini d.v = 0 Sehingga W = 0 c. Proses Isobarik ( p tetap ) Usaha luar ( W ) : tergantung pada lintasan atau proses

13 E-Journal An Exercise to Teach the First Law of Thermodynamics for an Open System Using a Simple Hair Dryer Jurnal ini mengambil data untuk dua pengering rambut dan kemudian membuat data berdasarkan pada hukum pertama termodinamika. Pengumpulan data cukup sederhana. listrik ke pengering rambut dibaca dari wattmeter dan suhu outlet dibaca dari LabView layar. Ada tiga termokopel hilir dan satu termokopel untuk suhu lingkungan. Keempat pembacaan termokopel diplot. Hilir termokopel menunjukkan pembacaan yang berbeda karena penempatan pemanas di dalam nozzle. LabView menghitung suhu rata-rata dan hilir menampilkan nilai itu. nilai rata-rata adalah salah satu yang dicatat. Data dicatat untuk setiap kombinasi pemanas dan pengaturan kipas. Dua pengering rambut diuji untuk memverifikasi bahwa seolah-olah pembacaan konsisten. Kenyataannya, dua pengering rambut berperilaku cukup berbeda. Data menunjukkan serangkaian plot data untuk pengering rambut pertama. Angka hanya menampilkan plot bagian dari layar dan bukan nilai rata-rata dihitung. Data yang diambil untuk power pengaturan dingin. Lompatan pertama dalam suhu stopkontak ditampilkan pada plot pengering rambut dihidupkan. Lonjakan kedua terjadi ketika pengaturan kipas berubah dari rendah ketinggi. Suhu naik secara signifikan, yang persis apa yang diharapkan karena pemanas dihidupkan. Ketika sedang berjalan pada tingkat ini para siswa diingatkan bahwa prediksi untuk suhu keluar ketika kipas angin yang muncul adalah bahwa suhu keluar harus turun. data menunjukkan apa yang sebenarnya terjadi. Pada titik ini kipas pada tinggi dan pemanas masih di hangat. Kecenderungan serupa terjadi untuk pengaturan pemanas panas. Para siswa sekarang dihadapkan dengan sesuatu yang mereka tidak sering bertemu di laboratorium. Hasil yang persis kebalikan dari apa yang mereka diprediksi dan akan mengharapkan didasarkan pada teori. Grafik tampaknya melanggar hukum pertama termodinamika. Karena hasilnya secara dramatis berbeda dari prediksi. Perhatikan bahwa untuk kedua pengering rambut, daya yang diperlukan untuk mengubah kipas kecepatan dari rendah ke tinggi adalah sekitar 40 watt. (ini dapat ditentukan dengan melihat kekuatan dingin pengaturan, karena kekuasaan tidak akan pemanas.) Melihat pengaturan yang hangat, Anda dapat melihat bahwa itu membutuhkan waktu sekitar 450 watt untuk meningkatkan kecepatan kipas untuk pengering rambut pertama sedangkan rambut kedua rambut itu hanya memakan waktu sekitar 40 watt. Akhirnya para siswa melihat bahwa kekuatan untuk yang pertama adalah secara signifikan lebih tinggi daripada yang kedua, dan menyimpulkan bahwa ia harus memiliki beberapa efek pada hasil. Mereka jarang menyadari bahwa kekuatan untuk meningkatkan kipas sendiri adalah 40 watt. akhirnya, melalui membahas dilema ini sebagai sebuah kelompok, para siswa mulai memahami mengapa pengering rambut bertindak berbeda dalam hal karakteristik Suhu keluar.

14 Kesimpulan Berdasarkan uraian pada makalah diatas dapat disimpulkan sebagai berikut : 1. Suatu system termodinamika adalah suatu masa atau daerah yang dipilih untuk dijadikan obyek analisis, dan daerah sekitar system tersebut disebut sebagai lingkungan. 2. Ada tida jenis system termodinamika berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara system dan lingkungan antara lain system terbuka, system tertutup dan system terisolasi. 3. Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energy yang memasukkan kalor sebagai model perpindahan energy 4. Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam empat proses, yaitu : proses isothermal, proses isokhorik, proses isobaric dan proses adiabatic. 5. Penerapan hukum pertama termodinamika pada manusia dapat dilihat pada saat manusia makan untuk memenuhi kebutuhan energy guna mendukung segala aktifitas yang dilakukan. 6. Aplikasi hukum termodinamika pada kehidupan sehari-hari dapa dijumpai pada system kendaraan bermotor dan termos. Referensi Giancoli, Douglas C Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penerbit Erlangga. Tipler, P.A Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (Terjemahan). Jakarta : Penebit Erlangga. ( diakses tanggal 29 maret ) ( diakses tanggal 31 maret )

15 Suplemen 1. Sebuah sistem terdiri atas 4 kg air pada suhu 73 C, 30 kj usaha dilakukan pada sistem dengan cara mengaduk, dan 10 kkal panas dibuang. (a) Berapakah perubahan tenaga internal sistem? (b) Berapa temperatur akhir sistem? Penyelesaian : Diketahui : m = 4 kg, T 1 = 73 C = = 346 K Jawab : Usaha yang dilakukan W = -30 kj, kalor yang keluar Q = -10 kkal =10 x 4,18 kj = 41,8 kj. Tenaga internal sistem adalah : ΔU = Q W = -41,8 kj + 30 kj = -11,8 kj masih ingat tentang kalor yang diperlukan untuk mengubah suhu sistem bukan? Q = mcδt Karena Q bernilai negatif maka suhu menjadi turun. ΔT = 11,8 kj/((4,18kj/kg C)(1,5)) = 1,88 Jadi, suhu akhir sistem adalah 73 1,88 = 71,12 C 2. Suatu gas menerima kalor kalori, menghasilkan usaha sebesar J. Berapakah perubahan energi dalam pada gas? (1 kalori = 4,18 joule) Penyelesaian: Diketahui: Q = kalori = J W = J Ditanya: ΔU =?

16 Jawab: ΔU = ΔQ W = ( ) J = J 3. Sejumlah 4 mol gas helium suhunya dinaikkan dari 0 o C menjadi 100 o C pada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan: a. perubahan energi dalam, b. usaha yang dilakukan gas, dan c. kalor yang diperlukan! Penyelesaian: Diketahui: n = 4 mol = 0,004 mol T 1 = 0 o C = = 273 K T 2 = 100 o C = = 373 K R = 8,314 J/mol.K Ditanya : a. ΔU =? Jawab: b. W =? c. Q =? a. ΔU =.(3/2)n R (T 2- T 1 ) = (3/2)(0,004 8,314( )) = 4,988 J b. W = P (V 2 V 1 ) = nr(t 2 T 1 ) = 0,004 x 8,314 x ( ) = 3,326 J c. Q = ΔU + W = (4, ,326) J = 8,314 J 4. Suatu sistem gas monoatomik pada suhu 27º C memiliki tekanan sebesar 1, Pa dan bervolume 15 liter. Sistem menyerap kalor dari lingkungan secara isobarik sehingga suhunya naik menjadi 127º C. Tentukan volume gas sekarang, usaha luar yang dilakukan gas, penambahan energi dalam gas, dan besarnya kalor yang diserap gas! Diketahui : T 1 = = 300 K P 1 = 1, N/m 2

17 V 1 = 15 liter = m 3 T 2 = = 400 K Ditanyakan: a. V 2 =? b. W =? c. Δ U=? d. Q =? Jawab: a. V 1 /T 1 = V 2 /T 2 V 2 = (T 2 /T 1 )V 1 V 2 = (400/300)(1, ) = m 3 b. W = P.ΔV = (1, ) ( ) ( ) = (1, ) ( ) = 7,5 10 ² J c. U = (P 2 V 2 P 1 V 1 ) = (3/2) P(V 2 V 1 )= (3/2) (1, ) ( ) = 11, J d. Q = W + U = (7, ) + (11, ) = 18, J