HUKUM I TERMODINAMIKA

Transkripsi

1 HUKUM I TERMODINAMIKA Mata Kuliah : Fisika Dasar II Dosen : Muhammad Azkia, S.Si, M.Pd Disusun Oleh : Miftakhul Suci ( ) Putri Eka Sakti ( ) Siti Jumriah ( ) PENDIDIKAN MATEMATIKA KELAS II G SEKOLAH TINGGI KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN KUSUMA NEGARA JAKARTA

2 KATA PENGANTAR Bismillahirrahmanirrahim, Alhamdulillah puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, berkat rahmat dan karunia-nya sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan judul Hukum I Termodinamika. Pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati kami ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang telah memberi dorongan dan semangat khususnya kepada bapak Muhammad Azkia, S.Si, M.Pd selaku dosen mata kuliah Fisika Dasar II. Kami menyadari bahwa pengetahuan dan kemampuan kami sangat terbatas sehingga penyusunan makalah ini sangat jauh dari kesempurnaan. Untuk itu kami selaku penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi kesempurnaan makalah ini. Semoga makalah ini bermanfaat bagi kita khususnya pembaca pada umumnya. Jakarta, 9 Maret 2016 Penulis 2

3 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR. 2 DAFTAR ISI 3 BAB I PENDAHULUAN... 4 A. Latar Belakang. 4 B. Rumusan Masalah... 4 C. Tujuan. 4 BAB II PEMBAHASAN... 5 A. Keadaan Kesetimbangan Sistem. 5 B. Persamaan Keadaan Sistem. 6 C. Koefisien Muai.dan Komprestabilitas. 15 D. Proses proses Kuasistatik.. 27 E. Diagram Termodinamika 27 F. Interaksi Sistem Dengan Lingkungan.. 32 G. Hukum I Termodinamika. 34 H. Proses Adiabatik.. 36 BAB III PENUTUP A. Kesimpulan 40 B. Saran.. 41 DAFTAR PUSTAKA. 42 3

4 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan). Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan, panas, kerja, dan energi dan secara khusus perubahan panas menjadi kerja. Hukum termodinamika pertama dan kedua dirumuskan pada abad ke-19. Oleh para ilmuan mengenai peningkatan efisiensi mesin uap. Bagaimanapun hukum ini merupakan dasar seperti hukum fisika lainnya B. Rumusan Masalah 1. Keadaan Kesetimbangan Sistem? 2. Persamaan Keadaan Sistem? 3. Koefisien Muai dan Komprestabilitas? 4. Proses-proses Kuasistatik? 5. Diagram Termodinamika? 6. Interaksi Sistem dengan Lingkungan? 7. Hukum I Termodinamika? 8. Proses Adiabatik? C. Tujuan Adapun tujuan dari penulisan makalah ini untuk membantu memahami kepada pembaca khususnya mahasiswa apa itu Hukum I Termodinamika, dan apa saja yang ada di dalam Hukum I Termodinamika. Selain itu juga penulisan ini bertujuan untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Dasar II. 4

5 BAB II PEMBAHASAN A. Keadaan Kesetimbangan Sistem Dalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia. Dalam kesetimbangan termodinamik, tidak ada kecenderungan untuk terjadi perubahan keadaan, baik untuk sistem maupun untuk lingkungannya. Kesetimbangan mekanik terjadi apabila tidak ada gaya yang tak berimbang di bagian dalam sistem, dan juga antara sistem dan lingkungannya. Dalam kesetimbangan termal, semua bagian sistem bertemperatur sama, dan sistem juga memiliki suhu yang sama dengan lingkungannya. Dalam kesetimbangan kimia, suatu sistem tidak mengalami perubahan spontan dalam struktur internalnya, seperti reaksi kimia. Sistem dalam kesetimbangan kimia juga tidak mengalami perpindahan materi dari satu bagian sistem ke bagian sistem lainnya, seperti difusi atau pelarutan. Bila ketiga syarat kesetimbangan tersebut tidak dipenuhi, maka sistem termodinamika disebut berada dalam keadaan tidak setimbang. Kesetimbangan termodinamika menjelaskan sistem yang propertinya tidak akan berubah tanpa beberapa jenis campur tangan dari luar. Dengan kata lain, sebuah sistem dalam kesetimbangan termodinamika tidak akan berubah kecuali ada sesuatu yang ditambahkan atau dikurangi dari itu. Bagi objek untuk mencapai kesetimbangan termodinamika, ada tiga kondisi yang harus dipenuhi, yaitu : kesetimbangan mekanik, keseimbangan kimia, dan keseimbangan termal. Kesetimbangan Mekanik Menjelaskan apa yang terjadi ketika tidak ada gaya yang tidak seimbang dalam sistem atau dengan sistem dan sekitarnya. Ini berarti bahwa gaya harus sama dalam suatu sistem dan dalam sistem dan sekitarnya. Salah satu gaya tersebut adalah tekanan. Jika tekanan adalah sama dalam sistem dan dengan sistem dan sekitarnya, keseimbangan mekanik 5

6 tercapai. Jika tidak ada keseimbangan mekanik, sistem akan berusaha untuk mencapai keseimbangan. Keseimbangan Kimia Suatu objek akan mencapai keseimbangan kimia, dimana semua reaksi kimia dalam sistem seperti difusi maupun pelarutan sudah berlangsung atau terjadi, walau dalam kecepatan yang lambat sekalipun. Keseimbangan Termal Keseimbangan ini akan terjadi jika tidak ada perpindahan kalor dalam sistem atau antara sistem dengan lingkungannya. Artinya semua temperatur dalam sistem harus sama. Jenis lain dari kesetimbangan yang dicapai adalah sebagai berikut: a) Dua sistem dalam kesetimbangan termal saat suhu sama. b) Dua sistem dalam kesetimbangan mekanik saat tekanan mereka sama. c) Dua sistem dalam kesetimbangan difusi saat potensial kimia mereka sama. Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah. Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi. Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau mencapai keadaan kesetimbangan di mana perpindahan molekul tetap terjadi walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah pemberian gula pada cairan teh tawar. Lambat laun cairan menjadi manis. Contoh lain adalah uap air dari cerek yang berdifusi dalam udara.difusi yang paling sering terjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk perpindahan dari sebuah lapisan (layer) molekul yang diam dari solid atau fluida. B. Persamaan Keadaan Sistem Di dalam fisika dan termodinamika, persamaan keadaan adalah persamaan termodinamika yang menggambarkan keadaan materi di bawah seperangkat kondisi fisika. Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume 6

7 dan energi dalam. Persamaan keadaan berguna dalam menggambarkan sifatsifat fluida, campuran fluida, padatan, dan bahkan bagian dalam bintang. Penggunaan paling umum dari sebuah persamaan keadaan adalah dalam memprediksi keadaan gas dan cairan. Salah satu persamaan keadaan paling sederhana dalam penggunaan ini adalah hukum gas ideal, yang cukup akurat dalam memprediksi keadaan gas pada tekanan rendah dan temperatur tinggi. Tetapi persamaan ini menjadi semakin tidak akurat pada tekanan yang makin tinggi dan temperatur yang makin rendah, dan gagal dalam memprediksi kondensasi dari gas menjadi cairan. Namun, sejumlah persamaan keadaan yang lebih akurat telah dikembangkan untuk berbagai macam gas dan cairan. Saat ini, tidak ada persamaan keadaan tunggal yang dapat dengan akurat memperkirakan sifat-sifat semua zat pada semua kondisi. Selain memprediksi kelakuan gas dan cairan, terdapat juga beberapa persamaan keadaan dalam memperkirakan volume padatan, termasuk transisi padatan dari satu keadaan kristal ke keadaan kristal lainnya. Terdapat juga persamaan-persamaan yang memodelkan bagian dalam bintang, termasuk bintang netron. Konsep yang juga berhubungan adalah mengenai fluida sempurna di dalam persamaan keadaan yang digunakan di dalam kosmologi. Ada beberapa sistem termodinamis (suatu sistem yang berada dalam keadaan setimbang termodinamis), yaitu: 1. 1.Sistem Hidrostatis (Hidrostatik) atau Sistem Kemis (Kimiawi) 2. Sistem Paramagnetis (Paramagnetik). 3. Sistem Dielektris (Dielektrik). 4. Sistem Dawai yang Teregang. 5. Sistem Selaput Tipis. 6. Sistem Sel Listrik. 1. Sistem Hidrostatis Sistem hidrostatis merupakan zat kimia yang tidak diperhatikan sifat kelistrikannya, kemagnetannya, elastisitasnya, dan sifat tegangan permukaannnya. Sistem hidrostatis ada dua, yaitu: zat murni dan zat tak murni. Contoh sistem hidrostatis adalah: gas, cairan, atau padatan. 7

8 Sistem hidrostatis disebut zat murni apabila terdiri atas satu senyawa kimia saja dan berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: Es (H 2 O), Air (H 2 O), Uap Air (H 2 O), Karbondioksida (CO 2 ), Hidrogen (H 2 ), Nitrogen (N 2 ), atau Oksigen (O 2 ). Karbondioksida, hidrogen, nitrogen, dan oksigen dapat berada dalam wujud padatan, gas, maupun cairan. Sistem hidrostatis disebut zat tak murni apabila terdiri atas campuran zat murni yang berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: udara yang terdiri dari campuran oksigen, nitrogen, uap air, dan karbondioksida. Dalam udara masih ada beberapa jenis gas lagi, namun jumlahnya sedikit sekali, misalnya gas argon, helium, neon, dan gas kripton. Persamaan keadaan sistem hidrostatis dinyatakan dalam fungsi f(p,v.t) = 0 a. Gas Ideal, dengan persamaan keadaan: p V = n R T b. Gas Clausius, dengan persamaan kedaan: p (v b) = R T c. Gas van der Waals, dengan persamaan keadaan Dalam bentuk lain persamaan keadaan gas van der Waals dapat ditulis sebagai berikut. p v 2 (p b + R T) v 2 + a v a b = 0 8

9 d. Persamaan keadaan gas real sebagai berikut. A, B, C, dan seterusnya disebut sebagai koefisien virial yang merupakan fungsi temperatur. Karena persamaan 3.8.b sama dengan persamaan 3.9, maka diperoleh: A = R T, B = R T b, C = R T b 2, demikian selanjutnya 2. Sistem Paramagnetik Sistem paramagnetik merupakan gas, cairan, padatan, atau campuran dari dua atau tiga wujud tersebut yang memiliki kuat medan magnet luar yang disebut induksi magnetik (B) yang mempengaruhi kemagnetan atom-atom atau magnetisasi (M). Sedangkan temperatur sistem paramagnetik mempengaruhi orientasi atom-atom sistem paramagnetik dan orientasi atom-atom ini akhirnya mempengaruhi magnetisasi. Jadi sistem paramagnetik minimal mempunyai tiga koordinat sistem, yaitu: induksi magnetik luar (B), Magnetisasi (M), dan temperatur sistem paramagnetik (T). Sedangkan contoh sistem paramagnetik misalnya: Aluminum (Al), Calcium (Ca), Magnesium (Mg), dan Chromium (Cr). Untuk jelasnya, ditinjau sebuah kristal Mg yang memiliki banyak atom, misalnya sebanyak m buah atom. Andaikan kristal ini dibiarkan begitu saja, maka kristal tetap dalam kondisi netral. Jika dipandang dari segi kemagnetannya, atom-atom Mg merupakan momen atau dipol magnetik (μ i) ) yang tertentu, sehingga dipol magnetik totalnya adalah: 9

10 Namun, karena arah dipol magnetik berbeda-beda (berorientasi secara acak) sedemikian rupa, sehingga magnetisasinya tidak ada atau sama dengan nol. Atom-atom tidak terlihat mata, maka atom-atom yang bersifat magnet atau dipol magnetik ini merupakan magnet-magnet kecil sekali yang disebut magnet elementer. Karena arah magnet elementer berbeda-beda sedemikian rupa, sehingga kemagnetan kristal Mg juga tidak tampak atau kemagnetannya sama dengan nol, sehingga magnetisasinya juga sama dengan nol. Pada hakikatnya momen magnetik atau dipol magnetik bersumber pada elektron yang mengelilingi inti dalam kulit atau sub kulit yang tidak penuh seluruhnya. Momen magnetik atom dinyatakan dalam satuan yang disebut sebagai magneton Bohr, yaitu: μ B 9 x A m 2 Andaikan sistem paramagnetik yang berupa kristal Mg diperlakukan, misalnya diberi medan magnet luar yang kuat dengan induksi magnetik B, maka dipol magnetik atau magnet elementer arahnya akan terorientasi searah dengan medan magnet luar. Dengan demikian, sistem paramagnetik memiliki suatu besaran atau koordinat yang menyatakan kuat medan magnet luar yang disebut induksi magnetik B. Tanpa medan magnet luar, sepotong kristal paramagnetik tidak memiliki apa yang dinamakan kemagnetan atau magnetisasi M, karena masing-masing magnet elementer atau dipol magnetik berorientasi acak. Karena ada medan magnet luar, maka magnet elementer atau dipol magnetik terorientasi searah dengan arah medan magnet luar. Boleh dinyatakan, magnet-magnet elementer atau dipol magnetik akan berusaha menyejajarkan (menjajarkan) diri dengan medan magnet luar. Dengan demikian magnetisasi M merupakan koordinat kedua sistem paramagnetik. Koordinat ketiga sistem paramagnetik adalah temperatur (T). Mengapa demikian? Karena penyejajaran (penjajaran) magnet elementer atau dipol magnetik (μ i ) oleh kuat medan magnet luar dengan induksi magnetik B ditentang oleh temperatur (T). Maksudnya, karena atom-atom dalam suatu kristal 10

11 senantiasa bergetar, sedangkan kenaikan temperatur menyebabkan getaran semakin hebat, maka semakin tinggi temperatur semakin acak orientasi magnet elementer atau dipol magnetiknya, sehingga magnetisasinya (M) semakin kecil. 3. Sistem Dielektris Dielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrik yang dapat dikutubkan (polarized) dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik. Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti bahankonduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif medan listrik) Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi bahan dielektrik menurun. Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namun juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan listrik. Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknyarendah, seperti "dielektrik", namun istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahanbahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum tentang dielektrik adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor. Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya mengubah muatan listrik pada kutub-kutub kapasitor 4. Sistem Dawai Teregang Semua bahan berubah bentuk karena pengaruh gaya. Ada bahan yang kembali ke bentuk aslinya bila gaya yang mempengaruhi dihilangkan, bahan yang seperti ini disebut bahan yang lenting sempurna. Ada pula bahan yang tetap berubah bentuknya walaupun gaya yang mempengaruhi dihilangkan, 11

12 bahan yang seperti ini disebut bahan tidak lenting sempurna. Namun tidak boleh ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan. Jika ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan, maka bahan akan putus, patah, atau retak. Batas ini disebut sebagai batas kelentingan bahan. Sifat-sifat kelentingan bahan dijelaskan dengan dua pengertian dasar, yaitu: stres dan strain. Gambar a melukiskan sebuah batang baja A yang ditarik oleh dua gaya yang sama, ke kanan dan kekiri, yaitu: F. Karena kuatnya gaya tarik tersebut, maka batang baja akan mengecil dan berubah bentuknya menjadi batang B. Perubahan bentuk ini tetap, walaupun kedua gaya tarik dihilangkan. Gambar b melukiskan sebuah batang baja A yang ditekan dengan gaya yang berlawanan sebesar F. Akibatnya batang baja A membesar dan memendek serta berubah bentuknya menjadi B. Perubahan bentuk ini tetap, walaupun gaya tekan dihilangkan. 5. Sistem Selaput Tipis Selaput tipis (Thin Layer) juga merupakan sistem termodinamis. Contoh konkret selaput tipis antara lain: a. bagian atas permukaan cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya, b. gelembung sabun atau selaput sabun yang teregang pada suatu kerangka yang terjadi dari dua permukaan selaput sabun dengan sedikit cairannya, dan c. lapisan minyak di atas permukaan air. Lapisan minyak di atas air mirip dengan membran yang teregang seperti gambar berikut. 12

13 Lapisan minyak menarik garis batas antara minyak dan air ke atas dengan gaya F yang tegak lurus garis batas serta lapisan air menarik garis batas antara minyak dan air ke bawah dengan gaya F yang tegak lurus garis batas. Dua gaya ini sama harganya hanya berlawanan arah. Gaya yang bekerja tegak lurus garis batas per satuan panjang disebut tegangan permukaan. Keadaan selaput tipis ini diwakili oleh tiga koordinat sistem, yaitu: a. tegangan permukaan (γ) dengan satuan N m 1 b. luas selaput (A) dengan satuan m 2, dan c. temperatur selasput tipis (T) dengan satuan kelvin (K). Eksperimen menunjukkan, bahwa tegangan permukaan hanya fungsi temperatur saja. Oleh sebab itu, persamaan keadaan selaput tipis antara minyak (eka lapis) dan air dapat ditulis sebagai berikut. dengan a = tetapan, γ = tegangan permukaan air yang diselimuti minyak eka lapis, γ w = tegangan permukaan air bersih (murni), dan T = temperatur lapisan tipis. Perbedaan (γ γ w ) sering disebut tekanan permukaan. Selaput tipis seperti ini dapat dimampatkan dan dapat dimuaikan; sehingga sangat menarik jika dibahas dalam termodinamika. Selaput tipis antara minyak dan air jika diendapkan akan mempunyai sifat optis yang menarik; sehingga jika dibahas dalam optika fisis sangat menarik. 6. Sistem Sel Terbalikkan Sel terbalikkan Daniell terdiri atas dua elektrode (tembaga / Cu dan seng / Zn) yang masing-masing dibenamkan dalam elektrolit yang berbeda (larutan Cu 13

14 SO 4 jenuh dan larutan Zn SO 4 jenuh) yang dibatasi oleh dinding berpori-pori seperti gambar berikut : Eksperimen menunjukkan, bahwa elektrode Cu lebih positif dibanding dengan elektrode Zn; sehingga Cu disebut kutub positif dan Zn disebut kutub negatif. Jika sel Daniell tersebut dihubungkan dengan suatu potensiometer yang beda potensialnya lebih rendah sedikit dengan gaya gerak listrik (ggl) sel, maka arus listrik (pemindahan muatan positif) akan terjadi dari Cu ke Zn. Apabila hal ini terjadi, seng melarut, seng sulfat terbentuk, tembaga diendapkan, dan tembaga sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia berikut : Jika pemindahan muatan positif dibalik, dalam arti dari Zn ke Cu, maka akan terjadi: tembaga melarut, tembaga sulfat terbentuk, seng diendapkan, dan seng sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia kebalikan dari reaksi diatas. Eksperimen menunjukkan, bahwa reaksi berlangsung dalam arah sebaliknya; sehingga sel Daniell disebut sel terbalikkan. Jika sel terbalikkan tidak menghasilkan gas dan bekerja pada tekanan udara luar yang tetap, maka variabel keadaan sistemnya hanya tiga, yaitu: 1. gaya gerak listriknya (ε) dengan satuan volt (V) 2. muatannya (Z) dengan satuan coulomb ( C), dan 3. temperaturnya (T) dengan satuan kelvin (K). 14

15 Sifat penting sel terbalikkan ialah perubahan kimia yang menyertai pemindahan muatan listrik dalam satu arah terjadi dengan harga yang sama dalam arah sebaliknya ketika jumlah muatan listrik yang sama dipindahkan dalam arah sebaliknya. Jadi, jika Δn mol seng lenyap dan Δn mol tembaga diendapkan, muatan sel berubah dari Z i ke Z f, dengan Perlu diketahui, bahwa Z i = muatan awal sel, Z f = muatan akhir sel, j = valensi seng atau tembaga (dalam hal ini valensi seng = valensi tembaga = 2), dan N F = tetapan Faraday = C. Namun eksperimen juga menunjukkan, bahwa ggl sel terbalikkan hanya fungsi temperatur saja. Dengan demikian, persamaan keadaan sistem sel terbalikkan adalah: dengan ε = ggl sembarang temperatur, ε 20 = ggl pada temperatur 20 0 C, t = temperatur dalam celcius, serta α, β, dan γ adalah tetapan yang bergantung pada bahan. C. Koefisien Muai dan Komprestabilitasnya Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian terjadi pada 3 zat yaitu pemuaian pada zat padat, pada zat cair, dan pada zat gas. Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang (untuk satu demensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk tiga dimensi). Sedangkan pada zat cair dan zat gas hanya terjadi pemuaian volume saja, khusus pada zat gas biasanya diambil nilai koefisien muai volumenya sama dengan 1/273. a) Pemuaian Zat Padat Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat disebut muschen broek. 15

16 Dalam eksperimen yang dilakukan menunjukkan bahwa hampir semua benda padat apabila dipanaskan mengalami perubahan panjang, luas dan volume. a) Muai panjang Muai panjang adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda karena menerima kalor. Pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal sangat kecil dibandingkan dengan nilai panjang benda tersebut. Sehingga lebar dan tebal dianggap tidak ada. Contoh benda yang hanya mengalami pemuaian panjang saja adalah kawat kecil yang panjang sekali. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu panjang awal benda, koefisien muai panjang dan besar perubahan suhu. Koefisien muai panjang suatu benda sendiri dipengaruhi oleh jenis benda atau jenis bahan. Berikut beberapa koefisien muai panjang benda padat. Koefisien muai panjang berbagai jenis zat padat No. Jenis zat Koefisin muai panjang ( / C ) 1. Aluminium 0,000024/ C 2. Perunggu 0,000019/ C 3. Baja 0,000011/ C 4. Tembaga 0,000017/ C 5. Kaca 0,000009/ C 16

17 6. Pirek 0,000003/ C 7. Berlian 0,000001/ C 8. Grafit 0,000008/ C Secara matematis persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan panjang benda setelah dipanaskan pada suhu tertentu adalah L = Lo { 1 + α ( t2 t1 ) } Keterangan : L = panjang setelah pemanasan atau pendinginan (m) atau (cm) Lo = panjang awal (m) atau (cm) α = koefisien muai panjang (/ C) t 1 = suhu mula-mula ( C) t 2 = suhu akhir ( C) Contoh Soal: 1. Panjang sebatang alumunium pada suhu 0 C adalah 100 cm. Berapa panjang pada suhu 100 C, bila angka koefisien muai panjangnya 0,000024/ C? Pembahasan : Diketahui : L0= 100 cm t1 = 0 C t2 = 100 C α = 0,000024/ C Ditanya : L? Jawab : L = Lo { 1 + α ( t2 t1 ) } L = 100 { 1 + 0, (100-0) =100{ 1 + 0, x 100} = 100 {1,0024) = 100,24 Jadi, panjang sebatang alumunium = 100,24 cm 2. Pada suhu 25 C panjang suatu bantang adalah 8 meter. Jika suhu dinaikkan menjadi 3 kali suhu semula dan koefisien muai panjang batang adalah 14 x 10-6 /oc, maka panjang batang tersebut akan menjadi... A. 8,0024 m D. 8,0058 m B. 8,0042 m E. 8,0064 m C. 8,0056 m 17

18 Pembahasan : Dik : To = 25 o C; lo = 8 m, T = 3(25 o C) = 75 oc; ΔT = 50 o C. Berdasarkan rumus pemuaian : Δl = lo α ΔT Δl = 8.(14 x 10-6) (50) Δl = 56 x 10-4 Δl = 0,0056 m Maka panjang batang menjadi : l = lo + Δl l = 8 + 0,0056 l = 8,0056 m. b) Muai luas Muai luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada. Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah lempeng besi yang lebar sekali dan tipis. Seperti halnya pada pemuian luas faktor yang mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan perubahan suhu. Karena sebenarnya pemuaian luas itu merupakan pemuian panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya sama dengan 2 kali koefisien muai panjang. Untuk menentukan pertambahan luas dan volume akhir digunakan persamaan sebagai berikut : A = Ao { 1 + β ( t2 t1 ) } Keterangan : A = luas setelah pemanasan atau pendinginan (m 2 ) atau (cm 2 ) Ao = luas awal (m²) atau (cm²) β = koefisien muai luas (/ C) t 1 = suhu mula-mula ( C) t 2 = suhu akhir ( C) Catatan : β = 2α 18

19 Contoh Soal : Suatu plat aluminium berbentuk persegi dengan panjang sisi 20 cm pada suhu 25 C. Koefisien muai panjang aluminium 0,000024/ C. Tentukan pertambahan luas plat tersebut jika dipanasi hingga suhu 125 C! Pembahasan: Diketahui : A0= 20 x 20 =400 cm² t 1 = 25 C t 2 = 125 C β = 2 α =2 x 0,000024/ C = 0, Ditanya : A? Jawab : A = Ao { 1 + β ( t2 t1 ) } A = 400 { 1 + 0, (125-25) = 400{ 1 + 0, x 100} = 400 {1,0048) = 101,92 Jadi, luas plat alumunium = 101,92 cm c) Muai volume Muai volume dalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena menerima kalor. Pemuaian volume terjadi benda yang mempunyai ukuran panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama dengan 3 kali koefisien muai panjang. Persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan volume dan volume akhir suatu benda tidak jauh beda pada perumusan sebelum. Hanya saja beda pada lambangnya saja. Perumusannya adalah V = Vo { 1 + γ ( t2 t1 ) } 19

20 Keterangan : V = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m 3 ) atau (cm 3 ) Vo = volume awal (m 3 ) atau (cm 3 ) γ = koefisien muai volume (/ C) t 1 = suhu mula-mula ( C) Catatan : γ = 3α Contoh Soal : Sebuah bola tembaga pada suhu 15 C volumenya 1 m³. Berapakah volume tembaga itu pada suhu 100 C? Koefisien muai ruang tembaga = 0, / C. Pembahasan: Diketahui : V0= 1 m³ t1 = 15 C t2 = 100 C γ = 3α = 3 x 0, = 0, / C Ditanya : V? Jawab : V = Vo { 1 + γ ( t2 t1 ) } V = 1 { 1 + 0, (100-15) = 1 { 1 + 0, x 85 } = 1 {1,004335) = 1, Jadi, ruang tembaga setelah memuai = 1, m³ 2) Pemuaian Zat Cair Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat cair disebut labu didih. Sifat utama zat cair adalah menyesuaikan dengan bentuk wadahnya. Oleh karena itu zat cair hanya memiliki muai volume saja. Secara matematis rumus pemuaian zat cair sebagai berikut V2 = V1( 1 + γ x Δt) Keterangan : V2 = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m³) atau (cm³) V1 = volume awal (m³) atau (cm³) γ = koefisien muai volume ( / C) t1 = suhu mula-mula ( C) 20

21 t2 = suhu akhir ( C) Δt = t2 - t1 Berikut beberapa koefisien muai volume zat cair. Koefisien muai volume zat cair No. Jenis zat Koefisin muai volume ( / C ) 1. Air raksa 0,00018/ C 2. Aseton 0,00150/ C 3. Air 0,00021/ C 4. Bensin 0,00095/ C Contoh soal : 1. Roni memanasi air sebanyak 10 liter dari suhu 10 C menjadi 60 C. Jika koefisien muai ruang air 0,00021/ C, hitung volume air setelah dipanaskan! Pembahasan : Diketahui : V1= 10 liter t1 = 10 C t2 = 60 C Δt = t2 - t1 = = 10 γ = 0,00021/ C Ditanya : V 2? Jawab : V2 = V1( 1 + γ x Δt) = 10 ( 1 + 0,00021 x 50 ) = 10 ( 1 + 0,0045 ) = 10 x 1,045 = 10, 45 Jadi, volume air setelah dipanaskan = 10,45 liter 3) Pemuaian Zat Gas Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian gas disebut dilatometer. Salah satu perbedaan antara zat gas dengan zat padat dan cair adalah volume zat gas dapat diubah-ubah dengan mudah. Misal, sebuah tabung gas elpiji. Di dalam tabung gas tentu akan mengadakan tekanan pada dinding tabung. Tekanan ini disebabkan oleh gerakan partikel gas. Gas akan mengalami 21

22 pemuaian apabila dipanaskan. Peristiwa pemuaian pada zat gas mudah diamati daripada pemuaian pada zat padat. Pemuaian pada zat gas ditunjukkan oleh gelembung-gelembung udara yang keluar dari dalam pipa kapiler yang ada pada labu didih. Gas juga megalamai pemuaian layaknya pada pemuaian zat cair dan zat padat. Khusus untuk pemuaian zat ini agak berbeda dengan pemuaian zat padat dan pemuaian zat cair. Ada satu variabel yang sangat menentukan pemuaia zat gas yaitu tekanan. Sobat muengkin pernah melihat balon yang kepanasan tiba-tiba meletus, itu salah satu contoh sederhana pemuaian gas. Tiga hal yang perlu diperhatikan pada zat gas adalah volume, tekanan dan suhu. a. Untuk volume terhadap perubahan suhu pada tekanan tetap V = Vo { 1 + γp ( t2 t1 ) } Keterangan : V = volume gas pada suhu t ( m³ ) Vo = volume gas mula-mula ( m³ ) Γp = koefisien muai gas pada tekanan tetap ( / C) t1 = suhu mula-mula ( C ) t2 = suhu akhir ( C ) b. Tekanan terhadap perubahan suhu pada volume tetap P = Po { 1 + γv ( t2 t1 ) } Keterangan : P = tekanan gas pada suhu t ( m³ ) Po = tekanan gas mula-mula ( m³ ) γv = koefisien muai gas pada volume tetap ( / C) t1 = suhu mula-mula ( C ) t2 = suhu akhir ( C ) c. Muai volume gas V = Vo ( 1 + t/273 ) Dari hasil eksperimen yang dilakukan ternyata koefisien muai untuk semua jenis gas adalah sama yaitu 1/273 /K atau 0,00367 /K. 22

23 Hukum yang menjelaskan tentang pemuaian zat gas a. Hukum Gay Lussac PV = nrt P = tekanan (atm) V = volume (L) n = mol zat R = 0,0082 T = suhu ( 0 K), x 0 C = (x + 273) 0 K Hukum Gay Lussac menyatakan bahwa pada tekanan tetap volume gas sebanding dengan suhu gas mutlak tersebut sehingga V/T = nr/t = tetap karena perbandingan volume dan suhu tetap, maka perbandingan volume dan suhu sebelum dan sesudah pemuaian juga akan tetap. Sehingga persamaannya menjadi Vo/T1 = V1/T2 Pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar). Dengan T = suhu dalam satuan kelvin. b. Hukum Boyle Hukum boyle menyatakan bahwa pada batas-bats tertentu suhu rendah yangp, berlaku bbahwa hasil perkaian antara tekanan dan volume selalu tetap. Secara matematis rumusnya : PV = nr = tetap karena perkalian tekanan dan volume selalu tetap, maka perkalian volume dan volume sebelum dan sesudah pemuaian juga tetap. jadi persamaan rumusnya P1.V1 =P2.V2 > pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal) c. Hukum Boyle-Gay Lussac Sesuai namanya hukum ini merupakan perpaduan antara hukum boyle dengan hukum lussac. Hukum ini menyatakan bahwa dalam pemuaian zat gas perkalian volume dengan tekanan dibagi suhu selalu tetap. 23

24 P1.V.1 P2.V2 = =tetap T1 T2 Contoh soal pemuaian gas : 1) Pada tekanan tetap, sebuah gas memiliki volume 200 cm 3 pada suhu 27, pada sushu 127 berapakah volume gas tersebut? Pembahasan Kita bisa menggunakan rumus hukum boyle Vo/T1 = V1/T2 200/(27+273) = V1/( ) 200/300 = V1/400 V1 = 2/3 x 400 = 266, 67 cm 3 24

25 Contoh Pemuaian : Jenis Pemuaian Zat Pemuaian Zat padat Contoh Pemuaian Zat 1. Rel Kereta Api yang bengkok karena panas 2. Kabel listrik/telepon yang lebih kendur ketika siang hari 3. Bimetal pada alat-alat listrik seperti pada setrika yang akan mati sendiri ketika sudah terlalu panas. 4. Pemuaian pada kaca rumah. 5. Mengeling Pelat Logam Umumnya dilakukan pada pembuatan container dan badan kapal besar. 6. Pemasangan Ban Baja pada Roda Lokomotif Dilakukan dengan cara memanaskan ban baja hingga memuai kemudian dipasangkan pada poros roda,setelah dingin akan menyusut dan mengikat kuat. Pemuaian Zat Cair 1. Termometer Memanfaatkan pemuaian zat cair (raksa atau alkohol) pada tabung thermometer. 2. Air dalam panci akan meluap ketika dipanaskan. (selain dipengaruhi oleh konveksi kalor peristiwa ini juga dipengaruhi oleh pemuaian air) Pemuaian (zat) Gas 1. Balon yang meletus terkena panas. 2. Roda kendaraan yang meletus terkena panas 25

26 4) Kompresibilitas Komprestabilitas adalah penyimpangan gas ideal. Faktor komprestabilitas adalah rasio molar volume gas terhadap volume gas ideal pada tekanan dan temperatur sama. Faktor kompresibilitas merupakan salah satu properti termodinamika yang berguna untuk memodifikasi hukum gas ideal untuk melihat perilaku gas nyata.secara umum, penyimpangan dari keadaann ideal menjadi semakin besar ketika gas semakin mendekati perubahan fasa, suhu yang semakin rendah atau tekanan makin tinggi. Faktor kompresibilitas biasanya didapatkan dari perhitungan persamaan keadaan (EOS), seperti persamaan virial yang membutuhkan konstanta empiris spesifik senyawa untuk menghitungnya. Untuk gas yang merupakan campuran 2 gas murni atau lebih, komposisi gas harus diketahui sebelum kompresibilitasnya dapat dihitung. Faktor kompresibilitas didefinisikan sebagai dengan adalah volume molar, adalah volume molar gas ideal adalah tekanan, adalah temperatur, dan adalah konstanta gas. Untuk aplikasi teknik, biasanya dituliskan sebagai Dengan adalah densitas gas dan adalah konstanta gas spesifik, adalah massa molar. Untuk gas ideal, faktor kompresibilitas adalah. 26

27 Contoh Soal 1. Hitunglah nilai penyimpangan dari kompresibilitas darisuatu gas apabilasuatu gas dengan volume 1 dm dengan tekanan 1 atm/bar? Jawab : Diketahui : P= 1 atm V= 1 dm 3 = 1 liter T= 60 o C= = 330 K R= 0,813 Jawab : Z = = = = 0,0034 = 3, D. Proses Proses Kuasistatik Proses kuasi-statik adalah proses dalam keadaan ideal dengan hanya mengubah sedikit saja gaya eksternal yang beraksi pada sistem sehingga gaya takberimbangnya sangat kecil. Proses kuasi-statik merupakan suatu pengidealan yang dapat diterapkan untuk segala sistem termodinamika, termasuk sistem listrik dan magnetik. E. Diagram Termodinamika Diagram p-v-t dan Diagram p-t, p-v,t-v Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor utama yang mempengaruhi sifat kimia fisika suatu materi yaitu tekanan (p), volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berperan penting untuk menentukan wujud atau fasa suatu materi. Secara umum, kita mengetahui terdapat tiga jenis fasa materi, yaitu padat, cair, gas. Namun, dalam kajian termodinamika fasa materi tidak hanya itu, masih ada beberapa jenis fasa 27

28 lainnya bergantung pada kondisi. Pada kondisi tertentu, dapat dimungkinkan muncul lebih dari satu jenis fasa yang berbeda sekaligus. Hubungan kondisi tersebut dapat dipelajari lebih mudah melalui suatu penggambaran diagram yang mencakup tekanan (p), volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berpadu membentuk sebuah diagram tiga dimensi (3D) yang sering disebut diagram p-v-t yang ditunjukkan pada gambar 1. Diagram tersebut dibentuk dengan meletakkan masing-masing faktor (p-v-t) pada sumbu koordinat kartesius (x,y,z). Hasil visualisasi tersebut diperoleh dari serangkaian percobaan atau eksperimen para ahli. Dari hasil percobaan tersebut diperoleh suatu hubungan-hubungan kuantitatif yang kemudian dapat ditafsirkan secara kualitatif. F. Gambar 1. diagram p-v-t Pada gambar di atas terlihat ada daerah-daerah di mana zat tersebut memiliki satu fase (single phase), dua fase (two phase) dan ketiga wujud zat berada dalam kesetimbangan. Daerah single-phase adalah daerah di mana hanya terdapat satu fase yaitu : solid (padat), liquid (cair), dan vapor (uap). Pada daerah tersebut dipengaruhi oleh dua kombinasi faktor, yakni tekanan, temperature atau volume spesifik dan pada kondisi ini ketiganya independent. Sementara daerah di antara satu fasa atau fasa tunggal adalah daerah dua fasa. Daerah dua fasa (two phase) adalah daerah di mana terdapat kesetimbangan 28

29 antara dua fasa : cair-uap, cair-padat, dan padat-uap. Daerah dua fasa muncul karena adanya perubahan fasa seperti : penguapan (cair ke uap), peleburan (padat ke cair) dan penyubliman (padat-gas). Pada daerah dua fasa tekanan dan temperature saling bergantung (dependent) artinya salah satu tidak akan berubah jika yang lainya tidak berubah. Oleh karena itu, bentuk fasa tidak hanya ditentukan oleh temperature dan tekanan saja, melainkan ditentukan juga oleh volume spesifik. Garis di mana terdapat kesetimbangan tiga fasa disebut triple line. Seringkali sulit untuk memahami diagram p-v-t secara langsung yang merupakan penggambaran secara tiga dimensi. Oleh karena itu, untuk memudahkan pembacaan diagram tersebut maka diagram tersebut dikonversi menjadi diagram dua dimensi (2D) melalui proyeksi pada bidang. Proyeksinya tersebut menghasilkan diagram p-t, diagram p-v dan diagram T- v. Simulasi proses konversi tersebut dijelaskan oleh gambar 2. G. Gambar 2. Proyeksi p-v-t pada permukaan p-t dan p-v Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa ketika gambar permukaan p-v- T diproyeksikan pada bidang tekanan-suhu maka akan didapat diagram p- T (gambar 4). Sementara proyeksi gambar permukaan p-v-t pada bidang tekanan-volum spesifik menghasilkan diagram p-t (gambar 3). Dan proyeksi gambar permukaan p-v-t pada bidang suhu-volume spesifik menghasilkan 29

30 diagram T-v. Selain itu, akibat dari proyeksi ini adalah reduksi cakupan operasi kondisi fasa yakni daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerah cairan-uap menjadi garis penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garis sublimasi. Garis tripel diproyeksikan menjadi titik tripel. Untuk pemahanan lebih lanjut mengenai diagram diagram p-t dan diagram p-t maka akan dijelaskan beberapa keadaan tambahan yang terbentuk pada kondisi tertentu. Keadaan jenuh (saturation state) adalah keadaan di mana perubahan fasa dimulai dan berakhir. Kurva uap (vapor dome) adalah kurva yang terdiri atas dua fase cair dan uap. Garis yang membatasi kurva uap tersebut disebut garis cairan jenuh (saturated liquid lines) dan garis uap jenuh (saturated vapor lines). Titik di mana garis jenuh cairan dan uap bertemu di sebut titik kritis (critical point).titik kritis tersebut juga adalah titik di mana gas di atas tekanan dan temperatur kritis tidak dapat dicairkan hanya dengan mengecilkan volumenya. Suhu pada terjadinya titik kitis disebut Temperature kritis (T c ) yang menunjukkan batas maksimum agar kesetimbangan fasa cairan dan uap terbentuk. Sementara tekanan pada suhu kritis disebut tekanan kritis (p c ). Sedangkan volume spesifik pada kondisi tersebut disebut volume spesifik kritis. Diagram p-v Proyeksi diagram tiga dimensi p-v-t ke dalam diagram p-v diperlihatkan pada gambar 4. Pada diagram tersebut tampak garis-garis isotermal (suhu tetap). Pada grafik di bawah, dapat dilihat bahwa pada suhu di bawah titik kritis, maka tekanan akan konstan ketika melalui daerah dua fasa cair-uap, tetapi pada daerah satu fasa ( cair atau gas) maka tekanan akan turun pada temperature tetap dan volume spesifik naik (kurva ditunjukkan tanda panah merah). Sedangkan saat temperature sama atau lebih dari temperature kritis (T c ), maka tekanan akan menurun secara terus menerus pada temperature tetap dan volume spesifik meningkat (kurva ditunjukkan oleh tanda panah biru). Hal ini terjadi karena kurva tersebut tidak memotong pada daerah dua fasa cair-uap. H. I. Gambar 3. Diagram p-v 30

31 Diagram p-t Ketika gambar permukaan p-v-t diproyeksikan pada diagram p-t (gambar 4), daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerah cairan-uap menjadi garis penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garis sublimasi. Garis tripel diproyeksikan menjadi titik tripel. Diagram p-t adalah jalan untuk menunjukkan suatu fase zat karena pada diagram tersebut, tiga fase dari zat dipisahkan secara jelas melalui garis, yaitu garis peleburan ( kesetimbangan fase padat dan cair), garis penguapan ( kesetimbangan fase cair dan uap), garis penyubliman (kesetimbangan fsae padat dan uap). Ketiga garis tersebut bertemu di titik tripel. Titik tripel adalah ketika suatu zat berada pada kesetimbangan fase padat, cair dan uap. Gambar di bawah juga memperjelas bidang cair dari 2 jenis zat, yakni: Bidang a b d merupakan bidang cair dari zat yang memuai saat beku. Artinya, semua kombinasi Tekanan dan Suhu dari zat yang berada di bidang ini berada pada keadaan cair. Bidang c b d merupakan bidang cair dari zat yang menyusut saat beku. Gambar tersebut juga menerangkan proses perubahan wujud zat dari beku menjadi uap melalui dua mekanisme. Pada proses yang ditandai dengan panah merah, mula-mula zat dari keadaan beku (fasa padat) berubah menjadi cair (pencairan) kemudian berubah menjadi uap (penguapan). Sementara pada proses yang ditandai dengan panah biru, perubahan dari bentuk beku (padat) menjadi uap terjadi tanpa melalui proses pelelehan (mencair). Proses ini disebut dengan menyublim. Dan proses tersebut hanya dapat terjadi pada tekanan dan suhu dibawah tekanan dan suhu triple point. Diagram T-v Ketika permukaan diagram p-v-t diproyeksikan pada bidang temperaturevolume spesifik maka akan menghasilkan diagram T-v. Gambar di atas merupakan sketsa dari diagram T-v dari air pada fase cair, dua fasa cair-uap dan 31

32 uap. Untuk kondisi tekanan dibawah tekanan kritis (kurva ditunjukkan oleh panah merah), sepert 10 MPa, maka tekanan akan konstan ketika melintasi daerah dua fasa. Sementara pada daerah satu fasa ( cair atau uap ) maka tekanan akan meningkat seiring kenaikan suhu maupun volume spesifik. Sedangakan pada kondisi tekanan sama dengan atau lebih dari tekanan kritis (kurva ditunjukkan oleh panah biru), seperti 30 MPa, maka tekanan akan secara kontinu/terus menerus meningkat seiring kenaikan suhu maupun volume spesifik. Hal ini disebabkan pada tekana sebesar itu, kurva tersebut tidak melalui daerah dua fasa. Gambar 5. Diagram T-v dari air J. Interaksi Sistem Dengan Lingkungan Sistem. Adalah sesuatu yang menjadi pusat perhatian kita, Sistem termodinamika adalah suatu sistem yang keadaannya didiskripsikan oleh besaran-besaran termodinamika. Segala sesuatu di luar sistem (yang dapat mempengaruhi keadaan sistem) disebut lingkungan. Suatu permukaan yang membatasi sistem dengan lingkungannya di sebut permukaan batas, yang dapat berupa permukaan nyata (real surface) atau berupa khayal (imaginary surface). Permukaan batas dapat tetap atau berubah bentuknya. Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka. Sistem terisolasi adalah suatu sistem yang keadaannya tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem tertutup adalah suatu sistem yang tidak terjadi perpindahan materi dari sistem ke lingkungannya atau sebaliknya, tetapi dapat 32

33 terjadi pertukaran (interaksi) energi antara sistem dengan lingkungannya. Sistem terbuka adalah suatu sistem yang dapat terjadi perpindahan materi dan/atau energi antara sistem dan lingkungannya. Sistem A (Gambar 9.1a) adalah suatu sistem yang dilingkupi dengan dinding yang berupa isolator panas (dinding adiabat) sehingga tidak terjadi interaksi materi dan energi antara sistem A dan lingkungannya, sehingga keadaan sistem A tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungan. Sistem A merupakan sistem terisolasi. Sistem B (Gambar 9.1b) merupakan suatu sistem yang dilingkupi dinding yang berupa konduktor panas ( dinding diaterm) sehingga dapat terjadi interaksi antara sistem B dengan lingkungannya meskipun disini tak terjadi perpindahan materi. Sistem B disebut sistem tertutup. Sistem C dan sistem D pada Gambar 9.1c adalah sistem-sistem yang terbuka, di mana dapat terjadi perpindahan materi dari sistem C ke sistem D atau sebaliknya. Sistem C dilingkupi oleh dinding adiabatik sehingga hanya dapat berinteraksi dengan sistem D saja, sedangkan sistem D dilingkupi dengan dinding diaterm sehingga dapat berinteraksi dengan sistem C dan dengan lingkungannya. Besaran-besaran makroskopis yang dapat diukur pada sistem mencirikan keadaan sistem. Besaran makroskopis sistem menunjukkan sifat (properties) sistem. Besaran makroskopis sistem disebut juga koordinat termodinamika sistem. Koordinat termodinamika sistem cukup dinyatakan oleh tiga variabel dan 33

34 baisanya salah salah satunya adalah temperature. Temperatur secara umum diberi simbol dan khusus untuk temperatur Kelvin diberi simbol T. K. Hukum I Termodinamika Hukum I termodinamika merupakan salah satu dari hukum fisika yang berhubungan dengan kekekalan. Di dalam fisika kita mengenal bermacam macam hukum kekekalan seperti hukum kekekalan energi, hukum kekekalan massa,hukum kekekalan momentum dll. a) Pengertian Termodinamika Sebelum membahas hukum hukum Termodinamika terlebih dahulu kita harus tahu apa itu termodinamika. Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari hubungan antara usaha dan kalor. Di dalam termodinamika kita mengenal adanya sistem dan lingkungan. Dalam termodinamika sistem diarttikan sebagai kumpulan dari benda benda atau objek yang diteliti atau menjadi pusat perhatian kita sedangkan lingkungan diartikan sebagai benda atau objek yang berada di luar sistem. Batas ialah perantara antara siitem dan lingkungan. Daerah tempat Sistem dan lingkungan berada disebut semesta. b) Hukum I Termodinamika Seperti yang telah disebutkan di atas, Hukum hukum Termodinamika membahas tentang kekekalan energi antara sistem dan lingkungan. Hukum I termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem. Energi dalam sistem adalah jumlah total semua energi molekul yang ada di dalam sistem. Apabila sistem melakukan usaha atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam sistem akan naik. Sebaliknya energi dalam sistem akan berkurang jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa perubahan energi dalam pada sistem tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan sistem. 34

35 c) Rumus Hukum I Termodinamika Dari bunyi hukum I Termodinamika, maka rumus hukum I Termodinamika dapat dituliskan sebagai berikut : Q = U + W atau U = Q W atau Dimana : U : Perubahan energi dalam sistem (J) Q : Kalor yang diterima/dilepas sistem (J) W : Usaha (J) d) Perjanjian pada hukum I Termodinamika Rumus hukum I Termodinamika digunakan dengan perjanjian sebagai berikut : 1. Usaha (W) bernilai positif (+) jika sistem melakukan usaha 2. Usaha (W) bernilai negatif (-) jika sistem menerima usaha 3. Q bernilai negatif (-) jika sistem melepas kalor 4. Q bernilai positif (+) jika sistem menerima kalor e) Contoh Soal dan Pembahasannya 1. Kalor sebanyak 3000 Joule ditambahkan pada sistem dan sistem melakukan usaha 2500 Joule pada lingkungan. Perubahan energi dalam sistem adalah Pembahasan Diketahui : Kalor (Q) = Joule Usaha (W) = Joule Ditanya : perubahan energi dalam sistem? Jawab : Hukum I Termodinamika : Aturan tanda : Q positif jika kalor ditambahkan pada sistem 35

36 W positif jika sistem melakukan usaha pada lingkungan Q negatif jika kalor dilepaskan sistem W negatif jika lingkungan melakukan usaha pada sistem Perubahan energi dalam sistem : Energi dalam sistem bertambah 500 Joule. L. Proses Adiabatik Proses adiabatik adalah sistem yang tidak melakukan pertukaran panas dengan lingkungannya. Ini berarti ketika sistem melakukan usaha - apakah gerakan atau kerja mekanik - itu idealnya tidak menjadikan lingkungan sekitarnya hangat atau dingin. Untuk sistem yang melibatkan gas, proses adiabatik biasanya membutuhkan perubahan tekanan untuk menggeser suhu tanpa mempengaruhi lingkungan sekitarnya. Dalam atmosfer bumi, massa udara akan menjalani ekspansi adiabatik dan mendingin, atau mereka akan mengalami kompresi adiabatik, dan memanas. Insinyur telah merancang berbagai mesin dengan proses yang setidaknya sebagian adiabatik. Sebuah proses adiabatik adalah proses termodinamika sistem tidak mendapatkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Sebuah proses termodinamika dapat dipahami sebagai pengukuran perubahan energi dalam sebuah sistem, yang diambil dari keadaan awal ke keadaan akhir. Dalam aplikasi termodinamika, sistem mungkin setiap ruang yang jelas dengan satu set properti seragam, apakah planet, massa udara, mesin diesel, atau alam semesta. Sementara sistem memiliki banyak sifat termodinamika, yang penting di sini adalah perubahan suhu, diukur penambahan atau penurunan panas. Sebuah perubahan energi internal sistem akan terjadi setiap kali sistem yang melakukan usaha, seperti ketika sebuah mesin pembakaran internal yang disebabkan oleh pergerakan bagian-bagiannya. Dalam proses adiabatik dengan melibatkan gas atmosfer, seperti udara, kompresi gas dalam sistem menyebabkan gas untuk 36

37 melakukan pemanasan, sementara perluasan mendinginkan itu. Beberapa mesin uap telah mengambil keuntungan dari proses ini untuk meningkatkan tekanan dan dengan demikian suhu, dan dianggap mesin adiabatik. Para ilmuwan mengklasifikasikan proses adiabatik dari mesin ke sistem cuaca adalah menurut apakah mereka reversibel atau tidak suhu aslinya. Dalam proses adiabatik, perubahan suhu akan terjadi hanya karena usaha yang melakukan, tapi bukan karena kehilangan panas terhadap lingkungannya. Meningkatnya udara dingin tanpa kehilangan panas ke massa udara disekitarnya. Mendingin karena tekanan atmosfer, yang memampatkan dan memanaskan udara dekat dengan permukaan bumi, menurun sesuai dengan ketinggian. Ketika tekanan pada gas berkurang, akan mengembang, dan hukum termodinamika menganggap ekspansi menjadi usaha. Ketika massa udara mengembang dan melakukan kerja, tidak kehilangan panas ke massa udara lain yang mungkin memiliki suhu yang sangat berbeda, dan dengan demikian mengalami proses adiabatik. Hal ini hampir mustahil untuk sistem adiabatik sempurna untuk ada, karena beberapa panas biasanya hilang. Ada persamaan matematika yang digunakan para ilmuwan untuk model proses adiabatik yang mengasumsikan sistem yang sempurna untuk kenyamanan. Ini harus disesuaikan ketika merencanakan mesin aktual atau perangkat. Kebalikan dari proses adiabatik adalah proses isotermal, dimana panas ditransfer di luar sistem untuk lingkungan sekitarnya. Jika gas mengembang bebas di luar sistem dengan tekanan diatur, itu mengalami proses isotermal. 37

38 Persamaan keadaan adiabatik: Tetapan Laplace: karena, maka persamaan diatas dapat juga ditulis: Usaha yang dilakukan pada proses adiabatik: Contoh soal 1. Sejumlah udara berekspansi secara adiabatik dari tekanan awal 2 atm dan volume awal 2 liter pada temperatur 20 0 C menjdai dua kali volume awalnya γ = 1,4. Hitunglah: a. Tekanan akhir b. Temperatur akhir c. Usaha yang dilakukan oleh gas Penyelesaian: Diketahui: γ = 1,4 V 1 = 2 liter V 2 = 4 liter P 1 = 2 atm T 1 = = 293 K Ditanya: a. P 2? b. T 2? c. W? Jawab: 38

39 39

40 BAB III PENUTUP A. SIMPULAN 1) Dalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia. 2) Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume dan energi dalam. 3) Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima kalor. 4) Proses kuasi-statik adalah proses dalam keadaan ideal dengan hanya mengubah sedikit saja gaya eksternal yang beraksi pada sistem sehingga gaya takberimbangnya sangat kecil. 5) Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor utama yang mempengaruhi sifat kimia fisika suatu materi yaitu tekanan (p), volum (V) dan suhu (T). 6) Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka. 7) Hukum I termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem. 8) Proses adiabatik adalah sistem yang tidak melakukan pertukaran panas dengan lingkungannya. 40