HUKUM I TERMODINAMIKA

Transkripsi

1 HUKUM I TERMODINAMIKA Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memenuhi Tugas Mata Kuliah Termodinamika Kelompok 3 Di susun oleh : Novita Dwi Andayani Bagaskara Denny Nuswa Rhona Nawangara Mulia Wati Rahayu Cahyadi Candra Yoan Ayu Puspita PROGRAM STUDI DIPLOMA III TEKNIK KIMIA PROGRAM DIPLOMA FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS DIPONEGORO SEMARANG 2014 BAB I PENDAHULUAN

2 Latar Belakang Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal. 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". Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Kumpulan bendabenda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan. Termodinamika merupakan satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan hukumhukum pergerakan panas, dan perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk energi yang lain. Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi, yang mengambil bentuk hukum 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. Prinsip-prinsip Termodinamika dapat dirangkum dalam 2 Hukum yaitu : Hukum Termodinamika I : -berkenaan dengan kesetimbangan termal atau Konsep Temperatur. - konsep energi dalam dan menghasilkan prinsip kekekalan energi. - menegaskan ke ekivalenan perpindahan kalor dan perpindahan kerja. Hukum Termodinamika II : memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energi dan memperkenalkan prinsip peningkatan entropi. Hukum termodinamika pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Prinsip tersebut juga di kenal dengan istilah konservasi energi. Hukum pertama dapat dinyatakan secara

3 sederhana ;selama interaksi antara sistem dan lingkungan, jumlah energi yang diperoleh sistem harus sama dengan energi yang dilepaskan oleh lingkungan. Enegi dapat melintasi batas dari suatu sistem tertutup dalam dua bentuk yang berbeda : panas (heat) dan kerja (work). Dalam perkembangannya, termodinamika tidak hanya membahas hubungan antara kalor dengan usaha mekanik, tetapi membahas juga pengetahuan dasar tentang suhu dan kalor, pengaruh suhu dan kalor terhadap sifat-sifat zat, serta teori kinetik gas. 2.1 Sistem dan Lingkungan BAB II PEMBAHASAN

4 Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan. Contohnya adalah pada saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang dimaksud dengan sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut sedangkan lingkungannya adalah bejana itu sendiri. Sistem Lingkungan 2.2 Jenis-Jenis Sistem Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu : a. Sistem Terbuka Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan contol volume. b. Sistem Tertutup Sistem tertutup yaitu terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya bisa berubah. Yang dapat keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam bentuk panas atau kerja. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. c. Sistem Terisolasi

5 Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem. 2.3 Hukum Pertama Termodinamika Energi Dalam Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. 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).

6 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.

7 Apabila suatu sistem dikerjakan sebuah usaha luar, maka suhu sistem akan naik. Hal ini terjadi karena sistem menerima energi dari lingkungan. Kenaikan suhu ini berhubungan dengan bertambahnya energi dalam. Apabila pada suatu gas ideal dikerjakan usaha luar (W) dalam proses adiabatik, maka usaha luar tersebut seluruhnya akan menjadi pertambahan energy dalam. Dengan kata lain, usaha luar yang dikerjakan pada gas ideal akan sama dengan perubahan energy dalam gas ideal. W = atau W - U = 0 dengan : W = Usaha Luar (J) U = Perubahan Energi Dalam (J) Apabila suatu gas ideal dikerjakan usaha luar dengan proses non adiabatik, maka gas tersebut disamping menerima usaha luar juga menerima kalor. Sehingga pada proses non adiabatik berlaku persamaan sebagai berikut. atau Q = U + W U = Q - dengan : Q = Kalor (J) Persamaan di atas tersebut disebut sebagai hukum I Termodinamika. Hukum ini merupakan perluasan dari hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa : Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentuk ke bentuk yang lain Apabila sistem menerima(menyerap) kalor dari lingkungan dan sistem melakukan usaha luar, maka Q bertanda positif dan W bertanda positif. Sehingga hokum termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut. Q = U + (+W) = U

8 Apabila sistem menerima kalor dari lingkungan dan pada sistem dikerjakan usaha luar, maka Q bertanda positif dan W bertanda negative. Sehingga hukum I termodinamika depat dinyatakan sebagai berikut. Q = U + (-W) = U - W Dalam bentuk skema, ketentuan persamaan hukum I Termodinamika : 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 +Q sistem -Q -W Lingkungan +W Hukum I Termodinamika dalam proses isothermal Dalam proses isothermal (suhu tetap), perubahan energi dalam U = 0, sebab perubahan suhu T=0. Sehingga hukum I termodinamika menjadi: U = Q - W 0 = Q W Q = W = nrt Atau ln V 2

9 2.3.2 Hukum I Termodinamika dalam proses Isokhorik Dalam proses Isokhorik ( volume tetap), usaha yang dilakukan gas W=0 sebab perubahan volume U=0. Sehingga hukum I Termodinamika menjadi U = Q - W U = Q - 0 U = Q Hukum I Termodinamika dalam proses Isobarik Dalam proses isobarik (tekanan tetap), usaha yang dilakukan gas W = p V= p (V 1 -V 2 ). Sehingga hukum I termodinamika menjadi U = Q - W U = Q p (V 1 -

10 2.2.4 Hukum I Termodinamika dalam proses adiabatik Dalam proses adiabatic, sistem tidak menerima kalor atau melepas kalor sehingga Q=0. Dengan demikian, hukum I termodinamika menjadi U = Q - W U = 0 - W U = -W 2.4 Aplikasi Hukum I Termodinamika dalam Kehidupan Penerapan hukum I termodinamika juga dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, misal: 1. Termos Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan 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 ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.

11 BAB III PENUTUP Kesimpulan Berdasarkan uraian pada makalah di atas dapat disimpulkan sebagai berikut: 1. Suatu sistem termodinamika adalah suatu masa atau daerah yang dipilih untuk dijadikan obyek analisis, dan daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai lingkungan. 2. Ada tiga jenis sistem termodinamika berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan, antara lain sistem terbuka, sistem tertutup, dan sistem terisolasi. 3. Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. 4. Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam empat proses, yaitu: proses isotermal, proses isokhorik, proses isobarik, dan proses adiabatik. 5. Aplikasi hukum termodinamika pada kehidupan sehari-hari dapat dijumpai pada sistem kendaraan bermotor dan termos. DAFTAR PUSTAKA Anonim Hukum I Termodinamika. diakses pada 2 April 2014

12 Anonim.2013.Sistem Termodinamika.http: diakases tanggal 3 April 2014 Hidayat, Adha Nur.2012.Sistem Terbuka dan Tertutup Pada Termodinamika. http: pada.html Diakses pada 3 April 2014 Sunardi, Etsa.2007.Fisika Bilingual.Bandung:Yrama Widya Anonim.2012.Panas Dan Hukum Pertama Termodinamika. Purnomo Sidik.2008.Termodinamika.