Termodinamika Merupakan cabang ilmu fisika yang membahas hubungan panas/kalor dan usaha yang dilakukan oleh panas/kalor tersebut Usaha sistem terhadap lingkungan Persamaan usaha yang dilakukan gas dapat ditulis sebagai berikut: W = p V = p (V2 - V1) Keterangan : p = tekanan gas (N/m 2 ) V = perubahan volume (m 3 ) W = usaha yang dilakukan gas (joule) Perubahan energi dalam Perubahan energi dalam U tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut. Hukum termodinamika Hukum I Termodinamika Hukum I termodinamika menyatakan bahwa jumlah kalor pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem Q = U + W Perjanjian tanda untuk Q dan W sebagai berikut : 1. Jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan maka W bertanda positif. 2. Jika sistem menerima usaha dari lingkungan maka W bertanda negatif.
3. Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan
4. Q bertanda negatif jika sistem memberikan kalor kepada lingkungan Proses Termodinamika Proses Isokhorik yaitu proses termodinamika yang terjadi pada gas dalam keadaan volum tetap. Berlaku: Usaha W= 0 maka Q = ΔU sehingga Q = 3/2 nrt (T2-T1) Proses Isobarik yaitu proses termodinamika yang terjadi pada gas keadaan tekanan tetap. berlaku persamaan. Usaha W W=P(V2 - V1)
Perubahan energi dalam ΔU ΔU= 3/2 P(V2 -V1) Sehingga Q= 5/2 P(V2-V1) Proses Isotermik merupakan proses termodinamika yang terjadi pada gas keadaan suhu tetap. berlaku persamaan. Usaha W Perubahan energi dalam ΔU = 0 maka kalor Q = W Proses Adiabatik merupakan proses termodinamika yang berlangsung tanpa adanya pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan.
berlaku persamaan. Usaha W Karena Q = 0 sehingga ΔU = -W y = konstanta Laplace Kapasitas Kalor Merupakan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu gas sebesar 1 o C, dinyatakan dengan persamaan: Kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua yaitu kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) dan pada volume tetap (Cv) Pada proses isokhorik
Qv = U Pada proses isobarik Qp = U + p V Diperoleh: Mesin Carnot dan Mesin Pendingin Mesin Carnot Sebuah mesin Carnot memiliki empat langkah dalam pengoprasiannya. Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus Carnot. a. Pada langkah pertama, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur sistem tidak berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2, sejumlah kalor (Q1) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas. b. Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston. Akibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah. c. Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 melalui proses kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah (200 K) menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q2) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah. d. Pada langkah keempat, gas mengalami proses kompresi adiabatik dan keadaannya berubah dari keadaan 4 ke keadaan1. Jumlah beban di atas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor
yang keluar atau masuk ke dalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang. Mesin Carnot adalah mesin efisien yang bekerja dalam suhu reservoir tinggi dan suhu reservoir rendah. Oleh karena itu, suatu mesin Carnot memiliki efisiensi. Rumus efisiensi mesin Carnot sebagai berikut. keterangan: ŋ = efisiensi mesin kalor T2 = suhu pada reservoir rendah (K) T1 = suhu pada reservior tinggi (K)
W = usaha (Joule) Q1= kalor yang diserap (Joule) Q2 = kalor yang dilepas (Joule) Mesin Pendingin Prinsip kerja mesin pendingin contohnya lemari es dan penyejuk ruangan yaitu mengalirkan kalor keluar dari lingkungan sejuk ke lingkungan hangat. Sistem menerima kerja sebesar W dan menyerap kalor dengan suhu reservoir rendah T2 sebesar Q2 serta membuang sejumlah kalor yang lebih besar ke reservoir suhu tinggi T1 sebesar Q1. Untuk kerja dari mesin pendingin dapat ditentukan melalui koefisiensi performansi Kp. Keterangan : Kp = koefisiensi performansi T2 = suhu pada reservoir rendah (K) T1 = suhu pada reservior tinggi (K) W = usaha (Joule) Q1= kalor yang diserap (Joule) Q2 = kalor yang dilepas (Joule) CONTOH SOAL & PEMBAHASAN Soal No.1 (UN 2014) Sebuah mesin Carnot menggunakan reservoir suhu tinggi 327 o C, mempunyai efisiensi 60%. Agar efisiensi mesin Carnot naik menjadi 80% dengan suhu rendahnya tetap maka suhu tinggi mesin Carnot harus diubah menjadi A. 300 K
B. 450 K C. 480 K D. 1.200 K E. 1.800 K PEMBAHASAN : Jawaban : D Soal No.2 (SBMPTN 2014) Sebuah mesin kalor memerlukan kerja 400 joule dalam siklusnya memiliki efisiensi 25%. Energi yang di ambil oleh reservoir panas adalah A. 1.200 Joule B. 1.300 Joule C. 1.400 Joule D. 1.500 Joule E. 1.600 Joule
PEMBAHASAN : Jawaban : E Soal No.3 (SNMPTN 2012) Sebuah sistem 1 mol gas ideal monoatomik (Cp = 5/2 R) mengalami ekspansi isobarik pada tekanan 10 5 pa sehingga volumenya menjadi 2 kali volume awal. Bila volume awal 25 liter maka kalor yang diserap gas pada proses ini adalah... A. 2550 J B. 3760 J C. 4750 J D. 5730 J E. 6250 J
PEMBAHASAN : Jawaban : E Soal No.4 (UN 2013) Grafik P V dari sebuah siklus Carnot terlihat seperti gambar berikut. Jika kalor yang dilepas ke lingkungan 3.000 adalah Joule maka kalor yang diserap sistem A. 3.000 J B. 4.000 J C. 4.800 J D. 6.000 J E. 8.000 J
PEMBAHASAN : Jawaban : C Soal No.5 (SNMPTN 2009) Satu mol gas ideal mengalami proses isotermal pada suhu T sehingga volumenya menjadi dua kali, jika R adalah konstanta gas molar, usaha yang dikerjakan oleh gas selama proses tersebut adalah... A. RTV B. RT lnv C. 2RT D. RT ln 2 E. RT ln (2V) PEMBAHASAN : Jawaban : D
Soal No.6 (SNMPTN 2010) Sebuah mesin carnot menyerap panas dari tandon panas bertemperatur 127 C dan membuang sebagian panasnya ke tandon dingin bertemperatur 27 C efisiensi terbesar yang dapat dicapai oleh mesin carnot tersebut adalah... A. 20,5 % B. 25 % C. 70,25 % D. 90,7 % E. 100 % PEMBAHASAN : Jawaban : B Soal No.7 (SNMPTN 2010) Jika sebuah mesin yang memiliki efisiensi terbesar 25% dalam operasinya membuang sebagian kalor ke tandon dingin yang bertemperatur 0 0 C maka tandon panasnya bertemperatur.. A. 76 0 C B. 91 0 C C. 170 0 C D. 100 0 C E. 364 0 C
PEMBAHASAN : Jawaban : B Soal No.8 (UN 2013) Gambar di bawah menunjukan grafik p - V pada mesin Carnot. Jika Q2 = 2/3 W maka efisiensi mesin carnot tersebut adalah... A. 40% B. 50% C. 60% D. 67% E. 75%
PEMBAHASAN : Jawaban : C Soal No.9 (SPMB 2006) 2m 3 gas helium bersuhu 27 0 C di panaskan secra isobarik sampai 77 0 C jika tekanannya 3x 10 5 N /M 2 maka usaha yang di lakukan gas adalah A. 100 kj B. 140 kj C. 200 kj D. 260 kj E. 320 kj
PEMBAHASAN : Jawaban : A Soal No.10 (UN 2013) Pada grafik p-v mesin Carnot berikut diketahui reservoir suhu tinggi 600 K dan suhu rendah 400 K. Jika usaha yang di lakukan mesin adalah W maka kalor yang di keluarkan pada suhu rendah adalah... A. W
B. 2W C. 3W D. 4W E. 6W PEMBAHASAN : Jawaban : B Soal No.11 (SPMB 2003) Gas ideal yang melakukan pengembangan volume secara isobaris tidak melakukan usaha. SEBAB Usaha yang dilakukan oleh gas idel ketika mengembang sebanding dengan perubahan tekanan gas. PEMBAHASAN : Pernyataan I : Gas idel yang volumenya mengembang akan melakukan usaha dengan persamaan W = P V Pernyataan II : Usaha yang di lakukan gas tidak sebanding dengan perubahan tekanan tetapi hanya sebanding dengan tekanan. Jawaban : E Soal No.12 (UN 2012)
Perhatikan gambar! Gas ideal melakukan proses perubahan tekanan (P) terhadap volume (V), usaha yang dilakukan oleh gas pada proses tersebut adalah... A. 20 Joule B. 15 Joule C. 10 Joule D. 5 Joule E. 4 Joule PEMBAHASAN : Jawaban : C Soal No.13 (UMPTN 2010) mesin carnot dioperasikan antara 2 reservoir kalor masing masing suhunya T1 dan T2 dengan T2 > T1. Efesiensi mesin tersebut 40% dan besarnya T1 =27 0 C. Supaya efisiennya naik 60% maka besarnya perubahan T1 adalah A. 250 K B. 300 K C. 350 K D. 400 K E. 500 K
PEMBAHASAN : Jawaban : E Soal No.14 (UMPTN 2001) sebuah mesin carnot bekerja diantara dua reservoir bersuhu 527 0 C dan 127 0 C apabila reservoir suhu tinggi diturunkan menjadi 227 0 C maka efesiensi mula mula dan terakhir masing masing adalah A. 30% dan 20% B. 40% dan 20% C. 50% dan 20% D. 50% dan 30% E. 60% dan 40%
PEMBAHASAN : Jawaban : C