TERMODINAMIKA dan HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA

 بِسْمِ اللهِ الّرحْمنِ الّرحِيْمِ

السَّلاَمُ عَلَيْكُمْ وَرَحْمَةُ اللهِ وَبَرَكَاتُهُ

🔺 Ebook Termodinamika: pdf
🔺 Ringkasan Termodinamika: pdf 
   
 Termodinamika merupakan cabang fisika yang mempelajari temperatur, panas dan pertukaran energi. Menurut sejarahnya semula termodinamika merupakan ilmu pengetahuan yang merangkai kalor dengan usaha mekanik. Tetapi ilmu ini berkembang, meraih bidang-bidang di luar mekanik. Pada tahap perkembangan sekarang, termodinamika merupakan akar bagi berbagai cabang ilmu pengetahuan alam.

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani yaitu thermos yang berarti panas dan dynamite yang berarti perubahan. Dengan demikian, termodinamika dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lain, terutama perubahan energi panas ke dalam bentuk energi lain, serta hubungan antara kalor dan kerja mekanik.

Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem dan lingkungan, bisa dikatakan kalor merupakan energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi daripada suhu lingkungan, kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem.

Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara‐cara mekanis. Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.

Salah satu contoh yang berkaitan dengan perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja adalah mesin kalor. Mesin kalor adalah alat yang dapat digunakan untuk mengonversi energi termal (energi panas) ke dalam bentuk energi lainnya yang lebih berguna, seperti energi gerak dan energi listrik. Umumnya proses yang dilakukan untuk menghasilkan energi listrik dimulai dengan pembakaran batu bara atau bahan bakar lainnya sehingga menghasilkan energi panas. Energi panas ini digunakan untuk mengubah air menjadi uap air, dan uap air ini digunakan untuk menggerakkan (memutar) turbin. Energi mekanik yang dihasilkan oleh putaran turbin inilah yang digunakan untuk menggerakkan generator listrik sehingga kita dapat menggunakan energi listrik untuk berbagai keperluan, seperti menyalakan lampu, televisi, radio, dan komputer. 

A.   Usaha pada berbagai proses Termodinamika

Usaha luar yang dilakukan oleh gas ideal tergantung dari jenis proses yang dilakukan berkaitan dengan suhu, volum, tekanan, dan energi dalam gas. Proses-proses tersebut meliputi proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.

a.     Proses Isobarik (P = tetap)

HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA

Kapasitas Kalor Gas

Pengertian Kapasitas Kalor Gas

Kapasitas kalor (C) suatu zat menyatakan "banyaknya kalor Q yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 kelvin". Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis sebagai

C = Q/ΔT      atau      Q = CΔT

keterangan:

C= Kapasitas Kalor

Q = Qalor

∆T = Kenaikan Suhu

Kapasitas kalor gas adalah kalor yang diberikan kepada gas untuk menaikan suhunya dapat dilakukan pada tekanan tetap (proses isobarik) atau volum tetap (proses isokhorik). Karena itu, ada dua jenis kapasitas gas kalor yaitu:

1. Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap 

2. Kapasitas kalor pada volum tetap.

1. kapasitas kalor gas pada tekanan tetap (C_p)

Kapasitas kalor gas adalah kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu Kelvin pada tekanan tetap. tekanan system dijaga selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan, maka perubahan energi dalam, kalor, dan kerja pada proses ini tidak ada yang bernilai nol.

Maka secara matematis :

Cp = Q/ΔT = ((5/2PΔV)/(ΔT)) = ((5/2nRΔV)/(ΔT)

Cp = 5/2nR
2. Kapasitas kalor gas pada volum tetap (C_v)

Kapasitas kalor pada volum tetap artinya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu suatu zat satu kelvin pada volum tetap. Artinya kalor yang diberikan dijaga selalu konstan.

 Karena volume system selalu konstan, maka system tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada system. Jadi kalor yang ditambahkan pada system digunakan untuk menaikan energi dalam sistem.

Maka secara matematis :

Cv = Q/ΔT = (3/2nRΔT)/ΔT

Cv = 3/2nR

Berdasarkan persamaan di atas dapat diperoleh bahwa:

Cp – Cv = 5/2nR – 3/2nR

Cp – Cv = nR

Kapasitas yang diperoleh pada persamaan tersebut adalah untuk gas monoatomik. Sedangkan untuk gas diatomik dan poliatomik tergantung pada derajat kebebasan gas. Dapat digunakan pembagian suhu sebagai berikut:

• Pada suhu rendah (± 250 K): Cv = 3/2nR dan Cp = 5/2nR
• Pada suhu sedang (± 500 K): Cv = 5/2nR dan Cp = 7/2nR
• Pada suhu tinggi (± 1000 K): Cv = 7/2nR dan Cp = 9/2nR

Oleh karena itu, konstanta Laplace γ dapat dihitung secara teoretis sesuai persamaan sebagai berikut:

• Gas monoatomik: γ = Cp/Cv = ((5/2nR)/(3/2nR)) = 5/3 = 1,67
• Gas diatomik pada suhu kamar: γ = Cp/Cv = ((7/2nR)/(5/2nR)) = 7/5 = 1,4 

Kapasitas Kalor Molar Gas dan Kalor Jenis Gas

 (Sumber buku kalor molar dan kalor jenis gas: Marthen Kanginan; Seribu Pena Fisika untuk SMA/MA kelas XI, Penerbit: Erlangga).

Latihan soal

1. Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m³. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa)
2. Sejumlah gas mengalami ekspansi secara adiabatik volumenya menjadi 0,1 m³. Jika suhu akhir gas setengah suhu awalnya dan tekanan awal gas 2 x 10⁵ Pa, tekanan gas setelah ekspansi adalah... (γ = 1,4)
3. Gas mengalami ekspansi secara isotermal dari volume awal 3 liter pada tekanan 20 atm (1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa) menjadi volume akhir 24 liter. Usaha yang dilakukan oleh gas tersebut adalah... (Diketahui: nRT₁ = P₁V₁ dan ln 2 = 0,693)
4. Besarnya energi dalam dari suatu gas monoatomik yang terdiri atas 10²⁴ molekul dan bersuhu 400 K adalah... (k = 1,38 x 10^-23 J/K)
5. Suhu di dalam ruang mesin pendingin -3°C dan suhu udara luar 27°C. Setiap detik, kalor yang dilepaskan mesin pendingin adalah 450 J. Besarnya daya listrik rata-rata yang dibutuhkan oleh mesin pendingin tersebut adalah...