bab ii - web viewtermodinamika. gerbang. mengubah energi kalor menjadi energi mekanik selalu...
TRANSCRIPT
TERMODINAMIKA
Gerbang
A. Teori Kinetik Gas
1. Gas Ideal
Gas dianggap terdiri atas molekul-molekul gas yang disebut partikel. Teori ini
tidak mengutamakan kelakuan sebuah partikel tetapi meninjau sifat zat secara
keseluruhan sebagai hasil rata-rata kelakuan partikel tersebut. Untuk
menyederhanakan permasalahan teori kinetik gas diambil pengertian tentang gas
ideal, dalam hal ini gas dianggap sebagai gas ideal.
Sifat-sifat gas ideal adalah sebagai berikut.
1. Terdiri atas partikel yang banyak sekali dan bergerak sembarang.
2. Setiap partikel mempunyai masa yang sama.
3. Tidak ada gaya tarik menarik antara partikel satu dengan partikel lain.
4. Jarak antara partikel jauh lebih besar disbanding ukuran sebuah partikel.
5. Jika partikel menumbuk dinding atau partikel lain, tumbukan dianggap
lenting sempurna.
6. Hukum Newton tentang gerak berlaku.
7. Gas selalu memenuhi hukum Boyle-Gay Lussac
Pada keadaan standart 1 mol gas menempati volume sebesar 22.400 cm3 sedangkan
jumlah atom dalam 1 mol sama dengan : 6,02 x 1023 yang disebut bilangan avogadro
(No) Jadi pada keadaan standart jumlah atom dalam tiap-tiap cm3 adalah :
6 ,02 x 1023
22 .400=2,68 x1019 atom/cm3
Banyaknya mol untuk suatu gas tertentu adalah : hasil bagi antara jumlah atom dalam
gas itu dengan bilangan Avogadro.
N = jumlah mol gas
N = jumlah atom
n= N NA
Mengubah energi kalor menjadi energi mekanik selalu memerlukan sebuah mesin, misalnya mesin uap, mesin bakar atau mesin diesel. Sadi Carnot (1796-1832). ilmuan Perancis yang menemukan siklus Carnot yaitu suatu siklus yang diterapkan untuk mesin kalor. Selain itu siklus-siklus yang lain seperti siklus Diesel, siklus otto, siklus Watt dan sebagainya, berkembang pesat di masa perkembangan otomotif pada abad pertengahan di masa revolusi industri.
NA = bilangan avogadro 6,02 x 1023.
Seorang Inggris, Robert Boyle (1627-1691) mendapatkan bahwa jika tekanan gas
diubah tanpa mengubah suhu volume yang ditempatinya juga berubah, sedemikian
sehingga perkalian antara tekanan dan volume tetap konstan.
Hukum Boyle dirumuskan :
p V = konstan (asal suhu tidak berubah)
p1V2 = p2V2
Jika ada n mol gas, persamaan untuk gas ideal menjadi p V = nRT dimana R adalah
konstanta umum gas, berlaku sama untuk semua gas, nilainya R = 8,3144 joule/mol.K
= 8,3144.103 Joule/Mol.K atau R = 0,0821 atm liter/mol.K (satuan sehari-hari).
Persamaan diatas menghubungkan tekanan, volume, dam suhu, yang menggambarkan
keadaan gas, maka disebut persamaan keadaaan gas atau hukum Boyle-Gay Lussac.
Perubahan variable keadaan disebut proses. Proses isotermis adalah proses yang suhu
(T) selalu tetap, maka p V = konstan. Proses isobarik adalah proses yang tekanannya
selalu konstan, V/T = konstan. Proses isokhorik/isovolume proses yang volumenya
selalu tetap p/T = konstan.
Jika N adalah jumlah molekulgas dan NA adalah bilangan Avogadro = 6,022.1023 ,
maka jumlah mol gas :
n =
NN A
sehingga p V =
NN A . R. T
p V =
NN A . R. T
p V = N.
RN A . T
Karena k =
RN A = 1,3807.10-23
jouleK disebut konstanta Boltzman
(mengabadikan Ludwig Boltzman (1844-1906) dari Austria) maka, persamaan gas
Ideal menjadi : p V = N.k.T
Jumlah mol suatu gas adalah massa gas itu (m) dibagi dengan massa molekulnya.
( M = Mr )
Jadi :
n= mM r
p .V =m RM r
T atau
p=mV
RM r
T
Dan karena massa jenis gas (ρ=m
V ) maka kita dapatkan persamaan dalam bentuk
sebagai berikut :
p= ρ RM r
T atau
pρ=R . T
M r atau ρ=
p .M r
R .TT
Jelas terlihat bahwa rapat gas atau massa jenis gas tergantung dari tekanan, suhu dan
massa molekulnya.
Persamaan gas sempurna yang lebih umum, ialah dinyatakan dengan persamaan :
p . VT
=n . R
p V = n R T
Jadi gas dengan massa tertentu menjalani proses yang bagaimanapun perbandingan
antara hasil kali tekanan dan volume dengan suhu mutlaknya adalah konstan. Jika
proses berlangsung dari keadaan I ke keadaaan II maka dapat dinyatakan bahwa :
p1 .V 1
T1=
p2 . V 2
T 2
Persamaan ini sering disebut dengan Hukum Boyle-Gay Lussac.
Contoh:
1. Massa jenis nitrogen 1,25 kg/m3 pada tekanan normal. Tentukan massa jenis
nitrogen pada suhu 42º C dan tekanan 0,97 105 N m-2!
Penyelesaian:
1 = 1,25 kg/m3
p1 = 76 cm Hg
T1 = 273 K
T2 = 315 K
p2 = 0,97 . 105 N m-2
p1 = 76 cm Hg
= 76 . 13,6 . 980 dyne/cm3
=
76 . 13,6 . 980 . 10-5
10-4
= 101292,8 N m-2
p1 V1
T 1 =
p2 V 2
T 2
p1
m1
ρ1
T1 =
p2
m2
ρ2
T2
p1
T1 ρ1 =
p2
T2 ρ2
101292,8273 . 1,25 =
0,97 . 105
315 . ρ2
2 = 0,9638 kg/m3
2. Di dalam sebuah tangki yang volumenya 50 dm3 terdapat gas oksigen pada
suhu 27º C dan tekanan 135 atm. Berapakah massa gas tersebut?
Penyelesaian:
R = 0,821 lt atm/molº k
p = 135 atm
V = 50 dm3
T = 300º K
n =
p VR T
=
135 . 500, 0821 . 300 = 274 mol
M O2 = 16 + 16 = 32
m O2 = 32 . 274
= 8768 gr
3. Sebuah tangki berisi 8 kg gas oksigen pada tekanan 5 atm. Bila oksigen
dipompa keluar lalu diganti dengan 5,5 kg gas karbondioksida pada suhu yang
sama, berapakah tekanannya?
Penyelesaian:
M O2 = 32 n (8 kg O2 ) =
800032 = 250 mol
M CO2 = 44 n (5,5 kg CO2) =
550044 = 125 mol
p1 = 5 atm
p1 V1 = n1 R T1 T1 = T2
p2 V2 = n2 R T2 V1 = V2
p1
p2 =
n1
n2
p2 = p1
n2
n1
= 5
125250
p2 = 2,5 atm
4. Massa 1 mol air 10 kg. berapa jumlah molekul H2O dalam 1 gr berat air.
Berapakah jarak rata- rata antara molekul pada tekanan 1,01 . 105 N m-2 dan
pada suhu 500º K?
Penyelesaian:
p V = n R T
V =
n R Tp =
118000
. 8,31 . 103 . 500
1,01 . 105 = 4,5 . 10-4 m3
Volume tiap molekul =
4,5 . 10 -4 . 180006,025 . 1026
= 134,4 . 10-26 m3
Jarak partikel- partikel dianggap seperti bola, sehingga:
V = 4/3 r3
134,4 . 10-26 = 4/3 . 3,14 r3
r3 = 32,09 . 1026 r = 3√32 ,09 .1026
5. Tekanan partial uap air pada suhu 27º C adalah 15 cm Hg. Berapa banyakya
uap air yang terdaat dalam 1 m3 udara?
Penyelesaian:
p =
1576 = 0,197 N/m2
p V = n R T
n =
p VR T
=
0,197 . 18,31 . 103 . 300 = 0,079 mol
Uap air (H2O) M = 18
Banyaknya m H2O = 0,079 . 18 = 0,1422 gr
6. Sebuah tangki yang volumenya 100 lt berisi 3 kg udara pada tekanan 20 atm.
Berapa banyaknya udara yang harus dimasukkan dalam tangki itu supaya
tekanannya menjadi 25 atm?
Penyelesaian:
T1 = T2
V1 = V2
p1 V1
n R =
p2 V2
n R
p1 V1
n =
p2 V2
n
20 . 1003 =
25 . 100m2
m2 =
2500 . 32000 = 3,75 kg
7. 5 mol gas yang berada dalam tangki yang volumenya 40 lt dan suhu 20º C
mengadakan tekanan 3 atm. Berapa tekanan 20 mol gas tersebut jika berada
dalam tangki yang volumenya 100 lt dan suhu 87º C?
Penyelesaian:
n1 = 5 mol
V1 = 40 lt
T1 = 293º K
p1 = 3 atm
n2 = 20 mol
V2 = 100 lt
T2 = 360º K
p2................?
p1 V1
n1 T 1 =
p2 V2
n2 T 2
3 . 405 . 293 =
p2 . 10020 . 360
146500 P2 = 864000
p2 = 5,9 atm
Kerja Berpasangan
Kerjakan soal-soal berikut bersama teman terdekatmu!
1. Massa satu atom hidrogen 1,66 x 10-24 gram. Berapakah banyaknya atom dalam :
1 gram Hidrogen dan 1 kg hidrogen?
2. Dalam setiap mol gas terdapat 6,02 x 1023 atom. Berapa banyaknya atom dalam
tiap-tiap ml dan dalam tiap-tiap liter gas pada kondisi standar?
3. Berapakah panjang rusuk kubus dalam cm yang mengandung satu juta atom pada
keadaan normal ? Massa molekul 32 gram/mol.
4. Tentukan volume yang ditempati oleh 4 gram Oksigen pada keadaan standar!
Massa molekul Oksigen 32 gram/mol.
5. Sebuah tangki volumenya 5,9 x 105 cm3 berisi Oksigen pada keadaan standart.
Hitung Massa Oksigen dalam tangki bila massa molekul Oksigen 32 gram/mol.
Kerja Kelompok
Kerjakan soal-soal berikut bersama kelompokmu!
1. 100 cm3 dari udara kering pada tekanan 1 atm dan suhu 27C dimampatkan pada 5
atm dan dipanaskan pada 77C. Berapa volume udara kering sekarang?
2. 2 liter gas pada suhu 27C dan tekanan 1 atm dimampatkan hingga volumenya
menjadi 1 liter dan dipanaskan pada 127C. Berapa tekanan akhir gas dinyatakan
dalam atm?
3. Dalam eksperimen untuk menentukan massa jenis karbon dioksida, 411 cm3 gas
dikumpulkan; ternyata massanya ialah 0,78 gram. Berapakah massa jenis gas
tersebut?
4. Eksperimen dilakukan ketika tekanan udara 1 atm dan suhu kamar 20C.
Berapakah massa jenis gas pada keadaan standar (p = 1 atm, t = 0C)?
5. Tentukan volume 4,0 gr gas oksigen (M=32 kg/kmol) pada keadaan normal 1
atm, 25ºC!
6. Sebuah tabung bervolume 40 cm3 berisi setetes nitrogen cair bermassa 2 mg pada
suhu yang rendah sekali. Tabung kemudian ditutup rapat. Kalau tabung dipanasi
sampai 27C berapakah tekanan nitrogen dalam tabung? Nyatakan dalam atmosfer
(M untuk nitrogen 28 kg/kmol).
7. Sebuah tangki yang volumenya 0,056 m3 berisi 02 yang tekanan mutlaknya
16 x 107 dyne/cm2 dan suhunya 270 C.
a. Berapa kilogramkah 02 di dalam tangki tersebut ?
b. Berapakah volume gas tersebut bila mengembang hingga tekanannya menjadi
106 dyne/cm2 dan suhunya menjadi 500 C.
2. Tekanan, Suhu, Energi Kinetik, dan Energi Dalam Gas.Ketika aliran molekul bermasa m bergerak dengan kecepatan v menumbuk
permukaan dinding yang luasnya A searah garis normal permukaan, maka
tekanannya.
p = F/A
Dengan menggunakan impuls = perubahan momentum
F.∆ t = m. ∆v dan menganggap molekul bergerak ke segala arah
dalam tiga dimensi, diperoleh :
p = 1/3
mv rms2
V .
dimana V = Volume Ruangan
Karena Energi kinetik rata-rata molekul :
Ek = ½ m vrms2
Maka :
p = 2/3 . ½ m v rms2 . N/V
p = 2/3 . N/V Ek
Sehingga persamaan energi kinetik rata-rata dapat ditulis :
Ek = 3/2 . p V/N
dan pV = N k T
Maka :
Ek = 3/2
Nk TN
Ek = 3/2 k T
Suhu gas dinyatakan dalam Energi kinetik rata-rata partikel adalah :
T = 2/3. Ek / k
Dari Ek = ½ m vrms2 = 3/2 k T, maka kecepatan rata-rata adalah :
v rms = √3kTm
v rms = √3RTM
Gas ideal tidak memiliki energi potensial, maka energi dalam total (U) suatu gas ideal
dengan N partikel adalah
U = N . Ek
atau U = 3/2 N k T (untuk gas diatomik)
dan U = 5/2 N k T (untuk gas diatomik dengan rotasi atau gas poliatomik)
Energi dalam adalah jumlah energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi
getaran (vibrasi) partikel.
Koefisien 3 dan 7 pada energi dalam, dinamakan derajat kebebasan.
Contoh:
1. Berapakah kecepatan rata- rata molekul gas oksigen pada 0º C berat atom
oksigen 16, massa sebuah atom hidrogen 1,66 . 10-27 kg?
k = 1,83 . 10-23
T = 273 K
Mr O2 = 32
m = 32 x 1,66 . 10-27 kg
Gambar: translasi partikel (kiri), rotasi partikel (tengah), dan vibrasi/getaran partikel (kanan)
Ek = ½ N m v2
3/2 N k T = ½ N m v2
v = √3 k Tm
= √3 . 1,83 . 10-23 . 27332 . 1,66 . 10-27
v = 5,3 . 102 m/det
Kerja Berpasangan
Kerjakan soal-soal berikut bersama teman sebangkumu!
1. Gas hidrogen (M = 2 kg/kmol) dan gas oksigen (M = 32 kg/kmol) berada dalam
suhu yang sama. Tentukan perbandingan :
a. Energi kinetik hidrogen : Energi kinetik oksigen
b. Kelajuan rms hidrogen : Kelajuan rms oksigen.
2. Sebuah tangki yang memiliki volume 0,3 m3 mengandung 2 mol gas helium pada
27C. Anggap helium adalah gas ideal,
a. Hitung energi dalam total dari sistem,
b. Berapa energi kinetik rata-rata per molekul ?
Petunjuk : energi dalam total = 3/2 NkT dengan N ialah banyak molekul/partikel.
Energi kinetik per molekul = 3/2 kT.
Kerja Kelompok
Kerjakan soal-soal berikut bersama kelompokmu!
1. Berapa erg tenaga kinetik translasi sebuah molekul zat asam pada suhu 270 C.
Mssa molekul zat asam adalah 32 gram/mol.
2. Tentukanlah energi kinetik sebuah atom gas Helium pada suhu 270 C. k = 1,38 x
10-23 joule/atom.0K.
3. Tentukan energi kinetik dari 1 gram gas Amonia pada suhu 270 C Massa molekul
Amonia adalah 17 gram/mol.
4. 20 gram Oksigen pada suhu 270 C di ubah menjadi energi kinetik. Carilah besar
energi kinetik tersebut bila massa molekul dari gas Amonia adalah 17,03
gram/mol.
5. Berapakah energi kinetik dari translasi molekul-molekul dalam 10 gram amoniak
pada suhu 200 C. Massa molekul dari Amoniak adalah 17,03 gram/mol.
6. Hitunglah massa dan energi kinetik translasi dari gas Helium dengan tekanan 105
N/m2 dan temperaturnya 300 C di dalam sebuah balon bervolume 100 m3 . Massa
molekul gas Helium adalah 4,003 gram/mol.
7. Berapakah momentum total dalam satu gram gas helium dalam tabung bersuhu
27C? M helium = 4 gr/mol.
3. Distribusi Kecepatan Partikel Gas Ideal
Dalam gas ideal yang sesungguhnya atom-atom tidak sama kecepatannya.
Sebagian bergerak lebih cepat sebagian lebih lambat. Tetapi sebagai pendekatan
dianggap semua atom itu kecepatannya sama. Demikian pula arah kecepatannya
atom-atom dalam gas tidak sama. Untuk mudahnya dianggap saja bahwa sepertiga
jumlah atom bergerak sejajar sumbu x, sepertiga jumlah atom bergerak sejajar sumbu
y dan sepertiga lagi bergerak sejajar sumbu z.
Kecepatan bergerak tiap-tiap atom ditulis dengan bentuk persamaan :
vrms = kecepatan tiap-tiap atom, dalam m/det
k = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 joule/atom oK
T = suhu dalam K
m = massa atom, dalam satuan kilogram.
Hubungan antara jumlah rata-rata partikel yang bergerak dalam suatu ruang ke arah
kiri dan kanan dengan kecepatan partikel gas ideal, digambarkan oleh Maxwell
dalam bentuk Distribusi Maxwell
vrms = √3kT
m
Gambar: Distribusi Maxwell
Oleh karena untuk N = 1 partikel memiliki massa m= M
N A serta k= R
N A maka tiap-
tiap molekul gas dapat dituliskan kecepatannya dengan rumus sebagai berikut.
M = massa gas per mol dalam satuan kg/mol
R = konstanta gas umum = 8,317 joule/moloK
Dari persamaan di atas dapat dinyatakan bahwa :
Pada suhu yang sama, untuk dua macam gas kecepatannya dapat dinyatakan :
vrms1 = kecepatan molekul gas 1
vrms2 = kecepatan molekul gas 2
M1 = massa molekul gas 1
M2 = massa molekul gas 2
Pada gas yang sama, namun suhu berbeda dapat disimpulkan :
Kerja Berpasangan
Kerjakanlah soal-soal berikut bersama teman sebangkumu!
1. Hitunglah kecepatan molekul udara pada tekanan 1 atmosfer suhu 0o C dan massa
molekul udara = 32 gram/mol.
2. Tentukan perbandingan antara kecepatan gas hidrogen dengan Oksigen pada
suatu suhu tertentu. Massa molekul gas Hidrogen 2 gram/mol dan massa molekul
Oksigen = 32 gram/mol.
3. Berapakah kecepatan molekul gas Methana pada suhu 37o C. Massa molekul gas
methana 16 gram/mol.
4. Carilah kecepatan molekul gas methana pada suhu 120o C bila massa molekulnya
16 gram/mol.
5. Carilah pada suhu berapa kecepatan molekul Oksigen sama dengan kecepatan
molekul Hidrogen pada suhu 300o K. Massa molekul Oksigen = 32 gram/mol dan
massa molekul hidroen = 2 gram/mol
6. Pada suhu berapakah maka kecepatan molekul zat asam sama dengan molekul
Hidrogen pada suhu 27o C. Massa molekul zat asam 32 gram/mol dan massa
molekul Hidrogen = 2 gram/mol.
vrms = √ 3 RT
M
vrms1 : vrms2 = √ 1
M 1 : √ 1M 2
vrms1 : vrms2 = √T1 : √T2
7. Massa sebuah molekul Nitrogen adalah empat belas kali massa sebuah molekul
Hidrogen. Dengan demikian tentukanlah pada suhu berapakah kecepatan rata-rata
molekul Hidrogen sama dengan kecepatan rata-rata molekul Nitrogen pada suhu
294 oK.
8. Suatu tabung berisi 4 liter O2 bertekanan 5 atm dan bersuhu 27º C. Jika NA =
6,02.1023 molekul/mol, dan k = 1,38.10-23 J/k, 1 atm = 105 pa, Ar 0 = 16
Hitung:
a. Banyaknya molekul gas dalam tabung.
b. Massa gas O2 dalam tabung.
Kerja Kelompok
Kerjakan soal-soal berikut bersama kelompokmu!
1. Carilah kecepatan rata-rata molekul oksigen pada 76 cm Hg dan suhu 0º C
bila pada keadaan ini massa jenis oksigen adalah sebesar 0,00143 gram/cm3.
2. Carilah kecepatan rata-rata molekul oksigen pada suhu 0º C dan tekanan 76
cm Hg bila massa jenis oksigen pada kondisi ini 1,429 kg/m3. g = 9,8 m/s2.
3. Pada keadaan standard kecepatan rata-rata molekul oksigen adalah 1,3 x 103
m/det. Berapakah massa jenis molekul oksigen pada kondisi ini. g = 9,8 m/s2.
4. Hitung kecepatan rata-rata molekul Hidrogen pada suhu 20º C dan tekanan 70
cm Hg bila massa jenis molekul Hidrogen pada suhu 0º C adalah 0,000089
gram/cm3. g = 9,8 m/det2.
5. Pada kondisi normal jarak rata-rata antara molekul-molekul Hidrogen yang
bertumbukan 1,83 x 10-5 cm. Carilah :
a. Selang waktu antara dua buah tumbukan berturutan.
b. Jumlah tumbukan tiap detik. Massa jenis Hidrogen 0,009 kg/m3.
6. Bila jarak rata-rata antara tumbukan molekul-molekul karbon dioksida pada
kondisi standard 6,29 x 10-4 cm, berapakah selang waktu tumbukan molekul-
molekul di atas? Masa jenis karbondioksida pada keadaan standarad 1,977
kg/m3
Gambar: Api unggun
A
B
∆V
B. Termodinamika
Energi termal atau kalor (Q) adalah energi yang
mengalir dari benda yang satu ke benda yang lain karena
perbedaan suhu. Kalor selalu berpindah dari benda yang
panas ke benda yang dingin. Agar kedua benda yang
saling bersentuhan tersebut berada dalam keadaan termal
yang seimbang (yakni tidak ada perpindahan kalor antara
kedua benda), suhu kedua benda haruslah sama. Jika
benda pertama dan benda kedua berada dalam keadaan
termal yang seimbang dengan benda ketiga, maka kedua
benda pertama berada dalam keadaan termal yang
seimbang. (Pernyataan ini sering disebut hukum ke-nol –
zeroth law – termodinamika).
Energi dalam (U) suatu sistem adalah jumlah total energi yang terkandung dalam
sistem. Energi dalam merupakan jumlah energi kinetik, energi potensial, energi
kimiawi, energi listrik, energi nuklir, dan segenap bentuk energi lain yang dimiliki
atom dan molekul sistem. Khusus untuk gas ideal perlu diingat bahwa energi
dalamnya hanyalah terdiri atas energi kinetik saja, dan hanya bergantung pada suhu
saja. ( Ek = ½ movrms2
= 23
kT adalah energi kinetik satu atom, atau molekul gas
ideal).
1. Usaha
Usaha yang dilakukan sistem (W) dihitung positif jika sistem melepaskan energi
pada lingkungannya. Apabila lingkungan mengadakan usaha pada sistem hingga
sistem menerima sejumlah energi, maka W adalah negatif.
Proses-proses yang penting pada gas.
a. Proses Isotermis / Isotermal
Proses isotermis/isothermal yaitu proses
yang berlangsung dengan suhu tetap.
Berlaku Hukum Boyle : p1.V1 = p2.V2
Usaha luar : V2 > V1 maka W = (+)
V1 > V2 maka W = (-)
W=∫v1
v2
p . dV
p .V =n . RT
p=n. RTV
W=n . RT∫v1
v2 dVV
→W=n .RT ln (V 2
V 1)
untuk tekanan p1.V1= p2.V2
p1
p2
Atau
ln x = e log x =
log xlog e
ln x=2,3 log x→W=2,3 n .RT log(V 2
V 1)
b. Proses Isobarik
Proses isobarik yaitu proses yang
berlangsung dengan tekanan tetap.
Berlaku Hukum Charles :
V 1
T 1 =
V 1
T 2
Usaha luar:
W = p (V2-V1) V2 V1 W = (+) gas melakukan usaha
terhadap lingkungannya.
W = p.∆V V2 <V1 W = (-) gas menerima usaha dari
Lingkungannya
Pemanasan gas dengan tekanan tetap:
Qp = m cp Δ T atau Qp = n cpm Δ T
Kalor jenis gas pada tekanan tetap Kalor jenis jenis molar gas pada tekanan
tetap
c p=Qp
mΔT J/kg K c pm=
Qv
nΔTJ /mol .k
Kapasitas kalor (Cp) pada tekanan tetap.
p
p AB
V1 V2 V
C p=Qp
ΔTJ /k
c. Proses Isokhorik
Proses isokhorik yaitu proses yang berlaku / berlangsung dengan volume
tetap.
p
p2 A Berlaku Hukum Gay Lussac :
p1
T1 =
p2
T2
p1 B
V V
Qv = m.cv. Δ T atau Qv = n.cvm. Δ T
Kalor jenis gas pada volume yang tetap. Kalor jenis molar pada volume yang
tetap.
cv=
Qv
mΔTJ /kg . K
cvm=
Q v
nΔTJ /mol . K
usaha luar: Kapasitas kalor pada volume tetap
W=p . ΔVW=P .OW=O
C v=Qv
ΔTJ /K
d. Proses Adiabatik
Proses adiabatik yaitu proses yang berlangsung tanpa
penambahan/pengurangan kalor.
p1 V 1γ
= p2 V 2γ
γ = kostanta Laplace =
Cp
Cv=
c p
cv=
c pm
cvm
T 1V 1γ−1
=T 2 V 2γ−1
Usaha luar :
Gas monoatomik
W=3/2 n.R ∆T
W=3/2 n.R.(T1-T2)
Gas Diatomik
W=5/2 n.R ∆T
W=5/2 n R(T1-T2)
Kerja Berpasangan
Kerjakan soal-soal berikut bersama teman sebangkumu!
p
p
V1 V2V
Gambar: Diagram tekanan terhadap volume pada proses isobarik
1. Hitunglah kalor jenis gas Oksigen pada volume dan tekanan tetap bila massa
molekul gas Oksigen 32 gram/mol.
2. Hitunglah kalor jenis gas-gas berikut ini pada volume dan tekanan tetap.
a. Gas Neon monoatomik, bila masa molekulnya 2,018 gram/mol
b. Gas Hidrogen diatomik, bila massa molekulnya 2,016 gram/mol
3. Kapasitas panas jenis Nitrogen pada volume tetap adalah 7,14 x 102 J/kg K.
Carilah kapasitas panas jenisnya pada tekanan tetap. Diketahui massa molekul
Nitrogen 28 gram/mol dan konstanta umum gas R = 8,317 J/molK
4. Hitunglah kalor jenis gas Argon beratom satu pada volume tetap bila kalor
jenisnya pada tekanan tetap 5,23 x 102 J/kg K = 1,67
5. Hitunglah kalor jenis pada tekanan tetap dari gas Oksida zat lemas beratom dua
bila kalor jenisnya pada volume tetap adalah 6,95 x 102 J/kg. K dan g= 1,4
2. Hukum I Termodinamika
Hukum I termodinamika adalah suatu pernyataan bahwa energi adalah kekal,
energi tidak dapat diciptakan / dimusnahkan.
Hukum ini menyatakan, jika kalor Q masuk ke dalam sistem, energi ini haruslah
muncul sebagai penambahan energi dalam sistem U dan/atau usaha yang
dilakukan sistem pada lingkungannya.
Energi dapat berganti bentuk yang lain, misalnya: menjadi kalor.
1 joule = 0,24 kalori ; 1 kalori = 4,2 joule
Persamaannya dapat ditulis: Δ Q = Δ U + W
Kesimpulan : Bahwa tidak mungkin suatu mesin akan bekerja terus menerus
tanpa penambahan energi dari luar (perpetum mobille I ).
Q, U dan W harus dinyatakan dalam satuan yang sama: joule, atau ft lb atau
kalori, atau Btu.
a. Proses Isobarik
Proses isobarik adalah suatu proses dimana pada proses tersebut tekanannya
adalah tetap. Diagram antara tekanan terhadap waktu seperti gambar di bawah ini.
Berdasarkan diagram tersebut di atas Usaha yang dilakukan gas adalah :
W = p(V2 – V1)
W = usaha yang dilakukan gas (J)
p = tekanan gas (Pa)
V1 = Volume gas pada keadaan awal (m3)
V2 = Volume gas pada keadaan akhir (m3)
Jika pada proses ekspansi, volume gas membesar maka dikatakan gas
melakukan usaha, tetapi jika pada proses pemampatan, volume gas mengecil
maka dikatakan gas dikenai kerja.
V 1
T 1 =
V 2
T 2
Proses isobarik adalah proses di mana tekanan sistem tidak berubah.
Δ Qp = m cp Δ T
atau : Δ Qp = n cp Δ T
ΔW = P Δ V = n R Δ T
Δ U = Δ Qv
Untuk gas monoatomik: ∆U = 3/2 N k Δ T = 3/2 n R Δ T = n cv Δ T
cv = 3/2 R joule/mol K
Δ Qp = Δ U + Δ W
n cp Δ T = n cv Δ T + n R Δ T
cp = cv + R joule/mol K
sehingga cp = 3/2 R + R = 5/2 R joule/mol K
Untuk gas diatomik:
Suhu Rendah : cv = 3/2 R ; cp = 5/2 R
Suhu Sedang : cv = 5/2 R ; cp = 5/2 R
Suhu Tinggi : cv = 7/2 R ; cp = 7/2 R
1 J/mol K =
1M J/kg K
Gas Monoatomik : cv = 3/2 R/M
joule / kg K
cp = 5/2 R/M
b. Proses Isokhorik
Proses isokhorik adalah suatu proses dengan volume tetap di mana volume
sistem tidak berubah, yakni kalor yang masuk sistem menjelma sebagai
penambahan energi dalam sistem.
Pada proses volume tetap berlaku hukum Gay-Lussac yang menyatakan :
pT= nR
V= tetap
diagram hubungan antara tekanan dan volume adalah sebagai berikut :
p
p2
p1
V V
Usaha yang dilakukan gas pada proses isokhorik adalah sebagai berikut :
pada proses isokhorik ∆ V = 0 maka usaha yang dilakukan gas yang
mengalami proses ini memenuhi : W = p V = 0
sehingga hukum I termodinamika menjadi : Q = U +W
Δ W = 0 ( tidak terjadi perubahan volume)
Maka Δ Qv = Δ U
Δ Qv = n cv Δ T atau Δ Qv = m cv Δ T
▲U = 3/2 nR ▲T (gas monoatomik=gas diatomik suhu
rendah)
▲U = 5/2 n R ▲T (gas diatomatik suhu sedang )
▲U = 7/2 n R ▲ (gas diatomatik suhu tinggi)
▲W =▲Qp ▲Qv
▲W = n (cpcv) ▲T atau ▲W = m(cp-cv) ▲T
Kapasitas Kalor
Δ Q = m c Δ T
disebut dengan C
C =
ΔQΔT
JK
Gas diatomik
Suhu Rendah : cv = 3/2 R/M ; cv = 3/2 nR
: cp = 5/2 R/M ; cp = 5/2 n R
Suhu Sedang : cv = 5/2 R/M J/kg.K ; cv = 5/2 nR J/K
: cp = 7/2 R/M ; cp = 7/2 n R
Suhu Tinggi : cv = 7/2 R/M ; cv = 7/2 nR
: cp = 9/2 R/M ; cp = 9/2 n R
Gas monoatomik :
Δ Qv = Δ U
Cv Δ T = 3/2 n R Δ T
Cv = 3/2 n R
c. Proses Isotermik
Proses isotermik adalah proses di mana suhu tidak berubah. Untuk gas ideal yang
mengalami proses isotermik U = 0. Tetapi hal ini tidaklah berlaku untuk sistem-
sistem lain. Sebagai contoh kalau es mencair pada 0C, U 0 meskipun proses
pencairan berlangsung pada suhu tetap.
Proses Isotermik gas ideal: Δ U = O
Δ Q = Δ W
W = n RT 1n (
V 2
V 1 )
W = n RT 1n (
p1
p2 )
W = PΔ V = n RΔ T
Apabila gas ideal mengalami proses di mana (p1, V1) berubah menjadi (p2, V2), di
mana p1 V1 = p2 V2 , berlaku bahwa:
Q = W = p1 V1 ln
V 2
V 1 = 2,30 p1 V1 log
V 2
V 1
Disini ln dan log adalah logaritma dengan bilangan dasar e dan 10.
d. Proses Adiabatik
Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada kalor yang masuk atau keluar
dari sistem. Maka Q = 0, hingga untuk proses demikian, hukum pertama
menjadi :
0 = U + W
artinya Δ U = Δ W
Apabila sistem melakukan kerja, energi dalamnya harus turun. Apabila kerja
dilakukan pada sistem, energi dalamnya akan naik. Apabila gas ideal mengalami
proses, di mana keadaannya (p1, V1, T1) berubah secara adiabatik menjadi (p2, V2,
T2), berlakulah : p1V1γ
= p2V2γ
dan T 1V 1γ−1
=T 2V 2γ−1
dengan = cp/cv.
Δ Qp = Δ Qv + Δ W
Δ W = Δ Qp Δ Qv
n R Δ T = (Cp Cv) Δ T
(Cp Cv) = n R joule/ K
sehingga Cp = 5/2 n R
Pelaksanaan hukum I Termodinamika pada proses-proses di atas mengikuti hukum
kekekalan energi.
Kerja Kelompok
Kerjakan soal-soal berikut bersama kelompokmu!
1. Satu gram air ( 1 cc ) berubah menjadi 1,671 cc uap bila dididihkan pada tekanan
1 atm. Panas penguapan pada tekanan ini adalah 539 kal/gram. Hitunglah usaha
luar pada penembakan energi dalam.
2. 1 liter air massanya 1 kg mendidih pada suhu 1000 C dengan tekanan 1,013 x 105
N/m2 diubah menjadi uap pada suhu 1000 C dan tekanan 1,013 x 105 N/m2 . Pada
keadaan ini volume uap air adalah 1,674 liter. Carilah usaha luar yang dilakukan
dan dihitung penambahan energi dalam. Panas penguapan air 2,26 . 106 J/kg.
3. Gas Nitrogen yang massanya 5 kg suhunya dinaikkan dari 100 c menjadi 1300 c
pada tekanan tetap. Tentukanlah :
a. Panas yang ditambahkan
b. Penambahan energi dalam
c. Usaha luar yang dilakukan.
4. Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari 150 C menjadi 160 C pada tekanan
tetap. Bila massa molekul karbon monoksida adalah 28,01 gram/mol
cp = 1,038 x 103 J/kg 0K dan = 1,4
Tentukanlah :
a. Penambahan energi dalam.
b. Usah luar yang dilakukan.
5. Temperatur 5 kg gas Nitrogen dinaikkan dari 100 C menjadi 1300 C pada volume
tetap. Bila cv = 7,41 x 102 J/kg 0K , cp = 1,04 x 103 J/kg 0K, carilah :
a. Usaha luar yang dilakukan.
b. Penambahan energi dalam.
c. Panas Yang ditambahkan.
6. Suatu gas yang massanya 3 kg dinaikkan suhunya dari -200 C menjadi 800 C
melalui proses isokhorik. Hitunglah penambahan energi dalam gas tersebut, bila
diketahui cp = 248 J/kg 0K, cv = 149 J/kg 0K
7. Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari 150 C menjadi 160 C pada volume
tetap. Massa molekulnya 28,01 gram/mol. cp = 1,03 x 103 J/kg. 0 K dan = 1,40 .
Hitunglah penambahan energi dalam.
8. Gas Ideal sebanyak 2 mol dengan tekanan 4 atsmosfer volumenya sebesar 8,2
liter. Gas ini mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya menjadi 8
atsmosfer. Bila diketahui : cv = 3 kal/mol. 0C dan R = 0,08207 liter. atm/mol. 0 C ;
tentukanlah :
a. Usaha yang dilakukan.
b. Panas yang ditambahkan.
9. Perbandingan kompresi sebuah mesin disel
V 1
V 2 kira-kira 156. Jika pada
permulaan gerak pemampatan silindernya berisi udara sebanyak 2 mol pada
tekanan 15 N/m2 dan suhu 2470 c, hitunglah tekanan dan suhu pada akhir gerak.
Andai kata udara sebagai gas ideal dan pemampatanya secara adiabatik. massa
molekul udara adalah 32 gram/mol. cv = 650 J/kg0K dan cp = 909 J/kg 0K.
Hitunglah usaha luar yang dilakukan.
10. Suatu volume gas Nitrogen sebesar 22,4 liter pada tekanan 105 N/m2 dan suhu 00
C dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/10 volume mula-
mula. Carilah :
a. Tekanan akhirnya.
b. Suhu akhirnya.
c. Usaha luar yang dilakukan.
Diketahui pula bahwa Mr = 28 gram/mol = 1,4 cv = 741 J/kg 0K.
11. Lima molekul gas Neon pada tekanan 2 x 105 Nm-2 dan suhu 270 c dimampatkan
secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/3 dari volume mula-mula. Bila
= 1,67 cp = 1,03 x 103 J/kg 0K Mr = 20,2 gram/mol. Tentukan :
a. Tekanan akhir pada proses ini.
b. Temperatur akhir.
c. Usaha luar yang dilakukan.
12. Suatu gas ideal dengan = 1,5 dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya
menjadi 12 kali dari volume mula-mula. Bila pada awal proses tekanan gas 1 atm,
tentukanlah tekanan gas pada akhir proses.
13. Gas oksigen dengan tekanan 76 cm Hg dimampatkan secara adiabatik sehingga
volumenya menjadi 23 volume mula-mula. Bila gas Oksigen adalah gas diatomik
dan R = 8,317 J/mol 0K ; Tentukanlah tekanan akhir gas tersebut.
14. Volume gas pada suhu 200 C mengembang secara adiabatik sehingga volumenya
menjadi 2 kali volume mula-mula. Tentukanlah temperatur akhirnya bila =1,4.
Penerapan Hukum I Termodinamika
Siklus
Suatu mesin yang dapat mengubah seluruh kalor yang diserapnya menjadi usaha
secara terus menerus belum pernah dijumpai, yang ada hanya pengubahan kalor
menjadi usaha melalui satu tahap saja. Misalnya, proses isotermis.
Agar sistem ini dapat bekerja terus-menerus dan hasilnya ada kalor yang diubah
menjadi usaha, maka harus ditempuh cara-cara tertentu. Perhatikan gambar berikut
ini.
- Mulai dari ( P1 , V1 ) gas mengalami proses isothermis sampai ( P2 , V2 ).
- Kemudian proses isobarik mengubah sistem dari ( P2 , V2 ) sampai ( P2 , V1 ).
- Akhirnya proses isobarik membuat sistem kembali ke ( P1 , V1 ).
Usaha yang dilakukan sama dengan luas bagian gambar yang diarsir. Pada akhir
proses sistem kembali ke keadaan semula. Ini berarti pada akhir siklus energi dalam
sistem sama dengan energi dalam semula. Jadi untuk melakukan usaha secara terus
menerus, suatu siklus harus melakukan usaha secara terus menerus, suatu siklus harus
bekerja dalam suatu siklus.
Jadi siklus adalah suatu rantai proses yang berlangsung sampai kembali ke keadaan
semula. Luas siklus merupakan usaha netto. Bila siklus berputar ke kanan, usahanya
positif. Bila siklus berputar ke kiri usahanya negatif.
Contoh:
p
p2 WAB = positif
B WRA = negatif
Wnetto = WAB - WBA
p1 A
v1 v2 V
Contoh berbagai siklus yang lain sebagai berikut.
Gambar: Berbagai macam siklus
Siklus yang ideal dikemukakan oleh Carnot disebut Siklus Carnot
Siklus Carnot
Siklus Carnot dibatasi oleh garis lengkung isotherm dan dua garis lengkung adiabatik.
Hal ini memungkinkan seluruh panas yang diserap ( input panas ) diberikan pada satu
suhu panas yang tinggi dan seluruh panas yang dibuang ( panas output ) dikeluarkan
pada satu suhu rendah.
p
P1 A
Q1
P2 B
P4 D Q2
P3 C
V1 V4 V2 V3 V
Siklus Carnot bekerja dengan mengubah kalor panas (heat) dan membuangnya dalam
bentuk kalor dingin (cold)
Mesin yang menggunakan siklus ini misalnya seperti mesin pemanas ruang dalam
rumah seperti di negara-negara sub tropis pada musim dingin.
Disini kalor panas (QH) sebagai Q1, dan kalor dingin (QC) sebagai Q2.
W = Q1 – Q2
Daya guna /efisiensi mesin kalor
η=WQ1 x 100%
AB=pemuaian/pengembang
an/ekspansi isotermis
BC = pemuaian / ekspansi
adiabatik
CD = penampatan/kompresi
isotermis
DA = penempatan/kompresi adiabatik
Gambar: Sadi Carnot (1796-1832). , yang mengemukakan siklus Carnot
Gambar: Skema siklus Carnot
η=Q1−Q2
Q1 x 100%
η =1
Q2
Q1 x 100% atau
η =1
T2
T1 x 100%
Untuk mesin Carnot ideal efisiensinya selalu maksimum.
Mesin Pendingin
Mesin pendingin seperti air conditioner (AC) maupun kulkas/refrigerator
menggunakan proses yang berbeda dengan proses mesin pemanas yang menggunakan
siklus Carnot. Mesin pendingin menyerap kalor dingin sebagai sumber dan
membuangnya dalam bentuk kalor panas.
Gambar mesin kulkas Gambar mesin AC
Di sini kalor panas (QH) sebagai Q1, dan kalor dingin (QC) sebagai Q2.
Berlaku pula
W = Q1 – Q2
Efisiensi mesin pendingin sebagai berikut.
Gambar: Skema mesin pendingin
Q1
Q2B
Daya guna /efisiensi mesin pendingin:
η=WQ2 x 100%
η=Q1−Q2
Q2 x 100%
η =
Q1
Q2 1 x 100% atau
η =
T1
T2 1 x 100%
Koefisien Performance mesin pendingin / koefisien daya guna sebagai berikut.
K =
1η
K =
Q2
W
K =
Q2
Q1−Q2
Siklus Otto
Siklus mesin bakar atau lebih umum disebut siklus Otto di tunjukkan pada gambar di
bawah ini. Siklus Otto dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus
isokhorik. Dimulai dari titik a, maka :
P E
D
A
V
Proses a – b : pemampatan adiabatik
Ta V1k−1
= Tb V2k−1
Proses b – c : proses isokhorik, gas menyerap kalor sebesar Q1 = m
Cv
(Tc – Tb)
Proses c – d : pemuaian adiabatik
Tc V2k−1
= Td V2k−1
Proses d – a : proses isokhorik, gas mengeluarkan kalor
Q2 = m Cv (Ta – Td)
B
Siklus Diesel
Siklus untuk mesin diesel ditunjukkan pada gambar berikut ini. Siklus pada mesin
diesel dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan satu garis lurus isobarik serta
satu garis lurus isokhorik. Pada mesin diesel, pembakaran jauh lebih lambat sehingga
gas di dalam silinder berkesempatan untuk mengembang bebas, dan pengembangan
selama pembakaran boleh dikatakan berlangsung dengan tekanan yang hampir tetap.
Tetapi di lain pihak, pendinginannya berlangsung cepat, pada volum yang hampir
tetap.
P
Q1
C
D
Q2
A
V
Proses a – b : pemampatan adiabatik
Ta V1k−1
= Tb V2k−1
Proses b – c : langkah daya pertama pemuaian isobarik
W = p dV
=
nRTv dV
W = nRT
dVV
= nRT ln dV
Proses c – d : proses pemuaian adiabatik
Tc V2k−1
= Td V1k−1
Proses d – a : proses pelepasan kalor isokhorik
W = 0 , terjadi penurunan suhu
= 1
Q0
Q1
cair
cair
uap
uap
Siklus Rainkine
Siklus mesin uap yang juga disebut siklus Rainkine ditunjukkan pada gambar berikut
ini. Siklus ini dibatasi oleh garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isobarik.
hanya saja pada mesin uap ini terdapat proses penguapan dan pengembunan. Pada
mesin uap, pemanasannya adalah pemanasan air di dalam ketel yang mendidih pada
tekanan tetap tertentu dan pengembangan volumnya diakibatkan oleh penguapan
yang intensif oleh mendidihnya air di dalam ketel. Adapun penekanannya untuk
mengembalikan ke keadaan awal mengakibatkan pengembunan uap jenuh, sehingga
berlangsung pada tekanan tetap pula. Mula-mula air dalam keadaan cair dengan suhu
dan tekanan rendah di titik a.
P
Q1
B C D E
A
Q2 F
V V3 V2 V1
Proses a – b : pada zat cair ditambahkan tekanan, suhu naik dari Ta
Tb
Proses b – c : penguapan pada tekanan tetap, suhu naik
c – mulai terjadi penguapan
Proses c – d : perubahan wujud dari cair ke uap
d – semua zat cair sudah menjadi uap
Proses d – e : pemuaian pada tekanan tetap, suhu naik dari Td ke Te
Proses e – f : pemuaian adiabatik
Proses f – a : pengembunan pada tekanan tetap,
bila proses dibalik
Proses a – f : penguapan pada tekanan tetap sehingga membutuhkan
kalor
Proses f – e : pemampatan adiabatik
Proses c – b : pengembunan pada tekanan tetap, melepaskan kalor
Kerja Berpasangan
Kerjakan soal-soal berikut bersama teman sebangkumu!
1. Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu tingginya pada 127 oC menyerap 100
kalori dalam tiap-tiap siklus pada suhu ini dan mengeluarkan 80 kalori ke
reservoir suhu rendah. Tentukanlah suhu reservoir terakhir ini.
2. Berapakah effisiensi suatu mesin yang menerima 200 kalori dari sebuah reservoir
bersuhu 400 oK dan melepaskan 175 kalori ke sebuah reservoir lain yang bersuhu
320 oK. Jika mesin tersebut merupakan mesin carnot berapakah effisiensinya.
3. Hitunglah effisiensi ideal dari suatu mesin Carnot yang bekerja antara 100 oC dan
400 oC.
4. Sebuah mesin carnot yang menggunakan reservoir suhu rendah pada 7 oC, daya
gunanya 40 %. Kemudian daya gunanya diperbesar 50 %. Berapakah reservoir
suhu tingginya harus dinaikkan.
5. Mesin Carnot bekerja di antara dua reservoir panas yang bersuhu 400 oK dan
300oK. Jika dalam tiap siklus, mesin menyerap panas sebanyak 1.200 kalori dari
reservoir yang bersuhu 400 oK, maka berapakah panas yang dikeluarkan ke
reservoir yang bersuhu 300 oK.
6. Sebuah mesin carnot bekerja diantara 450 oC dan 50oC. Berapakah effisiensinya ?
3. Hukum II Termodinamika
Hukum II termodinamika dirumuskan oleh beberapa ilmuan diantaranya sebagai
berikut.
a. Rudolf Clausius :
Perumusan Clausius tentang hukum II Termodinamika secara sederhana
dapat diungkapkan sebagai berikut : Tidak mungkin membuat mesin
pendingin yang bekerjanya hanya menyerap dari reservoir
bersuhu rendah dan
memindahkan kalor itu ke
reservoir yang bersuhu
tinggi, tanpa disertai
perubahan lain . Dengan kata
lain bahwa, kalor mengalir secara
spontan dari benda bersuhu tinggi
ke benda bersuhu rendah dan
tidak secara spontan kalau
kembali ke keadaan semula. Atau singkatnya W 0, bagi mesin pendingin.
Sebagai contoh marilah kita lihat proses pada lemari pendingin (lemari es)
yang bagannya pada gambar di bawah ini.
Zat cair di dalam wadahnya pada tekanan tinggi harus melalui saluran
yang sempit, menuju ke ruang yang lapang (Evaporator). Proses ini
disebut : Proses Joule-Kelvin.
Tiba di ruang yang lapang, temperatur dan tekanan zat cair tadi
berkurang, dan zat cair juga menguap. Untuk menguap maka zat cair ini
memerlukan kalor yang diserap dari reservoir T2 (suhu reservoir dingin
= suhu benda yang akan didinginkan).
Kemudian uap pada tekanan rendah ini masuk ke dalam kompresor,
dimampatkan, sehingga tekanannya dan temperaturnya naik. Temperatur
uap ini lebih tingi dari temperatur reservoir T1 (temperatur suhu tingi)
dan T1 > T2
Di dalam kondensor uap ini memberikan kalor pada reservoir T1.
Sebagai reservoir T1 dapat digunakan udara dalam kamar atau air. Zat
yang sering dipakai pada pesawat pendingin adalah amoniak. Pada
proses ini selain pemindahan kalor dari reservoir dingin T2 ke reservoir
T1, terjadi pula perubahan usaha menjadi kalor yang ikut dibuang di T1.
b. Kelvin Planck (Perpetom Mobiles II)
Pada dasarnya perumusan antara Kelvin dan Plank mengenai suatu hal yang
sama, sehingga perumusan keduanya dapat digabungkan dan sering
disebut : Perumusan Kelvin-Plank Tentang Hukum II
Termodinamika.
Perumusan Kelvin-Plank secara sederhana
dapat dinyatakan sebagai berikut : tidak mungkin membuat mesin
yang bekerjanya semata-mata menyerap kalor dari sebuah
reservoir dan mengubahnya menjadi usaha. Atau dengan kata
lain bahwa, t idak mungkin suatu mesin itu mengisap panas dari reservoir
dan mengubah seluruhnya menjadi usaha. Atau singkatnya Q1 0, yaitu
< 1 bagi setiap mesin kalor.
Sebagai contoh perhatikan proses yang sebenarnya terjadi pada motor bakar
dan motor bensin.
- Mula-mula campuran uap bensin dan udara dimasukkan ke dalam
silinder dengan cara menarik penghisap.
- Kemudian penghisap ditekan, dengan demikian campuran tadi
dimampatkan sehingga temperatur dan tekanannya naik.
- Campuran tadi kemudian dibakar dengan loncatan bunga api listrik.
Proses pembakaran ini menghasilkan campuran dengan temperatur dan
tekanan yang sangat tingi, sehinga volume campuran tetap (proses
isokhorik)
- Hasil pembakaran tadi mengembang, mendorong penghisap,
sedangkan tekanan dan temperaturnya turun, tetapi masih lebih tinggi
dari tekanan dan temperatur di luar.
- Katub terbuka, sehingga sebagian campuran itu ada yang keluar
sedangkan penghisap masih tetap ditempatnya.
- Akhirnya penghisap mendorong hampir seluruhnya campuran hasil
pembakaran itu keluar.
c. Carnot
Dari semua mesin yang bekerja dengan menyerap kalor dari reservoir panas dan
membuang kalor pada reservoir dingin efisiensinya tidak ada yang melebihi efisien
mesin Carnot. Mesin Carnot secara ideal memang tidak ada, tetapi mesin yang
mendekati mesin Carnot akan memiliki efisiensi yang
tinggi, maksudnya dapat mengubah panas sebanyak-
banyaknya menjadi energi gerak mekanik. Ciri khas
mesin Carnot ialah pemanasan dan pendinginannya,
yaitu pengisapan dan pelepasan panasnya berlangsung
secara isotermis, sedangkan pengembangan dan penekanannya berlangsung secara
adiabatis. Dengan demikian mesin Carnot dapat dibalik (reversible), karena proses
isotermis maupun adiabatis selalu dapat dibalik, maksudnya dengan mengenakan
usaha mekanik W padanya mesin akan melepas panas Q1 dari bagian yang
didinginkan serta melepas panas sebanyak Q2 keluar. Jenis-jenis mesin selain mesin
Carnot tidak dapat dibalik, dan dengan menerapkan hukum termodinamika ke II
dapat ditunjukkan bahwa karena dapat dibalik, mesin Carnot memiliki efisiensi yang
sama.
Hukum II termodinamika diringkaskan berbunyi sebagai berikut.
Adalah tidak mungkin mendapatkan suatu mesin yang bekerja dalam
lingkaran yang tidak menimbulkan efek lain selain mengambil panas dari
suatu sumber dan mengubah panas ini seluruhnya menjadi usaha. Hukum II
termodinamika juga menyatakan bahwa panas tidak akan mengalir atau menghantar
dari suhu rendah ke suhu tinggi, yang pasti adalah dari suhu tinggi ke suhu rendah.
4. Hukum III Termodinamika
Hukum ketiga Termodinamika menyatakan bahwa entropi dari semua
kristal-kristal padat mendekati nol pada saat suhunya mendekati nol mutlak. Dengan
kata lain semua zat akan kehilangan energi pada saat suhunya nol mutlak. Itulah
sebabnya orang-orang menyimpan bahan makanan dalam freezer untuk
mempertahankan perubahan energi dari bahan makanan itu dan mempertahankan dari
kerusakan. Dan bila ingin memakannya, daging misalnya yang akan disantap, harus
dipanaskan dulu dengan digoreng atau dipanggang sehingga mendapatkan makanan
hangat yang telah mengalami kerusakan dibanding semula waktu tersimpan dalam
freezer.
Entropi adalah munculnya efek ketidakteraturan/kerusakan pada saat terjadi
peningkatan energi pada suatu sistem. Pada daging yang telah menyerap kalor dari
pemanasan seperti tersebut di atas, entropi berupa kerusakan daging menjadi matang
dari keadaan semula mentah. Kerusakan sel-sel daging yang menyerap kalor akibat
dipanaskan itu membawa perubahan yang menguntungkan, yaitu daging siap
dimakan.
Secara matematis entropi (∆S) dirumuskan dengan peningkatan kalor tiap
satuan suhu.
∆ S =
ΔQT dan ∆ S = S2 S1
Asas entropi yang dikemukakan Clausius mengatakan bahwa alam raya
(universe) sebagai sistem terisolasi sehingga proses di dalamnya berlangsung secara
adiabatik, maka entropi alam raya cenderung naik ke nilai maksimum. Demikian pula
yang berlangsung di bumi sebagai bagian dari alam raya.
Kenaikan entropi selalu diikuti pula dengan ketidakteraturan. Karena
penggunaan energi untuk usaha berlangsung terus menerus, entropi di bumi haruslah
bertambah terus dan ketidakteraturannya juga harus bertambah. Kecenderungan ini
dapat ditahan dengan adanya fotosintesis. Dalam proses ini energi matahari yang
tersebar dikumpulkan menjadi energi kimia yang terkonsentrasi dalam molekul gula.
Dengan proses ini entropi bumi diturunkan dan ketidakteraturan bertambah. Karena
itu fotosintesis disebut juga negentropi (=entropi negatif). Tetapi penurunan entropi
di bumi disertai oleh naiknya entropi di matahari. Inilah hukum alam; penurunan
entropi di suatu tempat hanya mungkin dengan naiknya entropi di tempat lain.
Misalnya, alat AC menurunkan entropi di dalam ruangan, tetapi ia menaikkan entropi
di luar ruangan.
Glosarium Ekuipartisi energi = pembagian energi dalam sistem tertutup.
Energi kinetik rotasi = energi gerak perputaran.
Energi kinetik translasi = energi gerak pergeseran.
Kalor = panas, salah satu bentuk energi.
Konservasi energi = perubahan energi yang lebih bersifat mendayagunakan
energi
Mesin kalor = mesin yang mengubahenergi panas menjadi energi mekanik
Proses isobarik = proses yang berlangsung dalam tekanan tetap
Proses isokhorik = proses yang berlangsung dalam volume tetap.
Proses adiabatik = proses yang berlangsung dalam perubahan kalor tetap
Proses isotermik = proses yang berlangsung dalam suhu tetap
Reservoir = sistem mesin penghasil energi panas.