thermodinamika kimia a dan b

KULIAH FISIKA UMUM (Seri Thermofisika)

UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA

2014

Oleh

Abu ZainuddinDosen Fisika FMIPA

I Love

Phisics

How With You..?

1. Mendefinisikan tentang termodinamika2. Menjelaskan proses isotermal, isobarik, isokhorik

dan proses adiabatik.3. Menjelaskan hukum I termodinamika4. Menjelaskan proses isotermal, isobarik, isokhorik dan proses

adiabatik berdasarkan hukum I Termodinamika5. Menghitung energi dalam berdasarkan hukum I

termodinamika.6. Menghitung tekanan, temperatur, volume, keadaan

akhir dalam proses adiabatik.7. Menjelaskan tentang kapasitas kalor pada tekanan tetap dan pada volume tetap.8. Menjelaskan tentang hukum II Termodinamika9. Menjelaskan tentang prinsip kerja mesin karnot10.Menjelaskan tentang prinsip kerja mesin

pendingin.

Definisi termodinamika

Mempelajari hubungan kerja dengan panas

Cabang ilmu fisika yg membahas konversi energi termal menjadi usaha bermanfaat.

Perlu Medium

Volume, tekanan,

temperatur

USAHA YANG DILAKUKAN GAS

dv

F = P.A

Besarnya usaha yang dilakukan sistem gas agar dapat berpindah sejauh ds adalah :

W = F . ds

W = p . A . ds

dW = p . dV

F = p . A

W = Usaha yang dilakukan gas (Joule) P = TekanandV = perubahan volum (m3)

W = ∫ P.dVW = ∫ P.dV

P

V

W

P

ΔVBesaran ini tidak lain adalah luasan kurva pada grafik P-V

0

Grafik proses isobarik


b

a

V

V

dVpW .

Besarnya usaha :

ab VVpW

VpW

Proses pemanasasan berlangsung pada TEKANAN tetap

Proses pemanasasan berlangsung pada SUHU tetap

2

1

2

1

V

V

V

V V

dVnRTdV

V

nRTW

b

a

V

V

dVpW .

Besarnya usaha :

V

nRTp

W = n R T ln (V2/V1)

atau

W = - n R T ln (P2/P1)


P

V

P1

P2

V1 V20

Proses pemanasasan berlangsung pada VOLUME tetap

Pada proses isokhorik tidak terjadi perubahan

volume (ΔV = 0),

sehingga besarnya usaha luar yang dilakukan

oleh gas adalah

W = 0


Grafik proses isokhorik

P

V0

Proses pemanasasan berlangsung tanpa ada perubahan kalor Pada proses ini tidak

ada kalor yang diserap atau dilepas, sehingga usaha luar yang dilakukan oleh gas berasal dari perubahan energi dalam gas

W = - ΔU


Grafik proses Adiabatik

P

V

P1

V1

P2

V20

8A B

C

2 4 V (m3)

P (kPa)

4

1. Dua mol gas argon mengalami siklus sebagai berikut :

Apabila dititik A suhu gas 27C maka tentukan usaha persiklus dan usaha total?

Penyelesaiana. Proses A - B (Proses isobarik) W = p V = 8000 (4 – 2) = 16000 J

b. Proses B - C (Proses isokhorik) W = p V = 0 karena V = 0

c. Proses C – A (Proses isotermik) W = n R T ln = (2) (8,31) (300) lan = - 3456 Joule 4

2awal

akhir

V

V

d. Jadi usaha total Wtotal = WA-B + WB-C + WC-A = 16000 + 0 + (-3456) = 12544 Joule

2. Dua mol gas argon mengalami siklus sebagai berikut :

Apabila mesin bekerja 6 siklus setiap sekon, tentukan daya keluaran mesin

80A B

C

2 4 V (m3)

P (kPa)

40

A B

C

Penyelesaian

Usaha yang dilakukan sistem setiap satu siklus sama dengan luas daerah diarsir

Usaha = luas ABC

= (AB x BC)/2

= (2 x 40.000)/2

= 40.000 Joule

kJ240s1

J)(40.0006waktu

usahamesinDaya

HUKUM I TERMODINAMIKA

“ Panas netto yang ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi internal sistem ditambah usaha yang dilakukan sistem”

Qsistem

ΔU W

Q=ΔU + W

Pernyataan bahwa energi adalah kekal

“ “ Panas netto yg ditambahkan pada suatu sistem sama dgn Panas netto yg ditambahkan pada suatu sistem sama dgn perubahan energi internal sistem ditambah usaha yg dilakukan perubahan energi internal sistem ditambah usaha yg dilakukan

sistemsistem””Secara matematis

Q = U+ W

Energi yang mengalir karena perbedaan suhu+ Sistem menyerap kalor dari lingkungan - Sistem melepas kalor ke lingkungan

+ Sistem melakukan usaha ke lingkungan - Sistem dikenai usaha dari lingkungan

Energi total yang terkandung dalam sistem+ Penambahan energi dalam sistem - Pengurangan energi dalam sistem

1. Pada proses isotermik T= 0

Q = U + W

U = 3/2 n . R . T

Karena energi dalam hanya bergantung pada perbedaan suhu maka U = 0

W = n R T ln (V2/V1)

atau

W = - n R T ln (P2/P1)

Jadi

Q = W

P

V

P1

P2

V1 V2

0

2. Pada proses isokhorik (volume tetap) V = 0

Q = U + W W = P . V = 0

U = 3/2 n . R . T

Cv = 3/2 R adalah kalor jenis pada volume tetap

P

V0

TnCTTnCdTnCQ vv

T

T

v 12

2

1

Jadi Q = U

3. Pada proses isobarik (tekanan tetap) P = 0

Q = U + W W = P (V2 - V1) = P . V

P . V = n .R T

U = 3/2 n . R . T

P

V

W

P

ΔV

0a b

Cp = 5/2 R adalah kalor jenis pada tekanan tetap

Hubungan kapasitas kalor Cp dengan Cv

Cp - Cv = nR

TnCTTnCdTnCQ pp

T

T

p 12

2

1

4. Pada proses adiabatik Q = 0

Q = U + W

P

V

P1

V1

P2

V2

0

Berlaku persamaan :

122

1112211

VTVTatauVPVP

= Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace

11

12

1

112

1

2

1

2

1

VVk

Vk

dVVkdVpW

VV

V

V

V

V

Karena kVPVP 2211

Diperoleh U = - W dan

11122 VpVp

W

5. Kapasitas Kalor dan Konstanta Laplace

Kapasitas kalor pada volume konstan (CV) Kalor yg diperlukan untuk menaikkan suhu 1 K pada volume tetap

Kapasitas kalor pada tekanan konstan (Cp) Kalor yg diperlukan untuk menaikkan suhu 1 K pada tekanan tetap

T

QC VV

T

QC PP

Pada volum tetap U = QV

Menurut persamaan QP = U + W

QP = QV + P V

VPTCTC VP karena P V = n R T

CP – CV = n R

Nilai perbandingan antara C pada tekanan tetap dengan C volume tetap

V

P

C

C

Perlu diketahui : Gas diatomik (H2, CO, Cl2)

Suhu rendah CV = 3/2R (translasi)

Suhu Sedang CV = 5/2R (translasi + rotasi) Suhu Tinggi CV = 7/2R (translasi + rotasi + vibrasi)

Gas monoatomik (He, Ne)

CV = 3/2 R pada semua suhu

a. Gas menyerap kalor 350 J dan serentak melakukan usaha 400J

b. Gas menyerap kalor 250J dan serentak usaha 450 J dilakukan pada gas

c. Gas mengeluarkan 600J pada volum tetap

Tentukan perubahan energi dalam apabila

Penyelesaian

a. Q = + 350J dan W = + 400J

U = Q - W = 350J – 400J = - 50J

Jadi energi dalam sistem berkurang 50J

b. Q = + 250J dan W = - 450J

U = Q - W = 250J + 450J = 600J

Jadi energi dalam sistem bertambah 600J

c. Q = - 600J dan W = 0J

U = Q - W = - 600J – 0J = - 600 J

Jadi energi dalam sistem berkurang 600J

Ketika usaha 2000 J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan ½ mol suatu gas monoatomik, suhu mutlaknya menjadi dua kali semula. Tentukan suhu awal gas (R = 8,31 J/mol.K)

Diket : W = - 2000 J, n = 0,5 mol

T2 = 2T1 sehingga T = T2 - T1 = T1

Pada proses adiabatik Q = 0

Sehingga Q = U + W U = - W

Penyelesaian

Untuk gas monoatomik U = 3/2 n R T

U = - W

3/2 n R T = W

K321T

(8,31)(1/2)3

(2000)2

nR3

W2ΔT

1

Ingat !!!!!! Hukum I Termodinamika

tentang kekekalan energi, tanpa membatasi arah perpindahan kalor

Hukum II Termodinamika1.Kalor secara spontan mengalir

dari benda panas ke benda dingin

Siklus adalah :

Serangkaian proses pada suatu sistem sedemikian

sehingga sistem tersebut kembali

ke keadaan semula

W

P

Va

b

c

d

PENGERTIAN SIKLUS

0

2. Rumusan Kelvin–Plank (Tentang mesin kalor)

“Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu

siklus, menerima kalor dari suatu sumber kalor dan mengubah kalor itu

seluruhnya menjadi usaha”

Diagram teori Kelvin-Planck

Tandon panas

sistem

Tandon panas

Tandon dingin

sistem

Q

Q1

Q2

WW

Mesin sempurna

hal yang tidak mungkin Mesin sesungguhnya

Pemuaian isotermalKalor Q1 diserap pada suhu tinggi Gas memuai dan sistem melakukan usaha W pada pengisap

Pemuaian adiabatikQ = 0 dan gas melakukan usaha melalui pemuaian, sehingga U berkurang

Pemampatan adiabatikQ = 0 dan usaha dilakukan pada sistem sehingga U dan suhu naik

Pemampatan isotermikKalor Q2 dibuang pada suhu rendah

Usaha dilakukan pada sistem

P

V

Q

1

Q2

W

a

b

c

d

0

Skema Mesin Karnot

Tandon panas

Tandon dingin

sistemW

Q2

Q1

T2

T1

Efisiensi mesin karnot adalah perbandingan antara usaha W yang dilakukan sistem dengan kalor yang diserap oleh sistem Q1

1

2

1

21

1

1Q

Q

Q

QQ

Q

W

Pada proses isotermal U = 0

Dari Q = U + W Q1 – Q2 = W

Pada gas ideal

1

2

1

2

T

T

Q

Q

1

21T

TDiperoleh

P

V

Udara +

Bahan bakar

Gas buang

a

b

c

d

Q2

Q1

S I K L U S O T T O S I K L U S O T T O

0

“Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus,menerima kalor dari suatu sumber kalor dan mengubah kalor itu seluruhnya menjadi usaha”

3. Rumusan Clausius (ttg mesin pendingin)

Diagram teori Clausius

sistem

Tandon panas

Tandon dingin

Tandon panas

Tandon dingin

sistem

Refrigator Sempurna

hal yang tidak mungkin

Refrigator

sesungguhnya

Q1

Q2

Q1

Q2

W

A

B

C

D

E

Pompa listrik A memompakan gas (misal : freon,amoniak) yang

dimampatkan melalui B dengan melepaskan kalor

Di dalam pipa C terjadi pengembunan sehingga gas berubah wujud menjadi cair

Freon cair dialirkan ke ruang beku (D) dan menyerap kalor di

sekitar ruang beku sehingga suhu ruang beku turun

Kemudian gas dialirkan kembali menuju pompa untuk

melakukan proses siklus kembali

PRINSIP KERJA MESIN PRINSIP KERJA MESIN PENDINGINPENDINGIN

Skema Mesin Pendingin

Tandon panas

Tandon dingin

sistem W

Q2

Q1

T2

T1

Koefisien performasi mesin pendingin (COP) adalah perbandingan antara panas yang diambil dari tandon dingin (Q1)dengan pemakaian usaha (W)

W

QCOP 2 Karena W = Q1 – Q2

21

2

QQ

Q

2

1

2

1

T

T

Q

Q

21

2

TT

T

*)COP = Coefficient of Performance)

Diket : Q1 = 9220 J, dan W = 1750 J

T1 = 962 K, T2 = 670 K

Tentukan :a. Efisiensi nyatab. Efisiensi

teoritisnya

Sebuah mesin mengambil 9220 J dan melakukan usaha 1750 J setiap siklus saat bekerja diantara 689C dan 397C

Penyelesaian

Efisiensi nyata

%19%1009220

1750%100

1

xxQ

W

Efisiensi teoritis

%30%100962

6701%1001

1

2

xxT

T

Ternyata efisiensi nyata selalu lebih kecil, karena mesin nyata adalah irreversibel, sedangkan mesin karnot (teori) tidak

memperhitungkan proses irreversibel (tidak dapat dibalik) seperti rugi oleh gesekan

Diket : COP = 6,0

T1 = (28 + 273) = 301 KSebuah kulkas memiliki koefisien performansi 6. Jika suhu ruang kulkas adalah 28C. Berapakah suhu paling rendah di dalam kulkas yang dapat diperoleh

Penyelesaian

21

2

TT

TCOP

CK

K

TCOP

COPT

15258

)301(61

61 12Diperoleh

T E R I M A K A S I H

thermodinamika kimia a dan b

Documents