Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari hubungan antara kalor dan usaha mekanik. Dalam pengertian yang lebih luas, termodinamika merupakan kajian tentang suhu dan kalor serta pengaruh suhu dan kalor terhadap sifat-sifat zat. Dengan konsepv dasar termodinamika ini sejal, sejak permulaan abad XIX, orang sudah berhasil menemukan mesin-mesin yang dapat membantu mempermudah pekerjaan manusia dan mempernyaman kehidupannya.
sehingga hanya dapat berinteraksi dengan sistem D saja, sedangkan sistem D dilingkupi dengan dinding diaterm sehingga dapat berinteraksi dengan sistem C dan dengan lingkungannya. Besaran-besaran makroskopis yang dapat diukur pada sistem mencirikan keadaan sistem. Besaran makroskopis sistem menunjukkan sifat (properties) sistem. Besaran makroskopis sistem disebut juga koordinat termodinamika sistem. Koordinat termodinamika sistem cukup dinyatakan oleh tiga variabel dan baisanya salah salah satunya adalah temperatur. Pada buku ini temperatur secara umum diberi simbol dan khusus untuk temperatur Kelvin diberi simbol T.
sistem direpresentasikan dengan besaran-besaran termodinamika. 9.3 HUKUM TERMODINAMIKA KE NOL DAN TEMPERATUR Hukum termodinamika ke nol berbunyi:Jika dua buah sistem yang terpisah berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem yang lain (sistem yang ketiga), maka kedua sistem tersebut juga berada dalam kesetimbangan termal. Gambar 9.2 menggambarkan pernyataan hukum termodinamika ke nol yang berlaku pada sistem A, B, dan C. Gambar 9.2: a. Keadaan sistem A, B, dan C sebelum kontak
Sistem a setimbang termal dengan sistem B pada temperatur setimbang Dinding pemisah antara dua sistem yang bersentuhan dapat berupa dinding adiabatis atau dinding diaterm. Dinding adiabatis adalah dinding pemisah yang menyebabkan masing-masing sistem yang bersentuhan tetap dalam keadaannya semula (tidak ada perubahan keadaan sistem). Contoh dinding adiabatis, untuk temperatur sekitar temperatur ruang, adalah dinding yang terbuat dari bahan isolator panas misalnya kayu, semen, dan keramik yang ukurannya cukup tebal. Dinding diterm, adalah dinding pemisah yang menyebabkan adanya interaksi dari sistem-sistem yang bersentuhan sehingga tercapai keadaan setimbang. Contoh dinding diaterm adalah logam. Keadaan kontak antara dua sistem melalui dinding diaterm disebut kontak termal. Besaran yang mencirikan keadaan sistem yang berada dalam kesetimbangan termal adalah temperatur. Dalam keadaan sehari-hari istilah temperatur digunakan untuk membedakan apakah suatu benda bersifat panas atau dingin relatif terhadap tubuh kita. Karena kajian termodinamika yang akan kita pelajari di dalam bab ini banyak berhubungan dengan proses gas, maka diawal bab ini kita akan mempelajari lebih dahulu teori kinetika gas. A. TEORI KINETIKA GAS Teori yang menggunakan tinjauan tentang gerak dan energi partikel-partikel zat untuk menyelediki sifat-sifatnya disebut teori kinetik zat. Sifat yang dimaksud ialah sifat zat secara keseluruhan sebagai hasil rata-rata kelakuan partikel-partikel zat tersebut. Teori kinetik zat yang secara khusus diterapkan pada teori kinetik gas. 1. Pengertian gas Ideal Gas yang ditinjau dalam pembahasan ini ialah gas ideal, yaitu suatu gas yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut : • gas ideal terdiri atas partikel-partikel (atom-atom atau molekulmolekul) yang jumlahnya banyak sekali dan antarpartikelnya tidak terjadi gaya tarik-manarik (interaksi); • setiap pertikel gas bergerak dengan arah sembarang; • ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan; • setiap tumbukan yang terjadi berlangsung secara lenting sempurna; • partikel gas terdistribusi merata dalam seluruh ruangan; • berlaku hukun newton tentang gerak.
2. Persamaan keadaan gas Ideal a. Hukum Boyle-Gay Lussac Gas dalam suatu ruang tertutup, keadaanya ditentukan oleh volum, tekanan, dan suhu gas tersebut. Menurut hukum Boyle-Gay Lussac, tekanan (p), volum (v), dan suhu mutlak (T) dari gas ideal memenuhi hubungan : dengan : p = tekanan gas V = volume gas n = jumlah mol gas R = tetapan umum gas = 8314 J/kmol.K atau 8,31 J/mol.K T = suhu mutlak (K) Persamaan (9.1) disebut persamaan keadaan gas ideal atau disebut juga hukum Boyle-Gay Lussac. b. Hubungan jumlah mol dengan massa total dan jumlah partikel Misalkan massa total gas = m dan jumlah partikel gas = N, maka jumlah mol gas (n) dapat dinyatakan: atau dengan : m = massa total gas M = massa relatif partikel (atom atau molekul) gas N = bilangan Avogadro = 6,02 x 1023 partikel/mol Bila persamaan (9.2) dimasukka ke persamaan (9.1), maka akan diperoleh persamaan keadaan gas berikut: dengan memasukkan persamaan (9.3) ke persamaan (9.1) dapat juga diperoleh persamaan gas bentuk lain, yaitu: dengan: N = jumlah partikel gas No = bilangan Avogadro = 6,02 x 1023 partikel/mol k = tetapan Boltzman = 1,38 x 10-23 J/K k = R/No atau R = k . No Contoh 9.1 Penyelesaian: Contoh 9.2 Latihan 9.1 Contoh 9.3 Latihan 9.2 Dari persamaan (9.5) kita peroleh harga p: Dengan k = tetapan Boltzman, k = 1,38 x 10-23 J/K Contoh 9.4 Latihan 9.3 Energi dalam suatu gas didefinisikan sebagai jumlah energi kinetik seluruh partikel gas. Bila terdapat N buah partikel gas dalam wadah tertutup, maka energi dalam gas U merupakan hasil kali N dengan Contoh 9.5 Penyelesaian: m = 2 gram T = 77 + 273 = 350 K M = 10 g/mol R = 8,31 J/mol . K U = ..... ? Latihan 9.4 b) Gas diatomik! (k dan No lihat soal nomor diatas) 9.4 PERSAMAAN KEADAAN Di mana x, y, z merupakan koordinat termodinamika sistem. Untuk sistem hidrostatik atau sering disebut sistem PVT, persamaan keadaannya dinyatakan sebagai: Sistem hidrostatik adalah sistem dengan massa tetap yang mengadakan tekanan yang homogen, tanpa efek grafitasi, listrik, dan magnetik. Contoh sistem hidrostatik: c. Campuran heterogen, misalnya campuran dari beberapa macam cairan dengan uapnya. Persamaan keadaan gas banyak dihasilkan secara empirik, yaitu didapatkan dari hasil eksperimen. Beberapa bentuk persamaan keadaan gas yang dihasilkan secara teoritis diberikan seperti berikut ini. 9.5 Persamaan Keadaan Gas Ideal Di mana, P = tekanan gas ideal V = volume gas ideal = volume ruang yang ditempati gas n = jumlah mol gas tersebut R = konstanta gas universal = 8.314,3 J Kmol-1 K-1 T = Temperatur gas tersebut Catatan: Gas-gas nyata pada tekanan yang sangat rendah (tekanannya di bawah tekanan kritis) dan pada temperatur tinggi (temperaturnya di atas temperatur kritis) mempunyai sifat seperti gas ideal. Bentu persamaan keadaan gas ideal yang lain adalah: Di mana, , disebut volume spesifik molar dengan satuan m3Kmol-1 (SI). Di mana, berat molekul gas, adalah konstanta dengan satuan Kg-1Kmol-1K-1.9.6 DIAGRAM PT, DIAGRAM PV, DAN PERMUKAAN PVT UNTUK ZAT MURNI Zat murni adalah yang terdiri dari satu macam senyawa kimia. Gambar-gambar di bawah ini menunjukkan diagram PT, diagram PV, dan permukaan PVT untuk zat murni Diagram PT untuk zat murnii yang Diagram PT untuk zat murni Diagram PV untuk zat murni yang Diagram PV untuk zat murni Gambar 9.7 a.Permukaan PVT zat murni yang memuai pada waktu membeku, b. Permukaan PVT zat mumi yang menyusut pada waktu membeku. 9.7 DIAGRAM PV, DIAGRAM PT, DAN PERMUKAAN PVT UNTUK GAS IDEAL Gas ideal adalah gas yang memenuhi persamaan keadaan: PV = nRT Gambar-gambar berikut ini menunjukkan diagram PV, diagram PT, dan permukaan PVT untuk gas ideal. 9.8 KERJA Kerja atau usaha, dengan simbol W, adalah besaran skalar yang didefinisikan sebagai hasil kali antara lintasan dengan komponen gaya pada arah lintasa. Secara vektor, kerja didefinisikan sebagai perkalian skalar antara gaya dengan vektor lintasanatau:di mana menyatakan sudut yang dibentuk oleh vektordengan vektor, sedangkan F dan S menyatakan besarnya vektor gaya dan lintasan tersebut. Secara umum, untuk setiap perpindahan (pergeseran) dihasilkan kerja sebesar dW:Persamaan (9.17) menyatakan kerja dalam bentuk diferensial (kerja infinitesimal). Kerja total oleh gaya F dituliskan dalam bentuk: Di dalam termodinamika, besaran kerja dibedakan menajdi kerja eksternal dan kerja internal. Kerja eksternal adalah kerja yang dilakukan oleh gaya eksternal. Kerja eksternal dapat dilakukan oleh Gambar 9.9 a. Gaya sebesar F bekerja pada abenda m dan 9.10 KERJA PADA PROSES IRREVERSIBLE (TAK REVERSIBLE) Dengan Yeks menyatakan besaran intensif lingkungan (eksternal) yang pada umumnya konstan. .Contoh: 1. Kerja pada proses perubahan volume yang irreversible. Gambar di samping ini menunjukkan perubahan volume gas secara spontan apabila stoper dilepas. Kerja pada proses spontan ini dinyatakan dengan: 2. KERJA PADA PROSES PEMULAAN BEBAS (EKSPANSI BEBAS) Setelah kran dibuka, maka gas dari ruang A akan mengalir ke ruang B yang mula-mula vakum, sehingga volume gas bertambah dari V = VAmenjadi V = VA + VB. Karena Peks = 0, maka perubahan volume gas tersebut dikatan sebagai pemuaian bebas dan prosesnya berlangsung secara spontan. Pada pemuaian bebea besarnya kerja. W = 0, karena Peks = 0. Catatan: Prinsip pemuaian bebas ini digunakan oleh Gay Lussac dan Joule di dalam percobaannya untuk mengamati perubahan temperatur akibat perubahan volume. Percobaan dikenal sebagai eksperimen Joule-Gay Lussac.
lain yang temperaturnya rendah. Kalor diberi simbol dan perubahan infinitesimalnya dinyatakan denganyang merupakan diferensial tidak eksak seperti halnya.Suatu sistem yang tidak terisolasi akan menyerap kalor dari lingkungannya jika temperatur sistem lebih rendah dari temperatur lingkungan, dan sebaliknya sistem akan melepaskan kalor ke lingkungannya jika temperatur sistem. 9.11.1 PANAS (KALOR) TRANSFORMASI DAN ENTALPI Perubahan Fasa Apabila suatu zat padat dipanaskan terus-menerus pada tekanan tetap maka temperaturnya akan naik terus sampai pada suatu harga temperatur tertentu di mana temperaturnya menjadi konstan. Pada temperatur konstan tersebut kalor yang diserap zat dipergunakan seluruhnya untuk melakukan perubahan wujud (transformasi fasa). Temperatur zat akan naik lagi apabila seluruh massa zat sudah berubah wujudnya. Perubahan wujud zat secara skematis dapat digambarkan sebagai berikut: Proses 1 2 disebut melebur (meleleh) yaitu perubahan zat padat ke cair, dan kebalikannya (proses 21) disebut membeku. Proses 34 disebut mendidih yaitu perubahan zat dari cair ke uap dankebalikkannya (proses 43) di sebut mengembun. Proses 23 adalah proses kenaikan temperatur zat (dalam bentuk cairnya) secara isobarik dari titik leburnya (Tm) sampai dengan titik didihnya (Tb). Ada beberapa zat yang di dalam pengamatan kita zat tersebut dapat berubah wujud dari padat langsung menjadi uap, misalnya es kering (CO2pada) dana pada kamper (kapur barus). Hal ini disebabkan karena titik beku dan titik didihnya mempunyai harga yang berdekatan, sehingga bentuk cair dari zat tersebut tidak sempat teramati. Perubahan zat dari padat ke uap disebut suplimasi. Titik lebur suatu zat (Tm) adalah harga temperatur pada zat sejumlah zat padat berubah seluruhnya menjadi zat cair jika dipanaskan pada tekanan konstan. Tabel 9.1 9.11.2 Entalpi Dan entapi spesifik, yaitu entalpi persatuan massa atau persatuan Pada peristiwa transformasi fasa, banyaknya kalor yang diserap atau dilepaskan oleh sistem atau zat persatuan massa sama dengan kalor transformasi l. Jadi dapat kita tuliskan: Persamaan (9.25) menyatakan bahwa pada perubahan fasa, besarnya kalor transformasi sama dengan besarnya perubahan entalpi sistem. Dalam termodinamika, sekumpulan gas yang kita amati disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekitar sistem (misalkan tabung tempat gas dan udara luar) disebut lingkungan. 1. Usaha Luar Sebua tabung ditutup dengan penghisap (piston) yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan, dan berisi gas ideal (lihat Gambar 9.13). Bila gas dalam tabung dipanaskan, penghisap akan bergerak. Dikatakan bahwa gas melakukan usaha luar atau melakukan usaha terhadap lingkungannya. Besarnya usaha luar yang dilakukan oleh gas adalah: Dengan: Selain dapat melakukan usaha luar, gas juga dapat menerima usaha luar. Usaha yang dilakukan lingkungan terhadap gas adalah kebalikan dari usaha luar gas. Persamaan (9.26a) dapat kita tulis: 2. Proses yang dialami gas A.PROSES ISOTERMAL Proses isotermal dalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap (T = tetap). Dalam proses isotermal ini, berlaku persamaan keadaan gas ideal pV = nRT. Tetapi karena T tetap dan nR juga selalu tetap, maka dinyatakan: pV = konstan
Persamaan (9.27) sesuai dengan hukum Boyle, dengan: Dari persamaan umum gas ideal, diperoleh: Faktor-faktor nRT dapat dikeluarkan dari tanda integral, karena nilainya tetap (konstan). Kemudian digunakan sifat integral Contoh 9.6 Tebtukan: a. tekanan gas pada keadaan akhir! b. Usaha yang dilakukan gas bila R = 8,31 J/molK! Usaha yang dilakukan gas dalam kasus di atas ternyata bernilai negatif. Ini berarti bahwa gas menerima usaha dari luar. Dalam soal disebutkan bawah gas dimampatkan. Latihan 9.5 Dua gas argon memuai secara isotermal pada suhu 500 K, dari volume awal 0,05 m3 ke volume akhir 0,1 m3. Bila tekanan awal gas 8,31 . 107Pa, tentukanlah: a. Tekanan akhir gas!b. Usaha yang dilakukan gas! B. PROSES ISOKHORIK Proses iskhorik gas pada volume tetap (V = tetap). Dalam proses ini, juga berlaku persamaan gas ideal pV = nRT Persamaan (9.27) sesuai dengan hukum Gay-Lussac, dengan: C. PROSES ISOBARIK Peramaan (9.28) sesuai dengan hukum Gay-Lussac. d. Proses adiabatik Tabel 10.2 Konstanta Laplace beberapa gas tertentu hasil pengukuran pada tekanan 1 atm dan suhu 20oCPerhatikan grafik p – V pada Gambar 9.17. Tampak bahwa grafik adiabatik lebih curam dari pada grafik isotermal. Suhu, tekanan, maupun volume pada proses adiabatik adalah tidak tetap. Karena pada proses adiabatik sistem tidak melepas atau menerima kalor (Q = 0), maka usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) hanya mengubah energi dalam .Besarnya usaha tersebutdinyatakan sebagai berikut: Contoh 10.7 a. tekanan gas pada keadaan akhir! Contoh 10.8 Latihan 9.6 seluruh energi itu selalu tetap”. Hukum tersebut dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan: dengan: = perubahan energi dalam = usaha luar (kerja) Ketentuan menggunakan persamaan (9.36), lihat Gambar 9.18. Gambar 9.18 Ketentuan nilai W dan Q • Jika sistem menerima kerja, nilaiW bertanda negatif • Jika sistem melapas kalor, nilaibertanda negatif • Jika sistem menerima kalor, nilaibertanda positif Contoh 9.9 Suatu sistem menyerap kalor 2000 kalori dari lingkungannya (1 kalori = 4,2 J) dan melakukan kerja sebesar 2400 J terhadap lingkungannya. Tentukan perubahan energi sistem! Latihan 9.7 Hitunglah perubahan energi dalam gas apabila: a. gas menyerap kalor 800 kalori dan melakukan usaha 1680 J! b. Gas menyerap kalor 400 kalori dan lingkungan melakukan usaha terhadap gas sebesar 1000 J! c. Gas mengeluarkan kalor 1600 kalori pada volume tetap! Petunjuk: Gas diproses pada volume tetap, berarti = 0, sihingga W = 0.
Mengubah usaha menjadi kalor dapat dilakukan secara terusmenerus.Tetapi mengubah kalor menjadi usaha tidak semudah itu karena menyangkut terbatasnya ruang tempat gas. Untuk dapat mengubah kalor menjadi usaha secara terus-menerus, haruslah diupayakan agar gas yang telah melakukan usaha itu dikembalikan ke keadaan semula. Proses seperti ini disebut proses keliling atau siklus atau daur. Perhatikan contoh siklus sembarang dalam diagram p-V seperti diperlihatkan pada Gambar 4.7. Rangkaian prosesnya dapat dijelaskan sebagai berikut: Gambar 9.19 Contoh proses keliling (siklus) dalam diagram p-V Proses pertama (a – b) Pada proses a – b, gas memuai secara adiabatik. Usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas bidang abV2V1, harganya positif (+ Wab). Proses kedua (b – c) Pada proses b – c, gas dimampatkan secara isotermal. Usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luas bcV2V1, harganya negatif (-Wbc). Proses ketiga (c – a) Proses c – a adalah proses isokhorik. Pada proses ini gas tidak melakukan usaha luar karena volume tetap (Wca = 0). Proses c – a dilakukan hanya untuk mengembalikan keadaan gas ke keadaan semula, agar bisa lagi melakukan proses pertama dan seterusnya.
atau= luas daerah abca Dalam penerapannya, suatu proses keliling (siklus) dilakukan di dalam sebuah mesin kalor. Misanya : • Mesin otto, siklusnya disebut siklus Otto • Mesin Diesel, siklusnya disebut siklus Diesel • Mesin Uap, siklusnya disebut siklus Rankine Gambar 9.28 memperlihatkan siklus mesin-mesin tersebut. Gambar 9.20 Proses keliling (siklus) mesin 2. Sekitar tahun 1824 seorang insinyur dan ahli fisika bernama Sardi Carnot, telah berhasil menciptakan suatu landasan teori tentang siklus dalam suatu mesin, yang kemudian disebut mesin carnot dan siklusnya disebut siklus carnot. Mesin carnot merupakan mesin kalor ideal yang bekerja secara siklus dan dapat dibalik (reversible) di antara dua suhu. Mesin carnot dibayangkan sebagai mesin yang terdiri atas sebuah silinder gas ideal dan ditutup dengan penghisap (piston) yang dapat bergerak bolak-balik dalam silinder. Perhatikan gerakan piston pada setiap proses dari satu bidang siklus (Gambar 9.21). Gambar 9.21 Siklus Carnot dan gerak piston di dalam silinder. Siklus carnot secara lengkap ditunjukkan oleh gambar 9.29. Prosesprosesnya yaitu sebagai berikut: • Proses a ke b, gas mengalami pemuaian isotermal, menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi T1 dan melakukan usaha. • Proses b ke c, gas mengalami pemuaian adiabatik dan melakukan usaha. • Proses c ke d, gas mengalami pemampatan isotermal, membuang kalor Q2 ke reservoar suhu rendah T2, usaha dilakukan pada gas. • Proes d ke a (kembali ke kedudukan awal), gas mengalami pemampatan adiabatik dan usaha dilakukan pada gas. Gambar 9.22 Diagram PV untuk proses isothermal dan adiabatis. Dengan : Menurut Gambar 9.22, usaha total satu siklus sama dengan luas abcd (bidang yang diranster). 3. Efisiensi mesin Carnot Mesin Carnot adalah mesin paling efisien, yang siklusnya hanya merupakan siklus teoritik saja. Skema yang menggambarkan perubahan kalor menjadi usaha pada mesin kalor, termasuk mesin Carnot, ditunjukkan pada Gambar 9.23. • Pada mesin uap, reservoar bersuhu tinggi adalah ketel uap dan reservoar bersuhu rendah aalah lingkungan mesin itu. • Pada mesin pembakaran, reservoar bersuhu tinggi adalah campuran bahan bakar dan udara yang dibakar dalam silinder dan reservoar bersuhu rendah adalah lingkungan mesin itu. Untuk menghasilkan usaha W, memerlukan energi. Perbandingan antara usaha yang dihasilkan dengan kalor yang diserap oleh mesin disebut efisiensi mesin ( ).
Menurut Kelvin, . Dari hubungan kalor dengan suhutersebut, diperoleh rumusan efisiensi mesin Carnot sebagai berikut: Rumusan efisiensi mesin secara umum dan efisiensi mesin carnot di atas, menggambarkan bahwa efisiensi mesin tidaklah mungkin mencapai 100%, karena tidak mungkin semua kalor yang diserap Contoh 9.10 Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi sebesar 11000 joule. Bila mesin melakukan usaha sebesar 4000 joule, hitunglah: a. kalor yang dikeluarkan mesin ke reserfoar suhu rendah! b. Efisiensi mesin!
Contoh 10.11 Contoh 10.12
Latihan 9.8 2. Tentukan efisiensi mesin Carnot yang bekerja antara suhu 0oC dan 100oC: 3. Jika reserfoar suhu rendah bersuhu 27oC, maka efisiensi mesin besarnya 40%. Berapa suhu reserfoar suhu tinggi harus dinaikkan agar efisiensi mesin menjadi 50%? 4. Entropi dan hukum kedua termodinamika a. Pengertian entropi Konsep entropi berhungan dengan salah satu cara tinjauan hukum kedua termodinamika. Entropi adalah suatu ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Seperti halnya energi dalam, entropi termasuk fungsu keadaan, sehingga harga entropi hanya bergantung pada kedudukan awal dan kedudukan akhir sistem dan tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh untuk mencapai keadaan akhir itu. Jadi, untuk suatu siklus termodinamika, gas mulai dari suatu keadaan menempuh lintasan tertentudan kembali lagi ke kedudukan semula, perubahan entropinya ) sama dengan nol = 0). Jika suatu sistem pada suhu mutlak T mengalami suatu proses reversibel dengan menyerap sejumlah kalor Q, maka kenaikan entropi) dinyatakan sebagai berikut: dengan = kenaikan (perubahan) entropi, satuannya J/K atau JK-1 Proses reversibel dan ireversibelProses reversibel adalah proses yang dapatdibalik arahnya ke keadaan semula dengan memberikan pengaruh atau kondisi tertentu, tetapi tanpa menimbulkan perubahanpada sitem lain. Proses reversibel, dalam kenyataannya sukar dilakukan. Jadi, adanya hanya dalam konsep. Kebalikan dari proses ini adalah proses ireversibel, di mana usaha yang diperoleh kurang dari usahayang diperlukan untuk mengembalikan sistem ke keadaan semula. Umunya semua proses di alam semesta (jagad raya) merupakan proses ireversibel. b. Hukum kedua termodinamika Hukum pertama temodinamika berbicara tentang kekekalan energi, bahwa jumlah seluruh energi itu selalu tetap meskipun energi itu telah berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain. Tetapi apakah perubahan bentuk energi itu dapat berlangsung sembarang? Hukum pertama termodinamika tidak membatasi hal ini. Kenyataan menunjukkan bahwa kalor selalu mengalir dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Dapatkah kalor berpindah dengan arah sebaliknya? Keadaan ini tidak pernah terjadi walaupun tetap memenuhi hukum termodinamika. Pembatasan tentang perubahan mana yang dapat terjadi dan mana yang tidak, dinyatakan dalam hukum kedua termodinamika. Beberapa rumusan hukum kedua termodinamika yaitu sebagai berikut. 1) Hukum kedua termodinamika tentang entropi Hukum kedua termodinamika tentang entropi menyatakan: Total entropi jagat raya (alam semesta) tidak berubah ketika proses reversibel terjadi ( jagat raya = 0) dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi (jagat raya > 0). Kata ”jagad raya” berarti keseluruhan sistem dan lingkungannya.2) Hukum kedua termodinamika tentang mesin kalor Rumusan Kelvin dan Planck menyatakan: Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari satu sumber kalor dan mengubah kalor itu seluruhnya menajdi usaha. Dapat juga dikatan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang efisiensinya 100%. Jadi, seperti telah dikemukakan di atas, bahwa dari semua mesin yang ada, mesin Carnotlah yang memiliki efisiensi terbesar. Rumusan Clausius menyatakan: Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikkannya. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus, mengambil kalor dari reservoar yang suhunya rendah dan memberikan kalor itu pada reservoar yang suhunya tinggi tanpa memerlukan usaha luar. 3) Prinsip dasar mesin pendingin Berdasarkan rumusan Clausius, kalor dapat dipaksa mengalir dari reservoar dingin T1 ke reservoar panas T2 dengan melakukan usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja dengan cara seperti ini disebut mesin pendingin (refrigerator). Skemanya ditunjukkan pada Gambar 9.32. Contoh mesin pendingin, yaitu lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (air conditioner). Dalam lemari es (kulkas), sebagai reservoar dingin adlah bagian dalam kulkas (tempat menyimpan makanan), sedangkan sebagai reservoar panas adalah udara luar sekitar kulkas. Usaha luar dilakukan arus listrik pada sistem, menyebabkan kalor yang diambil dari makanan dipindahkan ke udara luar. Dalam pendingin ruangan (air conditioner), sebagai reservoar dingin adalah ruangan dalam, sedangkan sebagai reservoar panas adalah udara diluar ruangan. Besarnya usaha luar yanh diperlukan adalah mesin pendingin Dengan: didefinisikan sebagai nilai perbandingan antara kalor reservoar dingin dengan usaha yang diberikan pada sitem. Nilai koefisien performansi selalu lebih besar daripada satu (Cp>1). Makin tinggi nilai Cp, maka makin baik mesin pendingin. Kulkas atau AC umumnya memiliki nilai Cp antara 2 sampai dengan 6. Contoh 1.11 Satu kg air pada suhu 100oC berubah seluruhnya menjadi uap air 100oC. Jika kalor laten uap air adalah 2,2 x 10-6J/kg, tentukan kenaikan entropi sistem! Penyelesaian: Untuk mengubah wujud air menjadi uap, sistem menyerap kalor sebesar Q (bertanda positif). Persamaan Q yang berhubungan dengan kalor laten adalah: Contoh 9.12 Latihan 9.9 3. Berapa koefsien performansi sebuah mesin pendingin ideal yang bekerja di antara suhu 2oC dan + 35oC? Soal-soal Latihan 1. Partikel-partikel gas ideal mempunyai sifat antara lain ..... 1. selalu bergerak 3. Bertumbukan lenting sempurna 2. tidak tarik menarik 4. Tidak mengikuti hukum Newton Pernyataan diatas yang benar yaitu ...... A. 1, 2, dan 3 D. 4 saja B. 1 dan 3 E. Semua benar C. 2 dan 4
A. 1014 D. 1022
4. Energi dalam suatu gas ideal ditentukan oleh .... A. volumenya saja D. Lintasannya saja B. tekanannya saja E. Tekanan, volume, dan suhunya C. suhunya saja
7. Perbandingan kapasitas panas pada tekanan tetap terhadap kapasitas panas pada volum tetap adalah 5 : 3 untuk suatu gas ideal 8 m3. gas ini tekanan awalnya 2,43 x 105 Nm-2 dieskpansi 8. Hukum pertama termidinamika menyatakan: A. kalor tidak dapat masuk ke dan keluar dari suatu sistem B. energi adalah kekal C. energi dalam adalah kekal D. suhu adalah tetap E. sistem tidak menadapat usaha dari luar
1. Proses dari A ke B adalah proses isokhorik 2. Usaha yang dilakukan dalam proses dari A ke B sebasar 6 joule 3. Proses dari B ke C, kalor keluar dari sistem 4. Proses dari C ke A adalah proses isotermis Pernyataan di atas yang benar yaitu ...... A. 1, 2, dan 3 D. 4 saja B. 1 dan 3 E. Semua benar C. 2 dan 4
C. 53 %
13. Sebuah mesin Carnot bekerja antara suhu 27oC dan 227oC, digunakan untuk menggerakkan sebuah generator yang tegangan keluarannya 220 V. Jika setiap detik mesin Carnot itu menyerap kalor 5500 J, maka kuat arus keluaran meksimum generator ialah .... A. 2,75 A D. 22 A B. 10 A E. 25 A C. 15 A 14. Sebuah mesin Carnot menggunakan reservoar suhu tinggi 800 K dan mempunyai efisiensi 20 %. Untuk menaikkan efisiensi menjadi 36 %, maka suhu reservoar kalor suhu tinggi dinaikkan menjadi .. A. 928 K D. 1200 K B. 1000 K E. 1380 K C. 1160 K
II. SOAL URAIAN 1. Sebutkan sifat-sifat gas ideal ? 2. Tuliskan tiga persamaan yang menyatakan hubungan pV dengan faktor-faktor lainya dalam persamaan gas ideal ? 3. Pada suhu berapakah, energi kinetik molekul gas akan menjadi dua kali energi kinetiknya pada suhu 127oC ? 4. Berapa energi dalam 0,04 mol gas oksigen (diatomik) di dalamsebuah ruang tertutup yang suhunya 35o K ? 5. Suatu jenis gas menempati volum 100 cm3 pada 0oC dan tekanan 1 atm. Bila suhu dijadikan 50oC dan tekanan dijadikan 2 atm, berapa volume gas pada keadaan akhir ? 6. Gas ideal monoatomik mula-mula volumenya 2,5 m3, tekananannya 105 N/m2, dan suhunya250 K. Gas ini mengalami proses tekanan tetap sampai volumenya menjadi 10 m3. Kemudian mengalami proses dengan volume tetap sampai tekanannya menjadi 2 x 105 N/m2. a. Gambarkan keadaan proses gas tersebut pada diagram p – V! b. Tentukan suhu gas pada setiap akhir proses! c. Berapa usaha total yang dilakukan gas! 7. Sebuah silinder yang ditutup dengan penghisap yang bergerak tanpa gesekan, berisi udara dengan tekanan 20 x 105 Pa. Pada saat itu, suhu udara 300 K dan volumenya 0,03 m3. Udara didalam silinder melakukan proses sebagai berikut: 1) Dipanaskan pada tekanan tetap sampai 500 K 2) Lalu didinginkan pada volume tetap sampai 250 K 3) Kemudian didinginkan pada tekanan tetap sampai 150 K 4) Dipanaskan pada volume tetap sampai 300 Ka. Lukislah proses-proses itu ke dalam diagram p – V! b. Hitunglah usaha luar total yang dilakukan gas ! c. Berhubungan dengan mesin apa perumusan Kelvin- Plank dan perumusan Clausius? Page 2 |