Termodinamika
Termodinamika
adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam termodinamika
kamu akan banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan
benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang
berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan.
Usaha Luar
Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor
ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap
sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan
volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang
dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.
W = p∆V= p(V2 – V1)
Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis sebagai
Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.
Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V2 > V1. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V2 < V1 dan usaha gas bernilai negatif.
Energi Dalam
Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu
dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu
gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas
tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi
yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat
ditinjau secara mikroskopik.
Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas
partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan
partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel
yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas.
Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi
kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh
partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan,
energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu,
perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara
matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai
untuk gas monoatomik
untuk gas diatomik
Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol−1 K−1, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).
Hukum I Termodinamika
Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan
suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan
bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume
dan suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih
dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu
bentuk dari hukum kekekalan energi.
Gambar
Sistem yang mengalami perubahan volume akan
melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami
perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan
menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi
dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam
termodinamika atau disebut hukum I termodinamika. Secara matematis,
hukum I termodinamika dituliskan sebagai
Q = W + ∆U
Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.
Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan
(atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan
mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan
benda (krupuk) akan bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi dalam ∆U.
Proses Isotermik
Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika
dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika
proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini
dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan,
tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).
Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai
Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.
Proses Isokhorik
Jika gas melakukan proses termodinamika dalam
volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena
gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W
= 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya.
Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV.
QV = ∆U
Proses Isobarik
Jika gas melakukan proses termodinamika dengan
menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik.
Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku
Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan
QV =∆U
Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai
W = Qp − QV
Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV).
Proses Adiabatik
Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).
Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai
Dimana
γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar
gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih
besar dari 1 (γ > 1).
Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar