Fisika SMA-MA-SMK Kelas Xi Bab 8 Termodinamika

Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd

BAB 9Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd TERMODINAMIKA

STANDAR KOMPETENSI : Menerapkan konsep termodinamika mesin kalor

dalam

KOMPETENSI DASAR Setelah mempelajari bab ini Kamu dapat mendeskripsikan sifat-sifat gas ideal monoatomik. Setelah mempelajari bab ini Kamu dapat menganalisis perubahan keadaan gas ideal dengan menerapkan hukum termodinamika

Mekanika statistika adalah cara untuk mengamati fenomena sistem zat yang komplek dengan jumlah partikel yang sangat besar. Konsep suhu dan kalor mendasari pengertian kita untuk mengamati kelakuan materi dalam jumlah besar, yakni. sistem-sistem banyak partikel. Partikel dalam hal ini adalah atom maupun molekul. Teori yang meninjau tentang gerak dan nergi molekul-molekul zat yangh disebut teori kinetik zat. Teori kinetik zat yang diterapkan pada partikel-partikel gas teori kinetik gas. Gas-gas dalam ruang tertutup seperti uap bensin dalam mesin bakar kendaraan dapat menjalani siklus tertutup. Dalam satu siklus terdiri beberapa proses, salah satu diantaranya menghasilkan usaha. Dalam bab ini akan dipelajari termodinamika yang banyak membahas perubahan-perubahan panas dikaji dalam hukumhukum termodinamika



GerbangMengubah 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.

A. Teori Kinetik Gas1. Gas IdealGas 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 x10 23 = 2,68 x1019 atom / cm3 22.400 Banyaknya mol untuk suatu gas tertentu adalah : hasil bagi antara jumlah atom dalam gas itu dengan bilangan Avogadro. N N NA = jumlah mol gas = jumlah atom = bilangan avogadro 6,02 x 1023.

n=

N NA


Drs. Pristiadi Utomo, M.PdSeorang 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 : pV = 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= sehingga

N NApV= pV= N . R. T NA N . R. T NA R .T NA R NA = 1,3807.10-23 joule K disebut konstanta Boltzman

p V = N. Karena k =

(mengabadikan Ludwig Boltzman (1844-1906) dari Austria) maka, persamaan gas Ideal menjadi : Mr ) Jadi : n= p.V = m R T Mr m Mr p= m R T V Mr p V = N.k.T Jumlah mol suatu gas adalah massa gas itu (m) dibagi dengan massa molekulnya. ( M =

atau

Dan karena massa jenis gas ( = sebagai berikut : p= R T Mr

m ) maka kita dapatkan persamaan dalam bentuk V p R.T = Mr p.M r T R.T

atau

atau =


Drs. Pristiadi Utomo, M.PdJelas 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.V = n.R T pV=nRT 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.V1 p 2 .V2 = T1 T2 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 42 C dan tekanan 0,97 105 N m-2! Penyelesaian: 1 p1 T1 T2 p2 p1 = 1,25 kg/m3 = 76 cm Hg = 273 K = 315 K = 0,97 . 105 N m-2 = 76 cm Hg = 76 . 13,6 . 980 dyne/cm3 76 . 13,6 . 980 . 10-5 = 10- 4 = 101292,8 N m-2 p1 V1 p 2 V2 = T1 T2 p1 m1 m p2 2 1 = 2 T1 T2

p1 p2 = T1 1 T2 2 101292,8 0,97 . 105 = 273 . 1,25 315 . 2 2 = 0,9638 kg/m3 2. Di dalam sebuah tangki yang volumenya 50 dm3 terdapat gas oksigen pada suhu 27 C dan tekanan 135 atm. Berapakah massa gas tersebut? Penyelesaian: R = 0,821 lt atm/mol k


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdp V T n = 135 atm = 50 dm3 = 300 K = = pV RT 135 . 50 = 274 mol 0, 0821 . 300

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 M CO2 = 44 p1 = 5 atm T1 = T2 V1 = V2 n1 n2 n (8 kg O2 ) = 8000 = 250 mol 32 5500 = 125 mol 44

n (5,5 kg CO2) =

p1 V1 = n1 R T1 p2 V2 = n2 R T2 p1 p2 =

p2

n2 = p1 n 1 =5 125 250

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 . 10 5 N m-2 dan pada suhu 500 K? Penyelesaian: pV V =nRT 1 nRT . 8,31 . 103 . 500 = = 18000 = 4,5 . 10-4 m3 p 1,01 . 105

4,5 . 10-4 . 18000 Volume tiap molekul = = 134,4 . 10-26 m3 6,025 .10 26 Jarak partikel- partikel dianggap seperti bola, sehingga: V = 4/3 r3


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd134,4 . 10-26 = 4/3 . 3,14 r3 r3 = 32,09 . 1026 r =3

32,09.1026

5. Tekanan partial uap air pada suhu 27 C adalah 15 cm Hg. Berapa banyakya uap air yang terdaat dalam 1 m3 udara? Penyelesaian: p pV n = 15 = 0,197 N/m2 76 =nRT = = pV RT 0,197 . 1 = 0,079 mol 8,31 . 103 . 300

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 V1 = T2 = V2

p1 V1 p V = 2 2 nR nR p1 V1 p V = 2 2 n n 25 . 100 20 . 100 = m2 3 m2 = 2500 . 3 = 3,75 kg 2000

7. 5 mol gas yang berada dalam tangki yang volumenya 40 lt dan suhu 20 C mengadakan tekanan 3 atm. Berapa tekanan 20 mol gas tersebut jika berada dalam tangki yang volumenya 100 lt dan suhu 87 C? Penyelesaian: n1 V1 T1 p1 n2 V2 T2 = 5 mol = 40 lt = 293 K = 3 atm = 20 mol = 100 lt = 360 K


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdp2................? p1 V1 p 2 V2 = n1 T1 n 2 T2 3 . 40 p . 100 = 2 5 . 293 20 . 360 146500 P2 p2 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 tiaptiap 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, 25C! 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). = 864000 = 5,9 atm


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd7. 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 tiga dimensi, diperoleh : mv rms 2 V p = 1/3 dimana.

dan menganggap molekul bergerak ke segala arah dalam

V = Volume Ruangan Ek = m vrms2

Karena Energi kinetik rata-rata molekul : Maka : p = 2/3 . 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 Maka : Ek = 3/2 NkT N pV = N k TGambar: Gas dalam volume

Ek = 3/2 k T Suhu gas dinyatakan dalam Energi kinetik rata-rata partikel adalah : T = 2/3. Ek / k Dari Ek = m vrms2 = 3/2 k T, v rms = v rms = 3kT m 3RT M maka kecepatan rata-rata adalah :

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)


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pddan 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.

Gambar: translasi partikel (kiri), rotasi partikel (tengah), dan vibrasi/getaran partikel (kanan)

Contoh: 1. Berapakah kecepatan rata- rata molekul gas oksigen pada 0 C berat atom oksigen 16, massa sebuah atom hidrogen 1,66 . 10-27 kg? k T m Ek = 1,83 . 10-23 = 273 K = 32 x 1,66 . 10-27 kg = N m v2

Mr O2 = 32

3/2 N k T = N m v2 v = 3k T m 3 .1,83 . 10-23 . 273 32 . 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 27 C. 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.


Drs. Pristiadi Utomo, M.PdEnergi 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 27 0 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 10 5 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 IdealDalam 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 : v vrms rms

=

3kT m

= kecepatan tiap-tiap atom, dalam m/det

k = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 joule/atom oK T = suhu dalam K


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdm = 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

Gambar: Distribusi Maxwell

Oleh karena untuk N = 1 partikel memiliki massa m = molekul gas dapat dituliskan kecepatannya dengan rumus sebagai berikut. v = 3RT M

M R serta k = maka tiap-tiap NA NA

rms

M = massa gas per mol dalam satuan kg/mol R = konstanta gas umum = 8,317 joule/moloK Dari persamaan di atas dapat dinyatakan bahwa :Gambar: Partikel dalam kotak

Pada suhu yang sama, untuk dua macam gas kecepatannya dapat dinyatakan : v v vrms1

v rms1 : rms2 =

1 M1 :

1 M2

= kecepatan molekul gas 1 = kecepatan molekul gas 2 = massa molekul gas 1 = massa molekul gas 2

rms2

M1 M2

Pada gas yang sama, namun suhu berbeda dapat disimpulkan : vrms1

: vrms2 =

T1 :

T2

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.


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd2. 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. 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 27 C. Jika N A = 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 0 C bila pada keadaan ini massa jenis oksigen adalah sebesar 0,00143 gram/cm3. 2. Carilah kecepatan rata-rata molekul oksigen pada suhu 0 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 10 3 m/det. Berapakah massa jenis molekul oksigen pada kondisi ini. g = 9,8 m/s2. 4. Hitung kecepatan rata-rata molekul Hidrogen pada suhu 20 C dan tekanan 70 cm Hg bila massa jenis molekul Hidrogen pada suhu 0 C adalah 0,000089 gram/cm 3. 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.


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd6. Bila jarak rata-rata antara tumbukan molekul-molekul karbon dioksida pada kondisi standard 6,29 x 10-4 cm, berapakah selang waktu tumbukan molekulmolekul di atas? Masa jenis karbondioksida pada keadaan standarad 1,977 kg/m3



B. TermodinamikaEnergi 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 keadaanGambar: Api unggun

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 = mov rms = 3 kT adalah energi kinetik satu atom, atau molekul gas ideal). 2 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 A yang berlangsung dengan suhu tetap. Berlaku Hukum Boyle : p1.V1 = p2.V2 B V Usaha luar : V2 > V1 maka W = (+) V1 > V2 maka W = (-)2

W =

v2

v1

p.dV


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdp.V = n.RT n.RT p= V W = n.RT untuk tekanan Atau ln x = e log x = log x log e v2 v1

V dV W = n.RT ln 2 V V 1 p1.V1= p2.V2 p1 p2

V ln x = 2,3 log x W = 2,3n.RT log 2 V 1 b. Proses Isobarik p p AB

Proses isobarik yaitu proses yang berlangsung dengan tekanan tetap. Berlaku Hukum Charles : V1 V1 = T1 T2

V1 Usaha luar: W = p (V2-V1) W = p.V

V2

V

V2 >V1 V2 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 sebanyakbanyaknya 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


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdmelepas 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 kristalkristal padat mendekati nol pada saat suhunya mendekati nol mutlak. Dengan kata lain semua zat akan kehilangan energi pada saat suhunya nol mutlak. Itulah sebabnya orangorang 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= Q T 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


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdtempat hanya mungkin dengan naiknya entropi di tempat lain. Misalnya, alat AC menurunkan entropi di dalam ruangan, tetapi ia menaikkan entropi di luar ruangan.



Soal-soal Ulangan 9Soal-soal Pilihan Ganda Pilihlah satu jawaban yang benar!

1. Suatu gas ideal pada tekanan atmosfir p dan suhu 27C dimampatkan sampai volumenya setengah kali dari semula. Jika suhunya dilipatduakan menjadi 54C, berapakah tekanannya? a. 0,25 p b. 0,54 p c. 1 p d. 2 p e. 2,18 p 2. Pada hukum Boyle p V = k, k mempunyai dimensi : a. Daya b. Usaha c. Momentum linear d. Suhu e. Konstanta pegas 3. Rapat massa (perbandingan massa dan volume) suatu gas ideal pada suhu T dan tekanan p adalah . Jika tekanan gas tersebut dijadikan 2p dan suhunya diturunkan menjadi 0,5 T, maka rapat massa gas dalam keadaan terakhir adalah : a. 4 b. 2 c. 0,50 d. 0,25 e. 0,12 4. Suatu gas ideal pada 300 K dipanaskan pada volume tetap sehingga energi kinetis rata-rata dari molekul gas menjadi dua kali lipat. mana satu diantara pernyataan berikut yang tepat ? a. Kecepatan rms rata-rata dari molekul menjadi dua kali. b. Suhu berubah menjadi 600 K. c. Momentum rata-rata dari molekul menjadi dua kali. d. Suhu berubah menjadi 300 2 K e. Kecepatan rata-rata molekul menjadi dua kali. 5. Untuk melipatduakan kecepatan rms dari molekul-molekul dalam suatu gas ideal pada 300 K, suhu sebaiknya dinaikkan menjadi a. 327 K b. 424 K c. 600 K


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdd. 1200 K e. 90.000 K 6. Massa sebuah molekul nitrogen adalah empat belas kali massa sebuah molekul hydrogen. Dengan demikian molekul-molekul nitrogen pada suhu 294 K mempunyai laju rata-rata yang sama dengan molekul-molekul hydrogen pada suhu : a. 10,5 K b. 42 K c. 21 K d. 4116 K e. 2058 K 7. Suatu gas yang volumenya 0,5 m3 perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap hingga volumenya menjadi 2 m3. Jika usaha luar gas tersebut 3 x 105 joule, maka tekanan gas adalah a. 6 x 105 Nm-2 b. 2 x 105 Nm-2 c. 1,5 x 105 Nm-2 d. 6 x 105 Nm-2 e. 3 x 105 Nm-2 8. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa : a. Kalor tidak dapat masuk ke dalam dan ke luar dari suatu sistem b. Energi adalah kekal c. Energi dalam adalah kekal d. Suhu adalah tetap e. Sistem tidak mendapat usaha dari luar 9. Dua bejana A dan B volumenya sama berisi udara yang suhu dan massanya sama pula. Udara di dalam bejana A dipanaskan pada tekanan tetap sedangkan udara di dalam bejana B dipanaskan pada volume tetap. Jika jumlah kalor yang diberikan kepada bejana A dan B sama banyaknya maka : a. Kenaikan suhu udara di A dan di B sama b. Perubahan energi dalam di A dan di B sama c. Kenaikan suhu udara di A lebih kecil dari di B d. Kenaikan suhu udara di A lebih besar dari di B e. Salah semua 10. Sejumlah gas ideal dengan massa tertentu mengalami pemampatan secara adiabatic. Jika W adalah kerja yang dilakukan oleh sistem (gas) dan T adalah perubahan suhu dari sistem, maka berlaku keadaan a. W = 0, T > 0 b. W = 0, T < 0 c. W > 0, T = 0 d. W < 0, T = 0 e. W < 0, T = 0


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd11. Sebuah mesin Carnot bekerja di antara 2 reservoir bersuhu 527C dan 127C. Jika reservoir suhu tinggi diturunkan menjadi 227C, maka efisiensi pertama dan terakhir adalah ... a. 20% dan 30% b. 20% dan 40% c. 20% dan 50% d. 30% dan 50% e. 50% dan 20% 12. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi yang bersuhu 800K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, suhu reservoir suhu tinggi dinaikkan menjadi a. 900 K b. 960 K c. 1000 K d. 1180 K e. 1600 K 13. Gas ideal berada dalam tabung pada tekanan 4 atm, gas tersebut dipanaskan secara isotermik sehingga volumenya menyusut 20 %. Tekanannya mengalami perubahan sebesar. a. naik 20 % b. turun 20 % c. naik 25 % d. turun 25 % e. naik 80 % 14. Besar energi dalam 4 mol gas monoatomik pada suhu 127 C adalah.(R = 8,31 J/ mol K) a. 6,332 J b. 19,944 J c. 24,825 J d. 33,240 J e. 34,327 J 15. Agar kecepatan efektif partikel gas menjadi 3 kali semula, suhunya harus ditingkatkan menjadisemula. a. sama b. 1,5 x c. 6 x d. 9 x e. 12 x 16. Suatu tabung berisi gas ideal dimampatkan secara adiabatic. Pada proses ini berlaku. a. W < O dan T > O


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pdb. W < O dan T = O c. W > O dan T < O d. W = O dan T < O e. W > O dan T > O 17. Sejumlah gas berada dalam ruang tertutup volumenya 2,25 liter, tekanannya 1 atm dan suhunya 27 C, gas tersebut dipanaskan dengan tekanan tetap sehingga suhunya menjadi 127 C. Besar usaha yang dilakukan gas adalah.Joule. (1atm = 105 Pa) a. 40 b. 75 c. 160 d. 438 e. 833 18. Pada suhu tinggi besar tetapan Laplace untuk gas diatomic adalah. a. 1,28 b. 1,33 c. 1,4 d. 1,67 e. 1,8 19. Empat mol gas ideal diatomic dinaikkan suhunya dari 27 C menjadi 77 C. Pada volume tetap R = 8,31 J/mol K, kalor yang dibutuhkan pada proses tersebut sebesar. a. 1572 J b. 2050 J c. 2493 J d. 3725 J e. 4155 J 20. Suatu sistem menyerap kalor sebesar 200 J, dan pada saat yang samamelakukan usaha sebesar 125 J, maka pada system terjadi. a. kenaikan energi dalam 1,6 J b. penurunan energi dalam 1,6 J c. penurunan energi dalam 75 J d. kenaikan energi dalam 75 J e. kenaikan energa dalam 325 J 21. Sebuah tabung berisi gas monoatomik. Ke dalam tabung tersebut dipompakan gas yang sama sehingga tekanannya menjadi 3 x semula. Besarnya perubahan energi dalam gas tersebut seandainya suhunya tetap adalah. a. nol b. 1,5 x semula c. 3 x semula d. 6 x semula e. 9 x semula


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd22. Sebuah mesin carnot beroperasi pada suhu 47 C dan 127 C, menghasilkan usaha 1000 joule. Panas yang dibuang ke reservoir bersuhu rendah sebesar. a. 2000 J b. 3000 J c. 4000 J d. 5000 J e. 6000 J 23. Suhu dalam ruangan sebuah kulkas 17 C, sedangkan di luar 27 C, jika kalor yang diserap kulkas 5800 j/sekon, besar daya yang dibutuhkan adalah. a. 100 watt b. 150 watt c. 175 watt d. 200 watt e. 225 watt 24. Efisiensi suatu mesin carnot 65 %, reservoir suhu tingginya 727 C. Besar suhu reservoir yang lain adalah. a. 63 C b. 77 C c. 153 C d. 276 C e. 350 C 25. Koefisien daya guna suatu mesin pendingin adalah 7, jika temperatur reservoir yang bersuhu tingggi adalah 27 C, temperatur reservoir yang lain bersuhu. a. -0,5 C b. -4,74 C c. 22,3 C d. 40,35 C e. 69,9 C 26. Lewat sebuah iklan ditawarkan sebuah mesin yang bekerja pada reservoir tinggi bersuhu 500 oK dan suhu reservoir rendah 350 oK, sedangkan untuk menghasilkan usaha sebesar 104 joule diperlukan bahan bakar yang besarnya 3.104 joule, maka efisiensi mesin tersebut adalah a. 30 % b. 33 c. 42 d. 66 1 % 3 2 % 3 2 % 3

e. 70 % 27. Suatu mesin menyerap 150 kalori dari reservoir 400o K dan melepas 90 kalori ke reservoir bersuhu 200o K, maka efisiensi mesin tersebut adalah ...


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pda. 30 % b. 40 % c. 50 % d. 60 % e. 80 % Soal-soal Uraian Kerjakan soal-soal berikut dengan benar! 1.Gas sebanyak 2mol dengan cv = 12,6 J/mol 0K menjalani garis tertutup (1), (2) dan (3). Proses 2-3 berupa pemampatan isotermik. Hitunglah untuk tiap-tiap bagian garis tertutup itu :

a. Usaha oleh gas. b. Panas yang ditambahkan pada gas. c. Perubahan energi dalamnya. 2.Pada suatu prose tertentu diberikan panas sebanyak 500 kalori ke sistem yang bersangkutan dan pada waktu yang bersamaan dilakukan pula usaha mekanik sebesar 100 joule terhadap sistem tersebut. Berapakah tambahan energi dalamnya ? 3.Diagram di bawah ini menunjukkan tiga proses untuk suatu gas ideal, di titik 1 suhunya 600 0K dan tekanannya 16 x 105 Nm-2 sedangkan volumenya 10-3m3 . Dititik 2 volumenya 4 x 10-3m3 dari proses 1-2 dan 1-3 salah satu berupa proses isotermik dan yang lain adiabatik. = 1,5

a. Diantara proses 1-2 dan 1-3 yang manakah proses isotermik dan mana adiabatik ? Bagaimana kita dapat mengetahui ? b. Hitung tekanan di titik 2 dan 3 c. Hitung suhu dititik 2 dan 3 d. Hitung volumenya di titik 3 pada proses itu.


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd4.Pada permulaan 2 mol zat asam ( gas diatomik ) suhunya 270 c dan volumenya 0,02 m3. Gas disuruh mengembang secara isobaris sehingga volumenya menjadi dua kali lipat kemudian secara adiabatik hingga suhunya mencapai harga yang seperti permulaan lagi. R = 8,317 J/mol 0K. Tentukanlah : a. Berapakah banyaknya energi dalam totalnya ? b. Berapakah banyaknya panas yang ditambahkan ? c. Berapakah usaha yang dilakukan ? d. Berapakah volume pada akhir proses ? 5.Sebuah mesin pemanas menggerakkan gas ideal monoatomik sebenyak 0,1 mol menurut garis tertutup dalam diagram P-V pada gambar di bawah ini. Proses 2-3 adalah proses adiabatik.

a. Tentukanlah suhu dan tekanan pada titik 1,2 dan 3. b. Tentukanlah usaha total yang dilakukan gas. 6.Gas nitrogen BM 28 memenuhi persamaan gas ideal. Bila massa gas nitrogen tersebut 84 gr memuai isothermal pada suhu 27C dari volume 4.000 cm3 menjadi 8.000 cm3. Jika konstanta gas umum R = 3,2 . 107 erg/molK. Hitunglah usaha gas tersebut ! 7.Gas oksigen BM 32 massanya 0,5 kg menempati volume 8.000 cm3 pada temperatur 27 C. Tentukan usaha yang diperlukan untuk mengurangi volume menjadi 4.000 cm3, jika : a. proses berlangsung isobarik b. proses berlangsung isotermik 8.Udara dengan konstanta laplace 1,4 memuai adiabatik dari volume 500 cm3 menjadi 1.000 cm3. Mula-mula tekanan udara 2 atm, jumlah massa udara 1 gr, dan konstanta udara setiap mol R/n = 2,8 . 107 erg/gr. Berapakah penurunan suhu udara itu ? 9.1 mol gas suhunya 27C memuai adiabatik sehingga volumenya menjadi dua kali semula. R = 3,2 . 107 erg/molK dan konstanta laplace 1,4. Berapa usaha yang harus dilakukan ? 10.Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu dinginnya 27 C memiliki efisiensi 40 %. Jika efisiensinya dinaikkan menjadi 50 % berapa reservoir suhu tinggi harus dinaikkan? 11.Mesin pendingin ruangan menyerap kalor 5.000 J dalam waktu 1 detik. Jika suhu ruangan akan dipertahankan sebesar 20 C, sedang suhu lingkungan tempat pembuangan kalor adalah 28 C, tentukan daya listrik yang dibutuhkan!

Rangkuman


Drs. Pristiadi Utomo, M.Pd1. Hukum Boyle dirumuskan : p V = konstan (asal suhu tidak berubah) p1V2 = p2V2 2. Persamaan untuk gas ideal menjadi p V = nRT , R = 8,3144 joule/mol.K = 8,3144.103 Joule/Mol.K atau R = 0,0821 atm liter/mol.K . 3. Hukum Boyle-Gay Lussac dirumuskan: p1.V1 p 2 .V2 = T1 T2 4. Kecepatan bergerak tiap-tiap atom ditulis dengan bentuk persamaan : 3kT m k = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 joule/atom K vrms

=

5. Kecepatannya dapat ditulis juga dengan rumus sebagai berikut: 3RT M 6. Persamaan hukum I termodinamika dapat ditulis: vrms

=

Q = U + W

7. Usaha dalam proses isobarik: W = p.V 8. Usaha dalam proses isokhorik :W = 0 9. Usaha dalam proses isotermik: W = n RT 1n ( V2 ) V1

10. Usaha dalam proses adiabatik: W = 3/2 n.R.T 11. Daya guna /efisiensi mesin kalor : W x 100% atau Q1 Q1 x 100% x 100% atau

=

=1 Q2 =1 T2T1

12. Daya guna /efisiensi mesin pendingin:

=

W x 100% Q2

atau

= =

Q1 Q2 T1 T21

1 x 100%

atau

1 x 100%

13. Koefisien Performance mesin pendingin / koefisien daya guna sebagai berikut. K= K= K=

Q2 atau W Q2 Q1 Q2





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.


Documents

Fisika SMA-MA-SMK Kelas Xi Bab 8 Termodinamika