TERMODINAMIKA

Pertemuan 2

Hukum 1 Termodinamika

1. Bunyi Hukum 1 Termodinamika

2. Perubahan Energi Dalam ∆U

3. Hukum 1 Termodinamika pada Proses-proses Termodinamika

4. Kapasitas Kalor

Hukum 1 Termodinamika

• Bunyi Hukum 1 Termodinamika

“Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka selisih energi Q-W sama dengan perubahan energi dalam ∆U dari sistem:

∆U = U2 – U1 = Q – W atau Q = ∆U + W

Perjanjian Tanda untuk Q dan W

• Kalor Q

-Jika sistem menerima kalor, Q (+)

-Jika sistem melepas kalor, Q (-)

• Usaha W

-Jika sistem melakukan usaha, W (+)

-Jika sistem menerima usaha, W (-)

SISTEM

Q (+) W (+)

Q (-) W (-)

Perubahan Energi Dalam ∆U

• Energi dalam suatu gas merupakan ukuran langsung dari suhu.

• Perubahan energi dalam ∆U hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir, tidak tergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah.

Perubahan Energi Dalam

• Untuk gas monoatomik dengan f = 3, perubahan energi dalam ∆U:

∆U = U2 – U1 = 3/2 N k (T2 – T1 ) = 3/2 N k ∆T

∆U = U2 – U1 = 3/2 n R (T2 – T1 ) = 3/2 n R ∆T

∆U = U2 – U1 = 3/2 (P2 V2- P1 V1) = 3/2 (∆PV)

Untuk gas diatomik dan poliatomik f = 3 diganti dengan derajat kebebasan yang dimiliki gas tersebut.

Contoh Soal 1

• Suatu sistem menyerap kalor Q dari lingkungan sebesar 1500 J. Tentukanlah perubahan energi dalam ∆U bila:

a. Sistem melakukan usaha 2200 J terhadap lingkungan

b. Lingkungan melakukan usaha 2200 J terhadap sistem

Penyelesaian:

a. Sesuai perjanjian tanda, maka Q = +1500 J (sistem menerima kalor)

W = +2200 J (sistem melakukan usaha)

Hukum 1 Termodinamika:

∆U = Q – W = 1500 – 2200 = -700 J

Tanda negatif (-) untuk ∆U berarti energi dalam sistem berkurang sebesar 700 J.

b. W = - 2200 J

(sistem menerima usaha dari lingkungan)

Sehingga:

∆U = Q – W

= 1500 – (-2200)

= + 3700 J

Tanda positif untuk ∆U berarti energi dalam sistem bertambah sebesar 3700 J.

Contoh Soal 2Sejumlah gas mengalami siklus A-B-C-D-A. suhu di titik C = 400 K. Tentukan:

a. Suhu di titik A

b. Usaha yang dilakukan gas

c. Perubahan energi dalam

d. Kalor yang diserap setiap siklus

Hukum 1 Termodinamika pada Proses-proses Termodinamika

• Proses Isotermal

∆T = O

Sehingga ∆U = 3/2 nR(∆T) = O

Maka

Q = ∆U + W = O + W = W

Q = W = nRT ln V2 / V1Persamaan tersebut menyatakan bahwa kalor yang diberikan kepada suatu sistem pada suhu tetap seluruhnya digunakan untuk melakukan usaha luar.

• Proses Isokhorik

∆V = O

W = P (∆V) = O

∆U = 3/2 nR (∆T)

Sehingga,

Q = ∆U + W = ∆U + O = ∆U

Q = ∆U = 3/2 nR (∆T)

Persamaan tersebut menyatakan bahwa kalor yang diberikan kepada suatu sistem pada volume tetap seluruhnya digunakan untuk menaikkan energi dalam sistem.

• Proses Isobarik

Pada proses isobarik tidak terjadi perubahan tekanan. Penerapan hukum 1 termodinamika menghasilkan:

Q = ∆U + W

= ∆U + P (∆V)

= 3/2 n R (∆T) + P (∆V)

• Proses Adiabatik

Q = O

∆U = 3/2 nR (∆T) = 3/2 nR (T2 – T1)

Penerapan hukum 1 termodinamika:

Q = ∆U + W

O = 3/2 nR (T2 – T1) + W

W = - ∆U

W = - 3/2 nR (T2 – T1)

Contoh Soal• Sejumlah gas pada tekanan 3 x 105 Pa,

suhu 300 K, dan volume 5 m3. Gas tersebut mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya menjadi 5 x 105 Pa. Setelah itu, gas mengalami proses isobarik (pada tekanan 5 x 105 Pa sehingga volumenya menjadi 8 m3 .

a. Buatlah diagram pV

b. Tentukan suhu akhir gas, usaha total, kalor total, dan perubahan energi di dalamnya!

Penyelesaian:Diketahui:

• Keadaan awal:

P1 = 3 x 105 Pa

T1 = 300 K

V1 = 5 m3

• Proses isokhorik:

P2 = 5 x 105 Pa

V2 = V1

• Proses isobarik:

V3 = 8 m3

P3 = P2

Kapasitas Kalor• Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor

yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1 kelvin.

• Secara matematis ditulis:

atau

Kapasitas kalor untuk gas ada dua macam, yaitu untuk volume tetap (CV) dan untuk tekanan tetap (CP).

a. Kapasitas kalor untuk proses isokhorik:

atau

Sehingga:

b. Kapasitas kalor untuk proses isobarik

Sehingga diperoleh persamaan:

Besar volume tetap (CV) dan tekanan tetap (CP) untuk gas diatomik adalah sebagai berikut:

Pada suhu rendah (±250 K)

Pada suhu sedang (±500 K)

Pada suhu sedang (±1000 K)