View
2
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
Oleh : Atik Yuli Hastuty , S.Pd
MODUL FISIKA SK.8 MENERAPKAN HUKUM TERMODINAMIKA
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
Pendahuluan
A. Deskripsi
Dewasa ini manusia menggunakan energy dalam jumlah yang sangat besar. Energi ini sebagian besar berasal dari pembakaran bahan bakar fosil seperti: minyak bumi, batu bara, dan gas alam. Peggunaan energy dalam jumlah yang sangat besar ini dikawatirkan tidak sebanding dengan ditemukannya sumber- sumber energy yang ada. Untuk itu, harus ditemukan cara yang lebih efisien dalam menggunakan sumber- sumber energi yang ada. Penggunaan energi secara efisien harus konsisten dengan hokum- hokum alam, seperti hokum kekekalan energy. Hukum- hokum lain juga digunakan pada energy dalam bentuk kalor dan usaha.
Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari hokum- hokum dasar yang dipatuhi oleh kalor dan usaha. Hukum- hokum termodinamika memberikan pembatasan- pembatasan pada pemanfaataan energy dalam bentuk kalor dan usaha. Ada dua Hukum Termodinamika yaitu hokum pertama dan hokum kedua.
Satu aplikasi penting dari hokum kedua adalah studi tentang mesin kalor seperti mesin bensin pada mobil, dan prinsip- prinsip yang membatasi efisiensinya.
Kegiatan belajar ini hendaknya anda pelajari dan kuasai dalam waktu 8 jam pelajaran @45 menit. Selanjutnya mintalah evaluasi akhir kegiatan belajar yang harus anda kerjakan pada guru anda. Jika nilai anda belum mencapai nilai ketuntasan, maka pelajari kembali kegiatan belajar ini dengan seksamaa kemudian mintalah remedial test pada guru anda.
Setelah mempelajari kegiatan belajar ini Anda diharapkan dapat memahami konsep fluida secara utuh dan menyeluruh.
Bagaimana cara Anda mempelajari kegiatan belajar ini? Untuk lebih mudahnya ikuti petunjuk penggunaan kegiatan belajar ini.
B. Prasyarat
Sebelum Anda mempelajari tentang termodinamika terlebih dahulu anda menguasai suhu, kalor dan teori kinetic gas.
C. Petunjuk Penggunaan Modul
Petunjuk siswa dalam proses belajar dengan menggunakan kegiatan belajar ini:
1
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
1.Anda harus telah menguasai prasyarat agar dapat mempelajari kegiatan belajar ini dengan baik
2.Pastikan bila Anda membuka kegiatan belajar ini, Anda siap mempelajarinya minimal satu kegiatan hingga tuntas. Jangan terputus-putus atau berhenti di tengah-tengah kegiatan.
3. Pahamilah tujuan pembelajaran kegiatan belajar ini.4. Bacalah materi pada kegiatan belajar dengan cermat dan berikan tanda
pada setiap kata kunci pada setiap konsep yang dijelaskan.5. Perhatikalah langkah – langkah atau alur dalam setiap contoh penyelesaian
soal.6.Kerjakan latihan dan evaluasi ditiap akhir materi yang telah dipelajari serta
jangan melihat kunci jawaban sebelum anda selesai mengerjakan
7.Tandailah bagian-bagian yang belum anda pahami, kemudian diskusikan dengan teman atau tanyakan kepada guru atau orang yang anda anggap mampu
8.Bacalah referensi lain yang berhubungan dengan materi kegiatan belajar ini agar anda mendapatkan pengetahuan tambahan
9.Bila anda belum menguasai 70% dari tiap kegiatan, maka ulangi lagi langkah-langkah diatas dengan seksama dan lebih teliti.
10. Kerjakanlah Soal – soal Evaluasi Akhir.
Peran guru dalam proses belajar dengan menggunakan kegiatan belajar ini:
1.Membantu siswa dalam merencanakan proses belajar
2.Membimbing siswa melalui tugas-tugas pelatihan yang dijelaskan dalam tahap belajar
3.Membantu siswa dalam memahami konsep dan praktik pada kegiatan belajar
4.Mengorganisasikan kegiatan belajar sesuai dengan petunjuk kegiatan belajar
5.Memberikan evaluasi akhir kepada siswa, sebagai test ketuntasan siswa
6.Memberikan remedial bagi siswa yang belum mencapai Mastery Level (ketuntasan belajar).
D. Kompetensi yang diharapkan
Setelah mempelajari kegiatan ini, anda diharapkan dapat:1. Menguasai hukum termodinamika
2
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
2. Menggunakan hukum termodinamika dalam perhitungan
9.1 MENGUASAI HUKUM TERMODINAMIKA
A. Teori Kinetik Gas
Ciri-ciri gas ideal:
Gas terdiri dari molekul yang sangat banyak dan identik
3
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
Jarak anatar molekul gas jauh lebih besar daripada ukurannya Molekul-molekul bergerak secara acak dan memenuhi hukum Newton Tumbukan antar molekul gas lenting sempurna
Persamaan Gas ideal
- Hk. Boyle: Dalam suatu ruangan tertutup pada suhu tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.
- P.v = konstan- Untuk dua keadaan berlaku
- Hk. Charles: Dalam suatu ruangan tertutup pada tekanan tetap volume gas sebanding dengan suhu mutlaknya.
= konstan
- Untuk dua keadaan berlaku
- Persamaan umum gas ideal
- Jika diketahui tetapan umum gas ideal pada n mol gas berlaku:
atau
1 mol gas didefinisikan sebagai
- Akibat tekanan gas dalam ruangan, maka gas memiliki energi kinetik gas.
Besar energi kineyik rata-rata
4
P1.V1 = P2.V2
P.V = n.R.T P.V = n.k.T
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
- Keterangan:
P = tekanan gas ( Pa atau atm)
V = volume gas ( m3 atau lt )
T = suhu mutlak ( K )
R = konstanta umum gas
( 8,314 J/mol.K, Jika satuan P = Pa dan V = m3 )
( 0,082 lt.atm/mol.K, Jika satuan P = atm dan V = lt )
n = mol gas ( mol )
N = jumlah pertikel gas ( molekul )
NA = bilangan Avogadro ( 6,02 x 1023 molekul/mol)
m = massa molekul gas ( gram atau kg )
Mr = Massa atom relatif ( g/mol atau kg/kmol)
k = Tetapan Boltzman ( 1,38 x 10-23 J.K )
B. TERMODINAMIKA
Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari hokum- hokum dasar yang dipatuhi oleh kalor dan usaha. Hukum- hokum termodinamika memberikan pembatasan- pembatasan pada pemanfaatan energy dalam bentuk kalor dan usaha. Dalam termodinamika, kumpulan benda- benda yang kita perhatikan disebut system dan semua yang ada disekitar benda disebut lingkungan.
1. Usaha dan Beberapa Proses Thermodinamika
Usaha dalam proses thermodinamika adalah hasil perubahan volume gas pada tekanan tetap
Grafik P – V pada proses thermodinamika
5
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
Usaha = luas daerah yang dibatasi grafik
W = P (V2 – V1) atau W = P.∆V
W = usaha ( joule )
P = tekanan gas ( Pa atau N/m2)
V1, V2 = volume awal dan volume akhir gas (m3)
Proses-proses dalam Termodinamika
1. Isobarik
• Proses isobarik adalah proses prubahan keadaan gas pada tekanan tetap • Berlangsung pada tekanan tetap. • Pada diagram P-V, kurva proses isobarik adalah kurva mendatar. • Contoh: proses yang berlangsung dalam wadah yang dilengkapi sebuah
piston di bagian atasnya. Piston tersebut dapat bergerak. Piston tersebut mendapat tekanan dari udara luar (atmosfer) sehingga nilainya konstan. Dengan demikian, tekanan da lam gas juga konstan
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
V(m3)
P(Pa)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
V(m3)
P(Pa)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
2. Isotermal
• Proses isothermal adalah proses prubahan keadaan gas pada suhu tetap • Berlangsung pada suhu tetap. • Dengan menggunakan persamaan gas ideal, PV = nRT, maka P bebanding
terbalik dengan V
6
Selama proses ke kiri atau ke kanan, tekanan tidak berubah
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
3. Isokhorik
• Proses isokhorik adalah proses prubahan keadaan gas pada volume tetap • Berlangsung pada volum tetap. • Pada diagram P-V, kurva proses isokhorik adalah kurva tegak • Contoh: proses yang berlangsung pada gas dalam wadah tertutup yang
volumnya tidak berubah selama proses berlangsung
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa) (P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa) (P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
(P1,V1,T1)
(P2,V2,T2)
V(m3)
P(Pa)
4. Adiabatik
• Proses adiabatik adalah proses prubahan keadaan dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (gas)
• Tidak terjadi pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan
7
(P1 ,V1 ,T1)
(P2 ,V2 ,T1)
V(m3)
P(Pa)
(P3 ,V3 ,T3)
(P4 ,V4 ,T3)
(P1 ,V1 ,T1)
(P2 ,V2 ,T1)
V(m3)
P(Pa)
(P3 ,V3 ,T3)
(P4 ,V4 ,T3)
Suhu semua titik pada masing-masing kurva di atas konstan
Selama proses ke atas atau ke bawah, volum tidak berubah
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
• Dapat terjadi jika sistem dan lingkungan dibatasi oleh sekat yang tidak dapat dilalui kalor
• Contoh sekat yang sulit ditembus kalor adalah dinding termos air panas
Dinding termos mendekati diding adiabatik
2. Hukum pertama Thermodinamika
Jika sejumlah gas menyerap atau melepaskan kalor, maka pada saat itu gas akan melakukan atau menerima usaha sehingga akan terjadi perubahan energi dalam
∆U = Perubahan energy dalam ( J )
Q = kalor, positif jika gas menyerap kalor dan negative jika gas melepas kalor ( J )
W = Usaha, Positif jika gas melakukan usaha dan negative Jika gas menerima usaha ( J )
3. Siklus Thermodinamika
8
System (gas)
Q>0
W<0
W>0
Q<0
Q = W + ∆U
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
Siklus adalah suatu keadaan dimana proses perubahan gas kembali ke keadaan semula
Siklus Carnot
Keterangan siklus carnot
• AB = gas memuai secara isotermis, sehingga gas menyerap kalor dengan suhu T1
• BC = gas memuai secara adiabatic, gas melakukan usaha sehingga suhunya turun menjadi T2
• CD = gas memampat secara isotermis, sehingga gas melepaskan kalor
• DA = gas memampat secara adiabatic, sehingga gas menerima usaha dan suhunya naik kembali menjadi T1
Efisiensi Carnot
atau
W = Q1 – Q2
Sehingga efisiensi dinyatakan :
η = efisiensi mesin carnot ( % )
W = usaha yang dilakukan mesin carnot ( J )
T1 = recervoir suhu tinggi ( K )
T2 = reservoir suhu rendah ( K ) 9
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
Q1 = kalor yang diserap mesin ( J )
Q2 = kalor yang di lepas mesin ( J )
1. Pada diagram P = V, dapat digambarkan empat proses perubahan keadaan gas. Tuliskan empat proses tersebut!
2. Suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap disebut…
3. Suatu proses perubahan keadaan gas dimana tidak ada kalor yang masuk kea tau keluar dari system disebut proses…
4. Tuliskan Hukum Pertama Termodinamika!
5. Tuliskan Hukum Kedua Termodinamika!
Ciri-ciri gas ideal:
Gas terdiri dari molekul yang sangat banyak dan identik Jarak anatar molekul gas jauh lebih besar daripada ukurannya Molekul-molekul bergerak secara acak dan memenuhi hukum Newton Tumbukan antar molekul gas lenting sempurna
Persamaan umum gas ideal
Thermodinamika adalah ilmu yang mempelajari kalor dan usaha yang ditimbulaknnya
Sistem adalah segala sesuatu yang menjadi pusat perhatian (gas)
Lingkungan adalah segala sesuatu yang mempengaruhi keadaan suatu sistem
Usaha dan Beberapa Proses Thermodinamika10
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
Usaha dalam proses thermodinamika adalah hasil perubahan volume gas pada tekanan tetap
Grafik P – V pada proses thermodinamika
Usaha = luas daerah yang dibatasi grafik
W = P (V2 – V1) atau W = P.∆V
W = usaha ( joule )
P = tekanan gas ( Pa atau N/m2)
V1, V2 = volume awal dan volume akhir gas (m3)
Proses-proses dalam Termodinamika
• Proses isobarik adalah proses prubahan keadaan gas pada tekanan tetap • Proses isothermal adalah proses prubahan keadaan gas pada suhu tetap • Proses isokhorik adalah proses prubahan keadaan gas pada volume tetap • Proses adiabatik adalah proses prubahan keadaan dimana tidak ada kalor
yang masuk atau keluar dari sistem (gas)
Hukum pertama Thermodinamika
Jika sejumlah gas menyerap atau melepaskan kalor, maka pada saat itu gas akan melakukan atau menerima usaha sehingga akan terjadi perubahan energi dalam
11
System (gas)
Q>0
W<0
W>0
Q<0
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
∆U = Perubahan energy dalam ( J )
Q = kalor, positif jika gas menyerap kalor dan
negative jika gas melepas kalor ( J )
W = Usaha, Positif jika gas melakukan usaha dan negative Jika gas menerima usaha ( J )
Siklus Thermodinamika
Siklus adalah suatu keadaan dimana proses perubahan gas kembali ke keadaan semula
Siklus Carnot
Keterangan siklus carnot
• AB = gas memuai secara isotermis, sehingga gas menyerap kalor dengan suhu T1
• BC = gas memuai secara adiabatic, gas melakukan usaha sehingga suhunya turun menjadi T2
• CD = gas memampat secara isotermis, sehingga gas melepaskan kalor
• DA = gas memampat secara adiabatic, sehingga gas menerima usaha dan suhunya naik kembali menjadi T1
Efisiensi
atau
12
Q = W + ∆U
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
W = Q1 – Q2
Sehingga efisiensi dinyatakan
η = efisiensi mesin carnot ( % )
W = usaha yang dilakukan mesin carnot ( J )
T1 = recervoir suhu tinggi ( K )
T2 = reservoir suhu rendah ( K )
Q1 = kalor yang diserap mesin ( J )
Q2 = kalor yang di lepas mesin ( J )
13
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
9.2 MENGGUNAKAN HUKUM TERMODINAMIKA DALAM PERHITUNGAN
Persamaan Gas ideal
Hk. Boyle: Dalam suatu ruangan tertutup pada suhu tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.
P.v = konstan
Untuk dua keadaan berlaku
Hk. Charles: Dalam suatu ruangan tertutup pada tekanan tetap volume gas sebanding dengan suhu mutlaknya.
= konstan
Untuk dua keadaan berlaku
Persamaan umum gas ideal
Hukum pertama Thermodinamika
14
P1.V1 = P2.V2
Q = W + ∆U
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
∆U = Perubahan energy dalam ( J )
Q = kalor, positif jika gas menyerap kalor dan negative jika gas melepas kalor ( J )
W = Usaha, Positif jika gas melakukan usaha dan negative Jika gas menerima usaha ( J )
Siklus Thermodinamika
Siklus adalah suatu keadaan dimana proses perubahan gas kembali ke keadaan semula
Siklus Carnot
Keterangan siklus carnot
• AB = gas memuai secara isotermis, sehingga gas menyerap kalor dengan suhu T1
• BC = gas memuai secara adiabatic, gas melakukan usaha sehingga suhunya turun menjadi T2
• CD = gas memampat secara isotermis, sehingga gas melepaskan kalor
• DA = gas memampat secara adiabatic, sehingga gas menerima usaha dan suhunya naik kembali menjadi T1
15
System (gas)
Q>0
W<0
W>0
Q<0
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
Efisiensi
atau
W = Q1 – Q2
Sehingga efisiensi dinyatakan :
η = efisiensi mesin carnot ( % )
W = usaha yang dilakukan mesin carnot ( J )
T1 = recervoir suhu tinggi ( K )
T2 = reservoir suhu rendah ( K )
Q1 = kalor yang diserap mesin ( J )
Q2 = kalor yang di lepas mesin ( J )
1. Suatu jenis gas menempati volume 700 cm3 pada 370C pada tekanan tetap. Bila suhu dinaikkan 570C, maka volume gas pada keadaan akhir adalah…
Dik : V1 = 700 cm3
T1 = 370C
T2 = 570C
Dit : V2?
Jwb :
16
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
70037 = V 2
57
V2 = 1078,38 cm3
2. Suatu system menyerap 16.800 J dari lingkungan dan melakukan kerja sebesar 2.400 J terhadap lingkungannya. Perubahan energy dalam system sebesar…
Dik : Q = + 16.800 J
W = + 2.400 J
Dit : ∆U?
Jwb:
∆U = Q – W
= 16.800 J – 2.400 J
= 14.400 J
3. Sebuah mesin panas menyerap panas 200 J dari tandon panas, kemudian melakukan usaha dan membuang 150 J panas ke tendon dingin. Berapa efisiensi mesin tersebut?
Dik : Q1 = 200 J
Q2 = 150 J
Dit : η?
Jwb :
η = ( 1 – Q2Q1 ) X 100 %
= ( 1 - 150200 ) X 100 %
= 25 %
17
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
1. Dalam sebuah ruangan tertutup berisi gas dengan volume 2,5 lt dan tekanannya 0,18 atm, jika pada suhu konstan tekanannya dijadikan 0,75 atm, hitung volume gas sekarang.
2. Volume gas pada suhu 270c sebesar 600 cm3, hitung volume gas sekarang jika pada tekanan tetap suhunya dinaikkan menjadi 1270c
3. 2 liter gas pada suhu 1270c tekannaya 1 atm dimampatkan hingga volumenya menjadi 1 liter dan dipanaskan hingga suhunya menjadi 2270c. Hitung tekanan gas sekarang
4. Hitung perubahan energi dalam pada sejumlah gas jika
a. Menyerap kalor 1500 J dan melakukan usaha 300 J
b. Menyerap kalor 400 kalori dan menerima usaha 1200 kalori
5. Sebuah mesin carnot menyerap kalor 5000 J sehingga melakukan usaha 3000 J. Tentukan:
a. Efisiensi mesin
b. Kalor yang dilepaskan
18
Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika SMKN 34 2012
19
Recommended