10/3/2014

1

Sistem Termodinamika

Kesetimbangan

KESETIMBANGAN MEKANIS: Tidak ada gaya ataupun torsi yang bekerja pada sebuah sistem, baik di luar maupun di dalamnya

KESETIMBANGAN KIMIA: Tidak ada perubahan spontan dari struktur internal zat (spt reaksi kimia) ataupun transfer material (spt difusi dan pelarutan ) dari bahan

KESETIMBANGAN TERMAL: Tidak ada pertukaran panas antara sistem dan dengan lingkungannya

KESETIMBANGAN TERMODINAMIK: Suatu kondisi dimana tidak ada kecenderungan untuk mengalami perubahan baik antara sistem maupun dengan lingkungannya. Dapat dijelaskan dengan menggunakan koordinat- koordinat termodinamik.

10/3/2014

2

KESETIMBANGAN TERMODINAMIK:

KOORDINAT TERMODINAMIK: Contoh koordinat untuk suatu gas dengan massa yang konstan dalam sebuah sistem adalah Tekanan (P), Volume (V) dan Suhu (T). Hanya dua dari koordinat ini yang dapat berubah

PERSAMAAN KEADAAN: Menyatakan hubungan matematis antara variabel2 atau koordinat2 dari sebuah sistem yang berada dalam kesetimbangan. Contohnya: PV = nRT (untuk gas ideal) (P+(a/v2))(v-b) = RT (gas Van der Wall)

10/3/2014

3

BATANG PARAMAGNETIK: Medan Magnetik H, diukur dalam ampere/meter (A/m) Magnetisasi M, diukur dalam ampere per meter kuadrat (A/m2) Suhu mutlak T, diukur dalam Kelvin (K)

TEKANAN HIDROSTATIK : Tekanan P, diukur dalam Newton/meter kuadrat (N/m2) Volume V, diukur dalam meter kubik (m3) Suhu mutlak T, diukur dalam Kelvin (K)

CONTOH SISTEM TERMODINAMIK:

CONTOH SISTEM TERMODINAMIK:

KAWAT TERENTANG: Tegangan kawat , diukur dalam Newton (N) Panjang kawat L, diukur dalam meter (m) Suhu mutlak T, diukur dalam Kelvin (K)

KEPING DIELEKTRIK: Medan listrik E, diukur dalam volt/meter (V/m) Polarisasi total P, diukur dalam Coulomb-meter (Cm) Suhu mutlak T, diukur dalam Kelvin (K)

10/3/2014

4

KOORDINAT INTENSIF DAN EKSTENSIF:

Sistem termodinamika yang setimbang jika dibagi menjadi dua bagian sama besar, masing-masing dengan massa yang sama Sifat-sifat sistem yang tetap sama disebut sebagai koordinat Intensif (tekanan). Sedangkan sifat-sifat yang berubah menjadi setengahnya disebut koordinat ekstensif (massa, volume, energi)

PERSAMAAN KEADAAN:

10/3/2014

5

PERSAMAAN MATEMATIS:

Jika dz adalah turunan eksak dari fungsi x dan y, maka dz dapat ditulis:

Jika terdapat hubungan fungsional antara ketiga koordinat x, y dan z seperti

f(x, y, z)=0 , maka dapat diturunkan dua buah teorema sbb:

y x

z zdz dx dy

x y

1zz

x y

y x

1

/z z

x

y y x

x xz

x y y

y z z

1

z yz

x y z

y x x

Contoh: Sebuah sistem hidrostatis (P, V, T)

Jika P adalah fungsi dari variabel V dan T atau ditulis P=f(T,V) atau P=f(V,T), maka:

Dari teorema kedua:

Oleh karena ekspansi volume dan kompresibilitas isotermal adalah:

Maka pada volume konstan

pada suhu konstan

T p

P PdP dV

T V

T P T

P V P

V T T

1

p

V

V T

1

T

V

V P

p

T

1dP dT dV

V

dP dT

1dP dV

V

10/3/2014

6

Kerja Kerja Internal Kerja yang dilakukan oleh bagian sistem disebut kerja Internal

Kerja Kerja Eksternal Kerja yang melibatkan interaksi antara sistem dengan lingkungannya disebut kerja eksternal. Jika sistem melakukan kerja eksternal, maka perubahan dapat dinyatakan oleh koordinat makroskopik.

Perjanjian Tanda Jika gaya eksternal meyebabkan perubahan pada sistem, maka kerja dikenakan pada sistem. Tandanya positif Jika gaya eksternal berlawanan dengan perubahan pada sistem, maka kerja dilakukan oleh sistem. Tandanya negatif

Proses Kuasistatik Dalam sebuah Kesetimbangan Termodinamik yang

sempurna, tidak ada pergerakan dan kerja yang terjadi Apabila terjadi suatu perubahan, misalnya kerja luar, maka

terbentuk suatu gaya yang tidak seimbang Gaya ini dapat membuat sistem menjadi tidak seimbang

dan melanggar kesetimbangan mekanis, kimia ataupun termal

Walaupun demikian, jika gaya ini dapat dibuat sangat kecil, maka sistem tetap dapat dijaga dalam kondisi mendekati kesetimbangan termodinamik. Proses ini disebut proses kuasistatik yang merupakan sebuah asumsi yang ideal.

Contohnya: Saat sebuah balon dilepas, maka balon tsb akan bergerak secara

rambang Bandingkan apa yang terjadi jika pada balon tersebut hanya

diberikan lubang yang sangat kecil

10/3/2014

7

Kerja pada Sistem Hidrostatis Misalkan sebuah sistem hidrostatis yang terdiri dari sebuah silinder yang dilengkapi dengan sebuah piston yang dapat bergerak yang menghubungkan antara sistem dengan lingkungannya

Apabila dV positif (sistem berekspansi), maka kerja bertanda negatif Aapabila dV negatif (sistem terkompresi), maka kerja bertanda positif

10/3/2014

8

Perubahan koordinat makroskopis, dari keadaan awal i ke keadaan akhir f dapat melewati beberapa lintasan, spserti i-f, i-a-f, i-b-f dan lain-lain Kerja yang dilakukan pada masing-masing lintasan tidak sama. Kerja tidak hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir, tapi juga tergantung pada lintasan yang diambil Ini berarti untuk sebuah proses kuasistatik kita tidak dapat langsung melakukan integerasi Kecuali P(V) diketahui untuk telah diketahui untuk lintasan tertentu

V f

iV

w PdV

Contoh Hitunglah kerja yang berlaku pada peristiwa kompresi 2 k mole gas ideal dari 4 m3 menjadi 1 m3 pada suhu konstan 0 oC. Jawab:

10/3/2014

9

Contoh 2: Hitung kerja yang diperlukan untuk menekan 100 kg batang tembaga dengan tekanan dari 0 sampai 1000 kali tekanan atmosfir pada suhu konstan 0 C. Tekanan atmosfir 1,013 x 10 Pa dan kompresibilitas isotermal baja adalah 7,16 x 10-12 Pa-2. Rapat massa tembaga adalah 8930 kg/m3.

10/3/2014

10

10/3/2014

11

Kalor adalah energi yang ditransfer antara sistem dengan lingkungannya yang ditandai dengan adanya perbedaan suhu saja

Kerja Adiabatis dalam sebuah sistem tertutup Keadaan sebuah sistem dapat berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir dengan melakukan kerja adiabatis saja

Jumlah lintasan yang dapat dilalui oleh sebuah sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir yang melakukan kerja adiabatis adalah tak berhinnga, seperti Lintasan I, II, III dan lain-lain

10/3/2014

12

Hukum Pertama Termodinamik Jika sebuah sistem berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir secara adiabatis, maka kerja yang dikenakan pada sistem tersebut sama untuk semua lintasan adiabatis yang menghubungkan kedua keadaan tersebut.

Bandingkan dengan: Fungsi energi potensial (dalam mekanika) Fungsi energi potensial listrik (dalam listrik magnet) Kemudian Fungsi energi internal (U), dimana Jika kerja positif dikenakan pada sistem, Uf > Ui Jadi untuk proses adiabatis kerja tidak tergantung pada lintasan

i f f iW U U

Fungsi Energi Internal: Fungsi energi internal (U), dapat dinyatakan dalam bentuk koordinat-koordinat termodinamik Untuk sistem termodinamik yang tertutup yang dapat dinyatakan dengan koordinat P, V, T. Fungsi energi internal dapat dinyatakan sebagai fungsi dari dua koordinat tersebut, seperti U (P,T) atau U (V,T). Bentuk eksak dari fungsi U sering tidak diketahui, tapi keberadaan fungsi tersebut dapat dibuktikan dari hasil eksperimen dengan kerja adiabatis

10/3/2014

13

HUKUM I TERMODINAMIKA: Dalam proses yang non-adiabatis seperti dalam sebuah proses diatermis, Kerja tidak selalu sama dengan Uf Ui Yang artinya terdapat energi yang dipindahkan dalam bentuk yang lain, bukan hanya dalam bentuk kerja saja yang disebut kalor, Q Jadi persamaan yang lebih lengkap untuk proses tersebut adalah

f iU U Q W

i f f iW U U

PRINSIP-PRINSIP YANG ADA DALAM HUKUM I : 1. Bukti tentang keberadaan

fungsi energi internal dari sistem

2. Adanya prinsip kekekalan energi

3. Definisi kalor sebagai energi yang dipindahkan dalam bentuk perbedaan suhu.

10/3/2014

14

Kapasitas Panas dan Pengukurannya: dU = dQ + dW Energi internal dapat berubah dalam bentuk kalor ataupun kerja. Apabila kalor diserap oleh sebuah sistem, suhu sistem tersebut dapat saja berubah ataupun tidak. Hubungan antara kalor dengan perubahan suhu sebuah sistem disebut kapasitas kalor. Walaupun istilah ini sebenarnya kurang tepat tapi masih banyak sekali digunakan. Yang tepatnya adalah kapasitas energi internal.

10/3/2014

15

PERSAMAAN UNTUK SEBUAH SISTEM HIDROSTATIS:

10/3/2014

16

10/3/2014

17

10/3/2014

18

10/3/2014

19