MODUL FISIKA SK.8 MENERAPKAN HUKUM TERMODINAMIKA · Web viewModul. Menerapkan Hukum TermodinamikaSMKN 34 2012. Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika. SMKN 34 2012. 19

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


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


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


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


- 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


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


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


• 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


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


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


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



Q = kalor, positif jika gas menyerap kalor dan

negative jika gas melepas kalor ( J )


Siklus Thermodinamika


Siklus Carnot






Efisiensi

atau

12

Q = W + ∆U


W = Q1 – Q2

Sehingga efisiensi dinyatakan




T2 = reservoir suhu rendah ( K )



13


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



Q = kalor, positif jika gas menyerap kalor dan negative jika gas melepas kalor ( J )


Siklus Thermodinamika


Siklus Carnot






15

System (gas)

Q>0

W<0

W>0

Q<0


Efisiensi

atau

W = Q1 – Q2

Sehingga efisiensi dinyatakan :




T2 = reservoir suhu rendah ( K )



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


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


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


19

Documents

MODUL FISIKA SK.8 MENERAPKAN HUKUM TERMODINAMIKA · Web viewModul. Menerapkan Hukum TermodinamikaSMKN 34 2012. Modul. Menerapkan Hukum Termodinamika. SMKN 34 2012. 19