Usaha dan Proses dalam Termodinamika

Hukum I Termodinamika

Siklus Termodinamika

Hukum II Termodinamika

Yang akan dipelajari dalam pertemuan 1 yaitu:

Usaha dan Proses dalam Termodinamika

1. Usaha Sistem pada Lingkungannya

2. Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika

Termodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang temperatur, panas, dan pertukaran energi.

Dalam termodinamika, kumpulan benda-benda yang kita perhatikan disebut dengan sistem.

Sedangkan semua yang ada di sekitar benda (sistem) disebut dengan lingkungan.

Perhatikan gambar di samping!

Suatu sistem berupa gas dalam suatu silinder yang dilengkapi tutup sebuah piston yang bebas bergerak.

Usaha yang dilakukan oleh sistem sehubungan dengan perubahan volume gas dapat dirumuskan berikut ini.

Piston yang mempunyai luas penampang A dan tekanan gas p menghasilkan gaya yang mendorong piston sebesar

F = p A

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

dW = F dx

= p A dx

= p dV

Sehingga,

W = p (V2 – V1 )

Usaha yang dilakukan oleh gas (sistem) sering disebut usaha luar. Apabila diagram pV diketahui, usaha luar akan lebih sederhana ditentukan secara grafik yaitu dengan menentukan luas area di bawah kurva pada diagram tersebut.

Untuk tekanan p yang positif, usaha W akan positif bila gas memuai (V2 > V1 ) atau arah lintasan proses ke kanan.

Perhatikan gambar 1.a!

Sebaliknya, usaha W akan negatif bila gas memampat (V2 < V1 ) atau arah lintasan proses ke arah kiri.

Perhatikan gambar 1.b!

Suatu gas dalam wadah silinder tertutup mengalami proses seperti pada gambar di samping. Tentukan usaha yang dilakukan oleh gas pada:

a. proses AB

b. Proses BC

c. proses CA

d. Keseluruhan proses ABCA

a. Usaha dari A ke B sama dengan luas ABDE dan bertanda positif karena arah proses ke kanan

(VB > VA ).

WAB = luas ABDE = AB x BD

= (100-25) L x (300 kPa)

= (75 x 10-3 m3) (300 x 103 Pa)

= 22.500 J

b. Usaha dari B ke C sama dengan negatif luas BCED karena arah proses ke kiri (VC < VB ).

WBC = - luas BCDE = - ½ (CE + BD) ED

= - ½ (100+300) kPa x (100-25) L

= - ½ (400 x 103 Pa) (75 x 10-3 m3)

= -15 000 J = -15 kJ

c. Usaha dari CA sama dengan nol karena CA dengan sumbu V tidak membentuk bidang (luasnya = 0).

d. Usaha keseluruhan proses (ABCA) sama dengan usaha proses AB + usaha proses BC + usaha proses CA

WABCA = 22 500 – 15 000 + 0 = 7500 J

1. Sebuah silinder berpiston yang volumenya V diisi udara dari tabung kompresor, sehingga volumenya menjadi 2V. Berapa usaha yang dilakukan gas pada tekanan tetap?

2. Tentukan usaha yang dilakukan oleh gas untuk proses AB sesuai dengan diagram PV berikut.

P (Pa)

V (dm3)

12

10

200 500

Ada beberapa proses yang kita kenal sehubungan dengan usaha yang dilakukan oleh gas berkaitan dengan perubahan suhu, volume, tekanan, dan energi dalam gas. Proses tersebut meliputi:

1. proses isotermal

2. proses isokhorik

3. proses isobarik

4. proses adiabatik

Proses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistem pada suhu tetap.

Proses ini mengikuti hukum Boyle, yaitu: PV = konstan.

PV = n R T

P = n R T / V

Sehingga,

1

2lnV

VnRTWisotermis

Proses Isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap.

Karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan nol.

W = P (∆V) = P (0) = 0

Proses isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap.

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

W = P (∆V)

= P (V2 – V1 )

Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya kalor yang masuk ke sistem atau keluar dari sistem (gas), yaitu Q = 0.

Pada proses adiabatik terjadi perubahan suhu, tekanan, dan volume.

Kurva adiabatik lebih curam dibandingkan kurva isotermal.

Proses ini mengikuti rumus Poisson sebagai berikut.

PVγ = tetap atau P1 V1γ = P2 V2

γ

TV(γ-1) = tetap atau T1 V1(γ-1) = T2 V2

(γ-1)

dengan γ > 1 yang merupakan perbandingan kapasitas kalor gas pada tekanan tetap Cp dan kapasitas kalor gas pada volume tetap Cv .

Besaran γ disebut konstanta Laplace.

γ = Cp / CV

• Besarnya usaha pada proses adiabatik yaitu

Suatu sistem berupa 0,12 mol gas ideal dihubungkan dengan reservoir termal untuk menjaga suhu konstan (isotermal) pada 9,80 C. Sistem memiliki volume awal 1,3 L dan melakukan usaha W = 14 J. Hitunglah:

a. volume akhir

b. Tekanan akhir

(Jawaban: a. 1,4 L; b. 2 atm)

Sejumlah udara berekspansi secara adiabatik dari tekanan awal 2 atm dan volume awal 2 liter pada temperatur 200 C menjadi dua kali volume awalnya. Diketahui nilai γ = 1,4. Hitunglah:

a. tekanan akhir

b. Temperatur akhir

c. usaha yang dilakukan

(Jawaban: a.0,758 atm; b.222 K = -51o C; c.245 J)