Contoh contoh hukum termodinamika

  1. Hukum ini diterapkan pada gas, khususnya gas ideal

    PV = n R T

    P . DV + -V . DP = n R DT

  2. Energi adalah kekal, jika diperhitungkan semua bentuk energi yang timbul.

  3. Usaha tidak diperoleh jika tidak diberi energi dari luar.

  4. Dalam suatu sistem berlaku persamaan termodinamika I:

    D
    Q = DU+ DW


    D
    Q = kalor yang diserap
    DU = perubanan energi dalam
    DW = usaha (kerja) luar yang dilakukan

DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT DIJABARKAN:

  1. Pada proses isobarik (tekanan tetap) ® DP = 0; sehingga,

    D
    W = P . DV = P (V2 - V1) ® P. DV = n .R DT

    DQ = n . Cp . DT ® maka Cp = 5/2 R (kalor jenis pada tekanan tetap)
    DU-= 3/2 n . R . DT

  2. Pada proses isokhorik (Volume tetap) ® DV =O; sehingga,

    DW = 0 ® DQ = DU

    DQ = n . Cv . DT ® maka Cv = 3/2 R (kalor jenis pada volume tetap)
    AU = 3/2 n . R . DT


  3. Pada proses isotermik (temperatur tetap): ® DT = 0 ;sehingga,

    DU = 0 ® DQ = DW = nRT ln (V2/V1)

  4. Pada proses adiabatik (tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan sekelilingnya) ® DQ = 0 Berlaku hubungan::

    PVg = konstan ® g = Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace


  5. Cara lain untuk menghitung usaha adalah menghitung luas daerah di bawah garis proses.


    Gbr. Isobarik
    Gbr. Isotermik
    Gbr. Adiabatik

    Usaha pada proses a ® b adalah luas abb*a*a

    Perhatikan perbedaan grafik isotermik dan adiabatik ® penurunan adiabatik lebih curam dan mengikuti persamaan PVg= C.

    Jadi:
    1. jika DP > DV, maka grafik adiabatik.
    2. jika DP = DV, maka grafik isotermik.
Catatan:

  • Jika sistem menerima panas, maka sistem akan melakukan kerja dan energi akan naik. Sehingga DQ, DW ® (+).




  • Jika sistem menerima kerja, maka sistem akan mengeluarkan panas dan energi dalam akan turun. Sehingga DQ, DW ® (-).





    1. Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energi dalam (U) gas adalah

      U = Ek = 3/2 nRT ® g
      = 1,67

    2. Untuk gas diatomik (H2, N2, dll), energi dalam (U) gas adalah

      Suhu rendah
      (T £ 100ºK)


      U = Ek = 3/2 nRT ® g = 1,67 ® Cp-CV=R

      Suhu sedang

      U = Ek =5/2 nRT ® g = 1,67
      Suhu tinggi
      (T > 5000ºK)


      U = Ek = 7/2 nRT ® g = 1,67

      Tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerja secara terus-menerus serta rnengubah semua kalor yang diserap menjadi usaha mekanis.
      T1 > T2, maka usaha mekanis:
      W = Q1 - Q2
      h = W/Q1 = 1 - Q2/Q1 = 1 - T2/T1

      T1 = reservoir suhu tinggi
      T2 = reservoir suhu rendah
      Q1 = kalor yang masuk

      Q2 =kalor yang dilepas
      W = usaha yang dilakukan
      h = efesiensi mesin

      Untuk mesin pendingin:

      h = W/Q2 = Q1/Q2 -1 = T1/T2 - 1

      Koefisien Kinerja
      = 1/h

      Mesin Carnot
      Fisika Kelas 1 > Teori Kinetik Zat
      287
      Dalil :
      Dari semua motor yang bekerja dengan menyerap kalor dari reservoir T1 dan melepaskan kalor pada reservoir T2 tidak ada yang lebih efisien dari motor Carnot.
      BC ; DA = adiabatik
      AB ; CD = isotermik

      Mesin Carnot terdiri atas 4 proses, yaitu 2 proses adiabatik dan 2 proses isotermik. Kebalikan dari mesin Carnot merupakan mesin pendingin atau lemari es. Mesin Carnot hanya merupakan siklus teoritik saja, dalam praktek biasanya digunakan siklus Otto untuk motor bakar (terdiri dari 2 proses adiabatik dan 2 proses isokhorik) dan siklus diesel untuk mesin diesel (terdiri dari 2 proses adiabatik, 1 proses isobarik dan 1 proses isokhorik).
      Contoh:
      1. Selama proses isokhorik (v = 1 m3), gas menerima kalor 1000 kalori sehingga tekanan berubah sebesar 814 N/m2. Hitunglah perubahan energi dalam gas selama proses tersebut ?
      Jawab:
      Proses isokhorik: DV = 0 sehingga DW = P . DV = 0
      DQ = DU + DW ® 1000 = DU + 0
      Jadi perubahan energi dalam gas = 1000 kalori =1000 x 4.186 J = 4186J

      2. Gas diatomik pada suhu sedang 200ºC dan tekanan 105 N/m2 bervolume 4 lt. Gas mengalami proses isobarik sehingga volumenya 6 liter kemudian proses isokhorik sehingga tekanannya 1.2 x 105 N/m2. Berapakah besar perubahan energi dalam gas selama proses tersebut ?
      Jawab:
      PV = n R T ® P DV + V DP = n R DT
      Proses A - B (DP = 0):
      P DV = n R DT = 105 . 2.10-3 = 200 J
      DUBC = 5/2 n R DT = 500 J (diatomik 200ºC)
      Proses :B - C (DV = 0):
      V DP = n R DT = 6.10-3.0,2. 105 = 1120 J
      DUBC = 5/2 n R DT = 300 J (diatomik 200ºC)

      Jadi DU total = DUAB + DUBC = 800 J
      3. Bila suatu gas dimampatkan secara isotermik maka tentukanlah tekanan, energi dalam danusaha yang dilakukan oleh gas!
      Jawab:
      Gas dimampatkan berarti volume gas bertambah kecil (AV < face="Symbol">DT = 0
      Jadi: PV = C ® P = C/V
      Karena volume gas bertambah kecil maka tekanan gas akan bertambah besar. Kenaikan tekanan gas ini disebabkan oleh makin seringnya molekul-molekul gas menumbuk dinding tempatnya (jarak tempuh molekul gas makin pendek) bukan karena kecepatannya yang bertambah.
      DU=3/2 n R DT
      Karena proses isotermik (DT= 0), maka perubahan energi dalam sama dengan nol (DU - 0). Berarti energi dalam gas tidak berubah.
      DQ = DU + DW ® DW = P DV
      Karena DU = 0 maka DQ = DW, berarti kalor yang diserap gas seluruhnya diubah menjadi usaha gas.
      Karena volume gas bertambah kecil (DV < face="Symbol">DW <>
      3. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi sebesar 1000ºK mempunyai efisiensi sebesar 50%. Agar efesiensinya naik menjadi 60%, berapakah reservoir suhu tinggi harus dinaikkan ?
      Jawab:
      h = 1-T2/T1 ® 0,5 = 1 T2/1000 ® T2 = 500ºK
      Apabila efesiensinya dijadikan 60% (dengan T2 tetap), maka
      h = 1 - T2/T1 ® 0,6 =1 - 500/T2 ® T1= 12.50 ºK