Termodinamika - Hukum Pertama Termodinamika

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Makalah Ini Untuk Memenuhi Tugas Mata Kuliah Termodinamika Yang Dibimbing Oleh Supri Jayadi S.Pd

Di Susun Oleh : Kelompok 3

KHUSILA ZULHADI 

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS SAMAWA

SUMBAWA

2013

KATA PENGANTAR

           Puja dan puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas segala rahmat dan karunia-Nya sehingga makalah ini dapat terselesaikan tepat waktu. Makalah tentang ”Hukum Termodinamika I“ ini diajukan guna memenuhi tugas mata kuliah Termodinamika.        

           Ucapan terimakasih pula kami sampaikan kepada pihak-pihak yang telah membantu dalam penyelesaian makalah ini. Khususnya kepada teman-teman yang telah meluangkan waktu dan pikirannya, baik yang berupa motivasi maupun masukan-masukan guna kesempurnaan makalah ini.

           Penulis menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari sempuna. Oleh Karena itu, kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat penulis harapkan. Akhir kata, semoga makalah ini bermanfaat bagi kita semua.

Sumbawa Besar, ... Maret 2013

Penyusun

 

 

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.            Latar Belakang

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani: thermos = panas and dynamic = perubahan, dengan kata lain termodinamika adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal. Jadi, secara kompleks termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja.

Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara  alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu, energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat   dimusnahkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi  dari  satu  bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya dengan hukum–hukum dasar pada termodinamika. Dalam makalah ini kami akan membahas tentang hukum pertama termodinamika dan kapasitas kalor gas. Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecuali perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan.

1.2.            Rumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, maka yang menjadi rumusan masalah dalam makalah ini adalah:

1.                Apa pengertian energi dalam dan pernyataan hukum pertama termodinamika?

2.                Apa pengertian kapasitas kalor gas?

3.                Bagaimana proses Eksternal Work (Kerja Luar) ?

1.3.            Tujuan

Berdasarkan rumusan masalah yang telah dikemukakan di atas, maka tujuan yang ingin dicapai dalam makalah ini adalah :

1.      Mengetahui pengertian energi dalam dan pernyataan hukum pertama termodinamika

2.      Mengetahui pengertian kapasitas kalor gas

3.      Mengetahui proses eksternal work

 

BAB II

PEMBAHASAN

2.1.    Energi Dalam Dan Pernyataan Hukum Pertama Termodinamika

Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju sistem. 

Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak)… Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.

Ketika suatu benda sedang bergerak maka benda tersebut memiliki energi kinetik dan berdasarkan energi kinetik ini benda dapat melakukan usaha. Serupa dengan itu, benda yang berada pada pada ketinggian tertentu dari suatu acuan memiliki energi potensial dan berdasarkan energi potensial ini benda juga dapat melakukan usaha. Kedua macam energi ini disebut energi luar  (eksternal energi). Sebagai tambahan terhadap energi luar ini setap benda memiliki memiliki energi yang tidak nampak dari luar, energi ini disebut energi dalam.

Dari sudut pandang termodinamika, energi dalam (internal energy) didefinisikan suatu sistem sebagai jumlah energi kinetik seluruh partikel penyusunnya, ditambah jumlah seluruh energi potensial dari interaksi antara seluruh partikel itu. Energi dalam merupakan fungsi keadaan sistem, jika keadaan sistem berubah maka energi dalam juga berubah tetapi energi dalam tidak tergantung pada lintasan yang ditempuh sistem untuk perubahan keadaan tersebut. Selama terjadi perubahan suatu sistem, energi dalam dapat berubah dari keadaan awal U₁ ke keadaan akhir U₂. Jadi, dapat dituliskan perubahan energi dalam sebagai:

 

Energi dalam (U)  atau energi internal disebut juga energi termal. Ketika pada volume tetap dipanaskan, suhu gas akan bertambah. Akibatnya, tekanan gas bertambah. Saat dipanaskan, molekul-molekul gas mendapat energi sehingga energi kinetik molekul-molekul gas bertambah. Tentu saja kecepatan rata-rata molekul juga bertambah dan frekuensi tumbukan molekul dengan dinding bertambah. Hal ini menyebabkan tekanan gas bertambah. Gejala ini menunjukkan energi dalam gas bertambah. Jika ditambahkan  sejumlah panas Q ke sistem dan sistem tidak menghasilkan kerja selama proses, energi dalam meningkat setara dengan jumlah Q, yaitu :

Jika sebuah sistem melakukan kerja dengan berekspansi terhadap lingkungannya dan tidak ada panas yang ditambahkan selama proses, energi meninggalkan system dan energi dalam berkurang. Sehingga jika W positif, delta U negatif dan begitu sebaliknya. Maka                     Jika baik perpindahan panas maupun kerja terjadi, perubahan total dari energi dalam adalah :

                                                                           atau

Keterangan:

                        Q    =   kalor yang diserap

                               =   perubahan energi dalam

                        W   =  usaha (kerja) luar yang dilakukan

Q  positif, sistem menerima kalor.

Q  negatif, sistem melepas kalor.

W  positif, sistem melakukan usaha.

W  negatif, sistem menerima usaha.

                  positif, terjadi penambahan energi dalam pada sistem.

negatif, terjadi penurunan energi dalam pada sistem.

Dari rumus di atas, dapat disimpulkan bahwa secara umum ketika panas Q ditambahkan ke sistem, sebagian dari energi yang ditambahkan  ini tetap tinggal di dalam sistem, mengubah energi dalam sebanyak     sisanya meninggalkan sistem lagi ketika sistem melakukan kerja W terhadap lingkungannya. Karena W dan Q dapat bernilai positif, negatif atau nol, maka       dapat bernilai positif, negatif atau nol untuk proses yang berbeda.

Persamaan di atas merupakan hukum pertama termodinamika (first law of thermodynamics). ”Jika energi panas yang diberikan sistem dikurangi dengan usaha yang dilakukan oleh sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem”. Dengan demikian, hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha (W) yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi dalam

Untuk mengukur Q dan W pada berbagai keadaan dan berbagai lintasan guna mempelajari apakah      bergantung pada lintasan atau tidak, kita melakukan percobaan (laporan praktikum terlampir). Hasil percobaan menunjukkan hasil yang jelas: walau Q dan W bergantung pada lintasan,, tapi.................................................................................
Perubahan energi-dalam suatu sistem selama proses termodinamik apapun bergantung hanya pada keadaan awal dan akhir, tidak pada lintasan yang menghubungkan kedua keadaan.

Hukum pertama termodinamika                        sejauh ini bisa dinyatakan dapat mewakili kekekalan energi untuk proses termodinamik. Tapi aspek tambahan yang penting dari hukum pertama ini adalah kenyataan bahwa energi dalam bergantung hanya pada keadaan suatu sistem. Pada perubahan keadaan, perubahan energi dalam tidak bergantung pada lintasan.

2.2.     Usaha Pada Berbagai Proses Termodinamika

Hukum pertama termodinamika terjadi pada proses termodinamika yang sering terjadi pada keadaan praktis. Proses-proses ini dapat diringkas sebagai “tanpa perpindahan panas” atau adiabatik, “volume konstan” atau isokhorik, “tekanan konstan” atau isobarik, dan “suhu konstan” atau isotermal.

1.            Proses Adiabatik

Sebuah proses adiabatik (adiabatic process) didefinisikan sebagai proses tanpa perpindahan panas yang masuk atau keluar dari sistem: Q = 0. Kita dapat mencegah panas mengalir, baik dengan membungkus sistem dengan bahan isolator termal, maupun dengan melakukan proses secara sanagt cepat sehingga tidak cukup waktu untuk terjadinya aliran panas. Dari hukum pertama kita temukan bahwa untuk setiap proses adiabatik:

Ketika sistem berekspansi secara adiabatik, W adalah positif (sistem melakukan kerja terhadap lingkungannya), maka     adalah negatif dan energi dalam berkurang. Ketika sistem dikompersi secara adiabatik, W adalah negatif (kerja dilakukan terhadap sistem oleh lingkungan) dan U meningkat. Pada banyak (tapi tidak seluruhnya) sistem kenaikan energi dalam terjadi bersamaan dengan kenaikan suhu.

 

Contoh proses adiabatik dalam kehidupan sehari-hari adalah penggunaan pompa sepeda motor

 

2.            Proses Isokhorik

Proses isokhorik (isokhorik process) adalah proses volume konstan. Ketika volume suatu sistem termodinamik konstan, sistem tidak melakukan kerja pada lingkungannya. Maka W = 0, dan aplikasi hukum pertama termodinamika menghasilkan:

 

Persamaan di atas menyatakan bahwa jika kalor diberikan ke suatu sistem pada volum tetap, seluruh kalor digunakan untuk menaikkan energi dalam sistem.

        

Pada suatu proses isokhorik, semua energi yang ditambahkan sebagai panas akan tinggal di dalam sistem sebagai kenaikan energi dalam. Ada beberapa jenis kerja yang tidak melibatkan perubahan volume. Contohnya, kita dapat melakukan kerja pada cairan dengan mengaduknya. Pada sejumlah literatur, “isokhorik” digunakan dengan pengertian bahwa tidak ada kerja yang dilakukan.

3.            Proses Isobarik

Proses isobarik (isobaric process) adalah proses tekanan konstan. Secara umum, tidak satupun dari ketiga kuantitas                  adalah nol pada proses isobarik. Ditinjau dari persamaan gas ideal:

PV = nRT dengan P = tetap

 

                                                          

Proses ini sesuai dengan hukum Gay-Lussac dan Charles. Usaha luar yang dilakukan lingkungan adalah:

                                   

                                        

Aplikasi hukum pertama termodinamika menghasilkan:

                                      dengan,

Contoh yang berkaitan dengan proses isobarik yaitu air mendidih pada tekanan konstan.

4.             Proses Isotermal

Proses isotermal (isotermal process) adalah proses suhu konstan. Agar proses menjadi isotermal, setiap aliran panas yang masuk atau keluar sistem harus berlangsung dengan cukup lambat sehingga kesetimbangan termal terjaga. Secara umum, tidak satupun kuantitas                            adalah nol pada proses isotermal.

 

Pada sejumlah kasus khusus, energi dalam sistem bergantung hanya pada suhu, tidak pada tekanan atau volume. Sistem yang paling dikenal memiliki sifat khusus ini adalah gas ideal. Jika suhu konstan, energi dalam juga konstan;
                              . Sehingga semua energi yang masuk ke sistem sebagai panas Q harus keluar sistem lagi sebagai kerja W yang dilakukan oleh sistem. Menurut persamaan umum gas ideal untuk perubahan volume gas pada proses isotermal dapat dirumuskan:

Aplikasi hukum pertama termodinamika pada proses isotermal adalah:

 

Contohnya pada popcorn di dalam panci, panas ditambahkan ke dalam sistem dan sistem melakukan kerja pada lingkungannya dengan mengangkat tutup panci.

2.3.    Kapasitas Kalor Gas

Pada proses merebus air, dua buah sistem (api/gas dan air) yang berbeda suhunya digabungkan. Telah diketahui bahwa temperatur akhir yang dicapai oleh kedua sistem akan berada di antara temperatur awal kedua sistem. Proses perpindahan kalor dari suatu benda ke benda lain menyangkut perpindahan energi dapat dihitung secara pasti.

Sejumlah kalor Q yang diterima gas dapat digunakan untuk melakukan usaha W dan menambah energi dalam gas.

Dari hukum pertama termodinamika di atas dapat diturunkan:

 

                       sehingga                        dengan C adalah kapasitas kalor gas.

Kapasitas kalor suatu gas (C) adalah jumlah kalor yang diperlukan (Q) untuk menaikkan suhu gas satu kelvin (1⁰Celcius). Hal ini dapat dirumuskan:

           

Q    =   jumlah kalor yang diterima ( Joule, J )

       =   perubahan suhu gas ( kelvin, K )

C    =   kapasitas kalor gas ( J.K^-1 )

Kalor yang diberikan kepada gas untuk menaikkan suhunya dapat dilakukan pada tekanan konstan (proses isobarik) atau pada volume konstan (proses isokhorik). Karena itu, ada dua jenis kapasitas kalor yang dikenal pada gas, yaitu kalor gas pada tekanan konstan C_p dan kapasitas kalor gas pada volume konstan C_v.

1.        Kapasitas kalor pada tekanan konstan ( C_p )

 

C_p didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat satu kelvin pada tekanan konstan. Kalor yang diterima gas untuk melakukan usaha dan menambah energi dalam gas. Secara maematis:

 

                                                                             

                                                                                    .......................(1)        

2.        Kapasitas kalor pada volume konstan ( C_v )

C_v didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat satu kelvin pada volume konstan. Kalor yang diterima gas untuk menaikkan energi dalam dan usahanya sama dengan nol.

Dengan demikian,

 

                                                                                                                        ..............(2)

 

Dari persamaan (1) dan (2) diperoleh bahwa:

 

Contoh Soal:

1.      Kapasitas kalor sejumlah gas ideal pada volume tetap sebesar 32,4 JK^-1. Tekanan gas tersebut 5 x 105 N/m² dan volumenya 4 x 10^-1 m³. Ketika suhunya berubah 400 K, volumenya berubah 8 x 10^-1 m³. Tentukan kapasitas kalor gas tersebut pada tekanan tetap!

Penyelesaian:

Diketahui:                                               Jawab:

C_v   =   32,4 JK^-1                                  Q_p – Q_v = W

            P₁   =   5 x 105 N/m²

            V₁   =   4 x 10^-3 m³

                   =   400 K

           V₂    =   8 x 10^-3 m³

Ditanyakan: C_p

       Jadi, Kapasitas kalor gas tersebut adalah 37,4 JK^-1.

 BAB III

PENUTUP

3.1.       Kesimpulan

Ketika suatu benda sedang bergerak maka benda tersebut memiliki energi kinetik dan berdasarkan energi kinetik ini benda dapat melakukan usaha. Serupa dengan itu, benda yang berada pada pada ketinggian tertentu dari suatu acuan memiliki energi potensial dan berdasarkan energi potensial ini benda juga dapat melakukan usaha. Kedua macam energi ini disebut energi luar  (eksternal energi). Sebagai tambahan terhadap energi luar ini setap benda memiliki memiliki energi yang tidak nampak dari luar, energi ini disebut energi dalam.

energi dalam (internal energy) didefinisikan suatu sistem sebagai jumlah energi kinetik seluruh partikel penyusunnya, ditambah jumlah seluruh energi potensial dari interaksi antara seluruh partikel itu. Energi dalam merupakan fungsi keadaan sistem, jika keadaan sistem berubah maka energi dalam juga berubah tetapi energi dalam tidak tergantung pada lintasan yang ditempuh sistem untuk perubahan keadaan tersebut. Selama terjadi perubahan suatu sistem, energi dalam dapat berubah dari keadaan awal U₁ ke keadaan akhir U₂. Jadi, dapat dituliskan perubahan energi dalam sebagai:

 

Hukum pertama termodinamika (first law of thermodynamics). ”Jika energi panas yang diberikan sistem dikurangi dengan usaha yang dilakukan oleh sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem”. Dengan demikian, hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha (W) yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi dalam.

Usaha pada berbagai proses termodinamika, meliputi isobarik (tekanan konstan), isokhorik (volume konstan), isotermik (suhu konstan), dan adiabatik (tanpa panas). Keempat proses ini memiliki aplikasi masing-masing dalam kehidupan sehari-hari, proses ini merupakan salah satu penerapan termodinamika yang dapat dilihat secara jelas.

Pada proses merebus air, dua buah sistem (api/gas dan air) yang berbeda suhunya digabungkan. Telah diketahui bahwa temperatur akhir yang dicapai oleh kedua sistem akan berada di antara temperatur awal kedua sistem. Proses perpindahan kalor dari suatu benda ke benda lain menyangkut perpindahan energi dapat dihitung secara pasti. Sejumlah kalor Q yang diterima gas dapat digunakan untuk melakukan usaha W dan menambah energi dalam gas.

3.2.       Saran

Dengan adanya makalah ini, penulis berharap makalah ini dapat dijadikan sebagai bahan referensi dalam memahami dunia fisika khususnya mengenai termodinamika. Makalah ini juga dapat dijadikan sebagai bahan ajar dalam memberikan pengajaran kepada murid-murid Anda. Dan mudah-mudahan dapat bermanfaat dalam kehidupan Anda.

 

DAFTAR PUSTAKA

Young, Hugh D dan Roger A. Freedman. 2002. “Fisika Universitas/edisi kesepuluh/Jilid 1. Jakarta : Erlangga.

http://id.wikipedia.org/wiki/Siklus_termodinamika

http://id.wikipedia.org/wiki/Termodinamika

http://proses.termodinamika.

http://id.wikipedia.org/wiki/Hukum_pertama_termodinamika

http://id.wikipedia.org/wiki/kapasitas kalor gas

 

LAMPIRAN-LAMPIRAN

·        EKSPERIMENT

1.      Judul   :

GERAKAN BOLA OLEH GAS

2.      Tujuan :

Untuk mengetahui Proses Isobarik (tekanan konstan) dalam Eksperiment ini.

3.     Landasan Teori

Proses isobarik (isobaric process) adalah proses tekanan konstan. Secara umum, tidak satupun dari ketiga kuantitas                       adalah nol pada proses isobarik. Ditinjau dari persamaan gas ideal:

 

                                                     PV = nRT dengan P = tetap

 

                                                                       

Proses ini sesuai dengan hukum Gay-Lussac dan Charles. Usaha luar yang dilakukan lingkungan 

Aplikasi hukum pertama termodinamika menghasilkan:

                                      dengan,

Contoh yang berkaitan dengan proses isobarik yaitu air mendidih pada tekanan konstan.

4.      Metodologi Percobaan

a.       Alat dan Bahan

-          1 buah Kompor

-          1 buah Cerek

-          1 buah Selang Plastik yang Transparan

-          1 buah Bola yang berukuran sangat kecil

b.      Langkah Percobaan

-          Masukkan Bola kecil tadi kedalam Selang Plastik yang berukuran lebih besar dari pada Bola.

-          Ujung Selang Plastik disambung dengan ujung Cerek yang akan Anda gunakan

-          Kemudian nyalakan Kompor dan letakkan Cerek tersebut diatas Kompor

-          Ketika Air mulai mendidih, maka ujung Cerek akan mengeluarkan Uap dan akan dialiri ke Selang Plastik.

-          Amatilah apa yang akan terjadi pada Bola

c.       Hasil Pengamatan

Ketika Air dipanaskan, secara otomatis air akan menghasilkan uap. Uap tersebut akan mengalir kedalam selang, dan lama-kelamaan uap tersebut akan mampu menekan ataupun mendorong balon yang berada didalan Selang. Ini berarti bahwa scara perlahan Bola akan bergerak, karena danya dorongan dari uap tersebut. 

5.      Pembahasan

Air yang semulanya penuh, kemudian diberikan kalor akan membuat air tersebut mendidih. Semakin besar kalor yang diberikan ke air (sistem), maka volume air akan bertambah secara perlahan. Hal ini membuat kita berfikir, bahwa pada eksperiment ini volume benda (sistem) berubah seiring dengan adanya perubahan suhu.

Air yang mengalami perubahan tesebut menghasilkan Uap. Uap tersebut akan mengaliri ke Selang Plastik melalui ujung Cerek, dan lama-kelamaan Uap ini akan mendorong bola yang terdapat dalam Selang tersebut.

Pada keadaan ini, suhu dan volume benda bertambah sedangkan tekanan dari Uap/gas tetap konstant. Jika Anda tidak percaya, maka saya akan membuka laptop kembali/mengingatkan fikiran Anda tentang Proses Isobarik. Pada proses ini, Q, W , dan energi dalam tidaklah bernilai nol. Jika gas melakukan proses termodinamika, dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan sebagai proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstant, gas melakukan usaha W = p.delta U. Kalor disini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan (Q_p).

    

6.      Skema Alat

kompor

Cerek

Selang Plastik