Modul bab 3 termodinamika
Pada akhir pembelajaran bab ini
anda dapat :
Menerapkan konsep termodinamika
Menerapkan konsep mesin kalor
TERMODINAMIKA
Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic =
'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan
proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di
mana banyak hubungan termodinamika berasal.
Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran
energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi
(kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini,
penggunaan
istilah
"termodinamika"
biasanya
merujuk
pada
termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam
termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super
pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam
termodinamika tak-setimbang.
Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah
diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan
termostatik.
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 kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara
mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang
emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang
termodinamika benda hitam.
Konsep dasar dalam termodinamika
Pengabstrakkan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia
menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem
yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan.
Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau
membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya
sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat
diuraikan menjadi beberapa parameter !
Sistem termodinamika
Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang
diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan
sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem
termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan
perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.
Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara
sistem dan lingkungan:
sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja
dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah
terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi
tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau
adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas
tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu
sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya
dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
o pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
o pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan
benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan
pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh
dari sistem terbuka.
Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari
lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya
penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi,
energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
Keadaan termodinamika
Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan,
ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).
Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem
dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana
sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari
sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan
properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan
keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya
seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari
jumlah minimal tersebut.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan
dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.
Hukum-hukum Dasar Termodinamika
Terdapat empat Hukum
termodinamika, yaitu:
Dasar
yang
berlaku
di
dalam
sistem
Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang
dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu
dengan lainnya.
Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan
perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam
sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
Hukum kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini
menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika
terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya
waktu, mendekati nilai maksimumnya.
Hukum ketiga Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut.
Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai
temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi
sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan
bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur
nol absolut bernilai nol.
Proses-proses Pada Hukum 1 Termodinamika : Isobaris Isokhoris
Isotermis Adiabatis
1. Hukum I termodinamika untuk Proses Isobaris
Pada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap.
Proses Isobaris
Dengan demikian pada proses ini berlaku persamaan Boyle-GayLussac
V1 / T1 = V2 / T2
Jika grafik ini digambarkan dalam hubungan P dan V maka dapat grafik
sebagai berikut :
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Usaha luar yang dilakukan adalah : W = p ( V 2 – V1 ). karena itu hukum I
termodinamika dapat dinyatakan :
dQ = dU + p ( V2 – V1 )
Panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan
tetap dapat dinyatakan dengan persamaan :
dQ = m cp ( T2 – T1 )
Pertambahan
persamaan :
energi
dalam
gas
dapat
pula
dinyatakan
dengan
dU = m cv ( T2 – T1 )
Karena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobaris dapat
pula dinyatakan dengan persamaan :
dW = dQ – dU = m ( cp - cv ) ( T2 – T1 )
m = massa gas
cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap
cv = kalor jenis pada volume tetap.
2. Hukum I termodinamika untuk Proses Isokhoris
Pada proses ini volume Sistem konstan.
Proses Isokhoris
Dengan demikian dalam proses ini berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac
dalam bentuk :
P1 / T1 = P2 / T2
Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka grafiknya
sebagai berikut :
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Karena dV = 0 maka W = p . dV
W = 0 ( tidak ada usaha luar selama proses )
dQ = U2 – U1
Kalor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi
dalam (dU)
dQ = dU
dU = m . cv ( T2 – T1 )
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
3. Hukum I termodinamika untuk Proses Isotermis
Selama proses suhunya konstan.
Proses Isotermis
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
4. Hukum I termodinamika untuk Proses Adiabatis
Selama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem jadi Q = 0
Proses Adiabatis
MESIN CARNOT
Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam
suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini
dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan
secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis
oleh Rudolf Clausius pada 1850an dan 1860an. Dari pengembangan
Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.
Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah
siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian
keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula.
Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan usaha
terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.
Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari
daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam
prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem
yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada
suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi
panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin
refrigerator.
Pada diagram di samping, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot
berjudul Pemikiran tentang Daya Penggerak dari Api (Réflexions sur la
Puissance Motrice du Feu), diilustrasikan ada dua benda A dan B, yang
temperaturnya dijaga selalu tetap, dimana A memiliki temperatur lebih
tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau melepaskan kalor pada atau
dari kedua benda ini tanpa mengubah suhunya, dan bertindak sebagai dua
reservoir kalor. Carnot menyebut benda A "tungku" dan benda B "kulkas".[1]
Carnot lalu menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak
(usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir
A ke B.
Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya
dimodelkan dalam pembahasan modern
Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu
tinggi TH melalui "fluida kerja", menuju reservoir dingin TC, dan
menyebabkan fluida kerja memberikan usaha mekanis kepada lingkungan,
melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan pemuaian (ekspansi).
Dalam diagram tersebut, sistem ("fluida kerja"), dapat berupa benda
fluida atau uap apapun yang dapat menerima dan memancarkan kalor Q,
untuk menghasilkan usaha. Carnot mengusulkan bahwa fluida ini dapat
berupa zat apapun yang dapat mengalami ekspansi, seperti uap air, uap
alkohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun begitu, pada tahuntahun awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi
khusus, yaitu QH disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah
tungku, QC biasanya adalah aliran air dingin dalam bentuk embun yang
terletak di berbagai bagian mesin. Usaha keluaran W biasanya adalah
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
gerakan piston yang digunakan untuk memutar sebuah engkol, yang
selanjutnya digunakan untuk memutar sebuah katrol. Penggunaannya
biasanya untuk mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot
sendiri mendefinisikan "usaha" sebagai "berat yang diangkat melalui
sebuah ketinggian".
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Teorema Carnot
Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada
temperatur
and
tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.
Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan).
Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur.
Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar
ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair ( lihat siklus
Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan
(misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak
dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.
Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak
mungkin ada mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang
lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua
reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan
untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan
oleh efisiensi mesin Carnot,
Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang
beroperasi antara dua reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang
sama pula.
Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas dapat
diperoleh jika dan hanya jika tidak ada entropi yang diciptakan dalam siklus
tersebut. Jika ada, maka karena entropi adalah fungsi keadaan, untuk
membuang kelebihan entropi agar dapat kembali ke keadaan semula akan
melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang merupakan proses
irreversibel dan akan menyebabkan turunnya efisiensi. Jadi persamaan di
atas hanya memberikan efisiensi dari sebuah mesin kalor reversibel.
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
1. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada volum tetap disebut ...
2. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada tekanan tetap disebut ...
3. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
4. Hukum pertama termodinamika dinyatakan dengan rumus ...
5. Suatu gas dimampatkan sehingga volumnya berkurang dari 5,0 L menjadi
3,5 L pada tekanan konstan 105 Pa. Maka usaha luar yang dilakukan pada
gas adalah ...
6. Penerapan Hukum I Termodinamika pada mesin....
7. Penerapan Hukum II Termodinamika pada mesin....
8. Pengertian dari efisiensi mesin Carnot adalah...
9. Jika sebuah mesin Carnot bekerja antara suhu 27°C dan 127°C, maka efisiensi
mesin tersebut adalah ...
10. Tuliskan 4 ciri gas ideal!
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
II.Essay
1. Tuliskan bunyi dan rumus hukum Gay Lussac, hukum Charles dan hukum Boyle2.
3.
4.
5.
Gay Lussac!
Tuliskan bunyi Hukum I Termodinamika beserta rumusnya!
Tuliskan proses dan rumus untuk proses isotermis dan isokhoris!
Tuliskan proses dan rumus untuk proses isobaris dan adiabatis!
Sebuah tangki berisi gas dengan volume 0,5 m 3 dipanaskan pada tekanan tetap
hingga volumenya menjadi 2 m3. Jika usaha yang dihasilkan 3 x 10
5
J, maka
hitunglah tekanan gas dalam tangki!
6. Suatu sistem menyerap kalor 300 J dan dikenai kerja dari lingkungan 450 J pada
saat bersamaan. Hitung perubahan energi dalam sistem!
7. Sebuah mesin mampu melakukan kerja 10 5 J dengan bahan bakar (energi) sebesar
2·105 J. Hitunglah efisiensi mesin tersebut!
8. Mesin Carnot menerima kalor dari reservoir suhu tinggi 227ºC dan melepaskannya
pada reservoir bersuhu 77 ºC. Hitunglah efisiensi Mesin Carnot tersebut!
9. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi 800K mempunyai
efisiensi 40 %. Agar efisiensinya naik menjadi 50 % , maka tentukan berapakah
suhu reservoir tinggi harus dinaikkan!
10. Pada grafik PV mesin Carnot di bawah ini, W = 6.000 joule. Tentukan banyak kalor
yang dilepas oleh mesin tiap siklus!
EVALUASI AKHIR BAB
A
3
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
1. Persamaan
2.
3.
4.
5.
gas
ideal
pV
=
T
ditulis
dalam bentuk
bilangan
tetap, yang tergantung pada....
A. Kinds of gas
B. Temperature of gas
C. Pressure of gas
D. Volume of gas
E. Amount of particles
Tekanan gas oksigen pada suhu
00C adalah 3 x 105 N/m2. Volume
gas tersebut adalah 4,7 x 10 4
m3. Berapa massa gas oksigen
tersebut? (R = 8314 J/k mol; M =
32 kg/ k mol)
A. 0,2 g
B. 0,1 g
C. 4,0 g
D. 2,0 g
E. 0,01 g
Suatu gas ideal tekanannya 30
N/m2, volumenya 1,38 L dan
suhunya 270C. Jumlah partikel
gas adalah....
A. 1014
B. 1019
C. 1020
D. 1022
E. 1025
Dalam suatu ruangan bersuhu T
kelvin, sebuah partikel gas
bergerak dengan kecepatan v .
Apabila suhu ruangan tersebut
berubah menjadi 4T, maka
kecepatannya menjadi....
A. ¼ v
B. ½ v
C. 2 v
D. 4 v
E. 16 v
Pada
temperatur
tertentu,
kecepatan
efektif
molekulmolekul suatu gas ideal adalah
v. Jika pada tekanan tetap
temperatur gas diubah sehingga
volumenya menjadi dua kali
semula,
maka
kecepatan
efektifnya menjadi....
A. 0,5 v
B. 1/√2 v
C. √2 v
D.
v
E. 2 v
6. Gas dalam tabung yang suhunya
270C dipanaskan pada volum
tetap, sehingga kecepatan ratarata partikel gas menjadi dua
kali semula. Berapakah kenaikan
suhu gas?
A. 1200 0C
B. 900 0C
C. 627 0C
D. 108 0C
E.
90 0C
7. Apabila usaha per siklus yang
dilakukan suatu mesin Carnot
sebesar 2000 J maka banyaknya
kalor yang dilepas dalam tiap
siklus adalah....
A. – 2000 J
B.
0J
C.
2000 J
D.
4000 J
E.
8000 J
8. Jika suatu mesin Carnot bekerja
pada suhu 300 K dan 400 K,
maka efisiensinya adalah...
A. 20 %
B. 25 %
C. 30 %
D. 35 %
E. 40 %
9. Sebuah
mesin
Carnot
yang
menggunakan
reservoir
suhu
tinggi
K
800
mempunyai
efisiensi 40 %. Agar efisiensinya
naik menjadi 50 % maka suhu
reservoir tinggi harus dinaikkan
menjadi…
a. 900 K
b. 960 K
c. 1.000K
d. 1.180K
e. 1.600K
10. Sebuah ruangan pada tekanan
105Pa
berisi
dua
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
mol
gas
oksigen. Jika suhu gas 270C,
maka
volume
adalah…
a. 30 liter
ruang
tersebut
c. 50 liter
d. 60 liter
e. 70 liter
b. 40 liter
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
URAIAN
B
1. Suatu mesin Carnot yang bekerja antara suhu 27 0C dan 227 0C digunakan untuk
mengoperasikan sebuah generattor yang tegangannya 220 V. Jika setiap detik
mesin Carnot menyerap kalor 5500 J, berapakah kuat arus keluaran maksimum
generator tersebut?
2. Koefisien performansi sebuah kulkas adalah 4. Berapa banyak energi listrik yang
digunakan untuk memindahkan 4000 J kalor dari makanan yang terdapat di
dalam kulkas?
3.
Diketahui volum tabung B dua kali volume tabung
A,
keduanya
diisi
gas
ideal.
Volume
tabung
penghubung dapat diabaikan. Gas A bersuhu 300 K,
maka gas B bersuhu ...
N
4.
A
B
3N
C
Remidiasi
1. Suatu mesin menerima 200 kalori reservoir bersuhu tinggi dan melepaskan 175
kalori ke sebuah reservoir lain yang suhunya rendah. Efisiensi mesin itu adalah ..
A.
12,5 %
B.
14,3 %
C.
25,0 %
D.
87,5 %
E.
200 %
2. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
A. proses Isokhorik
B. proses Isotermik
C. proses Isobarik
D. proses Adiabatik
E. proses Asimilasi
3. Hukum pertama termodinamika menyatakan ...
A. kalor tidak dapat masuk ke dalam dan keluar suatu sistem
B. energi adalah kekal
C. energi dalam adalah kekal
D. suhu adalah tetap
E. sistem tidak mendapat usaha dari luar
4. Grafik-grafik berikut ini menunjukan hubungan antara tekanan (P) dengan volume (V)
gas yang mengalami suatu proses.
Proses yang menghasilkan usaha terbesar ditunjukkan pada grafik nomor …
A. (1)
B. (2)
C. (3)
D. (4)
E. (5)
5. Jika sebuah mesin Carnot menggunakan reservoir dengan suhu tinggi 900oK dan
mempunyai effisiensi 60
%, maka suhu yang rendah adalah …
A. 700oK
B. 400oK
C. 387oC
D. 360oK
E. 187oC
anda dapat :
Menerapkan konsep termodinamika
Menerapkan konsep mesin kalor
TERMODINAMIKA
Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic =
'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan
proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di
mana banyak hubungan termodinamika berasal.
Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran
energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi
(kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini,
penggunaan
istilah
"termodinamika"
biasanya
merujuk
pada
termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam
termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super
pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam
termodinamika tak-setimbang.
Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah
diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan
termostatik.
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 kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara
mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang
emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang
termodinamika benda hitam.
Konsep dasar dalam termodinamika
Pengabstrakkan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia
menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem
yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan.
Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau
membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya
sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat
diuraikan menjadi beberapa parameter !
Sistem termodinamika
Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang
diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan
sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem
termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan
perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.
Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara
sistem dan lingkungan:
sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja
dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah
terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi
tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau
adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas
tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu
sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya
dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
o pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
o pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan
benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan
pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh
dari sistem terbuka.
Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari
lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya
penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi,
energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
Keadaan termodinamika
Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan,
ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).
Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem
dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana
sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari
sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan
properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan
keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya
seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari
jumlah minimal tersebut.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan
dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.
Hukum-hukum Dasar Termodinamika
Terdapat empat Hukum
termodinamika, yaitu:
Dasar
yang
berlaku
di
dalam
sistem
Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang
dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu
dengan lainnya.
Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan
perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam
sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
Hukum kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini
menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika
terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya
waktu, mendekati nilai maksimumnya.
Hukum ketiga Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut.
Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai
temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi
sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan
bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur
nol absolut bernilai nol.
Proses-proses Pada Hukum 1 Termodinamika : Isobaris Isokhoris
Isotermis Adiabatis
1. Hukum I termodinamika untuk Proses Isobaris
Pada proses ini gas dipanaskan dengan tekanan tetap.
Proses Isobaris
Dengan demikian pada proses ini berlaku persamaan Boyle-GayLussac
V1 / T1 = V2 / T2
Jika grafik ini digambarkan dalam hubungan P dan V maka dapat grafik
sebagai berikut :
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Usaha luar yang dilakukan adalah : W = p ( V 2 – V1 ). karena itu hukum I
termodinamika dapat dinyatakan :
dQ = dU + p ( V2 – V1 )
Panas yang diperlukan untuk meningkatkan suhu gas pada tekanan
tetap dapat dinyatakan dengan persamaan :
dQ = m cp ( T2 – T1 )
Pertambahan
persamaan :
energi
dalam
gas
dapat
pula
dinyatakan
dengan
dU = m cv ( T2 – T1 )
Karena itu pula maka usaha yang dilakukan pada proses isobaris dapat
pula dinyatakan dengan persamaan :
dW = dQ – dU = m ( cp - cv ) ( T2 – T1 )
m = massa gas
cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap
cv = kalor jenis pada volume tetap.
2. Hukum I termodinamika untuk Proses Isokhoris
Pada proses ini volume Sistem konstan.
Proses Isokhoris
Dengan demikian dalam proses ini berlaku Hukum Boyle-Gay Lussac
dalam bentuk :
P1 / T1 = P2 / T2
Jika digambarkan dalam grafik hubungan P dan V maka grafiknya
sebagai berikut :
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Karena dV = 0 maka W = p . dV
W = 0 ( tidak ada usaha luar selama proses )
dQ = U2 – U1
Kalor yang diserap oleh sistem hanya dipakai untuk menambah energi
dalam (dU)
dQ = dU
dU = m . cv ( T2 – T1 )
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
3. Hukum I termodinamika untuk Proses Isotermis
Selama proses suhunya konstan.
Proses Isotermis
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
4. Hukum I termodinamika untuk Proses Adiabatis
Selama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem jadi Q = 0
Proses Adiabatis
MESIN CARNOT
Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam
suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini
dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan
secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis
oleh Rudolf Clausius pada 1850an dan 1860an. Dari pengembangan
Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.
Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah
siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian
keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula.
Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan usaha
terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.
Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari
daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam
prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem
yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada
suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi
panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin
refrigerator.
Pada diagram di samping, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot
berjudul Pemikiran tentang Daya Penggerak dari Api (Réflexions sur la
Puissance Motrice du Feu), diilustrasikan ada dua benda A dan B, yang
temperaturnya dijaga selalu tetap, dimana A memiliki temperatur lebih
tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau melepaskan kalor pada atau
dari kedua benda ini tanpa mengubah suhunya, dan bertindak sebagai dua
reservoir kalor. Carnot menyebut benda A "tungku" dan benda B "kulkas".[1]
Carnot lalu menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak
(usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari reservoir
A ke B.
Dibawah ini adalah diagram mesin Carnot sebagaimana biasanya
dimodelkan dalam pembahasan modern
Diagram mesin Carnot (modern) - kalor mengalir dari reservoir bersuhu
tinggi TH melalui "fluida kerja", menuju reservoir dingin TC, dan
menyebabkan fluida kerja memberikan usaha mekanis kepada lingkungan,
melalui siklus penyusutan (kontraksi) dan pemuaian (ekspansi).
Dalam diagram tersebut, sistem ("fluida kerja"), dapat berupa benda
fluida atau uap apapun yang dapat menerima dan memancarkan kalor Q,
untuk menghasilkan usaha. Carnot mengusulkan bahwa fluida ini dapat
berupa zat apapun yang dapat mengalami ekspansi, seperti uap air, uap
alkohol, uap raksa, gas permanen, udara, dll. Sekalipun begitu, pada tahuntahun awal, mesin-mesin kalor biasanya memiliki beberapa konfigurasi
khusus, yaitu QH disuplai oleh pendidih, di mana air didihkan pada sebuah
tungku, QC biasanya adalah aliran air dingin dalam bentuk embun yang
terletak di berbagai bagian mesin. Usaha keluaran W biasanya adalah
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
gerakan piston yang digunakan untuk memutar sebuah engkol, yang
selanjutnya digunakan untuk memutar sebuah katrol. Penggunaannya
biasanya untuk mengangkut air dari sebuah pertambangan garam. Carnot
sendiri mendefinisikan "usaha" sebagai "berat yang diangkat melalui
sebuah ketinggian".
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
Teorema Carnot
Sebuah mesin nyata (real) yang beroperasi dalam suatu siklus pada
temperatur
and
tidak mungkin melebihi efisiensi mesin Carnot.
Sebuah mesin nyata (kiri) dibandingkan dengan siklus Carnot (kanan).
Entropi dari sebuah material nyata berubah terhadap temperatur.
Perubahan ini ditunjukkan dengan kurva pada diagram T-S. Pada gambar
ini, kurva tersebut menunjukkan kesetimbangan uap-cair ( lihat siklus
Rankine). Sifat irreversibel sistem dan kehilangan kalor ke lingkungan
(misalnya, disebabkan gesekan) menyebabkan siklus Carnot ideal tidak
dapat terjadi pada semua langkah sebuah mesin nyata.
Teorema Carnot adalah pernyataan formal dari fakta bahwa: Tidak
mungkin ada mesin yang beroperasi di antara dua reservoir panas yang
lebih efisien daripada sebuah mesin Carnot yang beroperasi pada dua
reservoir yang sama. Artinya, efisiensi maksimum yang dimungkinkan
untuk sebuah mesin yang menggunakan temperatur tertentu diberikan
oleh efisiensi mesin Carnot,
Implikasi lain dari teorema Carnot adalah mesin reversibel yang
beroperasi antara dua reservoir panas yang sama memiliki efisiensi yang
sama pula.
Efisiensi maksimum yang dinyatakan pada persamaan diatas dapat
diperoleh jika dan hanya jika tidak ada entropi yang diciptakan dalam siklus
tersebut. Jika ada, maka karena entropi adalah fungsi keadaan, untuk
membuang kelebihan entropi agar dapat kembali ke keadaan semula akan
melibatkan pembuangan kalor ke lingkungan, yang merupakan proses
irreversibel dan akan menyebabkan turunnya efisiensi. Jadi persamaan di
atas hanya memberikan efisiensi dari sebuah mesin kalor reversibel.
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
1. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada volum tetap disebut ...
2. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada tekanan tetap disebut ...
3. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
4. Hukum pertama termodinamika dinyatakan dengan rumus ...
5. Suatu gas dimampatkan sehingga volumnya berkurang dari 5,0 L menjadi
3,5 L pada tekanan konstan 105 Pa. Maka usaha luar yang dilakukan pada
gas adalah ...
6. Penerapan Hukum I Termodinamika pada mesin....
7. Penerapan Hukum II Termodinamika pada mesin....
8. Pengertian dari efisiensi mesin Carnot adalah...
9. Jika sebuah mesin Carnot bekerja antara suhu 27°C dan 127°C, maka efisiensi
mesin tersebut adalah ...
10. Tuliskan 4 ciri gas ideal!
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
II.Essay
1. Tuliskan bunyi dan rumus hukum Gay Lussac, hukum Charles dan hukum Boyle2.
3.
4.
5.
Gay Lussac!
Tuliskan bunyi Hukum I Termodinamika beserta rumusnya!
Tuliskan proses dan rumus untuk proses isotermis dan isokhoris!
Tuliskan proses dan rumus untuk proses isobaris dan adiabatis!
Sebuah tangki berisi gas dengan volume 0,5 m 3 dipanaskan pada tekanan tetap
hingga volumenya menjadi 2 m3. Jika usaha yang dihasilkan 3 x 10
5
J, maka
hitunglah tekanan gas dalam tangki!
6. Suatu sistem menyerap kalor 300 J dan dikenai kerja dari lingkungan 450 J pada
saat bersamaan. Hitung perubahan energi dalam sistem!
7. Sebuah mesin mampu melakukan kerja 10 5 J dengan bahan bakar (energi) sebesar
2·105 J. Hitunglah efisiensi mesin tersebut!
8. Mesin Carnot menerima kalor dari reservoir suhu tinggi 227ºC dan melepaskannya
pada reservoir bersuhu 77 ºC. Hitunglah efisiensi Mesin Carnot tersebut!
9. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi 800K mempunyai
efisiensi 40 %. Agar efisiensinya naik menjadi 50 % , maka tentukan berapakah
suhu reservoir tinggi harus dinaikkan!
10. Pada grafik PV mesin Carnot di bawah ini, W = 6.000 joule. Tentukan banyak kalor
yang dilepas oleh mesin tiap siklus!
EVALUASI AKHIR BAB
A
3
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
1. Persamaan
2.
3.
4.
5.
gas
ideal
pV
=
T
ditulis
dalam bentuk
bilangan
tetap, yang tergantung pada....
A. Kinds of gas
B. Temperature of gas
C. Pressure of gas
D. Volume of gas
E. Amount of particles
Tekanan gas oksigen pada suhu
00C adalah 3 x 105 N/m2. Volume
gas tersebut adalah 4,7 x 10 4
m3. Berapa massa gas oksigen
tersebut? (R = 8314 J/k mol; M =
32 kg/ k mol)
A. 0,2 g
B. 0,1 g
C. 4,0 g
D. 2,0 g
E. 0,01 g
Suatu gas ideal tekanannya 30
N/m2, volumenya 1,38 L dan
suhunya 270C. Jumlah partikel
gas adalah....
A. 1014
B. 1019
C. 1020
D. 1022
E. 1025
Dalam suatu ruangan bersuhu T
kelvin, sebuah partikel gas
bergerak dengan kecepatan v .
Apabila suhu ruangan tersebut
berubah menjadi 4T, maka
kecepatannya menjadi....
A. ¼ v
B. ½ v
C. 2 v
D. 4 v
E. 16 v
Pada
temperatur
tertentu,
kecepatan
efektif
molekulmolekul suatu gas ideal adalah
v. Jika pada tekanan tetap
temperatur gas diubah sehingga
volumenya menjadi dua kali
semula,
maka
kecepatan
efektifnya menjadi....
A. 0,5 v
B. 1/√2 v
C. √2 v
D.
v
E. 2 v
6. Gas dalam tabung yang suhunya
270C dipanaskan pada volum
tetap, sehingga kecepatan ratarata partikel gas menjadi dua
kali semula. Berapakah kenaikan
suhu gas?
A. 1200 0C
B. 900 0C
C. 627 0C
D. 108 0C
E.
90 0C
7. Apabila usaha per siklus yang
dilakukan suatu mesin Carnot
sebesar 2000 J maka banyaknya
kalor yang dilepas dalam tiap
siklus adalah....
A. – 2000 J
B.
0J
C.
2000 J
D.
4000 J
E.
8000 J
8. Jika suatu mesin Carnot bekerja
pada suhu 300 K dan 400 K,
maka efisiensinya adalah...
A. 20 %
B. 25 %
C. 30 %
D. 35 %
E. 40 %
9. Sebuah
mesin
Carnot
yang
menggunakan
reservoir
suhu
tinggi
K
800
mempunyai
efisiensi 40 %. Agar efisiensinya
naik menjadi 50 % maka suhu
reservoir tinggi harus dinaikkan
menjadi…
a. 900 K
b. 960 K
c. 1.000K
d. 1.180K
e. 1.600K
10. Sebuah ruangan pada tekanan
105Pa
berisi
dua
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
mol
gas
oksigen. Jika suhu gas 270C,
maka
volume
adalah…
a. 30 liter
ruang
tersebut
c. 50 liter
d. 60 liter
e. 70 liter
b. 40 liter
Modul Fisika XI Semester Gasal Tahun Ajaran 2012/2013
URAIAN
B
1. Suatu mesin Carnot yang bekerja antara suhu 27 0C dan 227 0C digunakan untuk
mengoperasikan sebuah generattor yang tegangannya 220 V. Jika setiap detik
mesin Carnot menyerap kalor 5500 J, berapakah kuat arus keluaran maksimum
generator tersebut?
2. Koefisien performansi sebuah kulkas adalah 4. Berapa banyak energi listrik yang
digunakan untuk memindahkan 4000 J kalor dari makanan yang terdapat di
dalam kulkas?
3.
Diketahui volum tabung B dua kali volume tabung
A,
keduanya
diisi
gas
ideal.
Volume
tabung
penghubung dapat diabaikan. Gas A bersuhu 300 K,
maka gas B bersuhu ...
N
4.
A
B
3N
C
Remidiasi
1. Suatu mesin menerima 200 kalori reservoir bersuhu tinggi dan melepaskan 175
kalori ke sebuah reservoir lain yang suhunya rendah. Efisiensi mesin itu adalah ..
A.
12,5 %
B.
14,3 %
C.
25,0 %
D.
87,5 %
E.
200 %
2. Proses yang dialami gas dalam ruangan tertutup pada suhu tetap disebut ...
A. proses Isokhorik
B. proses Isotermik
C. proses Isobarik
D. proses Adiabatik
E. proses Asimilasi
3. Hukum pertama termodinamika menyatakan ...
A. kalor tidak dapat masuk ke dalam dan keluar suatu sistem
B. energi adalah kekal
C. energi dalam adalah kekal
D. suhu adalah tetap
E. sistem tidak mendapat usaha dari luar
4. Grafik-grafik berikut ini menunjukan hubungan antara tekanan (P) dengan volume (V)
gas yang mengalami suatu proses.
Proses yang menghasilkan usaha terbesar ditunjukkan pada grafik nomor …
A. (1)
B. (2)
C. (3)
D. (4)
E. (5)
5. Jika sebuah mesin Carnot menggunakan reservoir dengan suhu tinggi 900oK dan
mempunyai effisiensi 60
%, maka suhu yang rendah adalah …
A. 700oK
B. 400oK
C. 387oC
D. 360oK
E. 187oC