Bab 11 B Panas Hukum I Termodinamika

  Panas & Hukum Pertama

Termodinamika

  In this photograph of Bow Lake in Banf National Park, Alberta, we see evidence of water in all three phases. In the lake is liquid water, and solid water in the form of snow appears on the ground. The clouds in the sky consist of liquid water droplets that have condensed from the gaseous water vapor in the air. Changes of a substance from one phase

Panas dan Energi Dalam

Energi Dalam (Internal

  Energy, U)

  Energi Dalam adalah energi total (potensial dan kinetik) di dalam sistem yang berhubungan dengan komponen mikroskopik – atom dan molekul – termasuk:

• Energi kinetik translasi
• Rotasi molekular
• Vibrasi ikatan
• Tarikan intermolekul Ikatan kimia

  Elektron-elektron

  Panas adalah energi yang

Panas (Heat, Q)

  mengalir antara sistem dan

  Saat memanaskan bahan, kita

  lingkungannya karena

  memindahkan energi ke dalam

  perbedaan temperatur antara

  bahan tersebut dengan keduanya . menempatkannya pada lingkungan dengan temperatur lebih tinggi. Contoh: saat satu panci diletakkan di atas kompor (kompor memiliki temperatur lebih tinggi daripada air) maka air memperoleh energi dalam bentuk panas.

• Panas mengalir dari kompor Istilah panas juga digunakan ke air untuk menyatakan jumlah yang
• Temperatur air naik dipindahkan dengan metode
• Air memperoleh energi seperti ini.

Beda antara panas dan energi dalam, analogi dengan beda antara kerja dan energi mekanik. Kerja yang dilakukan pada suatu sistem adalah ukuran jumlah energi yang ditransfer ke sistem dari lingkungannya, sedangkan energi mekanik sistem tersebut adalah konsekuensi dari gerak dan konfigurasi sistem tersebut. Bila seseorang melakukan kerja pada suatu sistem, energi ditransfer dari

orang tersebut ke sistem tersebut. Kerja dari suatu sistem tidak memiliki arti

• – orang hanya dapat mengacu hanya pada kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem.

  Panas dan kerja bukan sifat intrinsik suatu sistem. Kita tidak dapat mengatakan suatu sistem “mengandung”

sejumlah tertentu panas atau kerja. Keduanya bukan fungsi

keadaan. Keduanya, panas dan kerja, berhubungan dengan “proses termodinamika”. Panas hanya dapat diacu bila energi berpindah karena perbedaan temperatur.

Kesetaraan Mekanis dari Panas

  Sistem adalah air dalam wadah terisolasi termal. Kerja dilakukan pada air oleh roda pedal yang berputar, yang dihasilkan oleh balok yang jatuh dengan kelajuan tetap. Temperatur air naik karena gesekan dengan pedal. Jika energi pada pemutar dan yang melewati dinding diabaikan, maka kehilangan energi potensial balok setara dengan kerja oleh pedal pada air. Jika kedua balok jauh sejauh jarak h, kehilngan energi potensial adalah 2mgh, dimana m adalah massa balok; energi ini menyebabkan temperatur air naik. Joule menemukan bahwa energi mekanik 2mgh sebanding dengan kenaikan temperatur air, ΔT. Konstanta pembanding ditemukan kira-kira

  1 cal 4 , 186 J _.

   4,18 J/g °C. Disini, energi mekanik 4,18 J menaikkan temperatur dari 1 g air sebanyak 1°C.

  Persamaan ini dengan

  Dari pengukuran lebih akurat ditemukan _.

  kesetaraan mekanis dari

  kesebandingan tersebut adalah 4,186 J/g °C bila

  panas (mechanical

  temperatur air naik dari 14,5°C ke 15,5°C. Dari sini equivalent of heat). diperoleh:

Satuan Panas

  Panas setara dengan energi, sehingga satuannya adalah satuan

• energi. Energi mempunyai satuan Joules, tetapi, panas mempunyai satuan khusus, yaitu calorie. _o

  Satu calorie adalah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan

• temperatur satu gram air sebanyak 1 C . 1cal = 4,186J
• 1kcal = 1000 cals
• 1Cal (kandungan energi dari makanan) = 1000 cals
>1 Btu = 252 cal =1055 J &b>

• calorie (cal) is defined as the amount of energy transfer necessary to raise the

temperature of 1 g of water from 14.5°C to 15.5°C.1

• • (Note that the “Calorie,” written with a capital “C” and used in describing the

  energy content of foods, is actually a kilocalorie.)

• • The unit of energy in the U.S. customary system is the British thermal unit (Btu),

  which is defined as the amount of energy transfer required to raise the temperature of 1 lb of water from 63°F to 64°F.

Kapasitas Panas dan Panas Jenis

  Heat Capacity and Specific Heat Bila suatu sistem diberi energi, dan tidak ada perubahan energi kinetik dan

potensial, maka temperatur sistem akan naik (kecuali saat sistem mengalami

perubahan fasa).

Jumlah energi panas (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur suatu

zat sebanding dengan perubahan temperatur dan massa zat tersebut. Jumlah ini berbeda bila jenis zat berbeda.

  Panas jenis (c) adalah kapasitas

  Q T   panas per satuan massa.

  Q C T  

  C C disebut kapasitas panas zat c

   m

  C didefensikan sebagai jumlah

  panas yang diperlukan untuk

  Q mc T  

  menaikkan temperatur suatu zat sebanyak satu derajat.

  Specifc Heat Table

Kekekalan Energi: Calorimetry

  Salah satu cara mengukur panas jenis yang terlibat dalam memanaskan suatu sampel ke temperatur tertentu Tx, letakkan sampel tersebut ke dalam wadah berisi air yang diketahui massanya dan temperatur Tw < Tx, dan ukur temperatur air setelah kesetimbangan tercapai.

  Teknik ini disebut calorimetry, dan alatnya disebut calorimeter.

  Jika sistem sampel dan air terisolasi, menurut hukum kekekalan energi maka jumlah energi yang meninggalkan sampel (yang panas jenisnya tidak diketahui) sama dengan jumlah energi yang masuk ke air.

  Berdasarkan hukum kekekalan energi dapat ditulis:

  Q = - Q dingin panas

  Anggap m adalah massa sampel dari bahan yang akan ditentukan _x panas jenisnya. Panas jenis misalnya dinamakan adalah c dan _x temperatur awalnya T . Dengan cara yang sama m , c , dan T _{x w w w} menyatakan nilai yang berhubungan untuk air. Jika T adalah _f temperatur kesetimbangan akhir setelah semuanya tercampur, maka transfer energi untuk air adalah m c (T - T ), yang bernilai positif _{w w f w} karena T > T , dan transfer energi untuk sampel adalah m c (T - T ), _{f w x x f x} yang bernilai negatif.

  m c T T m c T T    

w w f w x x f x

     

Panas Laten

  

Pada saat terjadi perubahan fasa, zat menyerap sejumlah

panas tetapi tidak terjadi perubahan temperatur.

  

Panas yang dibutuhkan dalam perubahan fasa sebanding

dengan massa zat dan jenis bahan zat tersebut.

Panas Laten Peleburan Panas Laten Penguapan

  mU mL

  Q  Q 

  L = Panas laten peleburan U = Panas laten penguapan

  atau kalor lebur (J/kg) atau kalor uap (J/kg)

  

Panas Laten

Penguapan

  

Latent Heat Graph o

  Grafik temperatur-kalor untuk es dengan temperatur di bawah 0 C _o yang dipanaskan sampai temperatur di atas 100 C.

  Q mc T   ef uap ef

  Q mU  de

  Q mc T   cd air cd

  Q mL _bc  Q mc T

    ab es ab

Langkah-Langkah Penyelesaian Soal

  

 Perhatikan berapa jenis zat yang terlibat, catat data

tentang kalor masing-masing.

   Buat grafik temperatur-kalor tiap zat Untuk zat yang mengalami perubahan suhu,

• grafiknya berbetuk garis miring Untuk zat yang mengalami perubahan wujud,
• grafiknya datar Hitung kalor yang diterima masing-masing
• = Q  Gunakan hukum kekekalan energi: Q

  terima lepas

  Contoh Soal:

  Contoh Soal:

  Contoh Soal:

  Kerja & Panas dalam Proses Termodinamika

• Sistem (system) adalah sekumpulan benda yang menjadi perhatian.
• Lingkungan (surrounding / environment) adalah segala sesuatu di luar sistem.
• System + Surroundings = Universe

   (sistem + lingkungan = semesta) Sistem & Lingkungan

   Kerja (W) adalah positif untuk usaha yang dilakukan pada sistem oleh lingkungan.

   Kerja adalah negatif jika usaha dilakukan pada lingkungan.

  Contoh: gas mengembang melawan piston  sistem melakukan kerja (W negatif).

   Panas (Q) adalah positif jika masuk ke dalam

Variabel Keadaan & Variabel Perpindahan

  

Dalam pendekatan makroskopik pada termodinamika,

keadaan (state) sistem digambarkan menggunakan variabel

• tekanan (pressure, P),
• volume (V),
• temperatur (T), dan
• energi dalam (U)

  Besaran-besaran ini disebut variabel keadaan (state

  

variables). Untuk setiap konfigurasi sistem, dapat

diidentifikasi nilai variabel keadaan.

  

Keadaan makroskopik sistem terisolasi dapat ditentukan

hanya bila sistem tersebut dalam kesetimbangan termal.

  

Kategori kedua variabel dalam situasi yang melibatkan

energi adalah variabel perpindahan (transfer variables).

Variabel ini bernilai nol, kecuali suatu proses terjadi dimana

energi dipindahkan (ditransfer) melewati batas sistem.

  

Karena perpindahan energi melewati batas menyatakan

suatu perubahan di dalam sistem tersebut, variabel

perubahan tidak berhubungan dengan keadaan sistem, tetapi

dengan perubahan keadaan sistem.

  

Sudah dijelaskan bahwa panas adalah variabel perpindahan.

Untuk keadaan sistem tertentu, tidak ada nilai tertentu dari

panas. Nilai panas dapat ditentukan jika energi melintasi

batas melalui panas, menghasilkan perubahan dalam sistem tersebut. Di sini, akan dikaji variabel perpindahan yang lain yaitu kerja, khususnya kerja pada sistem yang dapat berubah bentuk (deformable, yaitu gas.

  Perhatikan suatu sistem piston dan silinder berisi gas dengan volume V dan memberikan tekanan P pada dinding silinder dan piston. Jika luas piston adalah A, gaya oleh gas pada piston adalah F = PA. Jika piston ditekan ke arah dalam (tapi tetap setimbang termal), kerja pada gas:

  dW = -Fdy = -PAdy = -PdV Jika gas ditekan maka dV negatif, maka kerja positif.

  Jika gas mengembang maka dV posistif, dan kerja negatif.

  

Kerja total yang dilakukan pada gas jika volumenya berubah dari V

_i

  ke V dinyatakan oleh: _f

  Untuk mengetahui integral ini, maka bentuk fungsi P harus diketahui. Secara umum, tekanan tidak konstan selama proses yang dialami oleh gas, tetapi bergantung volume dan temperatur.

  Jika tekanan dan volume diketahui pada setiap tahap dari proses, maka keadaan gas tersebut pada setiap tahap dapat diplot pada suatu grafik yang disebut

  diagram PV. Diagram ini dapat

  memvisualisasikan suatu proses yang sedang dijalani suatu gas. Kurva pada suatu diagram PV disebut lintasan (path) yang dilalui antara posisi awal dan akhir.

  Integral di atas sama dengan luas di bawah kurva pada diagram PV.

  Perhatikan proses penekanan pada suatu gas dalam silinder, kerja yang dilakukan bergantung pada lintasan yang dilalui dari posisi awal ke posisi akhir.

  Ketiga proses dimulai dari keadaan awal dan akhir yang sama, tetapi kerja yang dilakukan berbeda.

Kerja pada atau oleh gas dari keadaan awal ke

  keadaan akhir bergantung pada lintasan yang dilalui antara dua keadaan tersebut.

• > Gaya tekan oleh gas bukan gaya konservatif.

Perpindahan energi oleh panas (Q) ke dalam atau ke luar sistem juga bergantung pada proses.

  Perhatikan gambar di samping. Gas memiliki volume, temperatur, dan tekanan yang sama dan diasumsikan ideal. Gas terisolasi termal dari lingkungan kecuali pada bagian bawah, dimana ada kontak termal dengan reservoir energi.

  Reservoir energi adalah sumber energi yang sangat besar, sehingga perpindahan energi yang terbatas dari atau ke reservoir tersebut tak mengubah temperaturnya. Piston ditahan pada posisi awalnya dengan agen luar, misalnya tangan. Bila gaya yang menahan piston dikurangi sedikit, piston naik perlahan ke posisi akhirnya. Karena piston bergerak ke atas maka gas melakukan kerja. Selama ekspansi ke volume akhir V , energi panas masuk dari _f Perhatikan suatu sistem yang terisolasi termal sempurna seperti gambar di samping. Bila membran tiba-tiba dirobek maka gas mengembang dekan cepat ke daerah vakum sampai mengisi volume V _f dan pada tekanan P . _f

  Gas tidak melakukan kerja karena tidak ada gaya padanya. Tidak ada gaya yang diperlukan untuk membuat gas mengembang. Tidak ada energi yang

  dipindahkan panas melewati dinding isolasi.

  Proses ini memiliki keadaan awal dan akhir sama dengan Gambar pada slide sebelumnya, tetapi lintasan berbeda.

  Jadi, energi yang dipindahkan oleh panas, seperti kerja yang dilakukan, bergantung pada keadaan awal, akhir, dan antara dari sistem.

Hukum Pertama Termodinamika

  Ada dua cara energi dipindahkan antara sistem dan lingkungannya.

  1. kerja pada sistem (ada perpindahan makroskopik pada titik yang dikenai gaya).

  2. panas, pada level molekular bilamana terdapat perbedaan temperatur melintasi batas sistem.

  Kedua mekanisme ini menyebabkan perubahan energi-dalam sistem dan menghasilkan perubahan yang dapat diukur pada variabel makroskopik dari sistem tersebut seperti tekanan, temperatur dan volume suatu gas. Suatu sistem berubah dari kedaan awal (P , V ) ke keadaan akhir (P , V ). _{i i f f} Selama perubahan ini, terjadi perpindahan panas (Q) ke sistem, dan kerja (W) dilakukan pada sistem. Jika Q+W diukur diukur untuk berbagai lintasan, hasilnya sama untuk semua lintasan. Jadi Q+W ditentukan sepenuhnya oleh kedaan awal dan akhir, kuantitas ini disebut

  perubahan energi-dalam (ΔU) sistem. dU dQ dW

    U Q W

    

  Persamaan ini disebut Hukum Pertama Termodinamika

  (First law of thermodynamics)

  Konsekuensi dari hukum ini adalah terdapatnya suatu kuantitas yang dikenal dengan energi dalam yang nilainya ditentukan oleh keadaan sistem. Jadi energi dalam adalah variabel keadaan seperti tekanan,

  Kasus Khusus Hukum Pertama Termodinamika

Sistem terisolasi

  Sistem tidak berinteraksi dengan lingkungan. Tidak ada perpindahan energi oleh panas (Q=0) dan tidak ada kerja yang dilakukan pada sistem (W=0). Karena

  Q = W = 0, maka ΔU = 0, dan U = U _{akhir awal} Energi dalam sistem terisolasi adalah konstan.

Proses Siklus

  Sistem tidak terisolasi, proses berupa suatu siklus (proses yang dimulai dan berakhir di keadaan yang sama). Disini, perubahan energi dalam adalah nol, karena U adalah variabel keadaan, dan jadinya energi panas Q yang ditambahkan pada sistem sama dengan kerja W pada sistem. ΔU = 0 dan Q = -W.

  Aplikasi Hukum Pertama Termodinamika

Proses Adiabatik

  Tidak ada energi panas keluar atau masuk sistem (Q=0). Dinding atau batas-sistem terisolasi termal.

  U Q W   

  W  U 

  Jika suatu gas ditekan secara adiabatik sehingga W positif, dan ΔU positif dan temperatur gas naik.

  Sebaliknya, temperatur gas turun bila gas tersebut mengembang (berekspansi) secara adiabatik.

Proses Isobarik

  Proses yang terjadi pada tekanan tetap disebut proses isobarik. Proses ini dapat dibuat dengan membiarkan piston bergerak bebas sehingga piston selalu dalam kesetimbangan antara gaya netto dari tekanan gas ke atas dan berat piston ditambah gaya karena tekanan atmosferik ke arah bawah.

  Pada proses ini, nilai panas dan kerja biasanya tidak nol.

  W P

  V V

     _{f i}

   

  Proses Isovolum Proses yang berlangsung pada volume tetap disebut proses isovolum.

  Tahan piston pada posisi tetap akan menjamin terjadinya proses isovolum. Kerja yang dilakukan adalah nol karena volume tidak berubah.

  W = 0 ΔU = Q

  Bila energi ditambahkan pada sistem pada volume tetap, maka semua energi yang dipindahkan tetap di dalam sistem sehingga energi-dalam sistem naik. Contoh: kaleng cat semprot didekatkan ke api, energi masuk ke dalam sistem (gas di dalam kaleng) oleh panas melewati dinding kaleng.

  Sehingga, temperatur dan tekanan di dalam kaleng naik.

Proses Isotermal

  

Proses yang berlangsung pada temperatur tetap

disebut proses isotermal. Proses ini dapat dibuat dengan meletakkan silinder dalam kontak termal dengan reservoir dengan

temperatur tetap. Energi-dalam gas ideal hanya

fungsi temperatur, sehingga

  ΔU = 0

Q = -W

  Semua energi panas yang masuk sistem dipindahkan ke luar sistem sebagai kerja, sehingga tidak ada perubahan energi-dalam sistem.

  (a). Kerja pada volume konstan

  P

  V f

  W 

  V V i

  (b). Kerja pada tekanan konstan P

  W PdV P dV    

   

   V W P

  V V P

  V      f i

   

  V _i

  V _f

V > V → W < 0 : kerja dilakukan oleh sistem

f i (gas).

  

V < V → W > 0 : kerja dilakukan pada sistem

f i

  Kurva PV adalah sebuah hiperbola. Kurva PV = konstan disebut suatu “isotherm ”.

  ln ^f _i

  V f V i

  V nRT dV W PdV dV nRT nRT

  V V

  V        

     nRT P

  V  constant PV 

  (c). Kerja pada temperatur konstan

  Kondisi adiabatik: sistem terisolasi dari pengaruh lingkungan

• (Q = 0). Persamaan gas ideal:
• 

  PV konst 

    P

  V P

  V  i i f f

• ( ) [( ) 1]

      

  W P V PV   

  1 f f i i

  1 ( )

  V P i

  V P

   f f i

             

   ^ 

  V V ^{ }

^{ }

^{   }   ^{  }

  V V

  V V PV PV

  1 ^{f i V i i i i V i i i i i i f} _f PV dV W PdV dV PV

  1

  1 ^{1 1}

  V V P P i i

  

  Contoh Soal:

  Contoh Soal:

  Contoh Soal:

Contoh Soal:

  Mekanisme Transfer Panas Konduksi

Panas dipindahkan secara langsung melalui sebuah material,

tanpa disertai perpindahan partikel.

  The efectiveness of a material in conducting heat is

  characterized by a parameter called the thermal conductivity there are good thermal conductors (metals) and poor

• ones (insulators).

  Konvek si

  Panas dipindahkan dari satu tempat ke

• tempat lain oleh partikel zat cair atau gas. Tidak terjadi pada zat padat.
• Ketika air direbus, air panas naik dan
• bercampur dengan air yang dingin, dengan demikian panas ditransfer ke air dingin. Udara panas akan bergerak naik, proses inilah
• yang terjadi pada atmosfer kita, sehingga terbentuk awan dan hujan.

Angin

Konveksi di dalam rumah

  Sea Breeze Land Breeze

Radiasi

  Radiasi atau pancaran

• adalah perpindahan kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Laju radiasi bergantung
• pada luas penampang dan pangkat empat temperatur.

  Benda gelap menyerap sebagian besar

• radiasi padanya. Jika sebuah benda memancarkan radiasi
• lebih banyak dari yang diterimanya, akan lebih dingin dari sekitarnya, dan begitu pula sebaliknya.

  

Semua mekanisme transfer panas bisa

saja terjadi secara bersamaan.