Kerjakan soal-soal berikut dengan tepat

Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 200

A. Usaha dan Hukum I Termodinamika

Lemari es seperti pada ilustrasi di atas bekerja dengan memanfaatkan prinsip termodinamika. Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari hubungan kalor dan bentuk lain dari energi. Kalor secara alami bergerak dari materi yang lebih panas ke materi yang lebih dingin. Namun begitu, kalor dapat dipaksa mengalir ke arah yang berlawanan. Sebagai contoh, dalam lemari es, panas secara terus-menerus diambil dari ruangan dalam yang dingin dan dibuang ke udara luar yang lebih panas. Itulah mengapa permukaan luar lemari es, yaitu bagian samping dan belakang biasanya hangat. Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan . Sistem merupakan benda atau sekumpulan benda-benda yang akan diteliti. Adapun lingkungan merupakan semua yang ada di sekitar benda atau benda-benda lainnya yang ada di alam. Lemari es merupakan contoh sistem. Adapun lingkungannya adalah udara luar. Untuk lebih memahami konsep termodinamika, mari kita pelajari uraian berikut T ahukah kamu, mengapa lemari es atau kulkas dapat mendinginkan minuman atau makanan yang disimpan di dalamnya? Minuman dan makanan dalam lemari es menjadi dingin karena mesin pendingin pada lemari es menyerap kalor dari minuman atau makanan itu. Lalu, ke manakah kalor yang terserap tersebut disalurkan? Mengapa sisi-sisi luar lemari es terasa hangat? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan tersebut akan kita bahas pada bab ini. Kata Kunci: Hukum-hukum Termodinamika – Usaha pada Proses Termodinamika – Siklus Termodinamika Gerbang Gambar 9.1 Lemari es Sumber: dok.CAP Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 201

1. Usaha yang Dilakukan Gas

Pada bagian ini kita akan membahas usaha yang dilakukan oleh sistem gas terhadap lingkungannya. Pada bab 8 telah dijelaskan bahwa keadaan gas bergantung pada tekanan, volume, dan suhu. Perubahan pada salah satu komponen, akan menyebabkan perubahan pada komponen yang lain. Perubahan inilah yang dapat kita manfaatkan untuk menghasilkan bentuk energi yang lain, misalnya gerak. Untuk menghasilkan bentuk energi tersebut diperlukan usaha. Usaha dapat kita peroleh dengan mengubah keadaan suatu gas. Pada bab ini kita akan mem- pelajarinya. Perhatikan gambar 9.2 di samping Ketika gas memuai, gas akan menekan dinding piston sebesar: P = F A Akibat tekanan tersebut piston bergeser sejauh s. Usaha yang dilakukan gas adalah: W = F . s W = P . A . s Jika A adalah luas penampang silinder maka A . s = ΔV . Jika per- samaan tersebut kita subtitusikan ke dalam persamaan W = P . A . s maka diperoleh: W = P . ΔV Keterangan: W : usaha J P : tekanan N.m 3 = Pa ΔV : perubahan volume ΔV Pada perubahan volume yang sangat kecil, besarnya usaha dapat dirumuskan sebagai berikut. W = ³ 2 1 V V P dV Usaha yang dilakukan sistem bernilai positif jika sistem melepaskan energi pada lingkungannya. Apabila lingkungan mengadakan usaha pada sistem hingga sistem menerima sejumlah energi maka usaha yang dilakukan sistem adalah negatif. Usaha yang dilakukan pada proses termodinamika berasal dari usaha berbagai macam gaya. Berikut ini adalah usaha pada proses- proses termodinamika. Gambar 9.2 Gas di dalam silinder menekan piston yang bergerak bebas gas F s piston Kompetensi Fisika Kelas XI Semester 2 202

a. Proses Isotermik atau Isotermal Temperatur Tetap

Dari penjelasan sebelumnya, telah kita ketahui bahwa besar usaha yang dilakukan gas adalah: W = P . A . s W = P . V . . . 9.1 Besar usaha suatu proses dapat ditentukan dengan meng- hitung luas daerah di bawah kurva. Kurva usaha pada proses isotermik dinyatakan dengan gambar 9.3. Misalnya kita ambil sebuah elemen volume dV dari gambar 9.3. Usaha yang dilakukan pada perubahan volume dV adalah: dW = P . dV . . . 9.2 Dalam termodinamika berlaku hukum Boyle – Gay Lussac, yaitu: ˜ P V T 1 1 1 = ˜ P V T 2 2 2 Karena pada proses isotermik suhu awal sama dengan suhu akhir, T 1 = T 2 maka: P 1 . V 1 = P 2 . V 2 Dari bab 8 telah kita ketahui bahwa persamaan gas ideal adalah sebagai berikut. P . V = n . R . T P = ˜ ˜ n R T V . . . 9.3 Usaha keseluruhan yang dilakukan sistem merupakan integral dari besar usaha pada perubahan volume dV. Dengan me- masukkan persamaan 9.3 ke dalam persamaan 9.1 diperoleh: W = ³ v v 2 1 dW W = ³ v v 2 1 P . dV W = ³ v v 2 1 ˜ ˜ n R T V dV W = n . R . T ³ v v 2 1 dV V Gambar 9.3 Usaha proses isotermik P P 1 P 2 A B V 2 dV V 1 V B dV Proses Isotermik