Hukum Termodinamika

Guys udah pada mendalami tentang Hukum-Hukum Termodinamika ? Untuk itu, kita coba jawab pertanyaan-pertanyaan berikut dari Guru Fisika Mr Rudy yuk :)

Soal :

1. Tafsirkan hukum pertama termodinamika menurut kehidupan anda sehari-hari.

2. Jelaskan usaha yang dilakukan oleh gas, dikaitkan dengan usaha dan energi yang sudah pernah dipelajari di semester pertama kelas XI.

3. Jelaskan kapasitas kalor pada volume tetap dan kapasitas kalor pada volume tetap.

4. Mengapa mesin kalor dan mesin pendingin dinilai kinerja mesinnya saja, jelaskan alasan anda berdasarkan teori yang ada.

Jawab :

1.

Termodinamika Sosial

Dalam pelajaran kewarganegaraan kita disebut dengan makhluk sosial, artinya kita tidak dapat berdiri sendiri tanpa adanya bantuan dari orang lain. Coba kita lihat kembali dalam penerapan Hukum Pertama Termodinamika yang mengatakan, “agar makhluk hidup dapat bertahan hidup, setiap makhluk hidup, baik manusia, hewan, atau tumbuhan tentu saja membutuhkan energi. Kita tidak bisa belajar, jalan-jalan dan lain sebagainya jika tubuh kita lemas tidak berdaya karena kekurangan energi.” Nah, dalam sudut pandang sosial, energi tersebut kita definisikan dengan sebuah bantuan orang lain, jadi kita dapat bertahan hidup dengan layak pasti dengan adanya bantuan dari orang lain. Kita tidak dapat melakukan apa-apa tanpa adanya orang lain. Ketika kita masih kecil pun, kita memerlukan seorang guru untuk mendidik kita, kita memerlukan orang tua untuk menyayangi kita, melatih kita dan membiayai kita sehingga kita dapat menjadi seperti sekarang.

Selanjutnya, penerapan Hukum Pertama Termodinamika juga mengatakan, “ tubuh memperoleh energi dari makanan. Ketika menyantap makanan, kita membawa energi potensial kimia yang terkandung dalam makanan ke dalam tubuh. Adanya tambahan energi dari makanan menyebabkan energi potensial kimia dalam tubuh kita bertambah (∆U bertambah).” Dalam kehidupan sosial, kita bisa menerapkan prinsip tersebut dengan persamaan sebagai berikut : Kita memperoleh bantuan (energi) serta hal-hal positif yang dapat dipetik dari orang lain (makanan) ketika kita mulai bersosialisasi dengan orang lain (menyantap makanan), dari semua itu kita dapat membawa banyak pengalaman-pengalaman orang lain ke dalam diri kita (∆U bertambah) sebagai sesuatu untuk menuntun hidup kita dan memperbaiki diri kita. Adanya banyak pelajaran yang dapat kita ambil dari orang lain dan dari peristiwa-peristiwa yang kita temui dalam kehidupan kita sehari-hari, baik di masa lampau ataupun di masa mendatang membuat kita bisa bertahan hidup dengan lebih baik lagi dan siap menghadapi kerasnya dunia.

2. Usaha yang dilakukan oleh gas, dikaitkan dengan usaha dan energi adalah :

Usaha Luar

Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂ pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p. ∆V

W= p .(V₂ – V₁)

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V₂ > V₁. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V₂ < V₁ dan usaha gas bernilai negatif.

Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik

untuk gas monoatomik

untuk gas diatomik

Dimana :

∆U adalah perubahan energi dalam gas

n adalah jumlah mol gas,

R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol⁻¹ K⁻¹,

∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

3. Kapasitas kalor pada volume tetap dan kapasitas kalor pada tekanan tetap:

Proses Isokhorik ( Volume tetap )

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan Q_V.

Q_V = ∆U

Kapasitas kalor pada volume tetap

a. Untuk gas beratom tunggal ( monoatomik ) diperoleh bahwa :

b. Untuk gas beratom dua ( diatomik ) diperoleh bahwa :

Dimana :

C_v adalah kapasitas kalor volume tetap

n adalah jumlah zat (mol)

R adalah konstanta umum gas 8,317 J/mol ⁰K

= konstanta Laplace.

Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p. ∆V ). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Q_p. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan

Q_V =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Q_p − Q_V

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Q_p) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (Q_V).

Kapasitas kalor pada tekanan tetap

a. Untuk gas beratom tunggal ( monoatomik ) diperoleh bahwa :

b. Untuk gas beratom dua ( diatomik ) diperoleh bahwa :

Dimana :

C_p adalah kapasitas kalor tekanan tetap

n adalah jumlah zat (mol)

R adalah konstanta umum gas 8,317 J/mol ⁰K

= konstanta Laplace.

4. Mesin kalor dan mesin pendingin menggunakan siklus energi kalor secara spontan dan tidak spontan. Jika mesin kalor kalor menyerap energi dari benda bersuhu tinggi ~ sebab secara spontan kalor melepaskan panas atau energinya pada suhu tinggi dan benda yang bersuhu rendah akan secara spontan menyerap energi tersebut. Benda bersuhu rendah dinyatakan mempunyai energi sebesar .

Mengapa dihitung efisiensi ? Berdasarkan pernyataan Clausius, bahwa tidak ada mesin yang menyerap energi seluruhnya kemudian mampu mengubah seluruh energi yang diserap sepenuhnya menjadi kerja/ usaha nah, berdasar pernyataan tersebut maka muncul efisiensi mesin (atau nilai kinerja mesin) yang dinyatakan dengan koefisien yang dibaca “eta”

Pertanyaannya mengapa dikurangi ? Karena adalah energi yang diserap mesin pada tandon (reservoir energi) bersuhu tinggi yang akan melepaskan kalor (energi) secara spontan kepada (reservoir atau tandon energi bersuhu rendah) yang berfungsi menyerap energi tersebut.

Sementara mesin pendingin berprinsip, menyerap energi panas dari dalam suatu ruang dan kemudian menyedot dan membuangnya ke lingkungan. Energi yang dibuang ke lingkungan itu suhunya lebih tinggi. Mengapa ? Karena untuk menyedot energi dari dalam ruang diperlukan pompa pengisap sebab energi dari benda bersuhu rendah tidak dapat mengalir secara spontan. Sehingga energi dalam ruang dinyatakan sebagai dan energi panas yang dibuang ke luar sistem menuju lingkungan dinyatakan sebagai

Bentuk persamaan efisiensi mesin pendingin (koefisien kinerja mesin pendingin dinyatakan dengan huruf cp atau kk) adalah :

cp = kk = karena selalu lebih besar nilainya dari maka hasil pembagian fungsi tersebut selalu lebih dari angka 1.