Materi Termodinamika / Thermodynamics beserta contoh soalnya

THERMODYNAMIC/ TERMODINAMIKA

•Sistem Termodinamika

-Temodinamika adalah cabang ilmu fisika yang membahas tentang suhu, kalor, dan usaha yang mekanik pada gas.

Piston

Bila gas dalam tabung dipanaskan, piston akan bergerak sejauh ∆s karena gas yang memuai. Dan Usaha dihasilkan oleh perubahan volume akibat proses pemanasan tersebut.

Usaha dapat dihitung dari persamaan W = F. s dengan F adalah besar gaya dan s adalah besar perpindahan. Gaya (F) Ditimbulkan oleh tekanan gas P yang bekerja , maka besarnya (F) = P.A , sehingga usaha W dapat ditulis W= (P.A)s. Karena As sama dengan ∆V atau perubahan volume gas , maka diperoleh persamaan
W = P(∆V) = P(V2 - V1)
(Note ; Namun rumus diatas hanya bisa digunakan untuk menghitung Usaha gas pada tekanan tetap ( Isobarik)

Secara umum , usaha dihitung dengan persamaan integral berikut;

Rumus umum usaha gas

Dimana : 

W adalah usaha 

P adalah tekanan

V adalah volume

•HUKUM 1 TERMODINAMIKA
"Besar energi kalor yang diberikan pada suatu sistem tidak seluruhnya diubah menjadi usaha tapi sebagian berubah dalam bentuk perubahan energi dalam. Dalam proses tersebut jumlah energi tetap."

Dinyatakan dengan ;
Q = ∆U + W

Dimana ;
Q merupakan kalor
∆U adalah perubahan energi dalam
W adalah usaha

•PROSES DALAM TERMODINAMIKA

Terdapat empat proses dalam termodinamika, yaitu isobarik, isokorik, isotermis, adiabatis.

1. Isobarik
Isobarik adalah suatu proses perunahan keadaan gas pada tekanan tetap.

Menurut hukum charles , maka persamaan isobarik

V/T = Konstan atau V1/T1 = V2/T2

Maka usaha yang dilakukan adalah

W = P.∆V = P(V2 - V1) → Q = ∆U + W

Dimana ;
P adalah tekanan
∆V adalah perubahan Volume

2. Isokhorik
Isokhorik merupakan suatu proses perubahan keadaan gas pada volume tetap. Diatas sudah dijelaskan bahwa jika Usaha dalam termodinamika timbul akibat adanya perubahan volume oleh proses pemanasan .
Jadi dapat simpulkan bahwa pada proses ini usaha yang dilakukan adalah 0 . menurut Hukum gay-lussac proses isokhorik pada gas dinyatakan dengan persamaan

P/T = Konstan atau P1/T1 = P2/T2

♦ Usaha pada isokhorik
∆V = 0 maka W = 0 → Q = ∆U → ∆U = (3/2).nR∆T

3. Isotermis
Isotermis merupakan suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap .
Menurut hukum boyle , proses isotermis dinyatakan dengan

PV = Konstan atau P1.V1 = P2.V2

Untuk persamaan USAHAnya adalah

∆T = 0 maka ∆U = 0 → W = Q → W = n.R.T.In(V2/V1)

Dimana ;
n adalah jumlah mol
R adalah konstanta umum gas (8,314 J/mol Kelvin)

4. Adiabatis
Adiabatis adalah suatu proses keadaan gas dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem (∆Q=0)

Berdasarkan persamaan Poisson

Persamaan gas ideal dinyatakan sebagai PV = nRT maka persamaan diatas dapat dinyatakan sebagai

Dengan Y adalah konstanta laplace
Y= Cp/Cv
Dimana Cp adalah kapasitas kalor pada tekanan tetap , dan Cv adalah kapasitas kalor pada volume tetap.

Rumus Usaha adiabatis

∆Q = 0 → W = ∆U
W = (3/2).nR(T2 - T1) = (3/2)(P2V2 - P1V1 )

•Siklus carnot dan mesin pendingin
Siklus carnot terdiri dari dua proses yaitu proses isotermis dan adiabatis.

Pada mesin carnot berlaku

Q1/Q2 = T1/T2

Sedangkan pada mesin kalor berlaku

Q1 = W + Q2

Dimana
Q1 adalah kalor pada reservoir suhu tinggi
T1 adalah suhu pada reservoir tinggi

- Efisiensi mesin carnot
Efisiensi yaitu persentase perbandingan antara usaha yang dihasilkan dengan energi pada reservoir suhu tinggi. Dapat ditulis ; η = (W/Q1) x 100%

Untuk mesin carnot efisiensi ditulis

η = [ 1 - T2/T1] x 100%

Untuk mesin kalor ditulis

η = [ 1 - Q2/Q1] x 100%

Dimana ;
Q1 adalah kalor pada reservoir suhu tinggi
T1 adalah suhu pada reservoir suhu tinggi
η adalah efisiensi

*mesin pendingin 
Mesin pendingin bekerja dengan memindahkan kalor dari reservoir suhu tinggi ke reservoir suhu rendah.

Koefisien daya mesin pendingin untuk menghitung kinerja mesin pendingin

Koefisien performansi

Contoh soal

1. Jika reservoir bersuhu tinggi bersuhu 800°k . jika efisiensinya 40% agar efisiensinya naik 50% , maka suhu reservoir harus dinaikan menjadi..

Jawab

η awal 40% 
Ttinggi adalah 800°k
η akhir 50%

η = ( 1 - Tr/Tt) 100%
40%:100% = 1 - Tr/800
0,4 + Tr/800 = 1 
Tr/800 = 1 - 0,4
Tr = (1 - 0,4 ) 800

Dari sini kita dapatkan
T1 ( 1 - η1) = T2 ( 1 - η2)
800 ( 1 - 0,4) = T2 ( 1 - 0,5)
480 = T2(0,5)
T2 = 960° K

Jadi suhu reservoir untuk mencapai efisiensi 50% adalah 960°K

2. 1,5 m³ gas helium yang bersuhu 27°C dipanaskan secara isobarik sampai 87°C . jika tekanan gas helium 4x10^5 N/m², gas helium melakukan usaha sebesar.. Kj

Jawab:

V1 = 1,5
T1 = 300°k
T2 = 360°K

Pertama kita cari V2 
V1/T1 = V2/T2
1,5/300 = V2/360
1,5(360)/300 = V2 
1,8 = V2

Setelah itu mari cari Usaha , isobarik merupakan proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap 

W = P ( ∆V )
W = 4x10^5 ( 1,8 - 1,5 )
W = 4x10^5 ( 0,3 )
W = 120000 J
W = 120 kJ

Contoh soal akan diupdate/ditambahkan dikemudian hari.

Jika ada kesalahan dan yang ingin bertanya mohon beri komentar dan pertanyaannya dikolom komentar..

Baca juga Fisika "Kinetik gas"