TERMODINAMIKA

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

 

Kumpulan benda-benda atau objek telaah dalam termodinamika disebut sistem,    sedangkan   semua  yang terdapat di luar sistem  disebut lingkungan,  dan secara keseluruhan sistem dan  lingkungan membentuk  alam semesta.    Sistem dan lingkungan dibatasi oleh permukaan tertutup, dapat  berupa permukaan nyata atau permukaan  khayal.   Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi interaksi /pertukaran energi,  yang  mempunyai pengaruh langsung terhadap  keadaan sistem.   Interaksi sistem dengan lingkungan dapat dalam bentuk  perpindahan kalor,  perantaraan kerja,  pertukaran  energi,  perpindahan benda/zat sistem, atau  dapat pula  sekaligus  dengan  perpindahan   kalor dan perantaraan kerja,  sehingga  sistem  dapat dibedakan atas  3 macam, yaitu  :

Sifat atau keadaan  sistem  ditentukan  oleh  besaran-besaran seperti ; volume, tekanan,  temperatur,  kapasitas kalor,  massa jenis, dan lain sebagainya.  Besaran besaran yang  mempengaruhi  sifat-sifat  atau keadaan sistem  disebut koordinat termodinamika /koordinat sistem  atau variabel  keadaan sistem

A.    Keseimbangan  Termodinamik

Bila suatu sistem  dalam keadaan  setimbang termal, setimbang mekanik,  dan setimbang  kimia,  dikatakan sistem   tersebut berada  dalam keadaan setimbang termodinamik.   Dalam keadaan setimbang  antara  variabel-variabel sistem  memberikan gambaran   mengenai keadaan  sistem.   Hubungan antara  sesama  variebel/koordinat sistem disebut persamaan keadaan sistem.    Perubahan  salah satu atau lebih   variabel keadaan  sistem  disebut proses .    Jadi proses  dalam termodinamika  dapat diartikan sebagai   interaksi  antara sistem dan lingkungan  yang mengubah keadaan sistem  dari  keadaan keseimbangan awal (i) menjadi keseimbangan akhir (f), yang terdir dari beberapa proses, antara lain

1.         Proses  Kuasistatik,  yaitu proses  yang berlangsung  sangat lambat, sehingga  perubahan  koordinat termodinamiknya  dari  waktu ke waktu  kecil sekali.   Setiap saat  sistem hampir-hampir  dalam keadaan  setimbang termodinamik, sehingga  selama proses kuasistatik dianggap sistem berada dalam keseimbangan.    Dalam kenyataan  proses kuasistatik sebenarnya tidak ada,  dan ini merupakan suatu proses ideal  yang dimaksudkan untuk mempermudah pembahasan.  Proses yang dijumpai dalam  kenyataan adalah  proses nonkuasistatik.

2.         Proses isometrik (isovolum, isokhorik)  adalah proses   yang berlangsung  pada volume tetap.

3.         Proses Isobarik adalah proses yang berlangsung  pada tekanan tetap

4.         Proses isotermal  adalah proses yang berlangsung  pada temperatur tetap.

B.     Persamaan Keadaan Sistem

1.   Hukum Boyle

Pada tahun 1660 Robert Boyle mengumumkan hasil eksperimennya secara kuantitatif mengenai sifat-sifat gas , yang merupakan salah satu dari eksperimen yang mula-mula dilakukan. Dia menemukan bahwa jika suhu suatu gas dikonstankan, sedangkan volumenya diubah-ubah, maka tekanannya juga berubah-ubah sedemikian rupa, sehingga hasil kali antara tekanan dan volume pada dasarnya tetap konstan. Secara matematis hubungan antara tekanan p, dan volume V dapat ditulis :

pV  = konstan,                                               (3-1)

yang lebih dikenal sebagai hukum Boyle. Sebenarnya, hasil kali pV, tidaklah selalu konstan, ketika tekanan gas berubah-ubah. Oleh sebab itu, untuk memudahkan, kita khayalkan suatu gas, yang disebut gas sempurna atau gas ideal, yang berdasarkan defenisi benar-benar tunduk hukum Boyle pada semua tekanan. Pada tekanan rendah, gas riel, atau gas sejati mendekati atau hampir sama dengan gas sempurna.

2.  Hukum Gay Lussac

Joseph Louis Gay -Lussac meneliti hubungan antara volume dan suhu pada tahun 1802, diikuti oleh peneliti-peneliti lain, seperti Jacques Ac Charles, yang namanya sering dikaitkan dengan Gay Lussac. Menurut Gay-Lussac :

V = V_o { 1 + β (t₂ - t₁)}                                     (3-2)           

Hubungan ini menunjukkan perubahan volume gas, bila terjadi perubahan suhu, dengan syarat tekanan selama proses haruslah konstan. Jika suhu awal t₁ = 0 ^oC, maka :

V = V_o { 1 + β_o t}                                        (3-3)

Dari persamaan di atas, jelas bahwa volume gas, merupakan fungsi linier dari suhu. Kenyataan lain yang diperoleh dari hasil percobaan adalah bahwa ternyata harga β_o hampir sama untuk semua gas, yakni :

β_o  =  0,003660 per C^o,                                    (3-4)

yang hampir sama dengan1/273 .
 

 2. Persamaan Keadaan Gas Ideal

Hukum Boyle dan hukum Gay Lussac dapat digunakan untuk memperoleh persamaan tunggal yang menghubungkan tekanan, volume, dan suhu gas ideal. 

Interaksi sistem dengan lingkungan dapat dilakukan dengan  tiga  cara yaitu  

 kerja  atau usaha luar, pertukaran kalor, dan gabungan kerja dan pertukaran kalor.

1.  Kerja atau usaha luar

Misalkan di dalam silinder   yang tertutup piston  yang sangat tipis  (dianggap tak bermassa)  berisi gas seperti diperlihatkan pada Gambar 6. Piston dapat bergerak maju/mundur tanpa gesekan.  Bila gaya yang dilakukan gas (F)  lebih besar dari  gaya yang diberikan  udara luar (F’)  maka piston  akan bergeser  ke arah luar  dikatakan  sistem  (gas) melakukan usaha luar .   Bila  F < F’ , maka piston  akan bergeser ke arah kiri,  dikatakan   usaha dilakukan terhadap sistem. 

Dalam mekanika, usaha yang dilakukan oleh/terhadap  sistem  memenuhi per-samaan 

   dengan  

dengan perjanjian sebagai berikut :

Bila  sistem (gas) berekspansi atau volume sistem bertambah sebesar dV,  maka dikatakan gas melakukan usaha luar  terhadap lingkungannya. Usaha luar ini dihitung negatif  (-),  karena energi  sistem  berkurang.  Sebaliknya, bila  gas mengalami kompressi, maka   usaha dilakukan oleh lingkungan terhadap gas. Usaha luar ini dihitung positif (+), karena energi sistem bertambah. Oleh sebab itu, secara umum kerja yang dilakukan oleh/pada  gas dapat ditulis

W   = -,                                              (3-14)

Besarnya usaha yang dilakukan  oleh /terhadap sistem,  sama dengan luas daerah di bawah kurva  pada grafik p-V,  dan  bergantung pada jalannya proses.    

1. Pertukaran Kalor

Selain  dengan perantaraan kerja/usaha, interaksi sistem dengan lingkungan juga  dapat terjadi dengan perantaraan pertukaran kalor.    Sama halnya dengan kerja/usaha, bila kalor  memasuki sistem  dihitung positif (+Q), dan bila sistem membebaskan sejumlah kalor dihitung negatif (-Q).  

Usaha  yang dilakukan  oleh /terhadap sistem  atau keluar /masuknya kalor terhadap sistem  dinamakan energi ekternal yang muncul  akibat interaksi sistem dengan lingkungannya.   Selain itu  ada lagi energi internal (energi dalam = U)  yang dimiliki sistem, yaitu semua energi yang dimiliki system,  seperti  energi kinetik, energi potensial,  energi rotasi,  energi vibrasi,  energi listrik  dll.    Untuk gas ideal,  energi internal atau energi dalamnya  hanya  terdiri dari  energi kinetik partikel-partikel  gas yang merupakan  fungsi temperatur (T) saja.   Perubahan energi  internal sistem akibat suatu proses termodinamika, apapun prosesnya  dinyatakan oleh persamaan :

,                                           (3-16)   

(U_i = energi mula-mula system, dan  U_f = energi akhir sistem).

Perlu diingat, bahwa dalam termodinamika, energi internal suatu system pada keadaan tertentu tidak dapat diketahui, yang bisa diketahui hanyalah perubahan energi internal tersebut ketika mengalami suatu proses dari suatu keadaan ke keadaan lainnya, yang dapat dikaitkan dengan pertukaran kalor Q.

A.    Hukum  Pertama Termodinamika 

Gas  dalam silinder pada Gambar 5 yang  dilengkapi piston, mula-mula suhunya  T₁ , sedangkan energi dalamnya   U₁.  Sejumlah kalor Q  diberikan pada gas, akibatnya suhu naik menjadi  T₂ dan energi dalamnya berubah dari U₁ menjadi U_2.  Karena pemanasan, tekanan  gas bertambah, sehingga  piston terdorong ke atas sampai  tercapai keadaan setimbang.   Pemberian kalor  kepada sistem    menye-babkan terjadinyan perubahan energi internal (ditandai  dengan  naiknya  temperatur)  dan adanya usaha luar yang dilakukan sistem.   Keadaan ini dirumuskan  sebagai  berikut :

                                    (3-17)

Artinya :  kalor yang diserap oleh sistem sebagian digunakan  untuk menaikkan  energi internal  positif ) dan sisanya untuk melakukan usaha luar  (W negatif ). Dari persamaan   (3-17):

Gambar  8

nilai Q  dan W  bergantung pada jalannya proses, sedangkan U hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir  system. Beberapa ketentuan  dalam meng-gunakan hukum  I Termodinamika  yaitu 1.      Semua besaran harus  dalam satuan yang sama 2.      W positif bila  usaha dilakukan pada sistem,  dan negatif, bila usaha dilakukan oleh sistem 3.      Q positif bila  kalor diterima sistem dan  negatif bila dilepas sistem.

Dalam bentuk diffrensial  Hukum I Termodinamika  dapat ditulis sebagai    :

                                                 (3-18)

atau

 

B.     Kapasitas Panas Jenis Gas Ideal

Kapasitas panas jenis suatu zat didefenisikan dengan

c  = , 

sedangkan untuk gas lebih mudah dinyatakan dengan

c  = . 

Khusus untuk gas, dikenal dua macam kapasitas panas jenis tergantung dari prosesnya, yakni kapasitas panas jenis gas pada volume konstan (c_v), dan kapasitas panas jenis pada tekanan konstan (c_p), yang berturut-turut dapat kita defenisikan dengan

c_v  =  ,   dan  c_p  = .                             (3-19)

Bagaimanakah hubungan antara c_v dan c_p ?

Misalkan ada 2 silinder dengan keadaan awal yang sama, menjalani proses yang berbeda, silinder A dengan proses isokhorik, sedangkan silinder B dengan proses isobarik.