usaha pada termodinamika

1. Usaha Sistem terhadap Lingkungannya

Pada pembahasan Bab sebelumnya, Anda telah mempelajari definisi usaha (W) yang dilakukan pada benda tegar, yaitu

W = F x s

Bagaimanakah cara menghitung usaha pada gas? Tinjaulah suatu gas yang berada dalam tabung dengan penutup berbentuk piston yang dapat bergerak bebas, seperti terlihat pada Gambar 2.

Gambar 2. Ketika gas ideal di dalam tabung dipanaskan,gas tersebut memuai sehingga piston berpindah sejauh Δs.

Ketika gas tersebut dipanaskan, piston akan berpindah sejauh Δs karena gas di dalam tabung memuai dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂. Gaya yang bekerja pada piston adalah F = pA. Jika luas penampang piston (A) dan tekanan gas dalam tabung (P) berada dalam keadaan konstan, usaha yang dilakukan oleh gas dinyatakan dengan persamaan

W = pA Δs

Oleh karena A Δs = ΔV, persamaan usaha yang dilakukan gas dapat ditulis menjadi :

W = p ΔV                        (1–1)

atau

W = p(V₂ – V₁)               (1–2)

dengan: 

p = tekanan gas (N/m²),

ΔV = perubahan volume (m³), dan

W = usaha yang dilakukan gas (joule).

Nilai W dapat berharga positif atau negatif bergantung pada ketentuan berikut.

a. Jika gas memuai sehingga perubahan volumenya berharga positif, gas (sistem) tersebut dikatakan melakukan usaha yang menyebabkan volumenya bertambah. Dengan demikian, usaha W sistem berharga positif.

b. Jika gas dimampatkan atau ditekan sehingga perubahan volumenya berharga negatif, pada gas (sistem) diberikan usaha yang menyebabkan volume sistem berkurang. Dengan demikian, usaha W pada tersebut sistem ini bernilai negatif.

Usaha yang dilakukan oleh sistem dapat ditentukan melalui metode grafik. Pada Gambar 3a dapat dilihat bahwa proses bergerak ke arah kanan (gas memuai). Hal ini berarti V₂ > V₁ atau ΔV > 0 sehingga W bernilai positif (gas melakukan usaha terhadap lingkungan). W sama dengan luas daerah di bawah kurva yang diarsir (luas daerah di bawah kurva p –V dengan batas volume awal dan volume akhir)

Selanjutnya perhatikan Gambar 3b. Jika proses bergerak ke arah kiri (gas memampat), V₂ < V₁ atau ΔV < 0 sehingga W bernilai negatif (lingkungan melakukan usaha terhadap gas). W = – luas daerah di bawah kurva p–V yang diarsir.

Gambar 3. (a) Grafik P–V suatu gas yang mengalami pemuaian (melakukan ekspansi) (b) Grafik P–V suatu gas yang mengalami pemampatan (diberi kompresi)

Cobalah Anda tinjau kembali Persamaan (1–1). Dari persamaan tersebut dan grafik hubungan tekanan (p) terhadap (V) pada Gambar 3, Anda dapat menyimpulkan bahwa suatu sistem dikatakan melakukan usaha (W berharga positif) atau sistem diberi usaha (W berharga negatif), jika pada sistem tersebut terjadi perubahan volume ( ΔV).

Contoh Soal 1 :

Suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap sehingga memuai, seperti terlihat pada gambar.

Tentukanlah usaha yang dilakukan gas. (1 atm = 105 N/m²)

Kunci Jawaban :

Diketahui: p = 2 atm, V₁ = 0,3 L, dan V₂ = 0,5 L.

1 liter = 1 dm³ = 10^–3 m³

W = p ( ΔV) = p (V₂ – V₁)

W = 2 × 105 N/m² (0,5 L – 0,2 L) × 10^–3 m³ = 60 Joule.

Contoh Soal 2 :

Gambar berikut menunjukkan suatu siklus termodinamika dari suatu gas ideal.

tentukanlah usaha yang dilakukan gas:

a. dari keadaan A ke B,

b. dari B ke C,

c. dari C ke D,

d. dari D ke A, dan

e. dari A kembali ke A melalui B, C, dan D

Kunci Jawaban :

Diketahui: p = p_B = 2 N/m², p_D = p_C = 1 N/m², V_A = V_D = 2 m³, dan V_B = V_C = 3 m³.

a. W_AB = p (V_B – V_A) = (2 × 105 N/m²) (3 – 2) × 10^–3 m³ = 200 joule

b. W_BC = p (V_C – V_B) = 0

c. W_CD= p (V_D – V_C) = (1 × 105 N/m²) (2 – 3) × 10^–3 m³ = -100 joule

d. W_DA= p (V_A – V_D) = 0

e. W_ABCDA = W_siklus = 200 Joule + 0 – 100 Joule + 0 = 100 joule

selain itu, dapat ditentukan dengan cara :

W_ABCDA = W_siklus = luas arsiran

W_ABCDA = (2 – 1) × 10⁵ N/m²(3 – 2) × 10^–3 m³

W_ABCDA = 100 joule.

kalor dan perpindahannya

Panas atau kalor adalah salah satu bentuk energi, yaitu energi panas. Jika suatu benda melepaskan kalor pada benda lain maka kalor yang diterima benda lain sama dengan kalor yang dilepas benda itu. Pernyataan ini disebut juga sebagai Asas Black, yaitu jumlah kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima. Panas dapat berpindah melalui radiasi, konveksi dan konduksi. Media yang digunakan dalam perpindahan panas bisa berupa zat padat, cair maupun udara (gas).

Radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas tanpa zat perantara. Contoh paling mudah dari perpindahan panas secara radiasi adalah pancaran sinar matahari. Matahari memancarkan panasnya sehingga sampai ke permukaan bumi melalui ruang hampa. Di ruang hampa tidak ada zat yang dapat dilalui dan juga tidak ada zat yang dapat mengalir. Panas matahari tersebut sampai ke bumi secara langsung atau secara pancaran tanpa melalui zat perantara.

Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas karena terjadinya perpindahan zat. Peristiwa konveksi atau aliran zat terjadi pada perubahan suhu suatu zat. Contohnya adalah air yang sedang direbus. Zat cair dan gas yang terkena panas maka molekul-molekulnya bertambah besar dan beratnya tetap, sehingga akan bergerak ke atas. Gerakan ke atas ini akan diikuti oleh gerakan zat lain secara terus menerus sehingga terjadi aliran zat karena panas. Dari peristiwa aliran inilah, maka panas dapat merambat secara konveksi.

Konduksi

Konduksi adalah perpindahan panas melalui benda padat. Benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik disebut konduktor. Pada umumnya, konduktor terbuat dari logam. Benda yang sukar menghantarkan panas disebut isolator. Menurut Wikipedia, pada peristiwa konduksi, panas mengalir melalui molekul-molekul zat tanpa memindahkan atau menggerakkan molekul zat itu. Benda padat memiliki kemampuan merambatkan panas secara konduksi yang berbeda-beda.

Manusia menggunakan termometer untuk mengukur suhu zat cair, padat maupun gas. Termometer yang dibuat manusia umumnya berisi air raksa atau alkohol. Cara bekerja termometer berdasarkan proses pemuaian. Jika suhu naik, maka air raksa akan memuai dan permukaan air raksa ikut naik. Sebaliknya, bila suhu turun, maka permukaan air raksa akan turun. Dengan cara ini kita dapat mengukur suhu tubuh seseorang sehingga bisa diketahui sedang sehat atau sakit.

jenis-jenis kalorimeter

Beberapa jenis kalorimeter :

1) Kalorimeter Bom

• Merupakan kalorimeter yang khusus digunakan untuk menentukan kalor dari reaksi-reaksi pembakaran.
• Kalorimeter ini terdiri dari sebuah bom ( tempat berlangsungnya reaksi pembakaran, terbuat dari bahan stainless steel dan diisi dengan gas oksigen pada tekanan tinggi ) dan sejumlah air yang dibatasi dengan wadah yang kedap panas.
• Reaksi pembakaran yang terjadi di dalam bom, akan menghasilkan kalor dan diserap oleh air dan bom.
• Oleh karena tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan, maka :

q_reaksi = – (q_air + q_bom )

• Jumlah kalor yang diserap oleh air dapat dihitung dengan rumus :

q_air = m x c x DT

dengan :

m = massa air dalam kalorimeter ( g )

c = kalor jenis air dalam kalorimeter (J / g.^oC ) atau ( J / g. K )

DT = perubahan suhu ( ^oC atau K )

• Jumlah kalor yang diserap oleh bom dapat dihitung dengan rumus :

q_bom = C_bom x DT

dengan :

C_bom = kapasitas kalor bom ( J / ^oC ) atau ( J / K )

DT = perubahan suhu ( ^oC atau K )

• Reaksi yang berlangsung pada kalorimeter bom berlangsung pada volume tetap ( DV = nol ). Oleh karena itu, perubahan kalor yang terjadi di dalam sistem = perubahan energi dalamnya.

DE = q + w dimana   w = – P. DV ( jika DV = nol maka w = nol )

maka

DE = q_v

          2)Kalorimeter Sederhana

Pengukuran kalor reaksi selain kalor reaksi pembakaran dapat dilakukan dengan menggunakan kalorimeter pada tekanan tetap yaitu dengan kalorimeter sederhana yang dibuat dari gelas stirofoam.Kalorimeter ini biasanya dipakai untuk mengukur kalor reaksi yang reaksinya berlangsung dalam fase larutan ( misalnya reaksi netralisasi asam – basa / netralisasi, pelarutan dan pengendapan ).Pada kalorimeter ini, kalor reaksi = jumlah kalor yang diserap / dilepaskan larutan sedangkan kalor yang diserap oleh gelas dan lingkungan diabaikan.

                                               q_reaksi = – (q_larutan+ q_kalorimeter )

                                                 q_kalorimeter = C_kalorimeter x DT

dengan :

                   C_kalorimeter = kapasitas kalor kalorimeter ( J / ^oC ) atau ( J / K )

                  DT = perubahan suhu ( ^oC atau K )

Jika harga kapasitas kalor kalorimeter sangat kecil  maka dapat diabaikan sehingga perubahan kalor dapat dianggap hanya berakibat pada kenaikan suhu larutan dalam kalorimeter.

                                                        q_reaksi = – q_larutan

                                                      q_larutan = m x c x DT

dengan :

                    m = massa larutan dalam kalorimeter ( g )

                    c = kalor jenis larutan dalam kalorimeter (J / g.^oC ) atau ( J / g. K )

                   DT = perubahan suhu ( ^oC atau K )

 Pada kalorimeter ini, reaksi berlangsung pada tekanan tetap (DP = nol ) sehingga perubahan kalor yang terjadi dalam sistem = perubahan entalpinya.

DH  = q_p

Suatu benda yang mempunyai suhu lebih tinggi dari fluida bila dicelupkan kedalam  fluida, maka benda tersebut akan melepaskan kalor yang akan diserap oleh fluida hingga tercapai keadaan seimbang (suhu benda = suhu fluida).

Fenomena diatas sesuai dengan azas black yang menyatakan bahwa jumlah kalor yang dilepaskan oleh benda sama dengan jumlah kalor yang diserap fluida.

Jika diukur panas jenis benda padat berupa logam dengan menggunakan kalorimeter. mula-mula benda dapat dipanaskan dalam gelas kimia sehingga diasumsikan bahwa tempratur benda sama dengan tempratur uap . Titik didih air tergantung pada tekanan udara dan kemudian menentukan titik didih air berdasarkan tabel yang ada.

massa jenis benda padat dapat dihitung menggunakan persamaan :

 mb . Cb . ( tb-t2 ) = ( ma . Ca + H ) ( t2 – t1 )

            Dimana :

·         mb     = massa benda

·         Cb     = panas jenis benda

·         tb     = temperatur benda mula-mula (setelah dipanaskan)

·         t1     = temperatur air mula-mula

·         t2     = temperatur kalorimeter saat keadaan seimbang

·         ma     = massa air

·         H     = harga air kalorimeter

Adapun untuk menentukan massa air mula-mula (Mam) dan massa air setelah dipanaskan  (Map) adalah sebagai berikut :

Mam : (Massa kalorimeter + pengaduk + air) – (massa kalorimeter + pengaduk)

Map  : (Massa gelas beker + air) – (massa gelas beker)

Untuk menentukan harga air kalorimeter (H) dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut

H = m_{b  .} C_b (t_b – t₂) = m_a . C_b (t₂ – t_b)

                             (t₂  –  t₁)

Keterangan :

·         mb    = massa benda (kg)

·         Cb    = panas jenis benda (J/kg.°K)

·         tb    = suhu setelah dipanaskan (°K)

·         t2    = suhu saat setimbang (°K)

·         ma    = masa benda mula-mula (kg)

·         t1    = suhu mula-mula (°K)

·         H    = Harga air kalorimeter

·         c    = 4200 J/kg.k

Didapatkan bahwa kalor merupakan bentuk energi yaitu energi panas. oleh karena itu pada kalor berlaku hukum setelah energi jika dua buah benda yang suhunya barlainan hukum kekelan energi jika dua buah benda yang suhunya berlainan disentukan atau dicampur, benda yang bersuhu tinggi akan melepaskan kalor dan benda yang bersuhu rendah akan menyerap kalor. banyaknya kalor yang dilepas sama dengan banyaknya kalor yang diserap. pernyataan ini sesuai dengan pernyataan/azas blask yang menyatakan: Q  lepas = Q terima.

Dimana kalor jenis merupakan perbandingan diantara kapasitas panas dengan massa benda =  c = Q/(M .  ∆t)Dimana c  adalah kalor jenis, Q adalah jumlah kalor, adalah massa benda dan ∆t adalah perubahan suhu perubahan suhu ini dapat dicari dengan t2 – t1. Dimana suhu saat setimbang kurang dengan suhu mula – mula, kalor jenis zat disebut dengan kalorimeter.

 Semakin tinggi suatu benda maka semakin rendah massa benda. kapasitas kalor juga disebut harga air (H) atau di sebut juga harga air kalorimeter. harga air kalorimeter dapat ditentukan dengan persamaan rumus yang di dapat melalui persamaan azas black yaitu :

Q lepas = Q trima

mb  . Cb (tb – t2) = (ma . Ca  + H) (t2 – t1)

ma  . Ca + H = mb . Cb (tb – t2)

(t2  –  t1)

H = mb  . Cb (tb – t2)  –  ma . Cb

(t2  –  t1)

H = mb  . Cb (tb – t2)  –  ma . Cb  (t2  –  t1)

(t2  –  t1)

siklus joule

Siklus Joule

1. Udara dipanaskan pada tekanan konstan dari temperatur awal T1 ke temperatur T2, yang ditunjukkan oleh grafik 1-2 pada gambar. 

Kalor yang diberikan ke udara 

2. Udara dibiarkan berekspansi secara adiabatik dari v2 ke v3 yang ditunjukkan oleh grafik 2-3 pada gambar 8. Temperatur turun dari T2 ke T3. Pada proses ini tidak ada kalor yang diserap atau dilepaskan oleh udara.

3.  Sekarang udara didinginkan pada tekanan konstan dari temperatur awal T3 ke temperatur T yang ditunjukkan oleh grafik 3-4 pada gambar 7.

4. Udara sekarang dikompresikan secara adiabatik dari v4 ke v1 yang ditunjukkan oleh grafik 4-1 pada gambar 7. Temperatur naik dari T4 ke T1. Tetap pada proses ini tidak ada kalor yang diserap atau dilepaskan oleh udara.

Terlihat dari penjelasan di atas bahwa tidak terjadi pertukaran kalor selama dua proses adiabatik. Pertukaran kalor hanya terjadi selama proses tekanan konstan.

∴ Kerja yang dilakukan = kalor yang diberikan – kalor yang dilepaska

Perubahan Suhu dan Pemuaian

Suhu dan pemuaian adalah salah satu diantara sekian banyak topik yang sering dibahas dalam kajian ilmu Fisika. Berikut ini akan kami sajikan sedikit pembahasan tentang suhu dan pemuaian.

Suhu

Kata suhu sering diartikan sebagai suatu besaran yang menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Seperti besaran lainnya, kita dapat mengukur besaran suhu ini dengan menggunakan alat ukur yang bernama termometer, suatu alat yang dinyatakan dengan angka tertentu yang berfungsi sebagai skala pengukuran suhu. Dewasa ini, telah dikenal berbagai jenis ragam skala untuk pengukuran suhu, yaitu:

1. Skala Celcius.

Ditemukan pertama kali oleh Anders Celcius pada tahun 1742.

Titik lebur: 0 derajat

Titik didih: 100 derajat

Jumlah skala: 100

2. Skala Reaumur

Ditemukan pertama kali oleh Rene Antoine Ferchault de Reaumur pada tahun 1731.

Titik lebur: 0 derajat

Titik didih: 80 derajat

Jumlah skala: 80

3. Skala Fahrenheit

Ditemukan pertama kali oleh Daniel Gabriel Fahrenheit pada tahun 1744

Titik lebur: 32 derajat

Titik didih: 212 derajat

Jumlah skala: 180

4. Skala Kelvin

Ditemukan pertama kali oleh Lord Kelvin pada tahun 1848.

Titik lebur: 273 derajat

Titik didih: 373 derajat

Jumlah skala: 100

Perbandingan skala antara termometer Celcius, Reaumur, dan Fahrenheit adalah:

C : R : F = 5 : 4 : 9

Dengan memperhatikan titik tetap bawah dari masing-masing skala  diatas, maka hubungan dari skala-skala tersebut adalah:

Konversi Skala Celcius dan skala Kelvin adalah:

Pemuaian

Pada umumnya, Sebagian besar zat akan memuai bila dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan. Bila suatu zat dipanaskan (suhunya dinaikkan) maka molekul molekulnya akan bergetar lebih cepat dan amplitudo getaran akan bertambah besar, akibatnya jarak antara molekul benda menjadi lebih besar dan terjadilah pemuaian. Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda akibat kenaikan suhu zat tersebut. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, cair, dan gas. Besarnya pemuaian zat sangat tergantung ukuran benda semula, kenaikan suhu dan jenis zat. Efek pemuaian zat sangat bermanfaat dalam pengembangan berbagai teknologi. Berikut ini jenis-jenis pemuaian:

1. Pemuaian Panjang

Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang berbagai jenis zat padat adalah musschenbroek. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda.

Hubungan antara panjang benda, suhu, dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan persamaan:

2. Pemuaian Luas

Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang.

Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah:

Pemuaian luas dapat kita amati pada jendela kaca rumah. Pada saat udara dingin kaca menyusut karena koefisien muai kaca lebih besar daripada koefisien muai kayu. Jika suhu memanas maka kaca akan memuai lebih besar daripada kayu kusen sehingga kaca akan terlihat terpasang dengan sangat rapat pada kusen kayu.

3. Pemuaian Volume

Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P, lebar L, dan tinggi h dipanaskan hingga suhunya bertambah Δt, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar

aplikasi termodinamika

1. kulkas 

Kulkas merupakan salah satu peralatan rumah tangga yang merupakanaplikasi termodinamika. Kulkas atau yang biasa disebut lemari pendingin biasa digunakan untuk menyimpan bahan bahan makanan dan minuman. Tahukah kamu bagaimana cara kerja kulkas ? kulkas bekerja dengan menguapkan bahan pendingin. Untuk melakukan proses ini kulkas mengambil panas dari ruang pendingin sehingga suhu dalam ruang pendingin akan turun. Proses peguapan ini terjadi di dalam evaporator yang berada di dalam ruang pendingin. Sirkulasi udara akan menyebabkan ruang pendingin menjadi dingin secara keseluruhan.

2. dispenser 
Dispenser yang digunakan untuk memanaskan air merupakan aplikasi termodinamika. proses pemanasan air pada dispenser berlangsung sesaat setelah air dimasukkan ke dalam tabung pemanas dispenser. Tabung pemanas ialah tabung yang terbuat dari logam dan dikelilingi oleh elemen pemanas. Tabung pemanas juga

dilengkapi dengan sensor suhu. Ketika tabung pemanas di isi air, sensor suhu akan mengirimkan pesan pada tabung pemanas untuk bekerja. Elemen pemanas pada tabung pemanas akan menghasilkan suhu tinggi yang diserap oleh air yang bersuhu rendah. Setelah suhu air di dalam tabung pemanas tinggi maka sensor suhu akan memutus arus listrik pada elemen pemanas sehingga suhu air di dalam tabung tidak berlebihan. Jika suhu air terlalu tinggi dapat menyebabkan elemen pemanas rusak.

3. ricecooker 
Aplikasi termodinamika yang lainnya adalah rice cooker. Rice cooker merupakan perlatan rumah tangga yang digunakan untuk memasak dan menghangatkan nasi. Rice cooker mengubah energi listrik menjadi energi panas. Rice cooker bekerja dengan memanipulasi tekanan. Ketika menanak nasi dengan cara biasa air akan mendidih pada suhu 100⁰C, tetapi tidak demikian dengan rice cooker. Seperti yang telah disebutkan di atas bahwa rice cooker memanipulasi tekanan, hal ini karena ricecooker mempunyai suatu lubang dan jika lubang tersebut dibuka tekanan eksternal ricecooker akan sama dengan tekanan udara di luar. Jika lubang ditutup menggunakan katup tekanan udara di dalam rice cooker akan berbeda dengan titik didih cairan. Kondisi ini menyebabkan uap air hanya berada di dalam rice cooker. Massa katup menyebabkan tekanan semakin tinggi sehingga kesetimbangan antar fase juga akan berubah yang menyebabkan terbantuknya titik didih baru. Untuk mengurangi kelebihan tekanan pada ricecooker katup akan mengeluarkan uap air.

sumber : http://www.informasi-pendidikan.com