Panas Dan Hukum Pertama Termodinamika

PANAS DAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal. Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik klas ik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini,  penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adala h  proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika  bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang. Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Kumpulan  benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan. Prinsip-prinsip Termodinamika dapat dirangkum dalam 3 

Hukum yaitu :

Hukum Termodinamika I :  berkenaan dengan kesetimbangan termal atau Konsep Temperatur. Temperatur.



Hukum Termodinamika I : - konsep energi dalam dan menghasilkan prinsip kekekalan energi. - menegaskan ke ekivalenan perpindahan kalor dan perpindahan kerja.



Hukum Termodinamika II : memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energi dan memperkenalkan  prinsip peningkatan entropi. Hukum termodinamika pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Prinsip tersebut juga di kenal dengan istilah konservasi energi. energi. Hukum pertama

dapat dinyatakan secara sederhana ;selama interaksi antara sistem dan lingkungan,  jumlah energi yang diperoleh sistem harus sama dengan energi yang yang dilepaskan oleh lingkungan. Enegi dapat melintasi batas dari suatu sistem tertutup dalam dua bentuk yang  berbeda : panas (heat) dan kerja (work) (work).. 1.2 Tujuan Penulisan

Makalah ini ditulis dengan tujuan: 1. Dapat memahami Hukum pertama termodinamika dan konsep-konsepnya. 2. Dapat memahami panas, transfer energy panas, konsep kalor, panas jenis, dan laju aliran kalor secara kuasistatik. 1.3 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dalam makalah ini yaitu: 1. Apakah yang dimaksud Termodinamika? 2. Jelaskan tentang Hukum Pertama Termodinamika! 3. Apakah yang dimaksud dengan panas dan bagaimana mentransfer energy panas? 4. Bagaimana proses usaha adiabatic? 5. Apa sajakah bentuk-benyuk usaha mekanik? 6. Jelaskan tentang panas jenis dan laju kalor secara kuasistatik!

BAB II PEMBAHASAN 2.1

TRANSFER ENERGI PANAS

Transfer energi panas biasanya terjadi pada banyak proses kimia dan proses lainnya. Transfer panas seringkali terjadi dalam bentuk kombinasi diantara  berbagai unit operasi, seperti pengeringan kayu atau makanan, makanan, pembakaran bahan  bakar, dan evaporasi. Transfer energi terjadi karena perbedaan temperatur dan aliran panas dari temperatur yang tinggi ke yang rendah. Dalam termodinamika, panas didefinisikan sebagai energi yang terkandung dalam  batasan sistem, dan energi tersebut mengalir karena perbedaan temperatur anatara siatem dengan lingkungan. Hukum kedua termodinamika panas selalu mengalir

melewati batasan sistem menuju temperatur yang lebih rendah. Akan tetapi termodinamika tidak menjelaskan bagaimana energi panas tersebut ditransfer. Ini adalah tugas dari perpindahan panas untuk menjelaskannya. Terdapat tiga macam  jenis perpindahan panas, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi. 2.1.1 Perpindahan Energi Panas Konduksi

Perpindahan ini dapat terjadi pada benda padat, cair, maupun gas. Laju  perpindahan kalor melalui konduksi dapat dihitung secara makroskopik  berdasarkan Hukum Fourier. Contoh sederhana dalam kehidupan sehari-hari misalnya, ketika kita membuat kopi atau minuman panas, lalu kita mencelupkan sendok untuk mengaduk gulanya. Biarkan beberapa menit, maka sendok tersebut akan ikut panas. Panas dari air mengalir ke seluruh bagian sendok. Atau contoh lain misalnya saat kita membakar besi logam dan sejenisnya. Walau hanya salah satu ujung dari besi logam tersebut yang dipanaskan, namun panasnya akan men yebar ke seluruh  bagian logam sampai ke ujung logam yang tidak ikut dipanasi. Hal ini menunjukkan panas berpindah dengan perantara besi l ogam tersebut. 2.1.2 Perpindahan Energi Panas Radiasi

Perpindahan panas radiasi adalah pengetahuan mengenai transfer energi dalam  bentuk gelombang elektromagnetik. Tidak seperti perpindahan konduksi, gelombang elektromagnetik tidak memerlukan medium untuk perambatan energinya. Oleh karena kemampuannya merambat di ruangan vakum, radiasi  panas menjadi dominan pada transfer panas di ruang hampa dan di luar angkasa Sebagai contoh, ketika matahari bersinar terik pada siang hari, maka kita akan merasakan gerah atau kepanasan. Atau ketika kita duduk dan mengelilingi api unggun, kita merasakan hangat walaupun kita tidak bersentukan dengan apinya secara langsung. Dalam kedua peristiwa di atas, terjadi perpindahan panas yang dipancarkan oleh asal panas tersebut sehingga disebut dengan Radiasi. 2.1.3 Perpindahan Energi Panas Konveksi

Konveksi adalah perpindahan panas karena perpindahan zat. Peristiwa konveksi (aliran zat) terjadi pada perubahan suhu suatu zat. Zat cair atau gas yang terkena  panas 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.

Contoh ketika kita memanaskan air menggunakan kompor, kalor mengalir dari nyala api (suhu lebih tinggi) menuju dasar wadah (suhu lebih rendah). Karena mendapat tambahan kalor, maka suhu dasar wadah meningkat. Ingat ya, yang  bersentuhan dengan nyala api adalah bagian luar dasar wadah. Karena terdapat  perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari bagian luar dasar wadah (yang  bersentuhan dengan nyala api) menuju bagian dalamdasar wadah (yang  bersentuhan dengan air). Suhu bagian dalam dasar wadah pun meningkat. Karena air yang berada di permukaan wadah memiliki suhu yang lebih kecil, maka kalor mengalir dari dasar wadah (suhu lebih tinggi) menuju air (suhu lebih rendah). 2.2 BENTUK-BENTUK USAHA MEKANIK  2.2.1

Konsep Energi dan Hubungan Usaha-Energi

Aspek yang penting dari semua jenis energi adalah bahwa jumlah dari semua jenis energi, energy total, tetap sama setelah proses apapun dengan jumlah sebelumnya: yaitu “energi” dapat didefinisikan sedemikian sehingga energy merupakan  besaran yang kekal. Mendefinisikan energi dengan cara tradisional sebagai kemampuan untuk melakukan kerja. Definisi yang sederhana ini tidak terlalu tepat, dan tidak valid untuk semua jenis energi. Pada bagian ini kita hanya membahas mengenai energi kinetik dan energi potensial. Sebuah benda yang sedang bergerak memiliki kemampuan untuk melakukan kerja dan dengan demikian dapat dikatakan mempunyai energi. Energi gerak yang disebut energi kinetik. Energi kinetik berbanding lurus dengan massa benda dan  berbanding lurus dengan kuadrat laju. Dan dapat dituliskan: EK = ½ mv

2

Hubungan antara usaha dan energi kinetik, dimana kita dapat nyatakan usaha total yang dilakukan pada sebuah benda sama dengan perubahan energi kinetiknya. Dan dapat dituliskan Wtot = ∆EK = EK 2 - EK 1

Jika usaha total yang dilakukan pada benda adalah positif, maka energi kinetik  benda bertambah. Jika usaha total yang dilakukan pada benda adalah negatif, maka energi kinetik benda berkurang. Jika usaha total yang dilakukan pada benda sebesar nol, energi kinetiknya tetap konstan. Energi potensial adalah energi yang dihubungkan dengan gaya-gaya yang  bergantung pada posisi atau konfigurasi benda dan lingkungannya. Energi

 potensial gravitasi sebuah benda sebagai hasil kali berat, mg, dan ketinggiannya, y, di atas tingkat acuan tertentu. Dan dapat dituliskan EPgrav = mgy

Pada umumnya perubahan energi potensial yang dihubungkan dengan suatu gaya tertentu, sama dengan negatif dari usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut ji ka  benda dipindahka dari titk pertama ke titik kedua, yang secara matematis dapat dirumuskan WG = - ∆EP

Secara alternatif, kita dapat mendefinisikan perubahan energi potensial sebagai usaha yang dibutuhkan oleh gaya eksternal untuk memindahkan benda tanpa  percepatan antara dua titik. Dan dapat dirumuska secara metematis Wext = ∆EP

Energi potensial elastik berbanding lurus dengan kuadrat panjang rentangannya, dan dapat dirumuskan sebagai berikut 2

EPelastic = ½ kx

Dalam membahas konsep energi, juga akan dibahas mengenai gaya konservatif dan gaya non konservatif. Gaya-gaya seperti gravitasi, dimana usaha yang dilakukan tidak bergantung pada lintasan tetapi hanya pada posisi awal dan akhir, disebut gaya-gaya konservatif. Gaya non konservatif contohnya gaya gesekan, ini disebabkan karena dibutuhkan usaha yang lebih besar untuk mengatasi gesekan, karena jaraknya lebih jauh dan tidak seperti gaya gravitasi, ga ya gesekan selalu memiliki arah yang berlawanan dengan arah gerak benda. Prinsip kekekalan energi mekanik untuk gaya-gaya konservatif : “Jika hanya gaya-gaya konservatif yang bekerja, energi mekanik total dari sebuah sistem tidak  bertambah maupun berkurang pada proses apa pun. Energi tersebut tetap konstan (kekal). Yang dapat dituliskan E2 = E1 = konstan EK 2+EP2 = EK 1+EP1 2.2.2

ENERGI

Jika sebuah benda menempuh jarak sejauh S akibat gaya F yang bekerja pada  benda tersebut maka dikatakan gaya itu melakukan usaha, dimana arah gaya F harus sejajar dengan arah jarak tempuh S. USAHA adalah hasil kali (dot product) antara gaya dan jarak yang ditempuh.

W = F S = |F| |S| cos q

q = sudut antara F dan arah gerak  Satuan usaha/energi : 1 Nm = 1 Joule = 10 7 erg Dimensi usaha energi: 1W] = [El = ML2T-2

Kemampuan untuk melakukan usaha menimbulkan suatu ENERGI (TENAGA).  Energi dan usaha merupakan besaran skalar. Beberapa jenis energi di antaranya adalah: 1.

ENERGI KINETIK (E k ) Ek trans = 1/2 m v2 Ek rot = 1/2 I w 2 m = massa v = kecepatan I = momen inersia w = kecepatan sudut

2.

ENERGI POTENSIAL (E p) E p = m g h h = tinggi benda terhadap tanah

3.

ENERGI MEKANIK (E M)EM = Ek  + E p  Nilai EM selalu tetap/sama pada setiap titik di dalam lintasan suatu benda. Pemecahan soal fisika, khususnya dalam mekanika, pada umumnya didasarkan  pada HUKUM KEKEKALAN ENERGI, yaitu energi selalu tetap tetapi bentuknya bisa berubah; artinya jika ada bentuk energi yang hilang harus ada energi bentuk lain yang timbul, yang besarnya sama dengan energi yang hilang tersebut. Ek  + E p = EM = tetap

Ek1 + E p1 = Ek2 + E p2

2.2.3

Energi Mekanik 

Energi mekanik adalah energi yang berkaitan dengan gerak atau kemampuan untuk bergerak. Ada dua macam energi mekanik yaitu ; energi kinetik dan energi  potensial. a.

Energi kinetik

Energi kinetik adalah energi yang dimiliki benda karena geraknya atau kelajuannya. Energi kinetik dirumuskan : EK = energi kinetik (joule atau J), m = massa (kg), v = kelajuan  b. Energi Potensial Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh benda karena posisinya. Energi  potensial dapat dirumuskan: EP = energi potensial gravitasi (joule atau J), m = massa (kg), g = percepatan gravitasi (m/s2), h = ketinggian benda dari acuan (m). Konsep Energi dan Perubahannya dalam keseharian a.

Konversi energy Konversi energi adalah perubahan bentuk energi dari bentuk satu ke bentuk lainnya.

 b. Konverter energi Konverter energi adalah alat atau benda yang melakukan konversi energi. Beberapa konverter energi yaitu: 1. Setrika listrik mengubah energi listrik menjadi kalor 2. Ayunan mengubah energi kinetik menjadi energi potensial …energi potensial menjadi energi kinetik 3. Rem mobil mengubah energi kinetik menjadi energi kalor. 2.3 KONSEP KALOR  2.3.1

Pengertian Kalor

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu z at. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang

dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga s ebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit. Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor  1. massa zat 2.  jenis zat (kalor jenis) 3.  perubahan suhu Sehingga secara matematis dapat dirumuskan : Q = m.c.(t2 –  t1) Dimana : Q adalah kalor yang dibutuhkan (J) m adalah massa benda (kg) c adalah kalor jenis (J/kgC) (t2-t1) adalah perubahan suhu (C) Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis  Kalor

yang digunakan untuk menaikkan suhu

 Kalor

yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang

digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg) Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c) Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu  benda sebesar 1 derajat celcius. H = Q/(t2-t1) Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor  jenis adalah kalorimeter. c = Q/m.(t2-t1) Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru H = m.c Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Keterangan : Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5) 2.4 USAHA ADIABATIK  2.4.1

Proses Adiabatik 

Proses adiabatic adalah proses yg terjadi pd suatu sistem apabila selama  berlangsungnya proses tidak ada panas (kalor) yg masuk atau keluar. Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U ). Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p1 dan V 1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2 dan V 2, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai.

Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V  dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V  pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam. 2.5 2.5.1

ENERGI DALAM 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 t erkandung 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 ener gi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas se banding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan  perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai

untuk gas monoatomik : untuk gas diatomic

:

Dimana

adalah perubahan energi dalam gas,

adalah jumlah mol gas, adalah

konstanta umum gas ( R = 8,31 J mol−1 K−1, dan _ T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin). 2.5.2

Energi internal dari suatu sistem termodinamika tertutup

Ini penjumlahan di atas dari semua komponen perubahan energi dalam berasumsi  bahwa energi panas menunjukkan positif ditambahkan ke dalam sistem atau kerja yang dilakukan pada sistem, sementara energi negatif menunjukkan kerja dari sistem terhadap lingkungan. Biasanya hubungan ini dinyatakan dalam i stilah yang sangat kecil menggunakan istilah diferensial masing-masing. Hanya energi internal adalah diferensial yang tepat. Untuk sistem hanya menjalani proses termodinamika, yaitu sistem tertutup yang hanya dapat bertukar panas dan kerja,  perubahan energi internal.

2.6 HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan  perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertamatermodinamika ini berbunyi: “Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan  jumlahenergi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.” Pondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh James Prescott Joule yang melalui eksperimen-eksperimennya berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja saling dapat dikonversikan. Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf Clausius pada 1850: "Terdapat suatu fungsi keadaan E, yang disebut 'energi', yang diferensialnya sama dengan jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu proses adiabatik." 2.7

PANAS JENIS

Panas jenis adalah Jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari suatu bahan bermassa m sebesar satu derajat

dinamakan panas jenis dari bahan tersebut. Sehingga, jika panas sejumlah Q ditambahkan kesuatu bahan bermassa m yang mempunyai panas jenis c. Di dalam sistem MKS, satuan untuk panas adalah kilokalori dand i d e f i n i s i k a n s e d e m i k i a n h i n g g a p a n a s j e n i s a i r a d a l a h s a t u  –   y a n g b e r m a k n a b a h w a a p a b i l a s a t u k i l o k a l o r i p a n a s d i b e r i k a n k e p a d a s a t u kilogram air, maka suhu air akan naik sebesar satu derajat Celsius. Apabiladu a a t a u l e b i h z a t dengan suhu yang berbedabeda dicampurkan, merekaakan setimbang termal set ela h beb era pa s aat kare na p anas akan meng ali r dari zat bersuhu lebih tinggi ke zat yang bersuhu lebih rendah sampai semua zat mempunyai suhu yang sama. Jika bahan-bahan penyusun sistem diisolasi sedemikian hingga tidak ada  p e r t u k a r a n p a n a s d e n g a n l i n g k u n g a n n y a , proses tersebut dinamakan adiabatik. Karena panas merupakan satu bentuk d a r i e n e r g i , h o k u m k e k e k a l a n e n e r g i m e n s y a r a t k a n b a h w a u n t u k s u a t u p ros es adiabatik jumlah seluruh perpindahan panas antar penyusun system harus sama dengan nol. Catatan: jika panas ditambahkan kepada suatu sistem, maka Tak > Taw Dan Q bernilai positif;  jika panas diambil dari sistem maka Tak < Taw Dan Q bernilai negatif. Di dalam percobaan ini, sepotong daging ayam (atausosis) seberat mA akan dipanasi pada suhu TL. Daging ayam yang panas ini kemudian dimasukkan ke dalam air bermassa ma dengan suhu Ta yang telah diketahui. Jika Ta < TA panas akan mengalir dari daging ke air sampai suhu setimbang Ts dicapai. Maka jumlahan perpindahan  panas sama dengan nol.

2.7

RESERVOIR ENERGI PANAS (Thermal Energy Reservoirs)

Perlu diketahui istilah reservoir energi panas (Thermal Energy Reservoir) atau lebih umum disebut dengan reservoir. Reservoir mempunyai pengertian adalah suatu benda/zat yang mempunyai kapasitas energi panas (massa x panas jenis) yang besar. Artinya reservoir dapat menyerap/ menyuplai sejumlah panas yang tidak terbatas tanpa mengalami perubahan temperatur. Contoh dari benda/zat  besar yang disebut reservoir adalah samudera, danau dan sungai untuk benda  besar berujud air dan atmosfer untuk benda besar berujud udara.Sistem dua-fasa  juga dapat dimodelkan sebagai suatu reservoir, karena sistem dua-fasa dapat menyerap dan melepaskan panas tanpa mengalami perubahan temperatur. Dalam praktek, ukuran sebuah reservoir menjadi relatif. Misalnya, sebuah ruangan dapat disebut sebagai sebuah reservoir dalam suatu analisa panas yang dilepaskan oleh pesawat televisi. Reservoir yang menyuplai energi disebut dengan source dan reservoir yang menyerap energi disebut dengan sink. http://nopput.blogspot.com/2012/10/panas-dan-hukum-pertama-termodinamika.html

hukum termodinamika

Bab I Pendahuluan Hukum kekekalan energi adalah salah satu dari hukum-hukum kekekalan yang meliputi energi kinetik dan energi potensial. Hukum ini adalah hukum pertama dalam termodinamika. Hukum Kekekalan Energi yaitu (Hukum I Termodinamika) berbunyi: "Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain tapi tidak bisa diciptakan ataupun dimusnahkan (konversi energi)". Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi: Kenaikanenergi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Bab II

Konsep dasar Termodinamika Pondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh James Prescott Joule yang melalui eksperimen-eksperimennya berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja saling dapat dikonversikan. Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh  Rudolf Clausius pada 1850:  "Terdapat suatu fungsi keadaan E, yang disebut 'energi', yang diferensialnya sama dengan jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu proses adiabatik." Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu: 

Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. 

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan  kerja yang dilakukan terhadap sistem. 

Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. 

Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Termodinamika juga berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal. Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energy. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan: * sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

* sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkanh sebagai sifat pembatasnya: - pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas. - pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja. * sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem. Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem). Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, ini disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam hal ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan. Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh  Hukum fase Gibbs.  Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut. Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan.Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut. Hukum I Termodinamika berkaitan dengan Hukum Kekekalan Energi untuk sebuah sistem yang sedang melakukan pertukaran energi dengan lingkungan dan memberikan hubungan antara kalor, energi, dan kerja (usaha). Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa untuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan ke dalam sistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadi perubahan energi. Jadi, dapat dikatakan bahwa Hukum I Termodinamika menyatakan adanya konsep kekekalan energi. Energi dalam sistem merupakan jumlah total semua energi molekul pada sistem. Apabila usaha dilakukan pada sistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya, energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukan usaha pada lingkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalam pada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan oleh sistem. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W …….. (1–1)

dengan: Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem, ΔU = U2 — U1 = perubahan energi dalam sistem, dan W = usaha yang dilakukan sistem. Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan (1 -1) tersebut adalah sebagai berikut. 1. Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif. 2. Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif  3. Jika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif  4. Jika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif  1. Perubahan Energi Dalam Perubahan energi dalam ΔU tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut. Telah diketahui bahwa proses-proses dalam termodinamika terbagi atas empat jenis, yaitu isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik. Perubahan energi dalam terjadi pada setiap proses tersebut dijelaskan sebagai berikut. a.

Proses Isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap.

Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V 2/V1). Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan ΔU = 3/2 nRΔT. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Te rmodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W = 0 + W Q = W = nR T ln (V 2/V1)

(1 -10)

b. Proses Isokhorik Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Diketahui bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W = pΔV = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagai Q = ΔU + W = ΔU + 0 Q = ΔU = U2 - U1 

(1-11)

Dari Persamaan (1-11) dapat diyatakan bahwa kalor yang diberikan pada sistem hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut. Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan (1-11), didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut. Q = ΔU = 3/2 nR ΔT Q = U2 - U1 = 3/2 nR (T 2 —T1)

c.

(1-12) (1-13)

Proses Isobarik Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas

berada dalam keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV = p(V2 – V1). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W Q = ΔU + p(V 2 – V1) (9-14) Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (1-14) dapat dituliskan sebagai : Q = 3/2 nR (T2 —T1) + p (V 2 – V1)

(1-15)

d. Proses adiabatic Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, diketahui bahwa dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi Q = ΔU + W 0 = ΔU + W W = - ΔU = - (U2 - U1)

(1-16)

Berdasarkan Persamaan (1-16) tersebut, dapat disimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai : W = - ΔU = - 3/2 nR (T2 —T1)

(1-17)

Energi dalam secangkir kopi hanya bergantung pada keadaan termodinamikanya (seberapa banyak kopi dan air yang dikandungnya, dan berapa suhunya). Energi tersebut tidak bergantung pada proses persiapan kopinya, yaitu lintasan termodinamika yang membawanya ke keadaan yang sekarang. (Sumber: Fisika Universitas, 2000) 2. Kapasitas Kalor. Kapasitas kalor gas adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu gas sebesar 1°C, untuk volume tetap disebut CV dan untuk tekanan tetap disebut Cp. Secara matematis, kapasitas kalor (C) dinyatakan dengan persamaan : C = Q/ΔT

(1 –18)

Pada gas, perubahan suhu dapat dilakukan dengan proses isobarik atau proses isokhorik. Dengan demikian, kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua, yakni kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas kalor pada volume tetap (V). Perumusan kedua pada kapasitas kalor tersebut secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut. Cp = Q P/ΔT dan CV = Q V/ΔT Jika

(1 –19)

besaran Q P dan Q V dimasukkan

ke

dalam

persamaan

Hukum

Pertama

Termodinamika, akan didapatkan persamaan berikut. a.

Pada proses isokhorik

Q V = ΔU + W

(1 –20)

Oleh karena dalam proses ini volume sistem tetap (ΔU = 0) maka usaha sistem W = 0 sehingga didapatkan persamaan : Q V = ΔU

(1 –21)

b. Pada proses isobaric Q P = ΔU + W Oleh karena dalam proses ini tekanan sistem tetap ( Δp + 0), usaha sistem W = p ΔV. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika dapat dituliskan Q P = ΔU + p ΔV

(1 –22)

Dengan melakukan substitusi Persamaan (1 –21) ke Persamaan (1 –22) dapat dituliskan persamaan Q p = ΔU + p ΔV atau Q p – Q V = p ΔV

(1 –23)

Selanjutnya, jika Persamaan (9 –19) disubstitusikan Persamaan (1 –23) akan diperoleh persamaan (Cp ΔT) – (CV ΔT) = p ΔV (Cp CV)ΔT = p ΔV Cp – CV = p ΔV / ΔT

(1 –24)

Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal pV = nRT, Persamaan (1 –24) dapat dituliskan menjadi Cp – CV = nR

(1 –25)

Untuk gas monoatomik, energi dalam gas dinyatakan dengan persamaan : ΔU = 3/2 nRΔT Dengan demikian, kapasitas kalor pada proses isokhorik (Q V = ΔU) dapat dituliskan sebagai : CV = 3/2 nR

(1 –26)

Umumnya memasak melibatkan proses isobarik. Hal ini disebabkan karena tekanan udara di atas panci, wajan, atau dalam oven microwave tetap konstan sementara makanan dipanaskan. (Sumber: Fisika Universitas, 2000) Besar Cp dapat ditentukan dari Persamaan (1 –25) sehingga diperoleh : Cp = CV + nR Cp = 3/2 nR + nR Cp = 5/2 nR

(1 –27)

Bab III Penerapan Hukum I Termodinamika. Sadi Carnot ialah seorang ilmuwan yang lahir di Paris, Prancis. Sebagian besar waktunya ia gunakan untuk menyelidiki mesin uap. Pada 1824, ia mempublikasikan esai yang berjudul Réflexions sur la puissance motrice du feu et sur les machines propres à développer cette puissance. Penemuannya menjadi dasar ilmu termodinamika dan memberikan

manfaat

iographies.com)

besar

terhadap

kehidupan

manusia.(Sumber:

www.all

Siklus Carnot dan Efisiensi Mesin.

Keadaan suatu sistem dalam termodinamika dapat berubah-ubah, berdasarkan percobaan besaran-besaran keadaan sistem tersebut. Namun, besaran-besaran keadaan tersebut hanya berarti jika sistem berada dalam keadaan setimbang. Misalnya, jika di amati suatu gas yang sedang memuai di dalam tabung, temperatur dan tekanan gas tersebut di setiap bagian tabung dapat berubah-ubah. Oleh karena itu,tidak dapat menentukan suhu dan temperatur gas saat kedua besaran tersebut masih berubah. Agar dapat menentukan besaran-besaran keadaan gas, gas harus dalam keadaan reversibel. Apakah yang dimaksud dengan proses reversible, Proses reversibel adalah suatu proses dalam sistem di mana sistem hampir selalu berada dalam keadaan setimbang. Gambar dibawah merupakan perubahan gas pada siklus reversible. Gambar 8. Perubahan keadaan gas dalam siklus reversibel. Dari grafik p –V tersebut, suatu gas mengalami perubahan keadaan dari A ke B. Diketahui bahwa pada keadaan A sistem memiliki tekanan p1 dan volume V1. Pada tekanan B, tekanan sistem berubah menjadi p2 dan volumenya menjadi V2. Jika gas tersebut mengalami proses reversibel, keadaan gas tersebut dapat dibalikkan dari keadaan B ke A dan tidak ada energi yang terbuang. Oleh karena itu, pada proses reversibel, kurva p –V yang dibentuk oleh perubahan keadaan sistem dari A ke B dan dari B ke A adalah sama. Dalam kenyataannya, sulit untuk menemukan proses reversibel karena proses ini tidak memperhitungkan energi yang hilang dari dalam sistem (misalnya,

gesekan).

Namun,

proses

reversibel

memenuhi

Hukum

Pertama

Termodinamika. Yang dimaksud Siklus termodinamika adalah proses yang terjadi pada sistem sehingga akhirnya sistem kembali pada keadaan awalnya. Prinsip siklus termodinamika ini kali pertama dijelaskan oleh seorang insinyur Perancis bernama Sadi Carnot dan disebut siklus Carnot. Siklus Carnot adalah suatu siklus ideal reversibel yang terdiri atas dua proses isotermal dan proses adiabatik. seperti terlihat pada Gambar 9. gambar 9. Siklus Carnot. Siklus Carnot ini merupakan salah satu prinsip dasar siklus termodinamika yang digunakan untuk memahami cara kerja mesin Carnot. Perhatikanlah Gambar 10. Gambar 10. Siklus Carnot pada mesin Carnot. Pada gambar tersebut suatu gas ideal berada di dalam silinder yang terbuat dari bahan yang tidak mudah menghantarkan panas. Volume silinder tersebut dapat diubah dengan cara memindahkan posisi pistonnya. Untuk mengubah tekanan gas, diletakkan beberapa beban di atas piston. Pada sistem gas ini terdapat dua sumber kalor yang

disebut reservoir suhu tinggi (memiliki suhu 300 K) gas memiliki temperatur tinggi (300 3

K), tekanan tinggi (4 atm), dan volume rendah (4 m ).Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus Carnot. a. Pada langkah, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur sistem tidak berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2, sejumlah kalor (Q 1) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas. b. Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston. Akibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah. c. Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 melalui proses kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah (200 K) menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q 2) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah. d. Pada langkah keempat, gas mengalami proses kompresi adiabatik dan keadaannya berubah dari keadaan 4 ke keadaan1. Jumlah beban di atas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang. Menurut kurva hubungan p –V dari siklus Carnot, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas daerah di dalam kurva p –V siklus tersebut. Oleh karena siklus selalu kembali ke keadaannya semula, ΔUsiklus = 0 sehingga persamaan usaha siklus (Wsiklus) dapat dituliskan menjadi Wsiklus = ΔQ siklus = (Q 1 – Q 2)

(1 –28)

dengan: Q 1 = kalor yang diserap sistem, dan Q 2 = kalor yang dilepaskan sistem. Ketika mesin mengubah energi kalor menjadi energi mekanik (usaha). Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energi kalor yang diserapnya (Q 1) disebut sebagai efisiensi mesin. Persamaan matematis efisiensi mesin ini dituliskan dengan persamaan : η = (W/Q 1) x 100 % dengan η = efisiensi mesin.

(1 –29)

Oleh karena usaha dalam suatu siklus termodinamika dinyatakan dengan W = Q 1 – Q 2 maka Persamaan (1 –30) dapat dituliskan menjadi : η = (Q 1 - Q 2 / Q 1) x 100 % (1 –30) Pada mesin Carnot, besarnya kalor yang diserap oleh sistem (Q 1) sama dengan temperatur reservoir suhu tingginya (T 1). Demikian juga, besarnya kalor yang dilepaskan sistem (Q 2) sama dengan temperatur reservoir suhu rendah mesin Carnot tersebut. Oleh karena itu, Persamaan (1 –30) dapat dituliskan menjadi : (1 –31) Dari Persamaan (1 –31) tersebut, dapat disimpulkan bahwa efisiensi mesin Carnot dapat ditingkatkan dengan cara menaikkan temperatur reservoir suhu tinggi atau menurunkan temperatur reservoir suhu rendah.

Lokomotif Uap

Lokomotif

uap

ini

bekerja

dengan

menggunakan

hukum

pertama

termodinamika. Saat panas dihasilkan oleh batubara atau kayu yang dibakar dalam mesin lokomotif, sebagian energi menaikkan suhu air (yang mendidih dan menghasilkan uap) dalam mesin. Sisa energi dipakai guna mengekspansikan uap untuk menghasilkan kerja dan menggerakkan lokomotif. (Sumber: Fisika Universitas, 1998) Didalam cylinder mesin uap terdapat piston yang mempunyai piston rod yang dihubungkan dengan cross head yang berada diluar cylinder. Cross head dihubungkan oleh connecting rod dengan crank shaft (tidak tampak pada gambar), sehingga apabila piston bergerak kian kemari maka crank shaft dapat berputar. Slide valve yang mempunyai valve rod digerakkan oleh crank shaft melalui eksentrik, sehingga slide valve dapat bergerak kian kemari sambil membuka dan menutup dua buah lubang uap yang berhubungan dengan cylinder. Valve box dimana slide valve berada mempunyai dua saluran, saluran pemasukan yang dihubungkan dengan boiler untuk menyalurkan uap dengan tekanan tinggi (warna merah), dan saluran pembuangan yang dihubungkan dengan cerobong untuk membuang uap bekas (warna biru).

Pada waktu piston mencapai posisi paling kiri, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder bagian kiri sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kiri dari piston dan mendorong piston kekanan, sementara itu lubang uap sebelah kanan dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang keluar melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak kekanan karena ekpansi dari uap. Pada waktu piston mencapai posisi paling kanan, maka slide valve akan membuka lubang uap cylinder bagian kanan sehingga uap dari boiler dapat masuk kedalam cylinder pada bagian kanan piston dan mendorong piston kekiri, sementara itu lubang uap sebelah kiri dihubungkan dengan saluran pembuangan sehingga uap bekas dapat terbuang melalui cerobong. Sebelum akhir langkah piston, lubang uap tersebut sudah ditutup oleh slide valve sehingga pasokan uap terhenti namun piston tetap bergerak kekanan karena ekpansi dari uap. Karena cross head dengan crank shaft dihubungkan oleh connecting rod, maka gerakan kian kemari dari piston tersebut akan diubah menjadi gerakan putaran dari crank shaft. Demikian selama ada pasokan uap dari boiler maka mesin uap akan merubah menjadi tenaga mekanis dengan gerakan putaran dari crank shaft.

Bab IV Kesimpulan Dalam kehidupan sehari-hari Termodinamika banyak sekali di aplikasikan dalam kehidupan nyata, mulai dari hal-hal yang sederhana hingga pada hal yang kompleks. Prinsip siklus termodinamika ini kali pertama dijelaskan oleh seorang insinyur Perancis bernama Sadi Carnot dan disebut siklus Carnot. Siklus Carnot adalah suatu siklus ideal reversibel yang terdiri atas dua proses isotermal dan proses adiabatic. Siklus Carnot ini merupakan salah satu prinsip dasar siklus termodinamika yang digunakan untuk memahami cara kerja mesin Carnot. selain pada siklus Carnot juga dapat kita lihat aplikasinya pada lokomotif uap, yaitu mesin uap pertama yang bias menjadi alat transportasi yang merupakan cikal bakal kereta api modern yang saat ni dapat kita rasakan manfaat nya sampai saat ini. http://afaysum.blogspot.com/2013/06/bab-i-pendahuluan-hukumkekekalanenergi.html