rangkuman_hukum_termodinamika.docx

7/25/2019 RANGKUMAN_HUKUM_TERMODINAMIKA.docx

1/17

HUKUM TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah nama yang kita berikan kepada bidang

yang mempelajari proses di mana energi dipindahkan sebagai kalor

dan usaha. Dalam mendefnisikan termodinamika, kita sering mengacu

pada sistem tertentu. Sistem adalah suatu benda atau sekelompok

benda yang ingin kita pertimbangkan.

Hukum termodinamika pertama menghubungkan usaha dan

perpindahan kalor dengan perubahan energi internal system, dan

pernyataan umum tentang konservasi energi. Hukum termodinamika

kedua mengepresikan batas kemampuan untuk melakukan usaha yang

bermanaat, dan serng dinyatakan dengan istilah entropi yaitu ukuran

ketidakteraturan.

A. Hukum Termodinamika Pertama

Perubahan energi internal merupakan sebuah sistem tertutup,

U akan sama dengan energi yang ditambahkan ke sistem melalui

pemanasan dikurangi usaha yang dilakukan oleh sistem pada

sekelilingnya. Dalam bentuk persamaan, kita menulis

U = Q W !1-1"

di mana Q adalah kalor neto yang ditambahkan pada sistem dan W

adalah usaha neto yang dilakukan oleh sistem. #arena W dalam pers.

$%$ adalah usaha yang dilakukan oleh system. Sebagai contoh, bila gas

mengembang mela&an suatu piston, maka usaha dilakukan pada

sekitarnya, dan ' positi. (egitu pula sebaliknya, panas ) positi jika

diberikan kepada system dan negative jika keluar dari system.

Pers. $%$ dikenal sebagai hukum termodinamika pertama.

Hukum ini merupakan rumusan kekekalan energy . *nergi panas yang

diberikan pada system diperhitungkan sebagai usaha yang dilakukanoleh system atau sebagai kenaikan energy internal system atau

sebagai kombinasi tertentu dari keduanya, karena Q dan W

mempresentasikan energi yang dipindahkan kedalam atau keluar

sistem, energi internal pun akan berubah sesuai dengan perpindahan

itu. +aka, hukum termodinamika pertama merupakan pernyataan yang

hebat dan luas tentang hukum konservasi energi.


2/17

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bahwa Panas neto

yang ditambahkan pada suatu system sama dengan perubahan

energy internal system ditambah usaha yang dilakukan oleh system.Bila usaha yang dilakukan kepada system, maka W akan bernilai

negative dan U akan meningkat serta Q akan berilai positi bagi kalor

yang ditambahkan ke system, begitu pula sebaliknya.

B. Proe Termodinamika

Terdapat beberapa proses termodinamika yang dapat dijelaskan

oleh hukum termodinamika pertama. Proses%proses tersebut yaitu

1. Proe Ioterma! "#T$ %&

Sistem yang sangat sederhana seperti proses gas ideal dengan

menambahkan kalor atau melakukan usaha yang dilakukan pada

temperature konstan sehingga P-n/T menjadi P-konstan . +aka

grafk tekanan P terhadap volume -, diagram P-, akan membentuk

kurva untuk proses isothermal yang merupakan kurva P- konstan.

0da proses%proses dimana setelah terjadi beberapa perubahan

tertentu dari panas dan usaha, maka sistem akan kembali ke kondisi

a&al. Dalam hal ini, tidak ada variable instrinsik dalam sistemtermasuk energi internal yang mungkin dapat berubah. 1rafk

isothermal sebagai berikut

Temperatur dan massa tetap konstan sehingga, dari persmaan U

3

2 n!" 2 energi internal tidak berubah. +aka berdasarkan hukum

termodinamika pertama !pers. $%$", U Q W 2 sehingga W Q

dimana usaha yang dilakukan oleh gas dalam proses isotermal sama

dengan kalor yang ditambahkan pada gas.


3/17

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bahwa Proses

isothermal merupakan proses yang dialami gas pada suhu yang tetap.

#arena memiliki temperature dan massa yang tetap konstan sehingga

dari $U =3

2 n!"=% energi internalnya tidak berubah.

'. Proe Adia(atik ") $ %&

Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada kalor yang

diperbolehkan mengalir ke dalam atau keluar sistem. Dengan

mengasumsikan Q 2 pada hukum pertama, maka akan menghasilkan

U=W

!$%3"

Hal ini menjelaskan bah&a

jika usaha yang dilakukan oleh sistem !yaitu, jika ' adalah positi",

maka energi internal sistem akan menurun sebanding dengan jumlah

usahanya. (egitu pula sebaliknya, jika usaha dilakukan pada sistem

!yaitu, jika ' adalah negati", maka energi internal sistem akan

meningkat dan temperature naik sebanding dengan jumlah tersebut.

Salah satu contoh proses yang sangat mendekati proses adiabatic

adalah pemuaian gas yang sangat cepat dalam mesin pembakar

internal.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bah&a proses

adiabatik merupakan proses yg tidak ada kalor yg masuk atau keluar dari sistem (gas) ke

lingkungan. Hal ini dapat terjadi apabila terdapat sekat yg tidak menghantarkan kalor

atau prosesnya berlangsung cepat. Pada proses adiabatic jika volume bertambah dengan

jumlah tertentu, maka tekanananya turun lebih banyak pada adiabatic daripada pada

isotermis.


4/17

*. Proe Io(arik dan Io+o!umetrik

Proses isotermal dan adiabatik hanyalah dua proses yang mungkin

terjadi. Terdapat dua proses termodinamika sederhana lain, yaitu

isobarik dan isovolumetrik. Proses isobarik adalah proses dimana

tekanan dijaga konstan, sehingga proses dipresentasikan oleh garis

lurus. Sedangkan proses isovolumetrik atau isokorik adalah proses

dimana volume tidak berubah. 4ika volume sistem !seperti gas"

dipertahankan konstan, sistem itu tidak dapat melakukan usaha dan

jika kita memberi nilai W 2 pada hukum termodinamika pertama,

maka akan menghasilkan

U Q !1-,"

Dari pembahasan diatas maka dapat

disimpukan bah&a proses isobaric merupakanproses yang berlangsung pada tekanan yang

tetap. (ila volume gas bertambah, berarti gas melakukan usaha atau usaha gas positif(proses ekspansi). Jika volume gas berkurang, berarti pada gas dilakukan usaha atau

usaha gas negatif (proses kompresi). Sedangkan pada proses isokhorik merupakan prosesyang volumenya tetap. alam proses ini berlaku hokum termodinamika pertama.

.Meta(o!ime Manuia dan Hukum I

+anusia dan he&an melakukan usaha. 5saha dilakukan ketika

orang berjalan atau mengangkat benda berat. 5saha sendiri pastinyamemerlukan energi. *nergi juga diperlukan tubuh untuk menghasilkan

sel baru, dan menggantikan sel lama yang sudah mati. Proses

perpindahan energi dalam jumlah besar trjadi di dalam organisme

yang disebut metabolisme. #ita dapat menerapkan hukum

termodinamika pertama

U Q W


5/17

Terhadap suatu organisme, misalnya tubuh manusia. 5saha W

dilakukan oleh tubuh dalam berbagai aktivitas. 4ika tidak menghasilkan

penurunan energi internal tubuh !dan temperatur", energi harus ditambahkan untuk menggatikan yang hilang. +eskipun demikian,

energi internal tubuh, mempunyai internal yang lebih tinggi daripada

lingkungannya, sehingga kalor basanya mengalir keluar dari tubuh.

Dalam sistem tertutup, energi internal berubah hanya sebagai hasil

aliran kalor atau usaha yang dilakukan. Dalam sistem terbuka, seperti

manusia, energi internal itu sendiri dapat mengalir ke dalam atau

keluar dari sistem. #etikan kita makan, kita memasukkan energi

internal ke dalam tubuh kita secara langsung, yang kemudian

meningkatkan total energi internal Udalam tubuh kita. *nergi ini pada

akhirnya menjadi usaha dan kalor yang mengalir keluar dari tubuhmenurut hukum pertama.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bahwa dalam tubuh manusiaterdapat energy internal yang dapat mengalir kedalam atau keluar dari systemseperti pada saat kita makan kita memasukkan energy internal kedalam tubuhsecara langsung sehingga total energi internal U dalam tubuh kita meningkatyang kemudian energy tersebut pada akhirnya menjadi usaha dan kalor yangmengalir keluar dari tubuh.

D. Hukum Termodinamika II Pendahuluan

Hukum termodinamika kedua adalah suatu pernyataan tentang

proses mana yang terjadi secara alami dan mana yang tidak. Hukum

ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, semuanya ekuivalen.

/umusan #elvin%Plank atau rumusan mesin panas untuk hokum kedua

termodinamika yaitu 6"idak mungkin bagi sebuah mesin panas yang

beker&a se'ara siklis untuk tidak menghasilkan eek lain selain

menyerap panas dari suatu tendon dan melakukan se&umlah usaha

yang ekuivalen(. Salah satu pernyataan, oleh /. 4. *. 7lausius !$899%

$888", adalah bah&a

#alor dapat mengalir se'ara spontan dari benda panas ke benda

dingin) kalor tidak akan mengalir se'ara spontan dari benda dingin

ke benda panas.

Perkembangan pernyataan umum hukum termodinamika kedua

sebagian didasarkan pada studi tentang mesin kalor. Mein ka!or


6/17

adalah semua peralatan yang mengubah energi ternal menjadi usaha

mekanis, seperti mesin uap dan mesin mobil.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bah&aHukum termodinamika kedua adalah suatu pernyataantentang proses mana yang terjadi secara alami dan manayang tidak. /umusan #elvin%Plank atau rumusan mesinpanas untuk hokum kedua termodinamika yaitu 6"idakmungkin bagi sebuah mesin panas yang beker&a se'ara siklisuntuk tidak menghasilkan eek lain selain menyerap panasdari suatu tendon dan melakukan se&umlah usaha yangekuivalen(.

E. Mein Ka!or

Suatu mesin kalor, atau lebih praktisnya suatu mesin, adalah alat

untuk mengekstraksi energi dari lingkungannya dalam bentuk kalor

dan melakukan pekerjaan yang berguna. Pusat setiap mesin adallah

suatu subtansi ker&a. Dalam mesin uap subtansi kerjanya adalah air,baik dalam bentuk uap maupun dalam bentuk cair. 4ika mesin harus

melakukan usaha secara berkelanjutan, subtansi kerja harus

beroperasi pada suatu siklus, hal itu karena subtansi kerja harus

mele&ati suatu rangkaian tertutup proses termodinamika.

:de dasar di belakang semua mesin kalor adalah bah&a energi

mekanis bisa didapatkan dari energi termal hanya ketika kalor

dimungkinkan mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

Dalam setiap siklus, perubahan dalam energi internal sistem adalah

U 2 karena sistem kembali ke keadaan a&al. +aka masukan kalorQH pada temperatur tinggi "H sebagian diubah menjadi usaha W an

sebagian berubah menjadi kalor Q*pada temperatur yang lebih rendah

"*. (eradasarkan konservasi energi, QH W ; Q*. Temperatur yang

tinggi dan rendah, "H dan "*, disebut temperatur operaimesin.


7/17

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bahwa +de dasar dibelakang semua mesin kalor adalah bahwa energi mekanis bisadidapatkan dari energi termal hanya ketika kalor dimungkinkan

mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. !umus mesinkalor Q- = W Q*.

Eieni

*fsiensi !e" dari suatu mesin kalor dapat didefnisikan sebagai

perbandingan usaha yang dilakukan W, terhadap masukan kalor pada

temperatur tinggi QH

e =

W

Q H !1-

/a"

:ni adalah defnisi yang masuk akal karena W adalah keluaran yang

didapatkan dari mesin, sementara QH adalah apa yang dimasukkan dan

bayar untuk bahan bakar yang dibakar. #arena energi itu

terkonservasikan, masukna kalor QH harus sama dengan usaha yang

dilakukan ditambah kalor yang mengalir keluar pada tempertaur

rendah !Q"


8/17

hanya jika Q< nol ? yaitu, hanya jika ada kalor yang dibuang ke

lingkungan !yang mana akan segera kita lihat tidak pernah terjadi".

Dengan perkataan lain, semua panas yang diserap dari tandon panasharus diubah menjadi usaha dan tidak ada panas yang dibuang ke

tendon dingin.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bah&a *fsiensi !e"

dari suatu mesin kalor merupakan perbandingan usaha yang dilakukan

W, terhadap masukan kalor pada temperatur tinggi QH. *fsiensi

tersebut dapat dirumuskan dengan

e W

Q H Q H[Q L]

Q H = $ %

[Q L]

Q H

Mein arnot

5ntuk mencari cara meningkatkan efsiensi, ilmu&an Prancis Sadi

7arnot !$@A=%$839" mempelajari karakteristik mesin ideal !yang

sekarang kita sebut mesin 7arnot". 7arnot menemukan bah&a semua

mesin reversible yang bekerja antara dua tendon panas mempunyai

efsiensi yang sama dan bah&a tidak ada mesin yang dapatmempunyai efsiensi yang lebih besar dari pada efsiensi mesin

reversible yang dinamakan dengan mesin 7arnot.

+esin 7arnot :deal terdiri dari empat proses yang dilakukan

dalam satu siklus, dua diantaranya adalah proses adiabatik !Q 2"

dan dua isotermal !" 2". Setiap proses dianggap dilakukan secara

berla&anan arah. +aka, setiap proses !misalnya, sepanjang pemuaian

gas mendorong piston" dilakukan begitu lambat sehingga proses dapat

dianggap sebagai sederet keadaan kesetimbangan, dan seluruh proses

dapat dilakukan berla&anan arah tanpa menngubah megnitudo usahayang dilakukan atau kalor yang dipertukarkan. Di lain pihak, proses

sesungguhnya akan terjadi jauh lebih cepatB akan ada torbulensi dalam

gas, akan ada gesekan, dan seterusnya. #arena aktor%aktor ini,

proses sesungguhnya tidak dapat dilakukan berla&anan arah secara

presisi%torbulensi akan berbeda dan kalor yang hilang akibat gesekan


9/17

tidak akan terbalik sendiri. +aka, proses sesungguhnya tidak

reversibel.

Proses%proses isotermal dari mesin 7arnot, dimana kalor QH dan

Q* dipindahkan, diasumsikan dilakukan pada temperatur konstan "- dan

" tidak mungkin ada. Hanya jika

temperatur keluaran " dapat

dicapai. Tapi, mencapai temperatur nol mutlak secara praktis !dan juga

secara teoritis" tidak mungkin. Cpercobaan yang hati%hati menunjukanbah&a nol mutlak tidak dapat tercapai. Hasil ini dikenal sebagai hukum

termodinamika ketiga. #arena tidak ada mesin yang bisa $22>

efsien, kita dapat mengatakan bah&a "idak alat yang dapat

mengubah se&umlah tertentu kalor seluruhnya men&adi usaha. :ni

dikenal sebagai pernataan Ke!+in-P!an2k tentan3 hukum

termodinamika kedua.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bah&asemua mesin

reversible yang bekerja antara dua tendon panas mempunyai efsiensi

yang sama dan bah&a tidak ada mesin yang dapat mempunyai

efsiensi yang lebih besar dari pada efsiensi mesin reversible yang

dinamakan dengan mesin 7arnot. +esin 7arnot :deal terdiri dari empat

proses yang dilakukan dalam satu siklus, dua diantaranya adalah

proses adiabatik !Q 2" dan dua isotermal !" 2".


10/17

4. Re5ri3erator6 Pen3kondii Udara6 dan Pompa Ka!or

Prinsip operasi rerigerator, pengkondisi udara, dan pompa kalor

hanyalah kebalikan prinsip mesin kalor. +asing%masing alat tersebut

beroperasi dengan memindahkan keluar kalor dari lingkungan dingin

ke lingkungan hangat. Dengan melakukan usaha W, kalor diambil dari

daerah yang bertemperatur rendah, "* !seperti di dalam rerigerator"

dan sejumlah kalor yang lebih besar dikeluarkan pada temperatur

tinggi, "H !ruangan". #alor Q< diambil dari kumparan pendingin didalam

rerigerator dan kalor QH dilepaskan oleh kumpara di luar di bagian

belakang rerigerator.

Re5ri3erator sempurna ? dimana tidak ada usaha yang

diperlukan untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke

daerah temperatur tinggi ? tidak mungkin ada. :ni adalah pernyataan

!auiu tentan3 hukum termodinamika kedua6 yang dapat

dinyatakan secara ormal sebagai

Tidak ada a!at an3 dapat memindahkan ka!or dari atu

item pada temperatur T7 ke item kedua pada temperatur

an3 !e(ih tin33i TH.

5ntuk mengalirkan kalor dari benda !atau sistem" bertemeratur rendah

ke benda yang bertemperatur tinggi, harus dilakukan usaha. +aka

tidak ada rerigerator yang sempurna.

Koeien kiner8a "OP& rerigerator didefnisikan sebagai kalor Q

?a Ode No+i Atuti @ain

A1K1 1 1/,

UNIER;ITA; HA7U O7EO

4AKU7TA; KECURUAN DAN I7MU

PENDIDIKANURU;AN PENDIDIKAN 4I;IKA

KENDARI

'%1

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bah&a /erigator dan

pengkondisi udara melakukan usaha untuk mengalirkan kalor dari

dingin ke panas. Sedangkan pada pompa kalor prinsip operasinya mirip

dengan rerigerator dan pengkondisi udara tetapi tujuan pompa kalor


14/17

adalah untuk memanaskan !menghantarkan QH", bukan mendinginkan

!memindahkan Q


15/17

hukum termodinamika kedua, solusi yang dapa diambil yaitu

membatasi penggunaan energi dan menghemat penggunaan bahan

bakar

Dari pembahasan diatas maka disimpulkan bah&a #eluaran kalor

Q


16/17

4ika kita sedikit memberikan gaya lagi hingga ke titik yang

disebut (ata e!ati (elastic limit), benda akan kembali ke panjang

aslinya bilamana gaya eksternal atau gaya luar tidak lagi bekerja.Dimulai dari titik a&al hingga batas elastis ini disebut daerah elastis

1elastis region2. 0pabila sebuah benda diregangkan mele&ati batas

elastis ini, maka benda tersebut akan memasuki daerah plastis 1plasti'

region2 yaitu keadaan dimana benda tak akan kembali ke panjang

aslinya, biarpun gaya eksternal telah dikeluarkan dari benda,

melainkan akan mengalami deormasi secara permanen ? seperti buah

klip kertas yang dibengkokkan. Perubahan panjang maksimum akan

dicapai pada titik batas patah 1breaking point2. (esarnya gaya

maksimum yang dapat dikerjakan pada benda tanpa menjadikan

benda itu patah disebut kekuatan u!timat (ultimate strength)untuk material benda yang bersangkutan.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bah&a Persamaan $%

$ sering disebut sebagai hukum Hooke yang berasal dari nama

/obert Hooke !$=3G%$@23" telah dibuktikan berlaku untuk semua

benda padat mulai dari besi hingga tulang ? namun hanya hingga

suatu ambang batas tertentu saja. #arena jika gaya yang diberikan

terlalu besar, benda akan terenggang secara berlebihan dan akhirnya

akan patah yaitu keadaan dimana benda tak akan kembali ke panjang

aslinya,

0 kl !1-1"

B. Modu!u @oun3

5ntuk tensi 1tension2 dan kompresi 1'ompression2 sederhana,

tegangan pada objek didefnisikan olehF

A , dimana 0 adalah

magnitudo gaya yang diterapkan secara tegak lurus terhadap area 3pada objek. /egangan, atau deormasi unit adalah kuantitas tanpa

dimensi , l

L , perubahan dalam nilai pecahan !atau kadang%kadang

dalam presentase" mengubah panjang benda. 4ika benda merupakan

sebuah batang panjang dan tegangan tidak melebihi kekuatan aslinya,


17/17

maka tidak hanya batang secara keseluruhan, namun juga setiap

bagiannya akan mengalami regangan yang sama ketika tegangan

diberikan. Temuan ini dapat digabungkan dengan persamaan $%$ untukmenghasilkan

l1

E F

A l% !$%9"

dimana l% adalah panjang asli benda, 3 adalah luas penampang

melintangnya, dan l adalah perubahan panjang akibat bekerjanya

gaya eksternal 0. Modu!u @oun3 disimbolkan dengan 46konstanta

proporsionalitas nilainya hanya bergantung pada material benda

yang bersangkutan. #arena 4 merupakan siat dari material saja dantidak bergantung pada ukuran atau bentuk bendanya, maka pers. $%9

jauh lebih bermanaat untuk perhitungan%perhitungan praktis.

Dari pembahasan diatas maka dapat disimpukan bah&a 4ika benda

merupakan sebuah batang panjang dan tegangan tidak melebihi

kekuatan aslinya, maka tidak hanya batang secara keseluruhan,

namun juga setiap bagiannya akan mengalami regangan yang sama

ketika tegangan diberikan. Temuan ini dapat digabungkan dengan

persamaan 0 kluntuk menghasilkan

l1

E F

A l% !$%9"

rangkuman_hukum_termodinamika.docx

Documents