thermodinamika kimia a dan b
DESCRIPTION
TERMODINAMIKA KA & KB 2014TRANSCRIPT
KULIAH FISIKA UMUM (Seri Thermofisika)
UNIVERSITAS NEGERI SURABAYA
2014
Oleh
Abu ZainuddinDosen Fisika FMIPA
I Love
Phisics
How With You..?
1. Mendefinisikan tentang termodinamika2. Menjelaskan proses isotermal, isobarik, isokhorik
dan proses adiabatik.3. Menjelaskan hukum I termodinamika4. Menjelaskan proses isotermal, isobarik, isokhorik dan proses
adiabatik berdasarkan hukum I Termodinamika5. Menghitung energi dalam berdasarkan hukum I
termodinamika.6. Menghitung tekanan, temperatur, volume, keadaan
akhir dalam proses adiabatik.7. Menjelaskan tentang kapasitas kalor pada tekanan tetap dan pada volume tetap.8. Menjelaskan tentang hukum II Termodinamika9. Menjelaskan tentang prinsip kerja mesin karnot10.Menjelaskan tentang prinsip kerja mesin
pendingin.
Definisi termodinamika
Mempelajari hubungan kerja dengan panas
Cabang ilmu fisika yg membahas konversi energi termal menjadi usaha bermanfaat.
Perlu Medium
Volume, tekanan,
temperatur
USAHA YANG DILAKUKAN GAS
dv
F = P.A
Besarnya usaha yang dilakukan sistem gas agar dapat berpindah sejauh ds adalah :
W = F . ds
W = p . A . ds
dW = p . dV
F = p . A
W = Usaha yang dilakukan gas (Joule) P = TekanandV = perubahan volum (m3)
W = ∫ P.dVW = ∫ P.dV
P
V
W
P
ΔVBesaran ini tidak lain adalah luasan kurva pada grafik P-V
0
Grafik proses isobarik
USAHA YANG DILAKUKAN GAS
b
a
V
V
dVpW .
Besarnya usaha :
ab VVpW
VpW
Proses pemanasasan berlangsung pada TEKANAN tetap
Proses pemanasasan berlangsung pada SUHU tetap
2
1
2
1
V
V
V
V V
dVnRTdV
V
nRTW
b
a
V
V
dVpW .
Besarnya usaha :
V
nRTp
W = n R T ln (V2/V1)
atau
W = - n R T ln (P2/P1)
USAHA YANG DILAKUKAN GAS
P
V
P1
P2
V1 V20
Proses pemanasasan berlangsung pada VOLUME tetap
Pada proses isokhorik tidak terjadi perubahan
volume (ΔV = 0),
sehingga besarnya usaha luar yang dilakukan
oleh gas adalah
W = 0
USAHA YANG DILAKUKAN GAS
Grafik proses isokhorik
P
V0
Proses pemanasasan berlangsung tanpa ada perubahan kalor Pada proses ini tidak
ada kalor yang diserap atau dilepas, sehingga usaha luar yang dilakukan oleh gas berasal dari perubahan energi dalam gas
W = - ΔU
USAHA YANG DILAKUKAN GAS
Grafik proses Adiabatik
P
V
P1
V1
P2
V20
8A B
C
2 4 V (m3)
P (kPa)
4
1. Dua mol gas argon mengalami siklus sebagai berikut :
Apabila dititik A suhu gas 27C maka tentukan usaha persiklus dan usaha total?
Penyelesaiana. Proses A - B (Proses isobarik) W = p V = 8000 (4 – 2) = 16000 J
b. Proses B - C (Proses isokhorik) W = p V = 0 karena V = 0
c. Proses C – A (Proses isotermik) W = n R T ln = (2) (8,31) (300) lan = - 3456 Joule 4
2awal
akhir
V
V
d. Jadi usaha total Wtotal = WA-B + WB-C + WC-A = 16000 + 0 + (-3456) = 12544 Joule
2. Dua mol gas argon mengalami siklus sebagai berikut :
Apabila mesin bekerja 6 siklus setiap sekon, tentukan daya keluaran mesin
80A B
C
2 4 V (m3)
P (kPa)
40
A B
C
Penyelesaian
Usaha yang dilakukan sistem setiap satu siklus sama dengan luas daerah diarsir
Usaha = luas ABC
= (AB x BC)/2
= (2 x 40.000)/2
= 40.000 Joule
kJ240s1
J)(40.0006waktu
usahamesinDaya
HUKUM I TERMODINAMIKA
“ Panas netto yang ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi internal sistem ditambah usaha yang dilakukan sistem”
Qsistem
ΔU W
Q=ΔU + W
Pernyataan bahwa energi adalah kekal
“ “ Panas netto yg ditambahkan pada suatu sistem sama dgn Panas netto yg ditambahkan pada suatu sistem sama dgn perubahan energi internal sistem ditambah usaha yg dilakukan perubahan energi internal sistem ditambah usaha yg dilakukan
sistemsistem””Secara matematis
Q = U+ W
Energi yang mengalir karena perbedaan suhu+ Sistem menyerap kalor dari lingkungan - Sistem melepas kalor ke lingkungan
+ Sistem melakukan usaha ke lingkungan - Sistem dikenai usaha dari lingkungan
Energi total yang terkandung dalam sistem+ Penambahan energi dalam sistem - Pengurangan energi dalam sistem
1. Pada proses isotermik T= 0
Q = U + W
U = 3/2 n . R . T
Karena energi dalam hanya bergantung pada perbedaan suhu maka U = 0
W = n R T ln (V2/V1)
atau
W = - n R T ln (P2/P1)
Jadi
Q = W
P
V
P1
P2
V1 V2
0
2. Pada proses isokhorik (volume tetap) V = 0
Q = U + W W = P . V = 0
U = 3/2 n . R . T
Cv = 3/2 R adalah kalor jenis pada volume tetap
P
V0
TnCTTnCdTnCQ vv
T
T
v 12
2
1
Jadi Q = U
3. Pada proses isobarik (tekanan tetap) P = 0
Q = U + W W = P (V2 - V1) = P . V
P . V = n .R T
U = 3/2 n . R . T
P
V
W
P
ΔV
0a b
Cp = 5/2 R adalah kalor jenis pada tekanan tetap
Hubungan kapasitas kalor Cp dengan Cv
Cp - Cv = nR
TnCTTnCdTnCQ pp
T
T
p 12
2
1
4. Pada proses adiabatik Q = 0
Q = U + W
P
V
P1
V1
P2
V2
0
Berlaku persamaan :
122
1112211
VTVTatauVPVP
= Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace
11
12
1
112
1
2
1
2
1
VVk
Vk
dVVkdVpW
VV
V
V
V
V
Karena kVPVP 2211
Diperoleh U = - W dan
11122 VpVp
W
5. Kapasitas Kalor dan Konstanta Laplace
Kapasitas kalor pada volume konstan (CV) Kalor yg diperlukan untuk menaikkan suhu 1 K pada volume tetap
Kapasitas kalor pada tekanan konstan (Cp) Kalor yg diperlukan untuk menaikkan suhu 1 K pada tekanan tetap
T
QC VV
T
QC PP
Pada volum tetap U = QV
Menurut persamaan QP = U + W
QP = QV + P V
VPTCTC VP karena P V = n R T
CP – CV = n R
Nilai perbandingan antara C pada tekanan tetap dengan C volume tetap
V
P
C
C
Perlu diketahui : Gas diatomik (H2, CO, Cl2)
Suhu rendah CV = 3/2R (translasi)
Suhu Sedang CV = 5/2R (translasi + rotasi) Suhu Tinggi CV = 7/2R (translasi + rotasi + vibrasi)
Gas monoatomik (He, Ne)
CV = 3/2 R pada semua suhu
a. Gas menyerap kalor 350 J dan serentak melakukan usaha 400J
b. Gas menyerap kalor 250J dan serentak usaha 450 J dilakukan pada gas
c. Gas mengeluarkan 600J pada volum tetap
Tentukan perubahan energi dalam apabila
Penyelesaian
a. Q = + 350J dan W = + 400J
U = Q - W = 350J – 400J = - 50J
Jadi energi dalam sistem berkurang 50J
b. Q = + 250J dan W = - 450J
U = Q - W = 250J + 450J = 600J
Jadi energi dalam sistem bertambah 600J
c. Q = - 600J dan W = 0J
U = Q - W = - 600J – 0J = - 600 J
Jadi energi dalam sistem berkurang 600J
Ketika usaha 2000 J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan ½ mol suatu gas monoatomik, suhu mutlaknya menjadi dua kali semula. Tentukan suhu awal gas (R = 8,31 J/mol.K)
Diket : W = - 2000 J, n = 0,5 mol
T2 = 2T1 sehingga T = T2 - T1 = T1
Pada proses adiabatik Q = 0
Sehingga Q = U + W U = - W
Penyelesaian
Untuk gas monoatomik U = 3/2 n R T
U = - W
3/2 n R T = W
K321T
(8,31)(1/2)3
(2000)2
nR3
W2ΔT
1
Ingat !!!!!! Hukum I Termodinamika
tentang kekekalan energi, tanpa membatasi arah perpindahan kalor
Hukum II Termodinamika1.Kalor secara spontan mengalir
dari benda panas ke benda dingin
Siklus adalah :
Serangkaian proses pada suatu sistem sedemikian
sehingga sistem tersebut kembali
ke keadaan semula
W
P
Va
b
c
d
PENGERTIAN SIKLUS
0
2. Rumusan Kelvin–Plank (Tentang mesin kalor)
“Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu
siklus, menerima kalor dari suatu sumber kalor dan mengubah kalor itu
seluruhnya menjadi usaha”
Diagram teori Kelvin-Planck
Tandon panas
sistem
Tandon panas
Tandon dingin
sistem
Q
Q1
Q2
WW
Mesin sempurna
hal yang tidak mungkin Mesin sesungguhnya
Pemuaian isotermalKalor Q1 diserap pada suhu tinggi Gas memuai dan sistem melakukan usaha W pada pengisap
Pemuaian adiabatikQ = 0 dan gas melakukan usaha melalui pemuaian, sehingga U berkurang
Pemampatan adiabatikQ = 0 dan usaha dilakukan pada sistem sehingga U dan suhu naik
Pemampatan isotermikKalor Q2 dibuang pada suhu rendah
Usaha dilakukan pada sistem
P
V
Q
1
Q2
W
a
b
c
d
0
Skema Mesin Karnot
Tandon panas
Tandon dingin
sistemW
Q2
Q1
T2
T1
Efisiensi mesin karnot adalah perbandingan antara usaha W yang dilakukan sistem dengan kalor yang diserap oleh sistem Q1
1
2
1
21
1
1Q
Q
Q
Q
W
Pada proses isotermal U = 0
Dari Q = U + W Q1 – Q2 = W
Pada gas ideal
1
2
1
2
T
T
Q
Q
1
21T
TDiperoleh
P
V
Udara +
Bahan bakar
Gas buang
a
b
c
d
Q2
Q1
S I K L U S O T T O S I K L U S O T T O
0
“Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus,menerima kalor dari suatu sumber kalor dan mengubah kalor itu seluruhnya menjadi usaha”
3. Rumusan Clausius (ttg mesin pendingin)
Diagram teori Clausius
sistem
Tandon panas
Tandon dingin
Tandon panas
Tandon dingin
sistem
Refrigator Sempurna
hal yang tidak mungkin
Refrigator
sesungguhnya
Q1
Q2
Q1
Q2
W
A
B
C
D
E
Pompa listrik A memompakan gas (misal : freon,amoniak) yang
dimampatkan melalui B dengan melepaskan kalor
Di dalam pipa C terjadi pengembunan sehingga gas berubah wujud menjadi cair
Freon cair dialirkan ke ruang beku (D) dan menyerap kalor di
sekitar ruang beku sehingga suhu ruang beku turun
Kemudian gas dialirkan kembali menuju pompa untuk
melakukan proses siklus kembali
PRINSIP KERJA MESIN PRINSIP KERJA MESIN PENDINGINPENDINGIN
Skema Mesin Pendingin
Tandon panas
Tandon dingin
sistem W
Q2
Q1
T2
T1
Koefisien performasi mesin pendingin (COP) adalah perbandingan antara panas yang diambil dari tandon dingin (Q1)dengan pemakaian usaha (W)
W
QCOP 2 Karena W = Q1 – Q2
21
2
Q
2
1
2
1
T
T
Q
Q
21
2
TT
T
*)COP = Coefficient of Performance)
Diket : Q1 = 9220 J, dan W = 1750 J
T1 = 962 K, T2 = 670 K
Tentukan :a. Efisiensi nyatab. Efisiensi
teoritisnya
Sebuah mesin mengambil 9220 J dan melakukan usaha 1750 J setiap siklus saat bekerja diantara 689C dan 397C
Penyelesaian
Efisiensi nyata
%19%1009220
1750%100
1
xxQ
W
Efisiensi teoritis
%30%100962
6701%1001
1
2
xxT
T
Ternyata efisiensi nyata selalu lebih kecil, karena mesin nyata adalah irreversibel, sedangkan mesin karnot (teori) tidak
memperhitungkan proses irreversibel (tidak dapat dibalik) seperti rugi oleh gesekan
Diket : COP = 6,0
T1 = (28 + 273) = 301 KSebuah kulkas memiliki koefisien performansi 6. Jika suhu ruang kulkas adalah 28C. Berapakah suhu paling rendah di dalam kulkas yang dapat diperoleh
Penyelesaian
21
2
TT
TCOP
CK
K
TCOP
COPT
15258
)301(61
61 12Diperoleh
T E R I M A K A S I H