TERMODINAMIKA

1.       Gas Ideal

a.       Sifat gas ideal

1)      Gas terdiri atas partikel-partikel dalam jumlah yang besar sekali, yang senantiasa bergerak dengan arah sembarangan dan tersebar merata dalam ruang yang kecil

2)      Jarak antara partikel gas jauh lebih besar daripada ukuran partikel, sehingga ukuran partikel gas dapat diabaikan

3)      Tumbukan antara partikel-partikel gas dan antara partikel dengan dinding tempatnya adalah elastis sempurna

4)      Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku

b.      Persamaan gas ideal dan tekanan (P) gas ideal

n = N/N_o

T = suhu (K)

R = K.No = 8,31/molK

N = jumlah partikel

V = volume (m³)

n = jumlah molekul gas

K = konstanta Boltzman = 1,38 x 10^-23 J/K

N_o =bilangan Avogadro = 6,023 x 10²³/mol

Energi total (U) dan kecepatan (v) gas ideal

Ek = energi kinetik rata-rata tiap partikel gas ideal

U = energi dalam gas ideal = energi total gas ideal

v = kecepatan rata-rata partikel gas ideal

m = massa satu mol gas

p = massa jenis gas ideal

2.       Usaha Sistem terhadap Lingkungannya

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar yang akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂ pada tekanan P konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

3.       Proses Termodinamika

a.       Proses isotermal

Proses isotermal: proses keadaan sistem pada suhu tetap

b.      Proses isokhorik

Proses isokhorik: proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap

c.       Proses isobarik

Proses isobarik: proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap.

d.      Proses adiabatik

Proses adiabatik: proses perubahan keadaan sistem dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (Q=0). Sehingga usaha dirumuskan:

W = usaha (joule)

γ = konstanta Laplace

P₁, P₂ = tekanan (N/m²)

C_p = kapasitas kalor pada tekanan konstan

C_v = kapasitas kalor pada volume konstan

V₁, V₂ = volume (m³)

T₁, T₂ = suhu (K)

4.       Hukum Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa 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.

Q bernilai + sistem menerima kalor

Q bernilai – sistem melepas kalor

W bernilai + sistem melakukan usaha

W bernilai – sistem menerima usaha

a.       Perubahan 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 terkandung 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 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 energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding 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 diatomik

b.      Aplikasi hukum I Termodinamika

1)      Proses isothermal

Pada proses isothermal ΔT = 0 dimana  dan . Sehingga penerapan hukum I termodinamika menghasilkan:

2)      Proses isokhorik

Pada proses isokhorik  dimana  sehingga . Hukum I termodinamika menghasilkan

3)      Proses isobaik

Pada proses isobarik  sehingga  dan , maka hukum I termodinamika menghasilkan

4)      Proses adiabatik

Proses adiabatik terjadi pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungannya (Q=0). Maka hasil hukum I termodinamika

5.       Kapasitas kalor

Merupakan banyaknya kalor Q yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar 1 kelvin.

Ada 2 macam kapasitas kalor

Kapasitas kalor pada volume tetap (Cv)

a.         Kapasitas kalor pada tekanan tetap (C_p)

Sehingga:

Nilai C_v dan C_p berdasarkan pembagian suhu:

·           Suhu rendah (±250K) :  dan

·           Suhu sedang (±500K) :  dan

·           Suhu tinggi (±1000K) :  dan

·           Sehingga konstanta Laplace γ dapat dihitung secara teoritis, yaitu:

·           Gas monoatomik :

·           Gas diatomik suhu sedang :

6.       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 II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat berlangsung dan tidak dapat berlangsung.

Pembatasan ini dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain:

a.         Hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: kalor mengalir secara spontan dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah dan tidak dapat mengalir secara spontan dalam arah yang sebaliknya.

b.         Hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor. Tidak ada mesin yang dapat mengubah seluruh kalor yang diterimanya menjadi usaha luar.

c.          Hukum II termodinamika dalam pernyataannya tentang entropi. Dalam proses yang irreversible (tidak dapat baik) entropi alam semesta selalu bertambah dan tidak berubah dalam proses reversible (dapat baik)

Entropi

Entropi: besaran termodinamika yang menyertai perubahan pada tiap keadaan. Entropi menyatakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Perubahan entropi pada suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir.

S = enropi (J/K)

Contoh mesin pendingin: lemari es dan pendingin ruangan. Untuk memindahkan kalor darI reservoir dingin T2 ke reservoir panas T1, usaha yang dilakukan pada sistem

Jika penampilan mesin pendingin dinyatakan dengan koefisien daya guna (koefisien performansi) dengan simbol Kp, maka:

Dengan:

K_p            : koefisien daya guna

Q₁           : kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi

Q₂           : kalor yang diserap oleh reservoir suhu rendah

W            : usaha yang diperlukan

T₁            : suhu reservoir suhu tinggi (K)

T₂            : suhu reservoir suhu rendah (K)

7.       Siklus Termodinamika

Siklus yaitu rangkaian proses yang membuat keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awal.

a.       Siklus Carnot

Siklus carnot terdiri dari 4 proses, yaitu 2 proses isothermal dan 2 proses adiabatik.

1)      Proses AB: pemuaian isothermal pada suhu T₁. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q₁ dari reservoir suhu tinggi T₁ dan melakukan usaha W_AB.

2)      Proses BC: pemuaian adiabatik. Pada proses ini, suhu sistem turun dari T₁ menjadi T₂ dan melakukan usaha W_BC.

3)      Proses CD: pemampatan isothermal pada suhu T₂. Pada proses ini, sistem menerima usaha W_CD dan melepas kalor Q₂ ke reservoir suhu bersuhu rendah.

4)      Proses DA: pemampatan adiabatik. Pada proses ini, suhu sistem naik dari T₂ menjadi T₁ akibat menerima usaha W_DA.

b.      Mesin Carnot

Mesin Carnot adalah mesin yang berdasarkan pada konsep termodinamika. Masin kalor ini merupakan hasil hipotesis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar ini dirancang oleh Nicolas Leonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis 1824.

Proses termodinamika pada mesin Carnot bersifat adiabatis, isokhorik, isotermis dan isobarik. Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.

Mesin Carnot memiki efisiensi tertinggi berdasarkan pada siklus Carnot. Selama proses siklus Carnot, sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1, dan melepas kalor Q2 ke reservoir suhu rendah T2. Sehingga menurut hukum I termodinamika, usaha yang dilakukan oleh sitem:

Efisiensi mesin η, adalah perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor yang diterima.

Pada siklus Carnot, berlaku hubungan , sehingga

T₁ = suhu reservoir bersuhu tingi (K)

T₂ = suhu reservoir bersuhu rendah (K)

a.       Prinsip kerja lemari es/ kulkas

Lemari es berfungsi untuk mendinginkan makanan dan minuman agar lebih segar dan tahan lama. Cara kerja lemari es dapat dilihat dari diagram siklus termodinamika berikut ini.

Refrigerant, misalnya freon masuk ke kompresor melalui pipa tembaga dalam bentuk uap. Dalam kompresor freon ditekan sehingga keluar sudah berbentuk uap super panas (vapour super heated) dan bertekanan tinggi. Uap bertekanan ini masuk ke kondensor dan mengkondensasi uap mencari cairan.

Cairan freon yang bertekanan tinggi ini masuk ke katup ekspansi sehingga tekanan turun dengan drastis sehingga terjadi flash evaporator seterusnya masuk ke evaporator untuk diubah menjadi uap evaporator menyerap panas di sekelilingnya, karena evaporator diletakkan di dalam kulkas maka kulkas pun menjadi dingin.

Untuk garis besarnya berikut urutan kerjanya. Freon masuk kompresor dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur rendah, keluar dalam bentuk uap bertekanan dan temperatur tinggi kemudian masuk ke kondensor. Dari kondensor dalam bentuk cairan (temperatur dan tekanan tinggi) ke katup ekspansi tekanan turun (bentuk uap dan cairan) masuk ke evaporator. Dari evaporator keluar dalam bentuk uap dan masuk lagi ke kompresor. Siklus ini terus berulang.

b.      Prinsip kerja pendingin ruangan

Pada Air Conditioner pada dasarnya menggunakan prinsip bahwa pada waktu menguap diperlukan kalor. Alat pada AC itu terdiri dari pompa compressor, evaporator, penukar panas, dan katup pemuaian dan prinsip kerja siklus pendingin udara dapat dilihat pada gambar

Dan sebagai cairan yang bersifat sebagai penghantar dari kalor yang terdapat pada udara adalah freon (diantaranya CCl₂F₂). Pada gambar di atas di sebelah kiri mengandung freon yang bersuhu rendah dan tekanan rendah sedangkan sisi kanan mengandung suhu yang tinggi dan bertekanan tinggi.

Pompa dijalankan oleh motor listrik pada kompressor sehingga menarik uap freon yang keluar dari pembeku, memampatkannya (menaikkan tekanan) dan meneruskannya ke penukar pasa pada tekanan tinggi. Sekarang suhu uap freon menjadi lebih besar daripada suhu udara di sekitar penukar panas, sehingga uap freon akan melepaskan kalornya ke uadara sekitarnya dan uap freon mengembun menjadi cair. Bukti dari pelepasan kalor ke udara sekitarnya adanya tangan anda merasa panas ketika mendekatkan tangan ke sirip-sirip penukar panas pada bagian belakang AC, sehingga udara tersebut mendingin, sedangkan freon cair menguap. Uap freon yang keluar dari pembeku kemudian ditarik oleh pompa kompressor untuk mengulangi siklus berikutnya.

Proses tersebut di atas berjalan berulang-ulang sehingga menjadi suatu siklus yang disebut siklus pendingin pada udara yang berfungsi mengambil kalor dari udara dan membebaskan kalor ini ke tempat lain seperti di luar ruangan.

Posted in: