Penerapan Hukum I Termodinamika

Penerapan Hukum I Termodinamika- 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 …….. (9–9)

dengan: Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem,

ΔU = U2U1 = perubahan energi dalam sistem, dan

W = usaha yang dilakukan sistem.

Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan (9-9) 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

a. Proses Isotermal

Anda telah memahami bahwa proses isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap. Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V2/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 Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut.

Q = ΔU + W = 0 + W

Q = W = nR T ln (V2/V1) …. (9-10)

b. Proses Isokhorik

Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Anda telah memahami 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

Dari Persamaan (9-11) Anda dapat menyatakan 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 (9-11), didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.

Q = ΔU =(3/2)nR ΔT …(9-12)

atau

Q = U2 — U1 =(3/2)nR (T2 —T1) …. (9-13)

c. 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(V2 – V1) … (9-14)

Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (9-14) dapat dituliskan sebagai

Q =(3/2)nR (T2 — T1) + p (V2 – V1) … (9-15)

d. Proses adiabatik

Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Anda telah mengetahui 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

atau

W = — ΔU = —(U2— U1) … (9-16)

Berdasarkan Persamaan (9-16) tersebut, Anda dapat menyimpulkan 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)

Contoh soal Penerapan Hukum I Termodinamika

1. Sebuah sistem terdiri atas 4 kg air pada suhu 73 °C, 30 kJ usaha dilakukan pada sistem dengan cara mengaduk, dan 10 kkal panas dibuang.

(a) Berapakah perubahan tenaga internal sistem? (b) Berapa temperatur akhir sistem?

Penyelesaian :

Diketahui :

m = 4 kg, T1 = 73° C = 273 + 73 = 346 K

Jawab :

Usaha yang dilakukan W = -30 kJ, kalor yang keluar Q = -10 kkal =10 x 4,18 kJ = 41,8 kJ.

Tenaga internal sistem adalah :

ΔU = Q – W = -41,8 kJ + 30 kJ = -11,8 kJ

masih ingat tentang kalor yang diperlukan untuk mengubah suhu sistem bukan?

Q = mcΔT

Karena Q bernilai negatif maka suhu menjadi turun.

ΔT = 11,8 kJ/((4,18kJ/kg°C)(1,5)) = 1,88°

Jadi, suhu akhir sistem adalah 73 – 1,88 = 71,12 °C

2. Suatu gas menerima kalor 4.000 kalori, menghasilkan usaha sebesar 8.000 J. Berapakah perubahan energi dalam pada gas? (1 kalori = 4,18 joule)

Penyelesaian:

Diketahui: Q = 4.000 kalori = 16.720 J

W = 8.000 J

Ditanya: ΔU = … ?

Jawab:

ΔU = ΔQ W = (16.720 – 8.000) J = 8.720 J

3. Sejumlah 4 mol gas helium suhunya dinaikkan dari 0 oC menjadi 100 oC pada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,314 J/mol.K, tentukan:

a. perubahan energi dalam,

b. usaha yang dilakukan gas, dan

c. kalor yang diperlukan!

Penyelesaian:

Diketahui: n = 4 mol = 0,004 mol

T1 = 0 oC = 0 + 273 = 273 K

T2 = 100 oC = 100 + 273 = 373 K

R = 8,314 J/mol.K

Ditanya : a. ΔU = … ?

b. W = … ?

c. Q = … ?

Jawab:

a. ΔU = .(3/2)n R (T2-T1) = (3/2)(0,004 8,314(373 273)) = 4,988 J

b. W = P (V2 – V1) = nR(T2 –T1) = 0,004 x 8,314 x (373 – 273) = 3,326 J

c. Q = ΔU + W = (4,988 + 3,326) J = 8,314 J

4. Suatu sistem gas monoatomik pada suhu 27º C memiliki tekanan sebesar 1,5 × 105 Pa dan bervolume 15 liter. Sistem menyerap kalor dari lingkungan secara isobarik sehingga suhunya naik menjadi 127º C. Tentukan volume gas sekarang, usaha luar yang dilakukan gas, penambahan energi dalam gas, dan besarnya kalor yang diserap gas!

Diketahui : T1 = 27 + 273 = 300 K

P1 = 1,5 × 105 N/m2

V1 = 15 liter = 15 × 10-3 m3

T2 = 127 + 273= 400 K

Ditanyakan: a. V2 = …?

b. W = …?

c. Δ U= …?

d. Q = …?

Jawab:

a. V1/T1 = V2/T2

V2 = (T2/T1)V1

V2 = (400/300)(1,5×10-3) = 20×10-3 m3

b. W = P.ΔV = (1,5 × 105) × (20 × 10-3) – (15 × 10-3) = (1,5 × 105) × (5 × 10-3) = 7,5 × 10² J

c. U = (P2V2 – P1V1) = (3/2) P(V2 – V1)= (3/2) × (1,5 × 105) × (5 × 10-3) = 11,25 × 102 J

d. Q = W + U = (7,5 × 102) + (11,25 × 102) = 18,75 × 102 J

Sumber Bacaan:

  • Aip Saripudin, dkk. Praktis Belajar Fisika SMA XI IPA. Jakarta: BSE 2009
  • Bambang Haryadi. Fisika SMA XI IPA. Jakarta: BSE 2009
  • Dwi Satya Palupi, dkk. Fisika untuk SMA/MA Kelas XI. Jakarta: BSE 2009
  • Sarwono, dkk. Fisika 2 Kelas XI. Jakarta: BSE 2009
  • Hukum Boyle dan Interpretasi Matematika nya

    Hukum Boyle, sebuah prinsip yang menggambarkan hubungan antara tekanan dan volume gas. Menurut hukum ini, tekanan yang diberikan oleh gas yang diadakan pada suhu...

  • Pengertian Entropi

    Entropi adalah ukuran dari gangguan dalam sistem yang mengandung energi atau informasi. Semakin sedikit keteraturan sebuah sistem, semakin besar entropi. Konsep entropi berguna dalam...

  • Penerapan Hukum II Termodinamika

    Penerapan Hukum II Termodinamika- Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari...

  • Usaha dan Proses dalam Termodinamika

    Usaha dan Proses dalam Termodinamika- Termodinamika adalah cabang ilmu Fisika yang membahas tentang hubungan antara panas (kalor) dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut....

  • Persamaan Umum Gas Ideal

    Persamaan Umum Gas Ideal- Anda tentu telah mengetahui bahwa setiap zat, baik itu zat padat, cair, maupun gas, terdiri atas materi-materi penyusun yang disebut...

Baca juga artikel terkait dengan Penerapan Hukum I Termodinamika

  • Jelaskan Apa yang dimaksud Hambatan udara

    Hambatan udara adalah gaya gesekan yang dialami oleh benda-benda ketika mereka bergerak melalui udara atau udara mengalir di sekitar mereka. Hambatan udara biasanya menentang...

  • Momen Inersia Benda Tegar

    Momen inersia benda tegar atau benda pejal dihitung dengan menghitung jumlah momen inersia tiap partikel dalam benda itu. Pembahasan lebih detil momen inersia benda...

  • Contoh soal Hukum Hooke

    Contoh soal Hukum Hooke- Hubungan antara gaya F yang meregangkan pegas dengan pertambahan panjang pegas x pada daerah elastisitas pertama kali dikemukakan oleh Robert...

  • Perbedaan Tegangan dan Regangan

    Perbedaan tegangan dan regangan – Perubahan bentuk dan ukuran benda bergantung pada arah dan letak gaya luar yang diberikan. Ada beberapa jenis deformasi yang...

  • Sifat Elastisitas pada Bahan

    Sifat Elastisitas pada Bahan – Elastisitas adalah sifat benda yang cenderung mengembalikan keadaan ke bentuk semula setelah mengalami perubahan bentuk karena pengaruh gaya (tekanan...

  • Kecepatan dengan Analisis Vektor

    Kecepatan Rata-Rata dan Kecepatan Sesaat Secara matematis, kecepatan didefinisikan sebagai perubahan posisi per satuan waktu. Di Kelas X, Anda telah mempelajari tentang kecepatan yang...

1 Comment on Penerapan Hukum I Termodinamika

  1. Ridho yulio rahmadino // 2014-04-30 at 20:06 //

    alhamdulillah, terima kasih ,udah kasih materinya, sehingga kami sangat mengerti

Leave a comment

Your email address will not be published.

*