Termodinamika
A. Sifat-sifat Gas Ideal
A. Sifat-sifat Gas Ideal
1. Pengertian gas ideal
Seperti yang telah diketahui fase zat ada tiga yaitu padat, cair dan gas. Udara merupakan contoh dari fase gas. Gas ideal merupakan kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang jaraknya cukup jauh dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Lihat Gambar 8.1. Partikel-partikel itu selalu bergerak secara acak ke segala arah. Pada saat partikel-partikel gas ideal itu bertumbukan antar partikel atau dengan dinding akan terjadi tumbukan lenting sempurna sehingga tidak terjadi kehilangan energi. Apa yang dinamakan gas monoatomik? mono berarti satu atomik berarti atom. Jadi gas monoatomik berarti gas yang partikel-partikelnya berupa atom tunggal. Lihat kembali Gambar 8.1. Contoh gas monoatomik adalah gas helium, neon, dan argon. Untuk kelas XI SMA ini masih dibatasi gas monoatomik. Sebenarnya ada gas yang lain, seperti gas diatomik; oksigen (O2), Nitrogen (N2), dan ada lagi gas triatomik; Karbondioksida (CO2) dan uap air (H2O).
Seperti yang telah diketahui fase zat ada tiga yaitu padat, cair dan gas. Udara merupakan contoh dari fase gas. Gas ideal merupakan kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang jaraknya cukup jauh dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Lihat Gambar 8.1. Partikel-partikel itu selalu bergerak secara acak ke segala arah. Pada saat partikel-partikel gas ideal itu bertumbukan antar partikel atau dengan dinding akan terjadi tumbukan lenting sempurna sehingga tidak terjadi kehilangan energi. Apa yang dinamakan gas monoatomik? mono berarti satu atomik berarti atom. Jadi gas monoatomik berarti gas yang partikel-partikelnya berupa atom tunggal. Lihat kembali Gambar 8.1. Contoh gas monoatomik adalah gas helium, neon, dan argon. Untuk kelas XI SMA ini masih dibatasi gas monoatomik. Sebenarnya ada gas yang lain, seperti gas diatomik; oksigen (O2), Nitrogen (N2), dan ada lagi gas triatomik; Karbondioksida (CO2) dan uap air (H2O).
Keadaan Partikel Gas Monoatomik.
2. Persamaan umum gas
Pernah melihat atau mendengar alat masak Preswere Cooler (Presto)? Alat tersebut digunakan untuk memasak dengan memanfaatkan tekanan gas. Tekanan gas dapat diatur dengan mengatur suhu dan volumenya. Dari penjelasan ini dapat diketahui bahwa gas memiliki besaran-besaran diantaranya adalah tekanan P, volume V dan suhu T. Hubungan ketiga besaran inilah yang dipelajari
dalam bagian ini.
a. Hukum Boyle - Guy Lussac
Keadaan tekanan, volume dan suhu gas dimulai penjelasannya oleh Boyle. Boyle mengalami keadaan gas yang suhunya tetap. Pada saat gas ditekan ternyata volumenya mengecil dan saat volumenya diperbesar tekanannya kecil. Keadaan di atas menjelaskan bahwa pada suhu yang tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.
PV = tetap .........................(1)
Pernah melihat atau mendengar alat masak Preswere Cooler (Presto)? Alat tersebut digunakan untuk memasak dengan memanfaatkan tekanan gas. Tekanan gas dapat diatur dengan mengatur suhu dan volumenya. Dari penjelasan ini dapat diketahui bahwa gas memiliki besaran-besaran diantaranya adalah tekanan P, volume V dan suhu T. Hubungan ketiga besaran inilah yang dipelajari
dalam bagian ini.
a. Hukum Boyle - Guy Lussac
Keadaan tekanan, volume dan suhu gas dimulai penjelasannya oleh Boyle. Boyle mengalami keadaan gas yang suhunya tetap. Pada saat gas ditekan ternyata volumenya mengecil dan saat volumenya diperbesar tekanannya kecil. Keadaan di atas menjelaskan bahwa pada suhu yang tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.
PV = tetap .........................(1)
Keadaan berikutnya dijelaskan oleh Guy Lussac. Menurut Guy Lussac, pada gas yang tekanannya tetap maka volumenya akan sebanding dengan suhunya. Jika ada gas dalam ruang tertutup dengan P = teta p dipanaskan maka volumenya akan berubah. Hubungan ini dapat dir umuskan sebagai berikut.
V/T= tetap .......................(2)
Kedua persamaan di atas jika digabung akan menjadi satu persamaan yang dapat menggambarkan keadaan perubahan P, V dan T (tidak ada yang tetap). Persamaan gabungan itulah yang dinamakan
hukum Boyle-Guy Lussac. Persamaannya dapat kalian lihat di bawah.
PV/T= tetap .....................(3)
Persamaan ini akan berlaku jika perubahan keadaan gas terjadi pada ruang tertutup dan jumlah partikelnya tetap.
V/T= tetap .......................(2)
Kedua persamaan di atas jika digabung akan menjadi satu persamaan yang dapat menggambarkan keadaan perubahan P, V dan T (tidak ada yang tetap). Persamaan gabungan itulah yang dinamakan
hukum Boyle-Guy Lussac. Persamaannya dapat kalian lihat di bawah.
PV/T= tetap .....................(3)
Persamaan ini akan berlaku jika perubahan keadaan gas terjadi pada ruang tertutup dan jumlah partikelnya tetap.
b. Persamaan umum gas
Coba kalian perhatikan kembali persamaan diatas. Persamaan tersebut berlaku pada ruang tertutup yang jumlah partikelnya terjaga tetap. Bagaimana jika jumlah partikel itu berubah? Kalian tentu sering melihat balon yang ditiup. Meniup balon berarti menambah jumlah partikel. Pada saat itu volume benda akan bertambah. Berarti jumlah partikel sebanding dengan volumenya. Contoh kedua adalah saat memompa ban dalam roda sepeda atau mobil. Saat dipompa berarti jumlah partikelnya bertambah. Pertambahan itu dapat memperbesar tekanan sedangkan volume dan suhu tetap. Dari penjelasan itu terlihat bahwa sebanding dengan jumlah partikelnya. Pembandingnya dinamakan konstanta Stefan-Boltzmann, dan disimbolkan k.
Coba kalian perhatikan kembali persamaan diatas. Persamaan tersebut berlaku pada ruang tertutup yang jumlah partikelnya terjaga tetap. Bagaimana jika jumlah partikel itu berubah? Kalian tentu sering melihat balon yang ditiup. Meniup balon berarti menambah jumlah partikel. Pada saat itu volume benda akan bertambah. Berarti jumlah partikel sebanding dengan volumenya. Contoh kedua adalah saat memompa ban dalam roda sepeda atau mobil. Saat dipompa berarti jumlah partikelnya bertambah. Pertambahan itu dapat memperbesar tekanan sedangkan volume dan suhu tetap. Dari penjelasan itu terlihat bahwa sebanding dengan jumlah partikelnya. Pembandingnya dinamakan konstanta Stefan-Boltzmann, dan disimbolkan k.
PV/T~N
PV/T=N×k
PV = NkT.........................(4)
dengan : P = tekanan gas (N/m2 atau Pa)
V = volume gas (m3)
T = suhu gas (K)
N = jumlah partikel
k = 1,38 . 10-23 J/K
Persamaan 4 itulah yang dikenal sebagai persamaan umum gas. Nilai N dapat diubah menjadi N = n N0. n = jumlah mol dan N0 bilangan Avogadrol 6,022 . 1023 partikel/mol. Dan nilai N0k dapat diubah menjadi R = N0k = 8,314 Jmol-1K-1. Dengan substitusi nilai N dan R maka persamaan 8.4 dapat diubah menjadi seperti berikut.
PV = n R T ....................(5)
V = volume gas (m3)
T = suhu gas (K)
N = jumlah partikel
k = 1,38 . 10-23 J/K
Persamaan 4 itulah yang dikenal sebagai persamaan umum gas. Nilai N dapat diubah menjadi N = n N0. n = jumlah mol dan N0 bilangan Avogadrol 6,022 . 1023 partikel/mol. Dan nilai N0k dapat diubah menjadi R = N0k = 8,314 Jmol-1K-1. Dengan substitusi nilai N dan R maka persamaan 8.4 dapat diubah menjadi seperti berikut.
PV = n R T ....................(5)
3. Azas Ekuipartisi
Setiap gas mengandung partikel-partikel yang selalu bergerak. Mengapa selalu bergerak? Partikel-partikel itu dapat bergerak karena memiliki energi. Energinya dinamakan energi kinetik. Energi kinetik rata-rata partikel gas besarnya memenuhi suatu aturan tertentu seperti berikut.
“Jika pada gas berlaku hukum Newton maka semua derajat kebebasan gerak partikel akan menyumbang energi kinetik sebesar 1/2 kT.” Aturan di atas itulah yang dikenal sebagai Azas ekuipartisi atau azas bagi rata. Besar energi kinetik ratarata partikel menjadi sebesar
(Ek) ̅ = f (1/2 kT) .................................(6)
dengan : (Ek) ̅ = energi kinetik rata-rata partikel (joule)
T = suhu gas (K)
f = derajat kebebasan
k = ketetapan Baltzum.
Setiap gas mengandung partikel-partikel yang selalu bergerak. Mengapa selalu bergerak? Partikel-partikel itu dapat bergerak karena memiliki energi. Energinya dinamakan energi kinetik. Energi kinetik rata-rata partikel gas besarnya memenuhi suatu aturan tertentu seperti berikut.
“Jika pada gas berlaku hukum Newton maka semua derajat kebebasan gerak partikel akan menyumbang energi kinetik sebesar 1/2 kT.” Aturan di atas itulah yang dikenal sebagai Azas ekuipartisi atau azas bagi rata. Besar energi kinetik ratarata partikel menjadi sebesar
(Ek) ̅ = f (1/2 kT) .................................(6)
dengan : (Ek) ̅ = energi kinetik rata-rata partikel (joule)
T = suhu gas (K)
f = derajat kebebasan
k = ketetapan Baltzum.
a. Energi gaya monoatomik
Seperti penjelasan didepan untuk kelas XI saat ini dibatasi pada gas monoatomik. Partikel-partikel gas monoatomik memiliki tiga derajat kebebasan. Berarti energi kinetik rata-rata partikelnya
memenuhi persamaan berikut.
(Ek) ̅ =3/2 kT ..................................(7)
Dalam sejumlah gas dapat mengandung banyak partikel (N partikel). Setiap partikel tersebut memiliki energi, jumlah semua energi kinetik partikel-partikel itu dinamakan energi dalam gas dan disimbulkan U sesuai persamaan berikut.
U = N (Ek) ̅
U = 3/2 N kT ...........................(8)
U = 3/2 n R T
Seperti penjelasan didepan untuk kelas XI saat ini dibatasi pada gas monoatomik. Partikel-partikel gas monoatomik memiliki tiga derajat kebebasan. Berarti energi kinetik rata-rata partikelnya
memenuhi persamaan berikut.
(Ek) ̅ =3/2 kT ..................................(7)
Dalam sejumlah gas dapat mengandung banyak partikel (N partikel). Setiap partikel tersebut memiliki energi, jumlah semua energi kinetik partikel-partikel itu dinamakan energi dalam gas dan disimbulkan U sesuai persamaan berikut.
U = N (Ek) ̅
U = 3/2 N kT ...........................(8)
U = 3/2 n R T
b. Kecepatan efektif
(v^2 ) ̅adalah nilai rata-rata kecepatan partikel kuadrat. Jika diakarkan akan mendapatkan nilai yang dinamakan road mean square velsiti (vrms). Nilai akar rata-rata kuadrat dalam bahasa Indonesia dikenal sebagai nilai efektif. Jadi vrms = vef dan besarnya memenuhi:
Persamaan 9
dengan : vef = kecepatan efektif partikel
T = suhu gas (K)
m = massa partikel (kg)
k = 1,38 . 10-23 J/K
Nilai vef itu juga dapat disubstitusikan nilai
T = suhu gas (K)
m = massa partikel (kg)
k = 1,38 . 10-23 J/K
Nilai vef itu juga dapat disubstitusikan nilai
dan mNo = Mr. Jika nilai ini disubstitusikan ke persamaan 9 dapat diperoleh persamaan berikut.
Persamaan 10
B. Hukum I Termodinamika
1.Hukum I Termodinamika
Apa yang kalian perkirakan akan terjadi jika sejumlah gas dalam suatu ruang tertutup dipanaskan? Keadaan yang langsung bisa dilihat suhunya naik dan mungkin volumenya bertambah. Kejadian inilah yang dijelaskan pada hukum I Termodinamika. “Pada saat gas dalam ruang tertutup diberi kalor maka kalor tersebut akan dimanfaatkan untuk melakukan
usaha dan merubah energi dalamnya.” Hubungan di atas dapat dinamakan kekekalan energi dan dituliskan sebagai berikut.
1.Hukum I Termodinamika
Apa yang kalian perkirakan akan terjadi jika sejumlah gas dalam suatu ruang tertutup dipanaskan? Keadaan yang langsung bisa dilihat suhunya naik dan mungkin volumenya bertambah. Kejadian inilah yang dijelaskan pada hukum I Termodinamika. “Pada saat gas dalam ruang tertutup diberi kalor maka kalor tersebut akan dimanfaatkan untuk melakukan
usaha dan merubah energi dalamnya.” Hubungan di atas dapat dinamakan kekekalan energi dan dituliskan sebagai berikut.
Persamaan 11
dengan Q = perubahan kalor sistem
W = usaha sistem
U = perubahan energi dalam
Sesuai persamaan 11 maka untuk gas ideal monoatomik berlaku persamaan berikut.
W = usaha sistem
U = perubahan energi dalam
Sesuai persamaan 11 maka untuk gas ideal monoatomik berlaku persamaan berikut.
Persamaan 12
2. Proses-proses termodinamika
Proses termodinamika adalah perubahan keadaan gas, yaitu tekanan, volume dan suhunya. Perubahan ini diiringi dengan perubahan kalor, usaha dan energi dalamnya. Proses-proses yang memiliki sifat-sifat khusus ada empat contoh seperti berikut.
a. Proses Isobarik
Proses isobarik adalah proses perubahan gas dengan tahanan tetap. Pada garis P - V proses isobarik dapat digambarkan seperti pada Gambar . Usaha proses isobarik dapat ditentukan dari luas kurva di bawah grafi k P - V.
Proses termodinamika adalah perubahan keadaan gas, yaitu tekanan, volume dan suhunya. Perubahan ini diiringi dengan perubahan kalor, usaha dan energi dalamnya. Proses-proses yang memiliki sifat-sifat khusus ada empat contoh seperti berikut.
a. Proses Isobarik
Proses isobarik adalah proses perubahan gas dengan tahanan tetap. Pada garis P - V proses isobarik dapat digambarkan seperti pada Gambar . Usaha proses isobarik dapat ditentukan dari luas kurva di bawah grafi k P - V.
Grafik Proses Isobarik
W = P (VB - VA)........................ (13)
b. Proses Isotermis
Proses isotermis adalah proses perubahan gas dengan suhu tetap. Perhatikan grafi k pada Gambar . Pada proses ini berlaku hukum Boyle.
Proses isotermis adalah proses perubahan gas dengan suhu tetap. Perhatikan grafi k pada Gambar . Pada proses ini berlaku hukum Boyle.
Persamaan 14
Karena suhunya tetap maka pada proses isotermis ini tidak terjadi perubahan energi dalam U = 0. Sedang usahanya dapat dihitung dari luas daerah di bawah kurva, besarnya seperti berikut.
Persamaan 15
Proses Isothermis
c. Proses Isokhoris
Proses isokhoris adalah proses perubahan gas dengan volume tetap. Pada grafik P.V dapat digambarkan seperti pada Gambar . Karena volumenya tetap berarti usaha pada gas ini nol, W = 0.
Proses isokhoris adalah proses perubahan gas dengan volume tetap. Pada grafik P.V dapat digambarkan seperti pada Gambar . Karena volumenya tetap berarti usaha pada gas ini nol, W = 0.
Proses Isokhoris
d. Adiabatis
Pada proses isotermis sudah kalian ketahui, U = 0 dan pada proses isokoris, W = 0. Bagaiaman jika terjadi proses termodinamika tetapi Q = 0 ? Proses yang inilah yang dinamakan proses adiabatis. Berdasarkan hukum I Termodinamika maka proses adiabatis memiliki sifat dibawah.
Pada proses isotermis sudah kalian ketahui, U = 0 dan pada proses isokoris, W = 0. Bagaiaman jika terjadi proses termodinamika tetapi Q = 0 ? Proses yang inilah yang dinamakan proses adiabatis. Berdasarkan hukum I Termodinamika maka proses adiabatis memiliki sifat dibawah.
Persamaan 16
Proses Adiabatis
e. Proses lain dan gabungan proses
Proses-proses selain 4 proses ideal diatas dapat terjadi. Untuk memudahkan penyelesaian dapat digambarkan grafik P - V prosesnya. Dari grafik tersebut dapat ditentukan usaha proses sama dengan luas kurva dan perubahan energi dalamnya U = n R T. Sedangkan gabungan proses adalah gabungan dua proses adiabatis yang berkelanjutan. Pada gabungan proses ini berlaku hukum I termodinamika secara menyeluruh.
Proses-proses selain 4 proses ideal diatas dapat terjadi. Untuk memudahkan penyelesaian dapat digambarkan grafik P - V prosesnya. Dari grafik tersebut dapat ditentukan usaha proses sama dengan luas kurva dan perubahan energi dalamnya U = n R T. Sedangkan gabungan proses adalah gabungan dua proses adiabatis yang berkelanjutan. Pada gabungan proses ini berlaku hukum I termodinamika secara menyeluruh.
C. Siklus Carnot dan Mesin Kalor
1. Siklus Carnot
Pada saat belajar termodinamika kalian akan menemui gabungan proses-proses yang akan kembali ke keadaan semula atau siklus yang dinamakan siklus Carnot. Siklus Carnot inilah yang dapat digunakan sebagai acuan untuk membuat mesin kalo r. Siklus Carnot terdiri atas empat proses yaitu 2 proses adiabatis dan 2 proses isotermis lihat Gambar. AB dan CD adalah proses isotermis. Sedangkan BC dan DA adalah proses adiabatis. Pada proses AB proses menyerap kalor Q1 dan saat proses CD melepas kalor sisa Q2. Selama siklus terjadi dapat menghasilkan usaha. Dan berlaku hubungan seperti persamaan berikut.
Q1= W + Q2
atau W = Q1 - Q2 .......................(17)
Pada saat belajar termodinamika kalian akan menemui gabungan proses-proses yang akan kembali ke keadaan semula atau siklus yang dinamakan siklus Carnot. Siklus Carnot inilah yang dapat digunakan sebagai acuan untuk membuat mesin kalo r. Siklus Carnot terdiri atas empat proses yaitu 2 proses adiabatis dan 2 proses isotermis lihat Gambar. AB dan CD adalah proses isotermis. Sedangkan BC dan DA adalah proses adiabatis. Pada proses AB proses menyerap kalor Q1 dan saat proses CD melepas kalor sisa Q2. Selama siklus terjadi dapat menghasilkan usaha. Dan berlaku hubungan seperti persamaan berikut.
Q1= W + Q2
atau W = Q1 - Q2 .......................(17)
Siklus Carnot
2. Mesin Kalor
Dari siklus Carnot diatas untuk kemudian dapat dibuat suatu mesin yang dapat memanfaatkan suatu aliran kalor secara spontan sehingga dinamakan mesin kalor. Perhatikan mesin kalor pada Gambar .
Sesuai dengan siklus carnot maka dapat dijelaskan prinsip kerja mesin kalor. Mesin kalor menyerap kalor
dari reservois bersuhu tinggi T1 sebesar Q1. Mesin menghasilkan kerja sebesar W dan membuang sisa kalornya ke reservois bersuhu rendah T2 sebesar Q2. Hubungan Q1, W dan Q2 sesuai persamaan 17.
Dari penjelasan diatas terlihat bahwa tidak ada sebuah mesin yang memanfaatkan semua kalor yang diserap Q1 untuk melakukan kerja W. Pasti selalu ada yang terbuang. Artinya setiap mesin kalor selalu memiliki
efisiensi. E siensi mesin kalor ini dide nisikan sebagai berikut.
Dari siklus Carnot diatas untuk kemudian dapat dibuat suatu mesin yang dapat memanfaatkan suatu aliran kalor secara spontan sehingga dinamakan mesin kalor. Perhatikan mesin kalor pada Gambar .
Sesuai dengan siklus carnot maka dapat dijelaskan prinsip kerja mesin kalor. Mesin kalor menyerap kalor
dari reservois bersuhu tinggi T1 sebesar Q1. Mesin menghasilkan kerja sebesar W dan membuang sisa kalornya ke reservois bersuhu rendah T2 sebesar Q2. Hubungan Q1, W dan Q2 sesuai persamaan 17.
Dari penjelasan diatas terlihat bahwa tidak ada sebuah mesin yang memanfaatkan semua kalor yang diserap Q1 untuk melakukan kerja W. Pasti selalu ada yang terbuang. Artinya setiap mesin kalor selalu memiliki
efisiensi. E siensi mesin kalor ini dide nisikan sebagai berikut.
Jika disubstitusikan nilai W dari persamaan 17 dapat diperoleh persamaan berikut.
Persamaan 19
Model Mesin Kalor
Efisiensi Maksimum
Siklus Carnot merupakan model mesin kalor yang ideal. Apakah sifat-sifatnya? Pada mesin ideal ini kalornya sebanding dengan suhu.
Siklus Carnot merupakan model mesin kalor yang ideal. Apakah sifat-sifatnya? Pada mesin ideal ini kalornya sebanding dengan suhu.
Dari hubungan tersebut dapat ditentukan efisiensi mesin ideal, yang berarti efisiensi itu merupakan efisiensi
maksimum. Efisiensi maksimum dari mesin carnot tersebut sebagai berikut.
maksimum. Efisiensi maksimum dari mesin carnot tersebut sebagai berikut.
0 Response to "FISIKA"
Posting Komentar