Berkelas

Bab 9Bab 9TermodinamikaTermodinamika

Bab 9Bab 9TermodinamikaTermodinamika

Standar Kompetensi:Standar Kompetensi:Menerapkan konsep termodinamika dalam mesin kalor.

Kompetensi Dasar:Kompetensi Dasar:Menganalisis perubahan keadaan gas ideal dengan menerapkan hukum termodinamika.

A. Usaha, Kalor, dan Energi DalamA. Usaha, Kalor, dan Energi Dalam

Gas dalam silinder tertutup melakukan usaha terhadap lingkungan

W = P(VW = P(V22 – – VV11))

Keterangan:Keterangan:WW = usaha (J)PP = tekanan tetap (N/m2)VV11 = volume awal (m3)VV2 2 = volume akhir (m3)

B. Hukum I TermodinamikaB. Hukum I Termodinamika

Gambar di samping: gas yang diberi kalor (∆Q) tidak menyebabkan posisi piston berubah. Hal itu disebabkan gas tidak melakukan usaha (W = 0W = 0).

∆∆Q = Q = ∆∆UU

Gambar di samping: gas yang diberi usaha W secara adiabatik mengalami perubahan energi dalam.

Keterangan:Keterangan:WW = usaha (segala bentuk usaha) (J)QQ = jumlah kalor (J)∆∆U U = perubahan energi dalam gas (J)

Q = Q = ∆∆U + WU + W

Apabila sistem menerima kalor, Q bernilai positif (Q). Apabila sistem melepaskan kalor, Q bernilai negatif (–Q). Apabila sistem melakukan kerja, W bernilai positif (W). Apabila sistem menerima kerja, W bernilai negatif (–W).

C. Kalor Jenis GasC. Kalor Jenis Gas

Hukum I termodinamika dinyatakan :

dQ = dU + dWdQ = dU + dW

atau dalam bentuk diskrit dituliskan

∆∆Q = ∆U + ∆WQ = ∆U + ∆W

Jumlah kalor yang diperlukan atau dilepas oleh gas untuk menaikkan atau menurunkan suhu tiap satu satuan kelvin disebut kapasitas kalor gas (C).kapasitas kalor gas (C).

∆∆Q = C Q = C ∆∆TT

Kalor jenis gas pada proses volume tetapvolume tetap (CCVV) dirumuskan:

Kalor jenis gas pada proses tekanan tetap tekanan tetap (CCPP) dirumuskan

Apabila selama menerima kalor, gas menga lami proses isokorikisokorik (∆W = 0) maka menurut hukum I

termodinamika berlaku∆∆Q =∆UQ =∆U∆∆U = CU = CV V ∆T∆T

V

V

QC

T

P

P

QC

T

V

UC

T

Kapasitas kalor pada tekanan tetap terhadap kapasitas kalor pada volume tetap, dirumuskan:

CCPP = C = CVV + nR + nR Besarnya perbandingan CCPP dengan CCVV disebut tetapan Laplacetetapan Laplace yang dituliskan:

Nilai tetapan Laplace ini berbeda-beda, bergantung pada jenis dan keadaan gas.

P

V

CC

1. Gas Monoatomik1. Gas Monoatomik

Besar energi dalam gas monoatomik adalah

Besarnya kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas monoatomik adalah:

3

U nR T2

P

3nR T 32C nR

T 2

Besar kapasitas kalor pada tekanan tetap untuk gas monoatomik yaitu:

Besarnya tetapan Laplace untuk gas monoatomik adalah

P

V

C1,67

C

P

5C nR

2

2. Gas Diatomik2. Gas Diatomik

a. Pada Suhu Rendah (T < 100 K)a. Pada Suhu Rendah (T < 100 K)

Kapasitas kalor pada volume tetap:

Molekul gas diatomik pada suhu rendah, bertranslasi

V

3C nR

2

Kapasitas kalor pada tekanan tetap:

P

5C nR

2

b. Pada Suhu Sedang (100 K < T < 5.000 K)b. Pada Suhu Sedang (100 K < T < 5.000 K)

Besarnya kapasitas kalor pada tekanan tetapnya adalah

Besarnya kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas ini, yaitu:

Besarnya tetapan Laplace untuk gas diatomik pada suhu sedang adalah

Molekul gas diatomik pada suhu sedang, bertranslasi dan berotasi

V

5C nR

2

P

7C nR

2

P

V

C1,4

C

c. Pada Suhu Tinggi (T > 5.000 K)c. Pada Suhu Tinggi (T > 5.000 K)

Besar kapasitas kalor pada volume tetap untuk gas diatomik pada suhu tinggi

Besar kapasitas kalor pada tekanan tetap untuk gas tersebut adalah

Besarnya tetapan Laplace gas diatomik pada suhu tinggi adalah

Molekul gas diatomik pada suhu tinggi, berotasi, bertranslasi, dan bervibrasi

V

7C nR

2

P

9C nR

2

P

V

C1,28

C

3. Energi Dalam Gas3. Energi Dalam Gas

Energi dalam Energi dalam adalah energi yang dimiliki benda karena aktivitas antarmolekulmolekulnya.

Besarnya perubahan energi dalam adalah:

∆∆U = UU = U22 – U – U11

Keterangan:Keterangan:∆∆U U = perubahan energi dalam (J)UU11 = energi dalam keadaan awal (J)UU22 = energi dalam keadaan akhir (J)

Energi dalam untuk gas monoatomik adalah

Sedangkan energi dalam untuk gas diatomik

3

U NkT2

5 5

U NkT nRT2 2

3

U nRT2

Perubahan energi dalamnya untuk gas monoatomik:

Sedangkan perubahan energi dalam untuk gas diatomik:

Keterangan:Keterangan:∆∆U U = perubahan energi dalam (J)NN = banyak partikel gasnn = jumlah mol gas (mol)RR = konstanta gas umum (J/mol.K)kk = konstanta Boltzmann (J/K)TT11 = suhu awal (K)TT22 = suhu akhir (K)

2 1

2 1

3 3U Nk T Nk T T

2 23 3

U nR T nR T T2 2

2 1

2 1

5 5U Nk T Nk T T

2 25 5

U nR T nR T T2 2

D. Proses TermodinamikaD. Proses Termodinamika

1. Proses Isobarik1. Proses Isobarik

Proses isobarik Proses isobarik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang berlang- sung pada tekanan tetap.

Gas melakukan usaha sebesar:Gas melakukan usaha sebesar:

Proses isobarik

Grafik tekanan P terhadap volume V

1 2

1 2

V VT T

2 1W P V V

2. Proses Isokorik2. Proses Isokorik

Proses isokorik Proses isokorik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada volume tetap.

Grafik pada proses isokorik

Dirumuskan: VV11= V= V2 2 = V= V

W = P(VW = P(V22 – V – V11))

W = P(V – V) = W = P(V – V) =

00Dari hukum I termodinamika Q = Q = ∆∆U + WU + Wkarena W = 0 W = 0 maka Q = Q = ∆∆UU

1 2

1 2

P PT T

Jadi, pada proses isokorik, besarnya kalor yang diberikan digunakan untuk mengubah energi dalam.

3. Proses Isotermik3. Proses Isotermik

Proses isotermik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada suhu tetap.

Besarnya usaha adalah

Grafik pada proses isotermik

1 1 2 2

1 2

1 2

PV PV

P VP V

2

1

2

1

VW nRT ln

V

VW 2,3nRT log

V

4. Proses Adiabatik4. Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah proses gas dalam ruang tertutup yang ber lang sung dengan tidak ada panas atau kalor yang masuk dan keluar.

Usaha Gas pada Proses Adiabatik

Keterangan:Keterangan:nn = jumlah molCCvv = kapasitas kalor pada volume tetap

1 11 1 2 2

1 1 2 2

TV T V

PV PV

V 1 2W nC T T

E. Hukum II TermodinamikaE. Hukum II Termodinamika

Menurut perumusan Kelvin Planck: Menurut perumusan Kelvin Planck: Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah sumber (reservoir) dan mengubah kalor itu menjadi energi atau usaha seluruhnya.

Pada roda yang diputar kencang terjadiperubahan usaha (energi kinetik) menjadi kalor

Menurut perumusan Clausius.Menurut perumusan Clausius.Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus,mengambil kalor dari sumber (reservoir) yang mempunyai suhu rendah dan mem berikannya kepada sumber yang mempunyai suhu tinggi,tanpa melibatkan usaha dari luar.

Skema mesin kalor :Skema mesin kalor :(a) mesin yang tidak mungkin dibuat dan (b) mesin yang mungkin dibuat. Skema mesin pendingin (c) mesin yang tak mungkin dibuat dan (d) mesin yang mungkin dibuat.

1. Siklus Carnot1. Siklus Carnot

SiklusSiklus adalah suatu rangkaian proses yang berjalan sedemikian rupa sehingga pada akhirnya kembali kepada keadaan semula.

Siklus ABCA

Pada gambar di samping:● proses AB isokorik, ● proses BC isotermik, ● proses CA isobarik.

Proses itu membentuk satu siklus ABCA.

Mesin Carnot bekerja secara reversibel (dapat bekerja bolak-balik) yang idealnya bekerja dengan dua proses isotermik dan dua proses adiabatik.

Untuk memahami proses siklus Carnot tersebut, perhatikan gambar berikut!

Bagan siklus Carnot (a) isotermis,(b) adiabatis, (c) isotermis, dan (d) adiabati

a.a. Proses a – bProses a – b

Gas mula-mula berada pada keadaan (P1, V1, T1), ditempatkan pada wadah (reservoir) bersuhu T1. Gas dikembangkan (diekspan sikan) secara isotermis hingga mencapai keadaan (P2, V2, T1). Pada proses ini, Pada proses ini, gas menyerap kalor Qgas menyerap kalor Q11..

Bagan siklus Carnot (a) isotermis,(b) adiabatis, (c) isotermis, dan (d) adiabati

b. Proses b – cb. Proses b – c

Gas mengembang secara adiabatis sampai pada keadaan (P3, V3, T2). Padaproses ini, gas gas melakukan usaha hingga melakukan usaha hingga suhunya turun menjadi suhunya turun menjadi TT22..

c. Proses c – dc. Proses c – d

Gas berada pada wadah (reservoir) yang lebih dingin T2 kemudian ditekan hingga berada pada keadaan (P4, V4, T2) secara isotermis. Selama proses ini, ggas as melepaskan panas melepaskan panas (kalor) Q(kalor) Q22..

.

Skema mesin kalor. Mesin menerima kalor Q1 untuk melakukan usaha W, sisa kalor Q2 dilepas.

d. Proses d – ad. Proses d – a

Gas dikembalikan pada keadaan semula (P1, V1, T1) melalui proses adiabatis. Selama proses ini gas dikenai usaha. Pada keempat proses di atas, usaha total W dinyatakan sebagai luas kurva abcda (gambar di samping). Jumlah kalor yang diterima adalah Q1 – Q2.

Skema mesin kalor. Mesin menerima kalor Q1 untuk melakukan usaha W, sisa kalor Q2 dilepas.

Pada proses di atas telah terjadi perubahan energi kalor menjadi usaha. Mesin yang melakukan proses dengan mengubah energi panas (kalor) menjadi usaha disebut mesin panas atau mesin kalor.

Pada proses di atas telah terjadi perubahan energi kalor menjadi usaha. Mesin yang melakukan proses dengan mengubah energi panas (kalor) menjadi usaha disebut mesin panas atau mesin kalor.

2. Efesiensi Mesin Kalor2. Efesiensi Mesin Kalor

Keterangan:Keterangan:ήή = efisiensi mesin Carnot (%)WW = usaha (J)QQ11 = kalor yang diserap (J)

1

W100%

Q

2

1

Q1 100%

Q

Keterangan:Keterangan:QQ11 = kalor yang diserap (J)QQ22 = kalor yang dilepas (J)

Sehingga efisiensi mesin Carnot dapat dinyatakan: Keterangan:Keterangan:

TT11 = suhu pada reservoir suhu tinggi (K)TT22 = suhu pada reservoir suhu rendah (K)

2

1

T1 100%

T

3. Mesin Pendingin3. Mesin Pendingin

Skema mesin Skema mesin KalorKalor

Berdasarkan skema gambar di samping, bahwa kalor pada reservoir suhu rendahQQ22 oleh usaha dari luar WW dipindahkan ke reservoir suhu tinggi QQ11.

Jika koefisien daya kerja mesinditulis KK maka:

Daya kerja mesin pendingin dapat ditentukan dari perbandingan kalorQQ22 yang dipindahkan dengan usaha WW

2 2

1 2

Q TK K

W T T

4. Motor Bensin4. Motor Bensin

Motor bensin menggunakan sistem empat langkah dalam satu siklus yang biasa disebut empat empat taktak. Misal, pada posisi piston di puncak (top), lalu bergerak turun, campuran udara dan bensin masuk ke dalam silinder karena katup masuk terbuka dan katup pembu-angan tertutup. Langkah piston me-nurun ini disebut langkah menghisaplangkah menghisap..

Motor bahan bakar bensin

Siklus Otto (mesin Siklus Otto (mesin bensin)bensin)

Berdasarkan proses langkah kerjanya, gambar di samping dapat dijelaskan bahwa garis: ab-ab- langkah kompresi,bc-bc- langkah bereksplosi, cd-cd- langkah usaha, dan langkah pembuangan.

VV11 pada gambar adalah volume udara maksimum dalam silinder dan VV22 volume udara minimum dalam silinder. Perbandingan VV11/V/V22 disebut perbandingan kompresi, yang nilainya untuk motor bakar ± 10.

1

1

2

1Efi siensi 1 100%

VV

dengan = konstanta Laplace.

Jika perbandingan kompresi 10 dan gg = 1,4 maka efisiensinya kurang dari 60%.Jika perbandingan kompresi 10 dan gg = 1,4 maka efisiensinya kurang dari 60%.

5. Motor Diesel5. Motor Diesel

Pada siklus motor diesel, udara masuk ke dalam silinder saat langkah menghisap dan ditekan secara adiabatik sampai suhu naik cukup tinggi. Akibatnya, bahan bakar yang diinjeksikan pada akhir langkah ini akan terbakar tanpa memerlukan percikan bunga api.

Mobil berbahan bakar diesel

Perhatikan gambar! Mulai dari titik aa, udara ditekan secara adiabatik sampai titik bb, akibatnya timbul panas yang menyebabkan terjadi pemuaian secara isobarik sampai titik cc. Kemudian, memuai secara adiabatik sampai di titik d. dan menjadi dingin dan terjadi perubahan tekanan secara isokorik sampai titik aa.

Pada mesin diesel, saat langkah kompresi di dalam silinder belum terdapat bahan bakar sehingga belum terjadi penyalaan dini. Perbandingan kompress VV11/V/V22 mempunyai nilai jauh lebih besar dibanding dengan perbandingan kompresi motor bensin yaitu bisa mencapai angka perbandingan 15. Dengan mengambil gg =1,4 maka efisiensi siklus diesel kira-kira 56%.

Siklus diesel