II. KERJA, ENERGI dan KALOR (PANAS)KERJAJika ada suatu gaya (F) yang bekerja pada suatu bendadan benda itu bergerak sejauh dl, maka kerja (W) didefinisikan sebagai :Kerja bernilai positif jika arah pergeseran sama dengan arah gaya,bertanda negatif bila berlawanan.Contoh : kerja yang menyertai perubahan volume fluida, kompresi atau ekspansi fluida didalam silider akibat gerakan piston.

Gaya yang dikenakan oleh piston terhadap fluida = tekanan fluida x luas penampang silinder ataupun piston.F = P A(2.17)

dlGambar 2.11: Ekspansi / kompresi fluida dalam silinder akibat gerakan pistonAFfluida

Arah gaya kebawah, pergeseran piston kebawah W positifVt2 < Vt1 dV negatif karena W harus positif maka dikalikan negatif ( - ).Pada gambar 2.11 diatas, jika fluida didalam silinder dipandang sebagai sistem, maka kerja yang berasal dari sekeliling dapat diberikan kepada sistem. Hal ini berarti bahwa kerja dapat menembus boundary sistem.Pergeseran piston = total perubahan volume fluida dibagi luas penampang silinder atau piston.

Bila hubungan antara V dan P diketahui maka pers . (2.19) mudah diselesaikan, tetapi bila hubungan tersebut dalam bentuk Tabel maka dapat diselesaikan dalam bentuk grafis. P2V1P1V2Gambar 2.12 : Diagram P vs Vt 12Hasil Integrasi pers tsb = luas daerah dibawah kurva yang dibatasi oleh V1 dan V2 (gambar 2.12).

Kalor dan Kerja

Kalor (q): energi yang dipindahkan melalui batas-batas sistem sebagai akibat langsung dari perbedaan suhu antara sistem dan lingkungannya.

q: positif jika kalor masuk sistemq: negatif jika kalor keluar dari sistem.

Kerja (W): energi dan bukan kalor yang dipertukarkan antara sistem dengan lingkungannya pada suatu perubahan keadaan.

W positif bila lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, misalnya proses pemampatan gas.W negatif bila sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, misalnya proses pemuaian gas terhadap atmosfer.(sistem kehilangan energi)

ENERGIEnergi antara lain:Energi kinetikEnergi PotensialEnergi Kinetik :energi yang ditimbulkan oleh suatu gerakan.Contoh : suatu massa m dikenai gaya F dan karena gaya itu benda tersebut bergeser sejauh dl dalam waktu dt, maka kerja yang dilakukan adalah :a = percepatan yang didefinisikan :Kecepatan = jarak / satuan waktu

Besaran m u2 adalah energi kinetik, sehingga : Ek = m u2(2.23)Pers (2.22) menunjukkan bahwa kerja yang dikenakan pada suatu benda sehingga benda tersebut mengalami percepatan dari kecepatan mula-mula u1 u2 = perubahan energi kinetik dari benda tersebut.W = Ek(2.24)

Energi Potensial.Suatu benda massa m dinaikkan dari tempat dengan ketinggian z1 ke z2, maka harus ada gaya F keatas yang besarnya minimal sama dengan berat benda tersebut (m g) dan bekerja pada benda itu dan gaya ini harus bergerak sejauh z2 z1.F = m a = m gW = F (z2 z1) = m g (z2 z1) W = m g z2 m g z1 = (m g z) (2.25)Besaran m g z didefinisikan sebagai : Energi potensial.Ep = m g z(2.26)Kerja adalah bentuk energi tetapi kerja tidak terkandung di dalam suatu benda. Kerja ada bila suatu sistem mengalami perubahan energi kinetik maupun potensial. Kerja merupakan energy in transit.

mz1z2zF = m gGambar 2.13 : Energi potensial suatu benda.

Kekekalan energi :Benda dengan massa diketinggian z2, benda memiliki energi potensial sebesar [m g (z2 z1)] relatif dari tempat ketinggian z1.

Jika benda tersebut jatuh bebas dari z2 ke z1, maka benda akan kehilangan energi potensialnya, tapi pada saat yang bersamaan benda tersebut memperoleh energi kinetik yang besarnya sama dengan energi potensial yang hilang.Ek + Ep = 0 (2.27)(2.28)Prinsip kekekalan energi pada proses mekanis murni

Panas (Kalor) : Q / qPanas adalah :energi yang dipindahkan melalui boundary suatu sistem akibat adanya perbedaan temperatur antara sistem dengan lingkungan.Suatu sistem tidak mengandung panas tetapi mempunyai energi, panas adalah energi in transit .Sama dengan kerja, panas hanya ada bila sistem mengalami perubahan keadaan.Contoh :Dua balok dengan massa yang sama, temperatur balok yang satu (T1) lebih tinggi dari balok yang lainnya (T2). Balok yang panas mengandung lebih banyak energi daripada balok yang dingin akibat dari aktifitas molekul-molekulnya.

Jika kedua balok dikontakkan, energi mengalir dari balok T1 ke T2maka terjadi transfer panas sampai balok mencapai keseimbangan (kedua balok temperaturnya sama) balok T1 kehilangan energi balok T2 memperoleh energi.T1T2HEATABABGambar 2.14 : Transfer panas dari benda panas ke benda dingin

Tekanan, Volume, Suhu, energi adalah contoh-contoh suatu fungsi keadaan diferensialnya disebut diferensial total / eksakPanas, kerja bukanlah suatu property atau disebut bukan fungsi keadaan diferensialnya bukan diferensial eksak.Perjanjian : Q :Harga panas adalah positif (+) bila kalor / panas masuk sistem dan negatif (-) bila kalor / panas keluar sistem.W :Kerja bertanda positif (+) bila lingkungan melakukankerja terhadap sistem dan kerja negatif (-) bila sistem melakukan kerja terhadap lingkungan.Contoh :Reaksi mengeluarkan panas Q negatifReaksi membutuhkan panas Q positif.

Proses pemampatan gas W positifProses pemuaian gas terhadap tekanan atmosfer W negatif.SYSTEMEnergilingkungantranferTranfer panas ataupun dengancara sistem melakukan kerja panas dan kerja secara kuantitatif Equivalent dan dinyatakan dengan satuan yang sama.

KESEIMBANGANKeseimbangan : keadaan statis, tanpa ada / kecenderungan perubahan dalam sistem tidak ada driving force.Driving force berbeda menyebabkan perubahan yang berbeda.

Contoh :ketidakseimbangan gaya mekanik, seperti tekanan pada piston terjadinya transfer energi dalam bentuk kerja.Perbedaan suhu terjadinya aliran panas.Keseimbangan (sejati) : bila keadaan yang sama dapat didekati dari dua arah.ES (H2O pdt)AIR (H2O cair)1 atm0oC

Keseimbangan metastabil : pembekuan air pada lewat dingin(-5 oC), hal ini dapat diperoleh dengan pendinginan hati-hati. Keseimbangan tidak stabil terdapat dalam suatu sistem, bila pendekatan ke keadaan seimbang dalam suatu sistem dicapai sangat lambat. Contoh : pelarutan NaCl dalam larutan yang hampir jenuh.H2O (s)H2O (l)H2O (s)H2O (l)-5oC-5oC0oC0oC

ATURAN FASAFasa :bagian dari sistem, yang fisisnya berbeda dan dapat dipisahkan secara mekanis (misalnya : filtrasi, sedimentasi, dekantasi dsb.Contoh : sistem air terdapat fasa padat, cair dan gas.

Jumlah fasa padat : banyak sekaliJumlah fasa cair : maksimal ada 8Gas selalu bercampur sempurna hingga hanya ada 1 fasa gas.Jumlah komponen (spesies kimia) : ialah jumlah terkecil dari variabel bebas konstituen ddalam sistem, yang dapat dipakai untuk menyatakan susunan fasa-fasa yang ada.

Sistem air: sistem 1 komponen.Sistem Air Na2SO4: sistem 2 komponen.

Derajat kebebasan : atau variance dari sistem ialah jumlah terkecil variabel bebas (suhu, tekanan atau komposisi) yang harus ditentukan.Contoh : Air mempunyai 2 derajat kebebasan yaitu suhu dan tekanan karena pernyatan satu variabel (suhu atau tekanan saja) belum dapat menentukan keadaan sistem air.

Jika dua variabel / sifat termodinamis intensif suatu fluida murni homogen sudah tertentu, maka sistem tertentu pula.Bila sistem tidak homogen (fasa uap dan cair yang seimbang), keadaan sistem akan tertentu kalau satu variabel ditentukan.Contoh : Pada P = 101,33 kPa, air cair akan seimbang dengan uapnya pada suhu 1000C. Suhu tidak mungkin berubah tanpa mengubah tekanannya.Sistem berada dalam keadaan keseimbangan, jumlah variabel independen yang boleh ditentukan sebarang untuk menentukankeadaan termodinamis adalah : F = C P + 2(2.29)

Dengan P : jumlah fasaC : jumlah komponen / spesies kimiaF : derajat kebebasan dari sistem.(Aturan fasa yang ditentukan oleh : J. Willard Gibbs)

Variabel tersebut adalah variabel intensif yang nilainya tidak tergantung dari jumlah atau besarnya sistem.Aturan fasa berlaku untuk sistem besar maupun kecil.Misalnya sistem tersusun dari P fasa dan C komponen, berapa variabel yang harus ditetapkan agar sistem menjadi tertentu.Sistem selalu tergantung pada suhu dan tekanan, untuk Menentukan susunan tiap-tiap fasa perlu ditentukan konsentrasi (C 1) konstituen, konsentrasi sisa adalah perbedaannya.

Dalam sistem ada P fasa, jadi jumlah variabel konsentrasi =P(C 1).Variabel suhu : 1Variabel tekanan : 1Maka jumlah yang harus ditentukan = P(C 1) + 2Berapa jumlah persamaan yang ada?

Untuk keseimbangan satu konstituen antara dua fasa, dapat dituliskan satu persamaan persamaan tenaga bebas per mol.

Tenaga bebas = f {T, P dan (C 1)} konsentrasi.Jika ada P fasa (P 1) persamaanUntuk C komponen C(P 1) persamaan.

Bila jumlah persamaan = jumlah variabel sistem sudah tertentu.Jika jumlah Variabel > jumlah persamaan selisihnya disebut derajat kebebasan.F = jumlah variabel jumlah persamaan

F = [P(C 1) + 2] [C(P 1)]

F = C P + 2

Sistem satu komponen.

Sistem Air.Diatas suhu -20oC dan dibawah 2000 atm hanya terdapat satufasa padat yaitu ES.Fasa H2O : padat, cair dan gas.

Keseimbangan 2 fasa yang ada : Air uap airEs uap airEs Air

Keseimbangan 3 fasa : es air uap air.Untuk tiap fasa tunggal, derajat kebebasan (F) =F = C P + 2F = 1 1 + 2 = 2

Bila suhu dan tekanan merupakan variabel bebas, kedua variabel tersebut harus ditetapkan agar sistem menjadi tertentu.

Jika 2 fasa dalam keseimbangan :F = 1 2 + 2 = 1Untuk 3 fasa dalam keseimbangan maka F = 0.

Untuk H2O triple point dari air terjadi pada suhu 0,01oC dan 0,0061 bar. Jika kondisi ini berubah sedikit saja maka akan menyebabkan sedikitnya satu fasa hilang.Sistem Belerang :Mempunyai 2 fasa padat : S rhombis dan S monoklinDalam diagram fasa :4 fasa tunggal bivarian : Srh, Sm, Scair dan Sgas6 keseimbangan dua fasa :Srh Sgas Sm Scair Sm Sgas Scair Sgas Srh Scair Srh Sm

Ada 4 keseimbangan 3 fasa : Srh Sm Scair Srh Scair Sgas Sm Scair Sgas Srh Sm Sgas

Untuk sistem satu komponen, maksimal P = 3 untuk F = 0 hingga tidak ada keseimbangan 4 fasa. Sistem dua komponen

Fasa tunggal : F = 2 1 + 2 = 3Jadi ada 3 variabel yang harus ditentukan, yaitu : suhu, tekanan dan konsentrasi.

PROSES REVERSIBEL.Proses reversibel : proses yang arahnya dapat dibalik karena adanya perubahan infinitisimal (extremely small) dari kondisi ekternal.AIRCairAIRUapP = 1atmT = 100oCSuatu sistem berupa gas dalam silinder yang mengalami proses ekspansi pada gambar 2.15

Gambar : 2.15 Ekspansi gas dalam silinder.Silinder dengan pinston.Tidak ada panas yang masuk atau keluar sistemm : beban yang dapat diaturmassa dan densitas kecil Pengaruh grafitasi terhadap isisilinder diabaikan.Piston dapat bergerak bebas, tanpa gesekan