HUKUM I TERMODINAMIKA
Hukum I termodinamika berisi pernyataan tentang kekekalan energi. Hukum ini menggambarkan percobaan yang menghubungkan usaha yang dilakukan pada sistem (W), panas yang ditambahkan atau dikurangi pada sistem (Q), dan energi internal sistem (U).
Hasil percobaan Joule menyatakan bahwa jumlah panas yang ditambahkan dan usaha yang dilakukan pada sistem yang sama dengan perubahan energi internal sistem.
Pernyataan tersebut dikenal dengan sebutan hukum I termodinamika.
Contoh Soal 1 :
PENERAPAN HUKUM I TERMODINAMIKA PADA BEBERAPA PROSES
Perubahan energi dalam ΔU tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.
Kita telah mengetahui bahwa proses-proses dalam termodinamika terbagi atas empat jenis, yaitu isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik. Perubahan energi dalam terjadi pada setiap proses tersebut dijelaskan sebagai berikut.
a. Proses Isotermal
Gas ideal pada tekanan 2 x 105 Pa pada suhu 280 K mempunyai volume 2m3 Gas tersebut mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya menjadi 3 x 105 Pa, Setelah itu gas mengalami proses isobarik (pada tekanan 3 x 105 Pa) sehingga volume menjadi 4 x m3 .
a. Buatla diagram P - V
b. tentukan suhu akhir gas, usaha total, kalor total yang diperlukan gas dan perubahan energi dalamnya !
Jawab : a
b. Suhu Akhir (Tc)
(PaVa)/Ta = (PcVc)/Tc
Tc = [(Pc.Vc/PaVa)]. Ta = [(3 x 105 x 4) / ( 2 x 105x 2) ] x 280 = 840 K
Usaha
Gas dari A keB : Proses isokhoris ΔV = 0
W = pΔV = 0
Usaha dari B ke C ; proses isobarik ΔV = 4 - 2 = 2
W = pΔV = ( 3 x 105) . 2 = 6 x 105
Energi dalam
Berdasarkan pada persamaan keadaan gas ideal pV = nRT maka
n = ( PaVa) / RTa = [ (2 x 105) . 2 ] / (8,314 x 280 ) = 1,2 x 106J.
Kalor total yang diperlukan
Q = ΔU + W = 1,2 x 106 + 4 x 105 = 1,6 x 105)
Hukum I termodinamika berisi pernyataan tentang kekekalan energi. Hukum ini menggambarkan percobaan yang menghubungkan usaha yang dilakukan pada sistem (W), panas yang ditambahkan atau dikurangi pada sistem (Q), dan energi internal sistem (U).
Hasil percobaan Joule menyatakan bahwa jumlah panas yang ditambahkan dan usaha yang dilakukan pada sistem yang sama dengan perubahan energi internal sistem.
Pernyataan tersebut dikenal dengan sebutan hukum I termodinamika.
Dengan demikian, meskipun energi kalor sistem telah berubah menjadi energi mekanik (usaha) dan energi dalam, jumlah seluruh energi tersebut selalu tetap. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut.
Q = ΔU + W
dengan:
Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem,
ΔU = U2— U1 = perubahan energi dalam sistem, dan
W = usaha yang dilakukan sistem.
Perjanjian tanda yang berlaku untuk persamaan di atas tersebut adalah sebagai berikut.
Perjanjian tanda yang berlaku untuk persamaan di atas 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
Perubahan Energi Dalam
Perubahan energi dalam hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir, namun tidak tergantung pada proses perubahan keadaan sistem. Energi dalam berbanding lerus dengan suhu seperti bahasan Teori kinetik gas.
Untuk gas monoatomik, besarnya perubahan energi dalam :
ΔU = 3/2 nk ΔT atau ΔU = 3/2 nRΔT
Contoh Soal 1 :
Suatu sistem mengalami proses isobarik. Pada sistem dilakukan usaha sebesar 100 J. Jika perubahan energi dalam sistem ΔU dan kalor yang diserap sistem = 300 joule, berapakah besarnya ΔU?
Jawaban :
Diketahui: W = –200 joule (dilakukan usaha), dan Q = 300 joule (sistem menyerap kalor).
Menurut Hukum Pertama Termodinamika
Diketahui: W = –200 joule (dilakukan usaha), dan Q = 300 joule (sistem menyerap kalor).
Menurut Hukum Pertama Termodinamika
ΔU = Q – W = 300 joule – (–200 joule) = 500 joule.
Contoh Soal 2 :
Contoh Soal 2 :
Delapan mol gas ideal dipanaskan pada tekanan tetap sebesar 4 × 105 N/m2 sehingga volumenya berubah dari 0,06 m3 menjadi 0,08 m3. Jika gas mengalami perubahan energi dalam gas sebesar 1.500 J, berapakah kalor yang diterima gas tersebut.
Jawaban :
Diketahui: p = 4 × 105 N/m2, V1 = 0,06 m3, V2 = 0,8 m3, dan ΔU = 1.500 J.
Q = ΔU+ W
Q = ΔU + p(V2– V1)
Q = 1.500 joule + 4 × 105 N/m2 (0,08 – 0,06) m3 = 1.500 joule + 8.000 joule = 9.500 J
PENERAPAN HUKUM I TERMODINAMIKA PADA BEBERAPA PROSES
Perubahan energi dalam ΔU tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.
Kita telah mengetahui bahwa proses-proses dalam termodinamika terbagi atas empat jenis, yaitu isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik. Perubahan energi dalam terjadi pada setiap proses tersebut dijelaskan sebagai berikut.
a. Proses Isotermal
Kita 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 yang telah dibahas.
Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut.
Q = ΔU + W = 0 + W
Q = ΔU + W = 0 + W
Q = W = nR T ln (V2/V1)
b. Proses Isokhorik
Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Kita 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 + W = ΔU + 0
Q = ΔU = U2- U1
Dari Persamaan kita 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 diatas, didapatkan perumusan Hukum
Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.
Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.
Q = ΔU = 3/2 nR ΔT, atau Q = U2 - U1 = 3/2 nR (T2 —T1)
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
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)
Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan diatas dapat dituliskan sebagai :
Q = 3/2 nR (T2 —T1) + p (V2 – V1)
d. Proses adiabatik
Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Kita 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
Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Kita 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)
atau, W = - ΔU = - (U2 - U1)
Berdasarkan Persamaan tersebut, Kita 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 :
Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai :
W = - ΔU = - 3/2 nR (T2 —T1)
Contoh SoalGas ideal pada tekanan 2 x 105 Pa pada suhu 280 K mempunyai volume 2m3 Gas tersebut mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya menjadi 3 x 105 Pa, Setelah itu gas mengalami proses isobarik (pada tekanan 3 x 105 Pa) sehingga volume menjadi 4 x m3 .
a. Buatla diagram P - V
b. tentukan suhu akhir gas, usaha total, kalor total yang diperlukan gas dan perubahan energi dalamnya !
Jawab : a
(PaVa)/Ta = (PcVc)/Tc
Tc = [(Pc.Vc/PaVa)]. Ta = [(3 x 105 x 4) / ( 2 x 105x 2) ] x 280 = 840 K
Usaha
Gas dari A keB : Proses isokhoris ΔV = 0
W = pΔV = 0
Usaha dari B ke C ; proses isobarik ΔV = 4 - 2 = 2
W = pΔV = ( 3 x 105) . 2 = 6 x 105
Energi dalam
Berdasarkan pada persamaan keadaan gas ideal pV = nRT maka
n = ( PaVa) / RTa = [ (2 x 105) . 2 ] / (8,314 x 280 ) = 1,2 x 106J.
Kalor total yang diperlukan
Q = ΔU + W = 1,2 x 106 + 4 x 105 = 1,6 x 105)
FISIKA untuk SMA/MA kelas XI, Goris Seran Daton, dkk, Penerbit Grasindo. 2007
(http://www.rumus-fisika.com/2014/03/hukum-termodinamika.html)
http://www.e-sbmptn.com/2014/09/contoh-soal-dan-pembahasan-fisika.html
http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/03/usaha-dan-proses-dalam-termodinamika-hukum-termodinamika-1-2-dan-3-rumus-contoh-soal-kunci-jawaban.html
(http://www.rumus-fisika.com/2014/03/hukum-termodinamika.html)
http://www.e-sbmptn.com/2014/09/contoh-soal-dan-pembahasan-fisika.html
http://perpustakaancyber.blogspot.com/2013/03/usaha-dan-proses-dalam-termodinamika-hukum-termodinamika-1-2-dan-3-rumus-contoh-soal-kunci-jawaban.html
