CATATAN KELAS 11 : TERMODINAMIKA PART 1

www.canva.com

Termodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain, terutama perubahan energi panas menjadi bentuk energi yang lain. Perubahan energi dalam termodinamika didasari dari 2 hukum yaitu :

• Hukum 1 termodinamika yang berhubungan dengan hukum kekekalan energi
• Hukum 2 termodinamika yang memberikan batasan apakah suatu proses dapat terjadi atau tidak.

Berikut beberapa istilah penting yang perlu kamu ketahui dalam mempelajari termodinamika :

• Sistem : segala sesuatu yang menjadi fokus perhatian kita (objek pengamatan)
• Lingkungan : segala sesuatu yang berada di luar sistem
• Sistem terbuka : Sistem dimana materi, panas, dan kerja (usaha) dari luar dapat masuk ke sistem
• Sistem tertutup : Sistem dimana hanya panas, dan kerja (usaha) dari luar dapat masuk ke sistem, tetapi materi tidak dapat masuk ke sistem.
• Sistem terisolasi : Sistem dimana panas, kerja, dan materi tidak dapat masuk ke dalam sistem
• Siklus termodinamika : rangkaian proses sedemikian rupa sehingga keadaan akhir sama dengan keadaan mula-mula
• Keseimbangan termal : keadaan dimana dua sistem dikontakkan namun tidak terjadi perpindahan panas ( suhu kedua sistem sama)
• Kuasistatik : cara suatu proses berubah (berlangsung sangat lambat) sehingga sistem senantiasa berada dalam keadaan keseimbangan setiap saat.

1. USAHA / KERJA GAS

Misalkan terdapat suatu silinder berisi gas dengan piston yang dapat bergerak bebas seperti ditunjukkan gambar.

Dalam keadaan normal piston diam pada ketinggian h1. Saat tabung dipanaskan, suhu gas dalam tabung akan akan bertambah tinggi sehingga gas memuai. piston akan bergerak akibat gaya tekan gas pada piston dan piston berada pada ketinggian h2. Akibat gaya tekan gas, piston bergerak dari posisi h1 ke posisi h2. Ini berarti piston mengalami perpindahan sejauh h2 - h1. Maka besar usaha yang dilakukan gas terhadap piston adalah:

W = F . s

Keterangan :

P = tekanan gas (N/m²)

V1 = volume awal gas (m³)

V2 = volume akhir gas (m³)

Berdasarkan persamaan tersebut, maka :

• Jika V2 > V1 maka W bernilai positif (+) yang berarti gas (sistem) melakukan usaha terhadap lingkungan.
• Jika V2 < V1 maka W bernilai negatif (-) yang berarti pada gas (sistem) dilakukan usaha. Dengan kata lain, jika negatif berarti sistem menerima usaha dari lingkungan.

Contoh soal :

Gas oksigen sebanyak 0,25 liter di dalam tabung dipanaskan hingga memuai menjadi 0,5 liter. Jika tekanan gas 1 atm, berapakah usaha yang dilakukan gas oksigen tersebut ?

Jawab :

Diketahui :

V1 = 0,25 liter = 0,25 dm³ = 2,5 x 10⁻⁴ m³

V2 = 0,5 liter = 0,5 dm³ = 5 x 10⁻⁴ m³

P = 1 atm = 1 x 10⁵ N/m²

W = …?

W = P (V2 – V1)

W = 1 x 10⁵ ( 5 x 10⁻⁴ - 2,5 x 10⁻⁴ )

W =  1 x 10⁵ .  2,5 x 10⁻⁴

W = 25 J

2. HUKUM 1 TERMODINAMIKA

Seperti yang dijelaskan di awal bahwa jika suatu gas dengan volume tetap dipanaskan, maka suhu gas bertambah. Akibatnya molekul-molekul gas bergerak lebih cepat yang mengakibatkan tumbukan antara molekul dengan dinding lebih banyak. Tumbukan ini menyebabkan tekanan gas bertambah. Selain tekanan yang bertambah besar, energi kinetik gas juga meningkat. Dengan pertambahan energi kinetik berarti energi dalam gas juga bertambah. Menurut Hukum 1 Termodinamika “ Jika pada sistem diberikan kalor (Q) jumlah kalor yang diterima sistem digunakan untuk menambah energi dalam sistem dan untuk melakukan usaha. Banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan energi dalam sebesar ΔU dan melakukan usaha sebesar W secara matematis dapat dituliskan :

Keterangan :

Q = energi kalor yang ditambahkan (J)

∆U = perubahan energi dalam sistem (J)

W = usaha yang dilakukan sistem (J)

• Sistem menerima kalor → Q (+)
• Sistem melepas kalor → Q (-)
• Sistem melakukan usaha → W (+)
• Sistem menerima usaha → W (-)

∆U → positif (+) : energi dalam bertambah

∆U → negatif (-) : energi dalam berkurang

Contoh soal

Dalam suatu proses, suatu sistem menerima panas sebesar 6000 kalori ( 1 kal = 4,2 J ) dan melakukan kerja sebanyak 10.000 J. Berapakah perubahan energi dalam sistem ?

Jawab :

Diketahui :

Q = + 6000 x 4,2 = 25.200 J

W = + 10.000 J

∆U = …?

Q = ∆U + W

∆U = Q – W

∆U = 25.200 – 10.000 = 15.200 J

Contoh soal :

Kedalam sejumlah gas dialirkan kalor sebesar 300 joule. Kemudian gas dikenai kerja 120 joule. Berapakah perubahan energi dalam gas?

Jawab :

Q = + 300 joule (menerima kalor)

W = -120 joule (menerima usaha)

∆U = …?

Q = W + ∆U

300 = -120 + ∆U

∆U = 420 joule

Contoh soal :

Suatu silinder berisi gas dengan piston yang dapat bergerak bebas. Volume awal gas di dalam tabung adalah 400 cm³. Setelah piston diberi beban sebesar 0,5 kg, volume gas menjadi 300 cm³. Jika selama penyusutan dibebaskan kalor sebanyak 2 kalori, dan luas permukaan piston 10 cm², tentukan perubahan energi dalam gas.

Jawab :

V1 = 400 cm³ = 4 x 10⁻⁴ m³

V2 = 300 cm³ = 3 x 10⁻⁴ m³

m = 0,5 kg

A = 10 cm² = 1 x 10⁻³ m²

Q = - 2 kalori = 2 x 4,2 = - 8,4 J (melepas kalor)

∆U = …?

Tentukan dahulu usaha (W)

W = P (V2 – V1)

W = 5 x 10³ (3 x 10⁻⁴ -  4 x 10⁻⁴ )

W = 5 x 10³ . -1 x 10⁻⁴

W = - 5 x 10⁻¹ = - 0,5 J

Q = W + ∆U

-8,4 = -0,5 + ∆U

∆U = - 7,9 J

  

3. PROSES DALAM TERMODINAMIKA
Proses-proses dalam termodinamika terbagi 4 antara lain :
a. Proses isotermik
b. Proses isokhorik
c. Proses isobarik
d. Proses adiabatik

a. PROSES ISOTERMIK

Dari Hukum Boyle kita mengetahui bahwa apabila suhu gas dijaga konstan, maka tekanan berbanding terbalik dengan volumenya. Jadi proses isotermik merupakan suatu proses dimana suhu gas dipertahankan tetap. Grafik hubungan tekanan dan volume pada proses isotermik :

Menurut persamaan gas ideal hubungan antara P dan V adalah :

     

Pada proses isotermik berlaku :

   

Usaha yang dilakukan gas pada proses isotermik

   

Contoh soal

4 mol suatu gas ideal suhunya 27 ⁰C memuai secara isotermal dari 0,5 m³ menjadi 2 m³. Tentukan usaha yang dilakukan oleh gas jika menggunakan tetapan gas umum R = 8,31 J/mol K.

Jawab :

Diketahui :
n = 4 mol
V1 = 0,5 m³
V2 = 2 m³
R = 8,31 J/mol K
T = 270C = 27 + 273 = 300 K
W = …?

b. PROSES ISOKHORIK

Proses isokhorik merupakan suatu proses dimana volume gas dipertahankan tetap. Menurut hukum Gay Lussac, jika volume dijaga tetap, maka tekanan gas akan berbanding lurus dengan suhu gas. Pada proses isokhorik, sistem tidak mengalami perubahan volume, walaupun sejumlah kalor memasuki atau keluar sistem. Ini memberikan pengertian bahwa sistem tidak melakukan atau menerima usaha. Dengan kata lain, usaha yang dilakukan sistem atau yang dilakukan lingkungan pada sistem sama dengan nol (W = 0). Jadi, pada proses isokhorik berlaku persamaan :

Grafik hubungan tekanan dengan volume untuk proses isokhorik :

c. PROSES ISOBARIK

Proses isobarik merupakan suatu proses dimana tekanan dipertahankan tetap. Jika sejumlah kalor diberikan kepada sistem dengan tekanan tetap, volumenya akan bertambah seiring pertambahan kalor yang masuk. Ini berarti sistem melakukan usaha.

Perubahan energi dalam sistem :

Pada proses isobarik berlaku persamaan Charles :

Grafik hubungan P dan V pada isobarik :

Contoh soal

Suatu gas yang bertekanan 5 atm mengalami proses isobarik sehingga volumenya baik dari 4 m³ menjadi 6 m³. Hitunglah usaha yang dilakukan gas selama proses ini. Gambarkan diagram PV nya dan hitung usaha gas dengan menghitung luas daerah di bawah kurva ! ( 1 atm = 1 x 10⁵ N/m² )

Jawab :

Diketahui :
P = 5 atm = 5 x 10⁵ N/m² 
V1 = 4 m³
V2 = 6 m³
W = …?
W = P (V2 – V1)
W = 5 x 10⁵ .( 6 – 4 )
W = 1 x 10⁶ J

Grafik :

d. PROSES ADIABATIK

Merupakan suatu proses dimana tidak ada kalor yang keluar dari atau masuk ke dalam sistem. Walaupun tidak ada kalor yang masuk atau keluar, tetapi suhunya tidak tetap. Proses adiabatik dapat dilakukan dengan cara menutup sistem serapat-rapatnya, sehingga tidak ada pertukaran kalor dengan lingkungan. Contoh alat yang dapat menjelaskan proses adiabatik adalah termos. Bagian dalam termos terbuat dari selubung kaca yang bagian dalamnya hampa udara. Selubung kaca ini dilapisi dengan lapisan logam yang tipis dengan tujuan untuk memantulkan panas, sehingga tidak terjadi pertukaran kalor dengan lingkungan.

Pada proses adiabatik berlaku persamaan :

Keterangan :

𝛄 = konstanta Laplace
Cp = kalor jenis pada tekanan konstan
Cv = kalor jenis pada volume konstan

Pada proses adiabatik tidak panas yang masuk atau keluar sehingga Q = 0.

Usaha yang dilakukan oleh sistem :

Grafik hubungan P dan V pada proses adiabatik :

Contoh soal :
Gambar berikut melukiskan keadaan suatu gas.

Mula-mua gas berada pada keadaan 1. Gas mengalami kompresi / pemampatan adiabatik menjadi keadaan 2. Pada keadaan 1 gas mempunyai tekanan dan volume masing-masing P1 = 10⁴ N/m² dan V1 = 4 m³, sedangkan pada keadaan 2 P2 = 6 x 10⁴ N/m² dan volume gas V2 = 1 m³. Untuk mendapatkan keadaan 2 dari keadaan 1 sebenarnya gas dapat melewati lintasan a atau b. Bandingkan usaha yang dilakukan gas oleh ketiga lintasan ini.

Jawab :

   

Contoh soal

Perhatikan gambar grafik P terhadap V berikut !

Gambar di atas merupakan proses yang dialami 2 mol gas pada suhu 27 ⁰C. Berdasarkan gambar tersebut, hitunglah besar usaha pada setiap proses yang terjadi. Kemudian, tentukan apakah sistem melakukan usaha atau menerima usaha?

Jawab :
Diketahui:
P1 = 2 N/m²
P2 = 8 N/m²
V1 = 2 m³
V2 = 5 m³
n = 2 mol
R = 8,31 J/mol K
T = 27 ⁰C = 300 K 
Ditanyakan:
Wab, Wbc, Wcd dan Wda …?

• Proses dari a ke b adalah proses isobarik, sehingga Wab dicari dengan persamaan :

          

• Proses b ke c adalah proses isotermik

         

• Proses c ke d adalah proses isobarik

         

• Proses d ke a adalah proses isokhorik

           Wda = 0

Hello good learner, hari ini studygramfisika mau sharing catatan kelas 11 Termodinamika. Catatan ini aku bagi jadi dua bagian ya, karena sebisa mungkin aku bikin lengkap materinya agar mudah dipahami dan juga dilengkapi contoh soal. Mengingat sebentar lagi kalian mau PAT semoga sedikit materi ini menambah pemahaman kalian mengenai Termodinamika. Karena terus terang kadang-kadang aku juga sering lupa kalo udah ga baca buku lagi. Semoga bermanfaat ya dan bisa jadi referensi belajar kalian guyss..😊