Hukum Pertama Termodinamika
1. Pengertian Usaha, Kalor, dan Energi
1. Pengertian Usaha dan Kalor
Usaha yang dilakukan pada (atau oleh) sistem adalah ukuran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan, atau sebaliknya.
Kalor muncul ketika energi dipindahkan akibat adanya perbedaaan suhu atau perubahan wujud zat. Jadi, istilah kalor sebenarnya kurang tepat; yang tepat adalah aliran kalor.
2. Pengertian Energi Dalam
Jumlah energi kinetik dan energi potensial yang berhubungan dengan atom-atom atau diabaikan, sehingga energi potensial molekul-molekul zat disebut energi dalam. Untuk gas ideal, gaya antarmolekul dapat diabaikan, sehingga energi potensial molekul-molekul adalah nol. Dengan demikian, energi dalam hanyalah total energi kinetik dari seluruh molekul.
Perubahan energi dalam dapat dituliskn secara matematis sebagai berikut.
ΔU = U2 - U1
2. Formulasi Usaha, Kalor, dan Energi Dalam
1. Formulasi Usaha
W = pΔV = p(V2 - V1)
Rumus W = pΔV hanya dapat digunakan untuk menghitung usaha gas pada tekanan tetap (proses isobarik). Jika tekanan gas berubah, usaha W harus dihitung dengan cara integral. Secara umum, usaha dihitung dengan persamaan integral berikut.
W = ∫ p dV
Usaha yang dilakukan oleh (atau pada) sistem gas yang menjalani suatu proses siklus (grafik p-V-nya diberikan) sama dengan luas daerah yang dimuat oleh siklus tersebut.
2. Formulasi Kalor
Kalor yang diserap (atau diberikan) oleh sistem gas dapat dihitung dari rumus kalor, yaitu
Q = mcΔT atau Q = CΔT
Dengan c adalah kalor jenis gas dan C adalah kapasitas kalor gas.
3. Formulasi Energi Dalam
Telah Anda ketahui bahwa untuk gas ideal, energi dalam gas sama dengan total energi kinetik dari seluruh molekul-molekul gas. Dalam bab teori kinetik gas telah diformulasikan energi dalam sebagai berikut.
Gas monoatomik: U = 3/2 NkT = 3/2 nRT
Gas diatomik: U = 5/2 NkT = 5/2 nRT
dengan N = jumlah molekul
n = mol
k= tetapan Boltzmann
R = tetapan umum gas
Tentu saja perubahan energi dalam untuk sistem yang berubah dari suhu awal ke suhu dapat dinyatakan sebagai
Gas monoatomik: U = 3/2 nRΔT = 3/2 nR (T2 - T1)
Gas diatomik: U = 5/2 nRΔT = 5/2 nR (T2 - T1)
dengan ΔU = U2 - U1
3. Proses-Proses Termodinamika Gas
1. Proses Isobarik
Proses Isobarik adalah proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap. Persamaan keadaan untuk proses isobarik (p tetap) adalah
Persamaan keadaan isobarik V/T = C atau V2/T2 = V1/T1
Ini adalah hukum Gay-Lussac.
Usaha Isobarik: W = pΔV = p (V2 - V1)
2. Proses Isokhorik
Proses isokhorik atau isovolumik adalah proses perubahan gas pada volume tetap.
Persamaan keadaan untuk proses isokhorik (V tetap) adalah
Persamaan keadaan isokhorik pV/T = C karena V tetap p/T = C
atau p2/T2 = p1/ T1
Ini adalah hukum Charles.
3. Proses Isotermal
Proses isotermal adalah proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Persamaan keadaan untuk proses isotermal (T tetap) adalah
Persamaan keadaan isotermal pV/T = C karena V tetap pV
atau p2V2 = p1V1
Usaha Isotermal W = nRT ln (V2/V1)
d. Proses Adiabatik
Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada aliran kalor yang masuk ke dalam sistem atau keluar dari sistem. Dengan kata lain, pada proses adiabatik Q = 0.
4. Hukum Pertama Termodinamika Gas
1. Pernyataan Hukum Pertama Termodinamika
Energi dalam suatu sistem berubah dari nilai awal U1 ke nilai akhir U2 sehubungan dengan kalor Q dan usaha W:
ΔU = U2 - U1 = Q - W
b. Hukum Pertama pada Berbagai Proses Termodinamika Gas
Proses Isotermal
ΔU= Q - W
0 = Q - W
Q = W
Pada proses isotermal ΔU = 0 dan Q = W
Proses Isokhorik
Pada proses isokhorik, volume gas tetap (V1 = V2 atau ΔV = 0), sehingga usaha W = 0. Hukum pertma termodinamika memberi
ΔU= Q - W
ΔU = Q - 0
ΔU = Q
Pada proses Isokhorik W = 0 dan ΔU = Q
Proses Adiabatik
Pada proses adiabatik, Q = 0, sehingga hukum pertama termodinamika memberikan
ΔU= Q - W
ΔU = 0 - W
ΔU = -W
Pada proses adiabatik Q = 0 dan ΔU = - W
5. Kapasitas Kalor Gas
Definisi kapasitas kalor C = Q/ΔT atau Q = CΔT
Satuan SI untuk kapasitas kalor adalah J/K.
Kapasitas kalor pada tekanan tetap Cp = Qp/ ΔT atau Qp = CpΔT
Kapasitas kalor pada tekanan tetap Cv = Qv/ ΔT atau Qv = CvpΔT
