Usaha pada berbagai Proses Termodinamika

HermanAnis.com – Teman-teman semua, pada seri fisika dasar kali ini kita akan membahas tentang usaha pada berbagai proses termodinamika. Usaha pada berbagai proses termodinamika akan mengkaji tentang usaha pada proses termodinamika seperti usaha pada proses isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik.

Termodinamika berasal dari Bahasa Yunani, yaitu thermos yang berarti panas, dan dynamic yang berarti perubahan. Sehingga termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari hukum-hukum yang mengatur perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lain, aliran, dan kemampuan energi melakukan usaha.

Baca juga: Teori Kinetik Gas

A. Hukum-hukum Termodinamika

1. Hukum Nol Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua benda berada dalam kesetimbangan panas jika tidak ada pertukaran kalor antara dua benda tersebut saat keduanya di sentuhkan. Kondisi ini hanya dapat di capai jika suhu kedua benda tersebut sama, sebab perpindahan kalor terjadi karena adanya perbedaan suhu. Berkaitan dengan kesetimbangan panas, inilah inti dari hukum ke nol termodinamika.

2. Hukum I Termodinamika

Hukum I Termodinamika menjelaskan tentang energi yang ada dalam suatu sistem dan di kenal sebagai hukum Kekekalan Energi. Dalam Hukum Kekekalan Energi, energi tidak dapat di ciptakan atau di musnahkan, hanya dapat berubah bentuk, dari bentuk satu ke bentuk lainnya. Oleh karena itu, Hukum I Termodinamika sering di sebut Hukum Kekekalan Energi.

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa kalor dan kerja mekanik dapat saling tukar antara sistem/zat dengan lingkungannya, maka sejumlah kerja mekanik di butuhkan untuk menghasilkan sejumlah kalor, dan sebaliknya.

Dengan demikian, energi panas/kalor (Q) yang di berikan oleh lingkungan ke sistem sama dengan kerja eksternal (W) yang di lakukan sistem di tambah dengan perolehan energi dalam sistem (ΔU) karena kenaikan suhu.

Secara matematis hukum I Termodinamika, dirumuskan :

∆U = U₂ – U₁= Q –W

Dimana,

+Q = sistem menerima kalor
-Q = sistem mengeluarkan kalor
+W = sistem melakukan usaha
-W = sistem dikenai usaha

3. Hukum II Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi, yang mengatakan bahwa entropi dari setiap sistem yang terisolasi selalu meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. Sistem terisolasi secara spontan berevolusi menuju kesetimbangan termal menuju keadaan entropi maksimum sistem, yaitu entropi alam semesta (sistem terisolasi utama) hanya meningkat dan tidak pernah berkurang.

Konsep Hukum II Termodinamika bermula dari pendapat Kelvin-Planck, yang menyatakan tidak mungkin membuat mesin yang menyerap kalor dari reservoir panas dan mengubah seluruhnya menjadi kerja. Demikian juga dengan pernyataan Clausius, yang menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin pendingin yang menyerap kalor dari reservoir bersuhu rendah dan membuang ke reservoir bersuhu tinggi tanpa bantuan kerja dari luar.

Masih menurut menurut Clausius, suatu sistem yang melakukan proses reversible (dapat di balik arahnya) pada suhu konstan di sertai penyerapan kalor Q mengalami perubahan entropi sebagai:

ΔS = Q/T

Dengan:

ΔS = perubahan entropi
Q = kalor yang diserap dan
T = suhu proses.

Dalam proses alamiah, perubahan entropi memenuhi persyaratan-persyaratan berikut:

• Untuk sistem yang terisolasi, perubahan entropi semua proses memenuhi ΔS > 0.
• Untuk sistem yang tidak terisolasi, perubahan entropi total, yaitu jumlah entropi sistem dan lingkungan selalu positif, ΔS= ΔS_sistem + ΔS_lingkungan >0.

Dengan menggunakan konsep entropi, maka Hukum II Termodinamika dapat di jelaskan bahwa, pada setiap proses alamiah, entropi total sistem dan lingkungan selalu mengalami penambahan.

B. Usaha, Kalor dan Energi Dalam

Suatu sistem, dalam termodinamika, dapat di ukur melalui karakter dari sistem bersangkutan. Karakter sistem yang dapat di ukur meliputi variabel suhu (T), tekanan (p), volume (V), dan jumlah partikel materi (n) yang ada dalam sistem.

Selain itu, dalam sistem di kenal adanya variabel kerja (W) dan panas atau kalor (Q). Variabel W dan Q bukan merupakan suatu karakter atau fungsi keadaan. Variabel-varibel pada sistem dalam termodinamika dapat di lihat dalam Tabel 1. berikut.

Tabel 1. Variabel dalam Termodinamika

Sebagaimana yang telah di jelaskan, bahwa pertukaran energi dan materi dapat terjadi antara sistem dan lingkungannya. Apabila sistem menggunakan atau menerima energi dari lingkungan berupa panas atau kalor maka nilai Q dari sistem adalah positif. Sebaliknya, apabila sistem menghasilkan energi berupa panas atau kalor ke lingkungan maka nilai Q dari sistem adalah negatif.

Demikian juga dengan variabel kerja, apabila sistem menggunakan atau menerima kerja dari lingkungan maka nilai W sistem adalah positif. Sebaliknya, apabila sistem melakukan kerja (sistem kehilangan energi) maka nilai W sistem adalah negatif.

Saat terjadi kerja sejumlah energi akan dipindahkan dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya. Kalor mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, dan akan berhenti hingga suhu kedua benda sama. Kalor bukanlah suatu jenis energi, melainkan energi yang berpindah. Jadi dapat disimpulkan bahwa kalor adalah energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.

Energi dalam adalah energi yang tersimpan dalam suatu zat, merupakan sifat mikroskopik zat, sehingga tidak dapat diukur secara langsung. Secara umum perubahan energi dalam (∆U), dirumuskan: ∆U = U₂ – U₁

C. Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika

Kerja (W) adalah akibat aksi melawan gaya luar, yang dalam termodinamika di nyatakan :

W = p ΔV

Diagram p-V dari suatu proses termodinamika di berikan dalam gambar di bawah ini.

Berdasarkan grafik di atas, usaha yg di lakukan oleh atau pada sistem gas sama dg luas daerah di bawah grafik p-V dg batas volum awal (V₁) dan volum akhir (V₂).

Jika diagram p-V dalam proses termodinamika di berikan berupa proses siklus seperti pada gambar di bawah,

maka, usaha yang di lakukan oleh (atau pada) sistem gas yang menjalani suatu proses siklus sama dengan luas daerah yang di muat oleh siklus tersebut (luas daerah yg di asir atau di dalam siklus).

1. Proses isotermik (proses pada temperatur konstan) – Usaha pada berbagai proses termodinamika

Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika yang pertama adalah proses isotermik, proses ini terjadi ketika gas mengalami perubahan tekanan dan volume pada temperatur tetap. Proses isotermik dapat diberikan dalam grafik p–V pada gambar berikut ini.

dengan V₂ dan V₁ adalah volume akhir dan awal gas pada temperatur tetap.

Jika pada suatu sistem, proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan (ΔT = 0), maka proses ini di namakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (ΔU = 0) dan berdasarkan Hukum I Termodinamika kalor yang di berikan sama dengan usaha yang di lakukan sistem (Q = W).

Dari persamaan umum gas ideal: pV = nRT, maka usaha yang di lakukan oleh gas pada suhu konstan adalah:

Q = ΔU + W = 0 + W
dW = p.dV

di mana, p = nRT/V maka,

Olehnya itu, maka usaha yang di lakukan sistem menjadi:

W = nRT {lnV₂ – lnV₁}

Pada sistem isotermik, ΔT = 0 sehingga perubahan energi dalam nol (ΔU = 0), sehingga W = Q sehingga,

Q = W = nRT .ln(V₂/V₁) = nRT {lnV₂ – lnV₁}

2. Proses isokhorik (proses pada volume konstan) – Usaha pada berbagai proses termodinamika

Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika yang kedua adalah proses isobarik, proses ini terjadi ketika gas mengalami perubahan temperatur dan tekanan pada volume tetap. Proses isokhorik dapat diberikan dalam grafik p–V pada gambar berikut ini.

dengan p₂ dan p₁ adalah tekanan akhir dan awal gas pada volume tetap.

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas di katakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang di berikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat di nyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan Q_v. Proses Isokhorik adalah proses perubahan keadaan yang terjadi pada volume tetap.

Q = ΔU + W
W = p dV = p . 0 = 0

Olehnya itu, maka berdasarkan hukum I termodinamika kita peroleh,

Q = ΔU + W = ΔU + 0
Q = ΔU = U₂ – U₁ = nR (T₂ – T₁)

3. Proses isobarik (proses pada tekanan konstan) – Usaha pada berbagai proses termodinamika

Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika yang ketiga adalah proses isobarik, proses ini terjadi ketika gas mengalami perubahan temperatur dan volume dengan tekanan tetap. Proses isobarik dapat diberikan dalam grafik p–V pada gambar berikut ini.

dengan V₂ dan V₁ adalah volume akhir dan awal gas pada tekanan tetap.

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas di katakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p.∆V). Kalor di sini dapat di nyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Q_P. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku:

Q = ΔU + W = ΔU + P(𝑉₂ − 𝑉₁)
Q = 𝑛𝑅 (𝑇₂ − 𝑇₁) + P (𝑉₂ − 𝑉₁)

Kapasitas kalor pada proses isobarik

Kapasitas kalor pada proses isobarik di peroleh sebagai:

C_p = C_v + nR

Dengan demikian maka usaha yang di lakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂ pada tekanan p konstan di nyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p ∆V = p(V₂ – V₁)

Perjanjian tanda:

• Usaha bertanda positif (+), jika sistem melakukan usaha pada lingkungan (gas memuai V₂ > V₁).
• Usaha bertanda negatif (-), jika lingkungan melakukan usaha pada sistem (gas medi mampat V₂ < V₁).

4. Proses adiabatik – Usaha pada berbagai proses termodinamika

Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika yang keempat adalah proses adiabtik, proses ini merupakan suatu proses keadaan gas dimana tidak ada kalor yang masuk ke dalam atau keluar dari sistem (Q = 0). Diagram p-V pada proses adiabatik diberikan dalam gambar di bawah ini.

Pada proses adiabatik kerja (W) yang dilakukan oleh gas adalah murni berasal dari perubahan energi internalnya. Tidak ada energi yang masuk maupun yang keluar (Q) selama proses itu berjalan.

Beberapa contoh proses adiabatis di antaranya adalah,

1. Pemuaian gas dalam mesin diesel
2. Pemuaian gas dalam sistem pendingin
3. Langkah kompresi dalam mesin pendingin

Hukum Termodinamika I menyatakan: perubahan energi internal gas (dU) adalah banyaknya energi kalor yang di suplai (Q) di kurangi kerja yang di lakukan oleh gas (p dV). Olehnya itu, maka pada proses adiabatik berlaku,

Q = ΔU + W
0 = ΔU + W
ΔU = – W
ΔU = – W = – p dV = -p (𝑉₂ − 𝑉₁)

olehnya itu, maka,

W = p dV = p (𝑉₂ − 𝑉₁)
W = nRΔT = nR (𝑇₂ − 𝑇₁)

Panas atau kalor di definisikan sebagai energi yang mengalir atau berpindah (masuk atau keluar) sistem, karena adanya perbedaan suhu. alor berpindah dari sistem bersuhu tinggi ke sistem bersuhu rendah.

Kalor yang masuk ke dalam sistem di anggap positif dan kalor yang keluar dari sistem di anggap negatif. Simbol Q di gunakan untuk menyatakan kalor. Proses yang menyatakan tidak ada perubahan panas (Q = 0) di sebut sebagai proses adiabatik.

Kapasitas panas pada proses Adiabatik

Kapasitas kalor gas adalah banyaknya kalor yang di butuhkan untuk menaikkan suhu gas sebesar 1°C, untuk volume tetap di sebut C_V dan untuk tekanan tetap di sebut C_P.

Persamaan

Q = ΔU + W = ΔU + p ΔV

pada volume tetap berlaku,

Q = ΔU

Secara matematis, kapasitas kalor (C) di nyatakan dengan persamaan:

C = Q/ΔT

Pada gas, perubahan suhu dapat di lakukan dengan proses isobarik atau proses isokhorik. Sehingga kapasitas kalor gas pada tekanan tetap (C_P) dan kapasitas kalor pada volume tetap (C_v) secara matematis dapat di tuliskan sebagai berikut:

C_P = Q_p/ΔT dan C_v = Q_v/ΔT

Jika besaran Q_p dan Q_v di masukkan ke dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika, Q = ΔU akan di dapatkan persamaan berikut:

C_P = ΔU/ΔT dan C_v = Q_V/ΔT

Sehingga,

C_v ΔT = ΔU

untuk gas ideal nilai (ΔU/ΔV)_T = 0.

Dengan memasukkan nilai ΔU = -W maka akan kita pperolah,

C_p ΔT = -nRT (Δp/p)

dan

C_v ΔT = -nRT (ΔV/V)

Kesimpulan

• Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hukum-hukum yang mengatur perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lain, aliran dan kemampuan energi melakukan usaha.
• Sistem adalah sesuatu yang menjadi subyek pembahasan atau fokus perhatian. Lingkungan adalah segala sesuatu yang tidak termasuk dalam sistem atau segala keadaan di luar sistem
• Hukum pertama, yaitu prinsip kekekalan energi yang memasukkan kalor sebagai mode perpindahan energi.
• Hukum kedua, yaitu bahwa aliran kalor memiliki arah, dengan kata lain, tidak semua proses di alam adalah reversibel (dapat di balikkan arahnya)
• Usaha atau Kerja (W) adalah akibat aksi melawan gaya luar, yang dalam termodinamika di nyatakan: W = p ΔV
• Energi dalam (∆U) adalah energi yang tersimpan dalam suatu zat, merupakan sifat mikroskopik zat, sehingga tidak dapat di ukur secara langsung.
• Pada proses Isotermik berlaku:

∆U = 0
W = Q

• Pada proses Isohorik (volume tetap) berlaku:

W = 0
∆U = Q

• Pada proses Isobarik (tekanan tetap) berlaku:

W= p(V₂ – V₁)
∆U = Q – p(V₂ – V₁ )

• Pada proses Adiabatik berlaku:

Q = 0
W = -∆U

• Perbandingan usaha pada berbagai proses termodinamika di berikan dalam tabel 2 di bawah ini.

Tabel 2. Empat Proses Perubahan Energi

Catatan:

Garis pada grafik P-V proses adiabatik hampir sama dengan garis pada grafik proses isotermal, hanya kelengkungannya lebih tajam. Suhu awal dan akhir kedua jenis garis itu berada di titik yang sama.

Dapatkan file pdfnya: Klik disini!

Sumber:

• Cengel, Y. A & Boles, M. A. (2018). Thermodynamics: An Engineering Approach, 5th edition.