kiapratama.files.wordpress.com€¦ · web viewsehingga penyusunan makalah ini sangat jauh dari...
Post on 09-Dec-2020
8 Views
Preview:
TRANSCRIPT
HUKUM I TERMODINAMIKA
Mata Kuliah : Fisika Dasar II
Dosen : Muhammad Azkia, S.Si, M.Pd
Disusun Oleh :
Miftakhul Suci (20158300175)
Putri Eka Sakti (20158300004)
Siti Jumriah (20158300176)
PENDIDIKAN MATEMATIKA
KELAS II G
SEKOLAH TINGGI KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
KUSUMA NEGARA JAKARTA
2016
1
KATA PENGANTAR
Bismillahirrahmanirrahim,
Alhamdulillah puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, berkat rahmat
dan karunia-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan judul “Hukum
I Termodinamika”.
Pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati kami ingin mengucapkan
terima kasih kepada pihak-pihak yang telah memberi dorongan dan semangat
khususnya kepada bapak Muhammad Azkia, S.Si, M.Pd selaku dosen mata kuliah
Fisika Dasar II.
Kami menyadari bahwa pengetahuan dan kemampuan kami sangat terbatas
sehingga penyusunan makalah ini sangat jauh dari kesempurnaan. Untuk itu kami
selaku penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi kesempurnaan
makalah ini. Semoga makalah ini bermanfaat bagi kita khususnya pembaca pada
umumnya.
Jakarta, 9 Maret 2016
Penulis
2
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR……………………………………………………………….
DAFTAR ISI…………………………………………………………………………
BAB I PENDAHULUAN…………………………………………………...
A. Latar Belakang………………………………………………….
B. Rumusan Masalah……………………………………………...
C. Tujuan…………………………………………………………….
PEMBAHASAN……………………………………………………...
A. Keadaan Kesetimbangan Sistem…………………………….
B. Persamaan Keadaan Sistem………………………………….
C. Koefisien Muai .dan Komprestabilitas……………………….
D. Proses proses Kuasistatik……………………………………..
E. Diagram Termodinamika………………………………………
F. Interaksi Sistem Dengan Lingkungan………………………..
G. Hukum I Termodinamika……………………………………….
H. Proses Adiabatik………………………………………………..
2
3
4
4
4
4
BAB II 5
5
6
15
27
27
32
34
36
BAB III PENUTUP…………………………………………………………...
A. Kesimpulan………………………………………………………
B. Saran……………………………………………………………..
40
40
41
DAFTAR PUSTAKA………………………………………………………………. 42
3
BAB IPENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan
dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan).
Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan, panas, kerja, dan energi dan
secara khusus perubahan panas menjadi kerja. Hukum termodinamika pertama
dan kedua dirumuskan pada abad ke-19. Oleh para ilmuan mengenai
peningkatan efisiensi mesin uap. Bagaimanapun hukum ini merupakan dasar
seperti hukum fisika lainnya
B. Rumusan Masalah
1. Keadaan Kesetimbangan Sistem?
2. Persamaan Keadaan Sistem?
3. Koefisien Muai dan Komprestabilitas?
4. Proses-proses Kuasistatik?
5. Diagram Termodinamika?
6. Interaksi Sistem dengan Lingkungan?
7. Hukum I Termodinamika?
8. Proses Adiabatik?
C. Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini untuk membantu memahami
kepada pembaca khususnya mahasiswa apa itu Hukum I Termodinamika, dan
apa saja yang ada di dalam Hukum I Termodinamika. Selain itu juga penulisan
ini bertujuan untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Dasar II.
4
BAB IIPEMBAHASAN
A. Keadaan Kesetimbangan SistemDalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam
kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan
setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia. Dalam
kesetimbangan termodinamik, tidak ada kecenderungan untuk terjadi perubahan
keadaan, baik untuk sistem maupun untuk lingkungannya.
Kesetimbangan mekanik terjadi apabila tidak ada gaya yang tak
berimbang di bagian dalam sistem, dan juga antara sistem dan lingkungannya.
Dalam kesetimbangan termal, semua bagian sistem bertemperatur sama, dan
sistem juga memiliki suhu yang sama dengan lingkungannya.
Dalam kesetimbangan kimia, suatu sistem tidak mengalami perubahan
spontan dalam struktur internalnya, seperti reaksi kimia. Sistem dalam
kesetimbangan kimia juga tidak mengalami perpindahan materi dari satu bagian
sistem ke bagian sistem lainnya, seperti difusi atau pelarutan.
Bila ketiga syarat kesetimbangan tersebut tidak dipenuhi, maka sistem
termodinamika disebut berada dalam keadaan tidak setimbang.
Kesetimbangan termodinamika menjelaskan sistem yang propertinya tidak
akan berubah tanpa beberapa jenis campur tangan dari luar. Dengan kata lain,
sebuah sistem dalam kesetimbangan termodinamika tidak akan berubah kecuali
ada sesuatu yang ditambahkan atau dikurangi dari itu. Bagi objek untuk
mencapai kesetimbangan termodinamika, ada tiga kondisi yang harus dipenuhi,
yaitu : kesetimbangan mekanik, keseimbangan kimia, dan keseimbangan termal.
Kesetimbangan Mekanik Menjelaskan apa yang terjadi ketika tidak ada
gaya yang tidak seimbang dalam sistem atau dengan sistem dan sekitarnya. Ini
berarti bahwa gaya harus sama dalam suatu sistem dan dalam sistem dan
sekitarnya. Salah satu gaya tersebut adalah tekanan. Jika tekanan adalah sama
dalam sistem dan dengan sistem dan sekitarnya, keseimbangan mekanik
5
tercapai. Jika tidak ada keseimbangan mekanik, sistem akan berusaha untuk
mencapai keseimbangan.
Keseimbangan Kimia Suatu objek akan mencapai keseimbangan kimia,
dimana semua reaksi kimia dalam sistem seperti difusi maupun pelarutan sudah
berlangsung atau terjadi, walau dalam kecepatan yang lambat sekalipun.
Keseimbangan Termal Keseimbangan ini akan terjadi jika tidak ada
perpindahan kalor dalam sistem atau antara sistem dengan lingkungannya.
Artinya semua temperatur dalam sistem harus sama.
Jenis lain dari kesetimbangan yang dicapai adalah sebagai berikut:
a) Dua sistem dalam kesetimbangan termal saat suhu sama.
b) Dua sistem dalam kesetimbangan mekanik saat tekanan mereka
sama.
c) Dua sistem dalam kesetimbangan difusi saat potensial kimia mereka
sama.
Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut
dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah.
Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi.
Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau
mencapai keadaan kesetimbangan di mana perpindahan molekul tetap terjadi
walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah
pemberian gula pada cairan teh tawar. Lambat laun cairan menjadi manis.
Contoh lain adalah uap air dari cerek yang berdifusi dalam udara.Difusi yang
paling sering terjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk
perpindahan dari sebuah lapisan (layer) molekul yang diam dari solid atau fluida.
B. Persamaan Keadaan SistemDi dalam fisika dan termodinamika, persamaan keadaan adalah
persamaan termodinamika yang menggambarkan keadaan materi di bawah
seperangkat kondisi fisika. Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan
konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi
keadaan yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume
6
dan energi dalam. Persamaan keadaan berguna dalam menggambarkan sifat-
sifat fluida, campuran fluida, padatan, dan bahkan bagian dalam bintang.
Penggunaan paling umum dari sebuah persamaan keadaan adalah dalam
memprediksi keadaan gas dan cairan. Salah satu persamaan keadaan paling
sederhana dalam penggunaan ini adalah hukum gas ideal, yang cukup akurat
dalam memprediksi keadaan gas pada tekanan rendah dan temperatur tinggi.
Tetapi persamaan ini menjadi semakin tidak akurat pada tekanan yang makin
tinggi dan temperatur yang makin rendah, dan gagal dalam memprediksi
kondensasi dari gas menjadi cairan. Namun, sejumlah persamaan keadaan yang
lebih akurat telah dikembangkan untuk berbagai macam gas dan cairan. Saat ini,
tidak ada persamaan keadaan tunggal yang dapat dengan akurat
memperkirakan sifat-sifat semua zat pada semua kondisi.
Selain memprediksi kelakuan gas dan cairan, terdapat juga beberapa
persamaan keadaan dalam memperkirakan volume padatan, termasuk transisi
padatan dari satu keadaan kristal ke keadaan kristal lainnya. Terdapat juga
persamaan-persamaan yang memodelkan bagian dalam bintang, termasuk
bintang netron. Konsep yang juga berhubungan adalah mengenai fluida
sempurna di dalam persamaan keadaan yang digunakan di dalam kosmologi.
Ada beberapa sistem termodinamis (suatu sistem yang berada dalam
keadaan setimbang termodinamis), yaitu:
1. 1.Sistem Hidrostatis (Hidrostatik) atau Sistem Kemis (Kimiawi)
2. Sistem Paramagnetis (Paramagnetik).
3. Sistem Dielektris (Dielektrik).
4. Sistem Dawai yang Teregang.
5. Sistem Selaput Tipis.
6. Sistem Sel Listrik.
1. Sistem Hidrostatis
Sistem hidrostatis merupakan zat kimia yang tidak diperhatikan sifat
kelistrikannya, kemagnetannya, elastisitasnya, dan sifat tegangan
permukaannnya. Sistem hidrostatis ada dua, yaitu: zat murni dan zat tak murni.
Contoh sistem hidrostatis adalah: gas, cairan, atau padatan.
7
Sistem hidrostatis disebut zat murni apabila terdiri atas satu senyawa
kimia saja dan berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: Es
(H2O), Air (H2O), Uap Air (H2O), Karbondioksida (CO2), Hidrogen (H2), Nitrogen
(N2), atau Oksigen (O2). Karbondioksida, hidrogen, nitrogen, dan oksigen dapat
berada dalam wujud padatan, gas, maupun cairan.
Sistem hidrostatis disebut zat tak murni apabila terdiri atas campuran zat
murni yang berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: udara
yang terdiri dari campuran oksigen, nitrogen, uap air, dan karbondioksida. Dalam
udara masih ada beberapa jenis gas lagi, namun jumlahnya sedikit sekali,
misalnya gas argon, helium, neon, dan gas kripton.
Persamaan keadaan sistem hidrostatis dinyatakan dalam fungsi
f(p,V.T) = 0
a. Gas Ideal, dengan persamaan keadaan: p V = n R Tb. Gas Clausius, dengan persamaan kedaan: p (v – b) = R T
c. Gas van der Waals, dengan persamaan keadaan
Dalam bentuk lain persamaan keadaan gas van der Waals dapat ditulis
sebagai berikut.
p v – (p b + R T) v + a v – a b = 02 2
8
d. Persamaan keadaan gas real sebagai berikut.
A, B, C, dan seterusnya disebut sebagai koefisien virial yang merupakan
fungsi temperatur. Karena persamaan 3.8.b sama dengan persamaan 3.9, maka
diperoleh:
A = R T, B = R T b, C = R T b , demikian selanjutnya
2. Sistem Paramagnetik
Sistem paramagnetik merupakan gas, cairan, padatan, atau campuran
dari dua atau tiga wujud tersebut yang memiliki kuat medan magnet luar yang
disebut induksi magnetik (B) yang mempengaruhi kemagnetan atom-atom atau
magnetisasi (M). Sedangkan temperatur sistem paramagnetik mempengaruhi
orientasi atom-atom sistem paramagnetik dan orientasi atom-atom ini akhirnya
mempengaruhi magnetisasi.
Jadi sistem paramagnetik minimal mempunyai tiga koordinat sistem, yaitu:
induksi magnetik luar (B), Magnetisasi (M), dan temperatur sistem paramagnetik
(T). Sedangkan contoh sistem paramagnetik misalnya: Aluminum (Al), Calcium
(Ca), Magnesium (Mg), dan Chromium (Cr).
Untuk jelasnya, ditinjau sebuah kristal Mg yang memiliki banyak atom,
misalnya sebanyak m buah atom. Andaikan kristal ini dibiarkan begitu saja, maka
kristal tetap dalam kondisi netral. Jika dipandang dari segi kemagnetannya,
atom-atom Mg merupakan momen atau dipol magnetik (μi)) yang tertentu,
sehingga dipol magnetik totalnya adalah:
2
9
Namun, karena arah dipol magnetik berbeda-beda (berorientasi secara
acak) sedemikian rupa, sehingga magnetisasinya tidak ada atau sama dengan
nol. Atom-atom tidak terlihat mata, maka atom-atom yang bersifat magnet atau
dipol magnetik ini merupakan magnet-magnet kecil sekali yang disebut magnet
elementer. Karena arah magnet elementer berbeda-beda sedemikian rupa,
sehingga kemagnetan kristal Mg juga tidak tampak atau kemagnetannya sama
dengan nol, sehingga magnetisasinya juga sama dengan nol.
Pada hakikatnya momen magnetik atau dipol magnetik bersumber pada
elektron yang mengelilingi inti dalam kulit atau sub kulit yang tidak penuh
seluruhnya. Momen magnetik atom dinyatakan dalam satuan yang disebut
sebagai magneton Bohr, yaitu:
μB ≈ 9 x 10– 24 2
Am
Andaikan sistem paramagnetik yang berupa kristal Mg diperlakukan,
misalnya diberi medan magnet luar yang kuat dengan induksi magnetik B, maka
dipol magnetik atau magnet elementer arahnya akan terorientasi searah dengan
medan magnet luar. Dengan demikian, sistem paramagnetik memiliki suatu
besaran atau koordinat yang menyatakan kuat medan magnet luar yang disebut
induksi magnetik B.Tanpa medan magnet luar, sepotong kristal paramagnetik tidak memiliki
apa yang dinamakan kemagnetan atau magnetisasi M, karena masing-masing
magnet elementer atau dipol magnetik berorientasi acak. Karena ada medan
magnet luar, maka magnet elementer atau dipol magnetik terorientasi searah
dengan arah medan magnet luar. Boleh dinyatakan, magnet-magnet elementer
atau dipol magnetik akan berusaha menyejajarkan (menjajarkan) diri dengan
medan magnet luar. Dengan demikian magnetisasi M merupakan koordinat
kedua sistem paramagnetik.
Koordinat ketiga sistem paramagnetik adalah temperatur (T). Mengapa
demikian ? Karena penyejajaran (penjajaran) magnet elementer atau dipol
magnetik (μi) oleh kuat medan magnet luar dengan induksi magnetik B ditentang
oleh temperatur (T). Maksudnya, karena atom-atom dalam suatu kristal
10
senantiasa bergetar, sedangkan kenaikan temperatur menyebabkan getaran
semakin hebat, maka semakin tinggi temperatur semakin acak orientasi magnet
elementer atau dipol magnetiknya, sehingga magnetisasinya (M) semakin kecil.
3. Sistem Dielektris
Dielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrik yang dapat dikutubkan
(polarized) dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik.
Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di
dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti
bahankonduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya
mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban
dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang
muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif
medan listrik) Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan
dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi
bahan dielektrik menurun. Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang
memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namun
juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan
listrik.
Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknyarendah,
seperti "dielektrik", namun istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-
bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang
besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum tentang dielektrik
adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor.
Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya
mengubah muatan listrik pada kutub-kutub kapasitor
4. Sistem Dawai Teregang
Semua bahan berubah bentuk karena pengaruh gaya. Ada bahan yang
kembali ke bentuk aslinya bila gaya yang mempengaruhi dihilangkan, bahan
yang seperti ini disebut bahan yang lenting sempurna. Ada pula bahan yang
tetap berubah bentuknya walaupun gaya yang mempengaruhi dihilangkan,
11
bahan yang seperti ini disebut bahan tidak lenting sempurna. Namun tidak boleh
ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan.
Jika ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan, maka bahan
akan putus, patah, atau retak. Batas ini disebut sebagai batas kelentingan
bahan. Sifat-sifat kelentingan bahan dijelaskan dengan dua pengertian dasar,
yaitu: stres dan strain.
Gambar a melukiskan sebuah batang baja A yang ditarik oleh dua gaya
yang sama, ke kanan dan kekiri, yaitu: F. Karena kuatnya gaya tarik tersebut,
maka batang baja akan mengecil dan berubah bentuknya menjadi batang B.
Perubahan bentuk ini tetap, walaupun kedua gaya tarik dihilangkan.
Gambar b melukiskan sebuah batang baja A yang ditekan dengan gaya
yang berlawanan sebesar F. Akibatnya batang baja A membesar dan memendek
serta berubah bentuknya menjadi B. Perubahan bentuk ini tetap, walaupun gaya
tekan dihilangkan.
5. Sistem Selaput Tipis
Selaput tipis (Thin Layer) juga merupakan sistem termodinamis. Contoh
konkret selaput tipis antara lain:
a. bagian atas permukaan cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya,
b. gelembung sabun atau selaput sabun yang teregang pada suatu
kerangka yang terjadi dari dua permukaan selaput sabun dengan sedikit
cairannya, dan
c. lapisan minyak di atas permukaan air.
Lapisan minyak di atas air mirip dengan membran yang teregang seperti
gambar berikut.
12
Lapisan minyak menarik garis batas antara minyak dan air ke atas dengan
gaya F yang tegak lurus garis batas serta lapisan air menarik garis batas antara
minyak dan air ke bawah dengan gaya F’yang tegak lurus garis batas. Dua gaya
ini sama harganya hanya berlawanan arah. Gaya yang bekerja tegak lurus garis
batas per satuan panjang disebut tegangan permukaan.
Keadaan selaput tipis ini diwakili oleh tiga koordinat sistem, yaitu:a. tegangan permukaan (γ) dengan satuan N m – 1
b. luas selaput (A) dengan satuan m2, dan
c. temperatur selasput tipis (T) dengan satuan kelvin (K).
Eksperimen menunjukkan, bahwa tegangan permukaan hanya fungsi
temperatur saja. Oleh sebab itu, persamaan keadaan selaput tipis antara minyak
(eka lapis) dan air dapat ditulis sebagai berikut.
dengan a = tetapan, γ = tegangan permukaan air yang diselimuti minyak
eka lapis, γw = tegangan permukaan air bersih (murni), dan T = temperatur
lapisan tipis. Perbedaan (γ – γw) sering disebut tekanan permukaan. Selaput tipis
seperti ini dapat dimampatkan dan dapat dimuaikan; sehingga sangat menarik
jika dibahas dalam termodinamika. Selaput tipis antara minyak dan air jika
diendapkan akan mempunyai sifat optis yang menarik; sehingga jika dibahas
dalam optika fisis sangat menarik.
6. Sistem Sel Terbalikkan
Sel terbalikkan Daniell terdiri atas dua elektrode (tembaga / Cu dan seng /
Zn) yang masing-masing dibenamkan dalam elektrolit yang berbeda (larutan Cu
13
SO4 jenuh dan larutan Zn SO4 jenuh) yang dibatasi oleh dinding berpori-pori
seperti gambar berikut :
Eksperimen menunjukkan, bahwa elektrode Cu lebih positif dibanding
dengan elektrode Zn; sehingga Cu disebut kutub positif dan Zn disebut kutub
negatif. Jika sel Daniell tersebut dihubungkan dengan suatu potensiometer yang
beda potensialnya lebih rendah sedikit dengan gaya gerak listrik (ggl) sel, maka
arus listrik (pemindahan muatan positif) akan terjadi dari Cu ke Zn. Apabila hal ini
terjadi, seng melarut, seng sulfat terbentuk, tembaga diendapkan, dan tembaga
sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia berikut :
Jika pemindahan muatan positif dibalik, dalam arti dari Zn ke Cu, maka
akan terjadi: tembaga melarut, tembaga sulfat terbentuk, seng diendapkan, dan
seng sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia
kebalikan dari reaksi diatas.
Eksperimen menunjukkan, bahwa reaksi berlangsung dalam arah
sebaliknya; sehingga sel Daniell disebut sel terbalikkan. Jika sel terbalikkan tidak
menghasilkan gas dan bekerja pada tekanan udara luar yang tetap, maka
variabel keadaan sistemnya hanya tiga, yaitu:
1. gaya gerak listriknya (ε) dengan satuan volt (V)
2. muatannya (Z) dengan satuan coulomb ( C), dan
3. temperaturnya (T) dengan satuan kelvin (K).
14
Sifat penting sel terbalikkan ialah perubahan kimia yang menyertai
pemindahan muatan listrik dalam satu arah terjadi dengan harga yang sama
dalam arah sebaliknya ketika jumlah muatan listrik yang sama dipindahkan
dalam arah sebaliknya. Jadi, jika Δn mol seng lenyap dan Δn mol tembaga
diendapkan, muatan sel berubah dari Zi ke Zf, dengan
Perlu diketahui, bahwa Zi = muatan awal sel, Zf = muatan akhir sel, j =
valensi seng atau tembaga (dalam hal ini valensi seng = valensi tembaga = 2),
dan NF = tetapan Faraday = 96 500 C.
Namun eksperimen juga menunjukkan, bahwa ggl sel terbalikkan hanya
fungsi temperatur saja. Dengan demikian, persamaan keadaan sistem sel
terbalikkan adalah:
dengan ε = ggl sembarang temperatur, ε20 = ggl pada temperatur 200C, t =
temperatur dalam celcius, serta α, β, dan γ adalah tetapan yang bergantung
pada bahan.
C. Koefisien Muai dan KomprestabilitasnyaPemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh
perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima
kalor. Pemuaian terjadi pada 3 zat yaitu pemuaian pada zat padat, pada zat cair,
dan pada zat gas. Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang
(untuk satu demensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk
tiga dimensi). Sedangkan pada zat cair dan zat gas hanya terjadi pemuaian
volume saja, khusus pada zat gas biasanya diambil nilai koefisien muai
volumenya sama dengan 1/273.
a) Pemuaian Zat Padat
Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat
disebut muschen broek.
15
Dalam eksperimen yang dilakukan menunjukkan bahwa hampir semua benda
padat apabila dipanaskan mengalami perubahan panjang, luas dan volume.
a) Muai panjang
Muai panjang adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda
karena menerima kalor. Pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal sangat
kecil dibandingkan dengan nilai panjang benda tersebut. Sehingga lebar dan
tebal dianggap tidak ada. Contoh benda yang hanya mengalami pemuaian
panjang saja adalah kawat kecil yang panjang sekali.
Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu
panjang awal benda, koefisien muai panjang dan besar perubahan suhu.
Koefisien muai panjang suatu benda sendiri dipengaruhi oleh jenis benda
atau jenis bahan. Berikut beberapa koefisien muai panjang benda padat.
Koefisien muai panjang berbagai jenis zat padat
No. Jenis zat
1. Aluminium
2. Perunggu
3. Baja
4. Tembaga
5. Kaca
Koefisin muai panjang ( /°C )
0,000024/°C
0,000019/°C
0,000011/°C
0,000017/°C
0,000009/°C
16
6. Pirek
7. Berlian
8. Grafit
0,000003/°C
0,000001/°C
0,000008/°C
Secara matematis persamaan yang digunakan untuk menentukan
pertambahan panjang benda setelah dipanaskan pada suhu tertentu
adalah
L = Lo { 1 + α ( t2 – t1 ) }
Keterangan : L = panjang setelah pemanasan atau pendinginan (m)
atau (cm)
Lo = panjang awal (m) atau (cm)
α = koefisien muai panjang (/°C)
t1 = suhu mula-mula (°C)
t2 = suhu akhir (°C)
Contoh Soal:
1. Panjang sebatang alumunium pada suhu 0° C adalah 100 cm. Berapa panjang
pada suhu 100° C, bila angka koefisien muai panjangnya 0,000024/° C ?
Pembahasan
Diketahui :
L0= 100 cm
t1 = 0°C
t2 = 100°C
α = 0,000024/°C
Ditanya : L ?
: Jawab :
L = Lo { 1 + α ( t2 – t1 ) }
L = 100 { 1 + 0,000024 (100 - 0)
=100{ 1 + 0,000024 x 100}
= 100 {1,0024)
= 100,24
Jadi, panjang sebatang alumunium = 100,24 cm
2. Pada suhu 25°C panjang suatu bantang adalah 8 meter. Jika suhu dinaikkan
menjadi 3 kali suhu semula dan koefisien muai panjang batang adalah 14 x 10-6
/oC, maka panjang batang tersebut akan menjadi .... A. 8,0024 m D. 8,0058 m B.
8,0042 m E. 8,0064 m C. 8,0056 m
17
Pembahasan :
Dik : To = 25 oC; lo = 8 m, T = 3(25 oC) = 75 oC; ΔT = 50 oC.
Berdasarkan rumus pemuaian :
⇒ Δl = lo α ΔT
⇒ Δl = 8.(14 x 10-6) (50)
⇒ Δl = 56 x 10-4
⇒ Δl = 0,0056 m
Maka panjang batang menjadi : ⇒ l = lo + Δl
⇒ l = 8 + 0,0056 ⇒ l = 8,0056 m.
b) Muai luas
Muai luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena
menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran
panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada.
Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah lempeng besi yang
lebar sekali dan tipis. Seperti halnya pada pemuian luas faktor yang
mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan
perubahan suhu. Karena sebenarnya pemuaian luas itu merupakan pemuian
panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya
sama dengan 2 kali koefisien muai panjang. Untuk menentukan
pertambahan luas dan volume akhir digunakan persamaan sebagai berikut :
A = Ao { 1 + β ( t2 – t1 ) }Keterangan : A = luas setelah pemanasan atau pendinginan (m2) atau (cm2)
Ao = luas awal (m²) atau (cm²)
β = koefisien muai luas (/°C)
t1 = suhu mula-mula (°C)
t2 = suhu akhir (°C)
Catatan : β = 2α
18
Contoh Soal :
Suatu plat aluminium berbentuk persegi dengan panjang sisi 20 cm pada
suhu 25°C. Koefisien muai panjang aluminium 0,000024/°C. Tentukan
pertambahan luas plat tersebut jika dipanasi hingga suhu 125°C !
Pembahasan:
Diketahui :
A0= 20 x 20 =400 cm²
t1 = 25°C
t2 = 125°C
β = 2 α =2 x 0,000024/°C
= 0,000048
Ditanya : A ?
Jawab :
A = Ao { 1 + β ( t2 – t1 ) }
A = 400 { 1 + 0,000048 (125 - 25)
= 400{ 1 + 0,000048 x 100}
= 400 {1,0048)
= 101,92
Jadi, luas plat alumunium = 101,92 cm
c) Muai volume
Muai volume dalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena
menerima kalor. Pemuaian volume terjadi benda yang mempunyai ukuran
panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume
adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang
dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama
dengan 3 kali koefisien muai panjang.
Persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan volume
dan volume akhir suatu benda tidak jauh beda pada perumusan sebelum.
Hanya saja beda pada lambangnya saja. Perumusannya adalah
V = Vo { 1 + γ ( t2 – t1 ) }
19
Keterangan : V = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m3) atau
(cm3)
Vo = volume awal (m3) atau (cm3)
γ = koefisien muai volume (/°C)
t1 = suhu mula-mula (°C)
Catatan : γ = 3α
Contoh Soal :
Sebuah bola tembaga pada suhu 15°C volumenya 1 m³. Berapakah volume
tembaga itu pada suhu 100°C ? Koefisien muai ruang tembaga = 0,000051 /°C.
Pembahasan:
Diketahui :
V0= 1 m³
t1 = 15°C
t2 = 100°C
γ = 3α = 3 x
0,000017
=
0,000051 /°C
Ditanya : V?
Jawab :
V = Vo { 1 + γ ( t2 – t1 ) }
V = 1 { 1 + 0,000051 (100 - 15)
= 1 { 1 + 0,000051 x 85 }
= 1 {1,004335)
= 1, 004335
Jadi, ruang tembaga setelah memuai = 1, 004335 m³
2) Pemuaian Zat Cair
Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat cair disebut labu
didih. Sifat utama zat cair adalah menyesuaikan dengan bentuk wadahnya. Oleh
karena itu zat cair hanya memiliki muai volume saja. Secara matematis rumus
pemuaian zat cair sebagai berikut
V2 = V1( 1 + γ x Δt)
Keterangan : V2 = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m³) atau (cm³)
V1 = volume awal (m³) atau (cm³)
γ = koefisien muai volume ( /°C)
t1 = suhu mula-mula (°C)
20
t2 = suhu akhir (°C)
Δt = t2 - t1
Berikut beberapa koefisien muai volume zat cair.
Koefisien muai volume zat cair
No.
1.
2.
3.
4.
Jenis zat
Air raksa
Aseton
Air
Bensin
Koefisin muai volume ( /°C )
0,00018/°C
0,00150/°C
0,00021/°C
0,00095/°C
Contoh soal :
1. Roni memanasi air sebanyak 10 liter dari suhu 10 °C menjadi 60°C. Jika
koefisien muai ruang air 0,00021/°C, hitung volume air setelah dipanaskan !
Pembahasan
Diketahui :
V1= 10 liter
t1 = 10°C
t2 = 60°C
Δt = t2 - t1 = 60 - 10 =
50
γ = 0,00021/°C
Ditanya : V2?
3) Pemuaian Zat Gas
Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian gas disebut dilatometer.
Salah satu perbedaan antara zat gas dengan zat padat dan cair adalah volume
zat gas dapat diubah-ubah dengan mudah. Misal, sebuah tabung gas elpiji. Di
dalam tabung gas tentu akan mengadakan tekanan pada dinding tabung.
Tekanan ini disebabkan oleh gerakan partikel gas. Gas akan mengalami
21
:
Jawab :
V2 = V1( 1 + γ x Δt)
= 10 ( 1 + 0,00021 x 50 )
= 10 ( 1 + 0,0105 )
= 10 x 1,0105
= 10, 105
Jadi, volume air setelah dipanaskan = 10,105 liter
pemuaian apabila dipanaskan. Peristiwa pemuaian pada zat gas mudah
diamati daripada pemuaian pada zat padat. Pemuaian pada zat gas
ditunjukkan oleh gelembung-gelembung udara yang keluar dari dalam pipa
kapiler yang ada pada labu didih. Gas juga megalamai pemuaian layaknya pada
pemuaian zat cair dan zat padat. Khusus untuk pemuaian zat ini agak berbeda
dengan pemuaian zat padat dan pemuaian zat cair. Ada satu variabel yang
sangat menentukan pemuaia zat gas yaitu tekanan. Sobat muengkin pernah
melihat balon yang kepanasan tiba-tiba meletus, itu salah satu contoh sederhana
pemuaian gas. Tiga hal yang perlu diperhatikan pada zat gas adalah
volume, tekanan dan suhu.
a. Untuk volume terhadap perubahan suhu pada tekanan tetap
V = Vo { 1 + γp ( t2 – t1 ) }
Keterangan : V = volume gas pada suhu t ( m³ )
Vo = volume gas mula-mula ( m³ )
Γp = koefisien muai gas pada tekanan tetap ( /°C)
t1 = suhu mula-mula ( °C )
t2 = suhu akhir ( °C )
b. Tekanan terhadap perubahan suhu pada volume tetap
P = Po { 1 + γv ( t2 – t1 ) }
Keterangan : P = tekanan gas pada suhu t ( m³ )
Po = tekanan gas mula-mula ( m³ )
γv = koefisien muai gas pada volume tetap ( /°C)
t1 = suhu mula-mula ( °C )
t2 = suhu akhir ( °C )
c. Muai volume gas
V = Vo ( 1 + t/273 )Dari hasil eksperimen yang dilakukan ternyata koefisien muai untuk semua jenis
gas adalah sama yaitu 1/273 /K atau 0,00367 /K.
22
Hukum yang menjelaskan tentang pemuaian zat gas
a. Hukum Gay LussacPV = nRTP = tekanan (atm)
V = volume (L)
n = mol zat
R = 0,0082
T = suhu (0K), x0C = (x + 273)0K
Hukum Gay Lussac menyatakan bahwa pada tekanan tetap volume gas
sebanding dengan suhu gas mutlak tersebut sehingga
V/T = nR/T = tetap
karena perbandingan volume dan suhu tetap, maka perbandingan volume
dan suhu sebelum dan sesudah pemuaian juga akan tetap. Sehingga
persamaannya menjadi
Vo/T1 = V1/T2Pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar). Dengan T = suhu dalam
satuan kelvin.
b. Hukum BoyleHukum boyle menyatakan bahwa pada batas-bats tertentu suhu rendah
yangp, berlaku bbahwa hasil perkaian antara tekanan dan volume selalu tetap.
Secara matematis rumusnya :
PV = nR = tetapkarena perkalian tekanan dan volume selalu tetap, maka perkalian volume dan
volume sebelum dan sesudah pemuaian juga tetap. jadi persamaan rumusnya
P1.V1 =P2.V2 –> pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal)
c. Hukum Boyle-Gay LussacSesuai namanya hukum ini merupakan perpaduan antara hukum boyle
dengan hukum lussac. Hukum ini menyatakan bahwa dalam pemuaian zat gas
perkalian volume dengan tekanan dibagi suhu selalu tetap.
23
P1.V.1——–
T1
P2.V2= ———=tetap
T2Contoh soal pemuaian gas :
1) Pada tekanan tetap, sebuah gas memiliki volume 200 cm 3 pada suhu 27, pada
sushu 127 berapakah volume gas tersebut?
Pembahasan
Kita bisa menggunakan rumus hukum boyle
Vo/T1 = V1/T2200/(27+273) = V1/(127+273)
200/300 = V1/400
V1 = 2/3 x 400
= 266, 67 cm3
24
Contoh Pemuaian :
JenisPemuaian Zat
ContohPemuaian Zat
1. Rel Kereta Api yang bengkok karena panas
2. Kabel listrik/telepon yang lebih kendur ketika siang
hari
3. Bimetal pada alat-alat listrik seperti pada setrika
yang akan mati sendiri ketika sudah terlalu panas.
4. Pemuaian pada kaca rumah.
Pemuaian
Zat padat
5. Mengeling Pelat Logam Umumnya dilakukan
pada pembuatan container dan badan kapal besar.
6. Pemasangan Ban Baja pada Roda Lokomotif
Dilakukan dengan cara memanaskan ban baja
hingga
poros
memuai kemudian dipasangkan pada
roda,setelah dingin akan menyusut dan
mengikat
kuat.
1. Termometer Memanfaatkan pemuaian zat cair
(raksa atau alkohol) pada tabung thermometer.
Pemuaian
Zat Cair2. Air dalam panci akan meluap ketika
dipanaskan. (selain dipengaruhi oleh konveksi kalor
peristiwa ini juga dipengaruhi oleh pemuaian air)
1. Balon yang meletus terkena panas.
2. Roda kendaraan yang meletus terkena panasPemuaian
(zat) Gas
25
4) Kompresibilitas Komprestabilitas adalah penyimpangan gas ideal . Faktor komprestabilitas
adalah rasio molar volume gas terhadap volume gas ideal pada tekanan dan
temperatur sama. Faktor kompresibilitas merupakan salah satu properti
termodinamika yang berguna untuk memodifikasi hukum gas ideal untuk melihat
perilaku gas nyata.Secara umum, penyimpangan dari keadaann ideal menjadi
semakin besar ketika gas semakin mendekati perubahan fasa, suhu yang semakin
rendah atau tekanan makin tinggi. Faktor kompresibilitas biasanya didapatkan dari
perhitungan persamaan keadaan (EOS), seperti persamaan virial yang
membutuhkan konstanta empiris spesifik senyawa untuk menghitungnya. Untuk gas
yang merupakan campuran 2 gas murni atau lebih, komposisi gas harus diketahui
sebelum kompresibilitasnya dapat dihitung.
Faktor kompresibilitas didefinisikan sebagai
dengan
gas ideal
adalah volume molar, adalah volume molar
adalah tekanan, adalah temperatur, dan adalah konstanta gas. Untuk
aplikasi teknik, biasanya dituliskan sebagai
Dengan
spesifik,
adalah densitas gas dan adalah konstanta gas
adalah massa molar.
Untuk gas ideal, faktor kompresibilitas adalah .
26
Contoh Soal
1. Hitunglah nilai penyimpangan dari kompresibilitas darisuatu gas apabilasuatu gas dengan volume 1 dm dengan tekanan 1 atm/bar ?Jawab :Diketahui :
P= 1 atmV= 1 dm3= 1 literT= 60 oC= 60+273= 330 K
R= 0,813
Jawab :
Z=
=
=
= 0,0034
= 3,4 10-3
D. Proses Proses KuasistatikProses kuasi-statik adalah proses dalam keadaan ideal dengan hanya
mengubah sedikit saja gaya eksternal yang beraksi pada sistem sehingga gaya
takberimbangnya sangat kecil. Proses kuasi-statik merupakan suatu pengidealan
yang dapat diterapkan untuk segala sistem termodinamika, termasuk sistem
listrik dan magnetik.
E. Diagram TermodinamikaDiagram p-v-T dan Diagram p-T , p-v ,T-v
Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor
utama yang mempengaruhi sifat kimia fisika suatu materi yaitu tekanan (p),
volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berperan penting untuk
menentukan wujud atau fasa suatu materi. Secara umum, kita mengetahui
terdapat tiga jenis fasa materi, yaitu padat, cair, gas. Namun, dalam kajian
termodinamika fasa materi tidak hanya itu, masih ada beberapa jenis fasa
27
lainnya bergantung pada kondisi. Pada kondisi tertentu, dapat dimungkinkan
muncul lebih dari satu jenis fasa yang berbeda sekaligus. Hubungan kondisi
tersebut dapat dipelajari lebih mudah melalui suatu penggambaran diagram yang
mencakup tekanan (p), volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berpadu
membentuk sebuah diagram tiga dimensi (3D) yang sering disebut diagram p-v-Tyang ditunjukkan pada gambar 1 . Diagram tersebut dibentuk dengan
meletakkan masing-masing faktor (p-v-T) pada sumbu koordinat kartesius (x,y,z).
Hasil visualisasi tersebut diperoleh dari serangkaian percobaan atau eksperimen
para ahli. Dari hasil percobaan tersebut diperoleh suatu hubungan-hubungan
kuantitatif yang kemudian dapat ditafsirkan secara kualitatif.
F. Gambar 1. diagram p-v-T
Pada gambar di atas terlihat ada daerah-daerah di mana zat tersebutmemiliki satu fase (single phase), dua fase (two phase) dan ketiga wujud zatberada dalam kesetimbangan. Daerah single-phase adalah daerah di manahanya terdapat satu fase yaitu : solid (padat), liquid (cair), dan vapor (uap). Padadaerah tersebut dipengaruhi oleh dua kombinasi faktor, yakni tekanan,temperature atau volume spesifik dan pada kondisi ini ketiganya independent .Sementara daerah di antara satu fasa atau fasa tunggal adalah daerah dua fasa.Daerah dua fasa (two phase) adalah daerah di mana terdapat kesetimbangan
28
antara dua fasa : cair-uap, cair-padat, dan padat-uap. Daerah dua fasa munculkarena adanya perubahan fasa seperti : penguapan (cair ke uap), peleburan(padat ke cair) dan penyubliman (padat-gas). Pada daerah dua fasa tekanan dantemperature saling bergantung (dependent) artinya salah satu tidak akanberubah jika yang lainya tidak berubah. Oleh karena itu, bentuk fasa tidak hanyaditentukan oleh temperature dan tekanan saja, melainkan ditentukan juga olehvolume spesifik. Garis di mana terdapat kesetimbangan tiga fasa disebut tripleline. Seringkali sulit untuk memahami diagram p-v-T secara langsung yangmerupakan penggambaran secara tiga dimensi. Oleh karena itu, untukmemudahkan pembacaan diagram tersebut maka diagram tersebut dikonversimenjadi diagram dua dimensi (2D) melalui proyeksi pada bidang. Proyeksinyatersebut menghasilkan diagram p-T, diagram p-v dan diagram T- v. Simulasiproses konversi tersebut dijelaskan oleh gambar 2.
G. Gambar 2. Proyeksi p-v-T pada permukaan p-T dan p-v
Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa ketika gambar permukaan p-v-T diproyeksikan pada bidang tekanan-suhu maka akan didapat diagram p-T (gambar 4). Sementara proyeksi gambar permukaan p-v-T pada bidangtekanan-volum spesifik menghasilkan diagram p-T (gambar 3). Dan proyeksigambar permukaan p-v-T pada bidang suhu-volume spesifik menghasilkan
29
diagram T-v. Selain itu, akibat dari proyeksi ini adalah reduksi cakupan operasikondisi fasa yakni daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerahcairan-uap menjadi garis penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garissublimasi. Garis tripel diproyeksikan menjadi titik tripel. Untuk pemahanan lebih lanjut mengenai diagram diagram p-T dandiagram p-T maka akan dijelaskan beberapa keadaan tambahan yang terbentukpada kondisi tertentu. Keadaan jenuh (saturation state) adalah keadaan di manaperubahan fasa dimulai dan berakhir. Kurva uap (vapor dome) adalah kurvayang terdiri atas dua fase cair dan uap. Garis yang membatasi kurva uaptersebut disebut garis cairan jenuh (saturated liquid lines) dan garis uap jenuh(saturated vapor lines). Titik di mana garis jenuh cairan dan uap bertemu di sebuttitik kritis (critical point).Titik kritis tersebut juga adalah titik di mana gas di atastekanan dan temperatur kritis tidak dapat dicairkan hanya dengan mengecilkanvolumenya. Suhu pada terjadinya titik kitis disebut Temperature kritis (T c) yangmenunjukkan batas maksimum agar kesetimbangan fasa cairan dan uapterbentuk. Sementara tekanan pada suhu kritis disebut tekanan kritis (pc).Sedangkan volume spesifik pada kondisi tersebut disebut volume spesifik kritis.
Diagram p-v Proyeksi diagram tiga dimensi p-v-T ke dalam diagram p-v diperlihatkanpada gambar 4. Pada diagram tersebut tampak garis-garis isotermal (suhutetap). Pada grafik di bawah, dapat dilihat bahwa pada suhu di bawah titik kritis,maka tekanan akan konstan ketika melalui daerah dua fasa cair-uap, tetapi padadaerah satu fasa ( cair atau gas) maka tekanan akan turun pada temperaturetetap dan volume spesifik naik (kurva ditunjukkan tanda panah merah).Sedangkan saat temperature sama atau lebih dari temperature kritis (T c), makatekanan akan menurun secara terus menerus pada temperature tetap danvolume spesifik meningkat (kurva ditunjukkan oleh tanda panah biru). Hal initerjadi karena kurva tersebut tidak memotong pada daerah dua fasa cair-uap.
H.I. Gambar 3. Diagram p-v
30
Diagram p-T Ketika gambar permukaan p-v-T diproyeksikan pada diagram p-T (gambar4), daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerah cairan-uap menjadigaris penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garis sublimasi. Garis tripeldiproyeksikan menjadi titik tripel. Diagram p-T adalah jalan untuk menunjukkan suatu fase zat karena padadiagram tersebut , tiga fase dari zat dipisahkan secara jelas melalui garis, yaitugaris peleburan ( kesetimbangan fase padat dan cair), garis penguapan (kesetimbangan fase cair dan uap), garis penyubliman (kesetimbangan fsaepadat dan uap). Ketiga garis tersebut bertemu di titik tripel. Titik tripel adalahketika suatu zat berada pada kesetimbangan fase padat, cair dan uap.Gambar di bawah juga memperjelas bidang cair dari 2 jenis zat, yakni:
Bidang a – b – d merupakan bidang cair dari zat yang memuai saat beku.Artinya, semua kombinasi Tekanan dan Suhu dari zat yang berada di bidang iniberada pada keadaan cair. Bidang c – b – d merupakan bidang cair dari zat yang menyusut saat beku.Gambar tersebut juga menerangkan proses perubahan wujud zat dari bekumenjadi uap melalui dua mekanisme. Pada proses yang ditandai dengan panahmerah, mula-mula zat dari keadaan beku (fasa padat) berubah menjadi cair(pencairan) kemudian berubah menjadi uap (penguapan). Sementara padaproses yang ditandai dengan panah biru, perubahan dari bentuk beku (padat)menjadi uap terjadi tanpa melalui proses pelelehan (mencair). Proses ini disebutdengan menyublim. Dan proses tersebut hanya dapat terjadi pada tekanan dansuhu dibawah tekanan dan suhu triple point.
Diagram T-v
Ketika permukaan diagram p-v-T diproyeksikan pada bidang temperature-volume spesifik maka akan menghasilkan diagram T-v. Gambar di atasmerupakan sketsa dari diagram T-v dari air pada fase cair, dua fasa cair-uap dan
31
uap. Untuk kondisi tekanan dibawah tekanan kritis (kurva ditunjukkan oleh panahmerah), sepert 10 MPa, maka tekanan akan konstan ketika melintasi daerahdua fasa. Sementara pada daerah satu fasa ( cair atau uap ) maka tekananakan meningkat seiring kenaikan suhu maupun volume spesifik. Sedangakanpada kondisi tekanan sama dengan atau lebih dari tekanan kritis (kurvaditunjukkan oleh panah biru), seperti 30 MPa, maka tekanan akan secarakontinu/terus menerus meningkat seiring kenaikan suhu maupun volumespesifik. Hal ini disebabkan pada tekana sebesar itu, kurva tersebut tidak melaluidaerah dua fasa.
Gambar 5. Diagram T-v dari air
J. Interaksi Sistem Dengan LingkunganSistem. Adalah sesuatu yang menjadi pusat perhatian kita, Sistem
termodinamika adalah suatu sistem yang keadaannya didiskripsikan oleh
besaran-besaran termodinamika. Segala sesuatu di luar sistem (yang dapat
mempengaruhi keadaan sistem) disebut lingkungan. Suatu permukaan yang
membatasi sistem dengan lingkungannya di sebut permukaan batas, yang dapat
berupa permukaan nyata (real surface) atau berupa khayal (imaginary surface).
Permukaan batas dapat tetap atau berubah bentuknya.
Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi
tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka. Sistem
terisolasi adalah suatu sistem yang keadaannya tidak dapat dipengaruhi oleh
lingkungannya. Sistem tertutup adalah suatu sistem yang tidak terjadi
perpindahan materi dari sistem ke lingkungannya atau sebaliknya, tetapi dapat
32
terjadi pertukaran (interaksi) energi antara sistem dengan lingkungannya. Sistem
terbuka adalah suatu sistem yang dapat terjadi perpindahan materi dan/atau
energi antara sistem dan lingkungannya.
Sistem A (Gambar 9.1a) adalah suatu sistem yang dilingkupi dengan
dinding yang berupa isolator panas (dinding adiabat) sehingga tidak terjadi
interaksi materi dan energi antara sistem A dan lingkungannya, sehingga
keadaan sistem A tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungan. Sistem A merupakan
sistem terisolasi.
Sistem B (Gambar 9.1b) merupakan suatu sistem yang dilingkupi dinding
yang berupa konduktor panas ( dinding diaterm) sehingga dapat terjadi interaksi
antara sistem B dengan lingkungannya meskipun disini tak terjadi perpindahan
materi. Sistem B disebut sistem tertutup.
Sistem C dan sistem D pada Gambar 9.1c adalah sistem-sistem yang
terbuka, di mana dapat terjadi perpindahan materi dari sistem C ke sistem D atau
sebaliknya. Sistem C dilingkupi oleh dinding adiabatik sehingga hanya dapat
berinteraksi dengan sistem D saja, sedangkan sistem D dilingkupi dengan
dinding diaterm sehingga dapat berinteraksi dengan sistem C dan dengan
lingkungannya.
Besaran-besaran makroskopis yang dapat diukur pada sistem mencirikan
keadaan sistem. Besaran makroskopis sistem menunjukkan sifat (properties)
sistem. Besaran makroskopis sistem disebut juga koordinat termodinamika
sistem. Koordinat termodinamika sistem cukup dinyatakan oleh tiga variabel dan
33
baisanya salah salah satunya adalah temperature. Temperatur secara umum
diberi simbol dan khusus untuk temperatur Kelvin diberi simbol T.
K. Hukum I TermodinamikaHukum I termodinamika merupakan salah satu dari hukum fisika yang
berhubungan dengan kekekalan. Di dalam fisika kita mengenal bermacam –
macam hukum kekekalan seperti hukum kekekalan energi, hukum kekekalan
massa,hukum kekekalan momentum dll.
a) Pengertian Termodinamika
Sebelum membahas hukum–hukum Termodinamika terlebih dahulu
kita harus tahu apa itu termodinamika. Termodinamika merupakan ilmu yang
mempelajari hubungan antara usaha dan kalor. Di dalam termodinamika kita
mengenal adanya sistem dan lingkungan. Dalam termodinamika sistem
diarttikan sebagai kumpulan dari benda – benda atau objek yang diteliti atau
menjadi pusat perhatian kita sedangkan lingkungan diartikan sebagai benda
atau objek yang berada di luar sistem. Batas ialah perantara antara siitem
dan lingkungan. Daerah tempat Sistem dan lingkungan berada disebut
semesta.
b) Hukum I Termodinamika
Seperti yang telah disebutkan di atas, Hukum – hukum Termodinamika
membahas tentang kekekalan energi antara sistem dan lingkungan. Hukum I
termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu sistem adalah
sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan
usaha yang dilakukan oleh sistem”. Energi dalam sistem adalah jumlah total
semua energi molekul yang ada di dalam sistem. Apabila sistem melakukan
usaha atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam
sistem akan naik. Sebaliknya energi dalam sistem akan berkurang jika sistem
melakukan usaha terhadap lingkungan atau sistem memberi kalor pada
lingkungan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa perubahan energi
dalam pada sistem tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan
usaha yang dilakukan sistem.
34
c) Rumus Hukum I Termodinamika
Dari bunyi hukum I Termodinamika, maka rumus hukum I
Termodinamika dapat dituliskan sebagai berikut :
Q = ∆U + W atau ∆U = Q – W atau
Dimana :
∆U : Perubahan energi dalam sistem (J)
Q : Kalor yang diterima/dilepas sistem (J)
W : Usaha (J)
d) Perjanjian pada hukum I Termodinamika
Rumus hukum I Termodinamika digunakan dengan perjanjian sebagai
berikut :
1. Usaha (W) bernilai positif (+) jika sistem melakukan usaha
2. Usaha (W) bernilai negatif (-) jika sistem menerima usaha
3. Q bernilai negatif (-) jika sistem melepas kalor
4. Q bernilai positif (+) jika sistem menerima kalor
e) Contoh Soal dan Pembahasannya
1. Kalor sebanyak 3000 Joule ditambahkan pada sistem dan sistem
melakukan usaha 2500 Joule pada lingkungan. Perubahan energi
dalam sistem adalah…
Pembahasan
Diketahui :
Kalor (Q) = +3000 Joule
Usaha (W) = +2500 Joule
Ditanya : perubahan energi dalam sistem?
Jawab :
Hukum I Termodinamika :
Aturan tanda :
Q positif jika kalor ditambahkan pada sistem
35
W positif jika sistem melakukan usaha pada lingkungan
Q negatif jika kalor dilepaskan sistem
W negatif jika lingkungan melakukan usaha pada sistem
Perubahan energi dalam sistem :
Energi dalam sistem bertambah 500 Joule.
L. Proses AdiabatikProses adiabatik adalah sistem yang tidak melakukan pertukaran panas
dengan lingkungannya. Ini berarti ketika sistem melakukan usaha - apakah
gerakan atau kerja mekanik - itu idealnya tidak menjadikan lingkungan sekitarnya
hangat atau dingin. Untuk sistem yang melibatkan gas, proses adiabatik
biasanya membutuhkan perubahan tekanan untuk menggeser suhu tanpa
mempengaruhi lingkungan sekitarnya. Dalam atmosfer bumi, massa udara akan
menjalani ekspansi adiabatik dan mendingin, atau mereka akan mengalami
kompresi adiabatik, dan memanas. Insinyur telah merancang berbagai mesin
dengan proses yang setidaknya sebagian adiabatik.
Sebuah proses adiabatik adalah proses termodinamika sistem tidak
mendapatkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Sebuah proses
termodinamika dapat dipahami sebagai pengukuran perubahan energi dalam
sebuah sistem, yang diambil dari keadaan awal ke keadaan akhir. Dalam aplikasi
termodinamika, sistem mungkin setiap ruang yang jelas dengan satu set properti
seragam, apakah planet, massa udara, mesin diesel, atau alam semesta.
Sementara sistem memiliki banyak sifat termodinamika, yang penting di sini
adalah perubahan suhu, diukur penambahan atau penurunan panas. Sebuah
perubahan energi internal sistem akan terjadi setiap kali sistem yang melakukan
usaha, seperti ketika sebuah mesin pembakaran internal yang disebabkan oleh
pergerakan bagian-bagiannya. Dalam proses adiabatik dengan melibatkan gas
atmosfer, seperti udara, kompresi gas dalam sistem menyebabkan gas untuk
36
melakukan pemanasan, sementara perluasan mendinginkan itu. Beberapa mesin
uap telah mengambil keuntungan dari proses ini untuk meningkatkan tekanan
dan dengan demikian suhu, dan dianggap mesin adiabatik. Para ilmuwan
mengklasifikasikan proses adiabatik – dari mesin ke sistem cuaca – adalah
menurut apakah mereka reversibel atau tidak suhu aslinya.
Dalam proses adiabatik, perubahan suhu akan terjadi hanya karena
usaha yang melakukan, tapi bukan karena kehilangan panas terhadap
lingkungannya. Meningkatnya udara dingin tanpa kehilangan panas ke massa
udara disekitarnya. Mendingin karena tekanan atmosfer, yang memampatkan
dan memanaskan udara dekat dengan permukaan bumi, menurun sesuai
dengan ketinggian. Ketika tekanan pada gas berkurang, akan mengembang, dan
hukum termodinamika menganggap ekspansi menjadi usaha. Ketika massa
udara mengembang dan melakukan kerja, tidak kehilangan panas ke massa
udara lain yang mungkin memiliki suhu yang sangat berbeda, dan dengan
demikian mengalami proses adiabatik.
Hal ini hampir mustahil untuk sistem adiabatik sempurna untuk ada,
karena beberapa panas biasanya hilang. Ada persamaan matematika yang
digunakan para ilmuwan untuk model proses adiabatik yang mengasumsikan
sistem yang sempurna untuk kenyamanan. Ini harus disesuaikan ketika
merencanakan mesin aktual atau perangkat. Kebalikan dari proses adiabatik
adalah proses isotermal, dimana panas ditransfer di luar sistem untuk lingkungan
sekitarnya. Jika gas mengembang bebas di luar sistem dengan tekanan diatur,
itu mengalami proses isotermal.
37
Persamaan keadaan adiabatik:
Tetapan Laplace:
karena , maka persamaan diatas dapat juga ditulis:
Usaha yang dilakukan pada proses adiabatik:
Contoh soal
1. Sejumlah udara berekspansi secara adiabatik dari tekanan awal 2 atm dan
volume awal 2 liter pada temperatur 200C menjdai dua kali volume awalnya γ =
1,4. Hitunglah:
a. Tekanan akhir
b. Temperatur akhir
c. Usaha yang dilakukan oleh gas
Penyelesaian:
Diketahui:
γ = 1,4
V1 = 2 liter
V2 = 4 liter
P1 = 2 atm
T1 = 20 + 273 = 293 K
Ditanya:
a. P2 ?
b. T2 ?
c. W ?
Jawab:
38
39
BAB IIIPENUTUP
A. SIMPULAN1) Dalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam
kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan
setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia.
2) Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang
menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan
yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume
dan energi dalam.
3) Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh
perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena
menerima kalor.
4) Proses kuasi-statik adalah proses dalam keadaan ideal dengan hanya
mengubah sedikit saja gaya eksternal yang beraksi pada sistem sehingga
gaya takberimbangnya sangat kecil.
5) Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor
utama yang mempengaruhi sifat kimia fisika suatu materi yaitu tekanan
(p), volum (V) dan suhu (T).
6) Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi
tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka.
7) Hukum I termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu
sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut
ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem”.
8) Proses adiabatik adalah sistem yang tidak melakukan pertukaran panas
dengan lingkungannya.
40
B. SARAN
Makalah ini masih belum sempurna dan masih banyak kekurangan yang
ada di makalah ini, oleh karena itu kami berharap kepada para penulis-penulis
yang lain agar memberikan yang lebih baik lagi untuk penulisan penulisan yang
selanjutnya demi kemajuan bangsa dan negara. Kritik dan saran yang bersifat
membangun selalu kami harapkan demi perbaikan dan kesempurnaan
rangkuman kami. Apabila ada kesalahan kami meminta maaf dan terima kasih.
41
DAFTAR PUSTAKA
HAMID, AHMAD ABU.2007.DIKTAT PERKULIAHAN TERMODINAMIKA.KALOR DANTERMODINAMIKA.YOGYAKARTA:FMIPA UNY
https://gurumuda.net/contoh-soal-hukum-i-termodinamika.htm [8 Maret 2016 pukul
11.30 WIB]
https://djukarna.wordpress.com/2014/05/07/proses-proses-termodinamika/
2016 pukul 14.00 WIB]
https://id.wikipedia.org/wiki/Kesetimbangan_termodinamik [7 Maret 2016 pukul 20.00
WIB]
https://id.m.wikipedia.org/wiki/Termodinamika #Keadaan_termodinamika [7 Maret 2016
pukul 12.00 WIB]
http://temodinamikarizkykhusnulhasanah.blogspot.co.id/2015/03/keadaan-
kesetimbangan-sistem-dan.html?m=1 [8 Maret 2016 pukul 13.25 WIB]
https://id.wikipedia.org/wiki/Persamaan_keadaan [9 Maret 2016 pukul 15.00 WIB]
thermodynamicsproject.blogspot.co.id/2015/03/sistem-dan-persamaankeadaan-sistem-
a.html [8 Maret 2016 pukul 21.00 WIB]
http://indonesiaindonesia.com/f/94967-bab-6-pemuaian-zat/ [9 Maret 2016 pukul 10.00
WIB]
http://bahanbelajarsekolah.blogspot.co.id/2015/05/contoh-soal-dan-jawaban-pemuaian-
zat.html [9 Maret 2016 pukul 20.30 WIB]
http://rumushitung.com/2013/01/24/pemuaian-zat-padat-cair-gas/ [8 Maret 2016 pukul
21.00 WIB]
http://sonyaljazary.blogspot.co.id/2013/02/diagram-p-v-t-dan-diagram-p-t-p-v-t-v.html [9
Maret 2016 pukul 21.00]
42
[9 Maret
top related