Physics Development: Termodinamika

Penjelasan Fisika Tentang Gas dan Termodinamika diawali dari Partikel gas dalam ruang berhubungan dengan tekanan, volume dan suhu. Berapapun partikel gas, dapat diletakkan dalam suatu ruangan dengan volume tertentu, begitupula sebaliknya. Gas terdiri atas gas ideal dan gas sejati.

Sifat-sifat gas ideal:

Gas ideal memiliki ukuran partikel yang sangat kecil dibanding ruangannya.
Gas ideal bergerak secara cepat dan sembarang, menurut garis lurus.
Gas ideal bergerak akibat tumbukan antarpartikel atau tumbukan dengan ruangannya yang lenting sempurna.
Gas ideal memiliki gaya tarik menarik antarpartikel yang lemah

PERSAMAAN GAS IDEAL

Persamaan gas ideal adalah

P.V = n.R.T

P.V = N.k.T

P = tekanan gas (N/m2 atau Pa)

V = volume gas (m3)

n = jumlah mol partikel (mol)

N = jumlah partikel (partikel)

R = tetapan gas ideal (8,314 J/mol.K atau 0,082 atm.L/mol.K)

k = tetapan Boltzmann (1,38 x 10-23 J/K)

T = suhu mutlak gas (K)

Satuan tekanan yang sering digunakan:

1 bar = 105 Pa

1 atm = 76 cmHg = 760 mmHg

= 1,01 bar = 1,01 x 105 Pa

Hubungan tetapan, mol, dan jumlah partikelBpersamaan gas ideal:

NA atau L = bilangan Avogadro (6,02 x 1023 partikel)

m = massa benda (gram)

M atau mm = massa molar (Ar atau Mr) (gram/mol)

Proses isotermik adalah keadaan dimana suhu selalu konstan, dan berlaku hukum Boyle yang menghubungkan volume dengan tekanan gas.

Proses isokhorik adalah keadaan dimana volume selalu konstan, dan berlaku hukum Gaya Lussac yang menghubungkan tekanan dengan suhu gas.

Proses isobarik adalah keadaan dimana tekanan selalu konstan, dan berlaku hukum Charles (Boyle Gay-Lussac) yang menghubungkan volume dengan suhu gas.

ENERGI KINETIK GAS

Energi kinetik gas (Ek) adalah energi yang dimiliki gas akibat bergerak. Energi kinetik rata-rata suatu partikel gas secara umum dapat dirumuskan:

mo = massa tiap partikel (kg)

v̅ = kecepatan rata-rata (m/s2)

Teori ekuipartisi energi menjelaskan bahwa energi kinetik rata-rata dipengaruhi derajat kebebasan partikel gas.

Derajat kebebasan adalah kebebasan partikel gas untuk bergerak dalam ruang akibat geraktranslasi (vibrasi) dan gerak rotasi.

Energi kinetik rata-rata menurut teori ekuipartisi energi:

Gas monoatomik hanya melakukan gerak translasi (vibrasi) ke tiga sumbu, sehingga f = 3.

Gas diatomik

Gas diatomik melakukan gerak translasi (vibrasi) ke tiga sumbu dan gerak rotasi pada sumbu y dan

z, sehingga f = 5.

Kecepatan rata-rata atau efektif (vrms) gas idealmdapat dirumuskan:

mo = massa tiap partikel (kg)

ρ = massa jenis gas (kg/m3)

Energi dalam gas (U) adalah total energi kinetik seluruh partikel gas dalam suatu ruangan.

U = energi dalam gas (J)

N = jumlah partikel (partikel)

Derajat kebebasan gas pada energi dalam gas dipengaruhi oleh suhu juga.

1) Gas monoatomik memiliki f = 3, tidak dipengaruhi suhu.

2) Gas diatomik dipengaruhi suhu:

a. Suhu rendah (0-300 K) memiliki f = 3,

b. Suhu sedang (300-500 K) memiliki f = 5,

c. Suhu tinggi (500-1000 K) memiliki f = 7.

Tekanan dan suhu gas ideal berdasarkan energikinetik rata-ratanya dapat dirumuskan:

HUKUM TERMODINAMIKA I

Hukum termodinamika I adalah hukum kekekalan energi pada gas, berbunyi: "Kalor yang diterima gas digunakan untuk

mengubah energi dalam gas menjadi usaha."

Persamaan hukum termodinamika I: Q = ΔU + W

Q = energi kalor (J)

ΔU = perubahan energi dalam (J)

W = usaha gas (J)

Usaha (W) pada gas dapat dirumuskan:

Usaha pada grafik hubungan P-V:

Perubahan energi dalam (U) dapat dirumuskan:

Makna nilai usaha dan perubahan energi dalam:

1) +W berarti gas melakukan usaha, volume bertambah (ekspansi).

2) -W berarti gas menerima usaha, volume berkurang (kompresi).

3) +ΔU berarti terbentuk energi dalam, suhu naik.

4) -ΔU berarti energi dalam berubah menjadi usaha, suhu turun.

Proses-proses pada gas:

1) Proses isobarik (P konstan)

Pada proses isobarik, berlaku:

P1 = P2

ΔU = U2 – U1

W = P. ΔV

Hukum termodinamika I

Q = ΔU + W

2) Proses isokhorik (V konstan)

Pada proses isokhorik, berlaku:

V1 = V2

ΔV = 0

ΔU = U2 – U1

W = 0

Hukum termodinamika I

Q = ΔU

3) Proses isotermik (T konstan)

Pada proses isotermik, berlaku:

T1 = T2

ΔT = 0

Hukum termodinamika I

Q = W

4. Proses adiabatik (Q = 0)

Pada proses adiabatik, berlaku:

Q = 0

Tetapan Laplace adalah perbandingan kapasitas kalor gas pada P konstan dengan kapasitas kalor gas pada V konstan.

Cp= kalor jenis pada P konstan (J/kg.K)

CV= kalor jenis pada V konstan (J/kg.K)

γ= tetapan Laplace (>1)

Tetapan Laplace pada gas monoatomik:

Tetapan Laplace pada gas diatomik:

Hubungan kapasitas kalor CP dan CV:

Hukum termodinamika I

W = –ΔU

5) Siklus (isotermik)

Pada siklus gas, segala sesuatu tidak bergantung proses, tetapi bergantung pada awal dan akhir siklus.

T1 = T2

ΔT = 0

ΔU = 0

W = luas raster grafik

Hukum termodinamika I

Q = W

HUKUM TERMODINAMIKA II

Hukum termodinamika II dinyatakan oleh Clausius dan Thomas-Kevin-Planck. Kalor tidak mengalir spontan dari dingin ke panas, kecuali ada usaha dari luar. Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh dan reversibel. Tidak ada mesin yang bekerja hanya dengan mengambil energi dari reservoir panas kemudian membuangnya kembali untuk menghasilkan mesin abadi. Mesin kalor/panas adalah mesin yang mengubah kalor dari suatu sumber kalor (reservoir panas) menjadi usaha dan sebagian lainnya dibuang ke lingkungan (reservoir dingin).

Hukum termodinamika II

Q1 = W + Q2

W = Q1 – Q2

Efisiensi mesin panas

η = efisiensi mesin panas (<100%)

W = usaha (J)

Q2 = kalor yg diterima dari reservoir panas (J)

Mesin panas Carnot adalah mesin panas yang efisiensinya mendekati 100% atau mesin ideal.

Siklus Carnot:

Q1 dan Q2 = kalor input dan output (J)

T1 dan T2 = suhu tinggi dan rendah (K)

Hukum termodinamika II

Q1 = W + Q2

W = Q1 – Q2

Efisiensi mesin panas

Mesin dingin/pendingin (refrigerator) adalah mesin yang menggunakan usaha untuk membuang kalor dari lingkungan dalam (reservoir dingin) ke lingkungan luar (reservoir panas)