Rangkuman Fisika Kelas 11 SMA/MA Semester 2 - Bab Termodinamika & Contoh Soal

Rangkuman Fisika

Kompetensi Dasar : Termodinamika

1. Usaha dan Proses-proses dalam Termodinamika
2. Hukum I Termodinamika dan Kapasitas Kalor Gas
3. Siklus Termodinamika dan Hukum II Termodinamika 

 A. Usaha dan Proses-Proses dalam Termodinamika

Termodinamika adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Kalor diartikan sebagai perpindahan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu, sedangkan usaha merupakan perubahan energi melalui cara-cara mekanis yang tidak disebabkan oleh perubahan suhu.

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yakni sebagai berikut :

§  Sistem terbuka

Sistem yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya.

§  Sistem tertutup

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan.

§  Sistem terisolasi

Sistem terisolasi ialah sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya.

1. Usaha

è Dapat diperoleh dengan mengubah keadaan suatu gas.

Usaha yang dilakukan gas sebesar :

W = Fs ßà W = F Dh

W = p A Dh

Hasil kali antara luas penampang dengan besar perubahan posisi piston tak lain adalah perubahan volume (A Dh = DV). Dengan demikian, persamaannya menjadi :

W = p DV

Jika   W(+) à gas melakukan usaha (V2 > V1)

          W(-) à gas menerima usaha dari luar (V2 < V1)

2. Proses-Proses dalam Termodinamika

a.    Isobarik

è Proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap. Secara grafik, usaha yang dilakukan pada proses isobarik adalah luas daerah yang diarsir pada Gambar. Usaha yang dilakukan :

W = p DV = p(V2-V1)

Keterangan :

V1 = volume awal (m^3)

V2 = volume akhir (m^3)

p = tekanan gas (N/m^2)

b.    Isotermik

è Perubahan keadaan sistem pada suhu tetap. Usaha yang dilakukan sistem merupakan luas di bawah grafik p-V pada gambar. Usaha pada proses isotermik dirumuskan :

W = nRT In (V2/V1)

Keterangan :

n = jumlah mol

R = 8,314 J/molK

T = suku mutlak (K)

c.    Isokhorik

è Proses perubahan keadaan system pada volume tetap. Grafik p-V pada proses isokhorik dinyatakan oleh gambar. Usaha pada proses isokhorik bernilai nol karena volume system tidak berubah.

W = p DV = p (0) = 0

d.    Adiabatik

è Proses perubahan sistem tanpa ada kalor yang masuk maupun keluar. Persamaan yang berlaku pada prose adiabatik, sebagai berikut :

p1 V1^g = p2 V2^g

T1 VI ^(g-1) = T2 V2^(g-1)

Keterangan :

g = konstanta Laplace = cp/cv

Cp = kalor jenis pada tekanan tetap (J/kg K)

Cv = kalor jenis pada volume tetap (J/kg K)

Usaha yang dilakukan dalam proses adiabatik hanya untuk mengubah energi daam (DU). Besarnya usaha pada proses adiabatik dapat dinyatakan sebagai berikut.

W = 1/(g-1) (p1V1 –p2V2) = 3/2 nR(T1-T2)

W = -DU = -ncv*(T2 – T1) = ncv*(T1 – T2)

Dengan cv* = kalor jenis molar pada volume tetap.

A.   Hukum I Termodinamika dan Kapasitas Kalor Gas

1.    Hukum I Termodinamika

è Menyatakan bahwa “Sejumlah kalor Q yang diterima dan usaha W yang dilakukan terhadap gas dapat digunakan untuk mengubah energi dalam“

Secara sistematis dapat dituliskan :

Q = DU + W

Dengan ketentuan, jika :

Q(+) à sistem menerima kalor

Q(-) à sistem melepas kalor

W(+) à sistem melakukan usaha

W(-) à sistem dikenai usaha

DU(+) à terjadi penambahan energi dalam

DU(-) à terjadi penurunan energi dalam

a.    Isotermik

Perubahan energi dalam DU pada proses ini sama dengan nol sehingga persamaan menjadi seperti berikut.

DU = Q – W

0 = Q – W

Q = W

Q = nRT In(V2/V1)

b.    Isokhorik

Usaha pada proses isokhorik bernilai nol sehingga persamaannya menjadi sebagai berikut.

DU = Q – W

DU = Q – 0

DU = Q

c.    Isobarik

Usaha pada proses isobarik adalah W = p(V2-V1) sehingga hokum I Termodinamika menghasilkan persamaan sebagai berikut.

DU = Q – W

DU = Q – p(V2-V1)

d.    Adibatik

Pada proses ini Q  = 0, sehingga persamaannya menjadi seperti berikut.

DU = Q – W

DU = 0 – W

DU= -W atau W = -DU = -3/2 n R(T2-T1) = -3/2 n R(T1-T2)

2.    Kapasitas Kalor Gas

a.    Konsep Kapasitas Kalor Gas

è Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar satu kelvin atau satu derajat celcius. Secara sistematis dapat ditulis:

C = Q/DT dengan C = kapasitas kalor (J/K atau J/

è Kalor jenis adalah kapasitas kalor tiap satuan massa. Secara sistematis dapat ditulis :

c = C/m dengan c = kalor jenis (J/kg K atau J/kg

è Kalor jenis molar adalah kapasitas kalor tiap mol, dinyatakan :

c* = C/n dengan c* = kalor jenis molar

b.    Macam-Macam Kapasitas Kalor

Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap Cp adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar satu kelvin dan tekanan tetap. Persamaannya :

Cp = Qp/DT

Kapasitas kalor gas pada volume tetap Cv adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat sebesar satu kelvin pada volume tetap. Persamaannya :

Cv = Qv/DT

Hubungan Cp dan Cv :

Cp – Cv = nR

Dari berbagai persamaan yang telah dijelaskan sebelumnya, usaha dapat dinyatakan :

W = pDV = p(V2-V1)

W = nRDT = nR(T2-T1)

W = Qp – Qv = (Cp – Cv)DT

Untuk kalor jenis molar, persamaan sistematisnya :

cp* = cv* + R

Gas monoatomik cp* = 5/2 R

Gas diatomik cp* = 7/2 R

B.   Siklus Termodinamika dan Hukum II Termodinamika

1.    Pengertian Siklus

Siklus adalah serangkaian proses yang dimulai dari suatu keadaan awal dan berarkhir pada keadaan yang sama dengan keadaan awalnya. Agar dapat melakukan usaha terus menerus, suatu sistem harus bekerja dalam satu siklus. Ada dua macam siklus yaitu siklus reversible (siklus balik) dan irreversible (siklus yang tidak dapat balik).

2.    Siklus Carnot

Ada empat proses dalam siklus Carnot, yaitu :

a.    Pemuaian secara isotermik (1-2)

b.    Pemuaian secara adiabatic (2-3)

c.    Pemampatan secara isotermik (3-4)

d.    Pemampatan secara adiabatic (4-1)

3.    Mesin Kalor Carnot

a.    Siklus 1-2

è Gas menyerap kalor Qt pada temperatur Tt. Suhu sistem sama dengan suhu reservoir panas sehingga disebut proses isotermik. Gas memuai dan melakukan usaha pada pengisap. Oleh karena energi dalam tetap, usaha yang dilakukan pada sistem sama dengan kalor yang diserap.

b.    Siklus 2-3

è Beban pengisap dikurangi sehingga gasb memuai menurut proses adiabatic. Terjadi pengurangan energi dalam dan suhu system menurun sampai sama dengan suhu pada reservoir Tr.

c.    Siklus 3-4

è Gas mengalami penyusutan secara isotermik dengan membuang kalor Qr pada reservoir dingin pada temperatur Tr sehingga usahanya negatif (usaha dilakukan pada sistem).

d.    Siklus 4-1

è Beban pengisap ditambah sehingga gas menyusut menurut proses adiabatic. Terjadi penambahan energi dalam dan suhu naik sampai sama dengan suhu pada reservoir panas Tt. Energi dalam gas kembali seperti pada awal siklus.

Usaha pada mesin pemanas Carnot :

W = Qt – Qr

Karakteristik mesin kalor Carnot dinyatakan dengan efisiensi mesin (h) yaitu perbandingan antara usaha yang dilakukan dengan kalor yang diserap. Secara sistematis ditulis :

h = W/Qt . 100%

h= (Qt-Qr)/Qt . 100%

h = (1- Qr/Qt) . 100%

Efisiensi mesin kalor jenis apapun selalu lebih kecil dari efisiensi mesin ideal atau mesin Carnot. Kalor (Q) sebanding dengan suhu (T) sehingga dapat dituliskan :

Qr/Qt = Tr/Tt

Sehingga efisiensi juga dapat dituliskan :

h = (1 – Tr/Tt) . 100%

Keterangan :

h = efisiensi mesin

Tr = temperatur pada reservoir rendah

Tt = temperatur pada reservoir tinggi

Qr = kalor yang dibuang pada reservoir rendah

Qt = kalor yang diserap pada reservoir tinggi

a)    Mesin pendingin Carnot

Siklus mesin pendingin Carnot merupakan kebalikan siklus mesin kalor Carnot karena siklusnya reversible (dapat balik).

Usaha pada mesin pendingin Carnot dapat dituliskan :

W = Qt – Qr

Karakteristik pada mesin pendingin dinyatakan dengan koefisien perfomansi atau koefisien kinerja yang simbolnya Kd. Koefisien kinerja didefinisikan sebagai perbandingan antara kalor yang dipindahkan dengan usaha yang dilakukan sistem. Secara sistematis dapat dituliskan :

Kd = Qr/W = Qr/(Qt-Qr)

Kd = Tr/(Tt-Tr)

Kd = 1/h - 1

Keterangan :

Kd = koefisien kinerja mesinn pendingin

Qr = kalor yang dipindahkan dari reservoir rendah

Qt = kalor yang dibuang ke reservoir panas

b)    Mesin Pemanas Carnot

Karakteristik mesin pemanas dinyatakan dengan koefisien kerja yang simbolnya Kp. Secara sistematis dapat dituliskan :

Kp = Qt/W = Qt/(Qt-Qr)

Kp = Tt/(Tt-Tr)

Kp = 1/h

4.    Entropi dan Hukum II Termodinamika

a.    Entropi

è Diartikan sebagai ukuran ketidakteraturan. Dalam sistem tertutup, peningkatan entropi diikuti oleh penurunan jumlah energi yang tersedia. Semakin tinggi entropi, semakin tinggi ketidakteraturannya.

1)    Entropi pada Temperatur Konstan

Jika suatu sistem pada suhu mutlak T mengalami proses reversible dengan menyerap sejumlah kalor Q, maka kenaikan entropi DS dapat dituliskan :

DS = S2 – S1 = Q/T

Keterangan :

DS = perubahan entropi (J/K)

S1 = entropi mula-mula (J/K)

S2 = entropi akhir (J/K)

2)    Entropi pada Proses Temperatur Berubah

DS = S2 – S1 = In Dq/T = In mc.dT/T

DS = mc In (T2/T1)

b.    Hukum II Termodinamika

Bunyi :

“Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan usaha“.

Penjelasan :

1)    Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari satu reservoir dan mengubah kalor seluruhnya menjadi usaha

2)    Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus dengan mengambil kalor dari reservoir yang mempunyai suhu rendah dan memberikannya ke reservoir suhu tinggi tanpa usaha dari luar

3)    Mesin yang bekerja di antara reservoir suhu Tt dan reservoir suhu Tr (Tt>Tr), memiliki efisiensi maksimum.

h = 1 – Tr/Tt

Contoh Soal

1.    Sebuah mesin diesel memiliki nisbah (perbandingan) kompresi 12 : 1. Volume awal 2 liter pada tekanan 2.10^5 Pa dan suhu 30. Jika konstanta Laplace 1,4, berapakah tekanan akhirnya?

Penyelesaian :

Diketahui :  V2 = 1/12 V1

                   V1 = 2 L

                   p1 = 2.10^5 Pa

                   T1 = 30

                   g = 1,4

Ditanyakan : p2

Dijawab :

Pada mesin diesel berlaku perubahan adiabatik.

p2V2^g = p1V1^g

p2      = p1(V1/V2)^g

          = (2.10^5)(V1/1/2V1)^1,4

          = 6,48 .10^6 Pa

Jadi, tekanan akhir mesin diesel sebesar 6,48. 10^6 Pa.

2.    Suatu gas dalam ruang tertutup melepaskan kalor ke lingkungan sebesar 2.000 kalori dan melakukan usaha 2.400 J. Berapakah perubahan energi dalam gas? (1 kal = 4,2 J)

Penyelesaian :

Diketahui :  Q = -2.000 kal = -8.400 J

                    W = +2.400 j

Ditanya : DU

Dijawab :

DU = Q – W

DU = -8.400 – 2.400

DU = -10.800 J

Jadi, perubahan energi dalam gas -10.800 J atau terjadi penurunan energi dalam sebesar 10.800 J

3.    Suatu mesin memiliki suhu reservoir tinggi 400 dan suhu reservoir rendah 70. Hitunglah efisiensi mesin tersebut!

Penyelesaian :

Diketahui :  Tt = 400 = 673 K

                   Tr = 70 = 343 K

Ditanyakan : h

Dijawab :

h = (1 – 343/673) .100%

h = 330/673 . 100%

h = 49%

Jadi, efisiensi mesin sebesar 49%.

4.    Suatu sistem menyerap kalor sebesar 20 kJ pada suku 227. Berapakah perubahan entropi sistem ini?

Penyelesaian :

Diketahui :  Q = 20 kJ = 20.000 J

                   T = 227= 500 K

Ditanya : DS

Dijawab :

DS      = Q/T

          = 20.000/500

          = 40 J/K

Jadi, besar perubahan entropi adalah 40 J/K.