Makalah Termodinamika

Oleh Asnitha Aritonang

549 KB 8 tayangan 0 unduhan
 
Bagikan artikel

Transkrip Makalah Termodinamika

Makalah TERMODINAMIKA RUANG LINGKUP TERMODINAMIKA DISUSUN OLEH : KELOMPOK 6 Doli Ramadan NIM : 0705163027 Asnitha Aritonang NIM : 0705162018 Dinda Friskila Lubis NIM : 0705163034 Endang Sagita Ritonga NIM : 0705162011 Nita Zahra Nasution NIM : 0705163024 Dewi Apriliyanti Lubis NIM : 0705162005 FISIKA Fakultas Sains dan Teknologi UIN SUMATERA UTARA T.A 2016/2017 KATA PENGANTAR Alhamdulillah, puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa berkat rahmat dan hidayah Allah swt kami dapat menyelesaikan penyusunan makalah ini dalam bentuk maupun isinya. Makalah ini berisikan tentang Ruang Lingkup Termodinamika. Selawat serta salam semoga senantiasa tercurah untuk junjungan kita Nabi besar Muhammad saw, beserta keluarga dan sahabatnya hingga akhir zaman, dengan diiringi upaya meneladani akhlaknya yang mulia. Semoga makalah ini dapat dipergunakan sebagai salah satu acuan, petunjuk maupun pedoman dan juga berguna untuk menambah pengetahuan bagi para pembaca. Makalah ini kami akui masih banyak kekurangan karena pengalaman yang kami miliki masih sangat kurang. Oleh karena itu, kami harapkan kepada para pembaca untuk memberikan masukan-masukan yang bersifat membangun untuk kesempurnaan makalah ini. Medan, 26 Maret 2018 DAFTAR ISI KATA PENGANTAR i DAFTAR ISI ii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1 1.2 Rumusan Masalah 2 1.3 Tujuan Makalah 2 1.4 Metode Penulisan 2 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Definisi Termodinamika 3 2.2 Pandangan Dan Hubungan Makroskopik Dengan Mikroskopik 3 2.3 Sistem Termodinamik 5 2.4 Kesetimbangan Termal 7 2.5 Hukum Pertama Termodinamika 7 2.6 Hukum Kedua Termodinamik 16 2.7 Perumusan Matematis Termodinamika 19 2.8 Latihan Soal 23 BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan 26 3.2 Saran 26 DAFTAR PUSTAKA 28 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Termodinamika adalah ilmu tenyang energy yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energy panas dengan kerja. Seperti telah diketahui bahwa energy didalam alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk, selain energy panas dan kerja, yaitu energy kimia, energy listrik, energy nuklir, energy gelombang electromagnet, energy akibat gaya magnet, dan lain-lain. Energy dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu energy di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energy dari satu bentuk menjadi bentuk yang laintanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energy. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energy gelombang elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energy tersebut berubah menjad energy panas, energy angin, gelombang laut, peroses pertumbuhan berbagai tumbuhtumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses didalam diri manusia juga merupakan proses konversi energy yang kompleks, dari input energy kimia dalam makanan menjadi energy gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energy yang sangat bernilai yaitu energy pikiran kita. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses termodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energy, yang merubah energy kimia dalam bahan bakar atau sumber energy lain menjadi energy mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Pabrik-pabrik dapat memperoduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin pembangkit energy listrik yang menggunakan prinsip konversi energy panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air conditioning, mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar termodinamika.1 1.2 1.3 Rumusan Masalah 1.2.1 Apa definisi Termodinamika ? 1.2.2 Apa hubungan makroskopik dengan mikroskopik? 1.2.3 Bagaimana hukum pertama termodinamika ? 1.2.4 Bagaimana hukum pertama termodinamika ? Tujuan Makalah Tujuan penulisan makalah ini untuk menyelesaikan tugas dari mata kuliah Termodinamika. Dan untuk lebih memahami : 1.4 1.3.1 Definisi termodinamika 1.3.2 Hubungan makroskopik dengan mikroskopik 1.3.3 Hukum pertama dan kedua termodinamika Metode Penulisan Metode penulisan yang digunakan dalam pembuatan karya ilmiah ini adalah metode perpustakaan, dan dari sumber buku yang berkaitan. 1 Sudjito, Saifuddin Baedoewie dan Agung Sugeng. “Diktat Termodinamika Dasar”. Hal 1-2 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Definisi Termodinamika Kajian termodinamika secara formal dimulai sejak awal abad ke-19 walaupun berbagai aspek termodinamika telah dipelajari sejak dulu kala. Kata termodinamika berasal dari bahasa Yunani therme berarti kalor dan dymanics berarti kakas. Jadi termodinamika berarti kemampuan benda panas menghasilkan usaha/kerja. Namun sekarang ini pengertian termodinamika telah berkembang, termodinamika diartikan sebagai ilmu yang mempelajari energy beserta perubahannya dan hubungan antara sifat-sifat (properties) fisis materi. Energy muncul dalam berbagai bentuk seperti energy listrik, energy magnet, energy yang digunakan untuk memanaskan air, energy untuk memindahkan objek, dan lain sebagainya. Dalam termodinamika, kalor dan usaha merupakan dua bentuk energy yang paling banyak dan paling utama dipelajari. Seiring dengan persetujuan internasional tentang penggunaan SI ditetapkan pula suatu standar untuk setiap besaran dasar yaitu massa, panjang, dan waktu. Terdapat satuan khusus dalam termodinamika yaitu satuan termal, British Thermal Unit (Btu) dan Kalori (kal). 1 Btu adalah energy yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 lbm air sebesar 1oF. 1 kal adalah energy yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1oC. 2.2 Pandangan Dan Hubungan Makroskopik Dengan Mikroskopik 2.1.1 Pandangan Makroskopik Uraian suatu system dengan menggunakan beberapa sifat yang dapat diukur sebagai koordinat makroskopik, misalnya : - Komposisi - Volume system - Tekanan gas - Temperature Sebagai system, isi sebuah silinder mesin mobil. Analisis kimia menunjukkan bahwa sebelum pembakaran silinder berisi campuran hidrokarbon dan udara, dan setelah campuran terbakar terdapat hasil bakar yang dapat diberikan dengan berbagai senyawa kimia tertentu. Pernyataan mengenai jumlah isi zat ini merupakan pemberian komposisi system itu. Pada setiap saat, system yang komposisinya baru saja diberikan menempaiti volum yang ditentukan oleh kedudukan piston. Volumnya dengan mudah dapat diukur di laboratorium, volumnya secara otomatis dicatat dengan peranti yang digandengkan dengan piston. Kuantitas lain yang tidak bias disingkirkan dalam pemberian system ialah tekanan gas dalam silinder. Setelah campuran terbakar tekanan menjadi sangat besar; setelah pembuangan hasil bakar, tekanan menjadi kecil. Di dalam laboratorium, perubahan tekanan diukur dengan sukat tekanan yang mencatatnya secara otomatis keteka mesin bekerja. Akhirnya ada satu kuantitas yang diperlukan, tanpa ini kita tidak memiliki ide yang cukup mengenai operasi mesin itu. Kuantitas ini adalah temperature. Dalam banyak keadaan, temperature dapat diukur sesederhana kuantitas lain. 2 Ciri khas koordinat Makroskopik : 2 Mark W. Zemansky dan Richard H. Dittman. 1986. “Kalor dan Termodinamika”. Bandung. Hal 3-4 a. Koordinat ini tidak menyangkut pengandaian khusus mengenai struktur materi. b. Jumlah koordinatnya sedikit. c. Koordinat ini dipilih melalui daya terima indara kita secara langsuang. d. Pada umumnya koordinat ini dapat diukur secara langsung. 2.1.2 Pandangan Mikroskopik Ciri khas mikroskopik : a. Terdapat pengandaian secara struktur materi, yaitu molekul dianggap ada. b. Banyak kuantitas yang harus diperinci. c. Kuantitas yang diperincitidak berdasarkan penerimaan indera kita d. Kuantitas ini tidak bisa diukur. 2.1.3 Hubungan Makroskopik terhadap Mikroskopik Hubungan antara kedua pandangan itu terletak pada kenyataan bahwa beberapa sifat yang terukur langsung, yang perinciannya meliputi pemerian makroskopik, sebenarnya rata-rata terhadap selang waktu tertentu dari sejumlah besar ciri khas mikroskopik. Contohnya kuantitas makroskopik tekanan adalah perubahan momentum rata-rata yang ditimbulkan oleh tumbukan molekuler pada bidang yang luasnya satu satuan. Namun, tekanan adalah sifat yang dapat dirasakan oleh indra kita. Kita merasakan efek dari tekanan. Tekanan dialami, diukur, dan dipakai lama sebelum fisikawan mempunyai alas an untuk percaya adanya dampak molecular. Jika teori molekolar diubah, konsep tekanan akan tetap bertahan dan akan tetap berarti sama untuk setiap orang yang normal. Disinilah letak perbedaan yang penting antara pandangan makroskopik dan mikroskopik. Beberapa sifat makroskopik yang terukur, sama meyakinkan seperti indra kita sendiri. Sifat ini tidak berubah selama indra kita tetap sama. 2.3 Sistem Termodinamika Besaran makroskopik yang dikaitkan dengan bagian dalam dari system disebut koordinat termodinamik. System yang diperikan oleh koordinat termodinamik disebut system termodinamik. Gambar 1.1 (a)Sistem dan Lingkungan (b)Permukaan batas volum atur (c)Permukaan batas massa atur Berdasarkan gambar 1.1(a) interaksi dengan lingkungannya, system dibedakan menjadi tiga macam, yaitu system terbuka, tertutup, dan terisolasi. Gambar 1.1(b) memperlihatkan daerah yang ditetapkan ini disebut volume atur. Permukaan batas volume atur disebut permukaan atur yang ditunjukkan pada garis putus-putus. Permukaan dalam pipa dapat diambil sebagai bagian dari permukaan batas system yang nyata. System seperti ini disebut system terbuka. Gambar 1.1(c) memperlihatkan silindernya yang dilengkapi dengan piston berisi zat alir. Zat alir dalam silinder dipilih sebagai system. Gambar 1.2 Sistem terbuka, tertutup dan terisolasi Gambar 1.2 memperlihatkan sebuah contoh system terbuka. Kalor sebagai hasil pembakaran digunakan oleh ketel uap untuk memanaskan air yang mengalir masuk dan hasilnya adalah uap air bertekanan tinggi.contoh system tertutup biasanya digunakan pada termos untuk menyimpan air panas. Meskipun diisolasi namun kalor masih tetap mengalir keluar permukaan batas sehingga lama kelamaan air mendingin karena suhunya turun.3 2.4 Kesetimbangan Termal Keadaan system yang memiliki harga Y dan X tertentu yang tetap selama kondisi eksternal tidak berubah disebut keadaan setimbang. Kesetimbangan termal adalah keadaan yang dicapai oleh dua (atau lebih) system yang dicirikan oleh keterbatasan harga koordinat system itu setelah system salaing berantaraksi melalui dinding diaterm. Gambar 1.3 Sifat dinding adiabat dan diaterm4 3 4 Sulistiati, Ainie Khuriati Riza.2013. “Termodinamika”. Graha Ilmu; Yogyakarta. Hal 6-8 Ibid. hal 6-7 2.5 Hukum Pertama Termodinamika Dalam termodinamika terdapat dua konsep pentimg yakni kerja dan energi. Konsep ini dimunculkan sejak era mekanika klasik yang pertama kali dirumuskan oleh alkemis. teolog, ahli fisika, dan matematika Isaac Newton berkaitan dengan hukum gerak tubuh makroskopik kecepatan cahaya c. Sistem termodinamika adalah ukuran makroskopik. Dalam mekanika klasik, salah satu persamaan dasar yang populer adalah persamaan kedua Newton menggenai gaya : F=m.a Dengan m adalah massa benda, dan a adalah percepatan. F dan a merupakan vektor yakni besaran yang memuliki bobot dan arah, dan m adalah besaran skalar yang hanya memiliki bobot, oleh karena percepatan adalah vektor dan percepatan berkaitan dengan perubahan kecepatan ( v ) maka kecepatan adalah vector. Perubahan energi didalam suatu sistem merupakan hal yang menjadi topik utama dalam hukum pertama termodinamika. Prinsip termodinamika ini disebut juga sebagai hukum konservasi energi yakni energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun hanya dapat diubah dari satu bentuk kebentuk lain. Sebagai contoh, kipas angin bekerja secara mekanis. Adanya energi yangmenggerakkan baling-baling kipas bersumber dari energi listrik, dan energi listrik yang digunakan berasal dari pembagkit listrik. Artinya gerakan mekanis merupakan bentuk lain dari energi yang diambil dari sumber energy listrik. Energi dapat berada dalam bentuk termal, mekanis, kinetik, potensial, elektri, kimia, nuklir dan jenis lain yang dalam konservasinya dapat dinyatakan dalam bentuk energi total sistem. Dalam analisis termodinamika sering kali energi dikalsifikasikan kedalam dua kelompok yakni kelompok makroskopis dan kelompok mikroskopis. Bentuk makrokopis dari energi berkaitan dengan energy kinetic dan potensial, sedangkan bentuk mikrokopis dari energi berkaitan dengan struktur molekul, aktivitas ion dan aspek-aspek lain yang mempengaruhi energi. Jumlah dari keseluruhan bentuk mikrokopis dari energi dalam suatu sistem disebut sebagai energi internal dan diberi notasi U. Gambar 1.4 Ilustrasi energy potensial (EP) dan energy kinetic (EK) Terminologi energi dinyatakan pertama kali oleh Loar Kevin pada 1852. Simbol U untuk energi internal dikemukana oleh Rudolph Clausius dan William Rankine pada pertengahan abad 19. Ilustrasi yang mudah digunakan untuk menggambarkan konserversi energi adalah perubahan energi kinetik dan energi potensial sebagimana diilustrasikan pada gambar 1.4. Gambar 1.5 Deskripsi pengertian system, semesta dan batas sistem Gambar 1.5 merupakan gambar skema didalam sebuah termos air. Jika yang menjadi perhatian kita adalah air dan uapnya yang berada didalam termos, maka seluruh komponen didalam wilayah didalam termos merupakan sistem. Seluruh bagian termos adalah semesta ( universe ). Batas sistem dinyataakan dengan garis hitam putus-putus, dan yang dimaksud dengan lingkungan adalah seluruh bagian selain sistem didalam semesta. Hukum pertama termodinamika dinyatakan sebagai hukum kekekalan energi, energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainya. Dalam persamaan matematis, dalam sistem tertutup perubahan energi internal (dU) dapat dinyatakan sebagai perubahan kerja (dw) dan perubahan kalor (dq). dU = dq + dw terdapat perbedaan karakteristik dari ketiga fungsi perubahan energy tersebut. Perubahan kerja dan perubahan kalor adalah fungsi jalan sedangkan perubahan energi internal merupakan fungsi keadaan. Fungsi jalan tergantung bagaimana dia dicapai, sedangkan fungsi keadaan hanya tergantung pada kondisi awal dan kondisi akhir saja. Sebagaimana contoh fungsi keadaan adalah perubahan entalpi (dH atau ∆ H ¿. Suatau fungsi keadaan perubahan entalpi dari suatu proses perubahan dari keadaan awal ke keadaan akhirdapat dinyatakan sebagai : dU = ∆ H =¿ Hakhir ̶ Hawal contoh (1.1) serupa adalah perubahan energi internal, perubahan fungsi Gibls dan perubahan entalpi : dU = ∆ U =¿ Uakhir ̶ Uawal (1.2) dG = ∆ G=¿ Gakhir ̶ Gawal (1.3) dS = ∆ S=¿ Sakhir ̶ Sawal (1.4) d (huruf kecil) dapat digunakan untuk menyatakan perubahan yang revensibel (tak terhingga pelan) dan simbol delta ( ∆ ¿ dapat digunakan untuk menyatakan perubahan yang tidak revensibel. Sebaliknya fungsi jalan adalah fungsi yang tergantung bagaimana dia diproses atau bagaimana mencapai suatau keadaan akhir. Seagai contoh kerja adalah fungsi jalan sehingga secara matematis: dW ≠ Wakhir ̶ Wawal demikian halnya dengan perubahan kalor : dq ≠ qakhir ̶ qawal untuk suatu fungsi jalan, simbol delta ( ∆ ¿ yang umumnya digunakan untuk menyatakn selisih keadaan awal dan akhir atau perubahan inversibel tidak dapat digunakan. Sebagai ilustrasi perubahan kalor, dalam memanaskan suatu benda untuk mengubahnya menjadi berunbah fasa, ada banyak usaha yang dapat dilakuakan. Sebagai contoh memanaskan cairan untuk menguapkannya, dapat dilakukan pemanasan menggunakan kalor dari sumber listrik, pemanasan denngan sumber api dari kompur atau juga dengan memanfaatkan energi panas dari gesekan benda dengan benda lainnya. Banyaknya kalor yang diperlukan untuk mengubah fasa ini tergantung mekanisme dan cara kalor dialiri kedalam sistem. Inilah yang menyebabkan perubahan kalor tidak hanya dapat ditentukan dari besarnya kalor awal dan akhir saja. Didalam termodinamika perubahan energi dapat berlangsung secara dapat balik (reversible) dan tidak dapat balik (irreversible). Proses termodinamika yang dapat menuju keadaan semula dikatakan sebagai proses dapat balik sebaliknya proses tidak dapat balik adalah proses yang tidak dapat menuju ke keadaan semula. Di dalam prosesnya proses dapat balik terjadi dengan kesetimbangan pada setiap tahap dan berlangsung tak terhingga pelan. Sebagai ilustrasi perubahan volume berkaitan dengan perubahan tekanan sebagaiman yang terdapat pada gambar 1.6. Gambar 1.6 Proses dapat balik (1-2) dan tidak dapat balik (3-4) Kembali kepersamaan (1.1) hukum pertama termodinamika : dU = dq + dw Jika dari suatu sistem terjadi perubahan energy internal, maka perubahan itu dapat diwujudkan dalam perubahan kalor (dq) dan perubahan kerja (dw) atau salah satu diantara. Dimulai dari perubahan kerja (dw) : 2.5.1 Kerja Kalor Dan Energi Internal Perubahan suatu sistem dapat terjadi jika terjadi perubahan volume. Besarnya perubahan kerja (dw) dapat dinyatakan sebagai : dw = -pdV (1.5) dengan p adalah tekanan sistem dan dv adalah perubahan volume. Pada suatu besaran konstan, besarnya perubahan kerja ; v2 dw = ∫v − pdV (1.6) 2 Sebagai contoh jika di dalam suatu tabung dengan tekanan dan volume tertentu mengalami ekspansi (pemuaian) sehingga volumenya meningkat dengan kondisi tekanan konstan (tetap) sebagaimana diilustrasikan pada gambar 1.7 Gambar 1.7 Ilustrasi perubahan volume pada tekanan konstan 2.5.2 Perubahan Kalor (dq) Perubahan kalor adalah fungsi dari perubahan temperatur dan tergantung pada kapasitas panas. Contoh dua buah benda yang masingmasing memiliki massa m1 dan m2 dan memiliki temperatur awal T1 dan T2 dengan T2 lebih tinggi dibanding T1. Jika kedua benda dapat melebur menjadi satu secara fisika dan tidak ada interaksi/reaksi kimia di dalam maka temperatur kedua benda pada kesetimbangan sama besar, katakanlah sebesar Tf. panas yang keluar atau yang diserap oleh masing-masing benda tergantung pada suatu konstanta yang kita sebut sebagai kapasitas panas atau kapasitas panas spesifik, c1 dan c2 untuk masing-masing benda. Oleh karena itu T2 >T1 maka panas mengalir dari benda 2 ke benda 1 dan besarnya adalah: m2.c2( T2 –Tf ) = m1.c1( Tf –T1) = dq besarnya kalor yang dilepaskan oleh benda 2 sama dengan kalor yang diterima oleh benda 1 untuk mencapai kondisi akhir/kesetimbangan. Satuan kalor adalah kalori (calorie/cal), yang didefenisikan sebagai jumlah atau kuantitas panas yang diperlukan untuk untuk menaikan suhu 1 gram air dari 14,5 °C ke 15,5°C pada tekanan 1 atm. Jadi panas yang dibutuhkan untuk menaikan suhu air sebasar 1 derajat celcius pada tekanan 1 atm. Jika suatu benda diketahui kapasitas panasnya dan perubahan temperaturnya, maka perubahan kalor yang dialami oleh benda dapat dinyatakan sebagai : dq = m CP. (1.7) ΔT dengan CP adalah suatu kapasitas panas yang bernilai konstan, m dan ΔT berturut- turut adalah massa dan perubahan temperatur. Namuan demikian kapasitas panas CP tidak selalu bernilai konstan melainkan dapat berupa fungsi dari temperatur atau tekanan. Jika CP adalah fungsi dari temperatur, maka besarnya perubahan dapat dinyatakan sebagai : ∫ dq = m CP(T)dT (1.8) Jika perubahan berlangsung di dalam sistem tertutup dari temperatur T 1 menuju T2, maka besarnya perubahan kalor adalah : T2 dq = m ∫T 1 C p (T ) dT (1.9) Prinsip tersebut digunakan dalam termokimia untuk menentukan perubahan kalor suatu reaksi atau perubahan fisika. Dengan menggunakan prinsip ini pada kondisi sistem tertutup, perubahan kalor merupakan perubahan fisik atau perubahan kimia dapat digunakan untuk menentukan perubahan entalpi berdasarkan pendekatan : dU = dq + dw (1.10) dU = dq –d(pV) (1.11) dq = dU + d(pV) (1.12) Karena enntalpi adalah, H = U + pV, maka perubahan kalor suatu reaksi/perubahan fisik dalam sistem tertutup adalah perubahan entalpi. Pengukuran termokimia dilakuakan menggunakan suatu alat yang kita sebut sebagai kalormeter. Alat terdiri dari suatu termostat bertemperatur yang memiliki suatu kapasitas panas tertentu. Jika suatu reaksi atau suatu perubahan fisik berlangsung didalam termostat, maka panas yang dilepaskan atau yang diserap oleh perubahan akan diserap pula oleh seluruh zat didalam kalorimeter itu sendiri. Gambar 1.8 Kalorimeter Jika perubahan berlangsung pada suatu gas pada tekanan konstan, maka besarnya perubahan kalor: dp = CpdT (1.13) Untuk suatu gas ideal,besarnya kedua kapasitas panas tersebut saling berkaitan. Kapasitas panas pada volume konstan (Cv) diperoleh dari perubahan energi internal pada perubahan temperatur, sementara definisi kapasitas panas pada tekanan konstan (Cp) diperoleh dari definisi perubahan enthalpy pada perubahan temperatur: Cv = ( Cp = ( dH dT dV dT )V (1.14) )p (3.15) Dengan mengambil definisi enthalpi yang telah diuraikan pada sub bab perubahan kalor : H = U + pV Maka dH = dU+ d(pV) dengan mensubsitusikan : pV = nRT dan dan menguraikan perubahan masingmasing parameter pada perubahan temperature dapat dinyatakan sebagai : dV p=( v + nR ( dH ) dT dT ) Sehingga Cp-Cv = nR Bahwa hubungan ini berlaku untuk gas ideal.5 2.6 5 Hukum Kedua Termodinamika Fatimah,Is. 2015. “Kimia Fisika” Yogyakarta: Deepublish. Hal 23-30 Diantara banyaknya pernyataan alternative dari hukum kedua, dua pernyataan yang sering dipergunakan dalam termodinamika teknik adalah pernyataan Clausius dan Kelvin-Planck. Pernyataan Clausius dipilih sebagai titik tolak dalam pembelajaran hukum kedua beserta konsekuensinya karena sesuai dengan pengalaman sehingga mudah diterima. Pernyataan KelvinPlanck mempunyai kelebihan yaitu memberikan suatu jalan yang efektif untuk memberikan turunan penting dari hukum kedua, yang berhubungan dengan system yang menjalani siklus termodinamika. Salah satu dari turunan ini adalah ketidaksamaan Clausius yang mengarahkan secara langsung kepada sifat entropi dan perumusan hukum kedua yang memudahkan analisis terhadap system tertutup dan volume atur yang menjalani proses yang tidak harus berupa sebuah siklus. 2.6.1 Pernyataan Hukum Kedua Clausius Pernyataan Clausius untuk hukum kedua menegaskan bahwa: adalah tidak mungkin bagi system apapun untuk beroperasi sedemikian rupa sehingga hasil tunggalnya akan berupa suatu perpindaha kalor benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas. Pernyataan Clausius tidak mengesampingkan adanya kemungkinan memindahkan energy kalor dari satu benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas, dimana hal ini dapat secara tepat dilakukan menggunakan refrijerator (mesin pendingin) dan pompa kalor. Walaupun demikian, sebagaimana kata-kata “hasil tunggalnya” dalam pernyataan menunjukkan, bila suatu perpindahan kalor dari satu benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas terjadi, maka harus ada suatu pengaruh lain di dalam system yang menangani perpindahan kalor, sekelilingnya, atau keduanya. Bila system tersebut beroperasi menurut siklus termodinamika, keadaan awalnya akan kembali setelah setiap akhir siklus, sehingga dengan demikian satu- satunya tenpat yang harus diperiksa untuk pengaruh lain tersebut diatas adalah sekelilingnya. Sebagai contoh, pendingin di dalam rumah ditangani oleh mesin pendingin yang digerakkan oleh motor listrik yang membutuhkan kerja dari sekelilingnya untuk dapat beroperasi. Pernyataan Clausius bias diartikan bahwa tidak mungkin untuk membuat suatu siklus pendingin yang beroperasi tanpa adanya masukan kerja. 2.6.2 Pernyataan Hukum Kedua Kelvin-Planck Sebelum membahas pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua, maka konsep reservoir termal akan diperkenalkan. Suatu reservoir termal, atau singkatannya reservoir (penampungan), adalah suatu bentuk system khusus yang selalu tetap pada suatu temperature konstan walaupun energy ditambahkan ataupun dikurangi melalui perpindahan kalor. Sebuah reservoir tentu saja merupakan suatu idealisasi, tetapi system semacam ini dapat diserupakan dengan berbagai cara sebagai atmosfer bumi, jumlah air yang sangat besar (danau, samudra), satu balok besar tembaga dan sebagainya. Contoh lainnya diberikan oleh suatu system yang terdiri dari dua fasa: walaupun perbandngan massa dari kedua fasa berubah dengan dipanaskannya atau didinginkannya system tersebut pada tekanan konstan, temperaturnya tetap akan konstan selama kedua fasa tersebut ada bersamaan. Sifat ekstensif suatu reservoir termal seperti energy dalam, dapat berubah pada interaksi dengan system lainnya walaupun temperature reservoir tersebut tetap konstan. Pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua: adalah tidak mungkin untuk system apapun dapat beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah kerja neto ke sekelilingnya sementara menerima energy melalui perpindahan kalor dari suatu reservoir termal tunggal. Prnyataan ini mengesampingkan suatu kemungkinan dari suatu system untuk membangkitkan sejumlah kerja neto dari perpindahan kalor yang diambil dari suatu reservoir termal tunggal. Pernyataan ini hanya menolak kemungkinan tersebut, apabila sistemnya menjalani sebuah siklus termidinamika. 2.6.3 Kesepadanan Pernyataan Clausius Dan Kelvin-Planck Sebelum membahas pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua, maka konsep reservoir termal akan diperkenalkan. Suatu reservoir termal, atau singkatannya reservoir (penampungan), adalah suatu bentuk system khusus yang selalu tetap pada suatu temperature konstan walaupun energy ditambahkan ataupun dikurangi melalui perpindahan kalor. Sebuah reservoir tentu saja merupakan suatu idealisasi, tetapi system semacam ini dapat diserupakan dengan berbagai cara sebagai atmosfer bumi, jumlah air yang sangat besar (danau, samudra), satu balok besar tembaga dan sebagainya. Contoh lainnya diberikan oleh suatu system yang terdiri dari dua fasa: walaupun perbandngan massa dari kedua fasa berubah dengan dipanaskannya atau didinginkannya system tersebut pada tekanan konstan, temperaturnya tetap akan konstan selama kedua fasa tersebut ada bersamaan. Sifat ekstensif suatu reservoir termal seperti energy dalam, dapat berubah pada interaksi dengan system lainnya walaupun temperature reservoir tersebut tetap konstan. Pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua: adalah tidak mungkin untuk system apapun dapat beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah kerja neto ke sekelilingnya sementara menerima energy melalui perpindahan kalor dari suatu reservoir termal tunggal. Prnyataan ini mengesampingkan suatu kemungkinan dari suatu system untuk membangkitkan sejumlah kerja neto dari perpindahan kalor yang diambil dari suatu reservoir termal tunggal. Pernyataan ini hanya menolak kemungkinan tersebut, apabila sistemnya menjalani sebuah siklus termidinamika.6 2.7 Perumusan Matematis Termodinamika Hubungan-hubungan kuantitatif yang disediakan oleh hukum-hukum termodinamika berguna bagi penyelesaian dua jenis masalah yang benarbenar berbeda. Yang pertama berkenaan dengan proses, dan persamaanpersamaan yang digunakan berkenaan dengan hubungan antara perubahanperubahan sifat sebuah sistem dan besaran energi yang dipindahkan antara sistem tersebut dan lingkungannya. Manfaat termodinamika yang kedua dan sama pentingnya yaitu dalam penjelasan mengenai hubungan-hubungan antara sifat-sifat kesetimbangan sebuah sistem. Penurunan persamaan-persamaan ini dimulai dengan suatu pertimbangan mengenai proses-proses, karena hukum-hukum termodinamika menyertakan besaran-besaran Q dan W, yang bukan merupakan sifat-sifat melainkan perwujudan proses-proses itu. Meskipun demikian, untuk proses-proses yang reversibel, Q dan W dapat digantikan oleh pernyataan-pernyataan yang hanya melibatkan sifat-sifat, dan persamaan-persamaan yang dihasilkan kemudian menjadi hubungan antara sifat-sifat kesetimbangan, tidak lagi dibatasi oleh proses jenis tertentu yang pada mulanya dipilih untuk penurunan tersebut. Sifat ini sering disebut fungsi-fungsi keadaan. Pertimbangan matematis secara murni memungkinkan penurunan sejumlah besar persamaan yang menghubungkan fungsi-fungsi keadaan tersebut. 2.7.1 6 Ibid hal 90-91 Diferensial Eksak Dan Fungsi Keadaan Penggambaran matematis perubahan-perubahan yang terjadi didalam sistem fisika sering membawa kita ke pernyataan-pernyataan diferensial yang berbentuk: C 1 dX 1 +C 2 dX 2+ …+Cn dX n =∑C1 dX 1 (3.1) Dengan X, variabel bebas, dan C, fungsi dari X, apabila mungkin membuat pernyataan diferensial (3.1) menjadi sama dengan dY, diferensial fungsi Y menjadi Y =Y (X 1 , X 2 , … , X n ) maka pernyataan diferensial (3.1) dikatakan menjadi eksak, dan dapat menulis dX +C 1 dX 1+ …+C n dX n =∑Ci dX i (3.2) Matematik menyediakan sebuah defenisi untuk diferensial sebuah fungsi multivariasi: ( ∂∂YX ) dX +( ∂∂XY )dX + …+( ∂∂YX )dX ≡∑( ∂∂YX ) dX dY = 1 1 2 n 2 n i j dengan subskrip X, pada turunan parsial menunjukkan bahwa semua X, dijaga konstan. Karena X, bebas, persamaan terakhir ini (3.2) dapat kita samakan suku untuk memberikan ( ∂∂YX )… ,C =( ∂∂XY ) C 1= n 1 n atau ( ∂∂ xy ) C 1= i Dalam (3.2), setiap C, dan X, yang bersesuaian dengannya dikatakan konjugat satu sama lain. Jika Y dan turunannya kontiniyu, maka untuk sembarang pasangan variabel bebas Xk dan Xl punya persyaratan matematis yaitu 2 2 ∂ y ∂ y = ∂ Xk ∂ Xl ∂ X l∂ X k Atau ( )( ) ∂ Cl ∂C k = ∂ Xk ∂ Xl Persamaan ini berlaku untuk dua pasangan konjugat apapun (C l, Xl) dan (Ck, Xk) dalam sebuah pernyataan diferensial eksak. Sekimpulan n(n-1)/2 persamaan (3.4) mewakili sebuah kondisi yang penting dan cukup untuk keeksakan (3.1) Dalam hubungan sifat (2.6), dU = T Ds – P dV, U diketahui sebagai fungsi S dan V supaya T dS- P dV pasti eksak. Untuk hubungan-hubungan sifat yang demikian (3.4) digunakan tidak untuk menguji keeksakan tapi untuk menyediakan hubungan-hubungan termodinamika tambahan. Jadi dari (2.6) kita berkesimpulan ( ∂∂TV )=( ∂∂ PS ) Beberapa diferensial-diferensial tertentu dalam termodinamika tidak eksak. Contoh persamaan δQ πy =dU + Pdv Menyatakan hukum pertama untuk sistem PVT yang menjalani proses reversibel. Meskipun variabel-variabel disebelah kanan merupakan fungsi-fungsi keadaan, akan Qπv diperlihatkan bahwa bukan merupakan fungsi keadaan. Bila U dianggap sebagai sebuah fungsi keadaan dari T dan V, maka dT ( ∂∂ UV ) dV +( ∂U ∂T ) dU = T V Gabungan (3.5) dan (3.6) memberikan [( ) ] ( ) ∂ Q πv = ∂U ∂V r + P dV + ∂U ∂T V dT=MdV + NdT Diferensiasi M terhadap T dan diferensiasi N terhadap V menghasilkan ( ) ∂M ∂T V = ( ) ∂2 U ∂P + ∂ T ∂V ∂T V ( ) ∂N ∂V T = ∂2 U ∂V ∂T Karena U fungsi T dan V, turunan keduannya harus sama. Meskipun demikian (𝛛P/𝛛T)v dikenal dari eksperimen secara umum tidak sama dengan nol, maka (3.4) ∂Q πv tidak terpenuhi jadi Qπv bukan sebuah diferensial eksak, dan bukan sebuah fungsi keadaan, tanda δ digunakan oleh Q secara khusus untuk menegaskan 7 kenyataan ini. 7 Michael M.Abbot dan Hendrick C. Van Ness. 1994.”Teori dan Soal-soal Termodinamika Edisi Kedua”. Penerbit Erlangga; Jakarta. Hal 65-67 2.8 Latihan soal : 1. Kapasitas kalor molar suatu logam pada suhu rendah bervariasi terhadap suhu menurut persamaan : c= a 3 θ +bθ Θ3 Dengan a, b, Ө tetapan. Berapakah banyaknya kalor per mol dipindahkan selama berlangsungnya proses sehingga suhunya berubah dari 0,01 Ө menjadi 0,02 Ө ? Jawab : c= Diketahui : a 3 θ +bθ Θ3 θ2 θ2 θ1 θ1 Q=∫ cd θ=∫ Karena ( ( Θa θ + bθ) dθ 3 3 ) a 4 b 2 Q= θ + θ 2 4 Θ3 ( θ2 ) a 4 b 2 ⇒Q= θ + θ 3 2 4 Θ θ1 0 , 02 Θ 0 , 01 Θ ( 4 aΘ [ ( 0 ,02 Θ ) −( 0 ,01 Θ ) ]+ b2 [ ( 0 , 02 Θ) −( 0 , 01Θ ) ]) 4 Q= 4 3 Q=( 3 , 75×10−8 aΘ +1,5×10−4 bΘ 2 ) 2. Pada suhu kritis diketahui bahwa : ( ) ∂P ∂V T =0 dan ( ) ∂2 P ∂V 2 T =0 2 2 Diketahui persamaan van der waals dirumuskan dalam persamaan (2.2) bab 2 yang terdahulu: ( p+ va )( v−b )= RΘ 2 Tentukanlah: a. Volume titik kritik nya (vc) b. Suhu titik kritik nya (θc)? c. Tekanan titik kritik nya (Pc)? PC v c Rθc d. Nilai : ? Jawab: ( P+ va )( v−b )= Rθ Rθ a − ( v−b v ) P= 2 a. Karena Lalu : , maka : ( ) ∂P ∂V T ( ) ∂2 P =0 ∂V 2 =0 dan Rθ 2a + =0 ( ∂∂ VP ) =− ( v−b ) v 2 T ( ) ∂2 P ∂ v2 T = 3 2 Rθ 6a − 4 =0 2 v ( v−b ) lalu lalu (( Rθ 2a = 3 2 v−b ) v Rθ 3a = 3 2 ( v−b ) v Pada titik kritis berarti : v=vc ; 2 θ=θc; P=PC, maka pemecahan di atas dibagi saja menjadi : Rθ 3a 1 3 = 4 ⇒ = ⇒2 v=3 v−3 b 3 v−b 2 v ( v−b ) v 2a Rθ 2 v3 ( v−b ) ) v =v c =3 b b. Mencari nilai θc; hasil vc disulihkan ke dalam persamaan 2 2 R 2a 2a ( v−b ) 2 a ( 3−b ) = 3 ⇒θ= 3 = 2 3 R R ( v−b ) v v (3 b ) θ=θ c= 8a 27 Rb c. Mencari nilai Pc; hasil vc dan θc disulihkan kedalam persamaan Rθ C a PC = − = v c −b v 2 c Pc = R (278bRa )− 3 b−b 8a a 27 b a 8a a 2a = − = − = 2 2 2 2 2b ( 3 b )2 9 b 54 b 9 b 54 b a 27 b2 P c vc RT d. Mencari nilai C ; hasil vc, θc, Pc disulihkan a a 3b 2 27 b 9b = = = RθC 8a 8a R 27 bR 27 b PC P c vc Rθ c = 3 8 BAB III PENUTUP 3.1 KESIMPULAN Kata termodinamika berasal dari bahasa Yunani therme berarti kalor dan dymanics berarti kakas. Jadi termodinamika berarti kemampuan benda panas menghasilkan usaha/kerja. Namun sekarang ini pengertian termodinamika telah berkembang, termodinamika diartikan sebagai ilmu yang mempelajari energy beserta perubahannya dan hubungan antara sifat-sifat (properties) fisis materi. Hubungan antara kedua pandangan itu terletak pada kenyataan bahwa beberapa sifat yang terukur langsung, yang perinciannya meliputi pemerian makroskopik, sebenarnya rata-rata terhadap selang waktu tertentu dari sejumlah besar ciri khas mikroskopik. Hukum yang memiliki dua konsep dimunculkan sejak era mekanika klasik yang pertama kali dirumuskan oleh alkemis. teolog, ahli fisika dan matematika Isaac Newton berkaitan dengan hukum gerak tubuh makroskopik kecepatan cahaya c. Hukum termodinamika kedua terdapat dua pernyataan yang sering dipergunakan dalam termodinamika teknik adalah pernyataan Clausius dan KelvinPlanck. Pernyataan Clausius dipilih sebagai titik tolak dalam pembelajaran hukum kedua beserta konsekuensinya karena sesuai dengan pengalaman sehingga mudah diterima. 3.2 SARAN Demikian yang dapat kami paparkan mengenai materi yang menjadi pokok pembahasan dalam makalah ini, tentunya masih banyak kekurangan dan kelemahannya, karena terbatasnya pengetahuan dan kurangnya rujukan atau referensi yang ada hubungannya dengan judul makalah ini. Kami berharap para pembaca bisa memberikan kritik dan saran yang membangun kepada penulis demi sempurnanya makalah ini dan penulisan makalah dikesempatan berikutnya. Semoga makalah ini berguna bagi penulis pada khususnya juga para pembaca pada umumnya. DAFTAR PUSTAKA Fatimah,Is. 2015. Kimia Fisika. Yogyakarta: Deepublish. Michael M.Abbot dan Hendrick C. Van Ness. 1994. Teori dan Soal-soal Termodinamika Edisi Kedua. Jakarta: Penerbit Erlangga. Sudjito, Saifuddin Baedoewie dan Agung Sugeng. Diktat Termodinamika Dasar. Jakarta: Graha Ilmu. Sulistiati, Ainie Khuriati Riza. 2013. Termodinamika. Graha Ilmu; Yogyakarta. Zemansky Mark W. dan Richard H. Dittman. 1986. Kalor dan Termodinamika. Bandung: ITB Bandung.

Judul: Makalah Termodinamika

Oleh: Asnitha Aritonang


Ikuti kami