Termodinamika

BELAJAR MUDAH TERMODINAMIKA DENGAN MENGGUNAKAN MEDIA PEMBELAJARAN

Kompetensi Inti

KI 1 :	Menghayati dan mengamalkan ajaran agama yang dianutnya
KI 2 :	Menunjukkan perilaku jujur, disiplin, tanggung jawab, peduli (gotong royong, kerja sama, toleran, damai), santun, responsif, dan pro-aktif sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia
KI 3 :	Memahami, menerapkan, menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, prosedural berdasarkan rasa ingintahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian, serta menerapkan pengetahuan prosedural pada bidang kajian yang spesifik sesuai dengan bakat dan minatnya untuk memecahkan masalah.
KI 4 :	Mengolah, menalar, dan menyaji dalam ranah konkret dan ranah abstrak terkait dengan pengembangan dari yang dipelajarinya di sekolah secara mandiri, dan mampu menggunakan metode sesuai kaidah keilmuan

Kompetensi Dasar

3.7	Menganalisis perubahan keadaan gas ideal dengan menerapkan hukum Termodinamika
4.7	Membuat karya/model penerapan hukum I dan II Termodinamika berikut presentasi makna fisisnya

Indikator

1.      Menggambarkan perubahan keadaan gas dalam diagram PV

2.      Mendeskripsikan dan memformulasikan usaha pada gas dengan berbagai proses

3. Mendeskripsikan usaha, kalor, dan energi dalam berdasarkan hukum utama termodinamika

4.      Menganalisis proses gas ideal berdasarkan grafik tekanan-volume (P-V)

5.      Mendeskripsikan prinsip kerja mesin Carnot

Tujuan

1.  Siswa mampu menjelaskan sifat-sifat gas ideal monoatomik melalui diskusi dengan benar.

2. Siswa mampu menentukan hubungan besaran-besaran yang menjelaskan tentang keadaan gas baik dengan hukum Boyle-Guy Lussac maupun dengan persamaan umum gas melalui materi yang disajikan.

3.  Siswa mampu menjelaskan berlakunya hukum I dan II Termodinamika pada suatu proses sistem gas melalui gambar materi yang disajikan.

4.   Siswa mampu menentukan usaha, perubahan energi dalam dan perubahan kalor pada proses termodinamika melalui gambar yang disajikan.

5.      Siswa mampu menerapkan siklus Carnot pada mesin kalor dengan gambar dan simulasi yang disajikan.

MATERI

A. Pengertian

Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang membahas tentang hubungan antara panas (kalor) dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Dalam melakukan pengamatan mengenai aliran energi antara panas dan usaha ini dikenal 2 istilah, yaitu Sistem dan Lingkungan.

1. Perubahan Keadaan Gas
Berdasarkan hukum Boyle-Gay Lussac, persamaan keadaan gas dapat dituliskan sebagai:

P1V1/ T1 : P2V2/T2

2. Besar Usaha Yang Dilakukan Gas

Besarnya usaha yang dilakukan gas adalah :  

W=F. ∆s

dW=F.ds

dW=P.A.ds

dW=P.dV

W = ∫ P.dV

B. USAHA YANG DILAKUKAN GAS

Terdapat beberapa proses usaha yang dilakukan gas, yaitu sebagai berikut:

a. Usaha Yang Dilakukan Gas Pada Proses Isotermal

Proses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistem pada suhu tetap. Proses tersebut sesuai dengan Hukum Boyle, yaitu PV = konstan . Usaha yang dilakukan sistem dapat ditentukan menggunakan persamaan:

Persamaan gas ideal:

PV = nRT

P = nRT/V

b. Usaha Yang Dilakukan Gas Pada Proses Isokhorik

Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap. Pada proses isokhorik, sistem tidak mengalami perubahan volume (V1=V2) sehingga besarnya usaha luar yang dilakukan gas adalah: 

c. Usaha Yang Dilakukan Gas Pada Proses Isobarik

Proses isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap. Pada proses isobarik, tekanan gas diusahakan tetap sehingga perubahan suhu pada gas akan menimbulkan perubahan volume gas untuk mempertahankan agas tekanan gas tetap. Persamaannya adalah:

4

d. Usaha Yang Dilakukan Gas Pada Proses Adiabatik

Pada proses ini tidak ada kalor yang diserap atau dilepas, sehingga usaha luar yang dilakukan oleh gas berasal dari perubahan energi dalam gas.

CONTOH SOAL!

Suatu gas ideal pada suatu silinder  dalam suatu piston volume mula-mula 1,5 liter mengalami perubahan secara isobarik pada tekanan 105 Nm-2 Sehingga volumenya menjadi 2 liter. Berapakah besarnya usaha yang dilakukan gas tersebut ?

Diketahui  :

  V1 : 1,5 liter = 1,5.10-3 m3

  V2 : 2,0 liter = 2,0.10-3 m3

  P   : 1,5 N/m2

Ditanyakan : W =…….

Jawab :         

 W = P.ΔV

  = 1,5.105. 0.5

  = 7,5.104 joule

  

C. HUKUM I TERMODINAMIKA

Pada hukum I termodinamika panas netto yang ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi internal sistem ditambah usaha yang dilakukan sistem, sehingga persamaan sebagai berikut:

      Q=ΔU + W

Salah satu yang termasuk hukum I Termodinamika adalah mesin carnot. Mesin carnot adalah sebuah mesin kalor yang bekerja dengan cara mentransfer energi dari daerah yang panas ke daerah yang dingin. Dalam proses ini mesin carnot akan mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Dengan kata lain, mesin carnot dapat mengubah energi kalor menjadi energi mekanik.

Pada siklus carnot terdiri dari dua proses, yaitu proses adiabatik dan proses isotermal. Proses Isotermal adalah suatu keadaan dimana sistem tetap pada suhu konstan. Sedangkan, proses adiabatik adalah suatu keadaan dimana tidak adanya energi kalor yang dipindahkan ke luar ataupun ke dalam sistem. Dari gambar dibawah ini terapat beberapa proses yang dialami oleh siklus carnot, yaitu sebagai berikut:

•  Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha WAB.
•  Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari T1 menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC
•  Proses CD adalah pemampatan isoternal pada suhu T2. Pada proses ini sistem menerima usaha WCD dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2.
•  Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari T2 menjadi T1 akibat menerima usaha WDA

Untuk siklus Carnot berlaku hubungan Q2/T2=Q1/T1, sehingga efisiensi mesin Carnot dapat dinyatakan sebagai berikut.

η  = ( W/Q1)x100%

    = (1 – Q2/Q1)x 100%

    = (1 – T2/T1) x 100%η  = ( W/Q1)x100%

    = (1 – Q2/Q1)x 100%

    = (1 – T2/T1) x 100%

D. HUKUM II TERMODINAMIKA

Hukum II Termodinamika memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan.

1. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck)

2. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).

3. Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).

Bunyi Hukum II Termodinamika

Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas para ilmuwan merumuskan prinsip baru, yaitu Hukum II Termodinamika, dengan pernyataan: “kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas”.

a)  Pengertian Entropi

Termodinamika menyatakan bahwa proses alami cenderung bergerak menuju ke keadaan ketidakteraturan yang lebih besar. Ukuran ketidakteraturan ini dikenal dengan sistem entropi. Entropi merupakan besaran termodinamika yang menyerupai perubahan setiap keadaan, dari keadaan awal hingga keadaan akhir sistem. Semakin tinggi entropi suatu sistem menunjukkan sistem semakin tidak teratur. Entropi sama seperti halnya tekanan dan temperatur, yang merupakan salah satu sifat dari sifat fisis yang dapat diukur dari sebuah sistem. Apabila sejumlah kalor Q diberikan pada suatu sistem dengan proses reversibel pada suhu konstan, maka besarnya perubahan entropi sistem adalah :

ΔS = Q/T

ΔS = perubahan entropi ( J/K)

Q = kalor ( J)

T = suhu (K)

b. Mesin Pendingin

Mesin pendingin merupakan peralatan yang prinsip kerjanya berkebalikan dengan mesin kalor. Pada mesin pendingin terjadi aliran kalor dari reservoir bersuhu rendah ke reservoir bersuhu tinggi dengan melakukan usaha pada sistem. Contohnya, pada lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (AC). Bagan mesin pendingin dapat dilihat pada gambar berikut.

Ukuran kinerja mesin pendingin yang dinyatakan dengan koefisien daya guna merupakan hasil bagi kalor yang dipindahkan dari reservoir bersuhu rendah Q2 terhadap usaha yang dibutuhkan W.

dengan:

Kp = koefisien daya guna

W = usaha yang diperlukan ( J)

Q1 = kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi ( J)

Q2 = kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah ( J)

T1 = suhu pada reservoir bersuhu tinggi (K)

T2 = suhu pada reservoir bersuhu rendah (K)

c. Koefisien Performasi Mesin Pendingin (COP*)

Koefisien performasi mesin pendingin adalah perbandingan antara panas yang diambil dari tandon dingin (Q1)dengan pemakaian usaha (W).

COP = Q1/W

CONTOH SOAL!

Sebuah lemari pendingin memerlukan usaha 150 joule untuk memindahkan kalor sebesar 100 joule dari tandon bersuhu rendah ke tandon bersuhu tinggi. Tentukan koefisien kerja lemari pendingin tersebut !

Jawab:

Dik:

W = 150 joule

Q2= 100 joule

COP = Q2/W

          = 100/150

            = 0,67

SOAL LATIHAN!

1. Pada termodinamika, gas ideal mengalami proses isotermik jika..

     a. Perubahan keadaan gas suhunya selalu tetap

     b. Semua molekul bergerak dengan kecepatan berbeda

     c. Semua keadaan gas suhunya selalu berubah

     d. Pada suhu tinggi kecepatan molekulnya tinggi

     e. Tekanan dan volume tidak mengalami perubahan

2. 1,5 m^3 gas helium yang bersuhu 27℃ dipanaskan secara isobarik sampai 87℃. Jika tekanan gas helium 2×〖10〗^5  N/m^2, gas helium melakukan usaha luar sebesar...

a. 60 kJ

b. 120 kJ

c. 280 kJ

d. 480 kJ

e. 660 kJ

3. Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, berapakah efisiensinya...

      a. 50,0 %

      b. 52,5 %

      c. 57,0 %

      d. 62,5 %

      e. 64,0 %