Termodinamika 566n6q

NAMA

: FAHMI YAHYA

NIM

: DBD 111 0022

TEKNIK PERTAMBANGAN

TUGAS KIMIA DASAR 2 TERMODINAMIKA DALAM KIMIA TERMODINAMIKA 1 FISIKA TERMODINAMIKA 2 FISIKA CONTOH SOAL DAN PEMBAHASAN

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

1

TERMODINAMIKA DALAM KIMIA Reaksi anorganik dapat dideskripsikan dengan konsep redoks atau asam basa. Termodinamika dan elektrokimia sangat erat kaitannya dengan analisis reaksi redoks dan asam basa.

Walaupun nampaknya teori termodinamika dan

elektrokimia dideskripsikan dengan sejumlah persamaan dan rumus yang rumit, hanya beberapa persamaan dan parameter yang diperlukan untuk pemahaman yang layak. Pemahaman yang baik tentang tanda dan kecenderungan parameter dalam persamaan-persamaan penting ini akan sangat membantu pemahaman. Pemahaman lebih detail di luar bahasan di sini dapat diperoleh dengan memperluas kosepkonsep dasar ini. Termodinamika Parameter

termodinamika

untuk

perubahan

keadaan

diperlukan

untuk

mendeskripsikan ikatan kimia, sruktur dan reaksi. Hal ini juga berlaku dalam kimia anorganik, dan konsep paling penting dalam termodinamika dipaparkan di bagian ini. Pengetahuan termodinamika sederhana sangat bermanfaat untuk memutuskan apakah struktur suatu senyawa akan stabil, kemungkinan kespontanan reaksi, perhitungan kalor reaksi, penentuan mekanisme reaksi dan pemahaman elektrokimia. Entalpi Karena entalpi adalah kandungan kalor sistem dalam tekanan tetap, perubahan ∆H bernilai negatif untuk reaksi eksoterm, dan positif untuk reaksi endoterm. Entalpi reaksi standar, ∆H0, adalah perubahan entalpi dari 1 mol reaktan dan produk pada keadaan standar (105 Pa dan 298.15 K). Entalpi pembentukan standar, ∆Hf0, suatu senyawa adalah entalpi reaksi standar untuk pembentukan senyawa dari unsur-unsurnya. Karena entalpi adalah fungsi keadaan, entalpi reaksi standar dihitung dengan mendefinisikan entalpi pembentukan zat sederhana (unsur) bernilai nol. Dengan demikian:

Entropi Entropi adalah fungsi keadaan, dan merupakan kriteria yang menentukan apakah suatu keadaan dapat dicapai dengan spontan dari keadaan lain. Hukum ke-

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

2

2 termodinamika menyatakan bahwa entropi, S, sistem yang terisolasi dalam proses spontan meningkat. Dinyatakan secara matematis ∆S > 0 Proses yang secara termodinamika ireversibel akan menghasilkan entropi. Entropi berkaitan dengan ketidakteraturan sistem dalam termodinamika statistik, menurut persamaan: S = klnW . k adalah tetapan Boltzmann, dan W adalah jumlah susunan atom atau molekul dalam sistem dengan energi yang sama, dan berhubungan dengan besarnya ketidakteraturan. Dengan meningkatnya entropi, meningkat pula ketidakteraturan sistem. Energi bebas Gibbs Kuantitas ini didefinisikan dengan: ∆G = ∆H – T∆S reaksi spontan terjadi bila energi Gibbs reaksi pada suhu dan tekanan tetap negatif. Perubahan energi bebas Gibbs standar berhubungan dengan tetapan kesetimbangan reaksi A = B melalui: ∆ G0 = -RT ln K. K bernilai lebih besar dari 1 bila ∆G0 negatif, dan reaksi berlangsung spontan ke kanan. Termodinamika kimia merupakan cabang kimia yang menangani hubungan kalor, kerja dan bentuk lain dari energi. Melalui termodinamika diharapkan berbagai macam gejala alam yang teramati dapat dikembalikan sebagai akibat dari kaidah yang lebih mendasar. Dengan demikian akan diperoleh gambaran tentang adanya keteraturan global dalam sifat-sifat alam serta adanya keterkaitan antara berbagai sifat alam yang teramati. Konsep konsep dasar Karena objek dari termodinamika adalah alam, maka ada bagian dari alam yang pada saat tertentu menjadi perhatian dan menerapkan prinsip temodinamika yang disebut sistem termodinamika. Selanjutnya, bagian dari alam semesta yang berada

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

3

di luar sistem disebut lingkungan. interaksi antara sistem dengan lingkungannya menghasilkan : Sistem tersekat (terisolasi) Adalah sistem yang didalamnya tidak terjadi pertukaran energi atau materi, yakni sistem yang dindingnya tidak dapat ditembus atau kedap energi maupun zat, yang biasa disebut adiatermal. Contohnya adalah termos es. Sistem tertutup Adalah sistem yang didalamnya hanya terjadi pertukaran energi secara bebas, yakni sistem yang dindingnya dapat tembus energi tetapi tidak tembus zat, yang biasa disebut diatermal. Contohnya adalah silinder baja penyimpan gas. Molekul gas tidak dapat menembus baja namun energi dapat keluar masuk melalui rambatan. Sistem terbuka Adalah sistem yang didalamnya terjadi pertukaran energi maupun materi. Kandungan energi maupun zat dalam sistem terbuka tidak pernah tetap. Contohnya adalah sebutir telur, yang dindingnya dapat ditembus energi maupun zat. Beberapa proses yang dapat terjadi pada sistem sesuai dengan keadaan adalah proses isotermal, proses isovolum atau isokhorik, dan proses adiabatik. Proses isotermal yaitu proses yang berlangsung pada suhu tetap, semua kalor yang diberikan kepada sistem diubah menjadi kerja. Proses isovolum atau isokhorik yaitu proses yang tidak mengalami perubahan volume, semua kalor yang masuk sistem disimpan sebagai energi dalam. Proses adiabatik yaitu proses yang tidak menyerap atau melepaskan kalor, dan semua energi digunakan untuk menghasilkan kerja Yang menjadi kajian utama termodinamika adalah sistem setimbang. Suatu sistem disebut ada dalam keadaan setimbang bila harga semua variabel termodinamikanya tidak berubah dengan waktu, dan didalam sistem tak ada aliran-aliran energi maupun zat. B.

Hukum termodinamika

Hukum ke Nol termodinamika

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

4

Jika ada lebih dari dua sistem yang saling setimbang, tentu ada keterkaitan antara harga variabel sistem-sistem yang terlibat. Bagi sistem-sistem semacam itu, yakni ada dalam kesetimbangan termal satu dengan yang lain, berlaku suatu hukum yang kemudian dikenal sebagai Hukum ku Nol Termodinamika, yang menyatakan : “Jika ada dua sistem, masing masing setimbang dengan suatu sistem ketiga, maka kedua sistem harus setimbang satu dengan yang lain”. Hukum Pertama Termodinamika Hukum ini merupakan pernyataan ulang dari hukum kekekalan energi, yang menyatakan bahwa : “ energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain namun energi

tidak

dapat

diciptakan

ataupun

dimusnahkan”. Hukum

pertama

termodinamika menyatakan hubungan antara kalor (q), kerja (w) dan perubahan energi dalam (∆U), yang menerangkan bahwa energi sistem tersekat adalah tetap. Hukum pertama termodinamika dapat dinyatakan dengan persamaan berikut: q = ∆U – W q, ∆U, dan W dalam satuan joule atau kalori. Hukum pertama termodinamika menunjukkan bahwa energi dalam tidak dapat diukur tapi dapat diukur dari nilai kalor dan kerja. Kalor dapat diukur dengan percobaan dan kerja. Kerja dihitung melalui volume dan tekanan yang melawan perubahan itu. a.

Kalor (q)

Kalor adalah energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya karena perbedaan suhu, yaitu dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah. Perpindahan kalor akan berlangsung hingga suhu di antara keduanya menjadi sama. Jumlah kalor dinyatakan dalam satuan kalori (kal) atau Joule (J). 1 kal = 4,184 J Sistem menerima kalor, q positif (+) Sistem membebaskan kalor, q negatif (-) Kalor (q) bukan merupakan fungsi keadaan karena besarnya tergantung pada proses. Kapasitas kalor adalah banyaknya energi kalor yang dibutuhkan untuk mengikatkan suhu zat 1oC. kapasitas kalor tentu saja tergantung pada jumlah zat. Kapasitas kalor spesifik dapat disederhanakan, kalor jenis adalah banyaknya energi

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

5

kalor yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 gram zat sebesar 1oC. Kalor jenis molar adalah banyaknya energi kalor yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol zat sebesar 1oC. Persamaan ini diperoleh dari penurunan persamaan hukum pertama termodinamika pada tekanan tetap: q = ∆U – W q = ∆U + P∆V q = U2 –U1 + P(V2 –V1) q = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) q = H2 – H1 q = ∆H b.

Usaha/ kerja (w)

Perpindahan energi antara sistem dengan lingkungan, diluar bentuk kalor disebut kerja. Satuan kerja adalah liter-atm, sehingga 1 L atm = 101,32 J Hukum Kedua Termodinamika Hukum kedua termodinamika terkadang dinyatakan sebagai transfer panas, dimana pada transformasi apapun, energi cenderung untuk semakin berkurang hingga tak tersedia cukup energi untuk melakukan kerja yang berhasil. Karena kerja yang berhasil terkait dengan keteraturan, hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan sebagai kecenderungan di alam bagi sistem-sistem untuk bergerak ke arah ketidakteraturan

atau

keacakan

yang

ketidakteraturan

adalah entropi. Entropi

semakin meningkat

meningkat.Istilah pada

proses

bagi

pelelehan,

penguapan, dan pelarutan. Perubahan entropi (dS) adalah suatu fungsi keadaan yang merupakan perbandingan perubahan kalor yang dipertukaran antara sistem dan lingkungan secara reversibel (δqrev) terhadap suhu tertentu T(°C). Persamaan besarnya entropi dinyatakan sebagai berikut: dS = δqrev/T Hukum Ketiga Termodinamika

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

6

“Entropi dari ksristal sempurna murni pada suhu nol mutlak ialah nol” . Kristal sempurna murni pada suhu nol mutlak menunjukkan keteraturan tertinggi yang dimungkinkan dalam sistem termodinamika. Jika suhu ditingkatkan sedikit diatas 0K, entropi meningkat. Entropi mutlak selalu bernilai positif. Soo = 0 C.

Entalpi dan Kalor Reaksi Standar

Entalpi adalah perubahan energi kalor suatu sistem kimia yang berlangsung pada tekanan tetap. q = ∆U – W q = ∆U + P∆V q = U2 –U1 + P(V2 –V1) q = (U2 + PV2) – (U1 + PV1) q = H2 – H1 q = ∆H Entalpi (H) adalah besaran mutlak yang tidak dapat diukur atau ditentukan. Pada suatu proses yang terukur adalah harga dari ∆H. Penetuan harga (∆H) tidak bergantung pada jalannya proses namun hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir proses (∆H sebagai fungsi keadaan). Nilai ∆H dapat digunakan untuk meramalkan suatu proses reaksi. Bila ∆H > 0 proses berjalan secara endotermis, yaitu sistem menyerap kalor. Bila ∆H = 0 proses berjalan secara adiabatik, semua kalor diubah menjadi kerja. Bila ∆H < 0 proses berjalan secara eksotermis, yaitu sistem melepaskan kalor. Hubungan-hubungan yang melibatkan entalpi diantaranya adalah ∆H adalah suatu sifat ekstensif yaitu perubahan entalpi sebanding dengan jumlah zat yang terlibat dalam reaksi Jika kita gandakan dua kali jumlah zat yang terlibat dalam reaksi maka perubahan entalpi reaksi juga menjadi dua kali. ∆H akan berubah tanda bila arah reaksi berlangsung sebaliknya

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

7

TERMODINAMIKA DALAM FISIKA TERMODINAMIKA 1 Hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan hukum kekealan energi yang berbunyi :

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

8

“jika suatu sistem memperoleh energi Q dalam bentuk kalor dan pada saat yang sama kehilangan energi W dalam bentuk usaha, maka perubahan energi dalam sistem tersebut adalah sama dengan besarnya selisih kalor dan usaha.” Hukum pertama termodinamika secara sistematis: △U = Q – W Dengan △U = U2 – U1 = perubahan energi dalam sistem; Q = kalor; W = usaha Catatan : Q bernilai positif jika sistem memperoleh kalor; bernilai negatif jika sistem kehilangan kalor; W bernilai positif jiaka usaha dilakukan oleh sistem; dan W bernilai negatif jika usaha dilakukan pada sistem. Energi dalam hanya bergantung pada keadaan suatu sistem, bukan lintasan yang ditempuh untuk mencapai kedaan itu. Dalam hal ini, energi dalam merupakan fungsi keadaam yang dipengaruhi oleh variabel-variabel suhu, tekanan, dan volume. Untuk gas ideal monoatomik berlaku hubungan: △U = 3/2.n.R(T1 – T2) = 3/2(p2V2 – p1V1) Beberapa aplikasi hukum 1 Termodinamika: a.

Pada proses isotermik (T1 = T2 → △U = 0) △U = Q – W 0 = Q – W → Q = W Nrt ln V2/V1

b.

Pada proses isokhorik (V1 = V2 → W = p △V = 0) △U = Q – W = Q – 0 = Q

c.

Pada proses isobarik (W = p △V) △U = Q – W = Q - p△V

d.

Pada proses adiabatik (Q = 0) △U = Q – W; maka △U = - W W = -3/2 nR (T2 – T1) = 3/2 nR (T1 –T2)

Kalor jenis gas . FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

9

Suhu suatu gas dapat dinaikkan dalam kondisi yang bermacam-macam. Volumenya dikonstankan, tekanannya dikonstankan atau kedua-duanya dapat dirubah-rubah menurut kehendak. Pada tiap-tiap kondisi ini panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu sebesar satu satuan suhu untuk tiap satuan massa adalah berlainan. Dengan kata lain suatu gas mempunyai bermacam-macam kapasitas panas. Tetapi hanya dua macam yang mempunyai arti praktis yaitu : - Kapasitas panas pada volume konstan. - Kapasitas panas pada tekanan konstan. Kapasitas panas gas ideal pada tekanan konstan selalu lebih besar dari pada kapasitas panas gas ideal pada volume konstan, dan selisihnya sebesar konstanta gas umum

(universil) yaitu : R = 8,317 J/mol 0K.

- cv = R = kapasitas panas jenis ( kalor jenis ) gas ideal pada tekanan konstan. cv = kapasitas panas jenis ( kalor jenis ) gas ideal pada volume konstan. Berdasarkan teori kinetik gas kita dapat menghitung panas jenis gas ideal,sebagai berikut: a. Untuk gas beratom tunggal ( monoatomik ) diperoleh bahwa :

b. Untuk gas beratom dua ( diatomik ) diperoleh bahwa :

= konstanta Laplace.

Siklus Termodinamika Siklus termodinamika adalah serangkaian proses termodinamika mentransfer panas dan

kerja

dalam

berbagai

keadaan tekanan, temperatur,

dan

keadaan

lainnya. Hukum pertama termodinamika menyebutkan bahwa sejumlah bersih panas yang masuk setara dengan sejumlah bersih panas yang keluar pada seluruh FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

10

bagian siklus. Proses alami yang berulang-ulang menjadikan proses berlanjut, membuat siklus ini sebagai konsep penting dalam termodinamika.

Contoh: P-V diagram pada siklus thermodinamika. Proses termodinamika berlangsung dalam rantai tertutup pada diagram P-V, di mana axis Y menunjukkan tekanan (pressure, P) dan axis X menunjukkan volume (V). Area di dalam siklus adalah kerja (work, W) yang dirumuskan dengan:

Kerja

adalah

setara

dengan

panas

yang

ditransferkan

ke

sistem:

Persamaan kedua membuat proses siklik mirp proses isotermal, meski energi dalam berubah selama proses siklik, ketika proses siklik selesai energisistem adalah sama dengan energi ketika proses dimulai. Jika proses siklik bekerja searah jarum jam, maka ini menunjukkan mesin kalor, dan W akan positif. Jika bergerak berlawanan dengan arah jarum jam, maka menunjukkan pompa kalor, dan W akan negatif Siklus Carnot Siklus adalah suatu rangkaian sedemikian rupa sehingga akhirnya kembali kepada keadaan semula. Misalnya, terdapat suatu siklus termodinamika yang melibatkan proses isotermal, isobarik, dan isokorik. Sistem menjalani proses isotermal dari keadaan A sampai B, kemudian menjalani proses isobarik untuk mengubah sistem FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

11

dari keadaan B ke keadaan C. Akhirnya proses isokorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya (A). Proses dari A ke keadaan B, kemudian ke keadaan C, dan akhirnya kembali ke keadaan A, menyatakan suatu siklus.

Apabila siklus tersebut berlangsung terus menerus, kalor yang diberikan dapat diubah menjadi usaha mekanik. Tetapi tidak semua kalor dapat diubah menjadi usaha. Kalor yang dapat diubah menjadi usaha hanya pada bagian yang diarsir (diraster) saja Berdasarkan Gambar besar usaha yang bermanfaat adalah luas daerah ABCA.

Secara

matematis

dapat

ditulis

seperti

berikut.

Usaha bernilai positif jika arah proses dalam siklus searah putaran jam, dan bernilai negatif jika berlawanan arah putaran jarum jam. Perubahan energi dalam U untuk satu siklus carnot sama dengan nol ( U = 0) karena keadaan awal sama dengan keadaan akhir. Berdasarkan percobaan joule diketahui bahwa tenaga mekanik dapat seluruhnya diubah menjadi energi kalor. Namun, apakah energi kalor dapat seluruhnya diubah menjadi energi mekanik? Adakah mesin yang dapat mengubah kalor seluruhnya menjadi usaha? Pada tahun 1824, seorang insinyur berkebangsaan Prancis, Nicolas Leonardi Sadi Carnot, memperkenalkan metode baru untuk meningkatkan efisiensi suatu mesin berdasarkan siklus usaha. Metode efisiensi Sadi Carnot ini selanjutnya dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot terdiri atas

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

12

empat proses, yaitu dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. Perhatikan Gambar

berikut!

Berdasarkan Gambar 9.8 dijelaskan proses siklus Carnot sebagai berikut. 1. Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha WAB. 2. Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari T1 menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC. 3. Proses CD adalah pemampatan isoternal pada suhu T2. Pada proses ini sistem menerima usaha WCD dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2. 4. Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari T2 menjadi T1 akibat menerima usaha WDA. Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki efisiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin Carnot. Usaha total yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus pada diagram p – V. Mengingat selama proses FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

13

siklus Carnot sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2, maka usaha yang dilakukan oleh sistem

menurut

hukum

I

termodinamika

adalah

sebagai

berikut.

Dalam menilai kinerja suatu mesin, efisiensi merupakan suatu faktor yang penting. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin (n) ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diberikan. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

Keterangan: n : efisiensi mesin Carnot T1 : suhu reservoir bersuhu tinggi (K) T2 : suhu reservoir bersuhu rendah (K) Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan persamaan di atas terlihat efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

14

tandon atau reservoir. Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T2 harus = 0 K. Hal ini dalam praktik tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. Hal ini disebabkan proses kalor Carnot merupakan proses reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak terbalikkan) TERMODINAMIKA 2 Hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan dengan pernyataan aliran kalor, entropi dan mesin kalor. Hukum termodinamika dengan pernyataan kalor: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi kebenda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.” Hukum kedua termodinamika dengan pernyataan entropi: “Total entropi jagad raya tidak berubah ketika proses reversibel terjadi (△s jagad raya = 0) dan bertambah ketika proses irreversibel terjadi (△s jagad raya > 0). Hukum kedua termodinamika dengan pernyataan mesin kalor: “Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari suatu reservoar dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.” Pada proses irreversibel, umumnya selalu menyebabkan hilangnya sejumlah kalor, tetapi masih ada sejumlah kalor lain yang digunakan untuk melakukan usaha. Banyaknya kalor yang hilang atau tidak dapat diubah menjadi usaha dinamakan dengan entropi (s). Jika suatu sistem mengalami proses reversibel pada suhu mutlak T dengan menyerap sejumlah kalor Q, maka kenaikan entropi (△s) adalah: △s = (Q/T) reversibel Perubahan entropi △s hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. Untuk proses reversibel tidak mengubah total entropi jagad raya, tetapi untuk proses irreversibel selalu menaikkan entropi jagad raya. Mesin pendingain

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

15

Mesin pendingin atau refrigator adalah alat yang bekerja dengan memaksa kalor mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem. Pada mesin pendingin berlaku: •

T1 > T2

•

Q2 = kalor yang diserap dari reservoir dingin.

•

Q1 = kalor yang diberikan ke reservoir panas.

•

W = Q1 – Q2 = usaha yang diperlukan Ukuran penampilan mesin pendinginan kalor Q2 dengan usaha W yang digunakan untuk memindahkan kalor Q2 tersebut dinamakandengan koefisien performansi (Kp).

Semakin tinggi nilai koefisien performasi suatu mesin pendingin, maka semakin baik pendingin tersebut.

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

16

Contoh soal dan pembahasan Termodinamika 1. Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 105 Pa) Pembahasan Diketahui: V2 = 4,5 m3 V1 = 2,0 m3 P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa Jawab: Isobaris → Tekanan Tetap W = P (ΔV) W = P(V2 − V1) W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule 2. 1,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar…. Pembahasan Diketahui: V1 = 1,5 m3 T1 = 27oC = 300 K T2 = 87oC = 360 K P = 2 x 105 N/m2

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

17

Jawab: W = PΔV V2 : V2/T2 = V1/T1 V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3 W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ 3. 2000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium! Pembahasan Diketahui: n = 2000/693 mol V2 = 5 L V1 = 2,5 L T = 27oC = 300 K Jawab: Usaha yang dilakukan gas : W = nRT ln (V2 / V1) W = (2000/693 mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( 5 L / 2,5 L ) W = (2000/693) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule 4. Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah…. Pembahasan η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 % Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan : η = ( 1 − 400/600) = 1/3 η = ( W / Q1 ) 1/3 = W/600 W = 200 J

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

18

5. Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!

Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar…. Pembahasan WAC = WAB + WBC WAC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ 6. Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya…..% Pembahasan η = 40% = 4 / 10 Tt = 400 K Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan: η = 1 − (Tr/Tt) 4 / 10 = 1 − (Tr/400) (Tr/400) = 6 / 10 Tr = 240 K Tt = 640 K FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

19

Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama) η = ( 1 − Tr/Tt) x 100% η = ( 1 − 240/640) x 100% η = ( 5 / 8 ) x 100% = 62,5%

7. Perhatikan gambar berikut ini!

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan : a) Efisiensi mesin Carnot b) Usaha mesin Carnot c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot d) Jenis proses ab, bc, cd dan da Pembahasan a) Efisiensi mesin Carnot Data : Tt = 227oC = 500 K Tr = 27oC = 300 K η = ( 1 − Tr/Tt) x 100% η = ( 1 − 300/500) x 100% = 40% b) Usaha mesin Carnot η = W/Q1 4/10 = W/1200 W = 480 joule

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

20

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot Q2 = Q1 − W = 1200 − 480 = 720 joule Q2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2 d) Jenis proses ab, bc, cd dan da ab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap) bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun) cd → pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap) da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik) 8. Berdasarkan gambar

Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P − V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah….kilojoule. Pembahasan W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda W = ab x bc W = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

21

DAFTAR PUSTAKA

http://indriafatwindari.blogspot.com/2011/10/termodinamika-kimia.html http://www.chem-is-try.org/materi_kimia/kimia-anorganik-universitas/reaksianorganik/termodinamika/ ___. Siklus Termodinamika. http://id.wikipedia.org/wiki/Siklus_termodinamika ___. Pengertian Siklus Carnot. http://matematika-ipa.com/pengertian-siklus-carnot-siklus-carnot/ ___.2009. Termodinamika. http://basicsphysics.blogspot.com/2009/09/termodinamika.html ___.2010. Kapasitas Kalor. http://masteropik.blogspot.com/2010/05/kapasitas-kalor.html Sunardi. 2009. Siaga dan Sukses Jelang Ujian Nasional Fisika SMA/MA. Bandung : YRAMA WIDYA.

FAHMI YAHYA – TUGAS TERMODINAMIKA 1 DAN 2

22