Makalah Fisika Dasar Termodinamika

BAB I

PENDAHULUAN

1.1.Latar Belakang

               Suhu dan Kalor adalah dua hal yang tidak dapat dipisahka dalam kehidupan kita sehari-hari. Banyak kegiatan-kegiatan yang berkaitan dengan dua hal tersebut seperti hal yang paling sederhana saja perbedaan  temperatur udara saat siang dan malam hari, penurunan suhu teh panas jika ditambahkan dengan es batu, dan lain sebagainya.

               Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat berubah menjadi energi listrik               

1.2.Rumusan Masalah

                  Berdasarkan latar belakang makalah ini, maka penyusun membuat suatu rumusan masalah, yaitu :

1.      Apa makna suhu, kalor dan kapasitas kalor.

2.      Bagaimana isi Hukum Termodinamika I dan II.

3.      Apa itu proses isokhorik, isobar, isotermik dan adiabatic.

4.      Bagaiman prinsip mesin kalor dan mesin pendingin.

5.      Apa penerapan konsep-konsep suhu dan kalor pada bidang teknik elektro.

1.3.Batasan Masalah

            Hukum Termodinamika I dan Hukum Termodinamika II.

1.4.Tujuan

   Makalah ini disusun agar dapat lebih mendalami tentang makna suhu, kalor dan kapasitas kalor. Mengetahui Hukum Termodinamika I dan II dan seterusnya seperti yang ada pada rumusan masalah. Tidak hanya itu, penyusunan makalah ini juga tidak hanya bagi para pembaca saja, akan tetapi agar dapat pula menjadi bahan informasi/bahan ajar bagi orang lain (siswa).

BAB II

PEMBAHASAN

2.1.    Suhu, kalor dan kapasitas kalor

                  Suhu didefenisikan sebagai ukuran atau derajat panas dingin suatu benda atau sistem. Sifat termometrik adalah sifat-sifat benda yang mudah berubah akibat adanya perubahan suhu, contoh :

1.      Panjang logam

2.      Volume zat cair.

         Kalor adalah

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung sedikit.

Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor

1.      massa zat

2.      jenis zat (kalor jenis)

3.      perubahan suhu

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Q = m.c.(t2 – t1)

Dimana :

Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)

m adalah massa benda (kg)

c adalah kalor jenis (J/kgC)

(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis

• Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
• Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.

H = Q/(t2-t1)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

c = Q/m.(t2-t1)

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

H = m.c

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

         Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar:

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

         Satuan kapasitas kalor benda (C)

Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

            Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan C^o, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

2.2. Hukum Termodinamika

      A. Hukum Termodinamika I

                  Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hokum ini menyatakan perubahan enegi dalam (∆U) dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hokum pertama termodinamika ( the First Law of Thermodynamic) adalah sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi dalam (∆U).

                  Rumus hukum I Termodinamika :

           

                                                ∆U = Q - W

            Dengan ketentuan :

            Q adalah positif jika sistem memperoleh kalor dan negatif jika kehilangan kalor. Usaha (W) postif jika usaha dilakukan oleh sistem dan negatif jika usaha dilakukan pada sistem. Jadi hukum I termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor, usaha dan energi dalam.

B. Hukum II Termodinamika

               Hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan dalam dua cara, yaitu :

1.      Kalor tidak pernah mengalir secara spontan dari benda bersuhu rendah ke benda  bersuhu tinggi.

2.      Tidak ada satu mesin kalor yang bekerjadalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah menjadi usaha.

Hukum kedua dapat dinyatakan dalam entropi sebagai berikut :

               Entropi tota; jagad raya tidak berubah ketika proses reversible terjadi ( ΔS jagad raya > 0 ). Perubahan entropi ΔS dari suatu sistem sama dengan kalor yang mengalir ke dalam (bertanda positif) atau keluar dari (bertanda negatif) sitem, ketika sistem berubah dari suatu keadaan ke keadaan lainnya dibagi dengan suhu mutlak.

                                                   Q

                           ΔS       =                      reversible

                                                   T

  Proses Isokhorik, Isobarik, Isotermik, dan Adiabatik.

A.    Proses Isokhoriik

Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap. Rumus :

                     P₁                     P₁

                                 =

                     T₁                    T₁

     

      Usaha yang dilakukan di lungkungan adalah

               W = PΔV = P.0 =0

      Keterangan :

      P       : tekanan (Pa)

      T       : suhu (K)
      ΔV    : perubahan volume (m³)

B. Proses Isotermik

      Proses isotermik adalah proses perubahan keadaan pada suhu tetap.

      Rumus : W = nRT

      Keterangan :

      W     : usaha (J)

      n       : Mol

               R      : ketetapan gas ideal (8.31 J/mol K)

               T       : suhu (K)

               V      : volume (m³)

         C. Proses Isobarik

            Proses isobaric adalah proses perubahan keadaan gas yang tekananya tetap, sedangkan suhu, dan volume berubah.

         Rumus :        V1                      V1

                                             =

                                 T1                       T1

            Usaha luar yang dilakukan lingkungan adalah :

                        W = Pc ΔV = Pc (V2 –V1)

            Keterangan :

            Pc : tekanan

         D. Proses Adiabatik

            Adalah proses perubahan sistem tanpa kalor yang masuk atau keluar dari sistem,.

            Rumus :          

                                    P₁V_1Y=P₂V_2Y

           

            Keterangan :

               _Y       : konstanta Laplace = _Y = Cp

                                                           

                                                                  Cv

               Cp    : kalor jenis gas pada tekana tetap

               Cv    : kalor jenis gas pada volume tetap

Mesin Kalor dan Mesin Pendingin

A.    Mesin Kalor

            Mesin kalor memindahkan kalor Q1 dari redervoir panas, melakukan usaha W1 dan membuang kalor Q2 ke reservoir dingin. Efisiensi mesin kalor adalah nilai perbandingan antara usaha yang dilakukan terhadap kalor total yang diserap.

Rumus : η = W1                                  Q2

                                    =          1 –

                     Q1                                  Q1

  

                                                                              Q2                   T2

   Untuk mesin kalor ideal (mesin carnot),                          =                    sehingga,

                                                                                    Q1                   T1

                                    T2

         η    =       1 -

                                    T1

              

B.     Mesin Pendingin

            Mesin Pendingin memindahkan kalor Q2 dari reservoir dingin, menerima usaha listrik W, dan membuang kalor Q1 ke reservoir panas.

            Jadi proses dalam mesin pendingin berlawanan arah dengan proses dala mesin kalor. Koefisien performasi Cp dari suatu mesin pendingin adalah nilai perbandingan antara kalor yang dipindahkan dari reservoir dingin terhadap usaha listrik yang diterima sistem.