Hukum Termodinamika 0

Hukum Termodinamika 0

Dua sampel gas:

• Sampel 1 dengan volume $V_1$ & tekanan $P_1$
• Sampel 2 dengan volume $V_2$ & tekanan $P_2$

a) Pada awalnya kedua sistem diisolasi satu dengan yang lain,

• Volume kedua sistem adalah tetap
• Terpasang pressure gauge (alat ukur tekanan).

b) Kedua sistem dikontakkan pada dindingnya & saling mempengaruhi

satu dengan yang lain,

• Teramati bahwa bacaan pressure gauge berubah terhadap waktu
• Pada akhirnya kedua tekanan mencapai $p_1$ dan $p_2$ yang tidak berubah terhadap waktu
• Sistem dikatakan berada dalam kontak termal
• Kedua sistem berada dalam kesetimbangan termal (thermal equilibrium)

c) Tiga sistem A, B, dan C disusun seperti gambar di bawah,

• Sistem A dan B berada dalam kontak termal.
• Sistem B dan C berada dalam kontak termal.

Susunan sistem ini dibiarkan beberapa saat sampai dicapai kesetimbangan termal sehingga

• Sistem A berada dalam kesetimbangan termal dengan B
• Sistem B berada dalam kesetimbangan termal dengan C

• Jika sistem A dan sistem C dipindahkan dari sistem B
• Kemudian sistem A ditempatkan dlm kontak termal dg sistem C
• Dapat diamati bahwa tidak terjadi perubahan sifat-sifat dari sistem A dan C dengan berubahnya waktu
• Oleh karena itu, sistem A dan C berada dalam kesetimbangan termal
  

Dua sistem yang keduanya dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga adalah berada dalam kesetimbangan termal satu dengan yang lain

Temperatur

• Alat untuk mengukur temperatur adalah termometer.
• Sebagai keadaan acuan digunakanlah kondisi es mencair dan air mendidih.

Pembuatan termometer didasarkan pada hukum termodinamika ke-nol,

Apabila ada dua benda yang berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka benda-benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu dengan yang lain.

Jika benda ketiga diganti dengan termometer, maka hukum termodinamika ke-nol menjadi

Dua benda berada dalam kesetimbangan termal, jika kedua benda memiliki temperatur yang sama, meskipun tidak terjadi kontak antara benda kesatu dengan benda kedua.

Hukum Termodinamika 1

Pendahuluan

Usaha atau Kerja atau Work (Watt)

• Usaha adalah energi yang mengalir melalui bidang batas dan dapat menyebabkan perubahan kedudukan suatu massa yang terdapat di lingkungan.
• Usaha adalah bentuk energi. 
• Usaha bukan merupakan sifat sistem, tetapi proses yang dilakukan oleh atau pada sistem.

Beberapa hal yang perlu diperhatikan sehubungan dengan definisi usaha:

1. Hanya terjadi pada bidang batas (boundary)
2. Hanya ada selama terjadi perubahan sistem terhadap lingkungan
3. Nilai usaha (W) bernilai:

• positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan.
• negatif jika sistem dikenai usaha dari lingkungan.

Usaha yang dihasilkan akibat perubahan ini adalah:

$$W = M \cdot g \cdot h$$

• $W$ melambangkan Usaha (Work) atau Energi Potensial Gravitasi ($E_p$ atau $U$).
• $M$ (atau sering kali $m$) melambangkan Massa (Mass) benda.
• $g$ melambangkan Percepatan Gravitasi (Acceleration due to gravity), biasanya sekitar $9.8 \text{ m/s}^2$ di permukaan bumi.
• $h$ melambangkan Ketinggian (Height) benda dari titik referensi.

Jika A adalah luas piston, dan tekanan ke bawah yang bekerja pd

$P_{\text{op}} = \frac{M \cdot g}{A}$

$W = P_{\text{op}} \cdot A \cdot h$

$W = P_{\text{op}} \cdot \Delta V $

$W = P_{\text{op}}{(V_2 - V_1)}$

$\Delta V = A \cdot h$

Usaha ekspansi selalu bernilai positif, karena volume akhir ($V_2$) lebih besar dari volume awal ($V_1$) atau ($V_1 < V_2$)

Jika usaha ekspansi dilakukan lebih dari 1 tingkat, misalnya 2 tingkat,

Usaha total yang dihasilkan adalah:

$W = W_1 + W_2$

$W = P'_{\text{op}}(V' - V_1) + P''_{\text{op}}(V_2 - V')$

Untuk kasus khusus: $P''_{\text{op}} = P_2$

Jika dibandingkan dengan ekspansi 1 tingkat, maka ekspansi 2 tingkat ini

menghasilkan usaha yang lebih besar.

Untuk ekspansi multistage, usaha yang dihasilkan merupakan jumlah usaha tiap-tiap tingkat.

Jika ܲ$P_{\text{op}}$ dibuat konstan, maka untuk usaha kecil $\partial W$

$\partial W = P_{\text{op}} dV$

Usaha total dihasilkan dg mengekspansikan dari $V_1$ menjadi $V_2$,

$W = \int_{1}^{2} \partial W = \int_{V_1}^{V_2} P_{\text{op}} dV$

$W = P_{\text{op}}(V_2 - V_1)$

Usaha Kompresi

• Usaha kompresi merupakan lawan dari usaha ekspansi.
• Keadaan 2 merupakan keadaan awal yang kemudian dikompresikan menjadi keadaan akhir

W = P_{\text{op}}(V_2 - V_1)

Kompresi satu tingkat

Kompresi dua tingkat

Besarnya usaha kompresi 2 tingkat adalah

$W = P'_{\text{op}}(V' - V_1) + P''_{\text{op}}(V_2 - V')$

Contoh Soal

Tiga mol gas ideal dikompresikan secara isotermal dari 60 L menjadi 20 L menggunakan tekanan konstan 5 atm. Tentukan besarnya usaha/kerja (W)

1. Hitung Perubahan Volume ($\Delta V$):
$$\Delta V = V_f - V_i = 20 \text{ L} - 60 \text{ L} = -40 \text{ L}$$

2. Hitung Usaha ($W$):
$$W = -P_{ext} \Delta V$$
$$W = - (5 \text{ atm}) (-40 \text{ L})$$
$$W = +200 \text{ L}\cdot\text{atm}$$

3. Konversi Satuan Usaha ke Joule (Satuan SI)

Untuk mengkonversi dari $\text{L}\cdot\text{atm}$ ke Joule, kita gunakan faktor konversi:

$$1 \text{ L}\cdot\text{atm} \approx 101.3 \text{ J}$$
$$W = 200 \text{ L}\cdot\text{atm} \times \left( \frac{101.3 \text{ J}}{1 \text{ L}\cdot\text{atm}} \right)$$
$$W = 20,260 \text{ J}$$
$$W = 20.26 \text{ kJ}$$

Kalor (Heat/Q)

Kalor adalah energi yang mengalir melalui bidang batas karena ada perbedaan temperatur antara sistem dan lingkungan.

Sifat-sifat kalor adalah:

• hanya terjadi pada bidang batas
• hanya ada selama terjadi perubahan sistem terhadap lingkungan

Kalor bernilai:

• positif, kalor mengalir dari lingkungan atau kalor ditambahkan ke sistem
• negatif, jika kalor ditambahkan ke lingkungan atau mengalir dari sistem.

Kalor Sensibel

Kalor yang ditambahkan ke atau dipindahkan dari substan untuk menghasilkan perubahan temperatur.

Kalor Laten

• adalah banyaknya kalor yang ditambahkan ke atau dipindahkan dari substan
• untuk menghasilkan perubahan fase (tidak terjadi perubahan temperatur),
• misalnya: kalor laten peleburan (fusion) dan kalor laten penguapan.

• Usaha dan kalor ditransfer tergantung pada jalannya (path) dan tidak tergantung pada kondisi awal dan akhir sistem.
• Untuk suatu proses siklus, usaha yang dihasilkan atau diperlukan merupakan jumlah dari masing-masing proses yang menyusun siklus tersebut

Jumlah ini diberi symbol dengan integral siklus dari $\partial W$:

$W_{\text{siklus}} = \oint \partial W$

Kalor yang diserap atau dilepaskan oleh sistem selama melakukan proses siklus:

$Q_{\text{siklus}} = \oint \partial Q$

Hukum termodinamika I adalah:

Jika suatu sistem melakukan perubahan yang membentuk suatu proses siklus, maka usaha yg dilakukan terhadap lingkungan sama dengan kalor yg diserap dari lingkungan.

$\oint \partial W = \oint \partial Q$

$\oint (\partial Q - \partial W) = 0$

${dE} = \partial Q - \partial W$

Parameter E adalah energi dari sistem, yang sering disebut sebagai energi internal

$\oint dE = 0$

$\int_{i}^{f} dE = \int_{i}^{f} \partial Q - \int_{i}^{f} \partial W$

$(E_f - E_i) = Q - W$

$\Delta E = Q - W$

Perubahan Keadaan

Isokhoris (perubahan keadaan pada volume konstan)

V = konstan, sehingga dV = 0

$dE = \partial Q - \partial W = \partial Q - p dV \quad dE = \partial Q_V$

$\frac{dE}{dT} = \frac{\partial Q_V}{dT}$

$\frac{\partial Q_V}{dT}$: kapasitas kalor pada volume konstan ($C_V$) dg

satuan $J / \cdot mol$

$\frac{dE}{dT} = n \cdot C_V$

$dE = n \cdot C_V \cdot dT$

$\int_{1}^{2} dE = \int_{1}^{2} n \cdot C_V dT$

$E_2 - E_1 = n \cdot C_V(T_2 - T_1)$

$\Delta E = n \cdot C_V(T_2 - T_1)$