Pengertian Hukum I Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalamdari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.

1.    Hukum ini diterapkan pada gas, khususnya gas ideal

PV = n R T
P . DV + -V . DP = n R DT

2.    Energi adalah kekal, jika diperhitungkan semua bentuk energi yang timbul.

3.    Usaha tidak diperoleh jika tidak diberi energi dari luar.

4.    Dalam suatu sistem berlaku persamaan termodinamika I:
DQ = DU+ DW
DQ = kalor yang diserapDU = perubanan energi dalamDW = usaha (kerja) luar yang dilakukan

DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT DIJABARKAN:

1. Pada proses isobarik (tekanan tetap) ®DP = 0; sehingga,
   
   DW = P . DV = P (V₂ - V₁) ® P. DV = n .R DT

DQ = n . Cp . DT	® maka Cp = 5/2 R (kalor jenis pada tekanan tetap)
DU-= 3/2 n . R . DT

2. Pada proses isokhorik (Volume tetap)®DV =O; sehingga,
   
   DW = 0 ® DQ = DU

DQ = n . Cv . DT	® maka Cv = 3/2 R (kalor jenis pada volume tetap)
AU = 3/2 n . R . DT

3. Pada proses isotermik (temperatur tetap):®DT = 0 ;sehingga,
   
   DU = 0 ® DQ = DW = nRT ln (V₂/V₁)
4. Pada proses adiabatik (tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan sekelilingnya)®DQ = 0 Berlaku hubungan::
   
   PV^g = konstan ®g = C_p/C_v ,disebut konstanta Laplace
   
   
5. Cara lain untuk menghitung usaha adalah menghitung luas daerah di bawah garis proses.

http://bebas.ui.ac.id/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Fisika/Image/1-5b.jpg

Usaha pada proses a ® b adalah luas abb*a*a

Perhatikan perbedaan grafik isotermik dan adiabatik ® penurunan adiabatik lebih curam dan mengikuti persamaan PV^g= C.

Jadi:
1. jika DP >DV, maka grafik adiabatik.
2. jika DP = DV, maka grafik isotermik.

Catatan:

1. Jika sistem menerima panas, maka sistem akan melakukan kerja dan energi akan naik. Sehingga DQ, DW ® (+).
2. Jika sistem menerima kerja, maka sistem akan mengeluarkan panas dan energi dalam akan turun. Sehingga DQ, DW ® (-).
3. Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energi dalam (U) gas adalah
   
   U = E_k = 3/2 nRT®g = 1,67
4. Untuk gas diatomik (H₂, N₂, dll), energi dalam (U) gas adalah

Suhu rendah (T £ 100ºK)	U = Ek = 3/2 nRT	®g = 1,67	® Cp-CV=R
Suhu sedang	U = Ek =5/2 nRT	®g = 1,67
Suhu tinggi (T > 5000ºK)	U = Ek = 7/2 nRT	®g = 1,67

Tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerjasecara terus-menerus serta rnengubah semua kalor yang diserap menjadi usahamekanis.

http://bebas.ui.ac.id/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Fisika/Image/1-5c-1.jpg

T₁> T₂, maka usaha mekanis:
W = Q₁- Q₂
h = W/Q₁= 1 - Q₂/Q₁ = 1 - T₂/T₁

T₁ = reservoir suhu tinggi
T₂ = reservoir suhu rendah
Q₁ = kalor yang masuk

Q₂ =kalor yang dilepas
W = usaha yang dilakukan h = efesiensi mesin

Untuk mesin pendingin:
http://bebas.ui.ac.id/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Fisika/Image/1-5c-2.jpg

h = W/Q₂ = Q₁/Q₂ -1 = T₁/T₂- 1
Koefisien Kinerja = 1/h

Dalil :

Dari semua motor yang bekerja dengan menyerap kalor dari reservoir T₁ dan melepaskan kalor pada reservoir T₂tidak ada yang lebih efisien dari motor Carnot.

http://bebas.ui.ac.id/v12/sponsor/Sponsor-Pendamping/Praweda/Fisika/Image/1-5d-1.jpg

BC ; DA = adiabatik

AB ; CD = isotermik

Mesin Carnot terdiri atas 4 proses, yaitu 2 proses adiabatik dan 2 proses isotermik. Kebalikan dari mesin Carnot merupakan mesin pendingin atau lemari es. Mesin Carnot hanya merupakan siklus teoritik saja, dalam praktek biasanya digunakan siklus Otto untuk motor bakar (terdiri dari 2 proses adiabatik dan 2 proses isokhorik) dan siklus diesel untuk mesin diesel (terdiri dari 2 proses adiabatik, 1 proses isobarik dan 1 proses isokhorik).

Contoh:

1.      Selama proses isokhorik (v = 1 m³), gas menerima kalor 1000 kalori sehingga tekanan berubah sebesar 814 N/m². Hitunglah perubahan energi dalam gas selama proses tersebut ?

Jawab:

Proses isokhorik: DV = 0 sehingga DW = P . DV = 0DQ = DU + DW ® 1000 = DU + 0
Jadi perubahan energi dalam gas = 1000 kalori =1000 x 4.186 J = 4186J

2.      Gas diatomik pada suhu sedang 200ºC dan tekanan 105 N/m²bervolume 4 lt. Gas mengalami proses isobarik sehingga volumenya 6 liter kemudian proses isokhorik sehingga tekanannya 1.2 x 10⁵ N/m². Berapakah besar perubahan energi dalam gas selama proses tersebut ?

Jawab:

PV = n R T ® P DV + V DP = n R DT

Proses A - B (DP = 0):
P DV = n R DT = 10⁵. 2.10^-3 = 200 JDUBC = 5/2 n R DT = 500 J (diatomik 200ºC)

Proses :B - C (DV = 0):
V DP = n R DT = 6.10^-3.0,2. 10⁵ = 1120 JDUBC = 5/2 n R DT = 300 J (diatomik 200ºC)

Jadi DU total = DUAB + DUBC = 800 J

3.      Bila suatu gas dimampatkan secara isotermik maka tentukanlah tekanan, energi dalam danusaha yang dilakukan oleh gas!

Jawab:

Gas dimampatkan berarti volume gas bertambah kecil (AV < 0)
Proses gas secara isotermik berarti DT = 0

Jadi: PV = C ® P = C/V

Karena volume gas bertambah kecil maka tekanan gas akan bertambah besar. Kenaikan tekanangas ini disebabkan oleh makin seringnya molekul-molekul gas menumbuk dinding tempatnya (jarak tempuh molekul gas makin pendek) bukan karena kecepatannya yang bertambah.

DU=3/2 n R DT

Karena proses isotermik (DT= 0), maka perubahan energi dalam sama dengan nol (DU - 0). Berarti energi dalam gas tidak berubah.

DQ = DU + DW ®DW = P DV

Karena DU = 0 maka DQ = DW, berarti kalor yang diserap gas seluruhnya diubah menjadi usaha gas.

Karena volume gas bertambah kecil (DV < 0) maka usaha yang dilakukan gas negatif( DW < O), berarti gas menerima kerja dari luar.

4.      Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi sebesar 1000ºK mempunyai efisiensi sebesar 50%. Agar efesiensinya naik menjadi 60%, berapakah reservoir suhu tinggi harus dinaikkan ?

Jawab:

h = 1-T₂/T₁® 0,5 = 1 T₂/1000 ® T₂= 500ºK

Apabila efesiensinya dijadikan 60% (dengan T₂ tetap), maka

h = 1 - T₂/T₁® 0,6 =1 - 500/T₂® T₁= 12.50 ºK