1. A. Usaha dan Berbagai Proses dalam
Termodinamika
B. Hukum I Termodinamika
C. Hukum II Termodinamika
Bab
7
Hukum Termodinamika
BUKU SISWA Aktif dan Kreatif Belajar Fisika 2 untuk SMA/MA Kelas XI
Peminatan Matematika dan Ilmu-IlmuAlam
2. Jenis sebuah mesin menggambarkan daur atau siklus proses yang dialami gas bahan
bakar pada mesin tersebut. Proses-prosesdalam siklus mesin motor terjadi pada
beberapa keadaan berbeda. Pernahkah Anda mendapat informasi mengenai
kendaraan bermotor yang memiliki mesin 2 tak atau 4 tak? Diskusikan bersama
teman Anda. Tampilkan hasil diskusi Anda di depan kelas.
3. A
B C
Tinjau 3 benda (benda A, benda B, dan benda C). Benda A bisa dianggap
sebagai termometer
Amati dengan baik gambar berikut
Pertanyaan
Apakah benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal?
Jelaskan menurut hukum ke nol termodinamika.
4. A. Usaha dan Berbagai Proses dalam Termodinamika
Jika suatu sistem yang akan diamati telah dipilih, umumnya langkah selanjutnya ialah
memberikan atau menggambarkan sistem tersebut. Pemberian atau penggambaran sistem ini
biasanya menggunakan besaran-besaran yang berkaitan dengan kelakuan sistem itu sendiri
atau interaksi antara sistem dan lingkungannya. Dalam termodinamika, besaran-besaran yang
digunakan untuk memberikan proses pada suatu sistem, di antaranya usaha, kalor, dan energi
dalam.
1. Hubungan Usaha dan Kalor
Percobaan yang dilakukan oleh James Prescott Joule untuk menentukan kesetaraan antara kalor dan
energi. Dari percobaan tersebut, Joule menyimpulkan hubungan antara kalor dan usaha sebagai berikut.
a. Kalor merupakan suatu bentuk energi yang dapat berpindah dari lingkungan ke suatu sistem atau
sebaliknya karena ada perbedaan suhu antara sistem dan lingkungannya. Tanpa pengaruh luar, kalor akan
selalu berpindah dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Misalnya, perpindahan kalor saat
pendinginan sebuah mesin kendaraan.
b. Usaha juga merupakan suatu bentuk perpindahan energi melalui gaya yang dilakukan sistem pada
lingkungan atau sebaliknya di mana titik tangkap gaya mengalami perpindahan. Misalnya, usaha pada
beban yang bergerak ke bawah.
5. (a) Suatu gas di dalam
tabung dapat bergerak
bebas atau acak.
(b) Usaha yang
dilakukan oleh gas
sejauh Δs.
usaha W yang dilakukan oleh gas adalah
Usaha yang dilakukan pada sistem
Usaha yang dilakukan oleh sistem
6. 2. Proses-Proses yang Terjadi pada Gas
a. Proses Isotermal
Proses perubahan keadaan suatu gas dalam ruang
tertutup dapat dilakukan pada suhu tetap
(T = tetap). Proses semacam ini disebut proses
isotermal. Dari persamaan gas ideal diperoleh
7. b. Proses Isokhorik
Gas yang berada dalam ruang tertutup dapat pula
mengalami suatu proses pada volume tetap (V = tetap).
Proses semacam ini disebut proses isokhorik. Dari
persamaan gas ideal diperoleh
c. Proses Isobarik
Proses isobarik merupakan proses pengubahan keadaan
gas yang dilakukan pada tekanan tetap (P = tetap). Dari
persamaan gas ideal, diperoleh PV = nRT. Oleh karena P,
n, dan R tetap maka
8. d. Proses Adiabatik
Lakukan Kegiatan 7,2 halaman 149 untuk lebih memahami tentang proses
adiabatik.
Gas yang berada dalam ruang tertutup juga dapat mengalami
proses adiabatik. Pada proses ini, tidak terjadi pertukaran kalor
antara gas dan sekelilingnya atau tidak ada kalor yang dilepaskan
ataupun yang diterima oleh gas tersebut. Hal ini dapat dilakukan
dengan menyelimuti ruang gas dengan bahan yang tidak mudah
menghantarkan kalor. Dinding yang bersifat seperti ini
(menghalangi kalor) disebut dinding adiabatik. Sebaliknya, dinding
yang dapat dengan mudah dilalui kalor disebut dinding diatermik.
Untuk gas ideal, proses adiabatik akan memenuhi persamaan
9. 2. Usaha Luar pada Beberapa Proses Gas
a. Usaha Luar pada Proses Isobarik
Pada tekanan konstan, usaha adalah besarnya tekanan dikalikan dengan perubahan
volume. Secara matematis, persamaannya dituliskan sebagai berikut.
b. Usaha Luar pada Proses Isokhorik
Pada proses isokhorik, volume gas tetap atau tidak terjadi perubahan volume ( V = 0). Oleh
karena usaha didefinisikan sebagai hasil kali tekanan dan perubahan volume maka pada proses
isokhorik W = 0.
c. Usaha Luar pada Proses Isotermal
Untuk perubahan yang kecil, dapat dituliskan persamaan
Usaha total yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan
dapat dicari dengan mengintegrasikan persamaan tersebut
Kerjakan Uji
Kompetensi 7.1 di
Buku Siswa Aktif dan
Kreatif Belajar Fisika
2 halaman 151.
10. B. Hukum I Termodinamika
Hukum I Termodinamika menjelaskan hubungan antara kalor yang diterima atau yang dilepaskan oleh
suatu sistem dan usaha luar yang dilakukan oleh sistem, serta perubahan energi dalam yang
ditimbulkannya.
Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa: “Jumlah kalor yang
ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam
sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem”. Artinya, meskipun
suatu bentuk energi telah berubah ke dalam bentuk energi lain, jumlah
seluruh energi itu selalu tetap.
Dalam bentuk persamaan, Hukum I Termodinamika dituliskan sebagai berikut.
Lakukan Aktivitas Ilmiah 7.1 halaman 151 untuk lebih memahami tentang
Hukum I Termodinamika.
11. 1. Hukum I Termodinamika pada Beberapa Proses
Ada empat jenis proses dalam termodinamika, yaitu proses
isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik.
a. Proses Isotermal
Proses isotermal merupakan proses dalam suatu sistem
pada suhu tetap. Untuk gas ideal, besarnya usaha luar
oleh sistem pada proses isotermal adalah
b. Proses Isokhorik
Proses isokhorik dialami oleh sistem tanpa disertai
perubahan volume.
12. Proses Isobarik
Jika pada saat proses terjadi, sistem tidak mengalami
perubahan tekanan, proses ini disebut isobarik. Untuk gas
ideal, persamaan tersebut dituliskan
Proses Adiabatik
Jika pada sistem tidak terjadi pertukaran kalor
dengan lingkungannya, berarti sistem tersebut
mengalami proses adiabatik.
Lakukan Kegiatan 7.3 halaman 154 untuk lebih memahami tentang proses
adiabatik.
13. 2. Kapasitas Kalor
Kalor jenis zat (c) didefnisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan
suhu 1 kg zat tersebut sebesar 1°C.
Kapasitas kalor zat didefnisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan
suhu zat sebesar 1°C.
Kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua, antara lain kapasitas kalor gas pada
tekanan tetap CP dan kapasitas kalor gas pada volume tetap CV.
14. Dari persamaan Hukum I Termodinamika, untuk volume
tetap diperoleh,
Oleh karena proses isokhorik V = 0 maka W = PV = 0
sehingga untuk proses isokhorik didapatkan persamaan,
Adapun untuk tekanan tetap, persamaan Hukum I
Termodinamika dituliskan,
Nilai CP dan CV dapat diperoleh,
Dengan menggunakan persamaan untuk keadaan gas ideal
PV = nRT, diperoleh:
Gas monoatomik energi dalam gas dapat
dituliskan,
15. Gas monoatomik energi dalam gas dapat dituliskan,
Oleh karena untuk volume tetap QV = U maka didapatkan,
Untuk gas diatomik diketahui bahwa perubahan energi dalamnya
dapat dinyatakan sebagai,
Dengan cara yang sama dapat diperoleh,
dengan
Video Hukum I Termodinamika
Kerjakan Uji Kompetensi 7.2 di Buku
Siswa Aktif dan Kreatif Belajar Fisika 2
halaman 156.
16. Latihan Soal
1. Suatu gas pada tekanan konstan 8,1 x 104 Pa dimampatkan
dari 9 liter menjadi 2 liter. Dalam proses tersebut gas
melepas kalor sebesar 400 joule. Tentukan:
a. usaha yang dilakukan oleh gas,
b. perubahan energi dalam.
2. Sejumlah 2 mol gas ideal monoatomik suhunya dinaikkan
dari 27˚C menjadi 127˚C pada tekanan tetap. Jika konstanta
gas umum R = 8,31 J/mol K, tentukanlah:
a. perubahan energi dalam,
b. usaha yang dilakukan gas,
c. kalor yang diperlukan.
17. D. Hukum II Termodinamika
Hukum II Termodinamika merupakan kesimpulan dari pengamatan yang dilakukan oleh
Kelvin–Planck dan Clausius.
a. Menurut Kelvin–Planck, tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus,
menerima kalor dari satu reservoir, dan mengubah kalor tersebut seluruhnya menjadi
usaha.
b. Menurut Clausius, tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus,
mengambil kalor dari reservoir yang memiliki suhu rendah dan memberikannya pada
reservoir yang memiliki suhu tinggi, tanpa memerlukan usaha dari luar.
Jadi, menurut Kelvin–Planck, tidak mungkin suatu mesin hanya memiliki sebuah
reservoir. Selain itu, tidak mungkin sebuah mesin memiliki efisiensi 100%. Meskipun
ada, maka kalor dari lingkungannya akan diubah seluruhnya menjadi usaha.
18. Mesin kalor, menurut
Kelvin–Planck
menurut Kelvin–Planck, tidak mungkin suatu mesin hanya
memiliki sebuah reservoir. Selain itu, tidak mungkin sebuah
mesin memiliki efisiensi 100%. Meskipun ada, maka kalor
dari lingkungannya akan diubah seluruhnya menjadi usaha.
Mesin pendingin,
menurut Clausius
menurut Clausius, mesin selalu memerlukan usaha luar supaya
dapat memindahkan kalor dari tempat yang bersuhu rendah
ke tempat yang bersuhu tinggi. Mesin semacam ini disebut
mesin pendingin. Dalam praktiknya, mesin pendingin
menggunakan energi listrik sebagai usaha luar untuk
memindahkan energi dari sistem yang dingin ke lingkungan
yang lebih panas.
19. 1. Siklus Termodinamika
a. Proses Reversibeldan Tidak Reversibel
Proses-proses pada mesin kalor ada yang bersifat reversibel dan ada yang bersifat
irreversibel.Proses reversibel merupakan proses yang berlangsung sangat lambat
sehingga prosesnya dapat dianggap sebagai rangkaian keadaan setimbang. Seluruh
proses ini dapat dikerjakan secara kebalikan tanpa mengubah besar usaha yang
dilakukan atau kalor yang dipindahkan. Proses reversibel sempurna tidak dapat
ditentukan dalam kenyataan karena proses ini membutuhkan waktu yang sangat lama
hampir tak terbatas. Proses ini juga menghendaki tidak adanya gesekan, gangguan
aliran udara, serta faktor pengubah kalor dan usaha lainnya.
Meskipun pada kenyataannya proses yang dapat ditemukan adalah proses
irreversibel, tetapi konsep proses reversibel tetap penting karena proses ini
dapat dijadikan pendekatan dalam pembahasan proses secara teori.
20. b. Berbagai Siklus Termodinamika
Mengubah usaha menjadi kalor dapat dilakukan secara terus-menerus, tetapi
mengubah kalor menjadi usaha tidaklah demikian halnya. Haruslah diusahakan
agar gas dapat kembali ke keadaannya semula sehingga gas itu dapat melakukan
usaha kembali. Proses seperti ini disebut siklus.
1) Siklus Carnot
Siklus Carnot menggunakan dua proses, yaitu
isotermal dan adiabatik. Dari A ke B, terjadi
pemuaian volume atau ekspansi. Pada proses
ekspansi isotermal ini, sistem menyerap kalor
sebesar Q1. Sebaliknya, dari C ke D terjadi
pemampatan. Pada proses kompresi isotermal,
sistem melepaskan kalor sebesar Q2. Proses dari B
ke C merupakan ekspansi adiabatik dan proses dari
D ke A adalah proses kompresi adiabatik.
21. Oleh karena dalam rangkaian proses (siklus) ini sistem kembali ke keadaan semula
maka Usiklus = 0 sehingga
Wsiklus = Qsiklus
Perbandingan antara besarnya usaha (W) yang dapat dilakukan oleh sistem
terhadap kalor (Q1) yang diserap dapat menentukan efisiensi suatu mesin. Efisiensi
ini didefinisikan sebagai berikut.
Adapun khusus untuk mesin Carnot, persamaannya dapat dituliskan menjadi
22. 2) Siklus Otto
Siklus Otto menggunakan dua proses adiabatik dan dua
proses isokhorik. Proses dari A ke B dan C ke D merupakan
proses adiabatik. Adapun proses dari B ke C dan D ke A
merupakan proses isokhorik. Pada gambar tersebut, Q1
adalah kalor yang diterima sistem dan Q2 adalah kalor yang
dilepaskan sistem. Efisiensi siklus Otto dapat dituliskan
sebagai berikut.
3) Siklus Diesel
Siklus diesel menggunakan dua proses adiabatik, sebuah proses
isobarik, dan sebuah proses isokhorik. Proses dari A ke B dan C ke
D merupakan proses adiabatik. Proses dari B ke C adalah proses
isokhorik. Adapun proses dari D ke A adalah proses isobarik. Q1
adalah kalor yang diterima sistem dan Q2 adalah kalor yang
dilepaskan sistem.
23. 2. Mesin Kalor
a. Apakah Mesin Kalor itu?
Sistem peralatan yang dapat mengubah energi termal
menjadi usaha dinamakan mesin kalor.
Kalor dialirkan dari suhu
tinggi ke suhu rendah
sehingga dihasilkan usaha W.
Cara kerja mesin kalor merupakan penerapan Hukum II Termodinamika, yaitu bahwa energi
mekanik hanya dapat diperoleh dari energi termal jika kalor dialirkan dari suhu tinggi ke suhu
rendah.
Kalor masukan Q1 yang berada pada suhu tinggi T1 diubah menjadi usaha W dan sebagian
dibuang sebagai kalor keluaran Q2 yang berada pada suhu lebih rendah T2. Berdasarkan
Hukum Kekekalan Energi, Q1= W + Q2.
24. b. Berbagai Jenis Mesin Kalor
1) Mesin Carnot
Mesin Carnot merupakan mesin ideal yang tidak dapat ditemukan pada penerapan
sehari-hari.
Coba jelaskan proses mesin
carnot pada grafik tersebut.
Mesin Carnot melibatkan siklus reversibel
yang terdiri atas proses-proses reversibel.
Proses pada mesin
Carnot.
25. 2) Mesin Otto
Siklus otto melibatkan dua proses, yaitu adiabatik dan isotermal.
Gas (campuran udara dan bahan bakar) masuk ke dalam silinder melalui katup masuk sehingga
piston bergerak turun.
Langkah-langkah
pada mesin otto:
Pada mesin yang sesuai dengan siklus Otto, terdapat langkah-langkah berikut.
a) langkah isap
b) langkah pemampatan
c) langkah pengapian
d) langkah daya
e) langkah pembuangan melalui katup
26. 3) Mesin Diesel
Siklus diesel terdiri atas tiga proses, yaitu proses adiabatik, isobarik, dan
isokhorik.
Pada mesin diesel, gas yang masuk hanya merupakan udara biasa, bukan campuran udara
bahan bakar sehingga langkah isap dan langkah buang tidak ditemukan pada mesin ini.
Udara yang masuk akan dimampatkan secara adiabatik hingga
suhunya cukup tinggi.
Udara tersebut disatukan dengan minyak yang disemprotkan secara perlahan pada keadaan
hampir isobar sehingga terjadi pembakaran dan piston bergerak.
3. Mesin Pendingin
Pendingin ruangan atau AC merupakan contoh mesin pendingin.
Setiap mesin pendingin bekerja memindahkan kalor dari lingkungan yang bersuhu
rendah ke lingkungan bersuhu tinggi.
27. Diagram kerja mesin pendingin.
Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah bersuhu
rendah T2. Kemudian, sebagian besar kalor dibuang ke daerah
bersuhu tinggi T1.
Saat proses berlangsung, diperlukan kerja W. Hal ini sesuai dengan
hukum II Termodinamika menurut Clausius. Kerja W biasanya dilakukan
oleh motor kompresor.
Untuk mengetahui kemampuan suatu mesin pendingin, yang perlu
diketahui adalah koefsien daya guna mesin (K).
Oleh karena, W + Q2= Q1 atau
W = Q1– Q2 maka,
28. Jika fluida kerja mesin tersebut dianggap
sebagai gas ideal, daya guna mesin akan
menjadi
Jika persamaan berikut disubtitusikan,
maka diperoleh:
4. Entropi
Menurut termodinamika 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.
Kerjakan Uji Kompetensi 7.3 di Buku
Siswa Aktif dan Kreatif Belajar Fisika 2
halaman 164.
29. Kerjakan Tugas Projek di Buku Siswa Aktif dan Kreatif Belajar Fisika 2
halaman 165.
Latihan Soal
1. Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi
727˚C mempunyai efisiensi 30 %. Tentukan suhu dari reservoir
suhu rendahnya.
2. Suhu di dalam lemari es adalah -3˚C. Fluida kerja yang
dimampatkan di dalamnya mengembun pada suhu 27˚C.
Tentukanlah koefisien daya guna lemari es tersebut.
31. KUIS
2. Sebuah mesin Carnot dioperasikan di antara dua reservoir kalor yang masing-
masing suhunya adalah T1 dan T2, dengan T2>T1. Efsiensi mesin tersebut 50%
dan besarnya T2 = 30°C. Supaya efsiensinya naik menjadi 40% tentukan
besarnya perubahan T1.
1. Diketahui gas monoatomik 1025 molekul dengan suhu 450 K, tentukan
besarnya energi dalam gas tersebut .(k = 1,38 × 10–23 JK–1)
Kerjakan Uji Kompetensi Bab 7 di Buku
Siswa Aktif dan Kreatif Belajar Fisika 2
halaman 167 - 168.
32. “Yang payah pada orang-orang yang ingin memperbaiki
dunia adalah mereka tidak memulainya dari diri sendiri”
Thornton Wilder
- Terima Kasih -
