Penerapan
Hukum I Termodinamika berkaitan dengan hukum kekekalan energi untuk sebuah
sistem yang sedang melakukan pertukaran energy dengan lingkungan
dan memberikan hubungan antara kalor, energi dan kerja (usaha). Hukum I
Termodinamika menyatakn bahwa unntuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan
ke dalam sistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadi perubahan energi . jadi dapat
dikatakan bahwa Hukum I Termodinamika menyatakan adanya konsep kekekalan
energi.
Energi dalam
sistem merupakan jumlah total semua energi molekul pada sistem. Apabila usaha
dilakukan pada sistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungannya, maka
energi dalam sistem
akan naik.
Sebaliknya energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukan usaha pada lingkungan
atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian, perubahan energi
dalam pada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan
usaha yang dilakukan oleh sistem. Secara matematis Hukum I Termodinamika
ditulis sebagai berikut :
Q = ∆U + W .
. . . . (9 – 9)
Dengan :
Q = Kalor yang diterima atau dilepaskan
sistem.
∆U = U2 – U1
= perubahan energy dalam sistem.
W = Usaha
yang dilakukan sistem.
Perjanjian
tanda yang berlaku untuk persamaan (9 – 9) tersebut adalah sebagai berikut :
Jika sistem
melakukan kerja, maka nilai W berharga positif.
Jika sistem
menerima kerja maka nilai W berharga negatif.
Jika sistem
melepas kalor maka nilai Q berharga negatif.
Jika sistem
menerima kalor maka nilai Q berharga positif.
Jika kalor diberikan kepada sistem,
volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan
bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu
sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip
ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum
kekekalan energi.
Sistem yang mengalami perubahan
volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan
mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan
menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam.
Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau
disebut hukum I termodinamika. Secara matematis, hukum I termodinamika
dituliskan sebagai
Q = W + ∆U
Dimana Q adalah
kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi
dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai
berikut.
Jika suatu benda (misalnya krupuk)
dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan
mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda
(krupuk) akan bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang
berarti mengalami perubahan energi dalam ∆U.
∆U = Q – W
Dimana :
∆U = Perubahan energi dalam
Q = Kalor
W = Kerja
Persamaan ini berlaku untuk sistem
tertutup (Sistem tertutup merupakan sistem yang hanya memungkinkan pertukaran
energi antara sistem dengan lingkungan). Untuk sistem tertutup yang terisolasi,
tidak ada energi yang masuk atau keluar dari sistem, karenanya, perubahan
energi dalam = 0. Persamaan ini juga berlaku untuk sistem terbuka jika kita
memperhitungkan perubahan energi dalam sistem akibat adanya penambahan dan
pengurangan jumlah zat (Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan
terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan
lingkungan).
Hukum pertama termodinamika
merupakan pernyataan Hukum Kekekalan Energi dan ketepatannya telah dibuktikan
melalui banyak percobaan (seperti percobaan om Jimi Joule). Perlu diketahui
bahwa hukum ini dirumuskan pada abad kesembilan belas, setelah kalor dipahami
sebagai energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.
Energi dalam merupakan besaran yang
menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Besaran yang menyatakan keadaan
mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara langsung. Yang
kita analisis dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika hanya
perubahan energi dalam saja. Perubahan energi dalam bisa diketahui akibat
adanya energi yang ditambahkan pada sistem dan energi yang dilepaskan sistem
dalam bentuk kalor dan kerja. Jika besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis
sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara langsung, maka besaran yang
menyatakan keadaan makroskopis bisa diketahui secara langsung. Besaran yang
menyatakan keadaan makroskopis adalah suhu (T), tekanan (p), volume (V)
dan massa (m) atau jumlah mol (n). Ingat ya, Kalor dan Kerja hanya
terlibat dalam proses perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Kalor
dan Kerja bukan merupakan besaran yang menyatakan keadaan sistem.
Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan
Kerja (W)
Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja
disesuaikan dengan persamaan Hukum Pertama Termodinamika. Kalor (Q) dalam
persamaan di atas merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif),
sedangkan Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan
oleh sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem,
maka Q bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada
sistem, maka W bernilai negative.
Proses Isotermik
Suatu sistem dapat mengalami proses
termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika
proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses
isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan
energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang
diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).
Proses isotermik dapat digambarkan
dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem
dan kalor dapat dinyatakan sebagai
Dimana V2 dan V1 adalah
volume akhir dan awal gas.
Proses Isokhorik
Jika gas melakukan proses
termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses
isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak
melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan
energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume
konstan QV.
QV = ∆U
Proses Isobarik
Jika gas melakukan proses
termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan
proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha
(W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada
tekanan konstanQp. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik
berlaku
Sebelumnya
telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap
gas pada volume konstan
QV =∆U
Dari sini usaha gas dapat dinyatakan
sebagai
W = Qp − QV
Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas
(W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada
tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan
(QV).
Tidak ada komentar:
Posting Komentar