Kuliah 3: Termodinamika (bagian Ii): A. Fikri Hidayat Program Studi Farmasi Fmipa Universitas Islam Bandung

Kuliah 3: Termodinamika (bagian II) A. Fikri Hidayat Program Studi Farmasi FMIPA Universitas Islam Bandung

Kesetimbangan Termal Dua benda/zat yang saling berinteraksi akan menyesuaikan temperaturnya satu sama lain hingga mencapai suatu kondisi yang disebut “setimbang termal”

2

Kesetimbangan Termal A

B

setimbang termal

A

C

setimbang termal

B

C

Hukum ke-0 Termodinamika

setimbang termal 3

Sistem dan Lingkungan • Sistem: bagian yang sedang ditinjau/dikaji sistem

• Lingkungan: bagian di luar sistem lingkungan

4

Beberapa Jenis Sistem

Terbuka

Tertutup

Terisolasi 5

Proses Termodinamika • Keadaan termodinamika dideskripsikan dalam variabel-variabel P, V, T, dan n. • Proses adalah peristiwa perubahan keadaan dari keadaan awal (P1,

V1, T1) ke keadaan akhir (P2, V2, T2) • Keadaan dan proses termodinamika sering digambarkan dalam

sebuah diagram P-V 6

Diagram P-V

7

Diagram P-V

8

Diagram P-V pada Gas Ideal

Hukum Boyle (gas ideal pada suhu tetap) 9

Proses-proses khusus termodinamika

Isokhorik (∆𝑽 = 𝟎)

Isotermal (∆𝑻 = 𝟎)

Adiabatik (𝑸 = 𝟎)

Isobarik (∆𝑷 = 𝟎)

10

Hal yang terjadi selama proses termodinamika • Perubahan energi dalam (∆𝑈) akibat transfer energi oleh kalor dan atau oleh kerja • Adanya kerja yang dilakukan oleh sistem atau oleh lingkungan (𝑊) • Pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan (𝑄)

11

Energi dalam Sistem Gas Ideal •𝑈=

•𝑈=

3 𝑁𝑘𝑇 2

3 𝑛𝑅𝑇 2

∆𝑈 =

∆𝑈 =

3 𝑁𝑘∆𝑇 2

3 𝑛𝑅∆𝑇 2

Berlaku untuk gas ideal monoatomik pada semua suhu dan diatomik suhu rendah

12

Energi dalam Sistem Gas Ideal (2) •𝑈=

5 𝑁𝑘𝑇 2

∆𝑈 =

5 𝑁𝑘∆𝑇 2

Berlaku untuk gas ideal diatomik suhu menengah

•𝑈=

5 𝑛𝑅𝑇 2

∆𝑈 =

5 𝑛𝑅∆𝑇 2

13

Energi dalam Sistem Gas Ideal (3) •𝑈=

7 𝑁𝑘𝑇 2

∆𝑈 =

7 𝑁𝑘∆𝑇 2

Berlaku untuk gas ideal diatomik suhu tinggi

•𝑈=

7 𝑛𝑅𝑇 2

∆𝑈 =

7 𝑛𝑅∆𝑇 2

14

Transfer Energi dalam Termodinamika: Kalor • Kalor (𝑄) dapat didefinisikan sebagai transfer energi akibat adanya perubahan suhu selama proses berlangsung

• Kalor yang masuk ke dalam sistem diberi tanda positif (+𝑄) • Kalor yang keluar dari sistem diberi tanda negatif (−𝑄) 15

Transfer Energi dalam Termodinamika: Kerja • Kerja ( 𝑊 ) dapat didefinisikan sebagai transfer energi yang bukan diakibatkan oleh

perubahan

suhu

selama

proses

berlangsung • Kerja yang dilakukan oleh lingkungan terhadap sistem diberi tanda positif (+𝑊) • Kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap

lingkungan diberi tanda negatif (−𝑊)

16

Transfer Energi dalam Termodinamika: Kerja (2) • Kerja

untuk

menggerakkan

piston sejauh ∆𝑥:

∆𝑊 = 𝐹∆𝑥 = 𝑃𝐴∆𝑥 = 𝑃∆𝑉 • Jika selama proses:

𝑉 bertambah → 𝑊bernilai 𝑉 berkurang → 𝑊bernilai + 17

Transfer Energi dalam Termodinamika: Kerja (3) • Kerja (𝑊) yang dilakukan oleh sistem pada keadaan sembarang: 𝑉𝐵

𝑊𝐴𝐵 = − න 𝑃𝑑𝑉 𝑉𝐴

18

Hukum I Termodinamika ∆𝑈 = 𝑄 − 𝑊

atau

∆𝑈 = 𝑄 + 𝑊

19

Contoh kasus: proses isokhorik

Petunjuk: manfaatkan persamaan gas ideal dan hukum I termodinamika

20

Contoh kasus: proses isobarik

Petunjuk: manfaatkan hukum I termodinamika

21

Proses isotermal Kerja yang dilakukan oleh sistem:

A

𝑊 = − න 𝑃𝑑𝑉

1 න 𝑑𝑉 = ln 𝑉 + 𝐶 𝑉

𝑉2

𝑊𝐴𝐵

B

𝑊𝐴𝐵 𝑊𝐴𝐵

𝑊𝐴𝐵

𝑛𝑅𝑇 = −න 𝑑𝑉 𝑉 𝑉1 𝑉2 1 = −𝑛𝑅𝑇 න 𝑑𝑉 𝑉1 𝑉 = −𝑛𝑅𝑇 ln 𝑉2 − ln 𝑉1 𝑉2 𝑉1 = −𝑛𝑅𝑇 ln = 𝑛𝑅𝑇 ln 𝑉1 𝑉2 22

Kapasitas kalor pada sistem gas ideal • Kapasitas kalor pada volume konstan

𝐶𝑉 =

3 𝑛𝑅 2

→ untuk gas monoatomik dan diatomik suhu rendah

𝐶𝑉 =

5 𝑛𝑅 2

→ untuk gas diatomik suhu menengah

𝐶𝑉 =

7 𝑛𝑅 2

→ untuk gas diatomik suhu tinggi

23

Kapasitas kalor pada sistem gas ideal (2) • Kapasitas kalor pada tekanan konstan

𝐶𝑃 = 𝐶𝑉 + 𝑛𝑅 =

3 𝑛𝑅 2

+ 𝑛𝑅 =

5 𝑛𝑅 2

→ untuk gas monoatomik dan diatomik suhu rendah

𝐶𝑃 =

7 𝑛𝑅 2

→ untuk gas diatomik suhu menengah

𝐶𝑃 =

9 𝑛𝑅 2

→ untuk gas diatomik suhu tinggi 24

Proses adiabatik • Tidak melibatkan pertukaran kalor (𝑄 = 0) • Dari hukum I termodinamika akan diperoleh: ∆𝑈 = 𝑊 • Tekanan dan volume akan berubah menurut persamaan: 𝑃𝑉 𝛾 = konstan • Atau ketika ditinjau dua keadaan, maka: 𝑃1 𝑉1 𝛾 = 𝑃2 𝑉2 𝛾 dengan 𝛾 =

𝐶𝑃 𝐶𝑉 25

Contoh kasus: proses adiabatik

Petunjuk: manfaatkan persamaan gas ideal dan konsep kapasitas kalor 26

Siklus termodinamika • Siklus terjadi ketika proses termodinamika berawal dari satu keadaan dan kembali ke keadaan semula • Siklus di samping terdiri dari 4 proses: 𝐴 → 𝐵: isokhorik 𝐵 → 𝐶: isobarik 𝐶 → 𝐷: isokhorik 𝐷 → 𝐴: isobarik 27

Siklus termodinamika (2) • Siklus di samping terdiri dari 3 proses: 𝐴 → 𝐵: isobarik 𝐵 → 𝐶: isokhorik 𝐶 → 𝐴: isotermal/adiabatik perlu tinjauan lebih lanjut

28

Contoh kasus: siklus termodinamika • Sejumlah 2 mol gas ideal monoatomik mengalami proses siklus A → B → C → A seperti ditunjukkan pada gambar di bawah. Proses C → A adalah salah satu diantara dua proses berikut: adiabatik atau isotermal. Diketahui: 𝑃1 = 𝑃A = 𝑃B = 150 kPa 𝑉1 = 𝑉A = 0,03 m3 𝑉2 = 𝑉B = 𝑉C = 0,045 m3 𝑃2 = 𝑃C = 100 kPa a) Tentukan apakah proses C → A adiabatik atau isotermal. b) Hitung 𝑄, 𝑊, dan ∆𝑈 untuk masing-masing proses (A → B, B → C, dan C → A)

29