310 likes | 523 Views
BAB 2. HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA. HUKUM I TERMODINAMIKA. E K = 0. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. E P = mgh. Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. E K = ½mu 2. E P = 0. E P = 0. E K = ½mu 2. Bergerak lebih cepat. EK bertambah. T naik.
E N D
BAB 2 HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
HUKUM I TERMODINAMIKA EK = 0 Energitidakdapatdiciptakanataudimusnahkan EP = mgh Energihanyadapatdiubahdarisatubentukkebentuklainnya EK = ½mu2 EP = 0 EP = 0 EK = ½mu2
Bergeraklebihcepat EK bertambah T naik
INTERNAL ENERGY (U) INTERNAL ENERGY ENERGI POTENSIAL ENERGI KINETIK Berhubungan dengan ikatan kimia dan juga elektron bebas pada logam Sebagai akibat gerakan molekul (translasi, rotasi dan vibrasi) 4
GAS GAS MONOATOMIK GAS POLIATOMIK Energi kinetik akibat gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi Energi kinetik akibat gerakan translasi linier dari atom tipe "hard sphere"
CAIRAN • Energi kinetik akibat adanya gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi. • Energi potensial akibat adanya gaya tarik antar molekul. 6 6
HukumTermodinamika I U= Q + W (2.1) Konvensitanda: • PositifjikaQatauWditransferkedalamsistem • NegatifjikaQatauWditransferdarisistem
Untuksistemtertutup yang mengalamiproses yang hanyamenyebabkanperubahan internal energinya: Ut = Q + W (2.2) Untukperubahan yang sangatkecil: dUt = Q + W (2.3)
Mengingat bahwa: Vt = n V dan Ut = n U maka untuk sistem tertutup yang terdiri dari n mol: (nU) = n U = Q + W d(nU) = n dU = Q + W Persamaan termodinamika biasanya ditulis untuk satu satuan (massa atau mol). Jadi untuk n = 1: (2.4) U = Q + W (2.5) dU = Q + W
CONTOH2.1 Saturangkaian piston/silinderditempatkansecaramendatardidalamsuatuconstant-temperature bath. Piston dapatbergerakdidalamsilindertanpagesekan. Adagayaluar yang menahan piston padaposisinya, melawantekananmula-mula gas sebesar 14 bar. Volum gas mula-mula 0,03 m3. Gaya eksternal yang bekerjapada piston dikurangisedikitdemisedikit, dan gas mengalamiekspansisecaraisotermalsampaivolumnyamenjadi 2 kali lipat. Jikahubunganantaravolum gas dantekanandapatdinyatakandengan: PVt= konstan Berapausaha yang dilakukanoleh gas padasaatekspansi? Berapabesarusaha yang akandilakukanoleh gas jikagayaeksternaldikurangisecaramendadaksampaigayatsbmenjadisetengahdarigayamula-mula.
PENYELESAIAN P Vt = k Dengan: dan Maka bisa diperoleh: Maka: W = 42.000 ln (2) = 29.112 J
Tekananakhirnya= P P1 P2 V2t V1t
Padakasuskedua, P gas turunmendadakmenjadi 7 bar. W = - P Vt = - P (V2t – V1t) W = (7 105) (0,06 0,03) = 21.000 J Proseskeduainimerupakanprosesirreversibel, karenaperubahannyatidakberlangsungsedikitdemisedikit. Jikadibandingkandenganprosesreversibel, makaefisiensidariproses yang kedua (irreversibel) adalah: Atau 72,1% 14
P V2t V1t
PROSES DENGAN V KONSTAN Neraca energi untuk sistem homogen tertutup yang terdiri dari n mol: d(nU) = Q + W Untukkerja yang reversibel: W = P d(nV) Jika kedua persamaan digabung: d(nU) = Q P d(nV) Untuk proses dengan V konstan, d(nV) = 0, sehingga: Q = d(nU) Q = n U (2.8) Untuk n = 1 Q = U
PROSES DENGAN P KONSTAN Hukum I Termodinamikadapatditulissebagai: Q = d(nU) + P d(nV) d(nU) = Q P d(nV) Untuk proses dengan P konstan: Q = d(nU) + d(nPV) = d{n (U + PV)} Didefinisikan sebagai enthalpy (H) (2.8) H U + PV Persamaan di atas dapat ditulis sebagai: Q = d(nH) Q = n H Untuk n = 1 Q = H (2.9)
KAPASITAS PANAS (2.10) Definisi dari kapasitas panas KAPASITAS PANAS PADA V KONSTAN Untuk proses dengan V konstan Q = U (2.11) Untuk sistem tertutup yang mengalami proses pada V konstan: dU = CVdT (V konstan) (V konstan) (V konstan) (2.12)
Untukprosesdengan V konstan Q = U (V konstan)
KAPASITAS PANAS PADA P KONSTAN Untuk proses dengan P konstan Q = H (2.14) Untuksistemtertutup yang mengalamiprosespada P konstan: dH = CP dT (P konstan) (P konstan) Untuk proses reversibel pada P konstan: (P konstan) (2.15)
CONTOH 2.2 Udara pada 1 bar dan 298,15K dikompresi menjadi 5 bar dan 298,15 K melalui 2 proses yang berbeda: • Pendinginan pada P konstan diikuti dengan pemanasan pada V konstan • Pemanasan pada V konstan diikuti dengan pendinginan pada P konstan Hitungpanasdanusaha yang diperlukan, jugaU dan H udarauntuktiapalurproses. Kapasitaspanasudaradianggaptidaktergantungpadatemperatur: CV = 20,78 J mol-1 K-1dan CP = 29,10 J mol-1 K-1 Untukudaradianggapberlakuhubungan: Pada 298,15K dan 1 bar Vudara = 0,02479 m3 mol-1
2 4 Pb (soal a) (soal b) 1 (1 bar) Pa 3 T = 298 K Vb = Vc Va = Vd PENYELESAIAN
2 4 P2 1 P1 3 V2 V1 T1 = T2 P1V1 = P2 V2 (a) Proses pendinginan pada P konstan (1-3) P1 = P3 V2 = V3
PendinginanpadaP konstan(1-3) Q = H = CP T = (29,10) (59,63 – 298,15) = 6.941 J H = U + (PV) U = H – (PV) = H – P V = – 6.941 – (1 105) (0,004958 – 0,02479) = – 4.958 J U = Q + W W = U – Q = – 4.958 + 6.941 = 1.983 J
2 4 P2 1 P1 3 V2 V1 Pemanasan pada V konstan (3-2) Q = U = CV T = (20,78) (298,15 – 59,63) = 4.958 J H = U + (PV) = H + V P = 4.958 + 0,004958 (5 – 1) 105 = 6.941 J U = Q + W W = U – Q = 4.958 – 4.958 = 0 J Untuk keseluruhan proses Q = 6.941 + 4.958 = 1.983 J W = 1.983 + 0 = 1.983 J U = 4.958 + 4.958 = 0 J H = 6.941 + 6.941 = 0 J
2 4 P2 1 P1 3 V2 V1 (b) Prosespemanasanpada V konstan (1 – 4) V1 = V4 P4 = P2 Q = U = CV T = (20,78) (1.490,75 – 298,15) = 24.788 J U = Q + W W = U – Q = 0 H = U + (PV) = U + V P = 24.788 + 0,02479 (5 – 1) 105 = 34.704 J
2 4 P2 1 P1 3 V2 V1 Pendinginanpada P konstan (4 – 1) Q = H = CP T = (29,10) (298,15 – 1.490,75) = – 34.704 J U = H – (PV) = H – P V = – 34.704 – (5 105) (0,004958 – 0,02479) = – 24.788 J U = Q + W W = U – Q = – 24.788 + 34.704 = 9.914 J Untuk keseluruhan proses Q = 24.788 – 34.704 = - 9.916 J W = 0 + 9.914 = 9.914 J U = 24.788 – 24.788 = 0 J H = 34.704 – 34.704 = 0 J
CONTOH 4.3 Hitung H dan U untuk udara yang mengalami per-ubahan dari keadaan mula-mula 40F dan 10 atm ke keadaan akhir 140F dan 1 atm. Anggap bahwa untuk udara berlaku: Pada 40F dan 10 atm, volum molar udara V = 36,49 (ft3) (lb mol)-1. Kapasitas panas udara dianggap konstan, CV = 5 dan CP = 7 (Btu) (lb mol)-1 (F)-1. PENYELESAIAN TA = 40F = (40 + 459,67) R = 499,67 R TC = 140F = (140 + 459,67) R = 599,67 R
40F 140F 10 A P (atm) a B C b 1 VA VC V UdanHmerupakan state function, sehingganilainyatidaktergantungpadajalannyaproses. Untukmemudahkan, makaprosesdibagi 2: • PendinginanpadaVkonstan (A-B) • Pemanasanpada P konstan (B-C) hinggadicapaikondisiakhir.
LANGKAH a: Ta = TB – TA = 49,97 – 499,67 = – 449,70 (R) Ua = CV Ta = (5) (– 449,70) = – 2.248,5 (Btu) Ha = Ua + V Pa = – 2.248,5 + (36,49) (1 – 10) (2,7195) = – 3.141,6 (Btu)
LANGKAH b: Tb = TC – TB = 599,67 – 49,97 = 549,70 (R) Hb = CP Tb = (7) (549,70) = 3.847,9 (Btu) Ub = Hb – P Vb = 3.847,9 – (1) (437,93 – 36,49) (2,7195) = 2.756,2 (Btu) KESELURUHAN PROSES: U = – 2.248,5 + 2.756,2 = 507,7 (Btu) H = – 3.141,6 + 3.847,9 = 706,3 (Btu)