HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

 

Kumpulan benda-benda atau objek telaah dalam termodinamika disebut sistem,    sedangkan   semua  yang terdapat di luar sistem  disebut lingkungan,  dan secara keseluruhan sistem dan  lingkungan membentuk  alam semesta.    Sistem dan lingkungan dibatasi oleh permukaan tertutup, dapat  berupa permukaan nyata atau permukaan  khayal.   Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi interaksi /pertukaran energi,  yang  mempunyai pengaruh langsung terhadap  keadaan sistem.   Interaksi sistem dengan lingkungan dapat dalam bentuk  perpindahan kalor,  perantaraan kerja,  pertukaran  energi,  perpindahan benda/zat sistem, atau  dapat pula  sekaligus  dengan  perpindahan   kalor dan perantaraan kerja,  sehingga  sistem  dapat dibedakan atas  3 macam, yaitu  :

Sifat atau keadaan  sistem  ditentukan  oleh  besaran-besaran seperti ; volume, tekanan,  temperatur,  kapasitas kalor,  massa jenis, dan lain sebagainya.  Besaran besaran yang  mempengaruhi  sifat-sifat  atau keadaan sistem  disebut koordinat termodinamika /koordinat sistem  atau variabel  keadaan sistem

A.    Keseimbangan  Termodinamik

Bila suatu sistem  dalam keadaan  setimbang termal, setimbang mekanik,  dan setimbang  kimia,  dikatakan sistem   tersebut berada  dalam keadaan setimbang termodinamik.   Dalam keadaan setimbang  antara  variabel-variabel sistem  memberikan gambaran   mengenai keadaan  sistem.   Hubungan antara  sesama  variebel/koordinat sistem disebut persamaan keadaan sistem.    Perubahan  salah satu atau lebih   variabel keadaan  sistem  disebut proses .    Jadi proses  dalam termodinamika  dapat diartikan sebagai   interaksi  antara sistem dan lingkungan  yang mengubah keadaan sistem  dari  keadaan keseimbangan awal (i) menjadi keseimbangan akhir (f), yang terdir dari beberapa proses, antara lain

1.         Proses  Kuasistatik,  yaitu proses  yang berlangsung  sangat lambat, sehingga  perubahan  koordinat termodinamiknya  dari  waktu ke waktu  kecil sekali.   Setiap saat  sistem hampir-hampir  dalam keadaan  setimbang termodinamik, sehingga  selama proses kuasistatik dianggap sistem berada dalam keseimbangan.    Dalam kenyataan  proses kuasistatik sebenarnya tidak ada,  dan ini merupakan suatu proses ideal  yang dimaksudkan untuk mempermudah pembahasan.  Proses yang dijumpai dalam  kenyataan adalah  proses nonkuasistatik.

2.         Proses isometrik (isovolum, isokhorik)  adalah proses   yang berlangsung  pada volume tetap.

3.         Proses Isobarik adalah proses yang berlangsung  pada tekanan tetap

4.         Proses isotermal  adalah proses yang berlangsung  pada temperatur tetap.

B.     Persamaan Keadaan Sistem

1.   Hukum Boyle

Pada tahun 1660 Robert Boyle mengumumkan hasil eksperimennya secara kuantitatif mengenai sifat-sifat gas , yang merupakan salah satu dari eksperimen yang mula-mula dilakukan. Dia menemukan bahwa jika suhu suatu gas dikonstankan, sedangkan volumenya diubah-ubah, maka tekanannya juga berubah-ubah sedemikian rupa, sehingga hasil kali antara tekanan dan volume pada dasarnya tetap konstan. Secara matematis hubungan antara tekanan p, dan volume V dapat ditulis :

pV  = konstan,                                               (3-1)

yang lebih dikenal sebagai hukum Boyle. Sebenarnya, hasil kali pV, tidaklah selalu konstan, ketika tekanan gas berubah-ubah. Oleh sebab itu, untuk memudahkan, kita khayalkan suatu gas, yang disebut gas sempurna atau gas ideal, yang berdasarkan defenisi benar-benar tunduk hukum Boyle pada semua tekanan. Pada tekanan rendah, gas riel, atau gas sejati mendekati atau hampir sama dengan gas sempurna.

2.  Hukum Gay Lussac

Joseph Louis Gay -Lussac meneliti hubungan antara volume dan suhu pada tahun 1802, diikuti oleh peneliti-peneliti lain, seperti Jacques Ac Charles, yang namanya sering dikaitkan dengan Gay Lussac. Menurut Gay-Lussac :

V = V_o { 1 + β (t₂ - t₁)}                                     (3-2)           

Hubungan ini menunjukkan perubahan volume gas, bila terjadi perubahan suhu, dengan syarat tekanan selama proses haruslah konstan. Jika suhu awal t₁ = 0 ^oC, maka :

V = V_o { 1 + β_o t}                                        (3-3)

Dari persamaan di atas, jelas bahwa volume gas, merupakan fungsi linier dari suhu. Kenyataan lain yang diperoleh dari hasil percobaan adalah bahwa ternyata harga β_o hampir sama untuk semua gas, yakni :

β_o  =  0,003660 per C^o,                                    (3-4)

yang hampir sama dengan1/273 .
 

 2. Persamaan Keadaan Gas Ideal

Hukum Boyle dan hukum Gay Lussac dapat digunakan untuk memperoleh persamaan tunggal yang menghubungkan tekanan, volume, dan suhu gas ideal. 

Interaksi sistem dengan lingkungan dapat dilakukan dengan  tiga  cara yaitu  

 kerja  atau usaha luar, pertukaran kalor, dan gabungan kerja dan pertukaran kalor.

1.  Kerja atau usaha luar

Misalkan di dalam silinder   yang tertutup piston  yang sangat tipis  (dianggap tak bermassa)  berisi gas seperti diperlihatkan pada Gambar 6. Piston dapat bergerak maju/mundur tanpa gesekan.  Bila gaya yang dilakukan gas (F)  lebih besar dari  gaya yang diberikan  udara luar (F’)  maka piston  akan bergeser  ke arah luar  dikatakan  sistem  (gas) melakukan usaha luar .   Bila  F < F’ , maka piston  akan bergeser ke arah kiri,  dikatakan   usaha dilakukan terhadap sistem. 

Dalam mekanika, usaha yang dilakukan oleh/terhadap  sistem  memenuhi per-samaan 

   dengan  

dengan perjanjian sebagai berikut :

Bila  sistem (gas) berekspansi atau volume sistem bertambah sebesar dV,  maka dikatakan gas melakukan usaha luar  terhadap lingkungannya. Usaha luar ini dihitung negatif  (-),  karena energi  sistem  berkurang.  Sebaliknya, bila  gas mengalami kompressi, maka   usaha dilakukan oleh lingkungan terhadap gas. Usaha luar ini dihitung positif (+), karena energi sistem bertambah. Oleh sebab itu, secara umum kerja yang dilakukan oleh/pada  gas dapat ditulis

W   = -,                                              (3-14)

Besarnya usaha yang dilakukan  oleh /terhadap sistem,  sama dengan luas daerah di bawah kurva  pada grafik p-V,  dan  bergantung pada jalannya proses.