1 BAB 5 HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA - PowerPoint Presentation

Slide1

1

BAB 5

HUKUM PERTAMA

TERMODINAMIKA

Slide2

2

INTERNAL ENERGYENERGI KINETIK

Sebagai akibat gerakan molekul

(translasi, rotasi dan vibrasi)

ENERGI POTENSIAL

Berhubungan dengan ikatan kimia dan juga elektron bebas pada logam

Slide3

3

GAS MONOATOMIK

GAS POLIATOMIK

Energi kinetik akibat gerakan translasi linier dari atom tipe "hard sphere"

GAS

Energi kinetik akibat gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi

Slide4

4

Energi kinetik akibat adanya gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi.

Energi potensial akibat adanya gaya tarik antar molekul.

CAIRAN

Slide5

5

Slide6

6

Slide7

7

HUKUM I TERMODINAMIKAJika satu bentuk energi hilang, maka dalam waktu yang sama akan muncul dalam bentuk yang lain.

(Energi sistem) + (Energi sekeliling) = 0

sekeliling

sekeliling

boundary

Sistem

Energy can neither be created nor destroyed

Slide8

8

(Energi sistem) = Q + WUntuk sistem tertutup yang mengalami proses yang hanya menyebabkan perubahan internal energinya:

U

t

= Q + W

Untuk perubahan yang sangat kecil:

dU

t

= Q + W

Konvensi

tanda:

Positif

jika

Q

atau

W

ditransfer

ke

dalam

sistem

Negatif

jika

Q

atau

W

ditransfer

dari

sistem

Slide9

9

Persamaan termodinamika biasanya ditulis untuk satu satuan (massa atau mol). Jadi untuk n = 1:U = Q + W

dU = Q + W

Mengingat bahwa:

V

t

= n V dan U

t

= n U

maka untuk sistem tertutup yang terdiri dari n mol:

(nU) = n U = Q + W

d(nU) = n dU = Q + W

Slide10

10

Keadaan termodinamis adalah kondisi makroskopis

dari

suatu

sistem termodinamis

yang dinyatakan dengan variabel

keadaan / parameter keadaan /

variabel termodimanis.

Variabel/parameter keadaan

menyatakan kondisi

sesaat

dari

suatu

sistem

termodinamis

.

Jika

suatu

sistem

mengalami

serangkaian

proses

dari

keadaan

awal

1

ke

keadaan

akhir

2,

maka

perubahan

total

dari

variabel

keadaan

tidak

tergantung

pada

jalannya

proses

.

Hal ini berarti

bahwa perubahan

dari variabel seperti

itu adalah berupa

diferensial eksak

.

KEADAAN TERMODINAMIS DAN VARIABEL KEADAAN

Slide11

11

CONTOH VARIABEL KEADAAN: Temperatur (T)

Tekanan

(

p

)

Density

(ρ) Energi (

E) Helmholtz free energy (A)

Gibbs free energy (G)

Enthalpy (H) Internal energy (

U) Massa (

m

)

Eksergi

Entropy

(

S

)

Volume (

V

)

Jumlah

komponen

kimia

(

n

i

), yang

dinyatakan

dengan

jumlah

mol

Slide12

12

1 bar, 50C = 988,037 kg/m3

1 bar, 50

C

 = 988,037 kg/m

3

1 bar, 10

C

 = 999,699 kg/m

3

1 bar, 90

C

 = 965,321 kg/m

3

Slide13

13

KESEIMBANGANKeseimbangan adalah suatu keadaan yang statis, tidak ada perubahan, bahkan tidak ada kecenderungan untuk berubah.

Kecenderungan terjadinya perubahan disebabkan oleh

driving force:

P  transfer energi dalam bentuk usaha/kerja

T  transfer energi dalam bentuk panas

  transfer massa dari satu fasa ke fasa lainnya

Equilibrium is the condition of a system in which competing influences are balanced

Slide14

14

Untuk suatu sistem yang berada dalam keseimbangan, jumlah variabel independen yang dapat ditentukan untuk menentukan keadaan dari sistem tsb adalah:F = 2 –  + N

dengan

F derajat kebebasan

 jumlah fasa

N jumlah komponen

(4.8)

THE PHASE RULE

Slide15

15

PROSES REVERSIBELProses reversibel

adalah

proses

yang

arahnya dapat

dibalik karena adanya

perubahan infinitisimal (extremely small

) dari kondisi

eksternal.



l

Ekspansi gas dalam silinder

Slide16

Tanpa

friksiPerubahannya dari keadaan keseimbangan

adalah

kecil

sekali (infinitesimal)

Melewati serangkaian keadaan

keseimbanganDisebabkan oleh

ketidakseimbangan gaya

yang besarnya infinitesimal

Arahnya dapat diubah

di

sebarang

titik

oleh

adanya

perubahan

eksternal

yang

besarnya

infinitesimal

Jika

arahnya

dibalik

,

maka

akan

melewati

jalur

semula

dan

akan

kembali

ke

keadaan

sistem

dan

sekeliling

mula-mula

.

RESUME: PROSES REVERSIBEL

Slide17

17

17

Usaha

kompresi

/

ekspansi

gas yang

disebabkan oleh

pergeseran infinitesimal dari piston dalam

silinder:



W =  P dV

t

Slide18

18

CONTOH SOALSatu rangkaian

piston/

silinder

ditempatkan

secara mendatar

di dalam suatu

constant-temperature bath. Piston dapat bergerak

di dalam silinder

tanpa gesekan

. Ada gaya

luar

yang

menahan

piston

pada

posisinya

,

melawan

tekanan

mula-mula

gas

sebesar

14 bar.

Volum

gas

mula-mula

0,03 m

3

. Gaya

eksternal

yang

bekerja

pada

piston

dikurangi sedikit

demi

sedikit

,

dan

gas

mengalami

ekspansi

secara

isotermal

sampai

volumnya

menjadi

2 kali

lipat

.

Jika

hubungan

antara volum gas dan

tekanan dapat dinyatakan

dengan: PV

t = konstan

Berapa usaha yang

dilakukan oleh gas pada

saat ekspansi? Berapa

besar usaha yang akan dilakukan oleh

gas jika gaya eksternal dikurangi

secara mendadak sampai gaya

tsb menjadi setengah dari gaya

mula-mula.

Slide19

19

PENYELESAIANP Vt = k

Dengan:

Maka

: W =

 42.000

ln

(2) =  29.112 J

dan

Maka bisa diperoleh:

Slide20

20

Tekanan akhirnya adalah:Pada

kasus

kedua

, P gas turun

mendadak menjadi 7 bar.

W =  (7  105

) (0,06  0,03) =  21.000 J

Proses kedua

ini merupakan

proses

irreversibel

,

karena

perubahannya

tidak

berlangsung

sedikit

demi

sedikit

.

Jika

dibandingkan

dengan

proses

reversibel

,

maka

efisiensi

dari

proses

yang

kedua

(

irreversibel

)

adalah

:

Atau 72,1%

W = - P



V

t

= - P (V

2

t

– V

1

t

)

Slide21

21

PROSES DENGAN V KONSTANNeraca energi untuk sistem homogen tertutup yang terdiri dari n mol:

d(nU) =



Q +



W

Untuk usaha 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

Untuk n = 1

 Q = U

Slide22

22

PROSES DENGAN P KONSTANHukum I Termodinamika dapat ditulis sebagai:



Q =

d

(nU) + P d(nV)

Untuk proses dengan P konstan:



Q = d(nU) + d(nPV) = d{n (U + PV)}

Didefinisikan sebagai

enthalpy (H)

H

 U + PV

Persamaan di atas dapat ditulis sebagai:



Q = d(nH)

Q = n

H

(4.12)

(4.13)

(4.14)

Untuk n = 1

 Q = H (4.14a)

Slide23

23

KAPASITAS PANASDefinisi dari kapasitas panas

KAPASITAS PANAS PADA V KONSTAN

Untuk sistem tertutup yang mengalami proses pada V konstan:

d

U

= C

V

dT

(V konstan

)

(V konstan)

Untuk proses dengan V konstan

 Q = U

(V konstan)

Slide24

24

KAPASITAS PANAS PADA P KONSTAN

Untuk

sistem

tertutup yang mengalami

proses pada P konstan

:dH = CP

dT (P konstan)

(P konstan)

Untuk proses reversibel pada P konstan:

(P konstan)

Untuk proses dengan P konstan

 Q = H

Slide25

25

CONTOH 4.1Udara 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

Hitung

panas

dan

usaha yang diperlukan, juga

U dan H

udara untuk

tiap

alur

proses

.

Kapasitas

panas

udara

dianggap

tidak

tergantung

pada

temperatur

:

C

V

= 20,78 J mol

-1

K

-1

dan

C

P

= 29,10 J mol

-1

K

-1

Untuk

udara

dianggap

berlaku

hubungan

:

Pada 298,15K dan 1 bar V

udara

= 0,02479 m

3

mol

-1

Slide26

26

PENYELESAIAN

P

a

P

b

V

a

= V

d

V

b

= V

c

a

b

c

d

(soal a)

(soal b)

(1 bar)

T = 298 K

Slide27

27

T1

= T

2

 P

1V

1 = P2 V2

(a) Proses pendinginan pada P konstan (1-3)

P

1

= P

3

V

2

= V

3

P

1

P

2

V

1

V

2

1

2

3

4

Slide28

28

Q = H = CP T = (29,10) (59,63 – 298,15) =  6.941 J

U = H – (PV) = H – P V

= – 6.941 – (1  10

5

) (0,004958 – 0,02479)

= – 4.958 J

H = U + (PV)

U = Q + W

W = U – Q = – 4.958 + 6.941 = 1.983 J

Slide29

29

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)  10

5

= 6.941 J

U = Q + W

W = U – Q = 4.958 – 4.958 = 0 J

Pemanasan pada V konstan (3-2)

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

P

1

P

2

V

1

V

2

1

2

3

4

Slide30

30

(b) Proses pemanasan pada

V

konstan

(1 – 4)

V

1

= V

4P4

= P2

Q =

U = C

V

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)  10

5

= 34.704 J

P

1

P

2

V

1

V

2

1

2

3

4

Slide31

31

Pendinginan pada P konstan (4 – 1)

Q =

H = C

P

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

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

Untuk keseluruhan proses

P

1

P

2

V

1

V

2

1

2

3

4

Slide32

32

CONTOH 4.2Hitung H dan U untuk udara yang mengalami per-ubahan dari keadaan mula-mula 40F dan 10 atm ke keadaan akhir 140F dan 1 atm. Anggap bahwa untuk udara berlaku:

Pada

40F dan 10 atm, volum molar udara V = 36,49 (ft

3

) (lb mol)

-1

. Kapasitas panas udara dianggap konstan, C

V = 5 dan CP

= 7 (Btu) (lb mol)-1 (F)

-1.

PENYELESAIAN

T

A

= 40

F = (40 + 459,67) R = 499,67 R

T

C

= 1

40

F = (140 + 459,67) R = 599,67 R

Slide33

33

U dan H merupakan state function, sehingga

nilainya

tidak

tergantung pada

jalannya proses.

Untuk memudahkan, maka

proses dibagi 2:

Pendinginan

pada V

konstan

(A-B)

Pemanasan

pada

P

konstan

(B-C)

hingga

dicapai

kondisi

akhir

.





a

b

A



P

(atm)

V

1

10

40

F

140

F

V

A

V

C

C

B

Slide34

34

LANGKAH a:

T

a

= T

B

– T

A

= 49,97 – 499,67 = – 449,70 (R)



U

a

= C

V

T

a

= (5) (– 449,70) = – 2.248,5 (Btu)

H

a

= 

U

a

+ V P

a

= – 2.248,5 + (36,49) (1 – 10) (2,7195

) =

– 3.141,6 (Btu)

Slide35

35

LANGKAH b:Tb

= T

C

– T

B

= 599,67 – 49,97 = 549,70 (R)

Hb = CP T

b = (7) (549,70) = 3.847,9 (Btu)Ub

= Hb – P V

b

= 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)