Kajian Hukum Termodinamika Satu

Dalam kajian ini kita akan membahas hukum termodinamika. Secara keseluruhan Hukum Termodinamika terdiri dari empat hukum yaitu hukum ke-nol, pertama, kedua, dan ketiga termodinamika. Setiap hukum tersebut mempunyai karakteristik konsep yang berbeda dan tentunya mempunyai aplikasi yang berbeda. Hukum ke-nol kedua, dan ketiga termodinamika tidak mnejadi objek kajian pada bab ini dan akan dibahas bab selanjutnya. Penekanan penting pada kajian ini adalah memahami hukum pertama (hukum termodinamika satu). Hukum tersebut berkaitan dengan proses-proses termodinamika yang terjadi pada suatu sistem, jadi alangkah baiknya memahami lagi proses-proses termodinamika.

Hukum pertama termodinamika merupakan bentuk perluasan hukum kekekalan energi dalam mekanika. Bunyi hukum kekekalan energi adalah energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan, hanya dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk lainnya. Hukum ini berlaku untuk semua wujud zat, tetapi dalam kesempatan ini hanya akan fokus pada gas. Secara sederhana hukum pertama termodinamika menyatakan " Jumlah kalor yang ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem". Secara rumusan matematika, hukum termodinamika satu dapat dituliskan sebagai berikut ini.

Sebagai keterangan Q (kalor yang diserap sistem dari lingkungan (+) atau dilepas sistem kelingkungan (-)), delta U (Perubahan energi dalam sistem, suhu naik (+) atau suhu turun (-)), dan W (usaha yang dilakukan sistem kelingkungan (+) atau usaha yang dikenai sistem dari lingkungan (-)). Untuk lebih jelasnya, simaklah contoh soal dan pembahasan hukum terdinamika satu berikut ini. 

Kaji-1: Suatu gas ideal menyerap kalor 80 Joule dari lingkungan, dan pada saat yang bersamaan melakukan usaha 100 Joule ke lingkungan. Tentukanlah perubahan energi dalam gas tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Perubahan energi dalam sistem dpaat dihitung dengan rumus hukum termodinamika satu.

Tanda (-) menunjukkan terjadi penurunan energi dalam sistem, dengan kata lain suhu sistem turun.
Catatan: Sangat penting melihat tanda (+) dan (-) pada keadaan awal yang diketahui.

Latih-1: Suatu gas ideal melepas kalor 80 Joule ke lingkungan, dan pada saat yang bersamaan gas dikenai usaha 100J oleh lingkungan. Tentukanlah perubahan energi dalam gas tersebut!

Kaji-2: Sejumlah gas bermassa tetap menyerap energi termal 1000J sehingga gas mengembang perlahan pada tekanan tetap 2x10^(4) dari volume 0.05 meter kubik menjadi 0.075 meter kubik. Tentukan perubahan energi internal gas tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Sebelum menghitung perubahan energi dalam, hitung dulu usaha pada proses isobar.


Perubahan energi dalam sistem adalah

Latih-2: Sejumlah gas bermassa tetap menyerap energi termal 2000J sehingga gas mengembang perlahan pada tekanan tetap 1.2x10^(5) dari volume 40 Liter menjadi 50 Liter. Tentukan perubahan energi internal gas tersebut!

Kaji-3: (SIMAK-UI 2010) Gas monoatomik sebanyak 2 mol mula-mula bersuhu 27 derajat celcius dan tekanannya 3 atm mengalami proses isokhorik sehingga tekananya 4 atm. Tentukanlah perubahan energi dalam gas jika konstanta gas universal 8 J/molK!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Sebelum menghitung perubahan energi dalam hitung dulu, suhu pada tekanan 4 atm. Pada proses isokhorik tekanan sebanding suhu (P~T).


Perubahan energi dalam gas monoatomik.


Latih-3: Gas monoatomik sebanyak 2 mol mula-mula bersuhu 127 derajat celcius dan tekanannya 3 atm mengalami proses isokhorik sehingga tekananya 5atm. Tentukanlah perubahan energi dalam gas jika konstanta gas universal 8 J/molK!

Kaji-4: Suatu sistem gas mengalami ekspansi (pemuaian) adiabatik. Selama mengalami proses tersebut gas melakukan usaha 45 Joule sehingga suhunya turun 2K. Tentukanlah perubahan energi internal gas!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Perubahan energi internal (dalam) gas dihitung menggunakan hukum I Termodinamika.


Latih-4: Suatu sistem gas mengalami ekspansi (pemuaian) adiabatik. Selama mengalami proses tersebut gas melakukan usaha 70 Joule sehingga suhunya turun 3K. Tentukanlah perubahan energi internal gas!

Kaji-5: (SIMAK-UI 2009) Setengah mol gas ideal monoatomik mengalami serangkaian proses dari A ke B seperti digambarkan pada gambar di bawah ini.

Tentukalah pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan selama gas mengalami proses dari A ke B!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Hitung terlebih dahulu usaha dari Ake B. Dalam grafik P-V, usaha adalah luas grafik


Sekarang hitung perubahan energi dalam dengan menghitungnya tiap proses selama A ke B.

Kalor dapat dihitung dengan hukum I termodinamika.


Latih-5: Suatu sistem gas mengalami ekspansi (pemuaian) adiabatik. Selama mengalami proses tersebut gas melakukan usaha 90 Joule sehingga suhunya turun 5K. Tentukanlah perubahan energi internal gas!