-
II. KERJA, ENERGI dan KALOR (PANAS)KERJAJika ada suatu gaya (F)
yang bekerja pada suatu bendadan benda itu bergerak sejauh dl, maka
kerja (W) didefinisikan sebagai :Kerja bernilai positif jika arah
pergeseran sama dengan arah gaya,bertanda negatif bila
berlawanan.Contoh : kerja yang menyertai perubahan volume fluida,
kompresi atau ekspansi fluida didalam silider akibat gerakan
piston.
Gaya yang dikenakan oleh piston terhadap fluida = tekanan fluida
x luas penampang silinder ataupun piston.F = P A(2.17)
-
dlGambar 2.11: Ekspansi / kompresi fluida dalam silinder akibat
gerakan pistonAFfluida
-
Arah gaya kebawah, pergeseran piston kebawah W positifVt2 <
Vt1 dV negatif karena W harus positif maka dikalikan negatif ( -
).Pada gambar 2.11 diatas, jika fluida didalam silinder dipandang
sebagai sistem, maka kerja yang berasal dari sekeliling dapat
diberikan kepada sistem. Hal ini berarti bahwa kerja dapat menembus
boundary sistem.Pergeseran piston = total perubahan volume fluida
dibagi luas penampang silinder atau piston.
-
Bila hubungan antara V dan P diketahui maka pers . (2.19) mudah
diselesaikan, tetapi bila hubungan tersebut dalam bentuk Tabel maka
dapat diselesaikan dalam bentuk grafis. P2V1P1V2Gambar 2.12 :
Diagram P vs Vt 12Hasil Integrasi pers tsb = luas daerah dibawah
kurva yang dibatasi oleh V1 dan V2 (gambar 2.12).
-
Kalor dan Kerja
Kalor (q): energi yang dipindahkan melalui batas-batas sistem
sebagai akibat langsung dari perbedaan suhu antara sistem dan
lingkungannya.
q: positif jika kalor masuk sistemq: negatif jika kalor keluar
dari sistem.
Kerja (W): energi dan bukan kalor yang dipertukarkan antara
sistem dengan lingkungannya pada suatu perubahan keadaan.
W positif bila lingkungan melakukan kerja terhadap sistem,
misalnya proses pemampatan gas.W negatif bila sistem melakukan
kerja terhadap lingkungan, misalnya proses pemuaian gas terhadap
atmosfer.(sistem kehilangan energi)
-
ENERGIEnergi antara lain:Energi kinetikEnergi PotensialEnergi
Kinetik :energi yang ditimbulkan oleh suatu gerakan.Contoh : suatu
massa m dikenai gaya F dan karena gaya itu benda tersebut bergeser
sejauh dl dalam waktu dt, maka kerja yang dilakukan adalah :a =
percepatan yang didefinisikan :Kecepatan = jarak / satuan waktu
-
Besaran m u2 adalah energi kinetik, sehingga : Ek = m
u2(2.23)Pers (2.22) menunjukkan bahwa kerja yang dikenakan pada
suatu benda sehingga benda tersebut mengalami percepatan dari
kecepatan mula-mula u1 u2 = perubahan energi kinetik dari benda
tersebut.W = Ek(2.24)
-
Energi Potensial.Suatu benda massa m dinaikkan dari tempat
dengan ketinggian z1 ke z2, maka harus ada gaya F keatas yang
besarnya minimal sama dengan berat benda tersebut (m g) dan bekerja
pada benda itu dan gaya ini harus bergerak sejauh z2 z1.F = m a = m
gW = F (z2 z1) = m g (z2 z1) W = m g z2 m g z1 = (m g z)
(2.25)Besaran m g z didefinisikan sebagai : Energi potensial.Ep = m
g z(2.26)Kerja adalah bentuk energi tetapi kerja tidak terkandung
di dalam suatu benda. Kerja ada bila suatu sistem mengalami
perubahan energi kinetik maupun potensial. Kerja merupakan energy
in transit.
-
mz1z2zF = m gGambar 2.13 : Energi potensial suatu benda.
-
Kekekalan energi :Benda dengan massa diketinggian z2, benda
memiliki energi potensial sebesar [m g (z2 z1)] relatif dari tempat
ketinggian z1.
Jika benda tersebut jatuh bebas dari z2 ke z1, maka benda akan
kehilangan energi potensialnya, tapi pada saat yang bersamaan benda
tersebut memperoleh energi kinetik yang besarnya sama dengan energi
potensial yang hilang.Ek + Ep = 0 (2.27)(2.28)Prinsip kekekalan
energi pada proses mekanis murni
-
Panas (Kalor) : Q / qPanas adalah :energi yang dipindahkan
melalui boundary suatu sistem akibat adanya perbedaan temperatur
antara sistem dengan lingkungan.Suatu sistem tidak mengandung panas
tetapi mempunyai energi, panas adalah energi in transit .Sama
dengan kerja, panas hanya ada bila sistem mengalami perubahan
keadaan.Contoh :Dua balok dengan massa yang sama, temperatur balok
yang satu (T1) lebih tinggi dari balok yang lainnya (T2). Balok
yang panas mengandung lebih banyak energi daripada balok yang
dingin akibat dari aktifitas molekul-molekulnya.
-
Jika kedua balok dikontakkan, energi mengalir dari balok T1 ke
T2maka terjadi transfer panas sampai balok mencapai keseimbangan
(kedua balok temperaturnya sama) balok T1 kehilangan energi balok
T2 memperoleh energi.T1T2HEATABABGambar 2.14 : Transfer panas dari
benda panas ke benda dingin
-
Tekanan, Volume, Suhu, energi adalah contoh-contoh suatu fungsi
keadaan diferensialnya disebut diferensial total / eksakPanas,
kerja bukanlah suatu property atau disebut bukan fungsi keadaan
diferensialnya bukan diferensial eksak.Perjanjian : Q :Harga panas
adalah positif (+) bila kalor / panas masuk sistem dan negatif (-)
bila kalor / panas keluar sistem.W :Kerja bertanda positif (+) bila
lingkungan melakukankerja terhadap sistem dan kerja negatif (-)
bila sistem melakukan kerja terhadap lingkungan.Contoh :Reaksi
mengeluarkan panas Q negatifReaksi membutuhkan panas Q positif.
-
Proses pemampatan gas W positifProses pemuaian gas terhadap
tekanan atmosfer W negatif.SYSTEMEnergilingkungantranferTranfer
panas ataupun dengancara sistem melakukan kerja panas dan kerja
secara kuantitatif Equivalent dan dinyatakan dengan satuan yang
sama.
-
KESEIMBANGANKeseimbangan : keadaan statis, tanpa ada /
kecenderungan perubahan dalam sistem tidak ada driving
force.Driving force berbeda menyebabkan perubahan yang berbeda.
Contoh :ketidakseimbangan gaya mekanik, seperti tekanan pada
piston terjadinya transfer energi dalam bentuk kerja.Perbedaan suhu
terjadinya aliran panas.Keseimbangan (sejati) : bila keadaan yang
sama dapat didekati dari dua arah.ES (H2O pdt)AIR (H2O cair)1
atm0oC
-
Keseimbangan metastabil : pembekuan air pada lewat dingin(-5
oC), hal ini dapat diperoleh dengan pendinginan hati-hati.
Keseimbangan tidak stabil terdapat dalam suatu sistem, bila
pendekatan ke keadaan seimbang dalam suatu sistem dicapai sangat
lambat. Contoh : pelarutan NaCl dalam larutan yang hampir jenuh.H2O
(s)H2O (l)H2O (s)H2O (l)-5oC-5oC0oC0oC
-
ATURAN FASAFasa :bagian dari sistem, yang fisisnya berbeda dan
dapat dipisahkan secara mekanis (misalnya : filtrasi, sedimentasi,
dekantasi dsb.Contoh : sistem air terdapat fasa padat, cair dan
gas.
Jumlah fasa padat : banyak sekaliJumlah fasa cair : maksimal ada
8Gas selalu bercampur sempurna hingga hanya ada 1 fasa gas.Jumlah
komponen (spesies kimia) : ialah jumlah terkecil dari variabel
bebas konstituen ddalam sistem, yang dapat dipakai untuk menyatakan
susunan fasa-fasa yang ada.
-
Sistem air: sistem 1 komponen.Sistem Air Na2SO4: sistem 2
komponen.
Derajat kebebasan : atau variance dari sistem ialah jumlah
terkecil variabel bebas (suhu, tekanan atau komposisi) yang harus
ditentukan.Contoh : Air mempunyai 2 derajat kebebasan yaitu suhu
dan tekanan karena pernyatan satu variabel (suhu atau tekanan saja)
belum dapat menentukan keadaan sistem air.
-
Jika dua variabel / sifat termodinamis intensif suatu fluida
murni homogen sudah tertentu, maka sistem tertentu pula.Bila sistem
tidak homogen (fasa uap dan cair yang seimbang), keadaan sistem
akan tertentu kalau satu variabel ditentukan.Contoh : Pada P =
101,33 kPa, air cair akan seimbang dengan uapnya pada suhu 1000C.
Suhu tidak mungkin berubah tanpa mengubah tekanannya.Sistem berada
dalam keadaan keseimbangan, jumlah variabel independen yang boleh
ditentukan sebarang untuk menentukankeadaan termodinamis adalah : F
= C P + 2(2.29)
Dengan P : jumlah fasaC : jumlah komponen / spesies kimiaF :
derajat kebebasan dari sistem.(Aturan fasa yang ditentukan oleh :
J. Willard Gibbs)
-
Variabel tersebut adalah variabel intensif yang nilainya tidak
tergantung dari jumlah atau besarnya sistem.Aturan fasa berlaku
untuk sistem besar maupun kecil.Misalnya sistem tersusun dari P
fasa dan C komponen, berapa variabel yang harus ditetapkan agar
sistem menjadi tertentu.Sistem selalu tergantung pada suhu dan
tekanan, untuk Menentukan susunan tiap-tiap fasa perlu ditentukan
konsentrasi (C 1) konstituen, konsentrasi sisa adalah
perbedaannya.
Dalam sistem ada P fasa, jadi jumlah variabel konsentrasi =P(C
1).Variabel suhu : 1Variabel tekanan : 1Maka jumlah yang harus
ditentukan = P(C 1) + 2Berapa jumlah persamaan yang ada?
-
Untuk keseimbangan satu konstituen antara dua fasa, dapat
dituliskan satu persamaan persamaan tenaga bebas per mol.
Tenaga bebas = f {T, P dan (C 1)} konsentrasi.Jika ada P fasa (P
1) persamaanUntuk C komponen C(P 1) persamaan.
Bila jumlah persamaan = jumlah variabel sistem sudah
tertentu.Jika jumlah Variabel > jumlah persamaan selisihnya
disebut derajat kebebasan.F = jumlah variabel jumlah persamaan
F = [P(C 1) + 2] [C(P 1)]
F = C P + 2
-
Sistem satu komponen.
Sistem Air.Diatas suhu -20oC dan dibawah 2000 atm hanya terdapat
satufasa padat yaitu ES.Fasa H2O : padat, cair dan gas.
Keseimbangan 2 fasa yang ada : Air uap airEs uap airEs Air
Keseimbangan 3 fasa : es air uap air.Untuk tiap fasa tunggal,
derajat kebebasan (F) =F = C P + 2F = 1 1 + 2 = 2
Bila suhu dan tekanan merupakan variabel bebas, kedua variabel
tersebut harus ditetapkan agar sistem menjadi tertentu.
-
Jika 2 fasa dalam keseimbangan :F = 1 2 + 2 = 1Untuk 3 fasa
dalam keseimbangan maka F = 0.
Untuk H2O triple point dari air terjadi pada suhu 0,01oC dan
0,0061 bar. Jika kondisi ini berubah sedikit saja maka akan
menyebabkan sedikitnya satu fasa hilang.Sistem Belerang :Mempunyai
2 fasa padat : S rhombis dan S monoklinDalam diagram fasa :4 fasa
tunggal bivarian : Srh, Sm, Scair dan Sgas6 keseimbangan dua fasa
:Srh Sgas Sm Scair Sm Sgas Scair Sgas Srh Scair Srh Sm
-
Ada 4 keseimbangan 3 fasa : Srh Sm Scair Srh Scair Sgas Sm Scair
Sgas Srh Sm Sgas
Untuk sistem satu komponen, maksimal P = 3 untuk F = 0 hingga
tidak ada keseimbangan 4 fasa. Sistem dua komponen
Fasa tunggal : F = 2 1 + 2 = 3Jadi ada 3 variabel yang harus
ditentukan, yaitu : suhu, tekanan dan konsentrasi.
-
PROSES REVERSIBEL.Proses reversibel : proses yang arahnya dapat
dibalik karena adanya perubahan infinitisimal (extremely small)
dari kondisi ekternal.AIRCairAIRUapP = 1atmT = 100oCSuatu sistem
berupa gas dalam silinder yang mengalami proses ekspansi pada
gambar 2.15
-
Gambar : 2.15 Ekspansi gas dalam silinder.Silinder dengan
pinston.Tidak ada panas yang masuk atau keluar sistemm : beban yang
dapat diaturmassa dan densitas kecil Pengaruh grafitasi terhadap
isisilinder diabaikan.Piston dapat bergerak bebas, tanpa
gesekan