download PPT kerja dalam Termodinamika

Berikut Bahan presentasi untuk materi termodinamika sub materi kerja dalam format PPT 2013 yang dapat anda edit untuk menyesuiakan, menambah atau mengurangi materi yang terdapat dalam slide. berikut tampilan dari setiap slidenya.

Silahkan anda download melalui link berikut :  Download PPT Kerja Termodinamika

  2.1  Defenisi Usaha Pada Termodinamika

Secara historik, termodinamika berasal dari usaha manusia untuk mengubah panas menjadi kerja mekanik dengan cara yang seefisien mungkin. Dalam mekanika, kerja didefinisikan sebagai produk antara gaya dan jarak searah gaya yang ditempuh akibat gaya yang bekerja ini. Jadi :

Hubungan ini sangat berguna karena dengannya kita dapat mengitung kerja yang diperlukan untuk menaikkan beban, untuk merenggangkan kawat, ataupun untuk memindahkan suatu partikel bermuatan melalui medan magnet.

Karena kita menggunakan termodinamika dari segi makroskopis, maka sangat berguna bila konsep kerja ini kita hubungkan dengan konsep sistem, sifat, dan proses. Oleh karena itu dalam termodinamika, kerja didefiniskan sebagai berikut : “kerja adalah interaksi antara dua sistem sedemikian hingga apa yang terjadi pada tiap sistem pada permukaan batas interaksinya dapat diulangi dengan efek tunggal di luar tiap sistem berupa perubahan tinggi suatu beban dalam medan potensial gravitasi”

Kalor dan usaha sama-sama berdimensi tenaga (energi). Kalor merupakan tenaga yang dipindahkan (ditransferkan) dari suatu benda ke benda lain karena adanya perbedaan temperatur. Dan bila transfer tenaga tersebut tidak terkait dengan perbedaan temperatur, disebut usaha (work). Usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) terhadap lingkungannya bergantung pada proses -proses dalam termodinamika, di antaranya proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.

Tinjaulah suatu gas yang berada dalam tabung dengan penutup berbentuk piston yang dapat bergerak bebas, seperti terlihat pada Gambar 2.1.

 

Gambar 2.1

Ketika gas tersebut dipanaskan, piston akan berpindah sejauh ∆s karena gas di dalam tabung memuai dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2. Gaya yang bekerja pada piston adalah F = pA. Jika luas penampang piston (A) dan tekanan gas dalam tabung (P) berada dalam keadaan konstan, usaha yang dilakukan oleh gas dinyatakan dengan persamaan :

 

Nilai W dapat berharga positif atau negatif bergantung pada ketentuan berikut:

a.       Jika gas memuai sehingga perubahan volumenya berharga positif, gas (sistem) tersebut dikatakan melakukan usaha yang menyebabkan volumenya bertambah. Dengan demikian, usaha W sistem berharga positif.

b.      Jika gas dimampatkan atau ditekan sehingga perubahan volumenya berharga negatif, pada gas (sistem) diberikan usaha yang menyebabkan volume sistem berkurang. Dengan demikian, usaha W pada tersebut sistem ini bernilai negatif.

Usaha yang dilakukan oleh sistem dapat ditentukan melalui metode grafik. Pada Gambar a  dapat dilihat bahwa proses bergerak ke arah kanan (gas memuai). Hal ini berarti V2 > V1 atau ∆V > 0 sehingga W bernilai positif (gas melakukan usaha terhadap lingkungan). W sama dengan luas daerah dibawah kurva yang diarsir (luas daerah di bawah kurva p –V dengan batas volume awal dan volume akhir).

 

Selanjutnya perhatikan Gambar b. Jika proses bergerak ke arah kiri (gas memampat), V2 < V1 atau ∆V < 0 sehingga W bernilai negatif (lingkungan melakukan usaha terhadap gas). W = – luas daerah di bawah kurva p–V yang diarsir.

 

 

Dari persamaan tersebut dan grafik hubungan tekanan (P) terhadap (V) pada Gambar a dan b. Dapat disimpulkan bahwa “suatu sistem dikatakan melakukan usaha (W berharga positif) atau sistem diberi usaha (W berharga negatif), jika pada sistem tersebut terjadi perubahan volume (∆V).”.

 

2.2  Usaha Dan Proses Dalam Termodinamika

Dalam melakukan pengamatan mengenai aliran energi antara panas dan usaha ini dikenal dua istilah, yaitu sistem dan lingkungan. Apakah yang dimaksud sistem dan lingkungan dalam termodinamika? Untuk memahami penggunaan kedua istilah tersebut dalam termodinamika, perhatikanlah Gambar 2.2. berikut.

Gambar 2.2. Bola besi dan air merupakan sistem yang diamati. Adapun, udara luar merupakan lingkungannya.

 

Bola besi dan air disebut sistem karena kedua benda tersebut menjadi objek pengamatan dan perhatian Anda. Adapun, wadah air dan udara luar disebut lingkungan karena berada di luar sistem, tetapi dapat memengaruhi sistem tersebut. Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang digunakan adalah besaran makroskopis suatu sistem, yaitu tekanan, suhu, volume, entropi, kalor, usaha, dan energi dalam.

Proses termodinamika yang terjadi pada gas terdiri dari proses isobarik, proses isokorik, proses isotermis, dan proses adiabatik. Energi selalu berkaitan dengan usaha. Telah kita ketahui bahwa usaha merupakan hasil perkalian gaya dengan perpindahan (W = F × s).

Pada gambar diatas memperlihatkan penampang air silinder yang didalamnya terdapat gas piston (pengisap). Piston ini dapat bergerak bebas naik turun. Jika luas piston A dan tekanan gas P, maka gas akan mendorong piston dengan gaya F = P × A. Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gas adalah W = F × Δs . Jika F = P × A, maka W = P × A × Δs.

Dan jika    , maka persamaannya menjadi seperti berkut.

W = P × ΔV               atau                W = P (V₂ – V₁)

Keterangan:

W   :  Usaha (J)

P     : Tekanan (N/m²)

V₁   : Volume awal (m³)

V₂   : Volume akhir (m³)

2.2.1.   

Proses Isotermal

Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Menurut Hukum Boyle, proses isotermal dapat dinyatakan dengan persamaan :

Gambar 2.3

pV = konstan atau p1V1 = p2V2

Dalam proses ini, tekanan dan volume sistem berubah sehingga persamaan W = p ∆V tidak dapat langsung digunakan.

Untuk menghitung usaha sistem dalam proses isotermal ini digunakan cara integral. Misalkan, pada sistem terjadi perubahan yang sangat kecil sehingga persamaan usahanya dapat dituliskan sebagai :

2.2.2       

Proses Isokhorik

Proses isokhorik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada volume tetap. Menurut Hukum Gay-Lussac proses isokhorik pada gas dapat dinyatakan dengan persamaan :

Gambar 2.4

Atau

Oleh karena perubahan volume dalam proses isokhorik ∆V = 0 maka usahanya W = 0.

 

2.2.3       

Proses Isobarik

Proses isobarik adalah suatu proses perubahan keadaan  gas pada tekanan tetap. Menurut Hukum Charles, persamaan keadaangas pada proses isobarik dinyatakan dengan persamaan:

Gambar 2.5

Atau

 

Oleh karena volume sistem berubah, sedangkan tekanannya tetap, usaha yang dilakukan oleh sistem dinyatakan dengan persamaan :

 

 

 

2.2.4        Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor (Q) yang masuk atau keluar dari sistem (gas). Proses ini dapat dilakukan dengan cara mengisolasi sistem menggunakan bahan yang tidak mudah menghantarkan kalor atau disebut juga bahan adiabatik. Adapun, bahan-bahan yang bersifat mudah menghantarkan kalor disebut bahan diatermik. Proses adiabatik ini mengikuti persamaan Poisson sebagai berikut :

 

 

 

 

 

 

 

Gas pada tekanan tetap dan CV adalah kalor gas pada volume tetap. Perhatikan diagram p – V pada Gambar 2.6.

Dari kurva hubungan p – V tersebut, dapat mengetahui bahwa:

1.      Kurva proses adiabatik lebih curam daripada kurva proses isotermal.

2.     

Gambar 2.6

Suhu, tekanan, maupun volume pada proses adiabatic tidak tetap.

Oleh karena sistem tidak melepaskan atau menerima kalor, pada kalor sistem proses adiabatik Q sama dengan nol.  Dengan demikian, usaha  yang dilakukan oleh sistem  hanya mengubah energi dalam sistem tersebut.

Besarnya usaha pada proses adiabatik tersebut dinyatakan dengan persamaan berikut.

 

 

 

2.3  Usaha Dalam Suatu Siklus : Diagram Indikator

Bila suatu sistem pada waktu mengalami suatu deretan proses kembali ke keadaan semula, dikatakan sistem itu telah mengalami suatu siklus. Kerja total sistem itu adalah:

Di sini tanda  menyatakan suatu integrasi sepanjang suatu lintasan tertutup.

Jumlah kerja yang dilakukan oleh piston suatu mesin silinder atau kompresor dapat ditentukan dari diagram indikator. Ini adalah diagram tekanan terhadap volume (kedudukan piston) yang diperoleh dari suatu alat yang disebut indikator. Kerja yang dilakukan pada piston selama siklus adalah :

Disini A adalah luas piston, dan L adalah jarak yang ditempuh (panjang langkah). Persamaan daiats dapat ditulis dalam tekanan efektif rata-rata (pm) sebagai:

 =

Dimana L adalah penjang langkah piston. Tekanan efektif rata-rata adalah sama dengan tinggi rat-rata diagram indikator yang dikalikan denngan konstanta pegas.

Gambar 2.7. Diagram Indikator

 

 

 

 

 

2.4  . Contoh Usaha dalam Termodinamika

1.      Batang elastik

Untuk batang elastik mengalami tarikan dan tekanan, koordinat intensif dan ekstensif adalah tegangan dan rengangan , dan jumlah kerja yang dilakukan adalah:

tanda negatif menyatakan bahwa bila dε positif, kerja dilakukan pada batang. Untuk mengintegralkan persamaan diatas, kita harus mengetahui hubungan anatra tegangan dan rengan untuk proses yang bersangkutan. Untuk proses isotermik, hubungan ini dinyatakan sebagai modulus elastisitas Young isotermik:

2.      Kawat yang direnggangkan

Bila tegangan , sedangkan perpanjangan yang dialami kawat = dL, maka kerja yang dilakukan adalah:

 

3.      Lapisan Permukaan

Kita tinjau suatu lapisan permukaan dengan tegangan permukaan φ. Untuk perubahan luas yang kecil dA, kerja yang dilakukan adalah:

4.      Sel Reversibel

Tinjau sesuatu sel reversibel dengan emf ε yang dihubungkan dengan suatu potensiometer, yang diperlihatkan pada Gambar 2.8.

Gambar 2.8. Transfer listrik yang reversibel

 

Bila pada suatu titik arusnya nol, maka potensial penyumbang pada titik tersebut sama dengan emf ε dari reaksi kimia. Misalkan perbedaan potensial luar dapat dibuat lebih kecil dari ε dan misalkan sejumlah muatan listrik yang positif, dQe. dialirkan melalui jaringan luar dari elektroda positif ke elektroda negatif.

Kerja yang dilakukan oleh sel:

Tanda negatif di sisni diberikan karena bila sel melepaskan muatan melalui jaringan luar, maka dQe adalah bilangan negatif. Jadi muatan sel berkurang sejumlah dQe. Bila perbedaan potensial luar dibuat sedikit lebih besar dari ε, muatam listrik dibawa ke arah yang berlawanan, dan mengisi sel yang bersangkutan dengan pertambahan Qe atau dQe yang positif. Dalam kedua hal di atas, kerja dinyatakan oleh persamaan .

Karena arus I sama dengan dQe/dt; untuk t adalah waktu, persamaan  dapat ditulis sebagai:

 atau

persamaan diatas merupakan dasar definisi dan satuan daya yang disebut watt. Satu watt adalah daya yang dihasilkan oleh arus 1 ampere yang mengalis melalui potensial 1 volt.

Walaupun kerja p dV merupakan kerja yang paling sering dijumpai, perlu dipahami bahwa ada beberapa jenis kerja lain yang dapat dilakukan. Tabel berikut mengikhtisarkan jenis-jenis kerja diatas.

Tabel 1. Kerja umum

 

CONTOH SOAL 1

Perbaikan proses yang digambarkan pada gamabr 54. suatu gas (sistem) mengembang dari volume 1500 cm³ menjadi 2000 cm³ dan menerima kerja 20.000 N.cm dari suatu kincir. Tekanan di dalam tetap 100N/cm². Tentukan jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem.

Jawaban:

Gambar 2.9 Gas mengembang kerena terdorongnya piston akibat pemanasan gas oleh kerja kincir

 

CONTOH SOAL 2

Dua meter kubik gas Helium bersuhu 27 derajat Celcius dipanaskan secara isobarik sehingga suhunya menjadi 77 derajat Celcius. Jika tekanan sistem 3 x 10⁵ Pa. Tentukanlah usaha yang dilakukan oleh gas tersebut!

Jawaban:

Besaran yang diketahui.

Sebelum menghitung usaha pada proses isobaris, tentukan terlebih dahulu volume pada keadaan kedua yaitu

Usaha pada proses isobar adalah