< PreviousBab 8 Teori Kinetik Gas193¯Pada kondisi nyata, gas yang berada pada tekanan rendah dan jauh dari titik cair,dianggap memenuhi persamaan gas ideal.P.V= N.k.T atau P.V = n.R.Tk= konstanta Boltzmann= 1,38u10-23 J/KR= konstanta gas umum= 8,31 J/mol.K= 0,082 L.atm/mol.K¯Tekanan gas dalam suatu wadah disebabkan oleh tumbukan partikel-partikel gaspada dinding wadahnya.P=31VvmN2..0atau P = VkEN.32¯Energi kinetik rata-rata partikel gas sebanding dengan suhu mutlaknya.Ek= Tk.23¯Kelajuan efektif suatu partikel gas merupakan akar dari rata-rata kuadratkecepatannya.vrms = 2v= 03.kTmatau vrms= MrTR.3= UP3¯Teorema ekipartisi energi menyatakan bahwa jika pada suatu sistem yang mengikutiHukum Newton tentang gerak dan mempunyai suhu mutlak T, maka setiap derajatkebebasan ( f ) suatu partikel memberikan kontribusi kT21 pada energi rata-ratapartikel.E = Ek = )21(kTf¯Energi dalam gas ideal adalah jumlah energi yang dimiliki molekul gas dalamsuatu wadah tertentu.NE= N)21(kTf, dengan f untuk gas monoatomik adalah 3.194Fisika XI untuk SMA/MAA.Pilihlah jawaban yang paling tepat!1.Partikel-partikel gas ideal mempunyai sifat-sifat sebagai berikut, kecuali ... .a.selalu bergerakb.tidak saling menarikc.bertumbukan lenting sempurnad.tersebar merata di seluruh bagian ruangan yang ditempatie.tidak mengikuti Hukum Newton tentang gerak2.Pada Hukum Boyle, P.V = k, P adalah tekanan dan V adalah volume. Konstantak mempunyai dimensi yang sama dengan ... .a.dayad.suhub.usahae.konstanta pegasc.momentum3.Jika suatu gas ideal dimampatkan secara isotermis sampai volumenya menjadisetengahnya, maka ... .a.tekanan dan suhu tetapb.tekanan menjadi dua kali lipat dan suhu tetapc.tekanan tetap dan suhu menjadi dua kalid.tekanan menjadi dua kali dan suhu menjadi setengahnyae.tekanan dan suhu menjadi setengahnya4.Diketahui volume tabung B dua kali volume tabung A. Keduanya terisi gasideal. Volume tabung penghubung dapat diabaikan. Gas A berada pada suhu300 K. Bila jumlah molekul dalam A adalah N dan jumlah molekul B adalah3N, maka suhu gas dalam tabung B adalah ... .a.150 Kd.450 Kb.200 Ke.600 Kc.300 K5.Suatu jenis gas mempunyai volume 100 cm3 pada suhu 0 oC dan tekanan1 atm. Jika temperatur menjadi 50 oC, sedangkan tekanan menjadi 2 atm,maka volume gas menjadi ... .a.38,4 cm3d.84,5 cm3b.45,5 cm3e.118,3 cm3c.59,2 cm36.Pada keadaan normal (T = 0 oC dan P = 1 atm) 5 gram gas argon (Ar = 40)mempunyai volume sebesar ... . (1 atm = 105 N/m2, R = 8,314 J/K.mol)a.1,4 u 10- 6 m3b.2,8 u 10-3 m3c.22,4 u 10-3 m3d.28 m3e.224 m3Uji KompetensiBab 8 Teori Kinetik Gas1957.Suatu gas ideal, dalam suatu ruang tertutup bersuhu 27 oC. Untuk mengubahenergi kinetik partikelnya menjadi 2 Ek, suhu gas harus dijadikan ... .a.37 oCd.327 oCb.45 oCe.347 oCc.310 oC8.Sebanyak 4 gram gas neon dengan massa molekul 6 g/mol bersuhu 38 oC.Jika tekanannya 1,8u105 Pa, maka energi dalam gas adalah ... . (Diketahuik =1,38u10-23 J/K, NA = 6,02 u 10-23 molekul/mol).a.2,58u103 Jb.3,12u103 Jc.3,85u103 Jd.4,23u103 Je.5,16u103 J9.Jika suhu gas ideal dalam ruangan tetutup dinaikkan menjadi empat kalisuhu semula, maka kecepatan gerak partikel-partikelnya menjadi ... .a.41 kalid.4 kalib.21 kalie.16 kalic.2 kali10.Tangki berisi gas mula-mula bersuhu 200 K dipanasi hingga bersuhu 300 K.Jika jumlah partikel gas mula-mula 2 mol, maka agar energi dalam tidak berubah,kran harus dibuka sekejap hingga sebagian partikel gas keluar sejumlah ... .a.21 mold.32 molb.31 mole.43 molc.41 molB.Jawablah dengan singkat dan benar!1.Gas oksigen pada suhu 27 oC memiliki volume 20 liter dan tekanan 2u105 N/m2.Berapakah volume gas ketika tekanannya 16u104 N/m2 dan suhunya 47 oC ?2.Gas oksigen (Mr = 32) massa 80 gram berada dalam tangki yang volumenya8 liter. Hitunglah tekanan yang dilakukan oleh gas jika suhunya 27 oC ?3.Suatu gas ideal (Mr = 40) berada dalam tabung tertutup dengan volume 8 liter.Jika suhu gas 57 oC dan tekanan 2u105 N/m2, berapakah massa gas tersebut?4.Jika massa jenis gas nitrogen 1,25 kg/m3, hitunglah kecepatan efektif partikelgas tersebut pada suhu 227 oC dan tekanan 1,5u105 N/m2!5.Sebuah ban sepeda mempunyai volume 100 cm3. Tekanan awal dalam banadalah 0,5 atm. Ban tersebut dipompa dengan suatu pompa yang volumenya50 cm3. Tekanan udara luar 1 atm dan suhu dianggap tidak berubah.Berapakah tekanan ban sepeda setelah dipompa 4 kali?BA?3 N300 K? N196Fisika XI untuk SMA/MABab 9 TermodinamikaSuhuKalorPerubahan energiTermodinamikaHukum I TermodinamikaHukum II TermodinamikaUsahaEfisiensiSiklusIsotermalIsobarikIsokhorikAdiabatikPETPETPETPETPETA KA KA KA KA KONSEPONSEPONSEPONSEPONSEPBab 9 Termodinamika197Dalam kehidupan sehari-hari sering kita temui hal-hal yangberhubungan dengan prinsip termodinamika. Pernahkah kalianmelihat kereta lokomotif yang menggunakan mesin uap? Keretatersebut menerapkan prinsip termodinamika. Energi panas yang dihasilkanmelalui pembakaran batubara diubah menjadi energi mekanik yang dapatmenggerakkan roda kereta. Proses korosi (perkaratan) juga merupakan contohpenerapan prinsip termodinamika. Begitu pula proses pelapukan kayu. Untukmemahami lebih lanjut ikutilah pembahasan berikut ini.9TERMODINAMIKASumber: Ensiklopedia Iptek,PT Lentera Abadi, 2005Kereta api uap memanfaatkan prinsiptermodinamika.198Fisika XI untuk SMA/MAA.adiabatik, energi dalam,isobarik, isokhorik,isotermal, kalor,termodinamika, usahaUsaha dan Proses dalam TermodinamikaTermodinamika adalah cabang dari ilmu fisika yangmempelajari tentang proses perpindahan energi sebagaikalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Kalordidefinisikan sebagai perpindahan energi yang disebabkanoleh perbedaan suhu, sedangkan usaha merupakanperubahan energi melalui cara-cara mekanis yang tidakdisebabkan oleh perubahan suhu. Proses perpindahanenergi pada termodinamika berdasarkan atas dua hukum,yaitu Hukum I Termodinamika yang merupakanpernyataan Hukum Kekekalan Energi, dan Hukum IITermodinamika yang memberikan batasan tentang arahperpindahan kalor yang dapat terjadi.Dalam membahas termodinamika kita akan mengacupada sistem tertentu. Sistem adalah benda atau sekumpulanbenda yang akan diteliti, sedangkan lingkungan adalahsemua yang ada di sekitar benda. Sistem dibedakanmenjadi beberapa macam. Sistem terbuka adalah sistemdimana antara sistem dan lingkungan memungkinkanterjadinya pertukaran materi dan energi. Apabila hanyaterjadi pertukaran energi tanpa pertukaran materi, sistemdisebut sistem tertutup. Adapun sistem terisolasi adalahjika antara sistem dan lingkungan tidak terjadi pertukaranmateri dan energi.1.Usaha Sistem pada LingkunganUsaha yang dilakukan sistem pada lingkungannyamerupakan ukuran energi yang dipindahkan dari sistemke lingkungan. Gambar 9.1 menunjukkan suatu gas didalam silinder tertutup dengan piston (penghisap) yangdapat bergerak bebas tanpa gesekan. Pada saat gas memuai,piston akan bergerak naik sejauh ' s. Apabila luas pistonA, maka usaha yang dilakukan gas untuk menaikkanpiston adalah gaya F dikalikan jarak ' s. Gaya yangdilakukan oleh gas merupakan hasil kali tekanan P denganluas piston A, sehingga:W=F.' sW=P.A.' skarena A.' s = V', maka:W=P.V' atau W = P (V2 – V1)......................... (9.1)dengan:W=usaha ( J)V1=volume mula-mula (m3)P=tekanan (N/m2)V2=volume akhir (m3)V'=perubahan volume (m3)'sFGambar 9.1 Usaha yangdilakukan gas pada piston.Bab 9 Termodinamika199Persamaan (9.1) berlaku jika tekanan gas konstan.Apabila V2 > V1, maka usaha akan positif (W > 0). Hal iniberarti gas (sistem) melakukan usaha terhadap lingkungan.Apabila V2 < V1, maka usaha akan negatif (W < 0). Hal iniberarti gas (sistem) menerima usaha dari lingkungan.Untuk gas yang mengalami perubahan volume dengantekanan tidak konstan, maka usaha yang dilakukan sistemterhadap lingkungan dirumuskan:dW=F.d=F.P.A dsdW=P dVJika volume gas berubah dari V1 menjadi V2, maka:W=³21 VVdVP......................................................... (9.2)Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luasdaerah di bawah kurva pada diagram P-V.Gambar 9.2 Usaha yangdilakukan antara sistem danlingkungan.PV2V12W > 0PV1V2V21W < 0Gambar 9.3 Grafik prosesisotermal.2.Usaha pada Beberapa ProsesTermodinamikaDalam termodinamika terdapat berbagai prosesperubahan keadaan sistem, yaitu proses isotermal, isobarik,isokhorik, dan adiabatik.a.Proses IsotermalProses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistempada suhu konstan. Usaha yang dilakukan sistem adalah:W=³21VVPdVKarena P.V = n.R.T atau P = VTRn.., maka:W=³21.. VVnRTdVV=³21..VVdVnRTVW=n.R.T (lnV2 – lnV1)W=n.R.T.ln ¸¹·¨©§12VV.............................................. (9.3)Grafik P-V pada proses isotermal ditunjukkan olehGambar 9.3.PV1V2V1P1P22T1 = T2200Fisika XI untuk SMA/MAb.Proses IsobarikProses isobarik adalah proses perubahan keadaansistem pada tekanan konstan. Usaha yang dilakukan olehsistem adalah:P .W=³21VVPdV= P³21VVdVW= P (V2 – V1) = VP'.................................. (9.4)Grafik P-V pada proses isobarik ditunjukkan Gambar 9.4.c.Proses IsokhorikProses isokhorik adalah proses perubahan keadaansistem pada volume konstan. Pada proses isokhorik gastidak mengalami perubahan volume, sehingga usaha yangdilakukan sistem sama dengan nol.V1=V2 = VW=P (V2 – V1)W=P (0) = 0....................................................... (9.5)Grafik P-V proses isobarik ditunjukkan Gambar 9.5.d.Proses AdiabatikProses adiabatik adalah proses perubahan keadaansistem tanpa adanya pertukaran kalor antara sistem denganlingkungan. Proses adiabatik terjadi jika sistem terisolasidengan baik atau proses terjadi dengan sangat cepatsehingga kalor yang mengalir dengan lambat tidakmemiliki waktu untuk mengalir masuk atau keluar sistem.Hubungan antara tekanan dan volume pada prosesadiabatik dinyatakan dalam rumus Poisson berikut:J11VP=J22VP.......................................................... (9.6)dengan: J > 1, yang besarnya: J = vpCC ....................................................... (9.7)dengan:Cp=kapasitas kalor gas pada tekanan konstanCv=kapasitas kalor gas pada volume konstanPada gas ideal berlaku P = VTRn.., sehingga persamaan(9.6) dapat dinyatakan dalam bentuk:111JVT=122JVT................................................... (9.8)Usaha yang dilakukan gas dalam proses adiabatik adalah:W=)(112211VPVPJGrafik pada proses adiabatik mengalami penurunan agakcuram dibandingkan grafik isotermal, seperti ditunjukkanoleh Gambar 9.6.Gambar 9.4 Grafik prosesisobarik.PV1V2V1P1 = P22Gambar 9.5 Grafik prosesisokhorik.PV1= V2V1P22P1PP1P212V1V2VGambar 9.6 Grafik prosesadiabatik.Bab 9 Termodinamika201Contoh Soal1.Suatu gas ideal mengalami dua proses, yaitupemampatan isobarik, dilanjutkan pemuaianisotermal seperti ditunjukkan grafik disamping. Tentukan usaha yang dilakukan untukproses ABC!2.Suatu gas monoatomik dengan J = 23 dimampatkan secara adiabatikmemerlukan usaha sebesar 2u105 J. Volume mula-mula 15 m3 dengantekanan 2 atm. Berapakah volume akhir pada tekanan 1 atm?Uji Kemampuan 9.112100300200V (liter)P (atm)BAC1.Gas helium dengan volume 1,5 m3 dan suhu 27 oC dipanaskan secara isobariksampai 87 oC. Jika tekanan gas helium 2u105 N/m, berapakah usaha yangdilakukan oleh gas?Penyelesaian:Diketahui:T1=27 oC = 27+ 273 = 300 KV1=1,5 mT2=87 oC = 87 + 273 = 360 KP=2u105 N/m2Ditanya:W=... ?Jawab:11TV=22TV o 3005,1 = 3602V o V2 = 3005,1360u= 1,8 m3W=P (V2 – V1) = 2u105 (1,8 – 1,5) =6u104 J2.Suatu gas ideal mengalami proses isotermal sepertipada grafik P-V di samping. Tentukan usaha yangdilakukan oleh gas tersebut!Penyelesaian:Diketahui:VA=50 L = 0,05 m3VB=10 L = 0,01 m3PA=2u103 N/m2PB=4u103 N/m2Ditanya:W=... ?Jawab:WAB=nRT.lnABVVABVV=PA.VA .lnABVVABVV= 2u103 (0,05).ln 05,001,0 = (100)(-1,609) = -160,9 JP (N/m2)421050BAV (L)202Fisika XI untuk SMA/MAB.Hukum I TermodinamikaHukum I Termodinamika berkaitan dengan HukumKekekalan Energi untuk sebuah sistem yang sedangmelakukan pertukaran energi dengan lingkungan danmemberikan hubungan antara kalor, energi, dan kerja(usaha). Hukum I Termodinamika menyatakan bahwauntuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan ke dalamsistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadiperubahan energi. Jadi, dapat dikatakan bahwa Hukum ITermodinamika menyatakan adanya konsep kekekalanenergi.Energi dalam sistem merupakan jumlah total semuaenergi molekul pada sistem. Apabila usaha dilakukan padasistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan,maka energi dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya,energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukanusaha pada lingkungan atau sistem memberi kalor padalingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalampada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yangditerima dengan usaha yang dilakukan oleh sistem.U'= Q – W atau Q = U' + W................... (9.9)dengan:U'=perubahan energi dalam ( J)Q=kalor yang diterima ( J)W=usaha ( J)Usaha W positif jika sistem melakukan usaha dan negatifjika usaha dilakukan pada sistem. Kalor Q positif jika sistemmenerima kalor dan negatif jika sistem melepas kalor.Persamaan (9.9) dikenal dengan Hukum I Termodinamika.1.Penerapan Hukum I TermodinamikaPada bagian ini kita akan menggunakan Hukum ITermodinamika pada beberapa proses termodinamika,yaitu proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.Konsep tentang energi dalam untuk gas monoatomiksesuai dengan teorema ekipartisi energi yang telah dibahaspada bab sebelumnya.U= TRnTkN..23..23 Gambar 9.7 Sistem melakukanpertukaran energi denganlingkungan.Q > 0Q < 0W < 0W > 0lingkunganRudolf Julius Clausius,fisikawan Jerman, merupakanorang pertama yangmengemukakan HukumTermodinamika pada tahun1850.Next >