KALOR 2 Gas Ideal

1
KALOR 2 Gas Ideal Hukum Termodinamika 1
2
Fenomena

• Gelembung air semakin membesar ketika bergerak ke
  atas
• Bagaimana Anda menerangkan fenomena ini ?

3
Hukum Gas

• Prinsip pemuaian tidak mampu menjelaskan ekspansi
  gas
• Ketika gas memuai akan mengisi ruangan
• Volume gas juga tergantung pada tekanan
• Perlu mencari hubungan antara volume, tekanan,
  temperatur dan massa ? Persamaan Keadaan
• Ketika keadaan sistem berubah ? akan menunggu
  sampai terjadi keadaan setimbang

4
Balon disiram nitrogen cair

• Melembung
• ditiup (diisi oleh molekul gas, massa m)
• mempunyai volume (V)
• bentuknya tetap Pi Po
• Disiram Nitrogen cair
• temperaturnya (T) diturunkan

5
Hukum gas ideal

• Robert Boyle (1627-1691)
• Pada temperatur konstan ? P gtgt bila V ltlt dan
  sebaliknya
• P berbanding terbalik dgn V ? PV konstan
• Berlaku pada hampir semua gas dengan kerapatan
  rendah

6

• Jacques Charles (1746-1823) Gay Lussac
  (1778-1850)
• Pada kerapatan rendah, untuk gas
• Temperatur absolut sebanding dengan tekanan pada
  volume konstan
• Temperatur absolut sebanding dengan volume pada
  tekanan konstan
• PV CT
• C sebanding dengan jumlah gas sehingga
• PV NkT
• N jumlah molekul gas
• k konstanta Boltzman 1,381 x 10-23 J/K

7

• Terkadang lebih mudah menyatakan jumlah gas
  dalam mol daripada dalam molekul sehingga
• PV nRT
• N n NA
• NA bilangan avogadro 6,022 x 1023 molekul/mol
• n jumlah mol gas
• R konstanta gas umum
• 8,314 J/mol.K
• 0,08206 L.atm/mol.K

8

• Gas ideal didefinisikan sebagai gas dimana PV/nT
  konstan untuk seluruh tekanan.
• Persamaan keadaan gas ideal
• PV nRT
• Massa molar M, massa 1 mol unsur/senyawa
• Massa molar 12C 12 g/mol
• Massa n mol gas m nM
• Kerapatan gas ideal
• Pada temperatur tertentu,
• kerapatan gas ideal sebanding
• dengan tekanan
• Perilaku gas ideal ? perilaku gas nyata pada
  kerapatan dan tekanan rendah
• Untuk sejumlah gas tertentu PV/T konstan,
  sehingga dapat ditulis

9
Interpretasi molekuler tentang temperatur teori
kinetik gas

• Temperatur gas adalah ukuran energi kinetik rata2
  molekul2 gas
• Asumsi-asumsi
• Gas terdiri dari sejumlah molekul yang
  bertumbukan elastik satu sama lain dan dgn
  dinding wadah
• Molekul terpisah secara rata2 oleh jarak yang
  besar dibandingkan dgn diameter masing2 dan tidak
  saling memberikan gaya kecuali bila bertumbukan ?
  gas ideal
• Tanpa adanya gaya eksternal, tidak ada posisi
  yang dicenderungi oleh molekul dalam wadah dan
  tidak ada kecenderungan arah vektor kecepatan

10

• Energi kinetik rata2 (translasi) untuk gerak satu
  arah (sb x saja)
• Energi kinetik translasi molekul rata2
  (temperatur menjadi ukuran)
• Energi kinetik translasi total n mol gas
  mengandung N molekul
• Kelajuan rata2

11
Contoh soal

• 100 g CO2 menempati volume 55 L pada tekanan 1
  atm(576)
• Carilah temperaturnya
• Jika volume ditambah menjadi 80 L dan temperatur
  dijaga konstan, berapa tekanan yang baru
• Gas oksigen (O2) mempunyai massa molar sekitar 32
  g/mol dan gas hidrogen (H2) mempunyai massa molar
  2 g/mol. Tentukanlah (579)
• Kelajuan rata2 molekul oksigen
• Kelajuan rata2 molekul hidrogen jika
  temperaturnya 300 K

12
Hukum Pertama Termodinamika

• Pernyataan kekekalan energi
• Percobaan Joule
• Dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanik untuk
  menaikkan temperatur 1 g air 1oC
• 4,18 J 1 kal energi panas ? ekivalensi mekanis
  dari panas
• Cara lain pakai generator listrik, melepas air
  jatuh dari ketinggian tertentu
• Usaha yang dilakukan harus menjadi pertambahan
  energi internal sistem (perubahan
  temperatur/perubahan fasa)

13
contoh

• Bila sebuah tabung air yang terisolasi secara
  termis dijatuhkan dari ketinggian h dan membentur
  tanah secara tak elastis, berapa h agar
  temperatur air naik 1 oC?
• Agar temperatur naik 1 oC maka energi internal
  air harus naik 4,18 J utk tiap gram air.
• mgh m (4,18kJ/kg)
• h 426 m

14
Hukum Pertama Termodinamika

• Panas neto yang ditambahkan pada suatu sistem
  sama dengan perubahan energi internal sistem
  ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem.
• Q ?U W
• Q ? panas masuk ke sistem
• - ? panas keluar dari sistem
• U energi internal sistem
• W ? usaha dilakukan oleh sistem
• - ? usaha dilakukan pada sistem

15
contoh

• Sebuah pemanas air menggunakan listrik sebagai
  sumbernya digunakan untuk memanaskan 3 kg air
  pada 80oC. Usaha yang diberikan filamen pemanas
  25 kJ sementara panas yang terbuang karena
  konduksi sebesar 15 kkal. Berapa perubahan energi
  internal sistem dan temperatur akhir ?
• Panas terbuang 15 kkal 62,7 kJ
• Q ?U W
• -62,7 kJ ?U -25 kJ ? ?U -37,7 kJ
• T 76,9oC

16

• U ? sifat sistem, tergantung keadaan sistem
• Sistem (P1 V1) diperlakukan ? P2 V2 U2 T2 jika
  dikembalikan ke kondisi awal maka P1 V1 serta T1
  dan U1
• Q dan W bukan fungsi keadaan sistem.
• Untuk jumlah besaran Q, U dan W yang sangat kecil
  dQ dU dW

17
Energi internal gas ideal

• Temperatur gas ideal dihubungkan dengan energi
  kinetik translasi molekul2 gas
  K 3/2 nRT
• Jika energi translasi ini diambil sbg energi
  internal total gas, maka U hanya tergantung pada
  temperatur tidak pada volume atau tekanan U
  3/2 nRT
• Jika ada energi lain maka pers U akan berharga
  lain dr pers di atas, misal ada gaya tarik
  menarik antar molekul.

18
Percobaan Joule

• Apakah energi internal tergantung volume?
• A gas, B kosong, sistem terisolasi termis dan
  tidak ada usaha yang bekerja oleh dan pada
  sistem.
• Kran dibuka, gas dr A menerobos ke B ? ekspansi
  bebas, lalu gas mencapai kesetimbangan
• Uawal Uakhir ? temperatur konstan
• Volume bertambah ?energi potensial krn gaya tarik
  naik ? energi kinetik translasi turun ?
  temperatur turun
• Eksperimen Joule ? temperatur konstan, hanya
  berlaku utk gas ideal (kerapatan rendah)
• Energi internal hanya tergantung pada temperatur

19
Usaha dan diagram PV untuk gas

• Usaha mesin2 ? mengubah energi termis menjadi
  usaha yg dapat dipakai
• Gas berekspansi ? menggerakkan piston
• Mesin uap, uap panas menggerakkan piston
• Mesin bensin, uap bensin udara meledak,
  ekspansi yang cepat

20

• Piston digerakkan perlahan, maka gas akan
  mengembang/merapat tanpa pernah jauh dari keadaan
  kesetimbangan ? proses kuasi-statik
• Tidak ada percepatan pada gerak piston, ada gaya
  eksternal PA yang mendorong melawan piston, maka
  kerja yang dilakukan gas pada piston
• dW F dx PA dx P dV
• Kompresi ? dV negatif, usaha dilakukan pada gas
• Ekspansi ? dV positif, usaha dilakukan oleh gas
• Usaha ? diagram PV

21

• Usaha luas daerah di bawah kurva
• Ekspansi isobarik
• 1 L.atm 101,3 J
• Persamaan gas ideal PV nRT

22
contoh

• Gas ideal P1V1 P2V2 nRT (temperatur akhir
  sama)
• Lintasan A, gas dipanaskan, volume membesar V2
  lalu didinginkan, tekanan menurun P2. Usaha P1(V2
  V1)
• Lintasan B, gas didinginkan, tekanan turun P2
  lalu dipanaskan dgn tekanan konstan, volume
  membesar V2. Usaha P2(V2-V1)
• Lintasan C, tekanan dan volume berubah sepanjang
  proses, temperatur konstan ? ekspansi isotermis

23
Proses siklis

• Usaha yang dilakukan dan panas yang diberikan
  hanyalah tergantung pada bagaimana sebuah sistem
  berubah dari satu keadaan ke keadaan lain, tetapi
  perubahan energi internal tidak bersifat demikian
• WAB P(VB VA) 2 L.atm
• WCD P(VD-VC) -1 L.atm
• Usaha neto WAB WCD 1 L.atm
• Jika energi internal konstan maka harus
  ditambahkan panas sebesar 1 L.atm

24
Proses Isotermal

• Selama proses temperatur sistem tetap konstan

25
Proses Isotermal

• Misalkan suatu gas ideal berada pada kontainer
  dengan piston yang bebas bergerak
• Saat awal keadaan sistem (gas) pada titik A
• Ketika Q diberikan pada sistem ? terjadi ekspansi
  ke B
• Temperatur (T) dan massa gas (m) konstan selama
  proses

Hk. Termodinamika ke-1 ?U Q W 0
W Q
26
Proses Adiabatik

• Selama proses tidak terjadi transfer panas yang
  masuk atau keluar sistem

Proses adiabatik terjadi pada sistem terisolasi
atau dapat terjadi pada sistem yang mempunyai
proses yang sangat cepat
Q 0
Hk. ke-1 ?U Q W 0
?U - W
27
Proses Adiabatik

• Perbedaan Diagram PV untuk gas Ideal antara
  proses adiabtik ( 1 2 ) dan isotermal

28
Proses Isobarik

• Selama proses tidak terjadi perubahan tekanan
  pada sistem

Pada umumnya terjadi pada sistem yang mempunyai
kontak langsung dengan tekanan atmosfer bumi yang
dianggap konstan (misal reaksi biokimia)
29
Proses Isokhorik

• Selama proses volume sistem tidak mengalami
  perubahan
• Disebut juga proses volume konstan, isometrik,
  isovolumik

Proses ini terjadi pada sistem yang mempunyai
volume (wadah) yang kuat, tertutup dan tidak
dapat berubah
V 0 , jadi W 0
Hk. ke-1 ?U Q W 0
?U Q
30

• SR-71 Blackbird dengan panjang 107 feet 5 inch
  adalah salah satu pesawat tercepat di dunia. Pada
  ketinggian 80.000 feet kecepatannya dapat
  mencapai mach 3. Ketika mendarat setelah
  penerbangan yang jauh pesawat ini sekitar 30
  menit sangat panas untuk disentuh dan ternyata
  panjangnya bertambah 6 inch dibanding ketika take
  off. Jika koefisien muai linier blackbird 24 x
  10-6 K-1 dan suhu ketika take off 23oC, berapa
  suhu blackbird ketika baru saja mendarat?
• What mass of steam initially at 130C is needed
  to warm 200 g of water in a 100-g glass container
  from 20.0C to 50.0C? What if the final state of
  the system is water at 100C? Would we need more
  or less steam?
• Suppose 1.00 g of water vaporizes isobarically at
  atmospheric pressure (1.013 x 105 Pa). Its volume
  in the liquid state is Vi Vliquid 1.00 cm3,
  and its volume in the vapor state is Vf Vvapor
  1 671 cm3. Find the work done in the expansion
  and the change in internal energy of the system.
  Ignore any mixing of the steam and the
  surrounding airimagine that the steam simply
  pushes the surrounding air out of the way.
• Sebuah pemanas listrik memiliki daya 3 kW
  digunakan untuk mendidihkan 1,5 kg air dengan
  suhu 18oC. Berapakah energi yang diperlukan untuk
  menaikkan suhu air hingga titik didihnya? Berapa
  waktu yang diperlukan untuk mencapai titik didih
  air?

kuis
31
Mesin 4 langkah