Konsep Hukum I Termodinamika

Termodinamika Atmosfer: Menyelami Fisika Pada Proses di Atmosfer

Daftar Isi

1. Hukum Tentang Gas

2. Persamaan Hidrostatik

3. Hukum Pertama Termodinamika - Panas dan Kerja Sistem

4. Proses Adiabatik

5. Uap Air dalam Udara

6. Stabilitas Statis

7. Hukum Kedua Termodinamika

Referensi:

Diterjemahkan dan dikembangkan dari: Atmospheric Thermodynamics, Jeremy A. Gibbs, https://gibbs.science/ teaching/efd/handouts /wallace_hobbs_ch3.pdf.

III. Hukum Pertama Termodinamika - Panas dan Kerja Sistem

Konsep Hukum I Termodinamika

Penjelasan Hukum I

Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan tentang kekekalan energi, mempertimbangkan konversi antara berbagai bentuk yang dapat diambilnya dan pertukaran energi antara suatu sistem dan lingkungannya yang dapat terjadi melalui transfer panas dan pelaksanaan kerja mekanik.

Formulasi umum dari hukum pertama termodinamika berada di luar lingkup teks ini karena membutuhkan pertimbangan terhadap hukum kekekalan, tidak hanya untuk energi, tetapi juga untuk momentum dan massa.

Bab ini menyajikan formulasi yang disederhanakan yang mengabaikan energi kinetik dan potensial makroskopis (yaitu, energi yang molekul udara miliki karena ketinggian mereka di atas permukaan laut dan gerakan fluida yang terorganisir).

Selain energi kinetik dan potensial makroskopis yang mungkin dimiliki oleh suatu sistem secara keseluruhan, sistem juga mengandung energi internal yang disebabkan oleh energi kinetik dan potensial molekul atau atomnya.

Peningkatan energi kinetik internal dalam bentuk gerakan molekular termanifestasi sebagai peningkatan suhu sistem, sementara perubahan energi potensial molekul disebabkan oleh perubahan posisi relatif mereka melalui gaya-gaya yang bekerja antar molekul.

Misalkan suatu sistem tertutup dengan massa satuan menyerap sejumlah tertentu energi termal \(q\) (diukur dalam joule), yang dapat diterimanya melalui konduksi termal dan/atau radiasi. Akibatnya, sistem dapat melakukan sejumlah tertentu kerja eksternal \(w\) (juga diukur dalam joule).

Kelebihan energi yang disuplai ke sistem melebihi kerja eksternal yang dilakukan oleh sistem tersebut adalah \(q - w\).

Oleh karena itu, jika tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial makroskopis dalam sistem, mengikuti dari prinsip kekekalan energi bahwa energi internal sistem harus meningkat sebesar \(q - w\). Yaitu:

\[ q - w = u_{2} - u_{1} \tag{33} \]

di mana \(u_{1}\) dan \(u_{2}\) adalah energi internal sistem sebelum dan setelah perubahan. Dalam bentuk diferensial (33) menjadi:

\[ dq - dw=du \tag {34} \]

di mana \(dq\) adalah pertambahan panas diferensial yang ditambahkan ke sistem, \(dw\) adalah elemen differensial dari kerja yang dilakukan oleh sistem, dan \(du\) adalah pertambahan differensial energi internal sistem.

Persamaan (33) dan (34) adalah pernyataan dari Hukum Pertama Termodinamika. Faktanya, persamaan (34) memberikan definisi dari \(du\).

Perubahan energi internal \(du\) hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem dan oleh karena itu tidak tergantung pada cara sistem diubah antara kedua keadaan ini. Parameter-parameter tersebut disebut sebagai fungsi keadaan (*17).

Fungsi keadaan

Baik kalor q maupun kerja w bukanlah fungsi keadaan, karena nilainya bergantung pada bagaimana suatu sistem diubah dari satu keadaan ke keadaan lainnya.

Misalnya, suatu sistem mungkin menerima atau tidak menerima panas dan mungkin juga tidak melakukan kerja eksternal saat mengalami transisi antar keadaan yang berbeda.

Untuk memvisualisasikan istilah kerja \(dw\) dalam persamaan (34) dalam kasus sederhana, pertimbangkan suatu zat, sering disebut sebagai zat kerja, yang terkandung dalam sebuah silinder dengan luas penampang tetap yang dilengkapi dengan piston yang dapat bergerak tanpa gesekan (Gambar 4). 

Gambar 4. Representasi keadaan zat kerja dalam sebuah silinder pada diagram p–V. Kerja yang dilakukan oleh zat kerja dalam berpindah dari P ke Q adalah \(p \, dV\), yang sama dengan area berwarna biru.

Volume zat tersebut berbanding lurus dengan jarak dari dasar silinder hingga wajah piston dan dapat direpresentasikan pada sumbu horizontal grafik yang ditunjukkan pada Gambar 4. Tekanan zat dalam silinder dapat direpresentasikan pada sumbu vertikal grafik ini.

Oleh karena itu, setiap keadaan zat, yang sesuai dengan posisi piston yang diberikan, direpresentasikan oleh suatu titik pada diagram tekanan-volume (p–V). Ketika zat berada dalam keseimbangan pada keadaan yang direpresentasikan oleh titik P pada grafik, tekanannya adalah \(p\) dan volumenya adalah \(V\) (Gambar 4). 

Jika piston bergerak keluar melalui jarak inkremental \(dx\) sementara tekanannya tetap pada dasarnya konstan pada \(p\), kerja \(dW\) yang dilakukan oleh zat dalam mendorong gaya eksternal \(F\) melalui jarak \(dx\) adalah:

\[dW= F\ dx\]

atau, karena \(F = pA\) di mana \(A\) adalah luas penampang wajah piston,

\[ dW = pA\ dx = p\ dV  \]

(35)

Dengan kata lain, kerja yang dilakukan oleh zat ketika volumenya meningkat oleh inkremental kecil \(dV\) sama dengan tekanan zat dikalikan dengan peningkatan volumenya, yang sama dengan area yang berwarna biru pada grafik yang ditunjukkan pada Gambar 4; yaitu, itu sama dengan area di bawah kurva PQ.

Ketika zat berpindah dari keadaan A dengan volume \(V_{1}\) ke keadaan B dengan volume \(V_{2}\) (Gambar 4), selama itu tekanannya \(p\) berubah, kerja \(W\) yang dilakukan oleh bahan tersebut sama dengan area di bawah kurva AB. Yaitu:

\[ W = \int_{V_{1}}^{V_{2}} p \, dV \tag {36} \]

Persamaan (35) dan (36) sangat umum dan mewakili kerja yang dilakukan oleh zat apa pun (atau sistem) karena perubahan volumenya.

Jika \(V_{2} > V_{1}\), \(W\) positif, menunjukkan bahwa zat melakukan kerja pada lingkungannya. Jika \(V_{2} < V_{1}\), \(W\) negatif, yang menunjukkan bahwa lingkungan melakukan kerja pada zat.

Diagram p-V yang ditunjukkan pada Gambar 4 adalah contoh dari diagram termodinamika di mana keadaan fisik suatu zat direpresentasikan oleh dua variabel termodinamika. Diagram semacam itu sangat berguna dalam meteorologi; kita akan membahas contoh-contoh lainnya nanti dalam bab ini.

Jika kita berurusan dengan massa satuan dari suatu zat, volume \( V \) digantikan oleh volume spesifik \( \alpha \).

Oleh karena itu, kerja \( dw \) yang dilakukan ketika volume spesifik meningkat sebesar \( d\alpha \) adalah:

\[ dw = p \, d\alpha \tag {37} \]

Kombinasi dari (34) dan (37) menghasilkan:

\[ dq = du + p \, d\alpha \tag {38} \]

yang merupakan pernyataan alternatif dari hukum pertama termodinamika.

Catatan:
Asumsi yang digunakan di sini bahwa satu-satunya kerja yang dilakukan oleh atau pada suatu sistem disebabkan oleh perubahan volume sistem.

Ada cara lain di mana suatu sistem dapat melakukan kerja, misalnya, dengan menciptakan luas permukaan baru antara dua fase (seperti antara cairan dan udara saat film sabun terbentuk).

Kecuali dinyatakan sebaliknya, kita tetap mengasumsikan bahwa kerja yang dilakukan oleh atau pada suatu sistem sepenuhnya disebabkan oleh perubahan volume sistem. alert-info

Climate4life.info mendapat sedikit keuntungan dari penayangan iklan dan digunakan untuk operasional blog ini.

Jika menurut anda artikel ini bermanfaat, maukah mentraktir kami secangkir kopi melalu "trakteer id"?