Hukum I Termodinamika dan Contoh Soal -

GuruOnlinee.com – Halo sobat cerdas, dalam artikel ini kita akan membahas tentang Hukum I Termodinamika. Apa sih itu Hukum I Termodinamika? Bagaimana cara menjawab soal-soal Fisika terkait Hukum I Termodinamika? Untuk mengetahuinya, yuk simak penjelasan berikut!

Daftar Isi

Termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang membahas tentang hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Secara spesifik, cabang ini menjelaskan tentang panas, usaha, suhu, dan perilaku statistik dari sistem yang terdiri dari banyak partikel.

Hukum I Termodinamika

Berikut bunyi Hukum I Termodinamika:

Dalam sebuah sistem tertutup, perubahan energi dalam sistem tersebut akan sama dengan banyaknya kalor yang masuk ke dalam sistem dikurangi usaha yang dilakukan oleh sistem tersebut.

Hukum I Termodinamika berkaitan dengan cara suatu sistem memperoleh energi dalam dari lingkungan atau kehilangan energi dalam ke lingkungan. Perhatikan gambar berikut:

Misalkan ketika sistem memperoleh kalor Q dari lingkungan, kalor tersebut digunakan untuk menaikkan suhu sistem dari suhu awal T₁ menjadi T₂, Q tersebut mengubah energi dalam sistem dari U₁ menjadi U₂, dengan U₂ > U₂ karena T₂ > T₁. Hal tersebut sejalan dengan hukum Kekekalan Energi yang menyatakan bahwa “Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, energi hanya dapat diubah”. Maka dengan demikian perubahan Energi dalam sistem dapat ditulis dengan :

ΔU = U₂ – U₁ = Q

Kalor Q bernilai positif jika sistem memperoleh kalor, dan Kalor Q bernilai negatif jika sistem memberi kalor.

Jika ketika sistem melakukan usaha W pada lingkungan, maka suhu sistem akan berkurang dari suhu awal T₁ menjadi T₂ (T₁ > T₂), hal tersebut mengakibatkan Energi dalam berkurang dari energi awal U₁ menjadi U₂ (U₁ > U₂). Hal tersebut sesuai dengan hukum kekekalan energi. Berikut persamaan matematisnya:

ΔU = U₂ – U₁ = -W

Usaha W bernilai positif jika usaha dilakukan oleh sistem, dan Usaha w bernilai negatif jika usaha dilakukan pada sistem.

Namun, ketika sistem memperoleh kalor Q dan juga melakukan usaha W secara bersamaan, maka perubahan Energi dalam suatu sistem dapat ditulis dengan:

ΔU = U₂ – U₁ = Q – W

Persamaan di atas kenal dengan rumus Hukum I Termodinamika. Hukum I Termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor, usaha dan energi dalam.

Keterangan :

ΔU : Perubahan energi dalam (J)

U₁ : Energi dalam awal (J)

U₁ : Energi dalam akhir (J)

Q : Kalor (J)

W : Usaha (J)

T₁ : Suhu awal (K)

T₂ : Suhu akhir (K)

Proses-proses pada Hukum I Termodinamika

1. Isobarik

Proses isobarik adalah perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap. Apabila sejumlah kalor diberikan kepada sistem dengan tekanan tetap, volumenya akan bertambah seiring pertambaham kalor yang masuk. Ini berarti sistem melakukan usaha. Berdasarkan Hukum I Termodinamika, maka persamaan yang dapat diperoleh adalah :

ΔU = Q – W

$\framebox{\text{ΔU = Q - W}}$

Berikut grafik proses isobarik:

Besar usaha W dapat diketahui dengan menghitung luas daerah yang diarsir diatas, atau dengan rumus seperti berikut:

$\framebox{\text{W = PΔV}}$

2. Isotermal

Proses isotermal adalah perubahan keadaan sistem pada suhu yang tetap. Sehingga suhu awal gas T₁ sama dengan suhu akhir T₂ (T₁ = T₂), dengan demikian ΔU = nRΔUT = 0. Berdasarkan Hukum I Termodinamika, maka persamaan yang dapat diperoleh adalah :

ΔU = Q – W

0 = Q – W

$\framebox{\text{Q = W}}$

Berikut grafik proses isotermal:

Besar usaha W dapat diketahui dengan menghitung luas daerah yang diarsir diatas, atau dengan rumus seperti berikut:

$\framebox{\text{W = nRT ln(V2/V1)}}$

3. Isokhorik

Proses isokhorik adalah perubahan keadaan sistem pada volume yang tetap. Sehingga volume awal gas V₁ sama dengan volume akhir V₂ (V₁ = V₂ atau ΔV = 0), Sehingga W = PΔV = 0. Berdasarkan Hukum I Termodinamika, maka persamaan yang diperoleh adalah :

ΔU = Q – W

ΔU = Q – 0

$\framebox{\text{ΔU = Q}}$

Berikut grafik proses isokhorik:

Besar usaha W pada proses isokhorik adalah nol (0).

4. Adiabatik

Proses Adiabatik adalah perubahan keadaan sistem tanpa ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Berdasarkan Hukum I Termodinamika, maka persamaan yang diperoleh adalah :

ΔU = Q – W

ΔU = 0 – W

$\framebox{\text{ΔU = W}}$

Berikut grafik proses adiabatik:

Grafik proses adiabatik lebih landai dibandingkan dengan grafik proses isotermal. Besar usaha W dapat diketahui dengan menghitung luas daerah yang diarsir diatas, atau dengan menggunakan rumus seperti berikut:

$\framebox{\text{W = 3/2 nRT ln(T1 - T2)}}$

Contoh Soal

Pada gas ideal yang mengalami ekspansi isobarik pada tekanan tetap P, suhu gas berubah dari T₁ ke T₂. Jika volume gas pada suhu T₁ dan V₁.Besarnya usaha yang dilakukan pada ekspensi isobarik adalah….

Penyelesaian :

Diketahui :

P, T₁, T₂, dan V₁

Ditanyakan :

W = . . . ?

Rumus:

W = PΔV

W = P(V₂ – V₁)

Cari dulu V₂, dengan menggunakan persamaan hukum Charles serta meng:

$\frac{V_1}{T_1}=\frac{V_2}{T_2}$