HUKUM 1 TERMODINAMIKA DAN PANAS

PANAS DAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

• Panas adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lain karena beda temperatur. Kapasitas panas suatu zat adalah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur zat dengan satu derajat. Panas jenis adalah kapasitas panas per satuan massa. Kalori, yang pada mulanya didefinisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur satu gram air dengan satu derajat Celcius, sekarang didefinisikan sebagai 4,184 joule. Panas jenis air adalah 4,184 kJ/kg.K.
• Panas yang dibutuhkan untuk mencairkan suatu zat adalah hasil kali massa zat itu dan panas laten peleburan L_f :

Q=mL_f

Panas yang dibutuhkan untuk menguapkan cairan adalah hasil kali massa cairan dan panas laten penguapan L_v :

Q = mL_v

Pencairan dan penguapan terjadi pada temperatur konstan. Untuk air,L_f=333,5 kJ/kg dan L_v=2257 kJ/kg. Panas yang dibutuhkan untuk mencairkan 1 g es atau untuk menguapkan 1 g air adalah besar dibandingkan dengan panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 g air sebanyak satu derajat.

• Ketiga mekanisme transfer energi termis adatah konduksi, konveksi, dan radiasi.
• Laju konduksi energi termis diberikan oleh

dengan 1 adalah arus termis dan k adalah koefisien konduktivitas termis. Persamaan ini dapat ditulis

∆T=IR

dengan R adalah resistansi termis:

Resistansi termis untuk satuan luasan bahan lempengan dinamakan factor R yaitu R_f :

Resistansi termis ekivalen dari deretan resistansi terrnis yang dihubungkan secara seri sama dengan jumlah masing-masing resistansi :

R_ek =R₁ +R₂ + ….. resistansi seri

Resistansi termis ekivalen untuk resistansi termis yang dihubungkan secara paralel dibenkan oleh :

• Laju radiasi termis satu benda diberikan oleh

P=eσAT⁴

dengan σ = 5,6703x10^-8 W/m².K⁴ adalah konstanta Stefan, dan eadalah emisivitas, yang bervariasi antara 0 dan 1 tergantung pada komposisi permukaan benda. Bahan-bahan yang merupakan absorber panas yang baik adalah radiator panas yang baik. Sebuah benda hitam mempunyai emisivitas 1. Benda ini merupakan radiator yang sempuma, dan menyerap semua radiasi yang datang padanya. Daya termis neto yang diradiasi oleh sebuah benda pada temperatur Tdalam suatu Iingkungan pada temperatur T₀ diberikan oleh

Spektrum energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda hitam mempunyai maksimum pada panjang gelombang λ_maks, yang berubah secara terbalik dengan temperatur absolut benda :

Ini dikenal sebagai hukum pergeseran Wien.

• Untuk semua mekanisme transfer panas, jika beda temperatur antara benda dan sekitarnya adalah kecil, maka laju pendinginan sebuah benda hampir sebanding dengan beda temperatur. Hasil ini dikenal sebagai hukum pendinginan Newton.
• Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan kekekalan energi. Pernyataan ini mengatakan bahwa panas neto yang ditabahkan pada suatu system sama dengan perubahan energi internal system ditambah usaha yang dilakukan oleh system :

Q = ∆U + W

Energi internal system adalah sifat keadaan system, seperti halnya tekanan, volume, dan temperatur, tetapi tidak demikian halnya dengan panas dan usaha.

• Energi internal gas ideal hanya tergantung pada temperatur absolut T
• Proses kuasi static adatah proses yang terjadi secara Iambat agar system berubah lewat serangkaian keadaan setimbang. Sebuah proses adalah isobaric jika tekanan tetap konstan, isotermis jika temperatur tetap konstan, dan adiabatic jika tidak ada panas yang ditransfer. Untuk ekspansi gas ideal secara adiabatic kuasi static, tekanan, dan volume dihubungkan oleh

PV ^γ = konstan

dengan γ adalah rasio kapasitas panas pada tekanan konstan terhadap kapasitas panas pada volume konstan :

• Bila sebuah system berekspansi secara kuasi static, usaha yang dilakukan oleh system diberikan oleh

Usaha yang dilakukan oleh gas dapat dinyatakan secara grafis sebagai luasan di bawah kurva P versus V. Usaha ini dapat dihitung jika P diketahui sebagai fungsi V untuk ekspansi tersebut. Untuk ekspansi isotermis gas ideal, usaha yang dilakukan oleh gas adalah

Untuk ekspansi adiabatic gas ideal, usaha yang dilakukan oleh gas adalah

• Kapasitas panas pada volume konstan dihubungkan dengan perubahan energi internal oleh

Untuk gas ideal, kapasitas panas pada tekanan konstan lebih besar daripada kapasitas panas pada volume konstan dengan jumlah nR :

Kapasitas panas pada tekanan konstan lebih besar karena gas yang dipanaskan pada tekanan konstan berekspansi dan melakukan usaha, sehingga mengambil jumlah panas yang lebih banyak untuk mencapai perubahan temperatur yang sama.

Kapasitas panas pada volume konstan untuk gas monoatomik adalah

Untuk gas diatomik, besamya adalah

• Teorema ekipartisi menyatakan bahwa bila sebuah system ada dalam keadaan setimbang, maka terdapat energi rata-rata sebesar         per molekul atau        per mole yang dikaitkan dengan tiap derajat kebebasan. Gas monoatomik mempunyai tiga derajat kebebasan, yang dikaitkan dengan energi kinetik translasi dalam tiga dimensi. Gas diatomic mempunyai dua derajat kebebasan tambahan, yang dikaitkan dengan rotasi terhadap sumbu-sumbu yang tegak lurus dengan garis yang menghubungkan atom-atom itu.
• Kapasitas panas molar kebanyakan padatan adalah 3R, sebagai hasil yang dikenal sebagai hukum Dulong — Petit. Hasil ini dapat dimengerti dengan menerapkan teorema ekipartisi pada model padatan di mana tiap atom dalam padatan dapat bervibrasi dalam tiga dimensi, dan karena itu mempunyai enam derajat kebebasan total, tiga dikaitkan dengan energi kinetik vibrasi dan tiga dengan energi potensial vibrasi.