Memahami proses termodinamika yang berbeda dan bagaimana Anda menggunakan hukum pertama termodinamika dengan masing-masing sangat penting ketika Anda mulai mempertimbangkan mesin panas dan siklus Carnot.
Banyak dari proses yang diidealkan, jadi sementara mereka tidak secara akurat mencerminkan bagaimana hal-hal terjadi di dunia nyata, itu adalah perkiraan berguna yang menyederhanakan perhitungan dan membuatnya lebih mudah untuk menggambar kesimpulan. Proses ideal ini menggambarkan bagaimana keadaan gas ideal dapat mengalami perubahan.
Proses isotermal hanyalah salah satu contoh, dan fakta bahwa itu terjadi pada suhu tunggal menurut definisi secara drastis menyederhanakan bekerja dengan hukum pertama termodinamika saat Anda menghitung hal-hal seperti mesin panas proses.
Apa Itu Proses Isotermal?
Proses isotermal adalah proses termodinamika yang terjadi pada suhu konstan. Manfaat bekerja pada suhu konstan dan dengan gas ideal adalah Anda dapat menggunakan hukum Boyle dan hukum gas ideal untuk menghubungkan tekanan dan volume. Kedua ekspresi ini (karena hukum Boyle adalah salah satu dari beberapa hukum yang dimasukkan ke dalam hukum gas ideal) menunjukkan hubungan terbalik antara tekanan dan volume. Hukum Boyle menyiratkan bahwa:
P_1V_1 = P_2V_2
Dimana subskrip menunjukkan tekanan (P) dan volume (V) pada waktu 1 dan tekanan dan volume pada waktu 2. Persamaan menunjukkan bahwa jika volume menjadi dua kali lipat, misalnya, tekanan harus dikurangi setengahnya agar persamaan tetap seimbang, dan sebaliknya. Hukum gas ideal penuh adalah
PV=nRT
dimanatidakadalah jumlah mol gas,Radalah konstanta gas universal danTadalah suhu. Dengan jumlah gas yang tetap dan suhu yang tetap,PVharus mengambil nilai konstan, yang mengarah ke hasil sebelumnya.
Pada diagram volume-tekanan (PV), yang merupakan plot tekanan vs. volume sering digunakan untuk proses termodinamika, proses isotermal terlihat seperti grafikkamu = 1/x, melengkung ke bawah menuju nilai minimumnya.
Satu hal yang sering membingungkan orang adalah perbedaan antaraisotermalvs.adiabatik, tetapi memecah kata menjadi dua bagian dapat membantu Anda mengingatnya. "Iso" berarti sama dan "termal" mengacu pada panas sesuatu (yaitu, suhunya), jadi "isotermal" secara harfiah berarti "pada suhu yang sama." Proses adiabatik tidak melibatkan panastransfer, tetapi suhu sistem sering berubah selama mereka.
Proses Isotermal dan Hukum Pertama Termodinamika
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi dalam (U) untuk suatu sistem sama dengan kalor yang ditambahkan ke sistem (Q) dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem (W), atau dalam simbol:
U= Q - W
Ketika Anda berurusan dengan proses isotermal, Anda dapat menggunakan fakta bahwa energi internal berbanding lurus dengan suhu di samping hukum ini untuk menarik kesimpulan yang berguna. Energi dalam gas ideal adalah:
U = \frac{3}{2} nRT
Ini berarti bahwa untuk suhu konstan, Anda memiliki energi internal yang konstan. Jadi denganU= 0, hukum pertama termodinamika dapat dengan mudah diatur ulang menjadi:
Q=W
Atau dengan kata lain kalor yang ditambahkan ke sistem sama dengan kerja yang dilakukan oleh sistem, artinya kalor yang ditambahkan digunakan untuk melakukan kerja. Misalnya, dalam ekspansi isotermal, panas ditambahkan ke sistem, yang menyebabkannya memuai, melakukan kerja pada lingkungan tanpa kehilangan energi internal. Dalam kompresi isotermal, lingkungan bekerja pada sistem, dan menyebabkan sistem kehilangan energi ini sebagai panas.
Proses Isotermal di Mesin Panas
Mesin panas menggunakan siklus lengkap proses termodinamika untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik, biasanya dengan menggerakkan piston saat gas dalam mesin panas mengembang. Proses isotermal adalah bagian penting dari siklus ini, dengan energi panas tambahan yang sepenuhnya diubah menjadi kerja tanpa kehilangan apapun.
Namun, ini adalah proses yang sangat ideal, karena dalam praktiknya akan selalu ada energi yang hilang ketika energi panas diubah menjadi kerja. Agar dapat bekerja dalam kenyataan, diperlukan waktu yang tidak terbatas sehingga sistem dapat tetap berada dalam kesetimbangan termal dengan lingkungannya setiap saat.
Proses isotermal dianggap proses reversibel, karena jika Anda telah menyelesaikan suatu proses (misalnya, proses isotermal ekspansi) Anda dapat menjalankan proses yang sama secara terbalik (kompresi isotermal) dan mengembalikan sistem ke aslinya negara. Intinya, Anda dapat menjalankan proses yang sama maju atau mundur dalam waktu tanpa melanggar hukum fisika apa pun.
Namun, jika Anda mencoba ini dalam kehidupan nyata, hukum kedua termodinamika akan berarti ada peningkatan entropi selama proses "maju", sehingga yang "mundur" tidak akan sepenuhnya mengembalikan sistem ke aslinya negara.
Jika Anda memplot proses isotermal pada diagram PV, kerja yang dilakukan selama proses tersebut sama dengan luas area di bawah kurva. Meskipun Anda dapat menghitung kerja yang dilakukan secara isotermal dengan cara ini, seringkali lebih mudah menggunakan hukum pertama termodinamika dan fakta bahwa kerja yang dilakukan sama dengan kalor yang ditambahkan ke sistem.
Ekspresi lain untuk Pekerjaan yang Dilakukan dalam Proses Isothermal
Jika Anda melakukan perhitungan untuk proses isotermal, ada beberapa persamaan lain yang dapat Anda gunakan untuk menemukan pekerjaan yang dilakukan. Yang pertama adalah:
W = nRT \ln \bigg(\frac{V_f}{V_i}\bigg)
DimanaVf adalah volume akhir danVsaya adalah volume awal. Dengan menggunakan hukum gas ideal, Anda dapat mengganti tekanan dan volume awal (Psaya danVsaya) UntuknRTdalam persamaan ini untuk mendapatkan:
W = P_iV_i \ln \bigg(\frac{V_f}{V_i}\bigg)
Mungkin lebih mudah dalam banyak kasus untuk bekerja melalui panas yang ditambahkan, tetapi jika Anda hanya memiliki informasi tentang tekanan, volume atau suhu, salah satu persamaan ini dapat menyederhanakan masalah. Karena usaha adalah suatu bentuk energi, maka satuannya adalah joule (J).
Proses Termodinamika Lainnya
Ada banyak proses termodinamika lainnya, dan banyak di antaranya dapat diklasifikasikan dengan cara yang mirip dengan proses isotermal, kecuali bahwa kuantitas selain suhu konstan. Proses isobarik adalah proses yang terjadi pada tekanan konstan, dan karena ini, gaya yang diberikan pada dinding wadah adalah konstan, dan pekerjaan yang dilakukan diberikan olehW = P∆V.
Untuk gas yang mengalami pemuaian isobarik, perlu ada perpindahan panas untuk menjaga tekanan tetap konstan, dan panas ini mengubah energi internal sistem serta melakukan kerja.
Proses isokhorik terjadi pada volume konstan. Hal ini memungkinkan Anda untuk membuat penyederhanaan dalam hukum pertama termodinamika, karena jika volumenya konstan, sistem tidak dapat melakukan kerja pada lingkungan. Akibatnya, perubahan energi internal sistem sepenuhnya disebabkan oleh panas yang ditransfer.
Proses adiabatik adalah proses yang terjadi tanpa pertukaran panas antara sistem dan lingkungan. Ini tidak berarti bahwa tidak ada perubahan suhu dalam sistem, karena proses dapat menyebabkan kenaikan atau penurunan suhu tanpa perpindahan panas langsung. Namun, tanpa perpindahan panas, hukum pertama menunjukkan bahwa setiap perubahan energi internal harus disebabkan oleh kerja yang dilakukan pada sistem atau oleh sistem, karena ia mengaturQ= 0 dalam persamaan.