Hukum termodinamika adalah beberapa hukum yang paling penting dalam semua fisika, dan memahami bagaimana menerapkan masing-masing dari mereka adalah keterampilan penting untuk setiap siswa fisika.
Hukum pertama termodinamika pada dasarnya adalah pernyataan tentang kekekalan energi, tetapi ada banyak kegunaan untuk formulasi khusus ini Anda harus memahami jika Anda ingin menyelesaikan masalah yang melibatkan hal-hal seperti panas mesin.
Mempelajari apa itu proses adiabatik, isobarik, isokhorik, dan isotermal, dan bagaimana menerapkan hukum pertama termodinamika dalam situasi ini, membantu Anda menggambarkan secara matematis perilaku sistem termodinamika seperti itu berkembang dalam waktu.
Energi Internal, Usaha dan Panas
Hukum pertama termodinamika – seperti hukum termodinamika lainnya – membutuhkan pemahaman tentang beberapa istilah kunci. Ituenergi dalam sistemadalah ukuran energi kinetik total dan energi potensial dari sistem molekul yang terisolasi; intuitif, ini hanya mengukur jumlah energi yang terkandung dalam sistem.
Kerja termodinamikaadalah jumlah kerja yang dilakukan sistem terhadap lingkungan, misalnya, dengan ekspansi gas yang diinduksi panas yang mendorong piston keluar. Ini adalah contoh bagaimana energi panas dalam proses termodinamika dapat diubah menjadi energi mekanik, dan ini adalah prinsip inti di balik pengoperasian banyak mesin.
Gantinya,panasatauenergi termaladalah transfer energi termodinamika antara dua sistem. Ketika dua sistem termodinamika bersentuhan (tidak dipisahkan oleh isolator) dan berada pada suhu yang berbeda, perpindahan panas terjadi dengan cara ini, dari benda yang lebih panas ke yang lebih dingin. Ketiga besaran ini adalah bentuk energi, dan diukur dalam joule.
Hukum Pertama Termodinamika
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa kalor yang ditambahkan ke sistem menambah energi internalnya, sedangkan kerja yang dilakukan oleh sistem mengurangi energi internal. Dalam simbol, Anda menggunakanUmenyatakan perubahan energi dalam,Quntuk berdiri untuk perpindahan panas danWuntuk pekerjaan yang dilakukan oleh sistem, sehingga hukum pertama termodinamika adalah:
U = Q - W
Oleh karena itu, hukum pertama termodinamika menghubungkan energi internal sistem dengan dua bentuk energi transfer yang dapat terjadi, dan karena itu dianggap sebagai pernyataan hukum kekekalan energi.
Setiap perubahan energi internal sistem berasal dari perpindahan panas atau kerja yang dilakukan, dengan perpindahan panas heatuntuksistem dan kerja yang dilakukandisistem meningkatkan energi internal, dan perpindahan panasdarisistem dan kerja yang dilakukanolehitu mengurangi energi internal. Ekspresi itu sendiri mudah digunakan dan dipahami, tetapi menemukan ekspresi yang valid untuk perpindahan panas dan kerja yang dilakukan untuk digunakan dalam persamaan dapat menjadi tantangan dalam beberapa kasus.
Contoh Hukum Pertama Termodinamika
Mesin kalor adalah jenis umum dari sistem termodinamika yang dapat digunakan untuk memahami dasar-dasar hukum pertama termodinamika. Mesin panas pada dasarnya mengubah perpindahan panas menjadi pekerjaan yang dapat digunakan melalui proses empat langkah yang melibatkan panas yang ditambahkan ke reservoir gas untuk meningkatkan tekanannya, volumenya mengembang sebagai hasilnya, tekanan berkurang karena panas diekstraksi dari gas dan akhirnya gas menjadi dikompresi (yaitu, dikurangi volumenya) saat pekerjaan dilakukan untuk mengembalikannya ke keadaan awal sistem dan memulai proses dari awal lagi.
Sistem yang sama ini sering diidealkan sebagaiSiklus Carnot, di mana semua proses reversibel dan tidak melibatkan perubahan entropi, dengan tahap ekspansi isotermal (yaitu, pada suhu yang sama), a tahap ekspansi adiabatik (tanpa perpindahan panas), tahap kompresi isotermal dan tahap kompresi adiabatik untuk mengembalikannya ke semula negara.
Kedua proses ini (siklus Carnot ideal dan siklus mesin kalor) biasanya diplot pada aPVdiagram (juga disebut plot tekanan-volume), dan kedua kuantitas ini dihubungkan oleh hukum gas ideal, yang menyatakan:
PV = nRT
DimanaP= tekanan,V= volume,tidak= jumlah mol gas,R= konstanta gas universal = 8,314 J mol−1 K−1 danT= suhu. Dalam kombinasi dengan hukum pertama termodinamika, hukum ini dapat digunakan untuk menggambarkan tahapan siklus mesin panas. Ekspresi lain yang berguna memberikan energi internalkamuuntuk gas ideal:
U = \frac{3}{2}nRT
Siklus Mesin Panas
Pendekatan sederhana untuk menganalisis siklus mesin kalor adalah dengan membayangkan proses yang terjadi pada kotak bersisi lurus diPVplot, dengan setiap tahap berlangsung pada tekanan konstan (proses isobarik) atau volume konstan (proses isokhorik).
Pertama, mulai dariV1, panas ditambahkan dan tekanan naik dariP1 untukP2, dan karena volumenya tetap, Anda tahu bahwa usaha yang dilakukan adalah nol. Untuk mengatasi tahap masalah ini, Anda membuat dua versi hukum gas ideal untuk keadaan pertama dan kedua (mengingat bahwaVdantidakkonstan):P1V1 = nRT1 danP2V1 = nRT2, dan kemudian kurangi yang pertama dari yang kedua untuk mendapatkan:
V_1 (P_2-P_1) = nR (T_2 -T_1)
Penyelesaian untuk perubahan suhu memberikan:
(T_2 - T_1) = \frac{ V_1 (P_2 - P_1)}{nR}
Jika Anda mencari perubahan energi internal, Anda dapat memasukkan ini ke dalam ekspresi energi internalkamumendapatkan:
\begin{aligned} U &= \frac{3}{2}nR∆T \\ \\ &=\frac{3}{2} nR \bigg(\frac{ V_1 (P_2 - P_1)}{nR }\bigg) \\ \\ &=\frac{3}{2} V_1 (P_2 -P_1) \end{aligned}
Untuk tahap kedua dalam siklus, volume gas mengembang (sehingga gas bekerja) dan lebih banyak panas ditambahkan dalam proses (untuk mempertahankan suhu konstan). Dalam hal ini, pekerjaanWyang dilakukan oleh gas hanyalah perubahan volume dikalikan dengan tekananP2, yang memberikan:
W = P_2 (V_2 -V_1)
Dan perubahan suhu ditemukan dengan hukum gas ideal, seperti sebelumnya (kecuali menjagaP2 sebagai konstanta dan mengingat bahwa volume berubah), menjadi:
T_2 - T_1 = \frac{ P_2 (V_2 - V_1)}{nR}
Jika Anda ingin mengetahui jumlah pasti panas yang ditambahkan, Anda dapat menggunakan persamaan panas spesifik pada tekanan konstan untuk menemukannya. Namun, Anda dapat langsung menghitung energi internal sistem pada titik ini seperti sebelumnya:
\begin{aligned} U &= \frac{3}{2}nR∆T \\ \\ &=\frac{3}{2}nR\bigg(\frac{ P_2 (V_2 – V_1)}{nR }\bigg) \\ \\ &=\frac{3}{2} P_2 (V_2 – V_1) \end{aligned}
Tahap ketiga pada dasarnya kebalikan dari tahap pertama, sehingga tekanan berkurang pada volume konstan (kali iniV2), dan panas diekstraksi dari gas. Anda dapat bekerja melalui proses yang sama berdasarkan hukum gas ideal dan persamaan energi internal sistem untuk mendapatkan:
U = -\frac{3}{2} V_2 (P_2 - P_1)
Perhatikan tanda minus di depan kali ini karena suhu (dan oleh karena itu energi) telah menurun.
Akhirnya, tahap terakhir melihat penurunan volume karena pekerjaan dilakukan pada gas dan panas yang diekstraksi dalam proses isobarik, menghasilkan ekspresi yang sangat mirip dengan waktu terakhir untuk pekerjaan, kecuali dengan awalan tanda kurang:
W = -P_1 (V_2 -V_1)
Perhitungan yang sama memberikan perubahan energi internal sebagai:
U = -\frac{3}{2} P_1 (V_2 - V_1)
Hukum Termodinamika Lainnya
Hukum pertama termodinamika bisa dibilang yang paling praktis berguna bagi seorang fisikawan, tetapi yang lain tiga undang-undang utama juga perlu disebutkan secara singkat (walaupun mereka dibahas secara lebih rinci di bagian lain) artikel). Hukum ke-nol termodinamika menyatakan bahwa jika sistem A berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem B, dan sistem B dalam kesetimbangan dengan sistem C, maka sistem A dalam kesetimbangan dengan sistem C.
Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa entropi dari setiap sistem tertutup cenderung meningkat.
Akhirnya, hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa entropi suatu sistem mendekati nilai konstan ketika suhu mendekati nol mutlak.
