Proses Isobarik: Definisi, Rumus & Contoh

Beberapa proses termodinamika ideal menggambarkan bagaimana keadaan gas ideal dapat mengalami perubahan. Proses isobarik hanyalah salah satunya.

Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang perubahan yang terjadi pada sistem akibat perpindahan energi panas (energi panas). Setiap kali dua sistem suhu yang berbeda bersentuhan satu sama lain, energi panas akan berpindah dari sistem yang lebih panas ke sistem yang lebih dingin.

Banyak variabel yang berbeda mempengaruhi bagaimana perpindahan panas ini terjadi. Sifat molekuler bahan yang terlibat mempengaruhi seberapa cepat dan mudahnya energi panas berpindah dari satu sistem ke sistem lainnya, karena: misalnya, dan kapasitas panas spesifik (jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan satu satuan massa sebesar 1 derajat Celcius) mempengaruhi hasil akhir suhu.

Ketika datang ke gas, banyak fenomena menarik terjadi ketika energi panas ditransfer. Gas dapat mengembang dan berkontraksi secara signifikan, dan bagaimana mereka melakukannya tergantung pada wadah tempat mereka dikurung, tekanan sistem dan suhu. Memahami bagaimana gas bekerja, oleh karena itu, penting dalam memahami termodinamika.

Teori kinetik menyediakan cara untuk memodelkan gas sehingga mekanika statistik dapat diterapkan, yang pada akhirnya menghasilkan kemampuan untuk mendefinisikan sistem melalui serangkaian variabel keadaan.

Pertimbangkan apa itu gas: sekelompok molekul yang semuanya dapat bergerak bebas satu sama lain. Untuk memahami gas, masuk akal untuk melihat komponen yang paling dasar – molekul. Tapi tidak mengherankan, ini menjadi rumit dengan sangat cepat. Bayangkan banyaknya molekul hanya dalam segelas penuh udara misalnya. Tidak ada komputer yang cukup kuat untuk melacak interaksi banyak partikel satu sama lain.

Sebagai gantinya, dengan memodelkan gas sebagai kumpulan partikel yang semuanya mengalami gerakan acak, Anda dapat memulai untuk memahami gambaran keseluruhan dalam hal kecepatan kuadrat rata-rata akar partikel, untuk contoh. Akan lebih mudah untuk mulai berbicara tentang energi kinetik rata-rata molekul daripada mengidentifikasi energi yang terkait dengan setiap partikel individu.

Besaran-besaran ini mengarah pada kemampuan untuk mendefinisikan variabel keadaan, yaitu besaran yang menggambarkan keadaan suatu sistem. Variabel keadaan utama yang dibahas di sini adalah tekanan (gaya per satuan luas), volume (jumlah ruang yang digunakan gas) dan suhu (yang merupakan ukuran energi kinetik rata-rata per molekul). Dengan mempelajari bagaimana variabel keadaan ini berhubungan satu sama lain, Anda dapat memperoleh pemahaman tentang proses termodinamika pada skala makroskopik.

Gas ideal adalah gas di mana asumsi berikut dibuat:

Molekul dapat diperlakukan seperti partikel titik, tidak memakan tempat. (Untuk kasus ini, tekanan tinggi tidak diperbolehkan, atau molekul akan menjadi cukup berdekatan sehingga volumenya menjadi relevan.)

Gaya dan interaksi antarmolekul dapat diabaikan. (Suhu tidak boleh terlalu rendah untuk hal ini. Ketika suhu terlalu rendah, gaya antarmolekul mulai memainkan peran yang relatif lebih besar.)

Molekul berinteraksi satu sama lain dan dinding wadah dalam tumbukan lenting sempurna. (Hal ini memungkinkan asumsi kekekalan energi kinetik.)

Setelah asumsi ini dibuat, beberapa hubungan menjadi jelas. Diantaranya adalah hukum gas ideal, yang dinyatakan dalam bentuk persamaan sebagai:

DimanaPadalah tekanan,Vadalah volume,Tadalah suhu,tidakadalah jumlah mol,tidakadalah jumlah molekul,Radalah konstanta gas universal,kadalah konstanta Boltzmann dannR = Nk​.

Terkait erat dengan hukum gas ideal adalah hukum Charles, yang menyatakan bahwa, untuk tekanan konstan, volume dan suhu berbanding lurus, atauV/T= konstan.

Proses isobarik adalah proses termodinamika yang terjadi pada tekanan konstan. Di alam ini, hukum Charles berlaku karena tekanan dijaga konstan.

Jenis proses yang dapat terjadi ketika tekanan dipertahankan konstan termasuk ekspansi isobarik, di mana volume meningkat saat suhu menurun, dan kontraksi isobarik, di mana volume menurun sementara suhu meningkat.

Jika Anda pernah memasak makanan microwave yang mengharuskan Anda memotong lubang plastik sebelum memasukkannya ke dalam microwave, ini karena ekspansi isobarik. Di dalam microwave, tekanan di dalam dan di luar nampan makanan yang dilapisi plastik selalu sama dan selalu dalam keseimbangan. Tetapi saat makanan dimasak dan dipanaskan, udara di dalam baki mengembang sebagai akibat dari peningkatan suhu. Jika tidak ada ventilasi, plastik dapat mengembang hingga pecah.

Untuk eksperimen kompresi isobarik yang cepat di rumah, masukkan balon yang digembungkan ke dalam freezer Anda. Sekali lagi, tekanan di dalam dan di luar balon akan selalu seimbang. Tetapi saat udara di dalam balon mendingin, akibatnya akan menyusut.

Jika wadah apa pun gas itu berada bebas untuk memuai dan mengerut, dan tekanan luar tetap konstan, maka Proses akan isobarik karena perbedaan tekanan akan menyebabkan ekspansi atau kontraksi sampai perbedaan itu terselesaikan.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi internalkamusuatu sistem sama dengan selisih antara jumlah energi panas yang ditambahkan ke sistemQdan kerja bersih yang dilakukan oleh sistemW. Dalam bentuk persamaan, ini adalah:

Ingat bahwa suhu adalah energi kinetik rata-rata per molekul. Energi internal total kemudian merupakan jumlah energi kinetik semua molekul (dengan gas ideal, energi potensial dianggap dapat diabaikan). Oleh karena itu energi internal sistem berbanding lurus dengan suhu. Karena hukum gas ideal menghubungkan tekanan dan volume dengan suhu, energi dalam juga sebanding dengan hasil kali tekanan dan volume.

Jadi jika energi panas ditambahkan ke sistem, suhu meningkat seperti halnya energi internal. Jika sistem bekerja pada lingkungan, maka jumlah energi tersebut hilang ke lingkungan, dan suhu serta energi dalam berkurang.

Pada diagram PV (grafik tekanan vs. volume), proses isobarik terlihat seperti grafik garis horizontal. Karena jumlah kerja yang dilakukan selama proses termodinamika sama dengan luas area di bawah kurva PV, kerja yang dilakukan dalam proses isobarik adalah:

Mesin panas mengubah energi panas menjadi energi mekanik melalui semacam siklus lengkap. Ini biasanya membutuhkan sistem untuk memperluas di beberapa titik selama siklus untuk melakukan pekerjaan dan memberikan energi untuk sesuatu yang eksternal.

Pertimbangkan contoh di mana labu Erlenmeyer dihubungkan melalui tabung plastik ke jarum suntik kaca. Yang dibatasi dalam sistem ini adalah jumlah udara yang tetap. Jika pendorong jarum suntik bebas meluncur, bertindak sebagai piston bergerak, maka dengan menempatkan labu dalam penangas panas (bak berisi air panas), udara akan mengembang dan mengangkat pendorong, melakukan kerja.

Untuk menyelesaikan siklus mesin panas seperti itu, labu perlu ditempatkan di bak air dingin sehingga jarum suntik dapat kembali ke keadaan awal lagi. Anda dapat menambahkan langkah tambahan untuk menggunakan plunger untuk mengangkat massa atau melakukan beberapa bentuk kerja mekanis lainnya saat bergerak.

Proses lain yang dibahas secara lebih rinci dalam artikel lain meliputi:

​isotermalproses, di mana suhu dipertahankan konstan. Pada suhu konstan, tekanan berbanding terbalik dengan volume, dan kompresi isotermal menghasilkan peningkatan tekanan sementara ekspansi isotermal menghasilkan penurunan tekanan.

dalam sebuahisokhorikproses, volume gas dijaga konstan (wadah yang menampung gas dipegang teguh dan tidak dapat mengembang atau mengerut). Di sini tekanan berbanding lurus dengan suhu. Tidak ada usaha yang dapat dilakukan pada atau oleh sistem karena volume tidak berubah.

dalam sebuahadiabatikproses, tidak ada panas yang dipertukarkan dengan lingkungan. Dalam hal hukum pertama termodinamika, ini berartiQ= 0, maka setiap perubahan energi internal secara langsung berhubungan dengan kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem.