Usaha

Pengertian Energi Dalam

Sebelum membahas lebih lanjut mengenai hukum pertama termodinamika kita harus memahami terlebih dahulu mengenai usaha, kalor dan energi serta energi dalam. Karena sebelumnya kita telah membahas mengenai usaha, kalor dan energi, maka yang perlu dibahas sekarang adalah mengenai energi dalam.

Setiap benda memiliki energi yang tidak tampak dari luar. Energi ini disebut energi dalam. Energi dalam berhubungan dengan aspek mikroskopik zat. Kita ketahui bahwa setiap zat terdiri atas atom-atom atau molekul molekul yang bergerak terus-menerus. Dari gerakan ini, zat memiliki energy kinetik. Antara molekul-molekul zat juga terdapat gaya yang disebut gaya antarmolekul. Karena gaya antarmolekul ini, molekul-molekul memiliki energi potensial. Jumlah energi kinetik dan energi potensial yang berhubungan dengan atom-atom atau molekul-molekul zat disebut energi dalam. Untuk gas ideal, gaya antarmolekul dapat diabaikan, sehingga energi potensial molekul-molekul adalah nol. Dengan demikian, energi dalam hanyalah total energi kinetik dari seluruh molekul. 

Energi dalam adalah suatu sifat mikroskopik zat, sehingga tidak dapat diukur secara langsung. Yang dapat diukur secara tidak langsung adalah perubahan energi dalam (notasi ΔU), yaitu ketika sistem berubah dari keadaan awal (diberi indeks 1) ke keadaan akhir (diberi indeks 2).

            Perubahan energi dalam :        ΔU = U2 – U1

Formulasi Usaha, Kalor dan Energi Dalam

a. Formulasi Usaha

Proses yang terjadi pada tekanan tetap disebut proses isobarik. Usaha W dapat dihitung dari persamaan: W=F.s dengan F adalah besar gaya dan s adalah besar perpindahan. Gaya F ditimbulkan oleh tekanan gas ρ yang bekerja pada bagian bawah pengisap, yang besarnya F=p.A, sehingga usaha W dapat ditulis: W=(p.A).s. Karena As sama dengan perubahan volum gas, ΔV=V2-V1, dengan V2 dan V1 adalah volum akhir dan awal. Maka usaha W dapat dinyatakan oleh persamaan:

Usaha pada proses isobarik: W = p.ΔV = p(V2-V1)

Rumus W = p.ΔV pada persamaan diatas hanya dapat digunakan untuk menghitung usaha gas pada tekanan tetap (proses isobarik). Jika tekanan gas berubah, usaha W harus dihitung dengan cara integral. Secara umum, usaha dihitung dengan persamaan integral berikut:

Rumus umum usaha gas: W = ∫ p dV

            Usaha diferensial dW yang dilakukan gas selama perpindahan :

                                                dW = F.ds = ( pA )( ds ) = p ( A ds )

                                                      = p dV

   b. Formulasi Kalor

Kalor yang diserap atau diberikan oleh sistem gas dapat dihitung dari rumus kalor:

Q = m.c.Δt   atau   Q = C.Δt

Dengan c adalah kalor jenis dan C adalah kapasitas kalor gas.

    c. Formulasi Energi Dalam

Telah kita ketahui bahwa untuk gas ideal, energy dalam gas sama dengan total energy kinetik dari seluruh molekul-molekul gas. Formulasi energy dalam adalah sebagai berikut:

Gas monoatomik: U = ³/₂ NkT = ³/₂ nRT

Gas diatomik: U = ⁵/₂ NkT = ⁵/₂ nRT

Dengann = jumlah molekul

            N = besar mol

            K = tetapan Boltzman (k = 1,38 x 10²³ J/K)

            R = tetapan umum gas (R = 8,31 J/mol = 8310 J/kmol).

            Tentu saja perubahan energy dalam ΔU untuk system yang berubah dari suhu awal T₁ ke suhu akhir T₂ dapat dinyatakan sebagai berikut:

Gas monoatomik: ΔU = ³/₂ nRΔT = ³/₂ nR(T₂-T₁₎

Gas diatomic: ΔU = ⁵/₂ nRΔT = ⁵/₂ nR(T₂-T₁₎

Dengan ΔU = U₂ – U₁.

            Persamaan diatas dengan jelas menunjukkan bahwa perubahan energi dalam sistem hanya bergantung pada suhu awal dan suhu akhir. Dengan kata lain, perubahan energi dalam ΔU hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem, dan tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh sistem untuk mencapai keadaan itu. Karena itu, energi dalam termasuk fungsi keadaan.