usaha dan sistem pada termodinamika

A.DEFINISI USAHA LUAR

         Menurut fisika klasik, usaha atau kerja dapat didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya dan jarak. Bila sistem mengalami pergeseran karena beraksinya gaya, maka dikatakan kerja telah dilakukan. Dalam kondisi tertentu sistem dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, atau sebaliknya sistem menerima usaha dari lingkungannya.

         Jika hasil sistem secara keseluruhan menimbulkan gaya pada lingkungannya dan terjadi pergeseran, keja yang dilakukan oleh sistem atau pada sistem disebut kerja eksternal. Jadi gas dalam silinder pada tekanan serba sama, ketika memuai dan menggerakkan piston, melakukan kerja pada lingkungannya. Kerja yang dilakukan oleh bagian sistem pada bagian sistem yang lain disebut kerja internal.

           Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

       W = p∆V= p(V2 – V1)

B. USAHA SISTEM PADA LINGKUNGANNYA

    Dalam termodinamika, kumpulan benda-benda yang kita tinjau disebut sistem, sedangkan semua yang ada di sekitar sistem disebut lingkungan. Perhatikan suatu sistem berupa gas yang ada dalam suatu silinder yang dilengkapi tutup sebuah piston yang bebas bergerak seperti gambar 14.1. Usaha yang dilakukan oleh sistem sehubungan dengan perubahan volume gas dapat dirumuskan sebagai berikut . Piston yang mempunyai luas penampang A dan tekanan gas P menghasilkan gaya yang mendorong piston sebesar F = P A. Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

           dW = F dx = P A dx = P dV

Untuk proses dari V1 ke V2, kerja (usaha) yang dilakukan oleh gas adalah

 W =                                           ..................... (14.1)

Untuk menghitung integral ini kita perlu mengetahui bagaimana variasi tekanan selama proses berlangsung. Secara umum, tekanan tidak konstan sehingga penyelesaian integral tidak terlalu sederhana. Namun, jika kurva P terhadap V diketahui, kerja yang dilakukan oleh gas sama dengan luas area di bawah kurva pada diagram PV. Khusus untuk proses yang tekanannya konstan, Persamaan (14.1) dapat ditulis menjadi :

              W = P(V2 - V1) = P (ΔV) ...................... (14.2)

dengan: W = usaha yang dilakukan oleh sistem (gas),

               P = tekanan gas (konstan),

              V2 = volume akhir.

              V1 = volume awal.

Usaha yang dilakukan oleh gas (sistem) sering disebut usaha luar. Apabila diagram PV diketahui, usaha luar akan lebih sederhana ditentukan secara grafik yaitu dengan menentukan luas area di bawah kurva pada diagram tersebut. Perhatikanlah Gambar 14.2. Dari Persamaan (14.1) dapat kita lihat bahwa untuk tekanan P yang positif, usaha W akan positif bila gas memuai (V2 > V1) atau arah lintasan proses ke kanan (Gambar 14.2a). Sebaliknya, usaha W akan negatif bila gas memampat (V2 < V1) atau arah lintasan proses ke arah kiri (Gambar 14.2b).

 C. USAHA PADA BERBAGAI PROSES TERMODINAMIKA

   Beberapa proses dalam termodinamika antara lain, proses isotermal, proses isokhorik,proses isobarik, dan proses adiabatik.

1.PROSES ISOTERMAL

Proses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistem pada P1 suhu tetap (Gambar 14.3). Proses ini mengikuti hukum Boyle, yaitu : PV = konstan. Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh sistem, P2 kita tentukan dahulu persamaan tekanan sebagai fungsi volume berdasarkan persamaan keadaan V1 V2 V gas ideal, yaitu:

           P =

Dengan menggunakan rumus umum usaha ynag dilakukan oleh gas diperoleh:. W = In

2. PROSES ISOKHORIK

  Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap (Gambar 14.4). Karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha yang dilakukan oleh gas sama nol.

                       W = P (ΔV) = P(0) = 0

3. PROSES ISOBARIK

   Proses isobarik adalah proses Perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap (Gambar 14.5). Usaha yang dilakukan oleh gas adalah sesuai dengan Persamaan (14.2), yaitu :

                    W = P(V2 - V1) = P (ΔV)

4. PROSES ADIABATIK

   Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya kalor yang masuk atau keluar dari sistem (gas), yaitu Q = 0 (Gambar 14.6). Kurva adiabatik lebih curam dibanding kurva isotermal. Grafik 14.6 menunjukkan bahwa pada proses adiabatik terjadi perubahan suhu,tekanan, dan volume. Proses ini mengikuti rumus Poisson sebagai berikut.                  

                                PVɣ = tetap atau

                          P1 V1 ɣ = P2 V2 ɣ TVɣ = tetap

                             atau T1 V1 ( ɣ-1)= T2 V2 (ɣ-1) .....................(14.4)

dengan > 1, merupakan hasil perbandingan kapasitas kalor gas pada tekanan tetap

                 CP dan kapasitas kalor pada volume tetap CV .

Besaran disebut konstanta Laplace. Ɣ = ...................... (14.5)

Usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) hanya mengubah energi dalam, sebab sistem tidak menerima ataupun melepas kalor. Besarnya usaha yang dilakukan oleh sistem dapat ditentukan dengan menerapkan Persamaan (14.1) sehingga menghasilkan hubungan sebagai berikut.

           W = ........................ (14.6)

Selain itu, dengan menggunakan hukum termodinamika I (akan dibahas kemudian), usaha yang dilakukan oleh gas pada proses adiabatik juga dapat dinyatakan sebagai berikut.

            W = ........................................ (14.7)

Apabila keadaan awal dan keadaan akhir dari suatu proses adiabatik diketahui, usaha yang dilakukan oleh gas pada proses adiabatik tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (14.6) atau (14.7).Proses adiabatik sangat penting dalam bidang rekayasa. Beberapa contoh proses adiabatik adalah pemuaian gas panas dalam suatu mesin diesel, pemuaian gas cair dalam sistem pendingin, dan langkah kompresi dalam mesin diesel.