Termodinamika secara bahasa, ilmu yang mempelajari energi dan perpindahan panas. Jika kita tertarik pada bagaimana perpindahan panas diubah menjadi melakukan pekerjaan atau energi gerak, maka efisiensi distribusi dan transmisi energi menjadi sebuah prinsip energi menjadi penting. Dan Hukum termodinamika pertama menerapkan efisiensi prinsip energi.
Termodinamika prinsip energi pada satu sistem adalah perpindahan panas untuk melakukan pekerjaan. Metode ini adalah metode mentransfer energi ke dalam dan ke luar sistem. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi internal suatu sistem sama dengan perpindahan panas netto ke dalam sistem, dikurangi kerja bersih yang dilakukan oleh sistem.
Dalam bentuk rumus persamaan hukum termodinamika pertama adalah :
Keterangan:
| ΔU | adalah perubahan energi internal U dari sistem. |
| Q | adalah panas total yang ditransfer ke dalam sistem — yaitu, Q adalah jumlah dari semua perpindahan panas ke dalam dan keluar dari sistem. |
| W | adalah pekerjaan bersih yang dilakukan oleh sistem — yaitu, W adalah jumlah dari semua pekerjaan yang dilakukan pada atau oleh sistem. |
Berdasarkan ujicoba disini kami menggunakan konvensi untuk mudah diingat, yaitu sebagai berikut:
jika Q positif, maka ada transfer panas bersih ke sistem. jika W positif, maka ada kerja bersih yang dilakukan oleh sistem.
Jadi Q positif menambah energi ke sistem dan W positif mengambil energi dari sistem.
Pada rumus ΔU = Q - W. Dapat juga dibuat menjadi E = Q - W. Dan masing - masing satuannya dalam Joule atau m²kg/s². Karena setiap pergerakan atau usaha mengeluarkan energi atau panas, maka dalam rumusan tersebut selalu dikaitkan kalor, yaitu energi atau kalori yang dikeluarkan dari hasil perpindahan. Dan rumusan baku untuk satuan konversi kalori ke Joule adalah :
Perhatikan juga bahwa jika terjadi lebih banyak perpindahan panas ke sistem daripada pekerjaan atau usaha yang dilakukan, maka selisih atau perbedaannya disimpan sebagai energi internal. Contohnya : Mesin energi panas seperti ketel teh mendidih, mewakili energi yang bergerak. Air dalam ketel berubah menjadi uap air karena panas dipindahkan dari kompor ke ketel. Saat seluruh sistem semakin panas, pekerjaan dilakukan — mulai dari penguapan air hingga bunyi siulan.
Q Panas dan W Kerja
Perpindahan panas (Q) dan melakukan pekerjaan (W) adalah dua cara sehari-hari untuk membawa energi ke dalam atau mengeluarkan energi dari suatu sistem. Prosesnya sangat berbeda. Pada perpindahan panas (Q), proses yang kurang terorganisir, karena didorong oleh perbedaan suhu. Sedangkan Pekerjaan (W), proses yang cukup terorganisir, karena melibatkan kekuatan makroskopis yang diberikan melalui jarak.
Meskipun demikian, panas dan kerja dapat menghasilkan hasil yang identik. Misalnya, keduanya dapat menyebabkan peningkatan suhu. Perpindahan panas ke dalam suatu sistem, seperti ketika Matahari menghangatkan udara di ban sepeda, dapat meningkatkan suhunya, dan dengan demikian dapat dilakukan pada sistem, seperti ketika pengendara sepeda memompakan udara ke dalam ban. Setelah kenaikan suhu terjadi, tidak mungkin untuk mengetahui apakah itu disebabkan oleh perpindahan panas atau dengan melakukan pekerjaan. Ketidakpastian ini merupakan poin penting. Perpindahan panas dan kerja merupakan energi dalam proses kerja tidak ada yang disimpan dalam sistem. Namun, keduanya dapat mengubah energi internal suatu sistem. Energi internal adalah bentuk energi yang sepenuhnya berbeda dari panas atau kerja.
Energi Internal U
Kita dapat memikirkan energi internal suatu sistem dengan dua cara berbeda namun tetap konsisten. Yang pertama adalah pandangan atom dan molekuler, yang meneliti sistem pada skala atom dan molekuler.
Energi internal suatu sistem adalah jumlah energi kinetik dan potensial dari atom dan molekulnya. Ingatlah bahwa energi kinetik plus potensial disebut energi mekanik.
Jadi energi internal adalah jumlah energi mekanik atom dan molekul. Karena tidak mungkin untuk melacak semua atom dan molekul individu, kita harus berurusan dengan rata-rata dan distribusi perpindahannya.
Cara kedua untuk melihat energi internal suatu sistem adalah dari segi karakteristik makroskopiknya, yang sangat mirip dengan nilai rata-rata atom dan molekul.
Banyak percobaan terperinci telah memverifikasi bahwa ΔU = Q - W, di mana ΔU adalah perubahan total energi kinetik dan potensial dari semua atom dan molekul dalam suatu sistem. Juga telah ditentukan secara eksperimental bahwa energi internal suatu sistem hanya bergantung pada keadaan sistem dan bukan pada bagaimana ia mencapai keadaan itu.
Lebih khusus, U ditemukan sebagai fungsi dari beberapa jumlah makroskopis (tekanan, volume, dan suhu, misalnya), independen dari sejarah masa lalu seperti apakah telah terjadi perpindahan panas atau pekerjaan yang dilakukan. Kemandirian ini berarti bahwa jika kita mengetahui keadaan suatu sistem, kita dapat menghitung perubahan energi internal U dari beberapa variabel makroskopis.
Untuk mendapatkan ide yang lebih baik tentang bagaimana memikirkan energi internal suatu sistem, mari kita periksa sistem yang beralih dari Negara 1 ke Negara 2. Sistem ini memiliki energi internal U1 di Negara 1, dan ia memiliki energi internal U2 di Negara 2, tidak peduli bagaimana keadaannya menjadi baik. Jadi perubahan energi internal dapat dirumuskan menjadi
Rumusan tersebut tidak tergantung pada apa yang menyebabkan perubahan. Dengan kata lain, ΔU tidak tergantung pada path. Yang kami maksud adalah metode mendapatkan dari titik awal ke titik akhir. Mengapa ketidakketergantungan atau indepensi ini penting?
Perhatikan bahwa ΔU = Q - W. Baik Q dan W ada pada path, tetapi ΔU tidak. Independensi jalur ini berarti bahwa energi internal U lebih mudah untuk ditentukan jumlahnya daripada perpindahan panas atau pekerjaan yang dilakukan.
Ringkasan
| Hukum pertama termodinamika diberikan sebagai | |
| ΔU = Q - W | |
| di mana ΔU | adalah perubahan energi internal suatu sistem, Q adalah perpindahan panas netto (jumlah semua perpindahan panas ke dalam dan keluar dari sistem), dan W adalah pekerjaan bersih yang dilakukan (jumlah semua pekerjaan yang dilakukan pada atau oleh sistem). |
| Baik Q dan W | adalah energi dalam perjalanan; | hanya ΔU |
yang mewakili jumlah independen yang dapat disimpan.
Energi internal suatu sistem hanya bergantung pada keadaan sistem dan bukan pada bagaimana ia mencapai keadaan itu. Metabolisme organisme hidup, dan fotosintesis tanaman, adalah jenis khusus perpindahan panas, melakukan pekerjaan, dan energi internal sistem. |
Tabel 1. Ringkasan Ketentuan untuk Hukum Termodinamika Pertama
| ΔU = Q - W |
| Term Definition |
|
U Energi internal — jumlah energi kinetik dan potensial dari atom dan molekul sistem. Dapat dibagi menjadi banyak sub kategori, seperti energi termal dan kimia. Bergantung hanya pada keadaan sistem (seperti P, V, dan T), bukan pada bagaimana energi masuk ke sistem.
Perubahan energi internal adalah jalur yang independen. Q Panas — energi yang ditransfer karena perbedaan suhu. Ditandai dengan gerakan molekul acak. Sangat tergantung pada jalur. Qentering suatu sistem adalah positif. Kerja — energi yang ditransfer oleh suatu kekuatan yang bergerak melalui suatu jarak. Proses yang teratur dan teratur. Ketergantungan jalan. W dilakukan oleh suatu sistem (baik melawan kekuatan eksternal atau untuk meningkatkan volume sistem) adalah positif. |
Latihan Soal
- Berapa perubahan energi internal mobil jika Anda memasukkan 12,0 gal bensin ke dalam tangki? Kandungan energi bensin adalah 1,3 × 108 J / gal. Semua faktor lain, seperti suhu mobil, konstan?
- Berapa banyak perpindahan panas yang terjadi dari suatu sistem, jika energi internalnya turun 150 J ketika sedang melakukan 30,0 J pekerjaan?
- Suatu sistem bekerja 1,80 × 108 J sementara transfer panas 7.50 × 108J terjadi pada lingkungan. Berapa perubahan energi internal sistem dengan asumsi tidak ada perubahan lain (seperti suhu atau penambahan bahan bakar)?
- Berapa perubahan energi internal suatu sistem yang bekerja 4,50 × 105J sementara transfer panas 3,00 × 106 J terjadi ke dalam sistem, dan perpindahan panas 8,00 × 106J terjadi pada lingkungan?
- Misalkan seorang wanita melakukan pekerjaan 500 J dan transfer panas 9500 J terjadi dalam proses suhu ruangan.
(a) Berapa penurunan energi internalnya, dengan asumsi tidak ada perubahan suhu atau konsumsi makanan?
(Yaitu, tidak ada transfer energi lain.)
(B) Berapa efisiensinya? - Berapa banyak energi makanan yang akan dimetabolisme manusia dalam proses melakukan 35,0 kJ kerja dengan efisiensi 5,00%?
- Berapa banyak perpindahan panas yang terjadi pada lingkungan untuk menjaga suhunya konstan?
- Berapa lama energi dalam secangkir yogurt 1470-kJ (350-kkal) bertahan pada seorang wanita yang melakukan pekerjaan pada kecepatan 150 W dengan efisiensi 20,0% (seperti dalam menaiki tangga santai)?
- Seorang wanita yang akan mendaki gunung makan dengan energi makanan 6,00 × 102 kJ. Jika efisiensinya 18,0%, berapa banyak perpindahan panas yang terjadi pada lingkungan untuk menjaga temperaturnya konstan?
(a) Berapa tingkat metabolisme rata-rata dalam watt seseorang yang memetabolisme 10.500 kJ energi makanan dalam satu hari?
(b) Berapakah jumlah maksimum pekerjaan dalam joule yang dapat ia lakukan tanpa memecah lemak, dengan asumsi efisiensi maksimum 20,0%?
(c) Bandingkan output karyanya dengan output harian motor 187-W (0,250-tenaga kuda).
Penulis:
Ahmad Hanafiah
CEO CTES
Kami adalah bimbingan belajar yang berfokus pada exacta, dan dapat membantu cara menyelesaikan soal diatas dengan cepat simple dan akurat. Anda bisa mengunjungi website kami https://www.elog-bimbel.id/ jika berminat untuk bergabung.
Dilindungi oleh:
Ahmad Hanafiah
CEO CTES
No comments:
Post a Comment