Contoh Soal Hukum Termodinamika 1

Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari perubahan panas (kalor) yang erat kaitannya dengan usaha dalam sistem dan lingkungan. Hukum termodinamika terdapat 3 yaitu I, II dan III. Hukum awal termodinamika dinyatakan dengan dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga yang saling etimbang satu sama lain. Istilah yang tak asing ketika membahas termodinamika adalah sistem dan lingkungan. Sistem merupakan segala sesuatu yang diamati, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem.

Hukum Termodinamika I

Hukum Termodinamika I erat kaitannya dengan hukum kekekalan energi dalam sistem yaitu energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan namun masih bisa dikeonversikan bentuk energinya. Jadi energi dalam suatu sistem termodinamika tertutup  yang berubah sama dengan total dari jumlah energi kalor yang masuk ke dalam sistem beserta kerja di dalam sistem tersebut.

Bunyi Hukum Termodinamika I:

“ Setiap proses yang diberikan kalor (Q) terhadap sistem dan sistem tersebut melakukan usaha (W) maka energi kalor dalam sistem (U) akan terjadi perubahan di dalam sistem setelah dikurangi kerja pada sistem terhadap lingkungan (ΔU = Q-W)”.

Persamaan Hukum Termodinamika I

Hukum untuk mencari banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan energi dalam  sebesar ∆U dan melakukan usaha sebesar W  dapat dirumuskan secara matematis sebagai berikut:

Q = ∆U + W

Keterangan:

∆U = perubahan energi dalam sistem (J)

Q  = jumlah kalor yang ditambahkan (J)

W  = usaha yang dilakukan sistem (J)

Dari persamaan rumusan termodinamika I tersebut maka Q atau W akan bernilai positif atau negatif bila:

• Q positif apabila panas atau kalor ditambahkan pada sistem, sebaliknya jika keluar sistem maka Q bernilai negatif.
• Usaha (W) bernilai positif jika sistem melakukan usaha, sedangkan bernilai negatif apabila sistem menerima usaha dari lingkungan.
• Perubahan energi dalam (∆U) positif jika mengalami kenaikan, dan bernilai negatif apabila mengalami penurunan.

baca juga:

• Rumus Masa Benda
• Rumus Momen Inersia

Contoh Soal Hukum Termodinamika I

Contoh soal 1:

Gas yang berada didalam sistem di beri kalor sebesar 200  joule.  Setelah itu gas diberi usaha sebesar 125 joule. Berapakah perubahan energi dalam gas?

Penyelesaian

Diketahui Q  =  200 joule (menyerap) ; W =  -125 joule (dikenai kerja)

Ditanyakan: ∆U…?

Jawab:

∆U = Q-W  = 200- (-125) = 325 joule

Terjadi kenaikan energi didalam sistem sehingga perubahan enegi tersebut menjadi 325 joule.

Contoh Soal 2:

Didalam ruang tertutup terdapat gas yang memuai dengan menyerap kalor sebesar 350 J dan melakukan usaha sebesar 250 Joule. Berapa kenaikan energi dalam gas?

Penyelesaian:

Diketahui:

W = 250 J (melakukan usaha) ; Q = 350 J (kalor ditambahkan)

Ditanyakan: ∆U = … ?

Jawab:

∆U = Q – W =  350 J – 250 J = 100J

Kenaikan energi dalam gas tertutup tersebuat adalah sebesar 100 J.

Baca juga:

• contoh hukum newton 3 dan penjelasannya
• gaya gesek statis
• gaya gesek kinetis

Contoh Soal 3:

Perhatikan gambar di bawah ini.

Volume awal dalam tabung mula-mula sebesar 500 cm³. Setelah piston diberi beban 1 kg volume berubah menjadi 400 cm³. Pada piston tersebut terjadi penyusutan dan dibebaskan kalor sebanyak 2 kalori, dan luas permukaan piston 10 cm², Berapa perubahan energi dalam gas?

Penyelesaian :

Diketahui:

V₁ = 500 cm³ = 5 x 10^-4 m³ → (1 cm³ = 10^-6 m³)

V₂ = 400 cm³ = 4 x 10^-4 m³

m_beban = 1 kg

Q = -2 kal = -4,8 J (kalor keluar) → (1 kal = 2,4 J)

A = 10 cm²= 10^-3 m² → (1 cm² = 10^-4 m²)

Ditanyakan: ∆U = … ?

Jawab:

Sebelum mencari ∆U, dicari terlebih dahulu usaha pada sistem yaitu dengan persamaan

W = P x ∆V

Dan besarnya tekanan dicari dengan persamaan

P = F/A = (m.g)/A = (1)(10)/ 10^-3 = 10⁴ N/m

(jika g tidak tertulis maka g diasumsikan bernilai 10 m.s^-2)

Sehingga

W = P x ∆V

= P x (V2 – V1)

= 10⁴ (4 x 10^-4 – 5 x 10^-4)

= -10⁰

= -1 J

Hasilnya negatif artinya sistem menerima usaha yaitu sebesar 1 J

Perubahan energi dalam gas dicari dengan persamaan: Q  = ∆U + W

∆U = Q – W

= -4,8 – (-1)

= -3,8 J

Jadi, perubahan energi di dalam sistem sebesar 3,8 J.

Demikian uraian pembahasan mengenai hukum termodinamika I. Baca dengan seksama dan coba dikerjakan contoh soal tanpa melihat pembahasannya terlebih dahulu. Untuk dapat memahami teori Hukum termodinamika perlu baca berulang. Semoga tulisan ini dapat bermanfaat dan menambah pengetahuan bagi kita semua.