USAHA DAN KALOR DALAM PROSES TERMODINAMIKA

Dalam termodinamika, kita menggambarkan keadaan sistem yang menggunakan variabel seperti tekanan, volume, suhu, dan energi internal. Akibatnya, besaran ini termasuk kategori yang disebut variabel keadaan. Untuk konfigurasi tertentu dari sistem, kita dapat mengidentifikasi nilai-nilai variabel keadaan. (Untuk sistem mekanis, variabel dasar termasuk energi kinetik K dan energi potensial U.) Keadaan sistem dapat ditentukan hanya jika sistem dalam kesetimbangan termal internal. Dalam kasus gas dalam sebuah wadah, kesetimbangan termal internal yang mengharuskan setiap bagian dari gas berada pada tekanan dan temperatur yang sama.

Sebuah kategori kedua dari variabel-variabel dalam situasi yang melibatkan energi merupakan variabel transfer. Variabel ini adalah mereka yang muncul di sisi kanan dari konservasi persamaan energi, Persamaan 8.2. Variabel tersebut memiliki nilai nol jika suatu proses terjadi di mana energi yang ditransfer melintasi batas sistem. Variabel transfer positif atau negatif, tergantung pada apakah energi memasuki atau meninggalkan sistem. Karena transfer energi di perbatasan merupakan perubahan sistem, variabel transfer tidak terkait dengan keadaan tertentu dari sistem, melainkan dengan perubahan keadaan dari sistem.

Pada bagian sebelumnya, kita membahas kalor sebagai variabel transfer. Pada bagian ini, kita mempelajari variabel transfer penting lainnya untuk sistem termodinamika, yaitu usaha. Usaha yang dilakukan pada partikel yang dipelajari secara ekstensif dalam Bab 7, dan di sini kita menyelidiki usaha yang dilakukan pada sistem yang dapat berubah bentuk, yaitu gas. Misalkan suatu gas di dalam silinder dilengkapi dengan piston bergerak (Gambar 20.4). Pada kesetimbangan, gas menempati volume V dan memberikan suatu tekanan seragam P pada dinding silinder dan pada piston. Jika piston memiliki luas penampang A, gaya yang diberikan oleh gas pada piston adalah F = PA. Sekarang mari kita asumsikan kita mendorong piston ke dalam dan memampatkan gas secara kuasi-statis, yaitu dengan perlahan cukup untuk memungkinkan sistem untuk tetap sangat utama dalam kesetimbangan termal internal setiap waktu. Ketika piston didorong ke bawah oleh gaya eksternal F = -F _j^{^}  melalui perpindahan dr = dy _j^{^} (Gambar 20.4b), usaha yang dilakukan pada gas, menurut definisi kita tentang usaha dalam Bab 7,

dW = F ∙ dr = -F _j^{^} ∙ dy _j^{^} = -F dy = -PA dy

dimana besarnya F dari gaya eksternal sama dengan PA karena piston selalu dalam keseimbangan antara gaya eksternal dan gaya dari gas. Massa piston diasumsikan diabaikan dalam pembahasan ini. Karena A dy adalah perubahan volume gas dV, kita dapat mengekspresikan usaha yang dilakukan pada gas sebagai

dW = -P dV                                                                     (20.8)

Jika gas dimampatkan, dV bernilai negatif dan usaha yang dilakukan pada gas adalah positif. Jika gas mengembang, dV bernilai positif dan usaha yang dilakukan pada gas adalah negatif. Jika volume tetap konstan, usaha yang dilakukan pada gas adalah nol. Total kerja (usaha) yang dilakukan pada gas karena perubahan volume dari V_i ke V_f diberikan oleh integral dari Persamaan 20.8:

W =                                           (20.9)

Untuk mengevaluasi integral ini, Anda harus tahu bagaimana tekanan berubah terhadap volume selama proses tersebut.

Secara umum, tekanan tidak konstan selama proses diikuti oleh gas, tapi tergantung pada volume dan suhu. Jika tekanan dan volume diketahui pada setiap langkah dari proses, keadaan gas pada setiap langkah dapat diplot pada representasi grafis yang disebut diagram PV seperti pada Gambar 20.5. Jenis diagram ini memungkinkan kita untuk memvisualisasikan sebuah proses di mana gas maju. Kurva pada diagram PV disebut jalur yang ditempuh antara keadaan awal dan akhir.

Perhatikan bahwa integral dalam Persamaan 20.9 adalah sama dengan luas area di bawah kurva pada diagram PV. Oleh karena itu, kita dapat mengidentifikasi penggunaan penting untuk diagram PV:
Kerja (usaha) yang dilakukan pada gas dalam proses kuasi-statis yang mengambil gas dari keadaan awal ke keadaan akhir merupakan negatif dari daerah di bawah kurva pada diagram PV, dievaluasi antara keadaan awal dan akhir.

Untuk proses kompresi gas dalam silinder, kerja yang dilakukan tergantung pada lintasan tertentu yang diambil antara keadaan awal dan akhir seperti pada Gambar 20,5. Menggambarkan hal ini penting, mempertimbangkan beberapa jalur yang berbeda menghubungkan i dan f (Gambar. 20,6). Dalam proses digambarkan dalam Gambar 20.6a, volume gas pertama berkurang dari V_i ke V_f pada tekanan konstan P_i dan tekanan gas kemudian meningkat dari P_i ke P_f dengan pemanasan pada volume konstan V_f. Usaha yang dilakukan pada gas sepanjang jalur ini adalah -P_i(V_f - V_i). Dalam Gambar 20.6b, tekanan gas meningkat dari P_i ke P_f pada volume konstan V_i dan kemudian volume gas berkurang dari V_i ke V_f pada tekanan konstan P_f. Usaha yang dilakukan pada gas adalah -P_f(V_f - V_i). Nilai ini lebih besar dari itu untuk proses yang diuraikan dalam Gambar 20.6a karena piston bergerak melalui perpindahan yang sama dengan gaya yang lebih besar. Akhirnya, untuk proses yang dijelaskan dalam Gambar 20.6c, di mana keduanya, P dan V berubah berkelanjutan, kerja yang dilakukan pada gas memiliki beberapa nilai antara nilai yang diperoleh dalam dua proses. Untuk mengevaluasi kerja dalam hal ini, fungsi P(V) harus diketahui sehingga kita dapat mengevaluasi integral dalam Persamaan 20.9.

Transfer energi Q masuk atau keluar dari sistem oleh kalor juga tergantung pada proses. Perhatikan situasi yang digambarkan dalam Gambar 20.7 (halaman 578). Dalam setiap kasus, gas memiliki volume awal, suhu, dan tekanan yang sama, dan dianggap ideal. Pada Gambar 20.7a, gas termal terisolasi dari lingkungannya kecuali di bagian bawah daerah diisi gas, di mana ia berada dalam kontak termal dengan cadangan energi. Reservoir energi merupakan sumber energi yang dianggap begitu besar bahwa transfer terbatas energi ke atau dari reservoir tidak mengubah suhu. Piston diadakan di posisi awalnya oleh agen eksternal seperti tangan. Ketika gaya memegang piston dikurangi sedikit demi sedikit, piston naik sangat perlahan ke posisi akhir yang ditunjukkan pada Gambar 20.7b. Karena piston bergerak ke atas, gas melakukan usaha pada piston. Selama ekspansi ini dengan volume akhir V_f, hanya cukup energi ditransfer oleh panas dari reservoir ke gas untuk mempertahankan suhu konstan T_i.

Sekarang perhatikan sistem termal yang terisolasi penuh yang ditunjukkan pada Gambar 20.7c. Ketika membran rusak, gas mengembang dengan cepat ke dalam vakum sampai menempati volume V_f dan berada pada tekanan P_f. Keadaan akhir dari gas ditunjukkan pada Gambar 20.7d. Dalam kasus ini, gas tidak melakukan kerja karena tidak menerapkan gaya, tidak ada gaya yang diperlukan untuk memperluas ke ruang hampa. Selanjutnya, tidak ada energi yang ditransfer oleh kalor melalui dinding isolasi. 

Seperti yang kita bahas dalam Bagian 20.5, percobaan menunjukkan bahwa suhu gas ideal tidak berubah dalam proses yang ditunjukkan pada Gambar 20.7c dan 20.7d. Oleh karena itu, keadaan awal dan akhir dari gas ideal pada Gambar 20.7a dan 20.7b yang identik dengan keadaan awal dan akhir dalam Gambar 20.7c dan 20.7d, tetapi jalur yang berbeda. Dalam kasus pertama, gas tidak bekerja pada piston dan energi ditransfer perlahan ke gas oleh kalor. Dalam kasus kedua, tidak ada energi yang ditransfer oleh kalor dan nilai kerja yang dilakukan adalah nol. Oleh karena itu, transfer energi dengan kalor, seperti usaha yang dilakukan, tergantung pada keadaan awal, akhir, dan keadaan menengah sistem. Dengan kata lain, karena kalor dan kerja bergantung pada jalur, kuantitas tidak ditentukan semata-mata oleh titik akhir dari proses termodinamika (Serway, 2010:576-578).

sumber: http://softonezero.blogspot.com/2014/05/usaha-dan-kalor-dalam-proses.html