Kerja pemampatan dan pemuaian

Konsep dasar

Sistem adalah bagian dari dunia yang menjadi perhatian khusus bagi dunia kita. Sistem dapat berupa tabung reaksi, mesin, sel elektrokimia, dan sebagainya. Di sekitar sistem ada lingkungan, tempat kita melakukan pengamatan. Kedua bagian itu dapat berada dalam kontak dan dipisahkan dengan sebuah batas. Dengan menetapkan sistem dan lingkungannya, kita bisa mendapatkan spesifikasi yang teliti batas antara keduanya. Jika materi dapat dipindahkan melalui batas antara sistem dan lingkungannya, maka sistem itu dikatakan terbuka, dan jika sebaliknya, maka sistem itu dikatakan tertutup. Sistem terisolasi adalah sitem tertutup yang tidak mempunyai kontak mekanis maupun termal dengan lingkungannya.

Kerja pemampatan dan pemuaian

Dalam termodinamika kita sering memperhatikan kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem ketika sistem tersebut memuai. Kerja dilakukan selama proses, jika proses itu dapat digunakan untuk menghasilkan perubahan ketinggian sebuah beban pada suatu tempat di lingkungannya. Misalnya adalah gas yang mendorong keluar penghisap silinder dan menaikkan beban, meregangkan secarik karet, dan memutar pegas. kita bisa mengatakan bahwa kerja dilakukan oleh sistem jika beban sudah dinaikkan di lingkungannya, dan bahwa kerja dilakukan pada sistem jika beban diturunkan (McGlashan, 1979).

Kita misalkan gerakan penghisap silinder bersifat kuasistatis, atau lambat dibandingkan dengan proses apapun yang menyebarkan energi dan materi melalui lingkungannya, sehingga tidak menimbulkan daerah kekacauan. Proses kuasistatis  adalah proses dalam keadaan ideal dengan hanya mengubah sedikit saja gaya eksternal yang bereaksi pada sistem sehingga gaya tak berimbangnya sangat kecil. Proses kuasistatis merupakan suatu pengidealan yang dapat diterapkan untuk segala sistem termodinamika, termasuk sistem listrik dan magnetik.

Cara lain untuk menyatakan hal ini adalah dengan mengatakan bahwa lingkungan harus tetap dalam kesetimbangan dalam, artinya tidak akan ada aliran energi atau materi dari satu daerah lain di lingkungan itu pada saat silinder berhenti. Gerakan kuasistatis menjamin bahwa lingkungan itu dalam kesetimbangan dalam.

Jika memuai secara kuasistatis melalui jarak dz, sistem menaikkan beban peksA melalui jarak dz, sehingga kerja yang dilakukan dw = -peksA x dz. Tetapi A dz adalah volume yang ditinggalkan selama pemuaian, yang dilambangkan dengan dV. Oleh karena itu, kerja yang dilakukan jika sistem memuai melalui dV melawan tekanan tetap peks adalah :

dw = -Peks dV

sebaliknya, jika sistem dimampatkan, beban sebesar peksA diturunkan dalam lingkungannya, sehingga kerja sebesar peksA x |dz|sekarang dilakukan pada sistem. Penting untuk dicatat bahwa masih tekanan luar-lah yang menentukan besarnya kerja walaupun sistemlah yang menentang masuknya silinder. Hal ini disebabkan tindakan pemampatan dapat disamakan dengan penurunan beban sebesar peksA dalam lingkungannya. Oleh karena itu, dalam kedua hal itu, kerja yang dilakukan pada sistem dinyatakan dengan persamaan diatas. Hanya saja dalam hal pemampatan, dV bertanda negatif (pengurangan volume) sehingga dw bertanda positif. Kerja dilakukan pada sistem dengan pemampatan, dan selama tak ada perubahan energi lain, energi dalamnya naik (Smith, 1982).
Jenis lain dari kerja (misalnya kerja listrik) mempunyai pernyataan yang analog, dengan setiap hasil kali faktor intensif (misalnya tekanan) dan faktor ekstensif (perubahan volume).

Perubahan reversibel dalam termodinamika adalah perubahan yang dapat dikembalikan dengan modifikasi sangat kecil dari sebuah variabel. Sistem berada dalam ksetimbangan dalam lingkungannya jika suatu perubahan sangat kecil pada kondisi tersebut dengan arah yang berlawanan menghasilkan perubahan yang berlawanan pada keadaanya. Sebagai contoh dari reversibilitas (kedapatbalikan) yang sudah pernah dijumpai adalah kesetimbangan termal dua benda yang temperaturnya sama. Pemindahan energi antara keduanya reversibel karena jika temperatur dari benda yang manapun diturunkan sangat sedikit, energi mengalir ke dalamnya, tetapi jika temperaturnya dinaikkan sangat sedikitm energi keluar dari padanya (Atkins, 1990).

Misalkan satu gas yang dibatasi oleh silinder penghisap dan tekanan luar peks ditentukan sama dengan tekanan gas yang terkurung p. Sistem seperti ini dalam kesetimbangan mekanis dengan lingkungannya, karena perubahan sangat kecil dari tekanan luarnya dengan arah manapun menyebabkan perubahan volume dengan arah yang berlawanan. Jika tekanan luar sedikit lebih kecil daripada tekanan dalam, gas sedikit memuai. Jika tekanan luar sedikit dinaikkan, gas sedikit dimampatkan. Kedua hal ini, perubahan tersebut adalah reversibel dalam pengertian termodinamika. Jika sebaliknya, tekanan luar cukup berbeda  dari tekanan dalam, maka mengubah sedikit peks tidak akan menurunkannya di bawah tekanan gas, dan karena itu tidak akan mengubah arah proses. Sistem tidak dalam kesetimbangan mekanis dengan lingkungannya dan pengembangan itu secara termodinamika tak reversibel.

DAFTAR PUSTAKA
1.    Atkins, P.W. 1990. Kimia Fisika Jilid 1 Edisi Keempat. Jakarta : Erlangga.
2.    McGlashan, M. L. 1979. Chemical Thermodynamics. London : Academic Press.
3.    Smith, E.B. 1982. Basic Chemical Thermodynamics. England : Oxford University Press.

By : Makhro Fitri Maulani 16630050

Definisi Mekanisme dari Kalor

Kalor adalah bentuk energi yang dapat berpindah dari satu benda kebenda yang lain,karena adanya suhu. Karena suhu dapat mengubah sifat zat. Ketika dua benda yang suhunya berbeda diletakkan saling bersentuhan, kalor akan mengalir seketika dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya rendah. Aliran kalor selalu dalam arah yang cenderung menyamakan suhu. Jika kedua benda itu disentuhkan cukup lama sehingga suhu keduanya sama, maka keduanya dalam keadaan termal dan tidak ada lagi kalor yang mengalir diantaranya. Contoh pada saat termometer tubuh pertama kali dimasukkan ke mulut pasien,maka kalor mengalir dari mulut pasien tersebut ke thermometer.Ketika pembacaan suhu berhenti naik, termometer setimbang dengan suhu tubuh orang tersebut.
   
Suatu benda(zat)bergantung pada faktor berikut :
Massa zat
Jenis zat (jenis kalor)
Perubahan suhu 

Pada hukum pertama termodinamika tidak menjelaskan tentang kalor secara keseluruhan tetapi tentang konsep kalor dan juga definisi pokok kalor dalam kuantitas yang dapat diukur.Misalnya kita membuat isolasi pada sekitar sistem dan kita membuatnya secara diatermik maka sistem itu dalam kontak termal dengan ligkungannya ,seperti keadaan awal yang sama dengan keadaan akhir . Pada perubahan energi dalamnya sama dengan sebelumnya karena u adalah sifat keadaan . Tetapi boleh jika mendapatkannya kerja tidak sama dengan awal yang kita kerjakan . Jadi kita perlu melakukan 42 kJ kerja jika sistem dalam wadah adiabatik.Apabila ingin mendapatkan perubahan yang sama maka harus melakukan 50 kJ kerja .Perbedaan antara kerja yang dilakukan dua cara tersebut didefinisikan sebagai kalor yang diserap dalam proses q=w_ad-w
Dapat disimpulkan bahwa 

q=42kJ-50kJ=-8kJ 

Bahwa energi sebesar 8kJ meninggalkan sistem sebagai kalor .Setelah nilai ∆U sama dengan w_ad maka untuk energi yang dipindahkan kesistem sebagai kalor adalah : q=∆U-w

DAFTAR PUSTAKA
Atkins,P.W.,1999, Kimia fisika, Edisi keempat, Erlangga, Jakarta.
Istiyono,Edi.,2007,fisika, PT Macanan Jaya Cemerlang.
Karyono.,dkk,2009,fisika,jilid 1, Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional .
Abdullah,Mikrajuddin.,2016,fisika dasar 1,Jakarta:kampus Ganesa.

By: Zilfi Wirdatul Mauliya 16630047

Kerja Pemuaian Adiabatik

Konsep termodinamika sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari seperti kerja, kalor, dan energi. Ketiga hal tersebut merupakan konsep dasar termodinamika. Sebelum pembahasan termodinamika dipaparkan lebih jauh, perlu dipahami terlebih dahulu pengertian-pengertian yang berkaitan dengan termodinamika seperti system dan lingkungan.

Sistem kimia dapat didefinisikan sebagai sesuatu atau sejumlah zat atau campuran zat-zat yang dibatasi oleh sifat-sifat fisik atau konseptual yang sifat-sifatnya dapat dipelajari atau menjadi pusat perhatian. Diluar atau selain sistem tersebut dinamakan lingkungan, lingkungan ini merupakan tempat kita melakukan pengamatan (Rohman dan Mulyani, 2004). Kedua bagian tersebut dapat berada dalam kontak dan dipisahkan dengan sebuah batas. 

Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi interaksi, yaitu berupa pertukaran energy dan atau materi. Seperti contoh yang sering kita jumpai berikut, saat kita memasak air dalam panci diatas kompor terjadi perpindahan energi berupa panas/ kalor dari lingkungan ke system, dimana air dalam panci merupakan sistemnya dan api dari kompor sebagai lingkungannya, dan juga panci sebagi batas dari keduanya. Air yang semula dingin jadi panas ini yang menunjukkan terjadinya perpindahan energy berupa kalor. Hal itu terjadi karena kapasitas sistem untuk melekukan kerja bertambah, sehingga energinya bertambah, dan karena penambahan itu terjadi sebagai hasil perbedaan temperature, energy itu sudah dipindahkan kesistem sebagai kalor.
Tidak semua zat memungkinkan pemindahan energy walaupun ada perbedaan temperature antara sistem dengan lingkungannya. Dinding yang memungkinkan pemindahan energy sebagai kalor (seperti baja, kaca) disebut diatermik. Dinding yang tidak memungkinkan pemindahan energy sebagai kalor disebut adiabatik. Labu dewar  adalah contoh wadah adiabatik yang baik (Atkins,1999).

Proses yang berhubungan dengan usaha/kerja yang dilakukan oleh gas yang berkaitan dengan perubahan suhu, volume, tekanan, dan energy dalam gas adalah proses termodinamika gas. Beberapa proses termodinamika gas tersebut adalah proses isothermal, proses isokhorik, proses isobarik, dan proses adiabatik. Pada saat ini saya akan membahas proses adiabatik.

Proses adiabatik merupakan salah satu konsep penting termodinamika dalam pengembangan hukum pertama termodinamika. Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas (system) dimana tidak ada kalor yang masuk kesistem atau keluar dari system (gas) (Bailyn,1994). Proses ini berlangsung dalam dinding atau batas yang terisolasi termal sepenuhnya sehingga tidak terjadi perubahan keadaan.

Dalam kerja pemuaian adiabatik karena tidak terjadi perubahan atau perpindahan kalor, maka dq = 0 pada setiap tahap pemuaian. Oleh karena itu, energi dalam sama dengan kerja yang dilakukan selama pemuaian dU = dw. Untuk menghitung kerja yang dilakukan selama pemuaian dapat dihitung dengan menghitung perubahan energi dalam antara keadaan awal dan akhir yang sama (Atkins,1999): 

w = i∫f dU (1)

persamaan tersebut berlaku untuk segala system tertutup, adiabatik. Pada kasus gas sempurna atau disebut juga gas ideal memungkinkan untuk menghubungkan dU dengan perubahan volume dengan cara yang sederhana, karena kita dapat menggunakan persamaan berikut ini dengan  = 0   

dU = 2  dV + Cv dT     menjadi   dU = 0 + Cv dT     sehingga diperoleh  persamaan
w = i∫f Cv dT   (2)

Untuk banyak gas, Cv hampir tidak bergantung pada temperature, sehingga integrasinya sangat sederhana:

W = Cv  Ti∫Ti  dT = Cv (Tf – Ti)  = Cv ∆T (3)

Karena persamaan yang dihasilkan di atas, maka kerja yang dilakukan selama pemuaian adiabatic sebanding dengan perbedaan temperature antara keadaan awal dan akhir. Persamaan ini berlaku untuk segala pemuaian dan penyusutan adiabatic gas sempurna, reversible atau tak reversible, selama pemuaian itu kuasistatik dan lingkungannya ada pada kesetimbangan dalam (Atkins,1999).

Kesimpulan umum dari persamaan tiga adalah jika w < 0 (sehingga system sudah melakukan kerja), maka ∆T < 0,   tidak perduli apakah perubahan tersebut reversible atau tak reversible. Hal itu tidak mengherankan karena tidak ada kalor yang dapat masuk ketika system adiabatic melakukan kerja, energy dalamnya pasti turun. Walaupun demikian karena energy dalam gas sempurna tidak dipengaruhi oleh perubahan volume saja, pengurangan energy dalam pasti berarti energy juga turun.

Pemuaian Adiabatic Tak Reversible
Jika gas sempurna memuai melawan tekanan luar nol, gas itu tidak melakukan kerja. Oleh karena itu, w = 0, dan konsekuensinya       ∆T<     ..Ini adalah kasus khusus: pemuaian itu secara bersamaan adiabatic dan isothermal (Atkins,1999).

Jika pemuaian terjadi melawan tekanan luar tertentu, maka kerja yang dilakukan adalah w = -Pex ∆V. Ini adalah hasil umum dan berlaku sama terhadap perubahan isothermal dan adiabatic. Untuk gas sempurna kerja harus sama dengan kerja dari persamaan 3 sebelumnya. Oleh karena itu kita dapat menghitung perubahan temperature yang menyertai pemuaian adiabatic tak reversible (Atkins,1999):

Cv  ∆T = - Pex ∆V
∆T = - Pex ∆V     (4)

Pemuaian Adiabatic Reversible
Pada pemuaian reversible setiap tahap tekanan luar dsisesuaikan dengan tekanan dalam selama proses. Oleh karena itu pada proses reversible berlaku Pl = P .  jika volume berubah sebesar dV, maka kerja yang dilakukan adalah dw = - p dV. Karena adiabatic maka dq = 0. Sehingga dU = - p dV dan diperoleh persamaan setiap tahap sebagai berikut (Atkins,1999):

     Cv dT  = - p dV

Karena pada setiap tahap, gas sempurna memenuhi pV = nRT, persamaan ini menjadi:

     Cv dT/T  = nR dV /V   

Karena Cv dapat dianggap tidak bergantung pada temperature (hal ini berlaku untuk gas sempurna beratom tunggal, dan kira-kira berlaku juga gas lainnya), maka kedua sisi dapat diintegralkan di antara keadaan awal dan akhirnya:

 
Atau
  

Dengan menuliskan c = C√nR dan melakukan sedikit penyusunan ulang, kita mendapatkan
           

Yang berarti bahwa

5)

Sekarang kita dapat meramalkan temperature gas sempurna yang sudah memuai (atau menyusut) secara adiabatic dan reversible dari volume Vi dan temperature Ti ke volume Vf
            

Berdasarkan persamaan 5 tersebut dapat diturunkan hubungan variable-variabel system lainya seperti: tekanan dengan suhu dan tekanan dengan volume, yang menghasilkan persamaan (Rohman dan Mulyani, 2004):
(6)
dan
(7)

DAFTAR PUSTAKA
Atkins, p. w. 1999. Kimia Fisika Jilid 1 Edisi keempat. Jakarta: Erlangga.
Bailyn, M. 1994. Sebuah Survei Termodinamika. New York, NY: American Institute of Physics Press.
Rohman, Ijang, dan Mulyani, Sri. 2004. Kimia Fisika 1. Jakarta: Universitas Pendidikan Indonesia

By : Vivi Septya Wati 16630061

Aplikasi Efek Joule Thomson

James Joule

Kita perlu mengetahui cara mngukur perubahan temperatur yang menyertai perubahan tekanan pada entalpi tetap. Kecerdikan untuk mengatasi kendala ini diberikan oleh joule dan william thomson, yang tidak hanya memecahkan masalah ini, melainkan juga menemukan cara untuk membuat eksperimen yang sangat peka utuk masalah ini. Mereka menemukan kesalahan pada eksperimen orisinal joule, yaitu bahwa kapasitas kalor alat terlalu besar, sehingga perubahan temperatur menjadi sangat kecil dan tak teratur.

Joule dan thomson mempunyai gagasan yang baik dengan mengunakan gas (yang kapasitas kalornya rendah) sebagai bak kalornya dan membuat aliran terus-menerus sehinga efeknya lebih mudah diukur. Gas dibiarkan memuai melalui suatu sumbat berpori dari suatu tekanan tetap ke tekanan tetap lainya dan memonitor perbedaan temperatur. Seluruh alat diisolasi sehingga proses tersebut adiabatik. Mereka mendapakan temperatur yang lebih rendah pada sisi yang tekanannya rendah, dan perbedaannya sebanding dengan perbedaan tekanannya. Pendinginan dengan pemuian adiabatik ini sekarang disebut efek joule-thomson(Atkins, 1996).

Kepentingan teknologi efek joule-thomson terletak pada penerapannya dalam pendinginan dan pencairan gas. Pendingin linde bekerja dengan prinsip bahwa dibawah temperatur inversinya, gas mendingin pada pemuaian. Dengan demikian sangatlah penting untuk mengetahui kondisi-kondisi dimana p positif. Sesudah gas pendingin bersirkulasi ulang, dan untuk penurunan tekanan yang cukup besar antara sebelum dan sesudah sumbat berpori , temperatur turun sampai dibawh temperatur pengembunan, dan terbentuklah cairan(Atkins, 1996).

Mesin pendingin joule-thomson digunakan untuk dalam aplikasi medis seperti alat penyimpan spesimen biomedis dan cryosurgery. Sebegai alat cryosurdery, mesin pendingin joule-thomson harus memiliki kisaran temperatur yang besar aan mampu mencapai suhu 120 k agar jaringan kanker yang menginfeksi bagian tubuh dapat dimatikan(Hidayat, 2011).

Efek joule-thomson biasanya juga digunakan dalam industri migas untuk dijadikan tolok ukur pada proses pencairan gas.  Proses pencairan gas ini dilakukan karena akibat dari tekanan dan temperatur yang kritis sehingga megakibatkan gas membentuk kristal yang seperti es atau biasa disebut sebagai gas Hidrat. Proses pencairan gas yang menggunakan Joule-Thomsone effect adalah dengan pertolongan suatu kompresor, dimana gas pertamakali ditekan pada tekanan yang tinggi, kemudian dilepas untuk pengembangan bebas. Gas yang telah mengalami penurunan suhu akan dialirkan kedalam kompresor dan proses dapat diulang kembali hingga mencapai suhu yang cukup rendah sehingga pada pengembangan atau ekspansi dihasilkan cairan sebagai akibat terjadinya proses kondensasi.

Atkins, P.W., 1996. Kimia Fisik. Jilid 2. Erlangga: Jakarta.
Hidayat, R. A., 2011. Pengujian Kaakteristik Sistem Pendingin Joule-Thomson dengan Menggunakan Campurn Hirokarbon Melalui Simulasi Program Matlab 8.5 dan Refprop 8.0. Skripsi. FT, Teknik Mesin, Universitas Indonesia.

By : Hannan Adi Widodo 16630063