Diketahui:

Diagram aliran energi dari sebuah sistem termodinamika.

$Q_{\text{masuk}}$ = 300 J

$Q_{\text{keluar}}$ = -200 J (bernilai negatif karena dilepaskan dari sistem ke lingkungan)

Ditanya:

Perubahan energi dalam $\Delta U$ = ?

Jawab:

Energi dalam merupakan energi yang dimiliki oleh sistem terkait dengan interaksi antar partikel di dalam sistem tersebut. Nilai absolutnya sulit dihitung. Namun, perubahan energi dalam ($\Delta U$) nya dapat dihitung dengan mudah. Selama proses termodinamika terjadi, energi dalam dapat berkurang maupun bertambah.

Menurut hukum kekekalan energi, besarnya perubahan energi dalam suatu sistem adalah:

$\Delta U=Q-W$, di mana Q merupakan kalor yang diterima dari lingkungan dan W merupakan usaha yang diberikan ke lingkungan. Kalor yang dilepas ke lingkungan akan bernilai negatif serta usaha yang diberikan oleh lingkungan juga akan bernilai negatif.

$\Delta U=Q-W$

$=\left(Q_{\text{masuk}}+Q_{\text{ keluar}}\right)-0$

$=\left(300+\left(-200\right)\right)$

$=100$ J

Jadi, besarnya perubahan energi dalam adalah 100 J.

Diketahui:

Proses isotermal.

Suhu $T$ = 127°C = 400 K

Tekanan awal $P_1$ = 4 atm

Tekanan akhir $P_2$ = 2 atm

Konstanta gas umum $R$ = 8,31 J/mol.K

Banyaknya molekul gas $n$ = 3 mol

Ditanya:

Usaha yang dilakukan $W$ = ?

Jawab:

Proses isotermal merupakan suatu proses termodinamika yang terjadi pada suhu konstan. Ciri-ciri proses ini adalah kurva yang berbentuk lengkungan yang condong ke bawah pada grafik tekanan terhadap volume.

Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas pada proses isotermal adalah $W=nRT\ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$ dimana $n$ merupakan jumlah mol gas, $R$ merupakan konstanta gas ideal, $T$ merupakan suhu, dan $V$ merupakan volume. Pada proses isotermal juga berlaku $P_1V_1=P_2V_2$ dimana $P$ adalah tekanan dan $V$ adalah volume.

Pertama-tama, cari perbandingan $\frac{V_2}{V_1}$ terlebih dahulu. Dengan cara menyusun ulang persamaan $P_1V_1=P_2V_2$ didapatkan $\frac{V_2}{V_1}=\frac{P_1}{P_2}$. Sehingga,

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{P_1}{P_2}$

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{4}{2}$

$\frac{V_2}{V_1}=2$

Lalu, hitung besarnya usaha yang dilakukan.

$W=nRT\ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$

$=\left(3\right)\left(8,31\right)\left(400\right)\ln\left(2\right)$

$=9.972\ln\left(2\right)$

$=9.972\left(0,7\right)$

$=6.980,4$ J

Jadi, besarnya usaha yang dilakukan adalah 6.980,4 J.

Diketahui:

Kurva siklus kerja gas.

$P_{\text{A}}$ = $P_{\text{B}}$ = 10 kPa

$P_{\text{D}}$ = $P_{\text{C}}$ = 6 kPa

$V_{\text{A}}$ = $V_{\text{D}}$ = 4 m³

$V_{\text{B}}$ = $V_{\text{C}}$ = 8 m³

Ditanya:

Usaha total tiap siklus $W_{\text{tot }}$=?

Jawab:

Usaha yang dilakukan pada sebuah siklus merupakan penjumlahan dari usaha-usaha pada masing-masing langkahnya.

Pada kurva ini, terdapat siklus gas yang tidak umum, yaitu pada proses di mana tekanan, volume, dan suhu ketiganya berubah. Maka, usaha pada siklus ini akan dicari melalui persamaan dasar usaha pada gas yaitu $\int_{V_1}^{V_2}P\ dV$. Persamaan ini merupakan luas daerah di bawah grafik.

Sehingga usaha dapat dicari menggunakan luas dari persegi, yaitu

$W_{\text{tot }}​=\left(\text{AD}\right)\left(\text{}\text{}\text{AB}\right)$

$=\left(10-6\right)\left(8-4\right)$

$=\left(4\right)\left(4\right)$

$=16$ kJ

Jadi, gas melakukan usaha sebesar 16 kJ.

Proses adiabatik merupakan suatu proses dimana tidak ada aliran kalor yang masuk maupun keluar dari suatu sistem. Sehingga transfer energi antara sistem dan lingkungan yang terjadi hanya berupa usaha. Pada proses ini volume, suhu, maupun tekanan bisa berubah.

Jadi, besaran yang tidak berubah pada proses adiabatik adalah (4) saja.

Dalam termodinamika terdapat 3 jenis sistem, yaitu:

• Sistem terbuka, sistem yang mengalami perpindahan kalor dan massa
• Sistem tertutup, sistem yang mengalami perpindahan kalor namun tidak ada perpindahan massa
• Sistem terisolasi, sistem yang tidak mengalami perpindahan kalor dan massa

Teh hangat yang diletakkan di suhu ruangan, logam yang berkarat, air laut yang menguap, dan gas buang pada kendaraan merupakan contoh fenomena sistem terbuka di mana terjadi perpindahan kalor maupun massa.

Sementara air dalam termos merupakan sistem terisolasi karena tidak ada perpindahan massa dan kalor.

Jadi, yang bukan merupakan contoh sistem terbuka adalah air di dalam termos.

Diketahui:

Proses isobarik (tekanan sama).

Tekanan kerja $P$ = 10 kPa

Volume awal $V_1$ = 5 m³

Volume akhir $V_2$ = 15 m³

Ditanya:

Usaha yang diperlukan $W$ = ?

Jawab:

Proses isobarik merupakan suatu proses termodinamika yang terjadi pada tekanan yang sama. Ciri-ciri proses ini adalah kurva yang berbentuk horizontal pada grafik tekanan terhadap volume. Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas pada proses isobarik adalah $W=P\left(V_2-V_1\right)$ dimana $P$ adalah tekanan dan $V$ adalah volume.

Sehingga,

$W=P\left(V_2-V_1\right)$

$=10\left(15-5\right)$

$=10\left(10\right)$

$=100$ kJ (tanda positif menandakan bahwa usaha pada proses ini diberikan oleh sistem ke lingkungan)

Jadi, besar usaha yang dibutuhkan adalah sebesar 100 kJ.

Diketahui:

Proses isotermal.

Suhu $T$ = 350 K

Tekanan awal $P_1$ = 500 kPa

Tekanan akhir $P_2$ = 250 kPa

Konstanta gas umum $R$ = 8,31 J/mol.K

Banyaknya molekul gas $n$ = 2 mol

Ditanya:

Usaha yang dilakukan $W$ = ?

Jawab:

Proses isotermal merupakan suatu proses termodinamika yang terjadi pada suhu konstan. Ciri-ciri proses ini adalah kurva yang berbentuk lengkungan yang condong ke bawah pada grafik tekanan terhadap volume.

Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas pada proses isotermal adalah $W=nRT\ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$ dimana $n$ merupakan jumlah mol gas, $R$ merupakan konstanta gas ideal, $T$ merupakan suhu, dan $V$ merupakan volume. Pada proses isotermal juga berlaku $P_1V_1=P_2V_2$ dimana $P$ adalah tekanan dan $V$ adalah volume.

Pertama-tama, cari perbandingan $\frac{V_2}{V_1}$ terlebih dahulu. Dengan cara menyusun ulang persamaan $P_1V_1=P_2V_2$ didapatkan $\frac{V_2}{V_1}=\frac{P_1}{P_2}$. Sehingga,

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{P_1}{P_2}$

$\frac{V_2}{V_1}=\frac{500}{250}$

$\frac{V_2}{V_1}=2$

Lalu, hitung besarnya usaha yang dilakukan.

$W=nRT\ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$

$=\left(2\right)\left(8,31\right)\left(350\right)\ln\left(2\right)$

$=5.817\ln\left(2\right)$

$=5.817\left(0,7\right)$

$=4.071,9$ J

Jadi, besarnya usaha yang dilakukan adalah 4.071,9 J.

Diketahui:

Kurva siklus kerja gas:

$P_{\text{A}}$ = $P_{\text{B}}$ = 20 kPa

$P_{\text{C}}$ =$P_{\text{D}}$ = 10 kPa

$V_{\text{A}}$ = $V_{\text{D}}$ = 2 m³

$V_{\text{B}}$ = 3 m³

$V_{\text{C}}$ = 6 m³

Suhu $T$ = 300 K (tidak digunakan)

Konstanta gas ideal, $R$ = 8,31 J/mol.K (tidak digunakan)

Ditanya:

Usaha total tiap siklus $W_{\text{tot}}$ = ? arah aliran energi?

Jawab:

Usaha yang dilakukan pada sebuah siklus merupakan penjumlahan dari usaha-usaha pada masing-masing langkahnya.

Pada kurva ini, terdapat proses isobarik, proses isokhorik, dan proses isotermal. Proses isobarik merupakan proses termodinamika yang terjadi pada tekanan konstan dan dapat digambarkan dengan kurva lurus horizontal pada grafik tekanan terhadap volume. Proses isokhorik merupakan proses termodinamika yang terjadi pada volume konstan dan dapat digambarkan dengan kurva lurus vertikal pada grafik tekanan terhadap volume. Sementara proses isotermal merupakan proses termodinamika yang terjadi pada suhu konstan dan dapat digambarkan dengan kurva melengkung ke arah bawah pada grafik tekanan terhadap volume.

Besarnya usaha pada proses isobarik adalah $W=P\left(V_2-V_1\right)$ dimana $P$ adalah tekanan dan $V$ adalah volume, besarnya usaha pada proses isokhorik adalah 0 karena tidak terjadi perubahan volume gas, sementara besarnya usaha yang dilakukan pada proses isotermal adalah $W=nRT\ln\left(\frac{V_2}{V_1}\right)$ dimana $n$ merupakan jumlah mol gas, $R$ merupakan konstanta gas ideal, $T$ merupakan suhu, dan $V$ merupakan volume.

Hitung besarnya usaha di tiap langkahnya.

Pada A-B

$W_{\text{AB}}=P\left(V_{\text{ B}}-V_{\text{A}}\right)$ (proses isobarik)

$=20\left(3-2\right)$

$=20$ kJ

Pada B-C

$W_{\text{BC}}=nRT\ln\left(\frac{V_{\text{C}}}{V_{\text{B}}}\right)$ (proses isotermal)

menggunakan persamaan gas ideal $PV=nRT$ , maka

$W_{\text{BC}}=P_{\text{B}}V_{\text{B}}\ln\left(\frac{V_{\text{C}}}{V_{\text{B}}}\right)$ (usaha juga bisa dihitung menggunakan $P_{\text{C}}V_{\text{C}}$)

$=\left(20\right)\left(3\right)\ln\left(\frac{6}{3}\right)$

$=60\ln\left(2\right)$

$=42$ kJ

Pada C-D

$W_{\text{CD}}=P\left(V_{\text{D}}-V_{\text{}\text{C}}\right)$ (proses isobarik)

$=10\left(2-6\right)$

$=-40$ kJ

Pada D-A

$W_{\text{DA}}=0$ J (proses isokhorik)

Sehingga besar usaha totalnya,

$W_{\text{tot}}=W_{\text{AB}}+W_{\text{BC}}+W_{\text{CD}}+W_{\text{DA}\text{}}$

$=20+42+\left(-40\right)+0$

$=22$ kJ

Tanda positif menandakan bahwa energi mengalir dari sistem ke lingkungan.

Jadi, besarnya dan arah dari gas tersebut adalah 22 kJ dari sistem ke lingkungan.

Energi dalam adalah total energi yang dikandung dalam sebuah sistem dengan mengecualikan energi kinetik pergerakan sistem sebagai satu kesatuan dan energi potensial sistem akibat gaya-gaya dari luar.

Besarnya energi dalam adalah $U=\frac{f}{2}nRT$ di mana $f$ merupakan koefisien derajat kebebasan (untuk gas monoatomik, diatomik, dan poliatomik masing-masing nilainya 3, 5, dan 6), $n$ merupakan jumlah mol gas, $R$ merupakan konstanta gas ideal yang besarnya 8,31 J/mol.K, dan $T$ merupakan suhu gas yang dinyatakan dalam kelvin.

Pada jumlah dan suhu yang sama, gas yang memiliki energi dalam paling besar adalah gas poliatomik. Helium merupakan contoh gas monoatomik. Oksigen, nitrogen, dan karbon monoksida merupakan contoh gas diatomik. Sementara karbon dioksida merupakan contoh gas poliatomik.

Jadi, gas memiliki energi dalam paling besar adalah karbon dioksida.

Proses adiabatik merupakan suatu proses di mana tidak ada aliran kalor yang masuk maupun keluar dari suatu sistem. Sehingga transfer energi antara sistem dan lingkungan yang terjadi hanya berupa usaha.

Ulas satu per satu gambar.

→ Terjadi aliran kalor dan usaha pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

→ Hanya terjadi usaha pada proses ini. Merupakan proses adiabatik.

→ Hanya terjadi aliran kalor pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

→ Terjadi aliran kalor dan usaha pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

→ Hanya terjadi aliran kalor pada proses ini. Bukan merupakan proses adiabatik.

Jadi, jawaban yang tepat adalah gambar berikut.