HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA: RUMUS, PERSAMAAN, CONTOH - FISIK - 2025

The Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan yang dialami oleh energi dari suatu sistem berasal dari kerja mekanik dilakukan, ditambah panas ditukar dengan lingkungan. Apakah mereka diam atau bergerak, objek (sistem) memiliki energi yang berbeda, yang dapat diubah dari satu kelas ke kelas lain melalui beberapa jenis proses.

Jika suatu sistem dalam keadaan diam di laboratorium dan energi mekaniknya 0, ia masih memiliki energi internal, karena partikel-partikel penyusunnya terus menerus mengalami pergerakan yang acak.

Gambar 1. Mesin pembakaran dalam menggunakan hukum pertama termodinamika untuk menghasilkan pekerjaan. Sumber: Pixabay.

Pergerakan acak partikel, bersama dengan interaksi listrik dan dalam beberapa kasus nuklir, membentuk energi internal sistem dan ketika berinteraksi dengan lingkungannya, variasi energi internal muncul.

Ada beberapa cara untuk membuat perubahan ini terjadi:

- Yang pertama adalah sistem bertukar panas dengan lingkungan. Ini terjadi jika ada perbedaan suhu di antara keduanya. Kemudian yang lebih panas melepaskan panas - cara mentransfer energi - ke yang paling dingin, sampai kedua suhu sama, mencapai kesetimbangan termal.

- Dengan melakukan suatu pekerjaan, baik sistem yang melaksanakannya, atau agen eksternal melakukannya pada sistem.

- Menambahkan massa ke sistem (massa sama dengan energi).

Misalkan U adalah energi dalam, kesetimbangannya adalah ΔU = akhir U - inisial U, jadi akan lebih mudah untuk menetapkan tanda, yang menurut kriteria IUPAC (Persatuan Internasional Kimia Murni dan Terapan) adalah:

- Q dan W positif (+), ketika sistem menerima panas dan pekerjaan dilakukan padanya (energi ditransfer).

- Q dan W Negatif (-), jika sistem melepaskan panas dan melakukan pekerjaan pada lingkungan (mengurangi energi).

Rumus dan persamaan

Hukum pertama termodinamika adalah cara lain untuk menyatakan bahwa energi tidak diciptakan atau dihancurkan, tetapi diubah dari satu jenis ke jenis lainnya. Melakukannya akan menghasilkan panas dan pekerjaan, yang dapat dimanfaatkan dengan baik. Secara matematis dinyatakan sebagai berikut:

ΔU = Q + W.

Dimana:

- ΔU adalah perubahan energi sistem yang diberikan oleh: ΔU = Energi final - Energi awal = U _f - U _o

- Q adalah pertukaran panas antara sistem dan lingkungan.

- W adalah pekerjaan yang dilakukan pada sistem.

Dalam beberapa teks hukum pertama termodinamika disajikan seperti ini:

ΔU = Q - W

Ini tidak berarti bahwa keduanya saling bertentangan atau ada kesalahan. Ini karena pekerjaan W didefinisikan sebagai pekerjaan yang dilakukan oleh sistem daripada menggunakan pekerjaan yang dilakukan pada sistem, seperti dalam pendekatan IUPAC.

Dengan kriteria ini, hukum pertama termodinamika dinyatakan sebagai berikut:

Kedua kriteria tersebut akan memberikan hasil yang benar.

Pengamatan penting tentang hukum pertama Termodinamika

Baik panas maupun kerja adalah dua cara mentransfer energi antara sistem dan lingkungannya. Semua besaran yang terlibat memiliki joule atau joule, disingkat J. dalam Sistem Internasional.

Hukum pertama termodinamika memberikan informasi tentang perubahan energi, bukan tentang nilai absolut energi akhir atau awal. Beberapa bahkan bisa diambil sebagai 0, karena yang dihitung adalah selisih nilai.

Kesimpulan penting lainnya adalah bahwa setiap sistem yang terisolasi memiliki ΔU = 0, karena tidak dapat bertukar panas dengan lingkungan, dan tidak ada agen eksternal yang diizinkan untuk mengerjakannya, sehingga energinya tetap konstan. Sebuah termos untuk menjaga kopi Anda tetap hangat adalah perkiraan yang masuk akal.

Jadi dalam sistem non-terisolasi ΔU selalu berbeda dari 0? Belum tentu, ΔU bisa menjadi 0 jika variabelnya, yang biasanya adalah tekanan, suhu, volume dan jumlah mol, melalui siklus yang nilai awal dan akhirnya sama.

Dalam siklus Carnot misalnya, semua energi panas diubah menjadi pekerjaan yang dapat digunakan, karena tidak mempertimbangkan kehilangan gesekan atau viskositas.

Adapun U, energi misterius dari sistem, dia meliputi:

- Energi kinetik partikel saat bergerak dan yang berasal dari getaran serta rotasi atom dan molekul.

- Energi potensial akibat interaksi listrik antara atom dan molekul.

- Interaksi khas inti atom, seperti di dalam matahari.

Aplikasi

Hukum pertama menyatakan bahwa dimungkinkan untuk menghasilkan panas dan bekerja dengan menyebabkan energi internal suatu sistem berubah. Salah satu aplikasi yang paling berhasil adalah mesin pembakaran dalam, di mana sejumlah gas diambil dan pemuaiannya digunakan untuk melakukan pekerjaan. Aplikasi terkenal lainnya adalah mesin uap.

Mesin biasanya menggunakan siklus atau proses di mana sistem dimulai dari keadaan awal ekuilibrium menuju keadaan akhir lainnya, juga kesetimbangan. Banyak dari mereka terjadi dalam kondisi yang memfasilitasi perhitungan kerja dan panas dari hukum pertama.

Berikut adalah template sederhana yang menjelaskan situasi umum sehari-hari. Proses yang paling ilustratif adalah proses adiabatik, isokorik, isotermal, isobarik, proses jalur tertutup, dan ekspansi bebas. Di dalamnya, variabel sistem dijaga konstan dan akibatnya hukum pertama mengambil bentuk tertentu.

Proses isokorik

Mereka adalah mereka yang volume sistemnya tetap konstan. Oleh karena itu, tidak ada pekerjaan yang dilakukan dan dengan W = 0 itu tetap:

ΔU = Q

Proses isobarik

Dalam proses ini tekanan tetap konstan. Pekerjaan yang dilakukan oleh sistem adalah karena perubahan volume.

Misalkan sebuah gas terkurung dalam sebuah wadah. Karena pekerjaan W didefinisikan sebagai:

Mengganti gaya ini dalam ekspresi kerja, hasilnya:

Tetapi produk A. Δl sama dengan perubahan volume ΔV, meninggalkan pekerjaan seperti ini:

Untuk proses isobarik, hukum pertama berbentuk:

ΔU = Q - p ΔV

Proses isotermal

Mereka adalah yang terjadi pada suhu konstan. Hal ini dapat terjadi dengan mengontak sistem dengan reservoir termal eksternal dan menyebabkan pertukaran panas berlangsung sangat lambat, sehingga suhunya konstan.

Misalnya, panas dapat mengalir dari reservoir panas ke dalam sistem, memungkinkan sistem untuk bekerja, tanpa variasi ΔU. Begitu:

Q + W = 0

Proses adiabatik

Pada proses adiabatik tidak terdapat perpindahan energi panas, oleh karena itu Q = 0 dan hukum pertama tereduksi menjadi ΔU = W. Keadaan ini dapat terjadi pada sistem yang terisolir dengan baik dan berarti perubahan energi tersebut berasal dari pekerjaan yang telah dilakukan. dibuat di atasnya, sesuai dengan konvensi tanda saat ini (IUPAC).

Mungkin ada anggapan bahwa karena tidak ada transfer energi panas, suhu akan tetap konstan, tetapi tidak selalu demikian. Anehnya, kompresi gas yang diisolasi menghasilkan peningkatan suhunya, sedangkan dalam ekspansi adiabatik suhu menurun.

Proses di jalur tertutup dan ekspansi bebas

Dalam proses jalur tertutup, sistem kembali ke keadaan yang sama seperti di awal, terlepas dari apa yang terjadi di titik perantara. Proses-proses ini telah disebutkan sebelumnya ketika berbicara tentang sistem non-terisolasi.

Di dalamnya ΔU = 0 dan oleh karena itu Q = W atau Q = -W tergantung pada kriteria tanda yang diadopsi.

Proses jalur tertutup sangat penting karena membentuk fondasi mesin termal seperti mesin uap.

Terakhir, pemuaian bebas adalah idealisasi yang terjadi dalam wadah berinsulasi termal yang berisi gas. Wadah memiliki dua kompartemen yang dipisahkan oleh sekat atau membran dan gas berada di salah satunya.

Volume wadah meningkat secara tiba-tiba jika membran pecah dan gas mengembang, tetapi wadah tersebut tidak berisi piston atau benda lain untuk bergerak. Jadi gas tidak bekerja saat mengembang dan W = 0. Karena diisolasi secara termal, Q = 0 dan segera disimpulkan bahwa ΔU = 0.

Oleh karena itu, pemuaian bebas tidak menyebabkan perubahan energi pada gas, tetapi secara paradoks saat mengembang tidak berada dalam kesetimbangan.

Contoh

- Proses isochoric yang khas adalah pemanasan gas dalam wadah kedap udara dan kaku, misalnya panci bertekanan tanpa katup buang. Dengan cara ini, volumenya tetap konstan dan jika kita meletakkan wadah seperti itu dalam kontak dengan benda lain, energi internal gas berubah hanya berkat perpindahan panas karena kontak ini.

- Mesin termal melakukan siklus di mana mereka mengambil panas dari tangki termal, mengubah hampir semuanya menjadi pekerjaan, meninggalkan sebagian untuk operasi mereka sendiri dan kelebihan panas dibuang ke tangki lain yang lebih dingin, yang umumnya merupakan Sekelilingnya.

- Menyiapkan saus dalam panci yang tidak tertutup adalah contoh harian dari proses isobarik, karena pemasakan dilakukan pada tekanan atmosfer dan volume saus berkurang seiring waktu saat cairan menguap.

- Gas ideal di mana proses isotermal berlangsung menjaga produk tekanan dan volume konstan: P. V = konstan.

- Metabolisme hewan berdarah panas memungkinkan mereka mempertahankan suhu konstan dan melakukan berbagai proses biologis, dengan mengorbankan energi yang terkandung dalam makanan.

Gambar 2. Atlet, seperti mesin termal, menggunakan bahan bakar untuk melakukan pekerjaan dan kelebihannya akan hilang melalui keringat. Sumber: Pixabay.

Latihan terselesaikan

Latihan 1

Suatu gas dikompresi pada tekanan konstan 0,800 atm, sehingga volumenya bervariasi dari 9,00 L hingga 2,00 L. Dalam prosesnya, gas melepaskan 400 J energi melalui panas. a) Temukan usaha yang dilakukan pada gas dan b) hitung perubahan energi internalnya.

Solusi untuk)

Pada proses adiabatik terpenuhi bahwa P _o = P _f , usaha yang dilakukan pada gas adalah W = P. ΔV, seperti yang dijelaskan di bagian sebelumnya.

Faktor konversi berikut diperlukan:

Oleh karena itu: 0.8 atm = 81.060 Pa dan Δ V = 9 - 2 L = 7 L = 0.007 m ³

Mengganti nilai yang Anda dapatkan:

Solusi b)

Ketika sistem melepaskan panas, Q diberi tanda -, oleh karena itu hukum pertama Termodinamika adalah sebagai berikut:

ΔU = -400 J + 567,42 J = 167,42 J.

Latihan 2

Diketahui bahwa energi internal sebuah gas adalah 500 J dan ketika dikompresi secara adiabatik volumenya berkurang sebesar 100 cm ³ . Jika tekanan yang diberikan pada gas selama kompresi adalah 3,00 atm, hitung energi internal gas setelah kompresi adiabatik.

Larutan

Karena pernyataan tersebut menginformasikan bahwa kompresi adalah adiabatik, maka benar Q = 0 dan ΔU = W, maka:

Dengan inisial U = 500 J.

Menurut data ΔV = 100 cm ³ = 100 x 10 ^-6 m ³ dan 3 atm = 303975 Pa, maka:

Referensi

1. Bauer, W. 2011. Fisika untuk Teknik dan Sains. Jilid 1. Mc Graw Hill.
2. Cengel, Y. 2012. Termodinamika. Edisi 7 ^ma . McGraw Hill.
3. Figueroa, D. (2005). Seri: Fisika untuk Sains dan Teknik. Volume 4. Cairan dan Termodinamika. Diedit oleh Douglas Figueroa (USB).
4. López, C. Hukum Pertama Termodinamika. Diperoleh dari: culturacientifica.com.
5. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi. Pearson.
6. Serway, R., Vulle, C. 2011. Dasar-dasar Fisika. 9 ^na Ed. Cengage Learning.
7. Universitas Sevilla. Mesin Thermal. Diperoleh dari: laplace.us.es.
8. Wikiwand. Proses adiabatik. Diperoleh dari: wikiwand.com.