APA ITU PROSES ISOTERMAL? (CONTOH, LATIHAN) - FISIK - 2025

Proses isotermal atau isotermal merupakan proses termodinamika reversibel dimana suhunya tetap konstan. Dalam gas, terdapat situasi di mana perubahan sistem tidak menghasilkan variasi suhu, tetapi sifat fisiknya.

Perubahan tersebut merupakan perubahan fasa, saat zat berubah dari padat menjadi cair, dari cair menjadi gas atau sebaliknya. Dalam kasus seperti itu, molekul zat menyesuaikan kembali posisinya, menambah atau mengekstraksi energi panas.

Gambar 1. Es yang mencair adalah contoh dari proses isotermal. Sumber: Pixabay.

Energi panas yang diperlukan agar perubahan fasa terjadi dalam suatu zat disebut panas laten atau panas transformasi.

Salah satu cara untuk membuat proses isotermal adalah dengan meletakkan zat yang akan menjadi sistem yang diteliti bersentuhan dengan reservoir termal eksternal, yaitu sistem lain dengan kapasitas kalori yang besar. Dengan cara ini, pertukaran panas yang lambat terjadi sehingga suhu tetap konstan.

Jenis proses ini sering terjadi di alam. Misalnya pada manusia ketika suhu tubuh naik atau turun kita merasa mual, karena di dalam tubuh kita banyak reaksi kimia yang menjaga kehidupan berlangsung pada suhu yang konstan. Ini berlaku untuk hewan berdarah panas pada umumnya.

Contoh lainnya adalah es yang meleleh karena panas saat musim semi tiba dan es batu yang mendinginkan minuman.

-Metabolisme hewan berdarah panas dilakukan pada suhu konstan.

Gambar 2. Hewan berdarah panas memiliki mekanisme untuk menjaga suhu tetap konstan. Sumber: Wikimedia Commons.

-Ketika air mendidih, terjadi perubahan fasa, dari cair menjadi gas, dan suhu tetap konstan sekitar 100ºC, karena faktor lain dapat mempengaruhi nilainya.

Es yang meleleh adalah proses isotermal umum lainnya, seperti menempatkan air di dalam freezer untuk membuat es batu.

-Mesin otomotif, lemari es, serta banyak jenis mesin lainnya, beroperasi dengan benar dalam kisaran suhu tertentu. Perangkat yang disebut termostat digunakan untuk menjaga suhu yang tepat. Berbagai prinsip operasi digunakan dalam desainnya.

Siklus Carnot

Mesin Carnot adalah mesin ideal yang menghasilkan pekerjaan berkat proses yang sepenuhnya dapat dibalik. Ini adalah mesin yang ideal karena tidak mempertimbangkan proses yang menghilangkan energi, seperti viskositas zat yang melakukan pekerjaan, atau gesekan.

Siklus Carnot terdiri dari empat tahap, dua di antaranya tepatnya isotermal dan dua lainnya adiabatik. Tahap isotermal adalah kompresi dan pemuaian gas yang bertanggung jawab untuk menghasilkan pekerjaan yang berguna.

Mesin mobil beroperasi dengan prinsip yang sama. Gerakan piston di dalam silinder disalurkan ke bagian lain dari mobil dan menghasilkan gerakan. Itu tidak memiliki perilaku sistem yang ideal seperti mesin Carnot, tetapi prinsip termodinamika adalah umum.

Perhitungan pekerjaan yang dilakukan dalam proses isotermal

Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh suatu sistem ketika suhunya konstan, kita harus menggunakan hukum pertama termodinamika, yang menyatakan:

Ini adalah cara lain untuk mengekspresikan kekekalan energi dalam sistem, ditampilkan melalui ΔU atau perubahan energi, Q sebagai panas yang disuplai dan terakhir W, yang merupakan pekerjaan yang dilakukan oleh sistem tersebut.

Misalkan sistem yang dimaksud adalah gas ideal yang terdapat dalam silinder piston yang bergerak di area A, yang berfungsi saat volume V berubah dari V ₁ ke V _2.

Gambar 3. Dalam proses isotermal, gas mengembang di piston tanpa mengubah suhu. Sumber: youtube.

Persamaan gas ideal adalah PV = nRT, yang menghubungkan volume dengan tekanan P dan suhu T. Nilai n dan R konstan: n adalah jumlah mol gas dan R adalah konstanta gas. Dalam kasus proses isotermal, produk PV adalah konstan.

Nah, pekerjaan yang dilakukan dihitung dengan mengintegrasikan pekerjaan diferensial kecil, di mana gaya F menghasilkan perpindahan kecil dx:

Karena Adx adalah variasi volume yang tepat dV, maka:

Untuk mendapatkan total pekerjaan dalam proses isotermal, kami mengintegrasikan ekspresi untuk dW:

Tekanan P dan volume V diplot pada diagram PV seperti yang ditunjukkan pada gambar, dan pekerjaan yang dilakukan sama dengan area di bawah kurva:

Gambar 4. Diagram PV dari proses isotermal. Sumber: Wikimedia Commons.

Karena ΔU = 0 karena suhu tetap konstan, dalam proses isotermal kita memiliki:

- Latihan 1

Sebuah silinder yang dilengkapi dengan piston yang bergerak berisi gas ideal pada suhu 127ºC. Jika piston bergerak mengurangi volume awal sebanyak 10 kali, dengan menjaga temperatur tetap konstan, carilah jumlah mol gas yang terkandung dalam silinder, jika usaha yang dilakukan pada gas tersebut adalah 38.180 J.

Data : R = 8,3 J / mol. K

Larutan

Pernyataan tersebut menyatakan bahwa suhu tetap konstan, oleh karena itu kita sedang berada dalam proses isotermal. Untuk pekerjaan yang dilakukan pada gas, kita memiliki persamaan simpulan sebelumnya:

127 º C = 127 + 273 K = 400 K

Selesaikan untuk n, jumlah mol:

n = W / RT ln (V2 / V1) = -38.180 J / 8,3 J / mol. K x 400 K x ln (V ₂ / 10V ₂ ) = 5 mol

Pekerjaan diawali dengan tanda negatif. Pembaca yang penuh perhatian akan memperhatikan di bagian sebelumnya bahwa W didefinisikan sebagai "pekerjaan yang dilakukan oleh sistem" dan memiliki tanda +. Jadi, "pekerjaan yang dilakukan pada sistem" memiliki tanda negatif.

- Latihan 2

Anda memiliki udara dalam silinder yang dilengkapi dengan plunger. Awalnya ada 0,4 m ³ gas pada tekanan 100 kPa dan suhu 80ºC. Udara dikompresi hingga 0,1 m ^{3 untuk} memastikan bahwa suhu di dalam silinder tetap konstan selama proses.

Tentukan berapa banyak pekerjaan yang dilakukan selama proses ini.

Larutan

Kami menggunakan persamaan untuk pekerjaan yang diturunkan sebelumnya, tetapi jumlah mol tidak diketahui, yang dapat dihitung dengan persamaan gas ideal:

80 º C = 80 + 273 K = 353 K.

P ₁ V ₁ = nRT → n = P ₁ V ₁ / RT = 100000 Pa x 0,4 m ^{3 /} 8,3 J / mol. K x 353 K = 13,65 mol

W = nRT ln (V ₂ / V ₁ ) = 13,65 mol x 8,3 J / mol. K x 353 K x ln (0.1 /0.4) = -55.442.26 J

Sekali lagi tanda negatif menunjukkan bahwa pekerjaan telah dilakukan pada sistem, yang selalu terjadi saat gas dikompresi.

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. Knight, R. 2017. Fisika untuk Ilmuwan dan Teknik: Pendekatan Strategi.
5. Serway, R., Vulle, C. 2011. Dasar-dasar Fisika. 9 ^na Pembelajaran Cengage.
6. Wikipedia. Proses Isotermal. Dipulihkan dari: en.wikipedia.org.