
Termodinamika Atmosfer: Menyelami Fisika Pada Proses di Atmosfer
Daftar Isi
1. Hukum Tentang Gas
2. Persamaan Hidrostatik
3. Hukum Pertama Termodinamika - Panas dan Kerja Sistem
4. Proses Adiabatik
5. Uap Air dalam Udara
6. Stabilitas Statis
7. Hukum Kedua Termodinamika
Referensi:
Diterjemahkan dan dikembangkan dari: Atmospheric Thermodynamics, Jeremy A. Gibbs, https://gibbs.science/ teaching/efd/handouts /wallace_hobbs_ch3.pdf.
III. Hukum Pertama Termodinamika - Panas dan Kerja Sistem
Konsep Hukum I Termodinamika
Penjelasan Hukum I
Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan tentang kekekalan energi, mempertimbangkan konversi antara berbagai bentuk yang dapat diambilnya dan pertukaran energi antara suatu sistem dan lingkungannya yang dapat terjadi melalui transfer panas dan pelaksanaan kerja mekanik.
Formulasi umum dari hukum pertama termodinamika berada di luar lingkup teks ini karena membutuhkan pertimbangan terhadap hukum kekekalan, tidak hanya untuk energi, tetapi juga untuk momentum dan massa.
Bab ini menyajikan formulasi yang disederhanakan yang mengabaikan energi kinetik dan potensial makroskopis (yaitu, energi yang molekul udara miliki karena ketinggian mereka di atas permukaan laut dan gerakan fluida yang terorganisir).
Selain energi kinetik dan potensial makroskopis yang mungkin dimiliki oleh suatu sistem secara keseluruhan, sistem juga mengandung energi internal yang disebabkan oleh energi kinetik dan potensial molekul atau atomnya.
Peningkatan energi kinetik internal dalam bentuk gerakan molekular termanifestasi sebagai peningkatan suhu sistem, sementara perubahan energi potensial molekul disebabkan oleh perubahan posisi relatif mereka melalui gaya-gaya yang bekerja antar molekul.
Misalkan suatu sistem tertutup dengan massa satuan menyerap sejumlah tertentu energi termal qq (diukur dalam joule), yang dapat diterimanya melalui konduksi termal dan/atau radiasi. Akibatnya, sistem dapat melakukan sejumlah tertentu kerja eksternal ww (juga diukur dalam joule).
Kelebihan energi yang disuplai ke sistem melebihi kerja eksternal yang dilakukan oleh sistem tersebut adalah q−wq−w.
Oleh karena itu, jika tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial makroskopis dalam sistem, mengikuti dari prinsip kekekalan energi bahwa energi internal sistem harus meningkat sebesar q−wq−w. Yaitu:
q−w=u2−u1q−w=u2−u1(33)
di mana u1u1 dan u2u2 adalah energi internal sistem sebelum dan setelah perubahan. Dalam bentuk diferensial (33) menjadi:
dq−dw=dudq−dw=du(34)
di mana dqdq adalah pertambahan panas diferensial yang ditambahkan ke sistem, dwdw adalah elemen differensial dari kerja yang dilakukan oleh sistem, dan dudu adalah pertambahan differensial energi internal sistem.
Persamaan (33) dan (34) adalah pernyataan dari Hukum Pertama Termodinamika. Faktanya, persamaan (34) memberikan definisi dari dudu.
Perubahan energi internal dudu hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem dan oleh karena itu tidak tergantung pada cara sistem diubah antara kedua keadaan ini. Parameter-parameter tersebut disebut sebagai fungsi keadaan (*17).
Fungsi keadaan
Baik kalor q maupun kerja w bukanlah fungsi keadaan, karena nilainya bergantung pada bagaimana suatu sistem diubah dari satu keadaan ke keadaan lainnya.
Misalnya, suatu sistem mungkin menerima atau tidak menerima panas dan mungkin juga tidak melakukan kerja eksternal saat mengalami transisi antar keadaan yang berbeda.
Untuk memvisualisasikan istilah kerja dwdw dalam persamaan (34) dalam kasus sederhana, pertimbangkan suatu zat, sering disebut sebagai zat kerja, yang terkandung dalam sebuah silinder dengan luas penampang tetap yang dilengkapi dengan piston yang dapat bergerak tanpa gesekan (Gambar 4).
![]() |
Gambar 4. Representasi keadaan zat kerja dalam sebuah silinder pada diagram p–V. Kerja yang dilakukan oleh zat kerja dalam berpindah dari P ke Q adalah pdVpdV, yang sama dengan area berwarna biru. |
Oleh karena itu, setiap keadaan zat, yang sesuai dengan posisi piston yang diberikan, direpresentasikan oleh suatu titik pada diagram tekanan-volume (p–V). Ketika zat berada dalam keseimbangan pada keadaan yang direpresentasikan oleh titik P pada grafik, tekanannya adalah pp dan volumenya adalah VV (Gambar 4).
Jika piston bergerak keluar melalui jarak inkremental dxdx sementara tekanannya tetap pada dasarnya konstan pada pp, kerja dWdW yang dilakukan oleh zat dalam mendorong gaya eksternal FF melalui jarak dxdx adalah:
dW=F dxdW=F dx
atau, karena F=pAF=pA di mana AA adalah luas penampang wajah piston,
dW=pA dx=p dVdW=pA dx=p dV
(35)
Dengan kata lain, kerja yang dilakukan oleh zat ketika volumenya meningkat oleh inkremental kecil dVdV sama dengan tekanan zat dikalikan dengan peningkatan volumenya, yang sama dengan area yang berwarna biru pada grafik yang ditunjukkan pada Gambar 4; yaitu, itu sama dengan area di bawah kurva PQ.
Ketika zat berpindah dari keadaan A dengan volume V1V1 ke keadaan B dengan volume V2V2 (Gambar 4), selama itu tekanannya pp berubah, kerja WW yang dilakukan oleh bahan tersebut sama dengan area di bawah kurva AB. Yaitu:
W=∫V2V1pdVW=∫V2V1pdV(36)
Persamaan (35) dan (36) sangat umum dan mewakili kerja yang dilakukan oleh zat apa pun (atau sistem) karena perubahan volumenya.
Jika V2>V1V2>V1, WW positif, menunjukkan bahwa zat melakukan kerja pada lingkungannya. Jika V2<V1V2<V1, WW negatif, yang menunjukkan bahwa lingkungan melakukan kerja pada zat.
Diagram p-V yang ditunjukkan pada Gambar 4 adalah contoh dari diagram termodinamika di mana keadaan fisik suatu zat direpresentasikan oleh dua variabel termodinamika. Diagram semacam itu sangat berguna dalam meteorologi; kita akan membahas contoh-contoh lainnya nanti dalam bab ini.
Jika kita berurusan dengan massa satuan dari suatu zat, volume VV digantikan oleh volume spesifik αα.
Oleh karena itu, kerja dwdw yang dilakukan ketika volume spesifik meningkat sebesar dαdα adalah:
dw=pdαdw=pdα(37)
Kombinasi dari (34) dan (37) menghasilkan:
dq=du+pdαdq=du+pdα(38)
yang merupakan pernyataan alternatif dari hukum pertama termodinamika.
0 Comments
Terima kasih atas komentarnya. Mohon tidak meletakkan link hidup yah.