4 5 Kapasitas Panas dan Kapasitas Panas Jenis

4. 5 Kapasitas Panas dan Kapasitas Panas Jenis n n n Pada bagian ini akan dibahas Kapasitas panas dan Kapasitas panas jenis khusus untuk gas Sempurna. Satuan kalor atau panas adalah kalori atau BTU (British thermal unit) Satu kalori didefinisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air denagn 1 o. C. Satu BTU didefinisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 lb air dengan 1 o. F Oleh karena 1 lb = 454 gram dan 1 skala F = 5/9 Skala Celsius maka 1 BTU = 252 kalori 1

q Kapasitas panas suatu zat ialah banyaknnya panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu zat itu dengan 1 K. Jika suhu zat itu naik dengn d. T dan kapasits panas zat itu C, maka panas yang diperlukan adalah Q = C d. T Jadi Kapasitas panas zat itu adalah C = Q /d. T 2

n n n n C merupakan fungsi dari T. Artinya kenaikan suhu dari 273 K menjadi 274 diperlukan panas yang berbeda dengan kenaikan suhu dari 300 K menjadi 301 K. Kapasitas panas rata-rata C = Q/ T Satuan C dalam (SI) adalah J K-1 Jika kapasitas panas dibagi dengan massa zat m, hasilnya disebut kapasitas panas jenis, c. c = C/m = Q /(m. d. T) = q/d. T Satuan kapasitas panas jenis adalah Jkg-1 K-1 3

n Jika kapasitas panas dibagi dengan jumlah mol dalam sistem, hasilnya disebut kapasitas panas jenis molal, yang dirumuskan sebagai berikut c = C/n = Q /(nd. T) n = q /d. T Panas yang masuk atau keluar dari sistem dapat dihitung dengan persamaan n atau 4

n Andaikan 1 kg atau 1 mol zat menyerap kalor q sehingga suhunya berubah dari T menjadi T + d. T. Penyerapan kalor ini dapat melalui bermacam proses. (proses tekanan tetap, volume tetap atau proses lainnya). Olehnya itu zat dapat memiliki bermacam-macam kapasitas panas jenis: cp : kapasiats panas jenis pada tekanan tetap cv : kapasitas panas jenis pada volume tetap n Suatu sistem yang memiliki kapasitas panas sangat besar demikian rupa sehingga walaupun ada panas yang masuk atau keluar sistem, tetapi suhunya dianggap tidak berubah, disebut reservoir panas. 5

4. 6 PANAS TRANSFORMASI, ENTALPI Panas Transformasi suatu zat l , ialah kalor yang dilepas atau diserap oleh 1 kg zat itu agar supaya terjadi perubahan fase n Panas tranformasi per mol disebut panas transformasi molal. n Satuan panas transformasi dalam SI ialah : J/kg untuk kalor transformasi per kg J/mol untuk kalor transformasi per molal. n 6

n n Perubahan fase sering diikuti oleh perubahan volume, sehingga disertai oleh usaha yang dilakukan oleh atau terhadap sistem. Kecuali pada volume kritis, karena volume jenis zat cair pada suhu ini sama dengan volume jenis uap. Jika perubahan fase ini terjadi pada suhu tetap, maka tekanannya juga tetap, sehingga usaha oleh sistem persatuan massa atau per mol adalah: w = p(v 2 – v 1) Karena p tetap maka p = p 1 = p 2 , maka w= p 2 v 2 – p 1 v 1 7

q = (u 2 -u 1) + w (H. I Termodinamika) l = (u 2 -u 1) + (p 2 v 2 – p 1 v 1 ) atau (u 2 -u 1) = l – (p 2 v 2 – p 1 v 1) l = (u 2 +p 2 v 2 )-( u 1 + p 1 v 1) Suku-suku dalam kurung pada ruas kanan disebut entalpi, diberi lambang h, jadi, h = u + pv Dengan demikian panas transformasi ditulis l = h 2 – h 1 Karena p, v, dan u adalah variabel keadaan, maka h juga variabel keadaan diferensialnya adalah diferensial eksak. 8

n Selanjutnya akan digunakan lambang berikut l pc : untuk perubahan fase padat ke cair n (proses pencairan) l cu : untuk perubahan fase cair ke uap n (proses penguapan) l pu : untuk perubahan fase padat ke uap n (proses sublimasi). Entalpi untuk bermacam fase digunakan lambang. hp, hc, dan hu (untuk entalpi padat, cair dan uap). 9

n n n l pc = hc - hp l cu = hu - hc l pu = hu- hp n Ternyata l cu untuk air berubah dengan suhu, yaitu turun bila suhu naik, dan menjadi nol pada suhu kritis, yaitu untuk air adalah 374 o. C. n Bila suatu zat sebagian dalam keadaan cair dan sebagian lagi dalam keadaan uap pada suhu jenuh, maka kualitas zat itu didefinisikan sebagai nisbah massa uap dengan massa total dan diberi lambang x, x = mu/m = mu/(mc+mu) 10

Contoh n n n Misalkan massa uap 0, 2 kg dan massa cairan = 0, 8 kg, maka kualitasnya x = 0, 2 /(0, 2+0, 8) =0, 2 atau 20 %. Kulaitas dianggap sebagai besaran insentif, dan kualitas hanya mempunyai arti bila zat itu dalam keadaan jenuh, yaitu pada tekanan dan suhu jenuh. Bila Vc adalah volume cairan, dan Vu adalah volume uap dan V adalah volume total, maka berlaku 11

V = Vc + Vu atau n mv = mcvc + muvu v = mc vc/m + mu vu/m = (m-mu)vc/m + muvu/m = (1 - x)vc + xvu atau v = vc + x(vu-vc) = vc +xvcu dengan vcu = vu - vc n 12

Untuk Energi Dalam U = U c + Uu atau mu = mcuc + muuu Bila ruas kiri dan akan dibagi dengan m Diperoleh u = (mcuc)/m + (muuu)/m = (m – mu)uc/m + (muuu)/m = (1 -X) uc + X uu = uc + X (uu-uc) = uc + Xucu, Dimana n ucu = uu -uc 13

n Untuk Entalpi h = hc + Xhcu = hu - hc 14

4. 7 PANAS JENIS VOLUME TETAP DAN PANAS JENIS TEKANAN TETAP Untuk Zat dengan satu fase homogen dan dengan komposisi yang tetap, (boleh padat, cair, ataupun gas), tetapi tak ada perubahan fase. n Akan dicari hubungan antara kapasitas panas jenis (panas jenis) dengan variabel termodinamik yang lain. n Dari huku I termodinamika sebenarnya menyatakan perpindahan panas yang dapat ditulis Q = d. U + W = d. U + pd. V Untuk proses isometrik (V = konstan ) pd. V =0 n Dari rumus maka untuk proses isometrik 15 n

n diperoleh Pada tekanan konstan p 1 = p 2 = p dan W = p(V 2 -V 1) Sehingga Q = (U 2 -U 1) + p(V 2 -V 1) = (U 2 -U 1) + p 2 V 2 –p 1 V 1 Atau Q = (U 2 +p 2 V 2) – (U 1 + p 1 V 1) Atau Q = H 2 – H 1 Dalam bentuk diferensial Q = d. H Dengan demikian panas jenis untuk proses tekanan tetap ditulis 16

4. 8. Energi Dalam, Entalpi dan Panas Jenis Gas Sempurna n n Gas Sempurna dapat didekati oleh gas nyata yang kerapatannya rendah, sehingga gaya antar molekul, energi yang terkait, karena kecilnya sehingga dapat diabaikan. Persamaan keadaan untuk 1 mol pv = RT Energi dalam gas sempurna hanya merupakan fungsi suhu U = f(T) Ini berarti gas sempurna pada suhu tertentu memiliki nilai U tertentu. 17

n Dari hubungan n Untuk gas sempurna menjadi n Atau du = cvd. T dan d. U =m cvd. T Dari persamaan entalpi dan persamaan keadaannya dapat diperoleh hubungan h = u + pv = u + RT Mengingat R adalah tetapan dan U hanya merupakan fungsi suhu saja, maka entalpi juga hanya meruakan fungsi suhu saja. Jadi h = f(T) n n n 18

Dari hubungan cp =(∂h/∂T)p Maka untuk gas sempurna menjadi Bila tekanannya mendekati nol maka semua gas dapat mendekati gas sempurna. Karena itu panas jenis gas sempurna untuk suatu zat nyata sering disebut sebagai panas jenis tekanan nol dan diberi lambang cpo, dan panas jenis pada volume tetap diberi lambang c. V 0. 19

Contoh soal 4. 1 n Jika suatu sistem berubah dari keadaan a ke keadaan b melalui lintasan a-c-b, panas sebesar 80 J mengalir ke dalam sistem dan sistem melakukan kerja sebesar 30 J. Proses lihat pada gambarberikut. p c a b d V 20

n n n a) Berapa banyak panas yang mengalir ke dalam sistem melalui lintasan a-d-b, jika kerja yang dilakukan oleh sistem itu 10 J? b) Sistem kembali dari b ke a melalui lintasan lengkung, kerja yang dilakukan sistem 20 J. Apakah sistem menyerap atau melepaskan panas dan beraakah besarnya? c) Jika Ua= 0 dan Ud = 40 J, hitunglah panas yang diserap dalam proses a-d dan d -b. 21

Penyelesaian a) Qa-c-b = 80 J dan Wa-c-b = 30 J, Menurut H. I Termodinamika Q = U + W …. . . . Q a-c-b = (Ub-Ua) +Wa-c-b Ub-Ua = Qa-c-b–Wa-c-b = 80 J – 30 J = 50 J Wa-d-b = 10 J, Qa-d-b = Ub-Ua +W a-d-b Qa-d-b = 50 J +10 J = 60 J b) Sistem kembali melalui lintasan lengkung Wb-a = -20 J Q b-a = (Ua-Ub) + Wb-a = -50 J – 20 J = -70 J Karena Q negatif berarti sistem melepaskan kalor n 22

c) Ua = 0, Ud = 40 J; Ub – Ua = Ub- 0 = 50 Ub = 50 J Q a-d = (Ud-Ua) +W a-d = 40 J - 0 + Wa-d (1) Q d-b = (Ub-Ud) +Wd-b = (50 -40)J + 0 (2) = 10 J Pers(1) + Pers (2) diperoleh Q a-d-b = 50 J + Wa-d W a-d = Q a-d-b – 50 J = 60 J – 50 J = 10 J n Dari pers (1) diperoleh Qa-d =40 J +10 J = 50 J n Dari pers. (2) diperoleh Qd-b = 10 J 23

Contoh Soal 4. 2 n n n Suatu bejana volume 5 m 3 berisi 8 kg oksigen pada suhu 300 K. Hitung usaha yang dilakukan untuk memperbesar volumenya menjadi 10 m 3 (a) pada tekanan tetap (b) pada suhu tetap (c) berapakah suhu akhir pada proses (a)? (d) berapakan tekanan pada akhir proses di (b)? (e) Gambarkan kedua proses dalam diagram p-v 24

Jawaban 4. 2 n n n n Diketahui V 1 = 5 m 3 M = 32 kg kmol-1 m = 8 kg T 1 = 300 K a. W = …………. . ? Untuk p = Tetap b. W = ……………? Untuk t = tetap c. T 2 =…………… ? Untuk p= tetap d. p 2 =……………? Untuk T = tetap 25

a) b) W = p(V 2 -V 1), p 1 = (m/M) RT 1 = (8 kg/32 kg/103 mol-1) (8, 314 J mol-1 K-1 (300 K)/5 m 3 = (8 kg/32. 10 -3 kg mol-1(8, 314 J mol-1 K- 1 (300 K)/5 m 3 = 124710 Pa W = 124710(10 -5)m 3 = 623550 J W = (m/M)RT 1 ln(V 2/V 1) = (8 kg/32. 10 -3 kg/mol)(8, 314 J mol-1 K-1)(300 K) ln(10/5) = (8. 103 /32)(8, 314)(300) (0, 693) J = 432120, 15 J 26

n n n n c) Untuk proses isobar V 1/V 2 = T 1/T 2 = (V 2/V 1)T 1 = (10/5) 300 K = 600 K D) Untuk proses isotermal p 1 V 1 = p 2 V 2 p 2 = p 1 V 1/V 2 = 124710 Pa (½) = 62355 Pa 27

p p X 10 5 Pa 1, 25 0, 62 V (m 3) 5 10 Diagram p-V proses isobar 5 10 V (m 3) Diagram p-V proses isotermal 28