Fisika Terapan

LISTRIK DP- III TEKNIKA

p.V = n.RT

p = n.RT
V

W v2 dV  V2 
= n.RT v1 V →W = n.RT ln V1

untuk tekanan p1.V1= p2.V2 p1
p2

Atau

ln x = e log x = log x
log e

ln x = 2,3 log x →W = 2,3n.RT log  V2 
V1

6.3.1.2. Proses Isobarik Proses isobarik yaitu proses yang berlangsung
p dengan tekanan tetap.

p AB Berlaku Hukum Charles : V1 = V1
T1 T2

Usaha luar: V2 V1 W = (+) gas melakukan usaha
W = p (V2-V1) V2 V terhadap lingkungannya.
W = (-) gas menerima usaha dari
V1 V2 <V1 Lingkungannya

W = p.∆V

Pemanasan gas dengan tekanan tetap:

Qp = m cp  T atau Qp = n cpm T

102

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Kalor jenis gas pada tekanan tetap Kalor jenis jenis molar gas pada tekanan

tetap

cp = Qp J/kg K c pm = Qv J / mol.k
mT nT

Kapasitas kalor (Cp) pada tekanan tetap.

Cp = Qp J /k
T

6.3.1.3. Proses Isokhorik

Proses isokhorik yaitu proses yang berlaku / berlangsung dengan volume tetap.

p

p2 A Berlaku Hukum Gay Lussac : p1 = p2
T1 T2

p1 B V
V

Qv = m.cv.  T atau Qv = n.cvm. T

Kalor jenis gas pada volume yang tetap. Kalor jenis molar pada volume yang tetap.

cv = Qv J / kg.K cvm = Qv J / mol.K
mT nT

usaha luar: Kapasitas kalor pada volume tetap

W = p.V Cv = Qv J /K
W = P.O T
W =O

6.3.1.4. Proses Adiabatik
Proses adiabatik yaitu proses yang berlangsung tanpa penambahan/pengurangan kalor.

103

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

p1V1γ = p 2 V2γ γ = kostanta Laplace = C p = c p = c pm
T1V1γ−1 = T2 V2γ−1 Cv cv cvm

Usaha luar :
Gas monoatomik

W=3/2 n.R ∆T
W=3/2 n.R.(T1-T2)
Gas Diatomik
W=5/2 n.R ∆T
W=5/2 n R(T1-T2)

Kerja Berpasangan
Kerjakan soal-soal berikut bersama teman sebangkumu!

1. Hitunglah kalor jenis gas Oksigen pada volume dan tekanan tetap bila massa molekul
gas Oksigen 32 gram/mol.

2. Hitunglah kalor jenis gas-gas berikut ini pada volume dan tekanan tetap.
a. Gas Neon monoatomik, bila masa molekulnya 2,018 gram/mol
b. Gas Hidrogen diatomik, bila massa molekulnya 2,016 gram/mol

3. Kapasitas panas jenis Nitrogen pada volume tetap adalah 7,14 x 102 J/kg K. Carilah
kapasitas panas jenisnya pada tekanan tetap. Diketahui massa molekul Nitrogen 28
gram/mol dan konstanta umum gas R = 8,317 J/molK

4. Hitunglah kalor jenis gas Argon beratom satu pada volume tetap bila kalor jenisnya
pada tekanan tetap 5,23 x 102 J/kg K  = 1,67

5. Hitunglah kalor jenis pada tekanan tetap dari gas Oksida zat lemas beratom dua bila

kalor jenisnya pada volume tetap adalah 6,95 x 102 J/kg. K dan = 1,4

6.3.2. Hukum I Termodinamika

Hukum I termodinamika adalah suatu pernyataan bahwa energi adalah kekal, energi tidak
dapat diciptakan / dimusnahkan.

104

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Hukum ini menyatakan, jika kalor Q masuk ke dalam sistem, energi ini haruslah muncul

sebagai penambahan energi dalam sistem U dan/atau usaha yang dilakukan sistem

pada lingkungannya.

Energi dapat berganti bentuk yang lain, misalnya: menjadi kalor.

1 joule = 0,24 kalori ; 1 kalori = 4,2 joule

Persamaannya dapat ditulis:  Q =  U + W

Kesimpulan : Bahwa tidak mungkin suatu mesin akan bekerja terus menerus tanpa

penambahan energi dari luar (perpetum mobille I ).

Q, U dan W harus dinyatakan dalam satuan yang sama: joule, atau ft lb atau kalori,

atau Btu.

6.3.2.1. Proses Isobarik

Proses isobarik adalah suatu proses dimana pada proses tersebut tekanannya adalah
tetap. Diagram antara tekanan terhadap waktu seperti gambar di bawah ini.

p

p

V1 V2 V

Gambar: Diagram tekanan terhadap

volume pada proses isobarik

Berdasarkan diagram tersebut di atas Usaha yang dilakukan gas adalah :
W = p(V2 – V1)

W = usaha yang dilakukan gas (J)

p = tekanan gas (Pa)
V1 = Volume gas pada keadaan awal (m3)
V2 = Volume gas pada keadaan akhir (m3)
Jika pada proses ekspansi, volume gas membesar maka dikatakan gas melakukan

usaha, tetapi jika pada proses pemampatan, volume gas mengecil maka dikatakan gas

dikenai kerja.

V1 = V2 105
T1 T2

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Proses isobarik adalah proses di mana tekanan sistem tidak berubah.

 Qp = m cp  T

atau :  Qp = n cp  T

W = P  V = n R  T

 U =  Qv

Untuk gas monoatomik: ∆U = 3/2 N k  T = 3/2 n R  T = n cv  T

cv = 3/2 R joule/mol K

 Qp =  U +  W
n cp  T = n cv  T + n R  T

cp = cv + R joule/mol K
sehingga cp = 3/2 R + R = 5/2 R joule/mol K

Untuk gas diatomik: : cv = 3/2 R ; cp = 5/2 R
Suhu Rendah : cv = 5/2 R ; cp = 5/2 R
Suhu Sedang : cv = 7/2 R ; cp = 7/2 R
Suhu Tinggi
1 J/mol K = 1 J/kg K
M

Gas Monoatomik : cv = 3/2 R/M
cp = 5/2 R/M
joule / kg K

6.3.2.2. Proses Isokhorik

Proses isokhorik adalah suatu proses dengan volume tetap di mana volume sistem tidak

berubah, yakni kalor yang masuk sistem menjelma sebagai penambahan energi dalam

sistem.

Pada proses volume tetap berlaku hukum Gay-Lussac yang menyatakan :

p = nR =tetap
TV

106

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

diagram hubungan antara tekanan dan volume adalah sebagai berikut :
p

p2

p1

VV

Usaha yang dilakukan gas pada proses isokhorik adalah sebagai berikut : pada proses
isokhorik ∆ V = 0 maka usaha yang dilakukan gas yang mengalami proses ini memenuhi

: W = p V = 0

sehingga hukum I termodinamika menjadi : Q = U +W

 W = 0 ( tidak terjadi perubahan volume)

Maka  Qv =  U
= n cv  T atau  Qv = m cv  T
 Qv
= 3/2 nR T (gas monoatomik=gas diatomik suhu rendah)
U

U = 5/2 n R T (gas diatomatik suhu sedang

U = 7/2 n R (gas diatomatik suhu tinggi)

W = Qp − Qv

W = n (cp−cv) T atau W = m(cp-cv) T

Kapasitas Kalor

Q = m c T

disebut dengan C

C = Q J
T K

Gas diatomik

Suhu Rendah : cv = 3/2 R/M ; cv = 3/2 nR

: cp = 5/2 R/M ; cp = 5/2 n R

Suhu Sedang : cv = 5/2 R/M J/kg.K ; cv = 5/2 nR J/K

: cp = 7/2 R/M ; cp = 7/2 n R

Suhu Tinggi : cv = 7/2 R/M ; cv = 7/2 nR

: cp = 9/2 R/M ; cp = 9/2 n R

107

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Gas monoatomik :  Qp =  Qv +  W
 W =  Qp −  Qv
 Qv =  U n R  T = (Cp − Cv)  T
Cv  T = 3/2 n R  T
(Cp − Cv) = n R joule/ K
Cv = 3/2 n R
sehingga Cp = 5/2 n R

6.3.2.3. Proses Isotermik

Proses isotermik adalah proses di mana suhu tidak berubah. Untuk gas ideal yang

mengalami proses isotermik U = 0. Tetapi hal ini tidaklah berlaku untuk sistem-sistem

lain. Sebagai contoh kalau es mencair pada 0C, U  0 meskipun proses pencairan

berlangsung pada suhu tetap. U = O
Proses Isotermik gas ideal:

 Q = W

W = n RT 1n ( V2 )
V1

W = n RT 1n ( p1 )
p2

W = PV = n RT

Apabila gas ideal mengalami proses di mana (p1, V1) berubah menjadi (p2, V2), di mana p1
V1 = p2 V2 , berlaku bahwa:

Q = W = p1 V1 ln V2 = 2,30 p1 V1 log V2
V1 V1

Disini ln dan log adalah logaritma dengan bilangan dasar e dan 10.

6.3.2.4. Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah proses di mana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari

sistem. Maka Q = 0, hingga untuk proses demikian, hukum pertama menjadi :

0 = U + W

artinya U = − W

Apabila sistem melakukan kerja, energi dalamnya harus turun. Apabila kerja dilakukan

pada sistem, energi dalamnya akan naik. Apabila gas ideal mengalami proses, di mana

108

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

keadaannya (p1, V1, T1) berubah secara adiabatik menjadi (p2, V2, T2), berlakulah :

p1V  = p2V  dan T1V1 −1 = T2V2 −1
1 2

dengan  = cp/cv.

Pelaksanaan hukum I Termodinamika pada proses-proses di atas mengikuti hukum

kekekalan energi.

Kerja Kelompok

Kerjakan soal-soal berikut bersama kelompokmu!

1. Satu gram air ( 1 cc ) berubah menjadi 1,671 cc uap bila dididihkan pada tekanan 1

atm. Panas penguapan pada tekanan ini adalah 539 kal/gram. Hitunglah usaha luar

pada penembakan energi dalam.

2. 1 liter air massanya 1 kg mendidih pada suhu 1000 C dengan tekanan 1,013 x 105

N/m2 diubah menjadi uap pada suhu 1000 C dan tekanan 1,013 x 105 N/m2 . Pada

keadaan ini volume uap air adalah 1,674 liter. Carilah usaha luar yang dilakukan dan

dihitung penambahan energi dalam. Panas penguapan air 2,26 . 106 J/kg.

3. Gas Nitrogen yang massanya 5 kg suhunya dinaikkan dari 100 c menjadi 1300 c pada

tekanan tetap. Tentukanlah :

a. Panas yang ditambahkan

b. Penambahan energi dalam

c. Usaha luar yang dilakukan.

4. Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari 150 C menjadi 160 C pada tekanan tetap.

Bila massa molekul karbon monoksida adalah 28,01 gram/mol cp

= 1,038 x 103 J/kg 0K dan  = 1,4

Tentukanlah :

a. Penambahan energi dalam.

b. Usah luar yang dilakukan.

5. Temperatur 5 kg gas Nitrogen dinaikkan dari 100 C menjadi 1300 C pada volume tetap.

Bila cv = 7,41 x 102 J/kg 0K , cp = 1,04 x 103 J/kg 0K, carilah :

a. Usaha luar yang dilakukan.

b. Penambahan energi dalam.

c. Panas Yang ditambahkan.

6. Suatu gas yang massanya 3 kg dinaikkan suhunya dari -200 C menjadi 800 C melalui

proses isokhorik. Hitunglah penambahan energi dalam gas tersebut, bila diketahui

cp = 248 J/kg 0K, cv = 149 J/kg 0K

109

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

7. Satu mol karbon monoksida dipanaskan dari 150 C menjadi 160 C pada volume tetap.
Massa molekulnya 28,01 gram/mol. cp = 1,03 x 103 J/kg. 0 K dan  = 1,40 . Hitunglah
penambahan energi dalam.

8. Gas Ideal sebanyak 2 mol dengan tekanan 4 atsmosfer volumenya sebesar 8,2 liter.
Gas ini mengalami proses isokhorik sehingga tekanannya menjadi 8 atsmosfer. Bila
diketahui : cv = 3 kal/mol. 0C dan R = 0,08207 liter. atm/mol. 0 C ; tentukanlah :
a. Usaha yang dilakukan.
b. Panas yang ditambahkan.

9. Perbandingan kompresi sebuah mesin disel V1 kira-kira 156. Jika pada permulaan
V2

gerak pemampatan silindernya berisi udara sebanyak 2 mol pada tekanan 15 N/m2
dan suhu 2470 c, hitunglah tekanan dan suhu pada akhir gerak. Andai kata udara
sebagai gas ideal dan pemampatanya secara adiabatik. massa molekul udara adalah
32 gram/mol. cv = 650 J/kg0K dan cp = 909 J/kg 0K. Hitunglah usaha luar yang
dilakukan.
10. Suatu volume gas Nitrogen sebesar 22,4 liter pada tekanan 105 N/m2 dan suhu 00 C
dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/10 volume mula-mula.
Carilah :
a. Tekanan akhirnya.
b. Suhu akhirnya.
c. Usaha luar yang dilakukan.
Diketahui pula bahwa Mr = 28 gram/mol  = 1,4 cv = 741 J/kg 0K.
11. Lima molekul gas Neon pada tekanan 2 x 105 Nm-2 dan suhu 270 c dimampatkan

secara adiabatik sehingga volumenya menjadi 1/3 dari volume mula-mula. Bila 

= 1,67 cp = 1,03 x 103 J/kg 0K Mr = 20,2 gram/mol. Tentukan :

a. Tekanan akhir pada proses ini.

b. Temperatur akhir.

c. Usaha luar yang dilakukan.

12. Suatu gas ideal dengan = 1,5 dimampatkan secara adiabatik sehingga volumenya

menjadi 1 kali dari volume mula-mula. Bila pada awal proses tekanan gas 1 atm,
2

tentukanlah tekanan gas pada akhir proses.

13. Gas oksigen dengan tekanan 76 cm Hg dimampatkan secara adiabatik sehingga

volumenya menjadi 2 volume mula-mula. Bila gas Oksigen adalah gas diatomik dan
3

R = 8,317 J/mol 0K ; Tentukanlah tekanan akhir gas tersebut.

110

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

14. Volume gas pada suhu 200 C mengembang secara adiabatik sehingga volumenya
menjadi 2 kali volume mula-mula. Tentukanlah temperatur akhirnya bila  =1,4.

6.3.2.5. Penerapan Hukum I Termodinamika

Siklus
Suatu mesin yang dapat mengubah seluruh kalor yang diserapnya menjadi usaha secara
terus menerus belum pernah dijumpai, yang ada hanya pengubahan kalor menjadi usaha
melalui satu tahap saja. Misalnya, proses isotermis.
Agar sistem ini dapat bekerja terus-menerus dan hasilnya ada kalor yang diubah menjadi
usaha, maka harus ditempuh cara-cara tertentu. Perhatikan gambar berikut ini.

- Mulai dari ( P1 , V1 ) gas mengalami proses isothermis sampai ( P2 , V2 ).
- Kemudian proses isobarik mengubah sistem dari ( P2 , V2 ) sampai ( P2 , V1 ).
- Akhirnya proses isobarik membuat sistem kembali ke ( P1 , V1 ).
Usaha yang dilakukan sama dengan luas bagian gambar yang diarsir. Pada akhir proses
sistem kembali ke keadaan semula. Ini berarti pada akhir siklus energi dalam sistem
sama dengan energi dalam semula. Jadi untuk melakukan usaha secara terus menerus,
suatu siklus harus melakukan usaha secara terus menerus, suatu siklus harus bekerja
dalam suatu siklus.
Jadi siklus adalah suatu rantai proses yang berlangsung sampai kembali ke keadaan
semula. Luas siklus merupakan usaha netto. Bila siklus berputar ke kanan, usahanya
positif. Bila siklus berputar ke kiri usahanya negatif.
Contoh:

111

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

p WAB = positif
p2 B WRA = negatif

p1 A Wnetto = WAB - WBA

v1 v2 V
Contoh berbagai siklus yang lain sebagai berikut.

Gambar: Berbagai macam siklus
Siklus yang ideal dikemukakan oleh Carnot disebut Siklus Carnot

Siklus Carnot
Siklus Carnot dibatasi oleh garis lengkung isotherm dan dua garis lengkung adiabatik. Hal
ini memungkinkan seluruh panas yang diserap ( input panas ) diberikan pada satu suhu
panas yang tinggi dan seluruh panas yang dibuang ( panas output ) dikeluarkan pada
satu suhu rendah.

AB=pemuaian/pengembang

p an/ekspansi isotermis

P1 A BC = pemuaian / ekspansi

Q1 adiabatik

P2 B

P4 D Q2 CD = penampatan/kompresi

P3 C isotermis

DA = penempatan/kompresi

V1 V4 V2 V3 V adiabatik

Siklus Carnot bekerja dengan mengubah kalor panas (heat) dan membuangnya dalam

bentuk kalor dingin (cold)

112

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Mesin yang menggunakan siklus ini misalnya seperti mesin pemanas ruang dalam rumah
seperti di negara-negara sub tropis pada musim dingin.

Gambar: Skema siklus Carnot

Disini kalor panas (QH) sebagai Q1, dan kalor dingin (QC) sebagai Q2.
W = Q1 – Q2
Daya guna /efisiensi mesin kalor

 = W x 100%
Q1

 = Q1 − Q2 x 100%
Q1

 =1− Q2 x 100% atau

Q1

 =1− T2 x 100%

T1

Untuk mesin Carnot ideal efisiensinya selalu maksimum.

Mesin Pendingin
Mesin pendingin seperti air conditioner (AC) maupun kulkas/refrigerator menggunakan
proses yang berbeda dengan proses mesin pemanas yang menggunakan siklus Carnot.
Mesin pendingin menyerap kalor dingin sebagai sumber dan membuangnya dalam bentuk
kalor panas.

113

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Gambar mesin kulkas Gambar mesin AC

Gambar: Skema mesin pendingin

Di sini kalor panas (QH) sebagai Q1, dan kalor dingin (QC) sebagai Q2.

Berlaku pula
W = Q1 – Q2

Efisiensi mesin pendingin sebagai berikut.

Daya guna /efisiensi mesin pendingin:

 = W x 100%
Q2

 = Q1 − Q2 x 100%
Q2

 = Q1 − 1 x 100% atau
Q2

114

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

 = T1 − 1 x 100%
T2

Koefisien Performance mesin pendingin / koefisien daya guna sebagai berikut.
1

K=


K = Q2

W
K = Q2

Q1 − Q2

Siklus Otto
Siklus mesin bakar atau lebih umum disebut siklus Otto di tunjukkan pada gambar di
bawah ini. Siklus Otto dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus
isokhorik. Dimulai dari titik a, maka :

PE

Q1
D

B A Q2

V

Proses a – b : pemampatan adiabatik
Proses b – c
Proses c – d Ta V k −1 = Tb V k −1
Proses d – a 1 2

: proses isokhorik, gas menyerap kalor sebesar Q1 = m Cv
(Tc – Tb)

: pemuaian adiabatik

Tc V k −1 = Td V k −1
2 2

: proses isokhorik, gas mengeluarkan kalor

Q2 = m Cv (Ta – Td)

 = 1 − Q0
Q1

Siklus Diesel
Siklus untuk mesin diesel ditunjukkan pada gambar berikut ini. Siklus pada mesin diesel
dibatasi oleh dua garis lengkung adiabatik dan satu garis lurus isobarik serta satu garis

115

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

lurus isokhorik. Pada mesin diesel, pembakaran jauh lebih lambat sehingga gas di dalam
silinder berkesempatan untuk mengembang bebas, dan pengembangan selama
pembakaran boleh dikatakan berlangsung dengan tekanan yang hampir tetap. Tetapi di
lain pihak, pendinginannya berlangsung cepat, pada volum yang hampir tetap.

P
Q1

BC

D

Q2

A

V

Proses a – b : pemampatan adiabatik
Proses b – c
Ta V k −1 = Tb V k −1
Proses c – d 1 2
Proses d – a
: langkah daya pertama pemuaian isobarik

W= p dV

= nRT dV
v

W= nRT dV
V

= nRT ln dV

: proses pemuaian adiabatik

Tc V k −1 = Td V k −1
2 1

: proses pelepasan kalor isokhorik

W= 0 , terjadi penurunan suhu

Siklus Rainkine
Siklus mesin uap yang juga disebut siklus Rainkine ditunjukkan pada gambar berikut ini.
Siklus ini dibatasi oleh garis lengkung adiabatik dan dua garis lurus isobarik. hanya saja
pada mesin uap ini terdapat proses penguapan dan pengembunan. Pada mesin uap,
pemanasannya adalah pemanasan air di dalam ketel yang mendidih pada tekanan tetap
tertentu dan pengembangan volumnya diakibatkan oleh penguapan yang intensif oleh
mendidihnya air di dalam ketel. Adapun penekanannya untuk mengembalikan ke keadaan

116

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

awal mengakibatkan pengembunan uap jenuh, sehingga berlangsung pada tekanan tetap

pula. Mula-mula air dalam keadaan cair dengan suhu dan tekanan rendah di titik a.

P

cair B Q1 E
CD uap

A Q2 uap F
cair

V
V3 V2 V1

Proses a – b : pada zat cair ditambahkan tekanan, suhu naik dari Ta → Tb
Proses b – c : penguapan pada tekanan tetap, suhu naik

c – mulai terjadi penguapan

Proses c – d : perubahan wujud dari cair ke uap
d – semua zat cair sudah menjadi uap
Proses d–e
Proses e–f : pemuaian pada tekanan tetap, suhu naik dari Td ke Te
Proses f–a : pemuaian adiabatik
: pengembunan pada tekanan tetap,
Proses a–f
Proses f–e bila proses dibalik
Proses c–b : penguapan pada tekanan tetap sehingga membutuhkan kalor
: pemampatan adiabatik
: pengembunan pada tekanan tetap, melepaskan kalor

Kerja Berpasangan
Kerjakan soal-soal berikut bersama teman sebangkumu!

1. Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu tingginya pada 127 oC menyerap 100 kalori
dalam tiap-tiap siklus pada suhu ini dan mengeluarkan 80 kalori ke reservoir suhu
rendah. Tentukanlah suhu reservoir terakhir ini.

117

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

2. Berapakah effisiensi suatu mesin yang menerima 200 kalori dari sebuah reservoir
bersuhu 400 oK dan melepaskan 175 kalori ke sebuah reservoir lain yang bersuhu
320 oK. Jika mesin tersebut merupakan mesin carnot berapakah effisiensinya.

3. Hitunglah effisiensi ideal dari suatu mesin Carnot yang bekerja antara 100 oC dan
400 oC.

4. Sebuah mesin carnot yang menggunakan reservoir suhu rendah pada 7 oC, daya
gunanya 40 %. Kemudian daya gunanya diperbesar 50 %. Berapakah reservoir suhu
tingginya harus dinaikkan.

5. Mesin Carnot bekerja di antara dua reservoir panas yang bersuhu 400 oK dan 300oK.
Jika dalam tiap siklus, mesin menyerap panas sebanyak 1.200 kalori dari reservoir
yang bersuhu 400 oK, maka berapakah panas yang dikeluarkan ke reservoir yang
bersuhu 300 oK.

6. Sebuah mesin carnot bekerja diantara 450 oC dan 50oC. Berapakah effisiensinya?

6.3.3. Hukum II Termodinamika

Hukum II termodinamika dirumuskan oleh beberapa ilmuan diantaranya sebagai berikut.

6.3.3.1. Rudolf Clausius :

Perumusan Clausius tentang hukum II Termodinamika secara sederhana dapat
diungkapkan sebagai berikut : Tidak mungkin membuat mesin pendingin yang
bekerjanya hanya menyerap dari reservoir bersuhu rendah dan
memindahkan kalor itu ke reservoir yang bersuhu tinggi, tanpa disertai

perubahan lain . Dengan kata lain bahwa, kalor mengalir
secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu
rendah dan tidak secara spontan kalau kembali ke keadaan
semula. Atau singkatnya W  0, bagi mesin pendingin.
Sebagai contoh marilah kita lihat proses pada lemari pendingin
(lemari es) yang bagannya pada gambar di bawah ini.

118

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

− Zat cair di dalam wadahnya pada tekanan tinggi harus melalui saluran yang
sempit, menuju ke ruang yang lapang (Evaporator). Proses ini disebut :
Proses Joule-Kelvin.

− Tiba di ruang yang lapang, temperatur dan tekanan zat cair tadi berkurang,
dan zat cair juga menguap. Untuk menguap maka zat cair ini memerlukan
kalor yang diserap dari reservoir T2 (suhu reservoir dingin = suhu benda
yang akan didinginkan).

− Kemudian uap pada tekanan rendah ini masuk ke dalam kompresor,
dimampatkan, sehingga tekanannya dan temperaturnya naik. Temperatur
uap ini lebih tingi dari temperatur reservoir T1 (temperatur suhu tingi) dan T1
> T2

− Di dalam kondensor uap ini memberikan kalor pada reservoir T1. Sebagai
reservoir T1 dapat digunakan udara dalam kamar atau air. Zat yang sering
dipakai pada pesawat pendingin adalah amoniak . Pada proses ini selain
pemindahan kalor dari reservoir dingin T2 ke reservoir T1, terjadi pula
perubahan usaha menjadi kalor yang ikut dibuang di T1.

6.3.3.2. Kelvin − Planck (Perpetom Mobiles II)

Pada dasarnya perumusan antara Kelvin dan Plank mengenai suatu hal yang sama,
sehingga perumusan keduanya dapat digabungkan dan sering disebut : Perumusan
Kelvin-Plank Tentang Hukum II Termodinamika.

119

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Perumusan Kelvin-Plank secara sederhana dapat dinyatakan sebagai berikut : tidak
mungkin membuat mesin yang bekerjanya semata-mata menyerap kalor
dari sebuah reservoir dan mengubahnya menjadi usaha. Atau dengan kata
lain bahwa, t idak mungkin suatu mesin itu mengisap panas dari reservoir dan
mengubah seluruhnya menjadi usaha. Atau singkatnya Q1  0, yaitu  < 1 bagi setiap
mesin kalor.
Sebagai contoh perhatikan proses yang sebenarnya terjadi pada motor bakar dan motor
bensin.

- Mula-mula campuran uap bensin dan udara dimasukkan ke dalam silinder dengan
cara menarik penghisap.

- Kemudian penghisap ditekan, dengan demikian campuran tadi dimampatkan
sehingga temperatur dan tekanannya naik.

- Campuran tadi kemudian dibakar dengan loncatan bunga api listrik. Proses
pembakaran ini menghasilkan campuran dengan temperatur dan tekanan yang
sangat tingi, sehinga volume campuran tetap (proses isokhorik)

- Hasil pembakaran tadi mengembang, mendorong penghisap, sedangkan tekanan
dan temperaturnya turun, tetapi masih lebih tinggi dari tekanan dan temperatur di
luar.

- Katub terbuka, sehingga sebagian campuran itu ada yang keluar sedangkan
penghisap masih tetap ditempatnya.

- Akhirnya penghisap mendorong hampir seluruhnya campuran hasil pembakaran itu
keluar.

6.3.3.3. Carnot

Dari semua mesin yang bekerja dengan menyerap kalor
dari reservoir panas dan membuang kalor pada reservoir
dingin efisiensinya tidak ada yang melebihi efisien mesin

120

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Carnot. Mesin Carnot secara ideal memang tidak ada, tetapi mesin yang mendekati mesin
Carnot akan memiliki efisiensi yang tinggi, maksudnya dapat mengubah panas sebanyak-
banyaknya menjadi energi gerak mekanik. Ciri khas mesin Carnot ialah pemanasan dan
pendinginannya, yaitu pengisapan dan pelepasan panasnya berlangsung secara
isotermis, sedangkan pengembangan dan penekanannya berlangsung secara adiabatis.
Dengan demikian mesin Carnot dapat dibalik (reversible), karena proses isotermis
maupun adiabatis selalu dapat dibalik, maksudnya dengan mengenakan usaha mekanik
W padanya mesin akan melepas panas Q1 dari bagian yang didinginkan serta melepas
panas sebanyak Q2 keluar. Jenis-jenis mesin selain mesin Carnot tidak dapat dibalik, dan
dengan menerapkan hukum termodinamika ke II dapat ditunjukkan bahwa karena dapat
dibalik, mesin Carnot memiliki efisiensi yang sama.

Hukum II termodinamika diringkaskan berbunyi sebagai berikut.

Adalah tidak mungkin mendapatkan suatu mesin yang bekerja dalam lingkaran
yang tidak menimbulkan efek lain selain mengambil panas dari suatu sumber dan
mengubah panas ini seluruhnya menjadi usaha. Hukum II termodinamika juga
menyatakan bahwa panas tidak akan mengalir atau menghantar dari suhu rendah ke
suhu tinggi, yang pasti adalah dari suhu tinggi ke suhu rendah.

6.3.4. Hukum III Termodinamika

Hukum ketiga Termodinamika menyatakan bahwa entropi dari semua kristal-kristal padat
mendekati nol pada saat suhunya mendekati nol mutlak. Dengan kata lain semua zat
akan kehilangan energi pada saat suhunya nol mutlak. Itulah sebabnya orang-orang
menyimpan bahan makanan dalam freezer untuk mempertahankan perubahan energi dari
bahan makanan itu dan mempertahankan dari kerusakan. Dan bila ingin memakannya,
daging misalnya yang akan disantap, harus dipanaskan dulu dengan digoreng atau
dipanggang sehingga mendapatkan makanan hangat yang telah mengalami kerusakan
dibanding semula waktu tersimpan dalam freezer.

Entropi adalah munculnya efek ketidakteraturan/kerusakan pada saat terjadi peningkatan

energi pada suatu sistem. Pada daging yang telah menyerap kalor dari pemanasan

seperti tersebut di atas, entropi berupa kerusakan daging menjadi matang dari keadaan

semula mentah. Kerusakan sel-sel daging yang menyerap kalor akibat dipanaskan itu

membawa perubahan yang menguntungkan, yaitu daging siap dimakan.

121

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

Secara matematis entropi (∆S) dirumuskan dengan peningkatan kalor tiap satuan suhu.
∆ S = Q dan ∆ S = S2 − S1
T

Asas entropi yang dikemukakan Clausius mengatakan bahwa alam raya (universe)
sebagai sistem terisolasi sehingga proses di dalamnya berlangsung secara adiabatik,
maka entropi alam raya cenderung naik ke nilai maksimum. Demikian pula yang
berlangsung di bumi sebagai bagian dari alam raya.

Kenaikan entropi selalu diikuti pula dengan ketidakteraturan. Karena penggunaan energi
untuk usaha berlangsung terus menerus, entropi di bumi haruslah bertambah terus dan
ketidakteraturannya juga harus bertambah. Kecenderungan ini dapat ditahan dengan
adanya fotosintesis. Dalam proses ini energi matahari yang tersebar dikumpulkan menjadi
energi kimia yang terkonsentrasi dalam molekul gula. Dengan proses ini entropi bumi
diturunkan dan ketidakteraturan bertambah. Karena itu fotosintesis disebut juga
negentropi (=entropi negatif). Tetapi penurunan entropi di bumi disertai oleh naiknya
entropi di matahari. Inilah hukum alam; penurunan entropi di suatu tempat hanya mungkin
dengan naiknya entropi di tempat lain. Misalnya, alat AC menurunkan entropi di dalam
ruangan, tetapi ia menaikkan entropi di luar ruangan.

122

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

6.4. Soal-soal Latihan

Pilihlah satu jawaban yang benar!
1. Suatu gas ideal pada tekanan atmosfir p dan suhu 27C dimampatkan sampai

volumenya setengah kali dari semula. Jika suhunya dilipatduakan menjadi 54C,
berapakah tekanannya?
a. 0,25 p
b. 0,54 p
c. 1 p
d. 2 p
e. 2,18 p
2. Pada hukum Boyle p V = k, k mempunyai dimensi :
a. Daya
b. Usaha
c. Momentum linear
d. Suhu
e. Konstanta pegas
3. Rapat massa (perbandingan massa dan volume) suatu gas ideal pada suhu T dan
tekanan p adalah . Jika tekanan gas tersebut dijadikan 2p dan suhunya diturunkan
menjadi 0,5 T, maka rapat massa gas dalam keadaan terakhir adalah :
a. 4
b. 2
c. 0,50
d. 0,25
e. 0,12
4. Suatu gas ideal pada 300 K dipanaskan pada volume tetap sehingga energi kinetis
rata-rata dari molekul gas menjadi dua kali lipat. mana satu diantara pernyataan
berikut yang tepat ?
a. Kecepatan rms rata-rata dari molekul menjadi dua kali.
b. Suhu berubah menjadi 600 K.
c. Momentum rata-rata dari molekul menjadi dua kali.

d. Suhu berubah menjadi 300 2 K
e. Kecepatan rata-rata molekul menjadi dua kali.
5. Untuk melipatduakan kecepatan rms dari molekul-molekul dalam suatu gas ideal pada
300 K, suhu sebaiknya dinaikkan menjadi

123

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

a. 327 K

b. 424 K

c. 600 K

d. 1200 K

e. 90.000 K

6. Massa sebuah molekul nitrogen adalah empat belas kali massa sebuah molekul

hydrogen. Dengan demikian molekul-molekul nitrogen pada suhu 294 K mempunyai

laju rata-rata yang sama dengan molekul-molekul hydrogen pada suhu :

a. 10,5 K

b. 42 K

c. 21 K

d. 4116 K

e. 2058 K

7. Suatu gas yang volumenya 0,5 m3 perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap

hingga volumenya menjadi 2 m3. Jika usaha luar gas tersebut 3 x 105 joule, maka

tekanan gas adalah

a. 6 x 105 Nm-2

b. 2 x 105 Nm-2

c. 1,5 x 105 Nm-2

d. 6 x 105 Nm-2

e. 3 x 105 Nm-2

8. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa :

a. Kalor tidak dapat masuk ke dalam dan ke luar dari suatu sistem

b. Energi adalah kekal

c. Energi dalam adalah kekal

d. Suhu adalah tetap

e. Sistem tidak mendapat usaha dari luar

9. Dua bejana A dan B volumenya sama berisi udara yang suhu dan massanya sama

pula. Udara di dalam bejana A dipanaskan pada tekanan tetap sedangkan udara di

dalam bejana B dipanaskan pada volume tetap. Jika jumlah kalor yang diberikan

kepada bejana A dan B sama banyaknya maka :

a. Kenaikan suhu udara di A dan di B sama

b. Perubahan energi dalam di A dan di B sama

c. Kenaikan suhu udara di A lebih kecil dari di B

d. Kenaikan suhu udara di A lebih besar dari di B

124

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

e. Salah semua
10. Sejumlah gas ideal dengan massa tertentu mengalami pemampatan secara adiabatic.

Jika W adalah kerja yang dilakukan oleh sistem (gas) dan T adalah perubahan suhu
dari sistem, maka berlaku keadaan
a. W = 0, T > 0
b. W = 0, T < 0
c. W > 0, T = 0
d. W < 0, T = 0
e. W < 0, T = 0

Soal-soal Uraian
Kerjakan soal-soal berikut dengan benar!

1. Gas sebanyak 2mol dengan cv = 12,6 J/mol 0K menjalani garis tertutup (1), (2) dan (3).
Proses 2-3 berupa pemampatan isotermik. Hitunglah untuk tiap-tiap bagian garis
tertutup itu :

a. Usaha oleh gas.

b. Panas yang ditambahkan pada gas.

c. Perubahan energi dalamnya.

2. Pada suatu prose tertentu diberikan panas sebanyak 500 kalori ke sistem yang

bersangkutan dan pada waktu yang bersamaan dilakukan pula usaha mekanik

sebesar 100 joule terhadap sistem tersebut. Berapakah tambahan energi dalamnya ?

3. Diagram di bawah ini menunjukkan tiga proses untuk suatu gas ideal, di titik 1

suhunya 600 0K dan tekanannya 16 x 105 Nm-2 sedangkan volumenya 10-3m3 . Dititik 2

volumenya 4 x 10-3m3 dari proses 1-2 dan 1-3 salah satu berupa proses isotermik dan

yang lain adiabatik.  = 1,5

125

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

a. Diantara proses 1-2 dan 1-3 yang manakah proses isotermik dan mana adiabatik ?
Bagaimana kita dapat mengetahui ?

b. Hitung tekanan di titik 2 dan 3
c. Hitung suhu dititik 2 dan 3
d. Hitung volumenya di titik 3 pada proses itu.
4. Pada permulaan 2 mol zat asam ( gas diatomik ) suhunya 270 c dan volumenya 0,02

m3. Gas disuruh mengembang secara isobaris sehingga volumenya menjadi dua kali
lipat kemudian secara adiabatik hingga suhunya mencapai harga yang seperti
permulaan lagi. R = 8,317 J/mol 0K. Tentukanlah :
a. Berapakah banyaknya energi dalam totalnya ?
b. Berapakah banyaknya panas yang ditambahkan ?
c. Berapakah usaha yang dilakukan ?
d. Berapakah volume pada akhir proses ?
5. Sebuah mesin pemanas menggerakkan gas ideal monoatomik sebenyak 0,1 mol
menurut garis tertutup dalam diagram P-V pada gambar di bawah ini. Proses 2-3
adalah proses adiabatik.

a. Tentukanlah suhu dan tekanan pada titik 1,2 dan 3. 126
b. Tentukanlah usaha total yang dilakukan gas.

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

6. Gas nitrogen BM 28 memenuhi persamaan gas ideal. Bila massa gas nitrogen
tersebut 84 gr memuai isothermal pada suhu 27C dari volume 4.000 cm3 menjadi
8.000 cm3. Jika konstanta gas umum R = 3,2 . 107 erg/molK. Hitunglah usaha gas
tersebut !

7. Gas oksigen BM 32 massanya 0,5 kg menempati volume 8.000 cm3 pada temperatur
27C. Tentukan usaha yang diperlukan untuk mengurangi volume menjadi 4.000 cm3,
jika :
a. proses berlangsung isobarik
b. proses berlangsung isotermik

8. Udara dengan konstanta laplace 1,4 memuai adiabatik dari volume 500 cm3 menjadi
1.000 cm3. Mula-mula tekanan udara 2 atm, jumlah massa udara 1 gr, dan konstanta
udara setiap mol R/n = 2,8 . 107 erg/gr. Berapakah penurunan suhu udara itu ?

9. 1 mol gas suhunya 27C memuai adiabatik sehingga volumenya menjadi dua kali
semula. R = 3,2 . 107 erg/molK dan konstanta laplace 1,4. Berapa usaha yang harus
dilakukan ?

10. Sebuah mesin Carnot yang reservoir suhu dinginnya 27 ºC memiliki efisiensi 40 %.
Jika efisiensinya dinaikkan menjadi 50 % berapa reservoir suhu tinggi harus
dinaikkan?

6.5. Rangkuman

1. Hukum Boyle dirumuskan : p V = konstan (asal suhu tidak berubah)
p1V2 = p2V2

2. Persamaan untuk gas ideal menjadi p V = nRT , R = 8,3144 joule/mol.K = 8,3144.103
Joule/Mol.K atau R = 0,0821 atm liter/mol.K .

3. Hukum Boyle-Gay Lussac dirumuskan:
p1.V1 = p2.V2
T1 T2

4. Kecepatan bergerak tiap-tiap atom ditulis dengan bentuk persamaan :

v = 3kT
rms
m

k = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 joule/atom K

5. Kecepatannya dapat ditulis juga dengan rumus sebagai berikut:

v = 3RT
rms
M 127

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

6. Persamaan hukum I termodinamika dapat ditulis:  Q =  U + W

7. Usaha dalam proses isobarik: W = p.∆V

8. Usaha dalam proses isokhorik :W = 0

9. Usaha dalam proses isotermik: W = n RT 1n ( V2 )
V1

10. Usaha dalam proses adiabatik: W = 3/2 n.R.∆T

11. Daya guna /efisiensi mesin kalor :

 = W x 100% atau
Q1

 =1− Q2 x 100% atau

Q1

 =1− T2 x 100%

T1

12. Daya guna /efisiensi mesin pendingin:

 = W x 100% atau
Q2

 = Q1 − 1 x 100% atau
Q2

 = T1 − 1 x 100%
T2

13. Koefisien Performance mesin pendingin / koefisien daya guna sebagai berikut.
1

K=



K = Q2 atau
W

K = Q2
Q1 − Q2

6.6. Glosarium 128
• Ekuipartisi energi = pembagian energi dalam sistem tertutup.
• Energi kinetik rotasi = energi gerak perputaran.

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta

LISTRIK DP- III TEKNIKA

• Energi kinetik translasi = energi gerak pergeseran.
• Kalor = panas, salah satu bentuk energi.
• Konservasi energi = perubahan energi yang lebih bersifat mendayagunakan energi
• Mesin kalor = mesin yang mengubahenergi panas menjadi energi mekanik
• Proses isobarik = proses yang berlangsung dalam tekanan tetap
• Proses isokhorik = proses yang berlangsung dalam volume tetap.
• Proses adiabatik = proses yang berlangsung dalam perubahan kalor tetap
• Proses isotermik = proses yang berlangsung dalam suhu tetap
• Reservoir = sistem mesin penghasil energi panas.

129

Balai Pendidikan dan Pelatihan Transportasi Jakarta