Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika berbunyi :
” kalor yang masuk atau keluar dari sistem sama dengan kerja yang dilakukan ditambah dengan energi dalam sistem “. Secara matematis dapat ditulis :

 

dimana Q = kalor ; ΔU = energi dalam dan W = kerja


hukum pertama termodinamika berhubungan erat dengan konsep kekekalan energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan energi juga tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat berubah bentuk menjadi bentuk energi lainnya.

Gambar 1 sistem dan pertukaran energi

Bila kalor masuk ke sistem maka tanda positif ditambahkan pada Q menjadi +Q tetapi bila kalor diambil dari sistem maka kalor menjadi negatif (-Q). Sebaliknya dengan kerja, kerja yang dilakukan oleh sistem atau keluar dari sistem bertanda positif (+W) dan kerja yang diberikan ke sistem bertanda negatif (-W).

Contoh  waktu kita memanaskan air maka kira memberikan kalor ke dalam sistem (air). Kalor yang diterima oleh air diberi tanda positif. Sewaktu kita mendinginkan air panas, maka kalor diserap oleh udara di sekitar air panas, atau kalor keluar dari sistem (air panas), maka kalor diberi tanda negatif.

Pompa air adalah sebuah sistem. Pompa akan bekerja jika ada kerja masuk ke dalam pompa. Kerja yang masuk ke pompa berupa putaran poros. Kerja poros ini diberi tanda negatif. Lain hal nya dengan turbin air. Turbin air mengubah tekanan air menjadi kerja berupa putaran poros. Kerja yang dihasilkan oleh turbin air diberi tanda positif, karena kerja keluar dari turbin air. Energi dalam sistem dapat bertambah atau berkurang dan merupakan fungsi dari keadaan sistem.

Kalor adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lainnya atau dapat juga berpindah di dalam benda yang sama karena adanya perbedaan temperatur. Pada mulanya kalor dianggap wujud gerak molekuler, kemudian melalui penelitian tentang proses perpindahan kalor diketahui bahwa kalor lebih menyerupai zat materi yang kekal yaitu suatu fluida yang tidak kelihatan yang dinamakan “caloric” yang tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi hanya mengalir keluar dari satu benda ke benda lain karena adanya perbedaan temperatur.

Melalui banyak eksperimen yang dilakukan oleh James joule (1818 – 1889) diketahui bahwa munculnya atau hilangnya kalor tertentu selalu diikuti dengan munculnya atau hilangnya energi mekanik yang besarnya ekivalen. Eksperimen Joule menunjukan bahwa energi panas dan energi mekanik tidaklah kekal secara bebas, tetapi bahwa energi mekanik yang hilang selalu sama dengan energi termal yang dihasilkan. Yang kekal adalah jumlah total energi mekanik dan energi kalor. Hal ini yang menjadi dasar dari hukum pertama termodinamika.

Kalor mempunyai lambang Q dengan satuan kalori (cal) untuk sistem internasional ,sedangkan energi mempunyai satuan Joule (J). Oleh James Joule telah dibuat kesetaraan antara energi panas (kalori) dengan energi mekanik (Joule). Gambar berikut ini menunjukan skema dan alat eksperimen Joule untuk menentukan jumlah usaha yang dibutuhkan untuk menghasilkan kenaikan temperatur tertentu dalam sejumlah air tertentu.

Gambar 2 alat uji kesetaraan usaha dan kalor (eksperimen Joule)

Dari hasil pengujian didapat kesetaraan antara energi mekanik dengan energi kalor adalah

1 Joule = 0,24 calori

atau 1 calori = 4,18 Joule

1 kalori adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat Celsius. sedangkan 1 kilo kalori adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kilogram air sebesar 1 derajat Celsius.

1 Joule adalah banyaknya energi yang dibutuhkan untuk memindahkan beban seberat 1 Newton sejauh 1 meter.

Dalam satuan British kalor dinyatakan dalam satuan btu (british termal unit). 1 btu adalah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 lbm (pond) air sebesar 1 derajat Fahrenheit.

Untuk perubahan yang sangat kecil biasanya persamaan hukum pertama termodinamika dinyatakan dalam bentuk differensial yaitu :

 

dU adalah diferensial fungsi energi dalam, tetapi dQ dan dW  bukan diferensial fungsi apapun. dQ menyatakan sejumlah kecil panas yang ditambahkan ke sistem atau diambil dari sistem,  dan dW adalah sejumlah kecil usaha yang dilakukan oleh sistem atau yang diberikan ke sistem.

bersambung ke siklus Carnot dan proses-proses termodinamika

Sumber : 

https://djukarna.wordpress.com/2014/02/13/hukum-pertama-termodinamika/