Artikel tentang Aplikasi Hukum Termodinamik Pertama kepada beberapa proses Termodinamik
Sebelum ini kita telah membincangkan Hukum Termodinamik Pertama dan menganalisis perniagaan dijalankan oleh sistem. Kali ini, kita akan mengkaji beberapa aplikasi Hukum Termodinamik Pertama dalam empat proses termodinamik. Empat proses termodinamik yang dimaksudkan ialah isoterma, isokorik, isobarik dan adiabatik. Istilah-istilah ini berasal daripada bahasa Yunani.
Proses Isoterma (suhu malar)
Pertama sekali, mari kita kaji semula aplikasi hukum termodinamik pertama kepada proses isoterma. Dalam proses isoterma, suhu sistem dikekalkan malar. Sistem yang kita analisis secara teorinya ialah gas ideal. Suhu gas ideal adalah berkadar terus dengan tenaga dalaman gas ideal (U = 3/2 nRT). Oleh kerana T kekal malar, U juga kekal malar. Oleh itu, apabila digunakan pada proses isoterma, persamaan untuk hukum termodinamik pertama menjadi:
Daripada keputusan ini, dapat disimpulkan bahawa dalam proses isoterma (suhu malar), haba (Q) yang ditambahkan ke dalam sistem digunakan oleh sistem untuk melakukan kerja (W).
Perubahan tekanan dan isipadu sistem dalam proses isoterma digambarkan dalam graf di bawah:
Pada mulanya isipadu sistem = V1 (isipadu kecil) dan tekanan sistem = P1 (tekanan tinggi). Untuk memastikan suhu sistem malar, selepas haba ditambah ke dalam sistem, sistem akan mengembang dan melakukan kerja ke atas persekitaran. Selepas sistem bekerja ke atas persekitaran, isipadu sistem berubah kepada V2 (isipadu sistem meningkat) dan tekanan sistem berubah kepada P2 (tekanan sistem berkurangan). Graf melengkung kerana tekanan sistem tidak berubah secara tetap semasa proses. Jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem = kawasan berlorek.
Proses Adiabatik
Dalam proses adiabatik, tiada haba ditambah atau meninggalkan sistem (Q = 0). Proses adiabatik boleh berlaku dalam sistem tertutup yang terasing dengan baik. Bagi sistem tertutup yang terasing dengan baik, biasanya tiada haba yang mengalir ke dalam atau meninggalkan sistem sesuka hati. Proses adiabatik juga boleh berlaku dalam sistem tertutup yang tidak terasing.
Dalam kes ini, proses tersebut mesti dijalankan dengan sangat cepat supaya haba tidak mempunyai masa untuk mengalir masuk atau keluar dari sistem. Apabila digunakan pada proses adiabatik, persamaan Hukum Termodinamik Pertama berubah kepada bentuk ini:
Jika sistem dimampatkan dengan cepat (kerja dilakukan pada sistem), maka kerja adalah negatif. Oleh kerana W adalah negatif, maka U adalah positif (tenaga dalam sistem meningkat). Sebaliknya, jika sistem mengembang atau melebar dengan cepat (sistem berfungsi), maka W adalah positif. Oleh kerana W adalah positif, maka U adalah negatif (tenaga dalam sistem berkurangan). Tenaga dalam sistem (gas ideal) adalah berkadar terus dengan suhu (U = 3/2 nRT), oleh itu jika tenaga dalam sistem meningkat maka suhu sistem juga meningkat. Sebaliknya, jika tenaga dalam sistem berkurangan maka suhu sistem berkurangan.
Perubahan tekanan dan isipadu sistem dalam proses adiabatik digambarkan dalam graf di bawah:
Jika sistem dimampatkan dengan cepat (kerja dilakukan pada sistem), maka kerja adalah negatif. Oleh kerana W adalah negatif, maka U adalah positif (tenaga dalam sistem meningkat). Sebaliknya, jika sistem mengembang atau melebar dengan cepat (sistem berfungsi), maka W adalah positif. Oleh kerana W adalah positif, maka U adalah negatif (tenaga dalam sistem berkurangan). Tenaga dalam sistem (gas ideal) adalah berkadar terus dengan suhu (U = 3/2 nRT), oleh itu jika tenaga dalam sistem meningkat maka suhu sistem juga meningkat. Sebaliknya, jika tenaga dalam sistem berkurangan maka suhu sistem berkurangan.
Perubahan tekanan dan isipadu sistem dalam proses adiabatik digambarkan dalam graf di bawah:
Lengkung adiabatik dalam graf ini (lengkung 1-2) adalah lebih curam daripada lengkung isoterma (lengkung 1-3). Perbezaan kecuraman ini menunjukkan bahawa untuk peningkatan isipadu yang sama, tekanan sistem berkurangan lebih banyak dalam proses adiabatik berbanding dengan proses isoterma. Tekanan sistem berkurangan lebih banyak dalam proses adiabatik kerana apabila pengembangan adiabatik berlaku, suhu sistem juga berkurangan. Suhu adalah berkadar terus dengan tekanan, oleh itu, jika suhu sistem berkurangan, tekanan sistem juga berkurangan. Sebaliknya, dalam proses isoterma, suhu sistem kekal malar. Oleh itu, dalam proses isoterma, suhu tidak menjejaskan penurunan tekanan.
Satu contoh proses yang menghampiri pemampatan adiabatik berlaku dalam enjin pembakaran dalaman, seperti enjin diesel dan petrol. Dalam enjin diesel, udara disedut ke dalam silinder dan dimampatkan dengan cepat menggunakan omboh (kerja dilakukan pada udara). Proses pemampatan adiabatik (pengurangan isipadu sistem) digambarkan oleh lengkung 2-1. Oleh kerana udara dimampatkan dengan cepat secara adiabatik, suhu udara meningkat dengan cepat. Pada masa yang sama, diesel disembur ke dalam silinder melalui penyuntik, dan campuran dinyalakan dengan segera (pembakaran berlaku). Dalam enjin petrol, campuran udara-petrol disedut ke dalam silinder dan dimampatkan dengan cepat menggunakan omboh. Oleh kerana pemampatan adalah adiabatik yang cepat, suhunya meningkat dengan cepat. Pada masa yang sama, palam pencucuh menghasilkan percikan api, menyebabkan pembakaran.
Proses isokhorik (isipadu malar)
Dalam proses isokorik, isipadu sistem dikekalkan malar. Oleh kerana isipadu sistem kekal malar, sistem tidak boleh melakukan kerja pada persekitaran. Begitu juga, persekitaran tidak boleh melakukan kerja pada sistem. Apabila digunakan pada proses isokorik, persamaan Hukum Termodinamik Pertama menjadi:
Daripada keputusan ini, kita boleh membuat kesimpulan bahawa dalam proses isokhorik (isipadu malar), haba (Q) yang ditambah kepada sistem digunakan untuk meningkatkan tenaga dalaman sistem.
Perubahan tekanan dan isipadu sistem dalam proses isokorik digambarkan dalam graf di bawah:
Tekanan sistem awal = p1 (tekanan rendah). Penambahan haba ke dalam sistem menyebabkan tenaga dalam sistem meningkat. Oleh kerana tenaga dalam sistem meningkat, suhu sistem (gas ideal) meningkat (U = 3/2 nRT). Suhu berkadar terus dengan tekanan. Oleh itu, jika suhu sistem meningkat, tekanan sistem meningkat (p2Oleh kerana isipadu sistem adalah malar, tiada kerja dilakukan (tiada kawasan berlorek).
Seperti yang dinyatakan sebelum ini, dalam proses isokhorik, sistem tidak boleh melakukan kerja pada persekitaran. Begitu juga, persekitaran tidak boleh melakukan kerja pada sistem. Ini kerana dalam proses isokhorik, isipadu sistem kekal malar, bermakna ia tidak berubah. Sesetengah jenis kerja tidak melibatkan perubahan isipadu. Oleh itu, walaupun isipadu sistem kekal malar, kerja masih boleh dilakukan pada sistem. Contohnya, kipas dan bateri berada dalam bekas tertutup. Kipas boleh berputar menggunakan tenaga yang dibekalkan oleh bateri. Dalam kes ini, kipas, bateri dan udara di dalam bekas dianggap sebagai satu sistem.
Apabila kipas berputar, ia berfungsi pada udara di dalam bekas. Pada masa yang sama, tenaga kinetik kipas ditukar menjadi tenaga di udara. Tenaga elektrik dalam bateri berkurangan secara semula jadi kerana ia telah ditukar menjadi tenaga di udara. Contoh ini menunjukkan bahawa dalam proses isokorik (isipadu malar), kerja masih boleh dilakukan pada sistem (kerja yang tidak melibatkan perubahan isipadu).
Proses isobarik (tekanan malar)
Dalam proses isobarik, tekanan sistem dikekalkan malar. Oleh kerana pemalarnya ialah tekanan, perubahan tenaga dalaman (delta U), haba (Q), dan kerja (W) dalam proses isobarik tidak pernah sifar. Oleh itu, hukum termodinamik pertama kekal utuh:
ΔU = Q − W
Perubahan tekanan dan isipadu gas dalam proses isobarik digambarkan dalam graf di bawah:
Pada mulanya isipadu sistem = V1 (isipadu kecil). Oleh kerana tekanan dikekalkan malar, selepas haba ditambah ke dalam sistem, sistem mengembang dan melakukan kerja ke atas persekitaran. Selepas melakukan kerja ke atas persekitaran, isipadu sistem berubah kepada V2 (isipadu sistem meningkat). Jumlah kerja (W) yang dilakukan oleh sistem = kawasan berlorek.
Contoh soalan 1:
Lengkung 1-2 dalam dua rajah di bawah menunjukkan pengembangan gas (peningkatan isipadu gas) yang berlaku secara adiabatik dan isoterma. Dalam proses yang manakah kerja yang dilakukan oleh gas kurang?
Kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses adiabatik adalah kurang daripada kerja yang dilakukan oleh gas dalam proses isoterma. Kawasan berlorek = kerja yang dilakukan oleh gas semasa proses pengembangan (peningkatan isipadu gas). Kawasan berlorek dalam proses adiabatik adalah kurang daripada kawasan berlorek dalam proses isoterma.
Contoh soalan 2:
Satu siri proses termodinamik ditunjukkan dalam rajah di bawah. Lengkung a-b dan d-c = proses isokhorik (isipadu malar). Lengkung b-c dan a-d = proses isobarik (tekanan malar). Dalam proses a-b, 600 Joule haba (Q) ditambah kepada sistem. Dalam proses b-c, 800 Joule haba (Q) ditambah kepada sistem. Tentukan:
a) Perubahan tenaga dalaman dalam proses a-b
b) Perubahan tenaga dalaman dalam proses a-b-c
c) Jumlah haba yang ditambah dalam proses a-d-c
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N / m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N / m2
V1 = 2 liter = 2 dm3 = 2 x 10‐3 m3
V2 = 4 liter = 2 dm3 = 4 x 10‐3 m3
Perbincangan
a) Perubahan tenaga dalaman dalam proses a-b
Dalam proses a-b, 600 J haba ditambah ke dalam sistem. Proses a-b ialah proses isokhorik (isipadu malar). Dalam proses isokhorik, penambahan haba ke dalam sistem hanya meningkatkan tenaga dalaman sistem. Oleh itu, perubahan tenaga dalaman sistem selepas menerima sumbangan haba ialah:
ΔU = Q
ΔU = 600 J
b) Perubahan tenaga dalaman dalam proses a-b-c
Proses a-b = proses isokhorik (isipadu malar). Dalam proses a-b, 600 J haba ditambah.
kepada sistem. Oleh kerana isipadu adalah malar, tiada kerja yang dilakukan oleh sistem.
Proses b-c = proses isobarik (tekanan malar). Dalam proses b-c, 800 Joule haba (Q) ditambah ke dalam sistem. Dalam proses isobarik, sistem boleh melakukan kerja. Jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem dalam proses b-c (proses isobarik) ialah:
W = P (V2 - V1) - tekanan malar
W = P2 (V2 - V1)
W = 4 x 105 N / m2 (4x10‐3 m3 ‐ 2 x 10‐3 m3)
W = 4 x 105 N / m2 (2x10‐3 m3)
W = 8 x 102 Joule
W = 800 Joule
Jumlah haba yang ditambah kepada sistem dalam proses a-b-c ialah:
Jumlah Q = Q ab + Q bc
Jumlah Q = 600 J + 800 J
Jumlah Q = 1400 Joule
Jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem dalam proses a-b-c ialah:
Jumlah W = W ab + W bc
Jumlah W = 0 + W bc
Jumlah W = 0 + 800 Joule
Jumlah W = 800 Joule
Perubahan tenaga dalam sistem dalam proses a-b-c ialah:
ΔU = Q − W
ΔU = 1400 J − 800 J
ΔU = 600 J
Perubahan tenaga dalaman dalam proses a-b-c = 600 J
c) Jumlah haba yang ditambah dalam proses a-d-c
Jumlah haba yang ditambah ke dalam sistem boleh didapati melalui persamaan di bawah:
ΔU = Q − W
Q = ΔU + W
Jumlah haba yang ditambah dalam proses a-d-c = perubahan tenaga dalaman dalam proses a-d-c + jumlah kerja yang dilakukan dalam proses a-d-c.
Haba dan kerja terlibat dalam pemindahan tenaga antara sistem dan persekitaran, manakala perubahan dalam tenaga dalaman adalah hasil daripada pemindahan tenaga antara sistem dan persekitaran. Oleh itu, perubahan tenaga dalaman tidak bergantung pada proses pemindahan tenaga. Sebaliknya, haba dan kerja sangat bergantung pada proses tersebut. Dalam proses isokhorik (isipadu sistem malar), pemindahan tenaga hanya dalam bentuk haba, tetapi bukan kerja. Dalam proses isobarik (tekanan malar), pemindahan tenaga melibatkan kedua-dua haba dan kerja. Walaupun tidak bergantung pada proses tersebut, perubahan tenaga dalaman bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem. Jika keadaan awal dan akhir adalah sama, perubahan tenaga dalaman sentiasa sama, walaupun proses yang terlibat adalah berbeza.
Keadaan awal dan keadaan akhir bagi proses a-b-c dalam graf di atas = keadaan awal dan keadaan akhir bagi proses a-d-c. Oleh itu, perubahan tenaga dalaman dalam proses a-d-c = 600 J.
Jumlah kerja (W) yang dilakukan dalam proses a-d-c = W dalam proses a-d + W dalam proses d-c.
Proses a-d ialah proses isobarik (tekanan malar), manakala proses d-c ialah proses isokhorik (isipadu malar). Oleh kerana isipadu adalah malar, tiada kerja dilakukan dalam proses d-c. Pertama, kita mengira kerja yang dilakukan dalam proses a-d.
W iklan = P (V2 - V1)
W iklan = P1 (V2 - V1)
Iklan W = 2 x 105 N / m2 (4x10‐3 m3 ‐ 2 x 10‐3 m3)
Iklan W = 2 x 105 N / m2 (2x10‐3 m3)
Iklan W = 4 x 102 Joule
W ad = 400 Joule
Jumlah W = W dalam proses a-d + W dalam proses d-c
Jumlah W = 400 Joule + 0
Jumlah W = 400 Joule
Oleh itu, jumlah haba yang ditambah kepada proses a-d-c ialah:
Q = ΔU + W
Q = 600 J + 400 J
Q = 1000 J
Contoh soalan 3:
1 liter air bertukar menjadi 1671 liter wap apabila dididihkan pada tekanan 1 atm. Tentukan perubahan tenaga dalaman dan jumlah kerja yang dilakukan oleh air apabila ia tersejat… (Haba pengewapan air = LV = 22,6 x 105 J/Kg)
Perbincangan
Ketumpatan air = 1000 kg/m3
LV = 22,6 x 105 J/Kg
P = 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 105 N / m2
V1 = 1 liter = 1 dm3 = 1 x 10‐3 m3 (Isipadu air)
V2 = 1671 liter = 1671 dm3 = 1671 x 10‐3 m3 (Isipadu wap)
a) Perubahan dalam tenaga dalaman
Perubahan tenaga dalaman = Haba yang ditambah kepada air – Kerja yang dilakukan oleh air apabila ia tersejat. Pertama, mari kita kira haba (Q) yang ditambah kepada air...
Q = mL V
Jisim (m) air?
Ketumpatan air = jisim air / isipadu air
Jisim air (m) = (ketumpatan air) (isipadu air)
Jisim air (m) = (1000 kg/m3)(1 x 10‐3 m3)
Jisim air (m) = (1000 kg/m3)(0,001 m3)
Jisim air (m) = 1 Kg
Q = (1 kg)(22,6 x 105 J/kg)
Q = 22,6 x 105 J
Kirakan kerja (W) yang dilakukan oleh air apabila ia tersejat. Pendidihan air berlaku pada tekanan malar (proses isobarik).
W = p (V2 - V1)
W = 1,013 x 105 N / m2 (1671x10‐3 m3 - 1 x 10‐3 m3)
W = 1,013 x 105 N / m2 (1670x10‐3 m3)
W = 1691,71 x 102 Joule
W = 1,7 x 105 Joule
Perubahan tenaga dalam air:
ΔU = Q − W
ΔU = 22,6 x 105 J − 1, 7 x 105 J
ΔU = 20,9 x 105 J
ΔU = 21 x 105 J
21 x 105 Haba yang ditambah ke dalam air digunakan untuk meningkatkan tenaga dalamannya (mengatasi daya tarikan antara molekul yang mengekalkan cecair air). Dalam erti kata lain, 21 x 105 J digunakan untuk menukar air kepada wap. Apabila air telah menjadi wap, 1,7 x 105 Baki J digunakan untuk melakukan kerja.
Contoh soalan 4:
1 mol gas di dalam silinder mengembang dengan cepat secara adiabatik. Suhu awal gas ialah 1000 K. Selepas mengembang, suhu gas menurun kepada 500 K. Tentukan kerja yang dilakukan oleh gas tersebut... Perbincangan
Pengembangan gas berlaku secara adiabatik. Dalam proses adiabatik, tiada haba masuk atau keluar dari sistem. Oleh itu, kerja yang dilakukan oleh gas = perubahan tenaga dalaman gas. Secara matematik, ini ditulis sebagai:
ΔU = Q − W atau W = Q − ΔU → Q = 0
W = 0 − ΔU
W = − ΔU
Kita boleh mengira perubahan tenaga dalam gas menggunakan persamaan tenaga dalaman gas ideal:
ΔU = U akhir – U mula
ΔU = 3/2 nR (T akhir – T awal)
ΔU = 3/2 (1 mol)(8,315 J/mol.K)(500 K – 1000 K)
ΔU = 3/2 (1 mol)(8,315 J/mol.K)(‐500 K)
ΔU = ‐6236,25 J
Oleh itu, jumlah kerja yang dilakukan oleh gas ialah:
W = − ΔU
W = − ( − 6236 , 25 J )
W = 6236, 25 J
