Hukum pertama termodinamika
| English | Bahasa Indonesia |
|---|---|
| first law of thermodynamics/fɜːst lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/ | hukum pertama termodinamika |
| sign convention/saɪn kənˈvenʃn/ | konvensi tanda |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | hukum kekekalan energi |
| isothermal/ˌaɪsəˈθɜːml/ | isotermal |
| adiabatic/ˌædiəˈbætɪk/ | adiabatik |
Mengapa pompa sepeda menjadi panas
- Memompa ban dengan cepat membuat tabungnya menjadi terlalu panas untuk dipegang dengan nyaman. Tidak ada yang terbakar, tidak ada yang dipanaskan, dan tidak ada energi yang disuplai kecuali oleh lengan Anda.
- Lengan melakukan usaha pada udara, memampatkannya. Pemampatan cukup cepat sehingga tidak ada waktu bagi panas untuk keluar, jadi seluruh usaha tersebut tidak memiliki tempat lain selain masuk ke energi dalam udara.
- Energi masuk sama dengan energi tersimpan. Kalimat tunggal ini, ditulis dengan hati-hati beserta tandanya, adalah hukum termodinamika pertama.
- Pelajaran ini $W = p\Delta V$, konvensi tanda, hukum pertama, dan empat proses standar.
Usaha saat gas berubah volume
- Ketika gas mengubah volume melawan tekanan luar, dilakukan usaha mekanis. Pada tekanan konstan $p$ dengan perubahan volume $\Delta V$:
- Pada grafik $p$-$V$ ini adalah luas di bawah garis, itulah sebabnya perubahan tekanan konstan memberikan bentuk persegi panjang sederhana.
- Gas yang mengembang melakukan usaha pada lingkungannya. Gas yang ditekan mengalami usaha yang dilakukan padanya.
Gaya dikali jarak, ditulis ulang sebagai tekanan dikali volume yang disapu
Usaha yang dilakukan oleh gas yang berekspansi pada tekanan tetap adalah:
Gaya = $pA$, jarak = $\Delta x$, sehingga usaha $= pA\Delta x = p\,\Delta V$.
Konvensi tanda
- Kurikulum ini menuliskan hukum pertama dengan $W$ sebagai kerja yang dilakukan pada gas.
- Ditekan: $\Delta V$ bernilai negatif, usaha yang dilakukan pada gas positif, dan gas memperoleh energi.
- Mengembang: $\Delta V$ bernilai positif, usaha yang dilakukan pada gas negatif, dan gas kehilangan energi ke lingkungan.
- Bacalah soal dengan teliti. "Usaha yang dilakukan pada gas" dan "usaha yang dilakukan oleh gas" memiliki besaran yang sama tetapi tanda berlawanan, dan menukar keduanya merupakan kesalahan paling umum dalam topik ini.
Satu kuantitas, dua nama, tanda berlawanan
Ketika gas memuai, gas melakukan usaha pada lingkungannya.
Ya — ia mendorong piston/atmosfer ke luar. Jadi, usaha yang dilakukan pada gas bernilai negatif.
Gas memuai. Dalam konvensi silabus ini, berapakah tanda W, yaitu usaha yang dilakukan pada gas?
Usaha yang dilakukan OLEH gas dan usaha yang dilakukan PADA gas memiliki besaran yang sama tetapi tanda yang berlawanan. Membingungkan keduanya adalah kesalahan paling umum dalam topik ini.
Hukum pertama
- $\Delta U$ adalah peningkatan energi dalam, $q$ adalah energi yang ditransfer ke sistem melalui pemanasan, dan $W$ adalah usaha yang dilakukan pada sistem.
- Pernyataan bernilai dua poin harus mendefinisikan setiap simbol bersama arahnya: "ke sistem" dan "pada sistem" adalah tempat poin diberikan.
- Ini adalah kekekalan energi yang diterapkan pada gas: energi datang melalui pemanasan atau usaha, dan apa yang datang akan disimpan.
Usaha yang dilakukan pada gas
Dorong piston ke dalam dan Anda melakukan usaha pada gas (W = pΔV); hukum pertama menyatakan bahwa usaha ditambah kalor yang ditambahkan sama dengan kenaikan energi dalam.
Hukum pertama termodinamika: $\Delta U = q +$ ____.
$\Delta U = q + W$, di mana $W$ adalah usaha yang dilakukan pada gas dan $q$ adalah panas yang ditambahkan.
Pernyataan hukum pertama termodinamika bernilai dua poin harus mendefinisikan simbol-simbolnya beserta arahnya. Manakah yang benar? Pilih semua yang berlaku.
"Ke sistem" dan "pada sistem" adalah tempat nilai poin diberikan. Mendefinisikan W sebagai usaha yang dilakukan oleh sistem akan membalik tanda seluruh persamaan.
Contoh terpecahkan: panas masuk, usaha keluar
- Sebuah gas menyerap $500\ \text{J}$ kalor sambil mengembang dan melakukan $200\ \text{J}$ usaha pada lingkungannya. Temukan perubahan energi dalamnya.
- Pemanasan masuk ke gas, jadi $q = +500\ \text{J}$.
- Gas melakukan usaha, jadi usaha yang dilakukan padanya adalah $W = -200\ \text{J}$. Inilah langkah di mana konvensi tanda berfungsi.
- $\Delta U = q + W = 500 + (-200) = +300\ \text{J}$: energi dalam naik sebesar 300 J.
$100\ \text{J}$ panas ditambahkan ke sebuah gas sementara $30\ \text{J}$ usaha dilakukan pada gas. Berapakah kenaikan energi dalamnya?
$\Delta U = q + W = 100 + 30 = 130\ \text{J}$.
Contoh terpecahkan: kenaikan yang sama, dua cara
- Gas ideal dipanaskan pada tekanan konstan $2.0 \times 10^5\ \text{Pa}$; energi dalamnya naik sebesar $7600\ \text{J}$ sementara volumenya bertambah $1.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^3$. Temukan energi termal yang disuplai. Kemudian temukan lagi untuk kenaikan yang sama di $U$ pada volume konstan.
- Usaha yang dilakukan oleh gas adalah $p\Delta V = 2.0 \times 10^5 \times 1.2 \times 10^{-2} = 2400\ \text{J}$, jadi usaha yang dilakukan padanya adalah $W = -2400\ \text{J}$.
- Hukum pertama: $q = \Delta U - W = 7600 - (-2400) = 1.0 \times 10^4\ \text{J}$.
- Pada volume konstan tidak ada usaha yang dilakukan, jadi $q = \Delta U = 7600\ \text{J}$.
- Tambahan 2400 J pada kasus pertama tepat merupakan energi yang digunakan gas untuk mendorong lingkungannya kembali. Sama $\Delta U$, berbeda $q$, karena usahanya berbeda.
Sebuah gas ideal pada tekanan konstan 2.0 x 10^5 Pa mengalami kenaikan energi dalam sebesar 7600 J saat memuai dengan volume 1.2 x 10^-2 m^3. Berapa joule energi termal yang disuplai?
Usaha yang dilakukan gas adalah 2400 J, sehingga W pada gas adalah -2400 J dan q = 7600 - (-2400) = 10 000 J. Pada volume konstan, kenaikan yang sama hanya membutuhkan 7600 J.
Empat proses standar
| Proses | Konstan | $\Delta U$ | $W$ pada gas | $q$ |
|---|---|---|---|---|
| isotermal | $T$ | $0$ | $W$ | $-W$ |
| volume konstan | $V$ | $\tfrac32 nR\Delta T$ | $0$ | $\Delta U$ |
| tekanan konstan | $p$ | $\tfrac32 nR\Delta T$ | $-p\Delta V$ | $\Delta U - W$ |
| adiabatik | tanpa panas | $W$ | $W$ | $0$ |
- Setiap baris hanyalah $\Delta U = q + W$ dengan satu besaran nol. Isotermal: $\Delta T = 0$, sehingga $\Delta U = 0$ dan $q = -W$, artinya panas masuk langsung keluar sebagai kerja. Adiabatik: $q = 0$, sehingga $\Delta U = W$, seperti pompa sepeda.
- Untuk gas ideal $\Delta U = \tfrac32 nR\Delta T$ selalu berlaku, karena $U$ hanya bergantung pada suhu.
*Empat jalur, satu hukum
Pasangkan setiap proses dengan apa yang membuatnya nol.
Konstanta $T$ → tidak ada perubahan energi dalam; konstanta $V$ → tidak ada usaha; adiabatik → tidak ada aliran panas.
Dalam perubahan isothermal gas ideal, energi dalamnya tidak berubah.
Untuk gas ideal $U \propto T$, sehingga konstanta $T$ berarti $\Delta U = 0$ (dan kemudian $q = -W$).
Contoh terpecahkan: jelaskan dengan hukum pertama
- Jawaban "gunakan hukum pertama untuk menjelaskan" bernilai tiga poin memiliki tiga langkah: nyatakan $q$ dengan tandanya, nyatakan $W$ dengan tandanya, lalu gabungkan untuk $\Delta U$.
- Mengapa pompa sepeda menjadi panas: udara dikompresi, sehingga kerja dilakukan pada udara, $W > 0$; kompresi berlangsung cepat, sehingga tidak ada energi termal yang sempat keluar, $q \approx 0$; akibatnya $\Delta U = W > 0$, suhu naik dan pompa memanas.
- Air menguap di hari panas: energi termal ditransfer ke air, $q > 0$; uap menempati volume jauh lebih besar, sehingga sistem melakukan usaha pada atmosfer, $W < 0$; $q$ melebihi usaha yang dilakukan, sehingga $\Delta U$ tetap meningkat, sebagai energi potensial, karena molekul-molekul telah terpisah.
Urutkan penjelasan hukum pertama mengapa pompa sepeda menjadi panas.
Nyatakan q beserta tandanya, nyatakan W beserta tandanya, gabungkan, lalu jelaskan maknanya. Itu adalah bentuk tiga poin untuk setiap penjelasan hukum pertama.
⟦⟧ Nilai yang sering terlewat
- $W$ dalam silabus ini adalah usaha yang dilakukan pada gas. Ekspansi membuatnya negatif.
- Pernyataan hukum bernilai dua poin harus mendefinisikan setiap simbol dengan arah: pemanasan ke sistem, usaha pada sistem.
- Pada volume konstan $W = 0$, jadi seluruh panas menjadi energi dalam. Pada tekanan konstan sebagian darinya keluar sebagai usaha.
- $p\Delta V$ penting untuk gas. Untuk padat yang dipanaskan, usaha yang dilakukan melawan atmosfer adalah satu juta dari pemanasan, jadi $\Delta U \approx q$.
Anda telah memahaminya
- $W = p\Delta V$ pada tekanan konstan, luas di bawah garis $p$-$V$; ekspansi melakukan usaha pada lingkungan
- konvensi tanda: $W$ adalah usaha yang dilakukan pada gas, positif saat ditekan dan negatif saat mengembang
- hukum pertama $\Delta U = q + W$ adalah kekekalan energi, dengan $q$ pemanasan ke sistem dan $W$ kerja pada sistem, serta setiap simbol didefinisikan beserta arahnya
- isotermal $\Delta U = 0$ sehingga $q = -W$; volume tetap $W = 0$ sehingga $q = \Delta U$; adiabatik $q = 0$ sehingga $\Delta U = W$