Proses isotermal – definisi, rumus, contoh

Proses isotermal adalah proses pada suhu konstan. Aliran panas apa pun yang masuk atau keluar dari sistem harus cukup lambat untuk menjaga kesetimbangan termal.

Untuk gas ideal, jika ΔT nol, ΔU = 0

Oleh karena itu, Q = W.

Setiap energi yang memasuki sistem (Q) harus keluar sebagai  usaha (W)

  • P, V dapat berubah tetapi suhunya konstan
  • Silinder harus memiliki dinding penghantar
  • Ini harus terjadi sangat lambat sehingga panas yang dihasilkan selama kompresi diserap oleh lingkungan dan panas yang hilang selama kompresi disuplai oleh lingkungan.

Apa itu Proses isotermal?

Proses isotermal didefinisikan sebagai proses termodinamika, di mana suhu sistem tetap (T = konstan). Perpindahan panas masuk atau keluar dari sistem biasanya harus terjadi pada tingkat yang lambat untuk terus menyesuaikan dengan suhu reservoir melalui pertukaran panas. Dalam masing-masing keadaan ini, kesetimbangan termal dipertahankan.

Untuk gas ideal dan proses politropik, kasus n = 1 berhubungan dengan proses isotermal (suhu konstan). Berbeda dengan proses adiabatik , di mana n = k dan sistem tidak bertukar panas dengan lingkungannya (Q = 0; ∆T≠0), dalam proses isotermal tidak ada perubahan energi internal (karena ∆T=0 ) dan oleh karena itu U = 0 (untuk gas ideal) dan Q ≠ 0. Proses adiabatik belum tentu merupakan proses isotermal, juga bukan proses isotermal yang harus adiabatik.

Dalam rekayasa, perubahan fasa, seperti penguapan atau peleburan, adalah proses isotermal ketika, seperti biasanya, terjadi pada tekanan dan suhu konstan.

Proses Isotermal dan Hukum Pertama

Bentuk klasik dari hukum pertama termodinamika adalah persamaan berikut:

dU = dQ – dW

Dalam persamaan ini dW sama dengan dW = pdV dan dikenal sebagai kerja batas.

Pada proses isotermal dan gas ideal, semua kalor yang ditambahkan ke sistem akan digunakan untuk melakukan usaha:

Proses isotermal (dU = 0):

dU = 0 = Q – W    →     W = Q (untuk gas ideal)

Ekspansi Isotermal – Kompresi Isotermal

Dalam gas ideal, molekul tidak memiliki volume dan tidak berinteraksi. Menurut hukum gas ideal, tekanan bervariasi secara linier dengan suhu dan kuantitas, dan berbanding terbalik dengan volume.

pV = nRT

di mana:

  • p adalah tekanan mutlak gas
  • n adalah jumlah zat
  • T adalah suhu mutlak
  • V adalah volumenya
  • R adalah konstanta gas ideal, atau universal, sama dengan produk konstanta Boltzmann dan konstanta Avogadro,

Dalam persamaan ini, simbol R adalah konstanta yang disebut konstanta gas universal yang memiliki nilai yang sama untuk semua gas—yaitu, R = 8,31 J/mol K.

Proses isotermal dapat dinyatakan dengan hukum gas ideal sebagai:

pV = konstan

atau

p1V1 = p2V2

Pada diagram p-V, proses terjadi sepanjang garis (disebut isoterm) yang memiliki persamaan p = konstan / V.

Hukum Boyle–Mariotte

Hukum Boyle-Mariotte adalah salah satu hukum gas. Pada akhir abad ke-17, Robert William Boyle dan Edme Mariotte secara independen mempelajari hubungan antara volume dan tekanan gas pada suhu konstan. Hasil eksperimen tertentu dengan gas pada tekanan yang relatif rendah membuat Robert Boyle merumuskan hukum yang terkenal. Ini menyatakan bahwa:

Untuk massa gas yang tetap pada suhu konstan, volume berbanding terbalik dengan tekanan.

Itu berarti, misalnya, jika Anda meningkatkan volume 10 kali, tekanan akan berkurang 10 kali. Jika Anda membagi dua kali volume, Anda akan menggandakan tekanan.

Anda dapat menyatakan ini secara matematis sebagai:

pV = konstan

atau

p1V1 = p2V2

Ya, tampaknya identik dengan proses isotermal gas ideal. Faktanya, selama percobaan mereka suhu tetap konstan seperti yang diasumsikan oleh Mariotte. Hasil ini sepenuhnya konsisten dengan hukum gas ideal, yang menentukan, bahwa konstanta sama dengan nRT.

pV = nRT

di mana:

  • p adalah tekanan mutlak gas
  • n adalah jumlah zat
  • T adalah suhu mutlak
  • V adalah volumenya
  • R adalah konstanta gas ideal, atau universal, sama dengan produk konstanta Boltzmann dan konstanta Avogadro,

Dalam persamaan ini, simbol R adalah konstanta yang disebut konstanta gas universal yang memiliki nilai yang sama untuk semua gas—yaitu, R = 8,31 J/mol K.

Contoh Proses Isotermal

Asumsikan ekspansi isotermal helium (i → f) dalam piston tanpa gesekan (sistem tertutup). Ekspansi gas didorong oleh penyerapan energi panas Qadd. Gas berekspansi dari volume awal 0,001 m3 dan secara bersamaan beban luar piston secara perlahan dan terus menerus berkurang dari 1 MPa menjadi 0,5 MPa. Karena helium berperilaku hampir sebagai gas ideal, gunakan hukum gas ideal untuk menghitung volume akhir ruangan dan kemudian hitung kerja yang dilakukan oleh sistem, ketika suhu gas sama dengan 400 K.

Penyelesaian:

Volume akhir gas, Vf, dapat dihitung menggunakan hubungan p, V, T untuk proses isotermal:

piVi = pfVf Vf = piVi / pf = 2 x 0. 001 m3 = 0. 002 m3

Untuk menghitung proses seperti itu, kita perlu mengetahui bagaimana tekanan bervariasi dengan volume untuk proses aktual dimana sistem berubah dari keadaan i ke keadaan f. Karena selama proses ini tekanan internal tidak konstan, kerja p∆V yang dilakukan oleh piston harus dihitung menggunakan integral berikut:

Berdasarkan kesepakatan, nilai positif untuk usaha menunjukkan bahwa usaha dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya. Nilai negatif menunjukkan bahwa usaha dilakukan pada sistem oleh lingkungannya. Usaha pΔV sama dengan luas area di bawah kurva proses yang diplot pada diagram tekanan-volume.

Ekspansi bebas – Ekspansi Joule

Ini adalah proses adiabatik di mana tidak ada perpindahan panas yang terjadi antara sistem dan lingkungannya dan tidak ada usaha yang dilakukan pada atau oleh sistem. Jenis proses adiabatik ini disebut ekspansi bebas. Ini adalah proses ireversibel di mana gas berekspansi ke ruang dievakuasi yang terisolasi. Ini juga disebut ekspansi Joule. Untuk gas ideal, suhunya tidak berubah (ini berarti prosesnya juga isotermal), tetapi gas nyata mengalami perubahan suhu selama pemuaian bebas. Dalam ekspansi bebas Q = W = 0, dan hukum pertama mensyaratkan bahwa:

dEint = 0

Ekspansi bebas tidak dapat diplot pada diagram P-V, karena prosesnya cepat, tidak quasistatic. Keadaan antara bukanlah keadaan setimbang, dan karenanya tekanan tidak didefinisikan dengan jelas.

Proses isotermal – definisi, rumus, contoh
Kembali ke Atas