Prinsip Kerja dan Kalor, Rumus dan Contohnya

 Kita telah melihat bahwa kerja dapat didefinisikan sebagai gaya F dikalikan dengan jarak d:

W = F.d

Dalam termodinamika, kerja mempunyai arti yang lebih luas yang mencakup kerja mekanis (misalnya, mobil derek menarik mobil mogok), kerja listrik (baterai menyediakan elektron untuk bola lampu atau senter), dan seterusnya. Dalam subab ini kita akan memusatkan perhatian pada kerja mekanis.

Contoh yang berguna tentang kerja mekanis adalah pemuaian gas (Gambar 6.5) anggaplah suatu gas berada dalam tabung yang tertutup piston yang dapat bergerak tetapi tidak mempunyai berat dan gesekan, pada suhu, tekanan dan volume tertentu. Ketika memuai, gas tersebut mendorong piston keatas melawan tekanan atmosfer luar P. kerja yang dilakukan oleh: 

W = -P∆V

Dengan ∆V, perubahan volume, diberikan oleh V_f - V_i. Tanda minus pada persamaan di atas dibuat agar mengikuti kesepakatan untuk w. Untuk pemuaian gas, ∆V > 0, sehingga -P∆V bernilai negatif. Untuk pemampatan gas (kerja dilakukan pada sistem), ∆V < 0, dan -P∆V bernilai positif.

Figure 6.5 The expansion of a gas against a constant external pressure (such as atmospheric pressure). The gas is in cylinder fitted with a weightless movable piston. The work done is given by -P∆V. Because ∆V >0, the work done is a negative quantity.

        Persamaan tersebut diturunkan dari fakta bahwa tekanan x volume dapat dinyatakan dengan (gaya/luas) x volume; yaitu,

(P) x (VxF/d²) x (d³) = Fd = w

Dengan F adalah gaya penahan dan d memiliki dimensi panjang, d² memiliki dimensi luas, dan d³ memiliki dimensi volume. Jadi hasil kali tekanan dan volume sama dengan gaya kali jarak, atau kerja. Anda dapat melihat bahwa untuk kenaikan volume tertentu (yaitu, untuk nilai ∆V tertentu), kerja yang dilakukan bergantung pada besarnya tekanan luar P. Jika P nol (yaitu, jika gas dimuaikan terhadap ruang hampa), kerja yang dilakukan juga harus nol. Jika P bernilai positif, maka kerja yang dilakukan adalah -P∆V.

          Komponen lain energi dalam adalah q, kalor. Seperti kerja, kalor bukanlah fungsi keadaan. Anggaplah bahwa perubahan dapat terjadi pada suatu sistem dengan dua cara. Pada kasus pertama, kerja yang dilakukan adalah nol, sehingga

∆E  =  q₁ + w₁

       =  q₁

Pada kasus kedua, kerja dilakukan dan kalor dipindahkan, sehingga

                                                            ∆E  =  q₂ + w₂

Karena ∆E sama untuk kedua kasus (perhatikan bahwa keadaan awal dan kadaan akhir adalah sama untuk kedua kasus), maka q₁ ≠ q₂. Contoh sederhana ini menunjukan bahwa kalor yang berkaitan dengan suatu proses, seperti kerja, bergantung pada bagaimana proses itu berjalan; yaitu, kita tidak boleh menulis ∆q = q_f - q_i. Penting untuk diperhatikan bahwa walaupun kerja maupun kalor bukan merupakan fungsi keadaan, jumlahnya (q+w) sama dengan ∆E dan, seperti kita lihat sebelumnya, E adalah fungsi keadaan.

         Secara ringkas, kalor dan kerja bukan merupakan fungsi keadaan karena keduanya bukan merupakan sifat-sifat sistem. Kalor dan kerja muncul hanya selama suatu proses berlangsung (selama perubahan). Jadi nilainya bergantung pada lintasan proses dan dapat bervariasi.