Hukum I Termodinamika (ΔU = Q − W) — Fisika Kelas 11–12

Setelah ini kamu bisa menerapkan persamaan hukum I termodinamika $\Delta U = Q - W$ untuk menghitung kalor, usaha, atau perubahan energi dalam pada berbagai proses gas.

Pompa sepeda yang dipompa cepat terasa hangat di tangannya, padahal tidak ada api. Kaleng semprot yang dipakai lama menyejuk sampai berembun. Aneh? Tidak — keduanya bisnis energi gas yang sama, hanya arahnya berbeda. Kalor yang masuk, kerja yang dilakukan gas, dan perubahan energi di dalamnya saling berimbang dalam satu rumus. Coba lihat sendiri di bawah.

Geser slider suhu dan volume pada piston, lalu perhatikan tiga pengukur P, V, T yang saling menyesuaikan.

Tiga rekening energi gas

Setiap kali kamu memberi kalor pada gas atau memerasnya, tiga hal terjadi sekaligus, dan semuanya harus berimbang. Kalor $Q$ bisa masuk (positif) atau keluar (negatif). Usaha $W$ adalah kerja yang dilakukan gas — positif saat mengembang, negatif saat dimampatkan. Sisanya diserap sebagai perubahan energi dalam $\Delta U$ , yaitu total energi kinetik semua molekul gas.

$\Delta U = Q - W$

Arti tiap simbol: $\Delta U$ = perubahan energi dalam (joule), $Q$ = kalor yang masuk ke gas (joule), $W$ = usaha yang dilakukan gas pada lingkungannya (joule).

Bayangkan dompet. $Q$ adalah uang masuk (kalor dipasok), $W$ adalah uang yang kamu keluarkan belanja (kerja gas), dan $\Delta U$ adalah perubahan saldo dompet. Kalau kamu menerima 1.000 dan belanja 600, saldo naik 400. Begitu pula gas: $\Delta U = Q - W$ .

Pada alat di bawah, gas mengembang isobarik dari titik awal ke titik akhir. Luas arsiran di bawah garis horizontal = usaha $W = P \cdot \Delta V$ , dan panel tiga rekening energi menunjukkan kalor, usaha, dan $\Delta U$ yang berimbang.

Isokhorik: volume tetap, usaha nol

Pada proses isokhorik volume dipertahankan konstan — gas berada dalam wadah kaku. Karena tidak ada perubahan volume, gas tidak melakukan usaha: $W = 0$ . Maka seluruh kalor yang masuk berubah jadi energi dalam: $\Delta U = Q$ . Inilah sebabnya memanaskan tabung gas tertutup membuat suhunya naik persis sebesar kalor yang dipasok (dibagi kapasitas kalornya).

Pada alat di bawah, kurva isokhorik berupa garis vertikal — tidak ada luas, jadi $W = 0$ dan $\Delta U = Q$ .

Adiabatik: tanpa kalor, usaha = minus ΔU

Pada proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk atau keluar — wadahnya terisolasi sempurna, atau prosesnya berlangsung terlalu cepat untuk pertukaran kalor. Maka $Q = 0$ dan persamaannya menjadi $\Delta U = -W$ . Saat gas mengembang adiabatik ( $W > 0$ ), energinya berkurang ( $\Delta U < 0$ ) sehingga suhunya turun. Inilah sebabnya kaleng semprot terasa dingin: gas mengembang cepat, hampir adiabatik, dan suhunya anjlok.

Bayangkan dompet yang tidak menerima uang dari luar sama sekali ( $Q = 0$ ). Kalau kamu belanja ( $W > 0$ ), satu-satunya sumbernya adalah saldo sendiri, jadi $\Delta U = -W$ — saldo turun. Begitu pula gas adiabatik yang mengembang: ia “belanja” kerja dari energinya sendiri, sehingga mendingin.

Pada alat di bawah, kurva adiabatik membusur lebih curam daripada isotermal karena suhu ikut berubah. Perhatikan bagaimana menggeser titik akhir ke kanan (mengembang) membuat suhu turun — itulah pendinginan adiabatik.

Energi dalam naik linear dengan suhu

Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhunya — bukan tekanan atau volume. Semakin panas gas, semakin cepat molekulnya bergetar, dan total energi kinetiknya naik. Untuk gas monoatomik berlaku $U = \tfrac{3}{2} nRT$ , sehingga kurva $U$ terhadap $T$ berupa garis lurus melalui pusat.

Proses	Yang tetap	$W$	Bentuk $\Delta U = Q - W$
Isokhorik	$V$	$0$	$\Delta U = Q$
Isotermal	$T$	$nRT \ln(V_2/V_1)$	$0 = Q - W$
Adiabatik	$Q$	$-\Delta U$	$\Delta U = -W$

Perhatikan baris isotermal: karena $T$ tetap, $\Delta U = 0$ , dan seluruh kalor yang masuk keluar sebagai usaha. Geser slider suhu pada grafik di bawah dan amati energi dalam yang naik linear — itulah mengapa $\Delta U$ hanya ditentukan oleh perubahan suhu.

Topik hukum I termodinamika masuk elemen kalor-termodinamika TKA Fisika (kerangka TKA 045/H/AN/2025). Jebakan paling sering: (1) keliru tanda usaha — ingat $W$ positif saat gas mengembang, negatif saat dimampatkan; (2) lupa bahwa pada isokhorik $W = 0$ sehingga $\Delta U = Q$ ; (3) menyangka suhu naik pada adiabatik mengembang — padahal sebaliknya. Identifikasi dulu “apa yang tetap”, baru pilih bentuk persamaannya.

Coba dulu di kertas, baru buka.

Soal. Sebanyak 2 mol gas ideal monoatomik menerima kalor 5.000 J sambil mengembang sehingga melakukan usaha 2.000 J. (a) Berapa perubahan energi dalamnya? (b) Jika suhu awalnya 300 K dan kapasitasnya $\tfrac{3}{2} nR$ , berapa suhu akhirnya? ( $R = 8{,}314$ J/mol·K.)

$\Delta U = Q - W = 5.000 - 2.000 = 3.000$ J. Positif, berarti energi dalam gas bertambah.

Untuk gas monoatomik, $\Delta U = \tfrac{3}{2} nR \, \Delta T$ . Maka $\Delta T = \dfrac{2 \, \Delta U}{3 n R}$ .

$\Delta T = \dfrac{2 \times 3.000}{3 \times 2 \times 8{,}314} = \dfrac{6.000}{49{,}884} \approx 120{,}2$ K. Jadi $T_2 = 300 + 120{,}2 \approx 420$ K.

Jebakan: keliru tanda usaha. Yang benar: $W$ positif saat gas mengembang (kerja dilakukan gas pada lingkungan), negatif saat dimampatkan (kerja dilakukan lingkungan pada gas). Saat dimampatkan, $W < 0$ membuat $\Delta U = Q - W$ bertambah walau $Q$ kecil.

Jebakan: menganggap “menerima kalor” selalu berarti “suhu naik”. Yang benar: pada isotermal gas bisa menerima kalor tapi suhu tetap, karena seluruh kalor keluar sebagai usaha. Yang menentukan suhu adalah $\Delta U$ , bukan $Q$ sendirian.

Jebakan: menulis $\Delta U = Q + W$ dengan $W$ sebagai usaha pada gas. Yang benar: gunakan $W$ = usaha oleh gas, lalu $\Delta U = Q - W$ . Bila soal memberi usaha pada gas, balik tandanya dulu sebelum substitusi.

Hukum I termodinamika: $\Delta U = Q - W$ ; tiga rekening energi gas saling berimbang.
$W$ positif saat gas mengembang, negatif saat dimampatkan.
Isokhorik ( $V$ tetap): $W = 0$ sehingga $\Delta U = Q$ .
Adiabatik ( $Q = 0$ ): $\Delta U = -W$ ; mengembang mendingin, dimampatkan memanas.
Isotermal ( $T$ tetap): $\Delta U = 0$ sehingga $Q = W$ .
Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu: $U = \tfrac{3}{2} nRT$ (monoatomik).