Fisika Statistik Jumlah SKS : 3 Oleh :
Rahmawati M, S.Si., M.Si. Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Mulawarman
Pertemuan 1 Pendahuluan (Termodninamika)
PENDAHULUAN Silabus
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Pendahuluan (Pengantar Termodinamika) Statistik Maxwell-Boltzman Ruang Fasa Menentukan Parameter Statistik Statistik Bose – Einstein Statistik Fermi - Dirac
PENDAHULUAN TERMODINAMIKA • Thermodynamics membicarakan sistem keseimbangan (equilibrium), bisa digunakan untuk menaksir besarnya energi yang diperlukan untuk mengubah suatu sistem keseimbangan, tetapi tidak dapat dipakai untuk menaksir seberapa cepat (laju) perubahan itu terjadi karena selama proses sistem tidak berada dalam keseimbangan. • Heat Transfer tidak hanya menerangkan bagaimana energi itu dihantarkan, tetapi juga menaksir laju penghantaran energi. Inilah yang membedakan Heat Transfer dengan thermodinamika.
PENDAHULUAN TERMODINAMIKA APLIKASI
• • • • • • •
Tubuh manusia Meniup kopi panas Perkakas elektronik (sirip, heat sink) Refrigerator (AC, Kulkas) Mobil (siklus engine, sirip, radiator) Pembangkit listrik (turbin, boiler) Industri (penyulingan, pendinginan, pengeringan, dll).
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1
(2)
(1)
Tinjaulah suatu tabung yang berisi gas dengan penyungkup yang dapat bergerak bebas mulamula berada pada kedudukan (1). Setelah sistem dipanasi maka terjadi pemindahan kalor ke dalam tabung sehingga kedudukan penyungkup berpindah ke (2) sebagai akibat ekspansi gas. Andaikan dalam proses itu tekanan tidak berubah yang besarnya P. Misalkan volume dan suhu gas pada kedudukan (1) masing-masing sebagai V1 dan T1 dan pada kedudukan (2) sebagai V2 dan T2.
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1
• Kemudian dengan mengingat bahwa apabila tidak ada tenaga yang hilang, maka menurut hukum kekekalan tenaga: ∆Q = E(T2) – E(T1) + P(V2 – V1) • Rumus tersebut dapat ditulis dalam bentuk diferensial sebagai dQ = dE + P dV = dE + dW Rumus ini mengungkapkan apa yang dinamakan “Hukum Termodinamika I”.
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1
Terapan hukum termodinamika I ini untuk proses-proses khusus. 1. Proses Isobar (P = tetap) P
P
V1
V2
V
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1 Gambar Proses Isobar Dalam hal ini proses isobar adalah proses ekspansi gas dengan P (tekanan) tetap. Pada proses ini menurut diagram, kerja yang dilakukan oleh luasan yang diarsir yang diberikan oleh: ∆W = P (V2 – V1) Kalau dalam proses ini berlangsung secara infinitisimal, maka untuk gas yang sedang berekspansi secara isobar itu kita dapatkan dQ = CP dT, dE = CV dT dan dW = p dV = R dT, sehingga diperoleh sangkutan: CP = CV + R dimana CP = kalor jenis gas pada tekanan tetap, CV = kalor jenis gas pada volume tetap, dan R = tetapan universal gas
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1 Kemudian dengan menggunakan hasil analisis menurut teori kinetika gas, maka kita akan dapatkan untuk • Molekul monoatomik CP = 3R/2 + R = 5R/2 sehingga tetapan Laplace γ = CP/CV = 5/3 • Molekul diatomik Pada suhu nisbi rendah CP = 5R/2 + R = 7R/2, sehingga γ = CP/CV = 7/5 Pada suhu nisbi tinggi CP = 7R/2 + R = 9R/2, sehingga γ = CP/CV = 9/7 Secara eksperimental harga-harga di atas hampir mendekati dengan hasil yang sebenarnya dari eksperimen. Hal mana memperkuat teori kinetika gas.
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1
Proses Isotermal (T = tetap) Dengan mengintegralkan kedua belah ruas sangkutan tersebut kita akan dapatkan
V2 dV dW RT RT ln = = Wis (kerja isotermal) = ∫ ∫V V V1 1 V2
P1
(1)
P2
Sebaliknya bila kita berpindah dari V2 ke V1 maka proses itu melukiskan kompresi sehingga
(2)
V1
V2
V1 W = RT ln V2 V
V2 = − RT ln V1
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1 Proses Isokhorik (V = tetap)
P2
(2)
P1
(1)
V
V
Proses isokhorik adalah proses dengan V (volume) gas tidak berubah, yang berarti dV = 0. Ini berakibat dW = 0. Dengan demikian untuk proses dengan V tetap maka seluruh kalor yang masuk ke dalam sistem dipakai untuk menaikkan tenaga dalam sistem yang ditandai dengan naiknya suhu sistem yang kita tinjau.
PENDAHULUAN Hukum Termodinamika 1 Proses Adiabatik (Q = tetap) menurut hukum termodinamika I dE = - dW = - P dV = - RT dV/V sedang dE = CV dT, sehingga diperoleh sangkutan dT RdV =− T CV V Berikutnya dengan mengintegralkan kedua belah ruas sangkutan di atas meliputi batas-batasnya, yaitu dari keadaan (1) ke keadaan (2), maka akan diperoleh T2
dT R = − ∫T CV T1
T2 R V2 dV ∫V V yang hasilnya ln T1 = − CV ln V1 1
V2
atau
T R V V ln 2 = ln 1 = ln 1 T1 CV V2 V2
R CV
PENDAHULUAN TERMODINAMIKA Kemudian dengan mengganti R = CP – CV dan mengingat C P = γ CV , maka akhirnya diperoleh T2 T1
V1 = V2
γ− −1 1
TV γ −1 = tetap
, atau
kurva isotermal (1) kurva adiabatik
P1
(2)
P2 V1
V2
T1 T2 V
PENDAHULUAN Entropy Untuk lebih memahami proses-proses termodinamika, maka oleh Carnot dan Clausius dipostulatkan tentang adanya besaran “entropi”, yang mengungkapkan keadaan suatu sistem termodinamis. Dalam hubungan ini besaran entropi S didefinisikan melalui sangkutan dS =
dQ T
PENDAHULUAN Entropy
Mekanika statistik entropi itu didefinisikan sebagai S = k ln Ω(E,T) Langkah selanjutnya marilah kita menganalisis lebih lanjut mengenai sifat-sifat termodinamis yang dimiliki oleh entropi S. Untuk keperluan ini tinjaulah suatu proses dimana kita beralih dari suatu keadaan isotermal ke keadaan isotermal lain lewat suatu keadaan adiabatik. Kurva proses ini disajikan oleh Gambar 13.6, dimana kita akan beralih dari A ke B
PENDAHULUAN Entropy
garis adiabatik
P A
B’ B’’
A’ A’’ C
garis isotermal
Pada gambar tampak bahwa banyak cara yang dapat ditempuh akan tetapi selisih entropi (SB – SA) tidak tergantung pada macam lintasan yang ditempuh tersebut, melainkan ditentukan oleh B
(S B − S A ) = ∫ dQ A
T
PENDAHULUAN Entropy Berikutnya untuk mengetahui lebih lanjut sifat mengenai entropi suatu sistem maka kita andaikan S = 0 pada T = 0. Selanjutnya menurut hukum termodinamika I
dQ dT dV dS = = CV + P T T T Selanjutnya kedua belah ruas persamaan tersebut kita integralkan maka akan diperoleh:
dQ dT dV S=∫ = CV ∫ + R∫ = CV ln T + R ln V + tetapan T T V
Sekian dan Terima Kasih
