Heat and the Second Law of Thermodynamics

Heat and the Second Law of Thermodynamics 1

KU1101 Konsep Pengembangan Ilmu Pengetahuan Bab 04

Great Idea: Kalor (heat) adalah bentuk energi yang mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin

Outline 2

1. Arah (Dalam) Alam 2. Istilah-istilah Terkait Dengan Kalor 3. Transfer Kalor 4. Hukum 2(+) Termodinamika 5. Konsekuensi Hk. 2 Termodinamika

1. Arah (Dalam) Alam

3

Arah (Dalam) Alam 4

 Hk. 1 Termodinamika, hukum kekekalan

energi, tidak melarang peristiwa terjadi dengan arah yang “salah”  Arah yang kita amati dalam alam, bisa ditelusuri ke kelakuan atom dan molekul yang menyusun material  Tendensi menuju ke ketidak-teraturan  Evolusi ke arah keadaan yang paling memungkinkan

Arah (Dalam) Alam 5

Arah (Dalam Alam) 6

 Ilmuwan abad-19 menemukan alasan

mengapa ada tendensi dalam alam dengan mempelajari kalor, gerak atom dan molekul

2. Istilah-istilah Terkait Dengan Kalor 7

Istilah 8

1. Kalor (heat) 2. Temperatur 3. Kapasitas spesifik kalor

Kalor Dan Temperatur 9

 Kalor:  Energi

yang bergerak  Dari yang panas ke yang dingin  Temperatur:  Istilah

yang digunakan untuk membandingkan seberapa cepat gerakan atom

Kalor Dan Temperatur 10

 Skala temperatur

yang umum digunakan:  Fahernheit  Celsius  Kelvin  Nol

Absolut

Konsep Temperatur 11

 Atom-atom suatu benda tidak pernah

berhenti bergerak, pergerakan atom-atom dapat berupa:  Gerak

vibrasi atom-atom di sekitar kedudukan setimbangnya, misalnya pada atom-atom zat padat  Gerak acak dan gerak translasi atom dalam zat cair atau uap (gerak Brown)


 Energi kinetik yang dimiliki atom-atom

tersebut disebut energi termal atau energi internal (simbol U, ∆U adalah perubahan energi internal, ∆U = Uf - Ui).  Hanya pada keadaan sangat istimewa gerak atom-atom tersebut sama sekali tidak terjadi, keadaan itu adalah 0 Kelvin (0 K), yang disebut keadaan atau temperatur absolut


 Dua benda berukuran sama namun

memiliki energi internal berbeda dikatakan memiliki temperatur yang berbeda.  Bila kedua benda tersebut memiliki energi internal yang sama dikatakan memiliki temperatur yang sama.

Konversi Temperatur 14

 Konversi C ke F:  °F=(1.8

× °C) +32

 Konversi F ke C:  °C=(°F-32)/1.8

Kapasitas Spesifik Kalor 15

 Kapasitas spesifik kalor:  Kuantitas

panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 g suatu zat sebesar 1°C

 Air  Memiliki

kalor spesifik tertinggi untuk zat yang umum kita temukan sehari-hari  1 cal/g °C

3. Transfer Kalor

16

Transfer Kalor 17

 Bila dua benda dengan temperatur yang

tidak sama saling bersentuhan (kontak termal), maka sejumlah energi akan mengalir dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah.  Aliran energi ini disebut KALOR (HEAT) (simbol Q = “energy in motion”).

Transfer Kalor 18

 Bila suatu benda menerima sejumlah

KALOR, Q , tanpa mengalami perubahan bentuk (tidak memuai ataupun menyusut), maka berlaku Q = ∆U  Hal ini berarti seluruh energi yang diterima benda digunakan untuk meningkatkan energi internalnya  Bila terjadi peristiwa pemuaian ataupun penyusutan maka Q ≠ ∆U

Konsep SISTEM dan LINGKUNGAN 19

 Suatu benda atau sekumpulan benda yang

menjadi pusat perhatian kita disebut SISTEM.  Segala sesuatu yang berada di luar SISTEM disebut LINGKUNGAN  SISTEM dan LINGKUNGAN membentuk SEMESTA


 Dinding atau pembatas yang

memungkinkan SISTEM berkontak termal dengan LINGKUNGAN disebut dinding DIATERMIK  Dinding atau pembatas yang tidak memungkinkan SISTEM berkontak termal dengan LINGKUNGAN disebut dinding ADIABATIK


 Bila suatu SISTEM berkontak termal dengan

LINGKUNGAN maka dapat terjadi aliran KALOR antar keduanya, Q


 Q akan mengalir dari SISTEM ke

LINGKUNGAN bila temperatur SISTEM lebih tinggi dari temperatur LINGKUNGAN  Q akan mengalir dari LINGKUNGAN ke SISTEM bila temperatur SISTEM lebih rendah dari temperatur LINGKUNGAN


 Bila pada kontak termal tidak terjadi aliran

kalor antar keduanya (Q = 0), maka berarti SISTEM dan LINGKUNGAN memiliki temperatur yang sama  Dikatakan keduanya berada dalam KESETIMBANGAN TERMAL Sebagai analogi ingatlah prinsip bejana berhubungan pada kasus zat cair

Mekanisme Transfer Kalor 24

Konduksi  Perpindahan kalor melalui tumbukan pada skala atom  Konduktivitas termal 2. Konveksi  Transfer molekul dalam skala besar  Sel konveksi 3. Radiasi 1.

Mekanisme Transfer Kalor 25

4. Hukum 2(+) Termodinamika 26

Hukum Termodinamika 27

 Hk. 2 Termodinamika  Hk. 1 Termodinamika  Hk. 0 Termodinamika  Hk. 3 Termodinamika

Hk. 0 Termodinamika 28

 Bila sistem A berada dalam kesetimbangan

termal dengan sistem C, dan sistem B juga berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem C, maka sistem A pasti berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem B


TA = TB walaupun keduanya tidak berkontak termal secara langsung

Hk. 1 Termodinamika (Khusus) 30

Q = ∆U  Bila tidak terjadi perubahan bentuk/ukuran

benda atau sistem karena pemuaian ataupun penyusutan  Bentuk ini adalah suatu kasus khusus, karena pada umumnya selalu terjadi pemuaian ataupun penyusutan sistem

Hk. 1 Termodinamika (Umum) 31

Q = ∆U + W  Bila terjadi perubahan bentuk/ukuran

benda atau sistem karena pemuaian ataupun penyusutan  W dapat bernilai positif ataupun negatif  Pada dasarnya hukum ini adalah bentuk lain dari hukum kekekalan energi

Perjanjian Tanda 32

 Q bernilai positif bila sistem menerima kalor  Q bernilai negatif bila sistem melepaskan kalor  ∆U bernilai positif bila temperatur sistem meningkat  ∆U bernilai negatif bila temperatur sistem menurun  W bernilai positif bila sistem berekspansi (memuai)  W bernilai negatif bila sistem berkontraksi

(menyusut)


 Secara alami Q akan mengalir dari sistem

yang bertemperatur lebih tinggi ke sistem yang bertemperatur lebih rendah  Q tidak akan pernah mengalir dalam arah sebaliknya kecuali bila sejumlah W dilibatkan pada prosesnya

Hk. 2 Termodinamika (Contoh Kasus) 35

 Untuk mencairkan segelas es menjadi segelas air di

daerah tropis, tidak diperlukan usaha luar, cukup mendiamkannya untuk waktu yang cukup lama (proses pencairan berlangsung secara alami)  Sebaliknya untuk mengubah segelas air menjadi es diperlukan sejumlah usaha, misalnya dengan menggunakan lemari pendingin. Sejumlah energi digunakan untuk menjalankan lemari pendingin tersebut (misal: energi listrik dari PLN) Catatan: untuk daerah kutub, maka berlaku kebalikannya


3 pernyataan Hk. 2 Termodinamika: 1. Kalor tidak akan mengalir secara spontan dari sistem yang bertemperatur rendah ke sistem yang bertemperatur lebih tinggi 2. Tidak ada mesin yang dapat mengkonversi seluruh Q menjadi W (efisiensi 100% tidak mungkin tercapai) 3. Setiap sistem yang terisolasi cenderung semakin tidak teratur dengan berjalannya waktu (misal: SEMESTA)

Hk. 2 Termodinamika, Pernyataan 1 37

Kalor tidak akan mengalir secara spontan dari sistem yang bertemperatur rendah ke sistem yang bertemperatur lebih tinggi  Level molekular  Objek

yang bergerak lebih cepat akan ‘berbagi’ energi

 Dibutuhkan Energi  Untuk

energi

mendinginkan objek dibutuhkan


Tidak ada mesin yang dapat mengkonversi seluruh Q menjadi W (efisiensi 100% tidak mungkin tercapai)  Efisiensi  High- to Low-temperature reservoirs  Semua

mesin yang bekerja antara 2 temperatur, mesti membuang sebagian energi dalam bentuk panas ke low-temperature reservoir



Setiap sistem yang terisolasi cenderung semakin tidak teratur dengan berjalannya waktu (misal: SEMESTA)  Sistem teratur  Regular dengan pola yang terprediksi  Sistem tidak teratur  Random  Entropi  Menggambarkan ketidateraturan  Entropi sebuah sistem yang terisolasi akan konstan atau meningkat


a. Untuk

mengembalikan keadaan kanan ke keadaan kiri pasti diperlukan sejumlah usaha W b. Keadaan yang kanan

adalah yang paling memungkinkan

Entropi 42

 Berdasarkan tingkat

ketidak-teraturan, dikatakan sistem di sebelah kanan lebih tidak teratur daripada sistem di sebelah kiri.

Entropi sistem di sebelah kanan lebih besar dari pada entropi sistem di sebelah kiri

Entropi 43

Sistem manakah dari ketiga tampilan ini yang memiliki entropi paling besar?

Entropi 44

 Bila kita membangun

kembali gedung yang telah dirobohkan tersebut sampai tepat menjadi bentuk semula, akankah entropinya kembali ke nilai semula?  Apakah entropi lingkungan akan bertambah, tetap atau berkurang?  Apakah entropi semesta akan bertambah, tetap, atau berkurang?

5. Konsekuensi Hk. 2 Termodinamika 45

Panah Waktu 46

 Empat dimensi 3

tidak memiliki arah kecenderungan  Yang ke-4 memiliki arah kecenderungan  Waktu  Hk.

2 Termodinamika dan waktu

Limitasi Alam Semesta 47

 Konsekuensi Hk. 2 Termodinamika  Sebagian

hal tidak mungkin terjadi  Bahan bakar fosil  Hierarki energi

Terima Kasih

48

Heat and the Second Law of Thermodynamics

Recommend Documents