THERMODINAMIKA GAS Sejumlah tertentu gas tidak mempunyai volume atau rapat yang pasti tetapi mengembang untuk mengisi setiap wadah tertutup yang ditempatinya. Meskipun demikian ada hubungan tertentu antara volume, tekanan, dan temperatur suatu gas, sehingga sejumlah tertentu gas menempati volume yang pasti pada setiap tekanan dan suhu yang diberikan. TEMPERATUR besaran yang mempresentasikan derajat panas suatu zat, yang diukur dengan suatu alat yang disebut termometer. Termometer yang sering dipakai untuk mengukur temperatur adalah : Celcius, Reamur, dan Fahrenheit.
Perbandingan skala temperatur =================================== Celcius Reamur Fahrenheit =================================== 100 80 213 0 0 32 ==================================== TR : TC : ( TF – 32) = 4 : 5 : 9 Temperatur Mutlak : dengan satuan kelvin TK = TC + 273
MACAM TERMOMETER Macam – macam termometer. Termometer alkohol. Karena air raksa membeku pada – 400 C dan mendidih pada 3600, maka termometer air raksa hanya dapat dipakai untuk mengukur suhu-suhu diantara interval tersebut. Untuk suhu-suhu yang lebih rendah dapat dipakai alkohol (Titik beku – 1300 C) dan pentana (Titik beku – 2000 C) sebagai zat cairnya.
Termoelemen. Alat ini bekerja atas dasar timbulnya gaya gerak listrik (g.g.l) dari dua buah sambungan logam bila sambungan tersebut berubah suhunya.
Pirometer Optik. Alat ini dapat dipakai untuk mengukur temperatur yang sangat tinggi.
Termometer maksimum-minimum Six Bellani. Adalah termometer yang dipakai untuk menentukan suhu yang tertinggi atau terendah dalam suatu waktu tertentu. Termostat. Alat ini dipakai untuk mendapatkan suhu yang tetap dalam suatu ruangan.
Termometer diferensial. Dipakai untuk menentukan selisih suhu antara dua tempat yang berdekatan.
JENIS TERMOMETER
6"&9" Adjustable Angle Thermometer
Industrial Bimetal Thermometer
Enclosed-Scale Glass Thermometer
Pocket Bimetal Thermometer
Indoor & Outdoor Thermometer
Pressure Gauge
Digital Thermometer
Vapor Actuated Dial Thermometer
Pemuaian Zat • Temperatur berpengaruh terhadap keadaan zat. Jika suatu zat dipanaskan, maka zat tersebut akan memuai sebagai akibat darai merenggangnya ikatan molekul-molekul tersebut. • MACAM –MACAM MUAI : – MUAI PANJANG – MUAI LUAS – MUAI RUANG
PEMUAIAN PANJANG Bila suatu batang pada suatu suhu tertentu panjangnya Lo, jika suhunya dinaikkan sebesar ∆t, maka batang tersebut akan bertambah panjang sebesar ∆L yang dapat dirumuskan sebagai berikut :
∆L = Lo .α .∆t α = Koefisien muai panjang = koefisien muai linier didefinisikan sebagai : Bilangan yang menunjukkan berapa cm atau meter bertambahnya panjang tiap 1 cm atau 1 m suatu batang jika suhunya dinaikkan 10 C.
Panjang batang pada suhu t1 0C adalah :
Lt = Lo + ∆L → Lt = Lo (1 + α .∆t )
PEMUAIAN LUAS Bila suatu lempengan logam (luas Ao) pada t00, dipanaskan sampai t10, luasnya akan menjadi At, dan pertambahan luas tersebut adalah :
∆A = Ao .β .∆t
β adalah Koefisien muai luas (β = 2 α) Bilangan yang menunjukkan berapa cm2 atau m2 bertambahnya luas tiap 1 cm2 atau m2 suatu benda jika suhunya dinaikkan 1 0C. Luas batang pada suhu t1 0C adalah :
At = Ao + ∆A → At = Ao (1 + β .∆t )
β = 2α
PEMUAIAN VOLUME Bila suatu benda berdimensi tiga (mempunyai volume) mula-mula volumenya Vo pada suhu to, dipanaskan sampai t1 , volumenya akan menjadi Vt, dan pertambahan volumenya adalah :
∆V = Vo .γ .∆t
γ adalah Koefisien muai Volume (γ = 3 α) Bilangan yang menunjukkan berapa cm3 atau m3 bertambahnya volume tiap-tiap 1 cm3 atau 1 m3 suatu benda jika suhunya dinaikkan 1 0C. Volume batang pada suhu t1 0C adalah :
Vt = Vo + ∆V → Vt = Vo (1 + γ .∆t ) ∆t = t1 – t0
ANOMALI AIR Namun tidak semua benda menurut hukum pemuaian ini, misalnya air. Didalam interval 00- 40 C air akan berkurang volumenya bila dipanaskan, tetapi setelah mencapai 40 C volume air akan bertambah (Seperti pada benda-benda lainnya). Hal tersebut diatas disebut ANOMALI AIR. Jadi pada 40 C air mempunyai volume terkecil, dan karena massa benda selalu tetap jika dipanaskan maka pada 40 C tersebut air mempunyai massa jenis terbesar.
PEMUAIAN MASSA JENIS Misalkan : * Vo dan ρo berturut-turut adalah volume dan massa jenis benda sebelum dipanaskan. * Vt dan ρt berturut-turut adalah volume dan massa jenis benda setelah dipanaskan. * m adalah massa banda.
m ρo = Vo
m ρt = Vt
sedang
Vt = Vo (1 + γ .∆t )
ρo ρo ρt = → ρt = Vo (1 + γ .∆t ) (1 + γ .∆t )
KALOR / ENERGI PANAS Kalor dikenal sebagai bentuk energi yaitu energi panas dengan notasi Q Satuan Kalor : Satuan kalor adalah kalori (kal) atau kilo kalori (k kal) 1 kalori/kilo kalori adalah : jumlah kalor yang diterima/dilepaskan oleh 1 gram/1 kg air untuk menaikkan/menurunkan suhunya 10 C. Kesetaraan antara satuan kalor dan satuan energi. Kesetaraan satuan kalor dan energi mekanik ini ditentukan oleh PERCOBAAN JOULE.
1 kalori = 4, 2 joule
1 joule = 0, 24 kalori
Harga perbandingan di atas disebut TARA KALOR MEKANIK.
HARGA AIR / KAPASITAS KALOR Kapasitas kalor suatu zat ialah banyaknya kalor yang diserap/dilepaskan untuk menaikkan/menurunkan suhu 10 C Jika kapasitas kalor/Nilai air = H maka untuk menaikkan/menurunkan suhu suatu zat sebesar ∆t diperlukan kalor sebesar :
Q = H .∆t Q dalam satuan k kal atau kal H dalam satuan k kal / 0C atau kal / 0C ∆ t dalam satuan 0C
KALOR JENIS (c) Kalor jenis suatu zat ialah : banyaknya kalor yang diterima/dilepas untuk menaikkan/menurunkan suhu 1 satuan massa zat sebesar 10 C. Jika kalor jenis suatu zat = c, maka untuk menaikkan/menurunkan suatu zat bermassa m, sebesar ∆t 0C, kalor yang diperlukan/dilepaskan sebesar :
Q = m.c.∆t
Q dalam satuan k kal atau kal m dalam satuan kg atau g c dalam satuan k kal/kg 0C atau kal/g 0C ∆t dalam satuan 0C Dari persamaan di atas dapat ditarik suatu hubungan : H . ∆t = m . c . ∆t
H=m.c
KALOR LATEN Kalor laten suatu zat ialah kalor yang dibutuhkan untuk merubah satu satuan massa zat dari suatu tingkat wujud ke tingkat wujud yang lain pada suhu dan tekanan yang tetap. Jika kalor laten = L, maka untuk merubah suatu zat bermassa m seluruhnya ke tingkat wujud yang lain diperlukan kalor sebesar :
Q = m.L
Q dalam kalori atau k kal m dalam gram atau kg L dalam kal/g atau k kal/kg
•Kalor lebur ialah kalor laten pada perubahan tingkat wujud padat menjadi cair pada titik leburnya. •Kalor beku ialah kalor laten pada perubahan tingkat wujud cair menjadi padat pada titik bekunya. •Kalor didih (kalor uap) ialah kalor laten pada perubahan tingkat wujud cair menjadi tingkat wujud uap pada titik didihnya.
PERUBAHAN WUJUD AIR
100O
Q1 = m.ces .∆t Q2 = m.K l Q2
0O
Q1
Membeku
padat
Menguap
uap
Q4 Mengembun
Q3 cair
Mencair
Q5
Q3 = m.cair .∆t Q4 = m.K u Q5 = m.cuap .∆t
Padat berubah jadi gas disebut menyublim sebaliknya menghablur
HUKUM KEKEKALAN ENERGI PANAS (AZAZ BLACK) Jika 2 macam zat pada tekanan yang sama, suhunya berbeda jika dicampur maka : zat yang bersuhu tinggi akan melepaskan kalor, sedangkan zat yang bersuhu lebih rendah akan menyerap kalor.
Kalor yang diserap = kalor yang dilepaskan Pernyataan di atas disebut “Asas Black” yang biasanya digunakan dalam kalorimeter, yaitu alat pengukur kalor jenis zat.
Kerja Pada Sistem Termodinamik dW = P dV; P = F/A; Untuk seluruh proses perubahan keadaan gas, kerja total oleh gas dinyatakan dengan:
W = ∫ P dV Pada umumnya tekanan gas (P) tidak konstan, artinya besarnya tergantung pada besarnya volume gas (V) dan temperatur gas (T). Untuk gas ideal, hubungan antara P,V, dan T dinyatakan dengan : P V = nRT Dimana : n: jumlah mol gas.
R = tetapan gas universal = 8,31 J/mol.K T = temperatur (K) Gas-gas dapat megalami perubahan keadaan melalui beberapa proses, yaitu : 1. Ditinjau dari jalannya proses perubahan keadaan; dapat dibedakan menjadi dua yaitu : a. Proses Kuasistatik : proses perubahan keadaan yang berlangsung secara perlahan-lahan, sehingga pada setiap saat , selama berlangsungnya proses, gas selalau dalam keadaan setimbang. b. Proses Spontan : perubahan yang berlangsung cepat, sehingga pada setiap saat, selama berlangsungnya proses, gas dalam keadaan tidak setimbang. Keadaan setimbang gas hanya dijumpai pada keadaan awal dan akhir saja.
2. Ditinjau dari sifat prose perubahan keadaan, ada dua macam proses yaitu: a. Proses terbalikan (reversible) : proses perubahan keadaan yang dapat berlangsung bolak-balik, artinya proses ini dapat mengubah keadaan gas dari keadaan pertama ke kedaan kedua dan dapat mengembalikan keadaan gas dari keadaan kedua ke keadaan pertama dengan proses yang serupa. Proses terbalikan selalu kuasistatik tetapi proses kuasistatik belum tentu terbalikan. b. Proses tak terbalikan (irreversible) : proses perubahan keadaan yang tak dapat berlangsung bolak-balik, artinya proses perubahan keadaan gas dari keadaan pertama ke keadaan kedua, kemudian kembali ke keadaan pertama, tidak dapat dilakukan dengan proses yang serupa. Proses tak terbalikan dapat berupa proses kuasistatik atau proses spontan.
• Perubahan keadaan gas ditandai dengan perubahan besaran-besaran makroskopisnya (p,V, dan T). • Proses Isotermik (Temperatur Konstan) berlaku persamaan : P1 V 1 = P2 V 2 Hukum Boyle P = (nRT)/V kerja pada proses ini dapat dinyatakan dengan :
P P1
W
12
=
V2
∫
P dV
= nRT
V1
V1 V2
W
V
12
V2 = nRT . ln V1
∫
V1
atau
P2
V2
dV V
• Proses Isobarik (P konstan) : V1 / T1 = V2 / T2 Hukum Charles
P W
12
=
V2
∫
P dV
= P
V1
V1
V2 V
atau W 12 = P ( V
V2
∫ dV
V1
2
− V1 )
P P2
Proses Isokhorik ( isovolume) P1 / T1 = P2 / T2 Hukum Gay Lussac W
P1 V
12
=
2
∫
P dV
= 0
• Hukum Boyle – Gay Lussac Merupakan gabungan antara Hukum Boyle denagn Hukum Gay Lussac, dapat dinyatakan dengan :
P1 V 1 P2 V = T1 T2
2
Persamaan ini merupakan bentuk umum dari persamaan gas ideal.
HK. THERMODINAMIKA I Jumlah kalor yang diserap oleh sitem sama dengan besarnya kerja yang dilakukan oleh sistem ditambah besarnya perubahan energi internal siatem.
P ∆V
W (+)
∆V
W (-)
P Q(-) sistem
Q(+)
sistem
Secara matematis HK Thermodinamika I dinyatakan dengan persamaan : Q= W + ∆U dimana : Q = Kalor yang diserap W = Kerja oleh sistem ∆U = Perubahan energi internal ∆U = m Cv ∆T Dimana : Cv = panas jenis gas yang diukur pada volume konstan (J/kgoC ) Satuan kalor adalah joule atau bisa juga dengan satuan kalori; 1 kal = 10-3 kkla = 4,186 J.
HK. Thermodinamika II • Clausius Panas mengalir secara alamiah dari tempat yang panas ke tempat yang dingin, dan secara spontan tidak akan terjadi aliran panas dari tempat yang dingin ke tempat yang panas secara kuantitatif HK. Thermodhinamika II dinyatakan dengan besaran yang mempresentasikan sifat keacakan (ketidak teraturan ) sistem. Bearan ini dikenal dengan Intropi (S). hubungan antara perubahan entropi dengan kalor dan temperatur dinyatakan dalam persamaan : ∆S =
Perubahan entropi selalu positif.
Q T
Dalam setiap perubahan keadaan, entropi total , yaitu entropi sistem ditambah entropi lingkungan, selalu bertambah besar.
T1
T2 -Q1 +Q2
T1 > T2, sehingga kalor mengalir dari T1 ke T2 ∆S1 ∆S2
= − Q1 T1 = + Q2 T2
, ∆S
= ∆S1
+ ∆S2
= − Q1 T1
+
Q2 T2
Proses Adiabatik ( Q = 0) ∆Ssistem = Q/T = 0 Jika terjadi proses keterbalikan maka berlaku persamaan keadaan : PVγ = konstan γ =C /C konstanta Laplace p V
• Kelvin – Planck Tidaklah mungkin mesin kalor yang dapat mengubah kalor seluruhnya menjadi kerja mesin carnot adalah mesin (ideal) dengan efisiensi terbesar jika dibandingkan dengan mesin kalor lainnya seperti mesin otto, mesin stirling, mesin diesel dan sebgainya. Tinjauan sebuah mesin carnot :
P
a
P1
Q1
b
P2 P4 P3
W
d
c
Q2 V1
V4
V V2
V3
Proses : a ------ b : proses isotermik b ------- c : proses Adiabtik c ------- d : proses isotermik d ------- a : proses adiabatik Besarnya kalor yang dipindahkan : W = Q1 - Q2
• Efisiensi mesin carnot dapat dihitung dengan cara : Efisieinsi (η) = Kerja yang dilakukan (W) / Kalor yang diberikan (Q1) Q1 − Q 2 W = Q1 Q1 Q2 T2 , atau η = 1 − η =1− Q1 T1
η=
Q1
Q1 = Kalor masuk
T1
Q2 = Kalor yang dilepaskan W
W = Usaha yang dilakukan T1 = Reservoir suhu tinggi
T2
T2 = Reservoir suhu rendah Q2
Siklus Otto P c Q1
a
b dan c
d : proses adiabatik
b
c dan d
a : proses isokhorik
d
Q1 : kalor masuk ke mesin
b
V1
Q2 V
a V2
Siklus Diesel P Q1 c b
a
d V2 V3
Q2 : kalor yang dilepaskan oleh mesin
a V V1
Q2
b dan c
d : proses adiabatik
b
c : proses isobarik
d
a : proses isokhorik
Q1 : kalor masuk ke mesin Q2 : kalor yang dilepaskan oleh mesin
Mesin Pendingin Apabila sistem mengalami siklus dalam arah kebalikannya, gas mengambil kalor Q2 dan melepaskan kalor Q1, pada gas dilakukan usaha W, maka siklus dalam arah kebalikan dari tiap-tiap sistem disebut mesin pendingin (refrigerator).
Q1
Q1 = Kalor yang dikeluarkan
T1
Q2 = Kalor yang diserap W T2
W = Usaha yang dilakukan dari luar T1 = Reservoir suhu tinggi
Q2
T2 = Reservoir suhu rendah
Untuk mesin pendingin dikenal koefisien kinerja yang didefinisikan sebagai :
Q2 Q2 T2 κ = = = W Q1 − Q 2 T1 − T 2 Κ= Koefisien kinerja mesin.
