Konsep Suhu Hukum Termodinamika, Slides of Geophysics

Download Konsep Suhu Hukum Termodinamika and more Slides Geophysics in PDF only on Docsity!

Konsep Suhu dan Teori Kinetik Gas

Hukum I Termodinamika

Hukum II Termodinamika

Pertemuan ke-11, 12, dan 13

1. KONSEP TEMPERATUR

Temperatur adalah derajat panas suatu benda. Dua benda dikatakan

berada dalam keseimbangan termal apabila temperaturnya sama.

Kalor (heat) adalah energi yang mengalir dari benda yang bertemperatur

tinggi ke benda yang bertemperatur rendah.

Menurut hukum ke Nol Termodinamika :

Jika benda A berada dalam keseimbangan termal dengan benda B,

sedang B setimbang termal dengan benda C, maka ketiga benda dalam

keseimbangan termal satu terhadap lainnya.

• (^) Beberapa Skala Temperatur Titik beku air Titik didih air Celcius Fahrenheit Kelvin Rankin 0 100 32 212 273 373 492 672

Konversi Skala Temperatur

• (^) Skala temperatur merupakan skala linier, sehingga hubungan antara penujukan suhu benda menurut masing-masing Termometer merupakan hubungan linier.
• (^) Satuan suhu menurut sistem satuan internasional adalah kelvin (K).
• T 2 = a T 1 + b Berdasarkan data titik beku dan titik didih air, dapat diperoleh nilai a dan b.
• (^) Sebagai suatu contoh : K = C + 273 F = 1,8 C + 32 RK = 1,8 C + 492

2. KONSEP PEMUAIAN

2.1 Muai Panjang Ukuran suatu benda akan beubah bila suhunya dinaikkan. Kebanyakan benda berekspansi jika dipanaskan dan menyusut bila didinginkan. Jika Lo adalah panjang benda mula-mula pada suhu To, berekspansi secara linier pada waktu T dan panjang L. Maka pertambahan panjangnya L akan sebanding dengan panjang mula-mula Lo, yaitu L =  Lo T , atau : L = Lo (1 +  T )   = koefisien muai panjang dengan satuan K -1. Misalnya jika harga  tembaga 17 x 10^6 /C^0 artinya batang tembaga pada 0oC panjangnya 1 cm, kalau dipanaskan sampai 1oC akan bertambah panjangnya 0,000017 cm. Pada tingkat mikroskopik, ekspansi termal pada zat padat ada penambahan jarak pemisahan rata- rata di antara atom-atom di dalam zat. Untuk bahan isotropik, perubahan panjang untuk sebuah perubahan temperatur adalah sama untuk semua garis di dalam zat. To L  L  T Lo

2.2. Muai Luas Jika suhu suatu bidang bertambah T, maka luas bidang tersebut akan bertambah sebedar A, A =  Ao T dimana  : koefisien muai luas dengan satuab K -1^ , (untuk benda padat isotropik  ≈ 2  ) 2.3. Muai Volume Jika suhu suatu bidang bertambah T, maka volume benda akan bertambah V yang memenuhi hubungan : V =  Vo T dimana  : koefisien muai volume dengan satuan K -1^ , (untuk benda padat isotropik  ≈ 3  )

3. KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR

3.1. Kuantitas Kalor Kalor adalah energi termal yang mengalir dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah. Satuan kalor adalah Joule, kalori dan BTU (British Thermal Unit), dimana 1 Kal = 4,186 Joule Satu kilogram kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1^0 C untuk 1 kilogram air. Kapasitas kalor C adalah banyaknya kalor yang diserap benda untuk menaikkan suhu satu satuan suhu (SI = 1 K) C =  Q/  T C = dQ/dT dimana satuan kapasitas panas (C) adalah kal/oC, Joule/kelvin. Untuk memperoleh suatu harga kapasitas yang khas didefinisikan kapasitas kalor spesifik (kalor jenis) c, yaitu kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda per satuan massa per satuan suhu. c = C/m c =  Q/(m  T) dimana satuan kapasitas panas jenis (c) adalah kal/gram. oC atau J kg-1^ K-1.

Jumlah kalor yang harus diberikan kepada sebuah benda bermassa m dan mempunyai kalorjenis c, untuk menaikan temperaturnya adalah : Tf Q = m  c dT Ti Persamaan ini digunakan dalam prinsip kerja Kalorimeter. Kalorimeter digunakan untuk mengukur jumlah kalor. Ada dua jenis kalorimeter yaitu kalorimeter air dan kalorimeter arus kontinu. Berdasarkan prinsip bahwa kalor yang diberikan sama dengan kalor yang diterima, maka persamaan yang berlaku adalah : mL cL (TL - Tw) = (ma ca + mk ck ) (Tw - Tak) dimana : L = logam tertentu, a = air, k = kalorimeter, w = keadaan akhir

c.Radiasi Radiasi adalah perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik. Pemancaran energi ini tidak memerlukan media material penghantar. Energi ini disebut energi radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tetapi dengan intensitas berbeda. Benda hitam (Black Body) adalah benda yang mampu menyerap hampir seluruh energi radiasi yang menimpanya. Jumlah energi radiasi yang dipancarkan persatuan waktu persatuan luas oleh benda hitam adalah I = e  A T^4 dimana : I : daya yang dipancarkan ke satu satuan luas = dP/dA e : daya pancar permukaan bahan (emisivitas); 0<e<  (^)  : Konstanta radiasi Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8^ Watt/ m^2 .K^4 ) T : temperatur (Kelvin)

4. GAS IDEAL DAN TEORI KINETIK

4.1 Hukum-Hukum Gas Hasil eksperimen Boyle menunjukan jika gas temperaturnya dibuat tetap maka perubahan volume sistem akan diikuti dengan perubahan tekanan. Sehingga hasil kali volume dan tekanannya tetap. V  1 / P PV = konstan, atau P 1 V 1 = P 2 V 2 (Hukum Boyle) Persamaan ini tepat untuk gas ideal yaitu gas yang energi ikat antar molekulnya dapat diabaikan. Charles melakukan pendekatan untuk tekanan yang konstan, maka volume gas akan berbanding lurus terhadap temperatur absolut (273,15 oC). Hasil yang didapat adalah V  T Gay-Lussac mengukur koefisien muai ruang pada tekanan konstan. Hasil percobaannya menunjukkan tekana gas berbanding lurus dengan temperatur absolut: P  T

Teori Kinetik Gas

Model Mikroskopis Gas Ideal

1. Gas ideal terdiri dari zarah yang jumlahnya amat besar
2. Zarah-zarah itu tersebar merata dalam sluruh ruang yang tersedia
3. Zarah-zarah itu senantiasa bergerak secara acak ke segala arah
4. Jarak antar zarah jauh lebih besar daripada ukuran zarah
5. Tidak ada gaya interaksi antar zarah kecuali saat terjadi tumbukan
6. Semua tumbukan bersifat elastis sempurna
7. Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku.

Secara mikroskopik tekanan gas dicari dengan teori kinetik, dimisalkan sebuah kotak berisi N partikel. A l z x y       Seandainya partikel tidak saling bertumbukan, dan hanya akan bertumbukan pada dinding kotak Perubahan momentum untuk satu tumbukan : (m v ) = mvx - (-mvx) = 2 mvx Selang waktu antara dua kali tumbukan pada dinding sebesar t = 2l/vx Gaya rata-rata untuk beberapa tumbukan : (mv) 2 mvx mvx 2 F = ——— = ——— = —— t 2l/vx l

Teori Ekipartisi Energi

• (^) Energi Kinetik rata-rata setiap partikel gas ideal per derajat kebebasasn adalah : Ek = ½ kT dengan k merupakan konstanta Boltzmann : k = 1,38. 10-23^ J/K
• (^) Gas ideal monoatomik memiliki 3 derajat kebebasan, yaitu kebebasan translasi, sehingga Ek = 3 x ½ kT. Dengan demikian PV = NkT
• (^) Gas ideal diatomik Pada suhu randah derajat kebebasannya 3 (translasi) sehingga : Ek = 3 x ½ kT. Pada suhu sedang, derajat kebebasannya 5 [3 translasi, 2 rotasi] sehingga : Ek = 5 x ½ kT. Pada suhu tinggi, derajat kebebasannya 7 [3 translasi, 2 rotasi, 2 vibrasi] sehingga : Ek = 7 x ½ kT.

Persamaan Umum Gas Ideal

• (^) Untuk Gas ideal monoatomik maupun diatomik dengan fsuhu rendah berlaku : P V = N k T atau P V = n R T Dengan : n = N/NA menyatakan jumlah mol gas. NA = bilangan Avogadro = 6,023 x 10^23 partikel/mol k = konstanta Boltzmann = 1,38. 10-23^ J/K R = k NA = 8,413 J/K = tetapan Umum Gas Ideal