THERMODYNAMICS

Jumat, 01 Mei 2015

ILMU TERMODINAMIKA : GAS IDEAL

1. Pengertian gas ideal

Seperti yang telah diketahui fase zat ada tiga yaitu padat, cair dan gas. Udara merupakan contoh dari fase gas. Gas ideal merupakan kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang jaraknya cukup jauh dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Partikel-partikel itu selalu bergerak secara acak ke segala arah. Pada saat partikel-partikel gas ideal itu bertumbukan antar partikel atau dengan dinding akan terjadi tumbukan lenting sempurna sehingga tidak terjadi kehilangan energi. Apa yang dinamakan gas monoatomik? mono berarti satu atomik berarti atom. Jadi gas monoatomik berarti gas yang partikel-partikelnya berupa atom tunggal. Contoh gas monoatomik adalah gas helium, neon, dan argon. Untuk kelas XI SMA ini masih dibatasi gas monoatomik. Sebenarnya ada gas yang lain, seperti gas diatomik; oksigen (O2), Nitrogen (N2), dan ada lagi gas triatomik; Karbondioksida (CO2) dan uap air (H2O). Untuk mengetahui sifat-sifat lain tentang gas monoatomik dapat kalian cermati penjelasan berikut.

2. Persamaan umum gas

Pernah melihat atau mendengar alat masak Preswere Cooler (Presto)? Alat tersebut digunakan untuk memasak dengan memanfaatkan tekanan gas. Tekanan gas dapat diatur dengan mengatur suhu dan volumenya. Dari penjelasan ini dapat diketahui bahwa gas memiliki besaran-besaran diantaranya adalah tekanan P, volume V dan suhu T. Hubungan ketiga besaran inilah yang dipelajari dalam bagian ini.

a. Hukum Boyle – Guy Lussac

Keadaan tekanan, volume dan suhu gas dimulai penjelasannya oleh Boyle. Boyle mengalami keadaan gas yang suhunya tetap. Pada saat gas ditekan ternyata volumenya mengecil dan saat volumenya diperbesar tekanannya kecil. Keadaan di atas menjelaskan bahwa pada suhu yang tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.

Persamaan di atas yang kemudian dikenal sebagai hukum Boyle.

Keadaan berikutnya dijelaskan oleh Guy Lussac. Menurut Guy Lussac, pada gas yang tekanannya tetap maka volumenya akan sebanding dengan suhunya. Jika ada gas dalam ruang tertutup dengan P = tetap dipanaskan maka volumenya akan berubah.

persamaan yang dapat menggambarkan keadaan perubahan P, V dan T (tidak ada yang tetap). Persamaan gabungan itulah yang dinamakan hukum Boyle-Guy Lussac. Persamaannya dapat kalian lihat di bawah.

b. Persamaan umum gas
Kalian tentu sering melihat balon yang ditiup. Meniup balon berarti menambah jumlah partikel. Pada saat itu volume benda akan bertambah. Berarti jumlah partikel sebanding dengan volumenya.

Contoh kedua adalah saat memompa ban dalam roda sepeda atau mobil. Saat dipompa berarti jumlah partikelnya bertambah. Pertambahan itu dapat memperbesar tekanan sedangkan volume dan suhu tetap. Dari penjelasan itu terlihat bahwa $\frac{PV}{T}$ sebanding dengan jumlah partikelnya. Pembandingnya dinamakan konstanta Stefan-Boltzmann, dan disimbolkan k.

Dengan :

P = tekanan gas (N/m2 atau Pa)

V = volume gas (m3)

T = suhu gas (K)

N = jumlah partikel

k = 1,38 . 10-23 J/K

3. Azas Ekuipartisi

Setiap gas mengandung partikel-partikel yang selalu bergerak. Mengapa selalu bergerak? Partikel-partikel itu dapat bergerak karena memiliki energi. Energinya dinamakan energi kinetik.

“Jika pada gas berlaku hukum Newton maka semua derajat kebebasan gerak partikel akan menyumbang energi kinetik sebesar 1/2 kT.”

$\overline{Ek}=f(1/2KT)$

Dengan :

$\overline{Ek}$ =energi kinetik rata-rata partikel (joule)

T = suhu gas (K)

f = derajat kebebasan

k = ketetapan Baltzum.

Aturan di atas itulah yang dikenal sebagai Azas ekuipartisi atau azas bagi rata.

a. Energi gaya monoatomik

Partikel-partikel gas monoatomik memiliki tiga derajat kebebasan. Berarti energi kinetik rata-rata partikelnya memenuhi persamaan berikut.

$\overline{Ek}=\frac{3}{2}KT$

Dalam sejumlah gas dapat mengandung banyak partikel (N partikel). Setiap partikel tersebut memiliki energi, jumlah semua energi kinetik partikel-partikel itu dinamakan energi dalam gas dan disimbulkan U sesuai persamaan berikut.

$U=\frac{3}{2}nRT$

b. Kecepatan efektif

adalah nilai rata-rata kecepatan partikel kuadrat. Jika diakarkan akan mendapatkan nilai yang dinamakan road mean square velsiti (vrms). Nilai akar rata-rata kuadrat dalam bahasa Indonesia dikenal sebagai nilai efektif. Jadi

$v_{ef}=\sqrt{\frac{3Kt}{m}}$

Dengan :

vef = kecepatan efektif partikel

T = suhu gas (K)

m = massa partikel (kg)

k = 1,38 . 10-23 J/K

ILMU TERMODINAMIKA : KAPASITAS KALOR

Kapasitas kalor atau kapasitas panas (biasanya dilambangkan dengan kapital C, sering dengan subskripsi) adalahbesaran terukur yang menggambarkan banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat (benda) sebesar jumlah tertentu (misalnya 1⁰C).

Pengukuran kapasitas panas

Kapasitas panas yang ada pada sebagian besar sistem tidaklah konstan, namun bergantung pada variasi kondisi dari sistem termodinamika. Kapasitas panas bergantung pada temperatur itu sendiri, dan juga tekanan dan volume dari sistem.

Berbagai cara untuk mengukur kapasitas panas dapat dilakukan, yang secara umum dilakukan pada kondisi tekanan konstan atau volume konstan. Sehingga simbol kapasitas jenisnya disesuaikan, menjadi C_p untuk kapasitas jenis pada tekanan konstan, dan C_V untuk kapasitas jenis pada volume konstan. Gas dan cairan umumnya diukur pada volume konstan. Pengukuran pada tekanan konstan akan menghasilkan nilai yang lebih besar karena nilai tekanan konstan juga mencakup energi panas yang digunakan untuk melakukan kerja untuk mengembangkan volume zat ketika temperatur ditingkatkan.

Panas jenis spesifik dari suatu zat merupakan molekul yang tidak pada kondisi konstan melainkan bergantung pada temperaturnya. Temperatur pada lingkungan pengukuran yang dibuat biasanya juga ditentukan. Conth dua cara untuk menuliskan panas jenis dari suatu zat yaitu:

Air (cair): c_p = 4.1855 [J/(g·K)] (15 °C, 101.325 kPa) atau 1 kalori/gram °C
Air (cair): C_vH = 74.539 J/(mol·K) (25 °C)

Untuk cairan dan gas, penting untuk mengetahui tekanan yang digunakan dalam menuliskan nilai kapasitas panas. Kebanyakan data yang dipublikasikan dituliskan pada kondisi tekanan standar.

Hubungan termodinamika

Energi internal dari sebuah sistem tertutup akan berubah dengan menambahkan panas ke sistem atau ketika sistem melakukan kerja.

{\ \mathrm{d}U = \delta Q + \delta W }.

Untuk kerja sebagai hasil dari perubahan volume sistem:

{\ \mathrm{d}U = \delta Q - P\mathrm{d}V }.

Jika panas ditambahan pada volume konstan:

\left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V=\left(\frac{\partial Q}{\partial T}\right)_V=C_V.

Jadilah kapasitas panas pada volume konstan, C_V.

Untuk kapasitas panas pada tekanan konstan, C_P, yang diturunkan dari persamaan perubahan entalpi:

{\ H = U + PV }.

Perubahan pada entalpi dapat dirumuskan dengan:

{\ \mathrm{d}H = \delta Q + V \mathrm{d}P },

Sehingga pada tekanan konstan, didapatkan:

\left(\frac{\partial H}{\partial T}\right)_P=\left(\frac{\partial Q}{\partial T}\right)_P=C_P.

Hubungan antara kapasitas panas

Pengukuran kapasitas panas pada volume konstan seringkali sulit dilakukan pada benda berwujud padat dan cair, karena perubahan temperatur dapat membuat volume zat mengalami pemuaian sehingga membutuhkan penampung yang memiliki kekuatan yang sangat tinggi. Lebih mudah menghitung secara tekanan konstan dan lalu menurunkannya menggunakan persamaan termodinamika dasar.

C_p - C_V = T \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_{V,N} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p,N}

Bisa juga dituliskan dengan:

C_{p} - C_{V}= V T\frac{\alpha^{2}}{\beta_{T}}\,

di mana

\alpha

adalah koefisien pemuaian

\beta_T

adalah kompresibilitas isotermal

Rasio kapasitas panas atau indeks adiabatik adalah rasio dari kapasitas panas pada tekanan konstan terhadap kapasitas panas pada volume konstan, yang dapat disebut juga sebagai faktor ekspansi isentropik.

Gas ideal

Untuk gas ideal, mengevaluasi persamaan turunan parsial di atas berdasarkan persamaan keadaan di mana R adalah konstanta gas ideal^[1]

p V = R T \;

C_p - C_V = T \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_{V} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}

C_p - C_V = -T \left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_{T} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}^2

p =\frac{RT}{V }

→

\left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_{T}=\frac{-RT}{V^2 }

\frac{-p}{V }

V =\frac{RT}{p }

→

\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}^2=\frac{R^2}{p^2}

Substitusikan

-T \left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_{T} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}^2

-T\left(\frac{-p}{V }\right) \left(\frac{R^2}{p^2}\right)=R

Sehingga akan didapatkan persamaan Mayer jika direduksi

C_p - C_V = R

Kapasitas panas spesifik (panas jenis)

Kapasitas panas spesifik (atau panas jenis) adalah kapasitas panas per basis massa

c={\partial C \over \partial m},

di mana pada ketiadaan transisi fase zat akan didapatkan panas jenis:

c=E_ m={C \over m} = {C \over {\rho V}},

di mana

C

adalah kapasitas panas

m

adalah massa zat

V

volume zat

\rho = \frac{m}{V}

massa jenis zat

Untuk gas dan bahan lainnya yang berada pada tekanan tinggi, terdapat perbedaan nilai panas jenis pada kondisi yang berbeda. Kapasitas panas dapati didefinisikan dengan measukkan kondisi proses isobarik (tekanan konstan,

dp = 0

) dan proses isokhorik (volume konstan,

dV = 0

). Hubungan panas jenisnya dapat dirumuskan dengan:

c_p = \left(\frac{\partial C}{\partial m}\right)_p,

c_V = \left(\frac{\partial C}{\partial m}\right)_V.

Sesuai dengan persamaan sebelumnya:

c_p - c_V = \frac{\alpha^2 T}{\rho \beta_T}.

ILMU TERMODINAMIKA : KALOR LATEN

Pengertian kalor laten
Jika suatu benda diberi kalor, apa yang akan terjadi dengan benda tersebut ? iya benar sekali benda yang diberi kalor akan mengalami kenaikan suhu. Kalor yang dberikan atau dilepaskan oleh suatu benda menyebabkan perubahan suhu pada benda tersebut. Selain mempengaruhi suhu benda, kalor juga dapat mempengaruhi wujud benda. Apa yang akan terjadi jika es batu di diamkan di tempat terbuka ?tentu saja es batu tersebut akan mencair dan berubah wujud menjadi air. Itulah salah satu contoh pengaruh kalor terhadap wujud benda.

Kalor laten di definisikan sebagai kalor yang diperlukan oleh satu kilogram zat untuk berubah wujud. Kalor latn juga disebut kalor tersembunyi.

Jenis-jenis kalor laten :
a. Kalor uap
Kalor uap didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk merubah wujud dari cair menjadi gas.
Kalor uap dapat dirumuskan :

Quap = m . Lv

Dimana :
Quap = kalor yang diperlukan (J)
m = masa benda (kg)
Lv = kalor uap (J/kg)

b. Kalor

embun
Kalor embun didefinisikansebagai banyaknya kalor yang dilepaskan oleh 1 kg zat untuk merubah wujud dari gas menjadi cair.
Kalor embun dapat dirumuskan :

Qembun = m . Lv

Dimana :
Qembun = kalor yang dilepaskan (J)
m = masa benda (kg)
Lv = kalor embun (J/Kg)

c. Kalor lebur

Kalor lebur didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk merubah wujud dari padat menjadi cair.
Kalor uap dapat dirumuskan :

Qlebur = m . Lf

Dimana :
Qlebur = kalor yang diperlukan (J)
m = masa benda (kg)
Lv = kalor lebur (J/kg)

d. Kalor beku
Kalor beku didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang dilepaskan oleh 1 kg zat untuk merubah wujud dari cair menjadi padat
Kalor embun dapat dirumuskan :

Qbeku = m . Lf

Dimana :
Q = kalor yang diperlukan (J)
m = masa benda (kg)
Lf = kalor beku (J/kg)

Besarnya kalor lebur yang dimiliki sebuah benda besarnya sama dengan kalor bekunya, begitupun dengan kalor uap yang dimiliki oleh sebuah benda besarnya sama dengan kalor embunnya, dapat dituliskan :

Qbeku = Qlebur dan Quap = Q embun.

Besar kecilnya kalor laten sebuah benda selain dipengaruhi oleh massa benda juga dipengaruhi oleh titik didih dan titik beku benda tersebut.

VIDEO TERMODINAMIKA : RADIASI BENDA HITAM

VIDEO TERMODINAMIKA : Praktek 1 Fisika Radiasi Benda Hitam

ILMU TERMODINAMIKA : RADIASI BENDA HITAM

Radiasi panas adalah radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya. Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi pada umumnya, Anda dapat melihat sebuah benda, karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya, bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di atas 2.000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti pijar putih dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini menyebabkan pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk menentukan suhu suatu benda.

Secara umum bentuk terperinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spektra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam atau black body. Benda hitam didefinisikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang datang padanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam. Jadi, benda hitam mempunyai harga absorptansi dan emisivitas yang besarnya sama dengan satu. Seperti yang telah Anda ketahui, bahwa emisivitas (daya pancar) merupakan karakteristik suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam pada temperatur yang sama. Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda terhadap fluks yang tiba pada benda itu.

Gambar 1 Pemantulan yang terjadi pada benda hitam.

Benda hitam ideal digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sekali suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa sempat keluar lagi dari lubang tadi. Setiap kali dipantulkan, sinar akan diserap dinding-dinding berwarna hitam. Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya jika suhunya lebih rendah daripada suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih tinggi daripada suhu sekitarnya. Benda hitam yang dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi akan tampak membara.

Radiasi benda hitam adalah radiasi elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Radiasi ini menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur, yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya temperatur

ILMUWAN FISIKA : EVANGELISTA TORRICELLI

Hasil gambar untuk evangelista torricelli

Evangelista Torricelli, lahir 15 Oktober 1608 – meninggal 25 Oktober 1647 pada umur 39 tahun), adalah fisikawan dan matematikawan Italia kelahiran Faenza yang belajar di Sapienza College Roma, dikenal karena penemuannya yakni barometer.

Ia menjadi sekretaris Galileo selama 3 bulan sampai Galileo wafat pada tahun 1641. Tahun 1642 ia menjadi profesor matematika di Florence. Pada tahun 1643 ia menetapkan tentang tekanan atmosfer dan menemukan alat untuk mengukurnya, yaitu barometer.

Biografi

Torricelli lahir pada 15 Oktober 1608 di Faenza di Province of Ravenna, bagian dari Negara Kepausan, anak sulung dari Gaspare Torricelli dan Caterina Angetti. Ayahnya adalah seorang pekerja tekstil yang berasal dari keluarga miskin. Melihat bakatnya, orang tuanya mengirim dia untuk dididik di bawah asuhan pamannya, Jacobo. Di Faenza Evangelista Torricelli belajar matematika dan filsafat sampai tahun 1626. saat ayahnya, Gaspare meninggal. kemudian pamannya mengirim Torricelli ke Roma untuk belajar ilmu pada biarawan Benediktin Benedetto Castelli , profesor matematika di Collegio della Sapienza (sekarang dikenal sebagai Sapienza University of Rome).

Karya Torricelli dalam fisika

Barometer

Pada tahun 1643, Torricelli membuat eksperimen sederhana, yang dinamakan Torricelli Experiment, yaitu ia menggunakan sebuah tabung kaca kuat dengan panjang kira-kira 1 m dan salah satu ujungnya tertutup. Dengan menggunakan sarung menghadap ke atas. Dengan menggunakan corong ia menuangkan raksa dari botol ke dalam tabung sampai penuh. Kemudian ia menutup ujung terbuka tabung dengan jempolnya, dan segera membaliknya. Dengan cepat ia melepaskan jempolnya dari ujung tabung dan menaruh tabung vertikal dalam sebuah bejana berisi raksa. Ia mengamati permukaan raksa dalam tabung turun dan berhenti ketika tinggi kolom raksa dalam tabung 76 cm di atas permukaan raksa dalam bejana. Ruang vakum terperangkap di atas kolam raksa.

Hukum Torricelli

Torricelli juga menemukan Hukum Torricelli , mengenai kecepatan cairan yang keluar dan mengalir dari celah dengan ketinggian berbeda, yang kemudian terbukti menjadi kasus khusus dari prinsip Bernoulli.

Penyebab angin

Torricelli memberikan deskripsi ilmiah pertama penyebab angin:

... Angin yang dihasilkan oleh perbedaan suhu udara, dan kepadatan antara dua wilayah bumi.

Karya Torricelli dalam matematika

Torricelli juga terkenal untuk penemuan terompet Torricelli (Gabriel Horn)
Torricelli juga pelopor dalam bidang seri terbatas.
Dalam karyanya De dimensione parabolae dari 1644, Torricelli dianggap sebagai urutan penurunan istilah positif a_0, a_1, a_2 \ cdots dan menunjukkan sesuai seri telescoping (A_0-a_1) + (a_1-a_2) + \ cdots tentu konvergen a_0-L , Di mana L adalah batas dari urutan, dan dengan cara ini memberikan bukti rumus untuk jumlah dari deret geometri.

Kematian

Torricelli meninggal di Florence pada tanggal 25 Oktober 1647, beberapa hari setelah dikontrak demam tifoid , dan dimakamkan di Basilika San Lorenzo . The asteroid 7437 Torricelli itu dinamai untuk menghormatinya. Dia meninggalkan semua harta miliknya kepada anak angkatnya Alexander.