Matakuliah Tahun Versi : D0564/Fisika Dasar : September 2005 : 1/1 Pertemuan 21-22 Temperatur, Kalor, Perpindahan Kalor dan Termodinamika 1 Learning Outcomes Pada akhir pertemuan ini, diharapkan mahasiswa akan mampu : • Menjelaskan konsep temperatur, kalor, perpindahan kalor, dan hukum-hukum termodinamika (C2) 2 Outline Materi • Temperatur dan termometer • Kalor, kapasitas kalor, kalori-metri, azas Black, dan perubahan fasa • Gas Ideal dan hukum termodinamika, mesin Carnot • Model perpindahan kalor 3 PEPINDAHAN PANAS Hukum dasar tentang kalor: Kalor akan mengalir dari sistem yang suhunya tinggi ke sistem yang suhunya lebih rendah hingga terjadi keseimbangan thermal. Cara kalor perpindah tergantung pada medium yang dilewati. 1. Cara Konduksi : Perpindahan kalor dimana tidak terjadi gerakan molekul medium perantara. Kalor dipindahkan karena vibrasi molekul dan menumbuk molekul tetangga. 4 Perpindahan model ini terjadi pada medium padat. T1 Q T2 A L Batang yang berpenampang A, panjang L dan kedua ujungnya diberi suhu T1 dan T2, maka arus panas akan mengalir sebesar: dQ dT H k A dt dx k = konduktivitas panas bahan (J/s m K) 5 untuk batang yang homogen: (T1 T2 ) J/s atau Watt H L Dua batang yang disambung seri: H L1 L 2 (T2 T1 ) ( ) A k1 k 2 kA 6 Aliran panas radial: R1,T1 R2,T2 L 7 Arus panas H yang mengalir dari permukaan R1 ke R2 adalah: 2kL(T1 T2 ) H R2 ln( ) R1 2. Cara Konveksi : Adalah perpindahan kalor dimana molekul medium perantaranya yang berpindah sambil membawa kalornya (perhatikan air yang dipanasi) Arus panas H yang mengalir dalam fluida yang beda suhunya T adalah: 8 H= h A T h= koefisien konveksi A=luas penampang 3. Radiasi : Perpindahan kalor melalui pancaran radiasi. • tidak perlu medium (vacum) • jika ada medium harus transparan (udara, air, kaca..) 9 Laju pancaran energi dari permukaan yang suhunya T (kelvin) adalah: R = e T4 (W/m2) = konstanta Boltzmann = 5,67x10-8 (W/m2 K4) e = faktor emisivitas permukaan ==> (0<e<1) Pancaran energi netto jika dua buah permukaan saling berhadapan: R = e (T14 – T24) 10 TERMODINAMIKA 1. Gas Ideal. n M V, P T n M M V T P : Jumlah mol : berat molekul : massa gas = n M : volume : suhu : tekanan Sifat-sifat gas ideal pada suatu sistem dengan volume V, suhu T dan tekanan P yang terdapat n mol gas ideal, antara lain: 11 • Pada suhu konstan, tekan gas bebanding terbalik dengan volumenya. (Hk. Boyle) • Pada tekanan tetap, volume gas berbanding lurus dengan suhunya. (Hk. Gay Lussac) Gabungan dari kedua hasil tesebut diperoleh: PV kons tan T (Hk. Boyle – Gay Lussac) Diperoleh juga bahwa PV sebanding dengan jumlah T 12 gas di dalam sistem, sehingga: PV nR T atau PV nRT dimana R disebut sebagai konstanta gas umum. R = 8,314 J/mol oK = 1,986 kal/mol oK 2. KERJA DAN HUKUM I TERMODINAMIKA dx nP A 13 Perhatikan sistem piston seperti gambar di atas, jika tekan gas P mengakibatkan piston bergeser sejauh dx, maka kerja yang dilakukan sistem terhadap piston adalah: dW = F dx = P A dx karena A dx adalah volume, maka = P dV jika volume berubah dari V1 ke V2, maka kerja total yang dilakukan adalah: 14 V2 W P dV V1 jika ditampilkan dalam diagram P-V akan tampak bahwa kerja adalah luasan yang diarsir P P1 1 P2 2 V1 V2 Kerj a V 15 Ilustrasi berikut menunjukkan bahwa kerja suatu sistem bergantung pada Proses dijalaninya. P P1 P P1 1 2 P2 V1 V2 V P P1 1 2 P2 V1 V2 V 1 2 P2 V1 V2 V Seiring dengan hukum keseimbangan energi, sistem termodinamika yang berubah dari keadaan AWAL ke keadaan AKHIR selalu : • melakukan kerja W dengan menyerap kalor Q, atau • menerima kerja W dengan melepas kalor Q. 16 Tetapi selalu diperoleh bahwa: Kalor yang diterima Q tidak sama dengan kerja W yang dilakukan, atau sebaliknya kerja yang dilepas tidak sama dengan kerja yang diterima Selisih (Q-W) selalu konstan dan dinamakan PERUBAHAN ENERGI DALAM (u) Atau: Kalor yang diterima = kerja + perubahan energi dalam. dQ = dW + dU 17 Pers. Ini dikenal sebagai Hukum I Termodinamika. Catatan: W bertanda + jika sistem melakukan kerja Q bertanda + jika sistem menyerap panas +Q +W U2-U1 > 0 -Q -W U2-U1 < 0 18 Jenis-jenis proses perubahan sistem •Proses Isobarik (tekanan tetap): Adalah proses perubahan sistem pada tekanan tetap V2 V2 W P dV P dV PV2 V1 V1 V1 •Proses isovolume (volume tetap): Adalah proses perubahan sistem pada volume tetap V2 W P dV 0 (dV 0) V1 19 •Proses Isotermal (suhu tetap): Adalah proses perubahan sistem pada suhu tetap. V2 W P dV V1 karena nRT P V V2 dV V2 W nRT nRT ln V1 V1 V untuk T konstan, maka sehingga: PV juga = konstan, 20 P1 V1 =P2 V2 V2 / V1= P1/P2 P1 W nRT ln P2 Pada T konstan berarti dU=0, sehingga dQ = dW khusus pada suhu konstan, semua kalor yang diterima diubah menjadi kerja, atau sebaliknya. 21 • Proses adiabatic Proses dimana tidak terjadi perukaran kalor antara sistem dengan lingkungan (dQ = 0) Persamaan yang berlaku pada proses ini antara lain: PV γ kons tan TV γ 1 kons tan γ 1 γ T P kons tan = Cp/Cv dan disebut sebagai tetapan MAYER 22 kerja yang dilakukan pada proses ini: 1 W (P2 V2 P1V1 ) (1 ) atau nR W (T2 T1 ) (1 γ) PROSES REVERSIBLE (Dapat balik) Jika suatu sistem menjalani proses dari kondisi awal ke kondisi akhir, kemudian kembali ke kondisi semula dengan total kerjanya =nol, dan kalor neto yang berpindah juga =0, maka sistem tersebut menjalani proses yang reversible. 23 Pada kenyataannya proses reversible tidak pernah ada, tetapi terdapat suatu proses yang mendekati reversible, yaitu suklus CARNOT (mesin CARNOT), yaitu satu siklus balak-balik yang terdiri atas 2 proses adiabatic dan 2 proses isotermal. P Q1 P2 P4 P3 proses 1-2 dan 3 – 4 : isotermal proses 2-3 dan 4 – 1 : adiabatik 1 P1 2 4 3 Q2 V1 V4 V2 V3 T1 > T2 T2 V 24 Perhitungan Kerja dan Kalor: 1.Proses isotermal 1-2 (dT=0, Q=W) Volume mengembang (dV>0), maka W >0 sehingga Q>0, yang berarti kalor Q1 diserap sistem. 2.Proses adiabatik 2-3 Karena adiabatic maka Q=0, volume bertambah (sistem mengembang) suhu turun. Dari dU=Q-W, maka W= - dU, sistem melakukan kerja tanpa memindah kalor. 25 3.Proses isotermal 3-4 Volume sistem mengecil pada suhu tetap (dT=0), sehingga dU=0 dan Q=W. Volume mengecil, dV<0, maka W juga <0 berarti sistem menerima kerja. Karena Q=W, maka Q<0, berarti system mengeluarkan kalor Q2. 4.Proses adiabatic 4-1 Sistem kembali ditekan dari V4 ke V1, dV<0 berarti sistem menerima kerja. Proses adiabatic Q=0 dan suhu naik dari T2 ke T1, berarti dU>0 dan dU = W Sistem menerima kerja tanpa memindahkan kalor. 26 Jika ditinjau satu proses lengkap, maka dapat kita peroleh: • Kalor digunakan sistem dQ = Q1 – Q2 • Karena satu siklus penuh, maka dU=0, sehingga dU = 0 = dQ – dW dW = dQ = Q1 – Q2 Hasil siklustersebut adalah: Kalor (dQ) diubah menjadi kerja (dW). 27
© Copyright 2024 Paperzz
