Heat and the Second Law of Thermodynamics

1Kalor dan Hukum Kedua TermodinamikaBab 4 buku James Trefil & Robert M HazenTHE SCIENCES An Integrated Approach, Wiley, New Jersey, 200712Gagasan Pokok:

Kalor ada lah bentuk energi yang sedang mengalir dari

benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin3Rangkuman bahasan bab 4:Arah perkembangan jagadKonsep kalor vs konsep panasPindahnya kalorHukum Kedua TermodinamikaDampak Hukum Kedua TermodinamikaSuatu catatan optimistik34Arah perkembangan jagad

45

6

7

8

9Arah perkembangan jagadKalor mengalir dari panas ke dingin (sudut pandang makroskopik)Suatu sistem terisolasi condong berkembang ke arah acak (sudut pandang atomik): air hangat jadi dingin (difusi energi), bau parfum hanya dapat menyebar (difusi molekul), kerapian isi lemari hanya dapat surut, minyak tanah hanya dapat dibakar, badai, tornado, hasil perjumpaan udara hangat dan udara sejuk, gesekan lempeng benua menjadikan magma & gunung berapi, peluruhan inti atom (radioaktivitas),energi Matahari berkonduksi dari pusatnya, berkonveksi ke permukaan, lalu teradiasi, lampu hemat-energi lebih efektif memproduksi cahaya, sendi dan tulang orang usia lanjut menjadi kaku, mahluk menjadi tua, sel-sel menjadi cacat dan berhenti berfungsi, evolusi mahluk hidup

910Konsep kalor

vs

konsep panas1011Kalor dan PanasKalor ada lah Energi yang sedang pindah dari keadaan panas ke keadaan dingin,sedangkan Usahaada lah Energi yang sedang pindah tanpa kaitan dengan keadaan panas atau dinginPanasada lah tingginya suhu, temperaturada lah taraf geraknya atomEnergi kinetik rata-rata atom = 3/2 kB Tada lah (rapat) energi termal per atom

12SuhuSkala suhuCelsiusFahrenheit

KelvinNol nya mutlak, dan tak mungkin dicapai

Suhu terendah (2003): 450 pK (0,45 nK)(Ketterle dkk di MIT, BEC atom-atom Na)

1213Konversi SuhuKonversi ke skala Fahrenheit:Nilai dalam F = {(9/5) x nilai dalam C} +32

Konversi ke skala Celsius: - Nilai dalam C = (nilai dalam F - 32)/(9/5)

Konversi ke skala (mutlak) Kelvin: Nilai dalam K (kelvin) = (nilai dalam C) + 273,15

1314Termometer GalileoTabung berisi cairan yang mudah memuai (koefisien muai termalnya besar)

Bola-bola kecil berisi aneka cairan, dengan bermassa jenis dari besar sampai kecil

Jika suhu naik, makin banyak bola kecil tenggelam

Suhu ditunjukkan oleh bola yang terapung terendah

15Beberapa koefisien muai termal:Udara3 400 /MKEtil alkohol1 100Bensin 950Gliserin 500Air 210Hg 180Pb87Al75Kuningan56Cu50Au42Beton36Besi35Kaca27Pyrex 9Pualam, CaCO34 10Kuarts116Kalor Jenis, kalor spesifikKalor jenis, kalor spesifik:Jumlah kalor untuk menaikkan 1 g bahan sebanyak 1 kelvinAir:Kalor jenisnya tertinggi1 kal/(g C), 4,18 joule per gram, per kelvin

1617Kalor jenis beberapa bahan: [ pada 20oC, dalam kJ/(kg K) ]Air......4,18Tubuh manusia...3,47Etil alkohol...2,4Es 10oC...2,05Uap air 110oC...2,01Kayu, protein...1,7Aluminium...0,9Pualam......0,86Fe.........0,45Cu.........0,39Hg.........0,14Pb.........0,13

Gas molekul hidrogen (H2) ~13Gas helium (He-4)~5 (= 3/2 R J/(mol K))Gas molekul nitrogen...~1Gas molekul oksigen...~0,9Gas karbondioksida...~0,85

Gas radon (Rn-222)~0,118Pindahnya kalor Secara konduksi: atom-atom hanya bergetar acak di tempat, sambil saling bertumbukan

Secara konveksi: atom-atom pindah tempat sambil membawa energi kinetik / energi getar acak

Secara radiasi: atom-atom bergetar, menghasilkan gelombang elektromagnetik yang membawa energi potensial listrik-magnet1819Contoh proses konduksi(mengapa tongkatnya panjang?)

20Contoh proses konduksi (yang hendak dihambat)

21Koefisien konduktivitas termal beberapa bahan: (dalam kW/(K m)Perak (Ag)...429Tembaga (Cu)...401Timbal (Pb)...353Emas (Au)...318Aluminium (Al)...237Besi (Fe)...80,4Baja (Fe:C)...46Kaca (SiO2)...0,7 0,9Air(H2O)...0,609Es (H2O) ...0,592Beton, semen...0,19 1,3Kayu oak...0,15Udara (N2, O2)...0,02622Dampak konduktivitas termal yang besar atau kecil:Air samudera menstabilkan suhu atmosfer dan BumiKulit kering terasa nyaman, kulit basah terasa dingin

Logam terasa dingin, kayu terasa biasaKaca jendela rumah membocorkan energi termalBaju tebal, rambut / bulu, memanfaatkan udara, menghambat konveksinya (selama tetap kering)

23Contoh pemanfaatan sel konveksi udara

24Contoh penghambatan konduksi dan konveksi

25Contoh penghambatan konduksi dan konveksi

26Lemak berkonduktivitas termal kecil:

27Pindahnya kalorKonduksi ( suhu kecil atau besar)Pindahnya kalor melalui tumbukan antar atom

Konveksi ( suhu agak besar)Pindahnya kalor dengan pindahnya molekul-molekul berenergi kinetik acak

terjadi sel konveksi

Radiasi( suhu kecil atau besar) - berupa medan listrik dan medan magnetik, tidak memerlukan materi

2728Rumusan:Konduksi:Q/dt = A T/LKonveksi:Q/dt = h A TRadiasi: (jika beda suhu kecil) Q/dt = e A (T4 Tlingk4) T 4 e A T3 THukum pendinginan Newton: Q/dt = K A T Koefisien muai termal V/(V T)Kalor jenis c = Q/(m dT) 29

30

31Pemanfaatan radiasi infra merah:Dapat diindera CCD (charge-coupled device) kameraMaka dapat melihat dalam gelap dapat melihat bekas hadirnya orangDapat melihat bocornya pipa air, bagian kawat listrik yang hampir putus, sambungan listrik yang kurang erat, barang yang berbeda-mutu/jenisDapat memotret pulau kalor (heat island) dsbDapat membuat foto yang aneh efeknya32Hukum Kedua Termodinamika3233Tiga pernyataan bagi Hukum Kedua Termodinamika[perhatikan apa yang TIDAK dikatakan]Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas (sebaliknya: dapat spontan?)Tiada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh (sebaliknya: dapat spontan?)Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak (sistem terbuka: dapat menumbuhkan keteraturan?)3334Kalor tidak akan mengalir spontan dari benda dingin ke benda panas[Rudolf Clausius (1822 1888)] Pada taraf molekular:Molekul yang bergerak lebih cepat, akan menyebarkan energinya kepada lingkungannya

Pada taraf makroskopik:Perlu pasokan energi / usaha, untuk mendinginkan sebuah benda3435Anda tidak dapat membuat mesin yang sekedar mengubah kalor menjadi usaha sepenuhnya[Kelvin (1824 1907) & Planck (1858 1947)]Efisiensi mesin tidak dapat 100%Diperlukan tandon panas dan tandon dinginTandon panas menjadi sumber energiPerlu membuang kalor pada suhu yang lebih rendah, ke tandon dinginBiasanya tandon suhu terendah = atmosfer

3536Proses mesin bakar

37Setiap sistem terisolasi akan makin acakSistem teraturAda pola yang teratur dan dapat diramalkan perkembangannyaSistem tak teraturKebanyakan atom-atomnya bergerak acakEntropiUkuran bagi taraf keacakanEntropi sistem terisolasi hanya dapat tetap, atau meningkat

3738Entropi:Diusulkan istilahnya oleh Clausius, dari kata transformasi dalam bahasa Yunani, dimiripkan dengan istilah energi yang erat kaitannya.

Dikukuhkan Ludwig Eduard Boltzmann (1844 1906) dengan konsep zat terdiri atas partikel kecil yang bergerak acak dan teori peluang:

Suatu sistem condong berkembang ke arah keadaan yang berpeluang lebih besar;

S = kB ln 39Dampak Hukum Kedua Termodinamika3940Arah WaktuJagad dimensi 4:Tiga dimensi (x, y, z) tak berarahDimensi keempat berarah

WaktuHukum Kedua berkaitan dengan arah waktuIrreversibilitas, ke-takterbalikkan-an

4041Urutan foto ini (dalam waktu)pasti jelas

42Batasan-tak-terelakkan dalam Jagad RayaDampak Hukum Kedua Termodinamika

Beberapa hal tidak dapat terjadiBahan bakar fosil tidak dapat dibuat kembali (dari hasil pembakarannya)

Ada hirarki bagi bentuk-bentuk energi:Energi termal berada pada mutu terendah4243Tetapi, suatu catatan optimistik:Secara lokal, masih dapat dihasilkan keteraturan, melalui sistem-sistem terbuka yang dialiri energi secara cukup[contoh: laser, mahluk hidup, pilkada?]

[ Ilya Prigogine (1917 2003; Hadiah Nobel untuk Kimia, 1977): struktur-struktur disipatif, jauh dari keseimbangan, ketakstabilan dan indeterminisme, kepekaan akan keadaan awal khaos ].

Maka ada yang sedang mengusahakan, pelambatan proses penuaan / pemanjangan usia kemudaan

Yang lebih sehat: Sejak usia muda, menggunakan kemampuan yang baru tumbuh, agar berkembang terus secara alamiah (manfaatkan aerobics, dsb), dan memandang kematian sebagai gerbang ke kebakaan.

44Lihat lah ke masa depan yang cerah:

45Garis tengah 350 m, sferis, 38 778 lempeng Aluminium berperforasi, @ 1 2 m,Sejak 1963; dana operasi tahun 2007 10,5 juta $US, rencana tahun 2011 hanya 4 juta $US, maka akan ditutupwww.naic.edu

46Penerima Teleskop Arecibo: 900 ton, 150 m di atas cermin, digantung pada 18 kabel ke 3 menara beton (110, 80, 80 m).Penangkap radionya: 1 10 GHz, 3 cm 1 mPemancar radarnya: 20 TW (2,38 GHz), 2,5 TW (0,43 GHz), 0,3 GW (47 MHz)

47Data Observatorium Arecibo lain:Di Porto Rico, milik Amerika Serikat, dikelola sebagai fasilitas nasional, dioperasikan Cornell University.Hanya dapat meradar sampai ke Saturnus, karena besarnya jarak tempuh pulsa radar dan rotasi BumiMedan pandang total: 40o sekitar zenit lokal (1o LS 38o LU)Dapat mendeteksi posisi pemancar radar Rusia, akibat pantulannya dari Bulan1974: mengirim pesan 2372 piksel ttg angka, gambar orang, rumus kimia, foto Arecibo, ke galaksi bola M13 di jarak 25 th cahayaPlanetary Society (November 2007) desak agar jangan ditutup, karena amat berguna mendeteksi dan memprediksi orbit NEO / PHA, serta membantu mitigasi defleksinya (jika perlu)48Temuan berkat Observatorium Arecibo:1964: periode Merkurius 59 hari (bukan 88 hari)1968: di Kabut Kepiting ada pulsar 33 ms (bukti eksistensi bintang neutron)1974: Hulse & Taylor temukan pulsar binari (Hadiah Nobel Fisika 1982)1982: Backer & Shri Kulkarni temukan pulsar 1,4 ms pertama (tercepat sampai 2005)1989: Foto pertama asteroid 4769 Castalia1990: Pulsar berplanet 3 dan berkomet (?)1994: Pemetaan es di kutub-kutub MerkuriusJan 2008: Molekul prebiotik (HCN, methamine) di Arp 220, 2 galaksi yang sedang bertumbukan, di jarak 250 th cahaya

49Lihat lah ke masa depan yang cerah:

Detail Hukum Termodinamika Ke 250Konsep Efisiensi dlm HukumTermodinamika

Untuk merancang sebuah perencanaan yang optimal dalam memanfaatkan energi, berbagai konsep telah dikembangkan, yang salah satunya adalah dengan analisis energi yang berdasarkan pada hukum Termodinamika. Disebutkan dalam hukum ke-1 Termodinamika bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Dalam pendekatan hukum ke-1 ini, strategi efisiensi energi lebih cenderung pada pemanfaatan sumber daya energi secara efisien. Efisien yang dimaksud disini adalah penggunaan sumber-sumber energi disesuaikan dengan kualitas yang dibutuhkan

Siklus CarnotCarnot (1824) memperkenalkan suatu proses sederhana ke dalam teori termodinamika yg sekarang dikenal sebagai siklus CarnotCarnot berusaha menjelaskan asas-asas fisis mendasar yg menyangkut masalah efisiensiUsaha Carnot ini adalah dasar pengetahuan tentang termodinamikaSiklus Carnot dapat dilaksanakan dg sistem yg bersifat apapun (padat, cair, gas, zat paramagnetik)52Diagram T-SPada gambar diatas, terlihat siklus Carnot a-b-c-d-a dalam diagram T-SLuas kawasan yg dikelilingi oleh kurva menyatakan siklus Carnot adalah panas total yg masuk atau keluar sistem

53Siklus Carnot utk Gas SempurnaZat melakukan proses siklis yg terdiri dari 2 isoterm dan 2 adiabatdQ1Q2acbVpT2T1Dimulai dari a kembali ke a:Ekspansi isotermal dari a ke b pada suhu T1, panas Q1 masuk dan usaha dilakukan oleh sistemEkspansi adiabatik dari b ke c, suhu turun menjadi T2 dan usaha dilakukan oleh sistem Pemampatan isotermal pd suhu T2 dari c ke d. Panas Q2 keluar dari sistem dan usaha dilakukan thp sistemPemampatan adiabatik dari d ke a, suhu naik menjadi T1 dan usaha dilakukan thp sistemMESIN CARNOT55qinTAqoutTBV1V4V2V31423PVw Proses Adiabatik 2 3 4 1 Proses Isotemal 1 2 3 4Refrigeration : Perpindahan kalor Refrigerators : Mesin yang menghasilkan refrigerationRefrigeration cycles : siklus yang digunakan dalam menghasilkan refrigeration.

Refrigerants : Fluida kerja yang digunakan dalam refrigerators. Heat pumps : Refrigerators yang digunakan untuk pemanasan 1 Ton of Refrigeration = Kalor yang diambil dari 1 ton (2,000 lb) air yg bersuhu 32 F shg menjadi es pada 32 F selama 24 jam1 Ton = 12,000 Btu/h = 3.517 kW

Kalor selalu mengalir dari medium bertemperatur tinggi ke medium bertemperatur rendah

Kalor hanya mengalir jika ada perbedaan temperatur

Tujuan : Mengambil kalor dari medium bertemperatur rendah dan memberikannya ke medium yang bertemperatur lebih tinggi

= W/Q dgn W = Q1 + Q2 dan Q = Q1= (Q1 + Q2)/ Q1= (T1 T2)/ T1

Perumusan Kelvin: Tidak ada suatu proses yang hasil akhirnya berupa pengambilan sejumlah kalor dari suatu reservoar kalor dan mengkonversi seluruh kalor menjadi usahaPerumusan Clausius: Tidak ada proses yang hasil akhirnya berupa pengambilan kalor dari reservoar kalor bersuhu rendah dan pembuangan kalor dalam jumlah yang sama kepada suatu reservoar yang bersuhu lebih tinggi.

Efisiensi: Kesimpulannya tdk ada mesin lain yg mempunyai efisiensi termal lebih tinggi dari mesin Carnot bila keduanya beroperasi antara sepasang reservoir dg suhu tiap reservoir yang bersangkutan sama

tdk ada mesin pendingin yg mempunyai koefisien penampilan (COF) yg lebih tinggi dari pada mesin pendingin Carnot bila keduanya beroperasi antara sepasang reservoir dg suhu tiap reservoir yg bersangkutan sama

58Entropi dan KetidakteraturanRedistribusi partikel gas dalam wadah terjadi tanpa perubahan energi dalam total sistem, semua susunan ekivalenJumlah cara komponen sistem dapat disusun tanpa merubah energi sistem terkait erat dengan kuantitas entropi (S)Entropi adalah ukuran ketidakteraturan sistemSistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya sedikit seperti kristal padat memiliki ketidakteraturan yang kecil atau entropi rendahSistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya banyak seperti gas memiliki ketidakteraturan besar atau entropi tinggiJika entropi sistem meningkat, komponen sistem menjadi semakin tidak teratur, random dan energi sistem lebih terdistribusi pada range lebih besar Sdisorder > SorderSeperti halnya energi dalam atau entalpi, entropi juga fungsi keadaan yaitu hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir tidak pada bagaimana proses terjadinyaSsis = Sfinal SinitialJika entropi meningkat maka Ssis akan positif, sebaliknya jika entropi turun, maka Ssis akan negatifEntropi dan Hukum Kedua TermodinamikaApa yang menentukan arah perubahan spontan?Sistem alami cenderung kearah tidak teratur, random, distribusi partikel kurang teraturBeberapa sistem cenderung lebih tidak teratur (es meleleh) tetapi ada juga yang lebih teratur (air membeku) secara spontanDengan meninjau sistem dan lingkungan terlihat semua proses yang berlangsung dalam arah spontan akan meningkatkan entropi total alam semesta (sistem dan lingkungan). Ini yang disebut dengan hukum kedua termodinamikaHukum ini tidak memberikan batasan perubahan entropi sistem atau lingkungan, tetapi untuk perubahan spontan entropi total sistem dan lingkungan harus positifSuniv = Ssis + Ssurr > 0Memperkirakan Nilai So Relatif SistemBerdasarkan pengamatan level molekuler kita bisa memperkirakan entropi zat akibat pengaruhPerubahan temperaturKeadaan fisik dan perubahan fasaPelarutan solid atau liquidPelarutan gasUkuran atom atau kompleksitas molekul1. Perubahan TemperaturSo meningkat seiring dengan kenaikan temperaturT(K)273295298So31,032,933,1Kenaikan temperatur menunjukkan kenaikan energi kinetik rata-rata partikel2. Keadaan Fisik dan Perubahan FasaKetika fasa yang lebih teratur berubah ke yang kurang teratur, perubahan entropi positifUntuk zat tertentu So meningkat manakala perubahan zat dari solid ke liquid ke gas NaH2OC(grafit)So (s / l)51,4(s)69,9 (l)5,7(s)So (g)153,6188,7158,0

Perubahan Entropi dan Keadaan KesetimbanganPerubahan mengarah kekesetimbangan secara spontan, Suniv > 0Ketika kesetimbangan tercapai tidak ada lagi daya untuk mendorong perubahan sehingga Suniv = 0. Pada titik ini perubahan entropi pada sistem diikuti perubahan entropi lingkungan dalam jumlah yang sama tetapi berbeda tandaPada kesetimbangan Suniv = Ssis + Ssurr = 0Atau Ssis = -SsurrKesetimbangan Uap AirPenguapan 1 mol air pada 100oC (373 K)H2O(l:373 K) H2O(g: 373 K)Sosis = So H2O(g) So H2O(l) = 195,9 86,8 = 109,1 J/KSistem menjadi lebih tidak teraturSsurr = -Hosis/T = -Hovap/T = -40,7 x 103 J/373 K = -109 J/KSuniv = 109 J/K + (-109 J/K) = 0Saat kesetimbangan tercapai, proses reaksi berlangsung spontan baik arah maju maupun balikEksotermik dan Endotermik SpontanReaksi EksotermikC6H12O6(s) + 6O2(g) 6CO2(g) + 6H2O(g) + kalorCaO(s) + CO2(g) CaCO3(s) + kalorReaksi EndotermikKalor + Ba(OH)28H2O(s) + 2NH4NO3(s) Ba2+(aq) + 2NO3-(aq) + 2NH3(aq) + 10H2O(l)Entropi, Energi Bebas dan KerjaSpontanitas dapat ditentukan dengan mengukur Ssis dan Ssurr, tetapi akan lebih mudah jika kita memiliki satu parameter saja untuk menentukan spontanitasEnergi bebas Gibbs (G) adalah fungsi yang menggabungkan entalpi dan entropi dari sistemG = H TSDiajukan oleh Josiah Willard Gibbs 1877Suniv = Ssis + SsurrPada Tekanan konstan Ssurr = -Hsis/TSuniv = Ssis - Hsis/TJika kedua sisi dikalikan T maka-TSuniv = Hsis - TSsis atau-TSuniv = GsisSuniv > 0 spontan G < 0Suniv < 0 non spontan G > 0Suniv = 0 setimbang G = 0Menghitung Perubahan Energi Bebas StandarGosis = Hosis - TSosis Energi bebas Gibbs juga dapat dihitung (karena ia fungsi keadaan) dari energi bebas produk dan reaktanGorxn = mGof(produk) - nGof(reaktan) Catatan : Gof suatu unsur pada keadaan standarnya adalah nol