Fisika Dasar -5-Suhu Kalor n Termo-new.ppt

of 74/74
Universitas Jenderal Soedirman Universitas Jenderal Soedirman Purwokerto Purwokerto FISIKA DASAR FISIKA DASAR Mukhtar Effendi Suhu, Kalor dan Termodinamika
  • date post

    03-Oct-2015
  • Category

    Documents

  • view

    86
  • download

    17

Embed Size (px)

Transcript of Fisika Dasar -5-Suhu Kalor n Termo-new.ppt

  • FISIKA DASARMukhtar EffendiSuhu, Kalor dan Termodinamika

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • I. SUHU/TEMPERATURTemperatur adalah ukuran panas-dinginnya dari suatu benda. Panas-dinginnya suatu benda berkaitan dengan energi termis yang terkandung dalam benda tersebut. Makin besar energi termisnya, makin besar temperaturnya.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 1.1. Kontak termal.Dua buah benda dikatakan dalam keadaan kontak termal bila energi termal dapat bertukar diantara kedua benda tanpa adanya usaha yang dilakukan. Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 1.2. Kesetimbangan thermal Yaitu situasi yang mana dua benda yang dalam keadaan kontak thermal menukarkan energi termal dalam jumlah yang sama. Waktu yang diperlukan untuk mencapai kesetimbangan thermal tergantung sifat benda tersebut. Pada saat kesetimbangan thermal ke dua benda mempunyai temperatur yang sama.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Jika benda A dan B masing-masing dalam keadaan setimbang thermal dengan benda ke tiga C, maka benda A dan B dalam keadaan setimbang thermal terhadap satu sama lain. Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 1.3. Hukum ke-nol ThermodinamikaBenda ketiga C ini nanti yang akan kita sebut thermometer. Dua benda A dan B yang dalam kesetimbangan thermal mempunyai tempertur yang sama.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 2. TERMOMETERUntuk mengukur temperatur sebuah benda secara kuantitatif Termometer ini terbuat dari bahan yang bersifat termometrik (sifat fisiknya bervariasi terhadap temperatur). volume cairan panjang kawat hambatan kawat volume gas pada tekanan konstan tekanan gas pada volume konstan warna pijar dsb.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 2.1. Thermometer gas volume konstan.Sifat termometrik dari termometer ini adalah tekanan gas yang bervariasi terhadap temperatur pada volume konstan.T = aP + ba dan b konstan. Konstanta ini dapat ditentukan dengan mengguna-kan dua titik tertentu.Dari eksperimen ternyata untuk semua gas mempunyai nilai b yang sama (pada tekanan nol mempunyai temperatur yang sama, yaitu pada temperatur -273,150 CMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 1954, dibuat ketentuan referensi temperatur yaitu titik tripel air, yaitu air, uap air dan es dapat berada dalam kesetimbangan, yaitu pada temperatur 0,01 oC dan tekanan 0,61 kPa. Titik tripel air pada skala baru menjadi 273,16 K.Jika b = 0 dan P3 adalah tekanan pada titik triple maka : a = 273,16 K/ P3makaT = (273,16 K/ P3) Ppada tekanan rendah dan temperatur tinggi gas real dapat dipandang sebagai gas ideal, makaT = 273,16 K lim P/ P3 (Temperatur gas ideal ) P3 0Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 2.2. Skala Temperatur Celcius dan Fahrenheit.Pergeseran skala Celcius dengan temperatur absolut kelvin T sebesar 273,15 , maka Tc = T - 273,15Oleh karena itu titik beku air (273,15 K) berhubungan dengan 0,00 C dan titik didih air (373,15 K) berhubungan dengan 100,00 CMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Celcius-Fahrenheit

    Hubungan antara skala celcius dan skala Fahrenheit :TF = 9/5 TC + 32 Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 2.3. Termometer yang lain.Termometer hambatan platina : perubahan hambatan 0,3 % setiap 1 K. Dapat digunakan pada rentang : 14 K - 900 K dan dapat dikalibrasi untuk 0,0003 K pada titik triple air.Termokopel : Sambungan dari dua logam/alloy yang berbeda. Dapat mengukur pada rentang -180 C sampai 1500 C tergantung pada logamnya.Thermistor : dari bahan semikonduktor. Rentang temperatur yang terukur -50 C sampai 100 C dengan ketelitian 0,001 CMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Soal 1 :Carilah temperatur dalam skala Celcius yang ekivalen dengan 41oF!Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Solusi :tc = 5/9 (tf-32o) = 5/9 (41o- 32o) = 5oCMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 3. Pemuaian TermalBila temperatur sebuah benda naik, maka benda biasanya memuai

    Untuk sebuah batang panjang dengan panjang L pada temperatur T, jika temperatut berubah dengan T, maka perubahan panjang L sebanding dengan T dan panjang mula-mula L : L = L Tdengan dinamakan koefisien muai linear (satuan adalah 1/oc)Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Koefisen muai linear pada suatu temperatur ttt T diperoleh dengan mengambil limit T mendekati nol : = lim L/ L = 1 dLT0 T L dTKoefisien muai volume didefinisikan dengan cara yang sama sebagai rasio antara perubahan volume terhadap temperatur pada (tekanan konstan) = lim V/ V = 1 dVT0 T V dTUntuk kebanyakan bahan, muai volume adalah 3x muai linear : = 3 Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Soal 1 :Sebuah jembatan baja panjangnya 1000m. Berapakah pertambahan panjangnya bila temperatur naik dari 0o sampai 30oC?

  • SolusiDari tabel, koefisien muai linear untuk baja adalah 11 x 10-6 K-1.Jadi perubahan panjang untuk kenaikan temperatur 30oC = 30K adalah : L = L T = 11 x 10-6 K-1. 1000m . 30 K = 0,33m

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Soal 2:Sebuah bejana kaca 1 L diisi sampai penuh dengan alkohol pada 10oC. Jika temperatur naik menjadi 30oC, berapa banyak alkohol yang tumpah dari bejana tersebut?Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Solusi :Dengan menggunakan T = 20oC = 20K, dan koefisien muai linear untuk kaca : = 9 x 10-6 K-1 dan koefisien muai volume untuk alkohol = 1,1 x 10-3 K-1, maka :Perubahan volume bejana kaca : Vk = Vk T = 3 Vk T = 3(9 x 10-6 K-1). 1 L. 20 K = 5,4 x 10-4 L = 0,54 mlPerubahan volume alkohol : Va = Va T = 1,1 x 10-3 K-1. 1 L. 20 K = 2,2 x 10-2L = 22 mLJadi jumlah alkohol yang tumpah adalah : 22mL-0,54mL = 21,46mL

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • II.KalorKalori : suatu materi yang tak terlihat, yang mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah.

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • II.1 KALOR dan ENERGI TERMALKalor adalah energi yang dipindahkan akibat adanya perbedaan temperatur.Sedangkan energi dalam (termis) adalah energi karena temperaturnya. Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • II.1.1. Satuan KalorSatuan kalor adalah kalori dimana, 1 kalori adalah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gr air dari 14,5 C menjadi 15,5 C.Dalam sistem British, 1 Btu (British Thermal Unit) adalah kalor untuk menaikkan temperatur 1 lb air dari 63 F menjadi 64 F.1 kal = 4,186 J = 3,968 x 10-3 Btu1 J = 0,2389 kal = 9,478 x 10-4 Btu1 Btu = 1055 J = 252,0 kalMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • II.1.2 Kesetaraan Mekanik dari KalorDari konsep energi mekanik diperoleh bahwa bila gesekan terjadi pada sistem mekanis, ada energi mekanis yang hilang. Dan dari eksperimen diperoleh bahwa energi yang hilang tersebut berubah menjadi energi termal.Dari eksperimen yang dilakukan oleh Joule (aktif penelitian pada tahun 1837-1847) diperoleh kesetaraan mekanis dari kalor :1 kal = 4,186 jouleMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • II.1.3 KAPASITAS KALOR dan KALOR JENISKapasitas kalor (C) : jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari suatu sampel bahan sebesar 1 oC.Q = C TKapasitas panas dari beberapa benda sebanding dengan massanya, maka lebih mudah bila didefinisikan kalor jenis, c :Kalor jenis, c : jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari 1 gr massa bahan sebesar 1 oC.Q = m c T T2Bila harga c tidak konstan : Q = m c dT T1

    Catatan : untuk gas kalor jenis biasanya dinyatakan untuk satu mol bahan, dsb kalor jenis molar, Q = n c TMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Kalor jenis beberapa bahan pada 25 C.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 3. KALOR LATENSuatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi.Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalahQ = m Ldimana L adalah kalor laten.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 4. PERPINDAHAN KALORBila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal.Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu : konduksi, konveksi, dan radiasi.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 4.1. KonduksiProses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 4.1. KonduksiSebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudi yang makin membesar.Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Bila T2 dan T1 dipertahankan terus besarnya, maka kesetimbangan termal tidak akan pernah tercapai, dan dalam keadaan mantap/tunak (stedy state), kalor yang mengalir persatuan waktu sebanding dengan luas penampang A, sebanding dengan perbedaan temperatur T dan berbanding terbalik dengan lebar bidang xQ/t = H A T/xMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Untuk penampang berupa bidang datar :

    k adalah kondutivitas termal.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Konduktivitas termal untuk beberapa bahan :Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Untuk susunan beberapa bahan dengan ketebalan L1, L2,, ... dan konduktivitas masing-masing k1, k2,, ... adalah :H = A (T1 - T2 ) (L1/k1)

    Bagaimana dengan benda berbentuk silinder?

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 4.2. KonveksiApabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila perpindahannya dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (natural convection),dan bila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection).Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Besarnya konveksi tergantung pada : Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T).koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :# viscositas fluida# kecepatan fluida# perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida# kapasitas panas fluida# rapat massa fluida# bentuk permukaan kontak

    Konveksi :H = h x A x TMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • 4.3. RadiasiPada proses radiasi, energi termis diubah menjadi energi radiasi. Energi ini termuat dalam gelombang elektromagnetik, khususnya daerah inframerah (700 nm - 100 m). Saat gelombang elektromagnetik tersebut berinteraksi dengan materi energi radiasi berubah menjadi energi termal.Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :E = e T4dimana : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4. e : emitansi (0 e 1)Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III. THERMODINAMIKAMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.1. GAS IDEALDefinisi mikroskopik gas ideal :Suatu gas yang terdiri dari partikel-partikel yang dinamakan molekul.Molekul-molekul bergerak secara serampangan dan memenuhi hukum-hukum gerak Newton.Jumlah seluruh molekul adalah besarVolume molekuladalah pecahan kecil yang dapat diabaikan dari volume yang ditempati oleh gas tersebut.Tidak ada gaya yang cukup besar yang beraksi pada molekul tersebut kecuali selama tumbukan.Tumbukannya eleastik (sempurna) dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Jumlah gas di dalam suatu volume tertentu biasanya dinyatakan dalam mol. Misalkan suatu gas ideal ditempatkan dalam suatu wadah (container) yang berbentuk silinderMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Hukum Boyle : Bila gas dijaga dalam temperatur konstan, tekanannya ber-banding terbalik dengan volume.Hukum Charles & Gay-Lussac : Jika tekanan gas dijaga konstan, volume berbanding lurus dengan temperatur.Kesimpulan tersebut dapat dirangkum sebagai persamaan keadaan gas ideal :pV = nRTR = konstanta gas universal = 8,31 J/mol .K = 0,0821 Lt . atm/mol.KMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.2. KALOR dan USAHAKalor dan usaha sama-sama berdimensi tenaga (energi). Kalor merupakan tenaga yang dipindahkan (ditransferkan) dari suatu benda ke benda lain karena adanya perbedaan temperatur. Dan bila transfer tenaga tersebut tidak terkait dengan perbedaan temperatur, disebut usaha (work).

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Mula-mula gas ideal menempati ruang dengan volume V dan tekanan p. Bila piston mempunyai luas penampang A maka gaya dorong gas pada piston F = pA.Dimisalkan gas diekspansikan (memuai) secara quasistatik, (secara pelan-pelan sehingga setiap saat terjadi kesetimbangan), piston naik sejauh dy, maka usaha yang dilakukan gas pada piston :

    dW = F dy = p A dyA dy adalah pertambahan volume gas,dW = p dVBila volume dan tekanan mula-mula Vi dan pi dan volume dan tekanan akhir Vf dan pf , maka usaha total yang dilakukan gas : VfW = p dV ViMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Kerja yang dilakukan gas pada saat ekspansi dari keadaan awal ke keadaan akhir adalah luas dibawah kurva dalam diagram pV.

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Tampak bahwa usaha yang dilakukan dalam setiap proses tidak sama, walaupun mempunyai keadaan awal dan keadaan akhir yang sama.Usaha yang dilakukan oleh sebuah sistem bukan hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir, tetapi juga tergantung pada proses perantara antara keadaan awal dan keadaan akhir.

    Dengan cara yang sama, kalor yang dipindahkan masuk atau keluar dari sebuah sistemtergantung pada proses perantara di antara keadaan awal dan keadaan akhir.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.3. HUKUM PERTAMA THERMODINAMIKASuatu proses dari keadaan awal i ke keadaan akhir f, untuk setiap keadaan perantara (lintasan) yang berbeda memberikan Q dan W yang berbeda, tetapi mempunyai harga Q - W yang sama. Q - W hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir saja.Q - W ini dalam termodinamika disebut perubahan tenga internal (U = Uf - Ui ), sehingga :U = Q - Wyang dikenal sebagai hukum pertama termodinamika, yang merupakan hukum kekekalan energi.Untuk perubahan infinitisimal :dU = dQ - dWMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.4. KALOR JENIS GAS IDEALSecara mikroskopis, temperatur dari gas dapat diukur dari tenaga kinetik translasi rata-rata dari molekul gas tersebut, Untuk molekul yang terdiri satu atom, momoatomik, seperti He, Ne, gas mulia yang lain, tenaga yang diterimanya seluruhnya digunakan untuk menaikkan tenaga kinetik translasinya.Oleh karena itu total tenaga internalnya :U = 3/2 NkT = 3/2 nRTTampak bahwa U hanya merupakan fungsi T saja. Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Untuk suatu proses volume konstan (i -> f ), usaha yang diakukan gas : W = p dV = 0, maka menurut hukum pertama termodinamika,Q = U = 3/2 n R Tn cv T = 3/2 n R T cv = 3/2 RSeluruh kalor yang diterimanya, digunakan untuk menaikkan tenaga internal sistem. cv adalah kalor jenis molar gas untuk volume konstan.Untuk suatu proses volume konstan (i -> f ), usaha yang dilakukan gas W = p dV = p V, maka menurut hukum pertama termodinamikaU = Q - W = n cp T - p VMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Karena kedua proses tersebut mempunyai temperatur awal dan akhir yang sama maka U kedua proses sama.n cv T = n cp T - p VDari pV = nRT diperoleh p V = n R T , makan cv T = n cp T - n R T cp - cv = R Karena cv = 3/2 R, maka cp = 5/2 R, perbandingan antara kuantitas tersebut = cp / cv = 5/3Untuk gas diatomik dan poliatomik dapat diperoleh dengan cara yang sama :gas diatomik ( U = 5/2 nRT) : = 7/5gas poliatomik (U = 3 nRT) : = 4/3Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.5. PROSES-PROSES DALAM TERMODINAMIKAMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.5.1. Proses Isokoris (volume konstan)Bila volume konstan, p/T = konstan,pi/ Ti = pf/Tf

    Pada proses ini V = 0, maka usaha yang dilakukan W = 0, sehingga Q = U = n cv T

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.5.2. Proses Isobaris (tekanan konstan)Bila tekanan konstan, V/T = konstan, Vi/ Ti = Vf/Tf

    Pada proses ini usaha yang dilakukan W = p V = p (Vf - Vi ) , sehingga U = Q - W U = n cp T - p V

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.5.3 Proses Isotermis (temperatur konstan)Bila temperatur konstan, pV = konstanpiVi = pfVf

    Pada proses ini T = 0, maka perubahan tenaga internal U = 0, dan usaha yang dilakukan :W = p dVp = nRT/V, makaW = nRT (1/V) dVW = nRT ln (Vf/Vi)Q = W

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.5.4. Proses AdiabatisPada proses ini tidak ada kalor yang masuk, maupun keluar dari sistem, Q = 0. Pada proses adiabatik berlaku hubungan pV= konstan piVi = pfVf

    Usaha yang dilakukan pada proses adiabatis :W = p dVp = k/V , k = konstan , makaW = (k/V ) dVW = 1/(1-) { pfVf - piVi} U = -W

  • III.6. PROSES TERBALIKKAN & PROSES TAK TERBALIKKANSecara alami kalor mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, tidak sebaliknya.Balok meluncur pada bidang, tenaga mekanik balok dikonversikan ke tenaga internal balok & bidang (kalor) saat gesekan.Proses tersebut termasuk proses tak terbalikkan (irreversible). Kita tidak dapat melakukan proses sebaliknya.

    Proses terbalikkan terjadi bila sistem melakukan proses dari keadaan awal ke keadaan akhir melalui keadaan setimbang yang berturutan. Hal ini terjadi secara quasi-statik. Sehingga setiap keadaan dapat didefinisikan dengan jelas P, V dan T-nya. Sebaliknya pada proses irreversible, kesetimbangan pada keadaan perantara tidak pernah tercapai, sehingga P,V dan T tak terdefinisikan.

  • III.7. MESIN KALORRangkaian dari beberapa proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama disebut siklus.

    Untuk sebuah siklus, T = 0 oleh karena itu U = 0. Sehingga Q = W.Q menyatakan selisih kalor yang masuk (Q1) dan kalor yang keluar (Q2) (Q = Q1- Q2) dan W adalah kerja total dalam satu siklus.

  • III.7.1. Siklus CarnotTahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien.Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis.

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur Th (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor Th dari reservoir dan melakukan usaha Wab menggerakkan piston.Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas turun dari Th ke Tc (temperatur rendah) dan melakukan usaha Wab .Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur Tc (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Qc dari reservoir dan mendapat usaha dari luar Wcd.Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas naik dari Tc ke Th dan mendapat usaha Wda .

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot : = W/Qh = 1 - Qc /Qh karena Qc /Qh = Tc /Thmaka = 1 - Tc /ThMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.7.2. Mesin BensinProses dari mesin bensin ini dapat didekati dengan siklus Otto.Proses O-A : Udara ditekan masuk ke dalam silinder pada tekanan atmosfir dan volume naik dari V2 menjadi V1.Proses A-B : gas ditekan secara adiabatik dari V1 menjadi V2 dan temperaturnya naik Dari TA ke TB.

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Proses B-C : terjadi proses pembakaran gas (dari percikan api busi), kalor diserap oleh gas Qh. Pada proses ini volume dijaga konstan sehingga tekanan dan temperaturnya naik menjadi pC dan TC.Proses C-D : Gas berekspansi secara adiabatik, melakukan kerja WCD.Proses D-A : kalor Qc dilepas dan tekanan gas turun pada volume konstan.Proses A-O : dan pada akhir proses, gas sisa dibuang pada tekanan atmosfir dan volume gas turun dari V1 menjadi V2.Bila campuran udara-bahan bakar dianggap gas ideal, efisiensi dari siklus Otto adalah : = 1 - 1/(V1/V2) -1.V1/V2 disebut rasio kompresi.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.7.3. Mesin Diesel.Mesin diesel diidealkan bekerja dengan siklus Diesel.

    Berbeda dengan mesin bensin, pembakaran gas dilakukan dengan memberikan kompresi hingga tekanannya tinggi.Pada proses BC terjadi pembakaran gas berekspansi sampai V3 dan dilanjutkan ekspansi adiabatik sampai V1. Rasio kompresi siklus Diesel lebih besar dari siklus Otto sehingga lebih efisien.

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.7. 4. Heat Pumps dan Refrigerators.Heat pump adalah peralatan mekanis untuk memanaskan atau mendinginkan ruang dalam rumah/gedung. Bila berfungsi sebagai pemanas gas yang bersirkulasi menyerap panas dari luar (eksterior) dan melepaskannya di dalam ruang (interior). Bila difungsikan sebagai AC, siklus dibalik.

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Efektifitas dari heat pump dinyatakan dalam Coefisien of Perfoment (COP),COP =Qh/WRefrigerator, seperti dalam heat pump, memompa kalor Qc dari makanan di dalam ruang ke luar ruangan.COP = Qc/WMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.8. HUKUM KEDUA TERMODINAMIKAMesin kalor yang telah dibahas sebelumnya menyatakan :- kalor diserap dari sumbernya pada temperatur tinggi (Qh)- Usaha dilakukan oleh mesin kalor (W).- Kalor dilepas pada temperatur rendah (Qc).Dari kenyataan ini menujukkan bahwa efisiensi mesin kalor tidak pernah berharga 100 %. karena Qc selalu ada dalam setiap siklus. Dari sini Kelvin-Planck menyatakan :Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor, yang beroperasi pada suatu siklus, hanyalah mentransformasikan ke dalam usaha semua kalor yang diserapnya dari sebuah sumber.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Sebuah heat pumps (atau refrigerator), menyerap kalor Qc dari reservoir dingin dan melepaskan kalor Qh ke reservoir panas. Dan ini hanya mungkin terjadi bila ada usaha/kerja yang dilakukan pada sistem. Clausius menyatakan :Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan tidak ada efek lain, selain daripada menyampaikan kalor secara kontinyu dari sebuah benda ke benda lain yang bertemperatur lebih tinggi.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Secara sederhana, kalor tidak dapat mengalir dari objek dingin ke objek panas secara spontan.Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • III.9. ENTROPIKonsep temperatur muncul dalam hukum ke-nol termodinamika. Konsep energi internal muncul dalam hukum pertama termodinamika. Dalam hukum kedua termodinamika muncul konsep tentang entropi.Misal ada proses terbalikkan, quasi-statik, jika dQ adalah kalor yang diserap atau dilepas oleh sistem selama proses dalam interval lintasan yang kecil,dS = dQ/T

    Entropi dari alam naik bila proses yang berlangsung alamiahPerubahan entropi dari suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem.

    fS = dS = dQ/T iMukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar

  • Untuk proses dalam satu siklus perubahan entropi nol S = 0.Untuk proses adiabatik terbalikkan, tidak ada kalor yang masuk maupun keluar sistem, maka S = 0. Proses ini disebut proses isentropik.Entropi dari alam akan tetap konstan bila proses terjadi secara terbalikkan.

    Untuk proses quasi-statik, terbalikkan, berlaku hubungan : dQ = dU + dW dimana dW = pdV.

    Untuk gas ideal, dU = ncv dT dan P = nRT/V, oleh karena itudQ = dU + pdV = ncv dT + nRT dV/Vbila dibagi dengan TdQ/T = ncv dT/T + nR dV/VS = dQ/T = ncv ln(Tf/Ti) + nR ln(Vf/Vi)Mukhtar Effendi Fisika Dasar

    Mukhtar Effendi Fisika Dasar