Sistem Dan Lingkungan
Click here to load reader
-
Upload
komang-suardika -
Category
Documents
-
view
229 -
download
1
description
Transcript of Sistem Dan Lingkungan
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
Sistem dan Lingkungan
1. Pengertian umum termodinamika
Termodinamika berasal dari bahasa Yunani, yaitu thermos yang artinya panas dan
dynamic yang artinya perubahan . Termodinamika merupakan cabang dari ilmu fisika
yang mempelajari tentang proses perpindahan energy sebagai kalor dan usaha antara
system dan lingkungan.. Prinsip - prinsip termodinamika dapat dirangkum menjadi 3
hukum yaitu hukum ke nol Termodinamika yang menjelaskan tentang kesetimbangan
termal, hukum I Termodinamika yang merupakan pernyataan hukum kekekalan energy,
dan hukum II termodinamika yang memberikan batasan tentang arah perpindahan kalor
yang dapat terjadi dan prinsip peningkatan entropi.
Prinsip-prinsip dan metode-metode termodinamika digunakan untuk menjelaskan
kerja beberapa system, menjelaskan mengapa suatu system tertentu tidak bekerja seperti
yang diinginkan, menjelaskan mengapa suatu system sama sekali tidak mungkin bekerja,
serta digunakan untuk merencanakan system atau mesin-mesin, seperti motor bakar.
2. Sistem termodinamika dan lingkungan
Sistem termodinamika adalah suatu batasan yang dipakai untuk menunjukkan
benda kerja dalam suatu permukaan tertutup. Permukaan tertutup dapat berupa khayalan
maupun berupa kenyataan. Contohnya :
Sebongkah es terapung di atas air, maka yang merupakan sistem adalah es dan air
merupakan permukaan tertutup, sehingga dalam hal ini permukaan tertutup adalah
keadaan khayalan.
Udara yang ditekan di dalam suatu silinder, maka yang merupakan system adalah
udara yang ditekan dalam silinder, sedangkan sedangkan permukaan tertutupnya
adalah permukaan yang dibatasi silinder. sehingga dalam hal ini permukaan
tertutup adalah kenyataan.
Sistem termodinamika mempunyai batas system, dan segala sesuatu yang berada
di luar sistem disebut lingkungan. Batas antara sistem dan lingkungan ada tiga, yaitu
dinding diatermik, dinding adiabatik, dan rigid. Dinding diatermik adalah batas antara
sistem dan lingkungan yang memungkinkan terjadi pertukaran kalor antara sistem dengan
Sistem Termodinamika
Skema : Sistem Termodinamika
Batas Sistem
Lingkungan
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
lingkungan. Dinding adiabatik merupakan batas antara sistem dengan lingkungan yang
tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan.
Dinding rigid merupakan batas antara sistem dan lingkungan yang tidak memungkinkan
terjadi pertukaran kerja.
Sistem termodinamika di klasifikasikan menjadi tiga yaitu : Sistem tertutup, Suatu
sistem disebut tertutup apabila hanya terjadi pertukaran energi tetapi tidak terjadi
pertukaran materi dengan lingkungan. Contoh nya pada balon udara yang dipanaskan,
dimana energy panas akan masuk ke massa udara di dalam balon dan volumenya bisa
berubah, tetapi massa udara di dalam balon. Sistem terbuka, merupakan system dimana
antara system dan lingkungan memungkinkan terjadi pertukaran materi dan energi. Batas
yang memperbolehkan terjadi pertukaran materi disebut batas permeable. Sistem
terisolasi, adalah antara system dan lingkungan tidak terjadi pertukaran materi , dan
energy( panas dan kerja)
System memiliki sifat-sifat yaitu sifat ekstensif dan sifat intensif. Sifat ekstensif
merupakan sifat system yang harga untuk keseluruhan system merupakan jumlah dari
harga komponen-komponen individu system tersebut, Contohnya, volume total, massa
total, energy total. Sedangkan sifat intensif merupakan sifat system yang bukan
merupakan jumlah dari komponen-komponen individu system tersebut, contohnya sifat
temperature, tekanan daan kerapatan system.
Gas( p, V, dan T )
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
3. Keadaan sistem (State of a system)
Keadaan sistem termodinamika dapat dinyatakan dengan beberapa besaran,
diantaranya tekanan (P), temperature (T), volume (V), dan kerapatan. Dalam
termodinamika besaran dibedakan menjadi dua yaitu, besaran extensif dan besaran
intensif. Besaran extensif adalah suatu besaran yang dipengaruhi oleh massa atau jumlah
mol sistem. Contohnya adalah volume, kapasitas panas (C). Besaran intesif adalah suatu
besaran yang tidak dipengaruhi oleh massa atau jumlah mol sistem. Contohnya adalah
tekanan dan temperatur. Keadaan sistem sangat bergantung pada koordinat sistem.
Dalam hal ini koordinat sistem atau variabel keadaan sistem adalah suatu kwantitas yang
dapat menggambarkan keadaan sistem. Keadaan sistem akan berubah jika koordinatnya
berubah. Contoh: Gas dalam silinder, keadaan sistem dinyatakan dengan tekanan,
volume, temperatur. yang dalam hal ini p, V, dan T merupakan koordinat termodinamika/
variabel keadan sistem. Keadaan sistem akan berubah jika p, V, dan T gas berubah (Rapi,
2009).
Keadaan sistem baru bisa dinyatakan dengan koordinat sistem jika sistem berada
dalam kesetimbangan termodinamika. Dimana sistem dalam keadaan kesetimbangan
termodinamika jika sistem berada dalam keadaan kesetimbangan mekanis, kimiawi, dan
kesetimbangan termal.
Sistem berada dalam kesetimbangan mekanis, jika resultan gaya yang bekerja di
bagian dalam sistem atau antara sistem dengan ingkungan sama dengan nol
(Tekana diseluruh bagian sistem sama).
Sistem berada dalam keseimbangan kimiawi, jika sistem tidak mengalami
perubahan spontan dari struktur internalnya. Dimana tidak terjadi reaksi-reaksi
kimiawi yang dapat mengubah jumlah partikel semulanya, didalamnya tidak
terjadi perpindahan zat dari bagian yang satu ke bagian yang lain(difusi) dan tidak
terjadi pelarutan atau kondensasi.
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
Sistem berada dalam kesetimbangan termal, jika temperatur sistem sama dengan
temperatur lingkungannya, dan temperatur semua bagian sistem sama.
Sistem dikatakan berubah jika koordinat pada sistem berubah secara spontan
ataupun pengaruh dari luar, bila sistem berubah biasanya terjadi interaksi sistem dengan
lingkungannya (Zemansky dan Dittman, 1986).
Setiap sistem dengan massa tetap melakukan tekanan hidrostatik sebagaimana
pada lingkungannya, tanpa efek permukaan, gravitasi, listrik dan kemagnetan disebut
sistem hidrostatik. Keadaan setimbang sistem hidrostatik dapat diperkirakan dengan
bantuan tiga koordinat yaitu tekanan P, yang ditimbulkan oleh sistem pada lingkungan,
volume V, dan temperature T. Tekanan diukur dalam newton per meter kuadrat (pascal)
dan volume dalam meter kubik, dan skala temperatur yang digunakan adalah skala
temperature gas ideal (Zemansky & Dittman, 1986).
Apabila tidak ada gaya yang berimbang di bagian dalam sistem dan juga tidak
antara sistem dengan lingkungan maka sistem dikatakan dalam keadaan setimbang
mekanis. Jika persyaratan itu tidak dipenuhi maka sistem dan lingkungan akan
mengalami perubahan keadaan dan baru berhenti jika kesetimbangan mekanisnya pulih.
Apabila sistem pada keadaan setimbang mekanis tidak cenderung mengalami
perubahan spontan dari struktur internalnya seperti reaksi kimia atau perpindahan materi
maka sistem dikatakan dalam keadaan setimbang kimia. Jika persyaratan itu tidak
dipenuhi maka sistem dan lingkungan akan mengalami perubahan keadaan dan baru
berhenti jika kesetimbangan kimianya pulih.
Kesetimbangan termal terjadi apabila tidak terjadi perubahan spontan dalam
koordinat sistem yang ada dalam kesetimbangan mekanis dan kesetimbangan kimia bila
sistem itu dipisahkan dari lingkungannya.
4. Pengertian proses
Proses dalam termodinamika merupakan suatu perubahan yang terjadi pada
koordinat termodinamika. Koordinat termodinamika merupakan suatu kuantitas
makroskopis yang dipakai dalam termodinamika itu sendiri. Koordinat termodinamika,
misalnya volume, tekanan, temperatur dan yang lainnya. Jika koordinat termodinamika
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
tersebut berubah maka sistem dikatakan mengalami proses. Sistem mengalami proses
karena adanya interaksi antara sistem dengan lingkungan. Terdapat tiga jenis interaksi
yaitu sebagai berikut:
1. Interaksi melalui usaha luar
2. Interaksi melalui pertukaran kalor
3. Interaksi melalui usaha luar + pertukaran kalor
A. Interaksi Melalui Usaha Luar
Terjadinya proses melalui interaksi ini menyatakan bahwa usaha luar itu dilakukan
oleh sistem. ika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas,
usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika
volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan
dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.
W = p∆V= p(V2 – V1)
Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan
volume yang ditulis sebagai
Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume
gas dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas
daerah di bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen
dengan luas daerah di bawah grafik.
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang)
dan V2 > V1. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap
gas) apabila volume gas mengecil atau V2 < V1 dan usaha gas bernilai negatif.
B. Interaksi Melalui Pertukaran Kalor
Kalor dalam termodinamika dianggap sebagai energi dalam perjalanan yang
melewati batas yang memisahkan sebuah sistem dengan lingkungan. Namun, berbeda
dengan kerja, perpindahan kalor yang dihasilkan dari perbedaan suhu antara sistem dan
lingkungannya. Interaksi ini secara garis besarnya hanya dipengaruhi oleh perpedaan
suhu sistem dengan lingkungannya.
C. Interaksi Melalui Usaha Luar + Pertukaran Kalor
Proses juga dapat terjadi akubat adanya interaksi melaui usaha luar dan juga terjadi
perpindahan kalor. Ini artinya bahwa dalam proses tersebut selain terjadi perubahan pada
aspek makroskopik juga terjadi perubahan yang disebabkan karena adanya perbedaan
suhu antara sistem dengan lingkungan, sehingga selain terjadi usaha luar juga terjadi
pertukaran kalor.
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
Dalam mempelajari suatu sistem terdapat beberapa dasar umum yang harus
dipelajari yaitu sebagai berikut.
1. Proses Reversibel
Proses reversibel adalah suatu proses yang keadaan mula-mula dari sistem dapat
dikembalikan tanpa merubah keadaan sekelilingnya. Proses reversibel juga dapat
diartikan suatu proses yang berlangsung sangat lambat, sehingga setiap saat sistem
selalu dalam keadaan setimbang. Proses revrsibel ini merupakan suatu hal yang
idealistis dimana secara kajian alam, tidak mungkin terjadi hal tersebut.
2. Proses Ireversibel
Proses ireversibel adalah suatu proses yang keadaan mula-mula dari sistem tidak dapat
dikembalikan tanpa merubah keadaan disekelilingnya.
Contoh:
Terjadinya perpindanghan kalor dari suhu tinggi ke suhu rendah. Proses tersebut tidak
dapat terjadi dalam hal kebalikannnya, yaitu kalor berpindah dari suhu rendah ke suhu
tinggi. Dan perpindahan kalor yang telah terjadi dari suhu tinggi ke suhu rendah tidak
dapat ditransfer kembali ke keaadan semula.
3. Proses Adiabatik
Proses adiabatik adalah suatu proses yang tidak disertai dengan pertukaran kalor antara
sistem dengan lingkungannya. Antara sistem dan lingkungannya hanya terjadi interaksi
melalui usaha luar. Proses adiabatik terjadi, misalnya pada ekspansi uap di dalam
selinder pada sebuah mesin uap, pemuaian gas yang sangat cepat pada mesin
pembakaran. Demikian pula pada system pendinginan dan kompresi udara pada mesin
diesel atau di dalam sebuah mesin kompresor udara. Di samping itu, kompresi dan
perenggangan sebuah gelombang bunyi di dalam suatu gas adalah proses-proses
adiabatik.
4. Proses Isotermis
Proses isotermis adalah proses dalam suatu sistem yang suhunya dipertahankan tetap.
Misalnya, kita meninjau suatu sistem dari keadaan gas ideal, jika suhunya konstan
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
maka kalor yang diberikan pada sistem seluruhnya dipergunakan untuk melakukan
kerja. Secara matematik dirumuskan sebagai berikut.
Q = W
Misalkan, gas ideal mengalami ekspansi secara kuasi statik pada temperatur konstan
seperti yang ditunjukkan dengan diagram PV dibawah ini.
PV untuk ekspansi isothermal gas ideal dari keadaan awal dan keadaan akhir. Kurva berbentuk parabola
Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh gas yang berekspansi dari keadaan awal
i sampai keadaan akhir f. Kerja yang dilakukan gas diberikan dengan persamaan
sebagai berikut.
Karena temperatur T konstan, maka dapat dikeluarkan dari integral, sehingga
diperoleh:
Secara numerik, kerja W adalah luas daerah diarsir di bawah kurva PV pada Gambar
4.1.4. Karena gas mengalami ekspansi, maka Vf > Vi, ini berarti kerja yang dilakukan
oleh gas berharga positif. Sebaliknya, jika maka Vf < Vi, ini berarti kerja yang
dilakukan oleh gas berharga negatif.
Pi
Pf
Vi Vf
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
5. Proses Isokorik
Proses isokorik adalah proses dalam suatu sistem yang velomenya dipertahankan tetap.
ini berarti dV = 0 dan dalam proses ini berlaku rumus p/T= C. Dalam proses isokorik
ini penambahan kalor ke dalam sistem, seluruhnya dipergunakan untuk menaikkan
energi dalam.
6. Proses Isobar
Proses isobar adalah proses dalam suatu sistem yang tekanannya dipertahankan tetap.
ini berarti dP = 0 dan dalam proses ini berlaku rumus: V/T = C. Jika melihat besarnya
usaha yang dilakukan dalam proses ini dapat dirumuskan sebagai berikut.
W=∫V i
V f
PdV= P(Vf – Vi)
Proses isobarik ini dapat dijumpai pada kasus pemanasan air di dalam ketel mesin uap
sampai ke titik didihnya dan diuapkan sampai air menjadi uap, kemudian uap tersebut
disuperpanaskan (superheated), dengan semua proses berlangsung pada suatu tekanan
konstan. Sistem tersebut adalah H2O di dalam sebuah wadah yang berbentuk selinder.
Sebuah pengisap kedap udara yang tak mempunyai gesekan dibebani dengan pasir
untuk menghasilkan tekanan yang diinginkan pada H2O dan untuk mempertahankan
tekanan tersebut secara otomatis. Kalor dapat dipindahkan dari lingkungan ke sistem
dengan menggunakan sebuah pembakar bunsen. Jika proses tersebut terus berlangsung
cukup lama, maka air mendidih dan sebagian air tersebut diubah menjadi uap. Sistem
tersebut bereskpansi secara kuasi statik tetapi tekanan yang dikerahkan sistem pada
pengisap otomatis akan konstan.
Luasan di bawah kurva = usaha yang dilakukan sistem
Pemisah Diabat
Sistem AX,Y
Sistem BX’Y’
Sistem AX,Y
Sistem BX’Y’
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
5. Temperatur dan Termometer
5.1 Temperatur
Tinjauan Hukum ke – Nol Termodinamika
Temperatur menyatakan ukuran panas atau dinginnya suatu benda. Sebelum jauh
meninjau mengenai konsep dari temperatur, maka adapun suatu gambaran yang dapat
dijadikan sebagai bahan dalam pembahasan ini yaitu sebagai berikut.
Keadaan sistem yang memiliki harga Y dan X tertentu selama kondisi eksternal
tidak berubah disebut dengan keadaan setimbang. Adanya keadaan setimbang dalam suatu
sistem bergantung pada sistem lain yang ada di dekatnya dan sifat dinding yang
memisahkannya. Dindingnya dapat beruba dinding diabatik atau diaterm. Jika dindingnya
diabat maka, untuk sistem A yang mempunyai keadaan X, Y dan sistem B yang
mempunyai keadaan X’,Y’ dapat bersama-sama sebagai keadaan setimbang untuk setiap
harga yang bisa dimiliki oleh keempat kuantitas itu, asal dinding itu dapat menahan
koordinat itu. Yang termasuk dalam dinding diabat, misalnya kayu, beton, asbes, kain,
beludru, karet busa, dan yang lainnya. Jika kedua sistem dipisahkan dengan dinding
diaterm harga Y,X dan Y’,X’ akan berubah secara spontan sampai keadaan setimbang
sistem gabungan ini tercapai.
Dalam keadaan demikian, kedua sistem itu dalam kesetimbangan termal. Dinding
diaterm yang sering dijumpai ialah lempengan logam tipis. Kesetimbangan termal adalah
keadaan yang dicapai oleh dua atau lebih sistem yang dicirikan oleh keterbatasan harga
koordinat sistem itu setelah sistem saling berinteraksi melalui dinding diaterm. Bayangkan
Pemisah Diaterm
Sistem C
Sistem A Sistem B
Jika A dan B dalam kesetimbangan dengan C
Sistem C
Sistem A Sistem B
Jika A dan B dalam kesetimbangan termal satu sama lain
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
dua sistem A dan B yang dipisahkan oleh dinding adiabat, tetapi masing-masing
bersentuhan dengan sistem ketiga, yaitu C melalui dinding diaterm dan ketiga sistem
berada pada dinding diabatik seperti gambar berikut.
Percobaan memperlihatkan bahwa kedua sistem akan mencapai kesetimbangan termal
dengan sistem ketiga dan tidak akan ada perubahan lagi jika dinding adiabat yang memisahkan A
dan B digantikan oleh dinding diaterm seperti gambar dibawah ini.
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
Jika alih-alih dibiarkan sistem A dan B mencapai kesetimbangan dengan C pada
waktu yang bersamaan, mula-mula kita dapatkan kesetimbangan antara A dan C,
kemudian kesetimbangan antara B dengan C. Bila A dan B dibiarkan berinteraksi melalui
dinding diaterm, kedua sistem itu ternyata dalam kesetimbangan termal. Untuk
menyatakan bahwa kedua sistem itu dalam keadaan sedemikian, sehingga jika kedua
sistem itu berhubungan melalui dinding diaterm, maka sistem gabungannya akan tetap
dalam kesetibangan termal. Berdasarkan dari pernyataan itu maka dapat dibuatkan suatu
postulat yang menyatakan bahwa “Dua sistem yang ada dalam kesetimbangan termal
dengan sistem ketiga, berarti dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Postulat itu
sebagai hukum ke nol termodinamika.
5.2 Konsep Termometer
Thermometer merupakan alat pengukur suhu. Adapun jenis thermometer berdasarkan
atas gejala dimana besaran fisis tertentu berubah apabila suhu berubah yaitu
Thermometer gas pada tekanan tetap, yaitu thermometer yang volume gasnya
berubah akibat perubahan temperature dan dapat dinyatakan dengan
persamaan : V = V(T)
Thermometer cairan, yaitu thermometer yang panjang cairannya akan berubah
karena perubahan temperature dan dinyatakan dengan persamaan : L = L(T)
Thermometer resistor, yaitu jenis thermometer yang tahanan jenisnya akan
berubah akibat perubahan temperature dan dapat dinyatakan dengan
persamaan : ρ = ρ(T )
Pirometer , yaitu jenis thermometer yang intensitasnya berubah karena
perubahan suhu, dan dapat dinyatakan dengan persamaan : I = I(T)
Termistor jenis thermometer yang kuat arusnya berubah karena perubahan
suhu, dan dapat dinyatakan dengan persamaan : i = i(T)
Termokopel , jenis thermometer yang GGL nya berbuah karena perubahan
suhu, dan dinyatakan dengan persamaan E = E(T)
KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA
V , L , dan ρ disebut dengan thermometric property yaitu suatu sifat fisis yang
berubah karena perubahan temperature. Jika thermometric property dilambangkan
dengan x, maka dapat dirumuskan x = x (T), untuk kemudahan dalam membaca
skala, maka x dipilih sebagai fungsi linier dari temperature, sehingga dapat
dirumuskan : x = CT atau
xT
=C atau
x1
T1
=x2
T 2 .
Maka suhu yang hendak diukur dapat dirumuskan :
T 1=T 2
x1
x2 …………………………………………………………..(1)
Dengan,
T1 = suhu yang hendak diukur
T2 = suhu acuan
x1 = nilai thermometric property pada suhu yang hendak diukur
x2 = nilai thermometric property pada suhu acuan
Titik acuan yang diambil adalah suhu tripel air murni dengan nlai T2 = 273,16 K,
sehingga persamaan (1) akan menjadi,
T 1=273 , 16x1
x2
K………………………………………………...(2)
Sehingga Skala suhu pada thermometer gas pada volume tetap, dapat dirumuskan,
T=273 , 16PP2
K………………………………………………...(3)
Jika jumlah gas yang digunakan tinggal sedikit, maka pada thermometer gas
volume tetap, hubungan linier antara P dan T benar-benar terpenuhi dengan baik.
Sehingga persamaannya merupakan definisi suhu gas ideal, yaitu ;
T=lim it P , P→0 273 , 16PP2
K………………………………………………...(4)