Termodinamika Gn 15
-
Upload
rainhard-saliama -
Category
Documents
-
view
20 -
download
0
description
Transcript of Termodinamika Gn 15
25/04/2016
1
25/04/2016
2
Gas IdealGas Ideal
� Terdiri atas partikel (atom atau molekul) yang jumlahnya besar
� Partikel-partikel tersebut tersebar merata dalam seluruh ruang
� Partikel-partikel tersebut bergerak acak ke segala arah
� Jarak antar partikel jauh lebih besar dari ukuran partikel
� Tidak ada gaya interaksi antar partikel kecuali bila bertumbukan
� Semua tumbukan (antar partikel atau dengan dinding) bersifat lenting sempurna dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat
� Hukum Newton tentang gerak berlaku
Persamaan Keadaan Gas IdealPersamaan Keadaan Gas Ideal
P = Tekanan gas [N.m-2]
V = Volume gas [m3]
n = Jumlah mol gas [mol]
N = Jumlah partikel gas
NA = Bilangan Avogadro = 6,02 x 1023 molekul/mol
R = Konstanta umum gas = 8,314 J/mol.K = 1,99 kal/mol.K = 0,08 l.atm/mol.K
kB = Konstanta Boltzmann = 1,38 x 10-23 J.K-1
T = Temperatur mutlak gas [K]
Pada n tetap, berlaku HukumPada n tetap, berlaku HukumPada n tetap, berlaku HukumPada n tetap, berlaku Hukum BBBBoyleoyleoyleoyle----GayGayGayGay----Lussac: PV/T=CLussac: PV/T=CLussac: PV/T=CLussac: PV/T=C ; ; ; ; C = konstanC = konstanC = konstanC = konstan
TNknRTPV B==AN
Nn =
25/04/2016
3
Dari Dari Dari Dari persapersapersapersammmmaan aan aan aan gas ideal PV = nRT, dapat di gas ideal PV = nRT, dapat di gas ideal PV = nRT, dapat di gas ideal PV = nRT, dapat di
jabarkan:jabarkan:jabarkan:jabarkan:
• PadaPadaPadaPada (n, T) (n, T) (n, T) (n, T) tetaptetaptetaptetap, (, (, (, (isotermikisotermikisotermikisotermik))))berlakuberlakuberlakuberlaku HukumHukumHukumHukum Boyle: PV = CBoyle: PV = CBoyle: PV = CBoyle: PV = C
• PadaPadaPadaPada (n, V) (n, V) (n, V) (n, V) tetaptetaptetaptetap, (, (, (, (isokhorikisokhorikisokhorikisokhorik))))berlakuberlakuberlakuberlaku HukumHukumHukumHukum GayGayGayGay----Lussac: P/T=CLussac: P/T=CLussac: P/T=CLussac: P/T=C
• PadaPadaPadaPada ((((n,Pn,Pn,Pn,P) ) ) ) tetaptetaptetaptetap, (, (, (, (isobarikisobarikisobarikisobarik))))berlakuberlakuberlakuberlaku HukumHukumHukumHukum GayGayGayGay----Lussac: V/T= CLussac: V/T= CLussac: V/T= CLussac: V/T= C
• PadaPadaPadaPada n n n n tetaptetaptetaptetap, , , , berlakuberlakuberlakuberlaku HukumHukumHukumHukum
BoyleBoyleBoyleBoyle----GayGayGayGay----Lussac: PV/T=CLussac: PV/T=CLussac: PV/T=CLussac: PV/T=C
C = C = C = C = konstankonstankonstankonstan
Soal 1Soal 1
Tentukan volume 1 mol gas apa saja pada STP [Standard
Temperature (273 K) and Pressure (1 atm)], dengan
menganggap gas adalah ideal!
Gas Ideal : nRTPV=P
nRTV =
n = 1 mol
R = 8,314 J/mol.K
T = 273 K
P = 1 atm = 1,0.105 Pa
V = 22,3 x 10-3 m3 = 22,4 liter
25/04/2016
4
Soal 2Soal 2
Sebuah ban mobil diisi sampai tekanan ukur 200 kPa pada
temperatur 10°C. Setelah berkendaraan 100 km temperatur di
dalam ban naik menjadi 40°C. Berapa tekanan ukur di dalam ban
sekarang?
Volume ban dapat dianggap konstan, sehingga
2
2
1
1
T
P
T
P=
1
1
22 P
T
TP =
T2 = 40oC = 40 + 273 = 313 K
T1 = 10oC = 10 + 273 = 283 K
P1 = P1(absolut) = Patm + P1 (ukur)
101 kPa + 200 kPa = 301 kPa
Bila dihitung : P2(absolut) = 333 kPa, sehingga
P2 (ukur) = 333 -101 = 232 kPa
SoalSoal 33
� Paru-paru manusia mampu menampung 6 liter udara pada suhutubuh normal (37°C) dan tekanan 1 atm. Jika udara terdiri atasoksigen (21%), berapakah jumlah molekul oksigen yang ada dalamparu-paru? Anggap udara sebagai gas ideal. Ingat: kB = 1,38.10
-23 J/Kdan 1 atm = 101 kPa.
Jawab:
25/04/2016
5
TermodinamikaCabang ilmu fisika yang mempelajari:
1. Pertukaran energi dalam bentuk:- Kalor- Kerja
2. Sistem
----------------Pembatas (boundary)3. Lingkungan
25/04/2016
6
SISTEMSISTEM
LINGKUNGANLINGKUNGANBoundary
Sistem dan LingkunganSistem dan Lingkungan
Sistem : Benda yang menjadi target perhatian
Lingkungan: Semua benda di luar sistem
TIGA MACAM SISTEM
1. SISTEMTERBUKA:Ada pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungannya.
Misal: lautan, tumbuh-tumbuhan, hewan
2. SISTEMTERTUTUPAda pertukaran energi tetapi TIDAK terjadi pertukaran massa sistemdengan lingkungannya.
Misal: Green House ada pertukaran kalor tetapi tidak terjadi pertukaran
kerja dengan lingkungan.
3. SISTEM TERISOLASI :TIDAK ada pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungan.
Misal: tabung gas yang terisolasi.
25/04/2016
7
ENERGI DALAM / ENERGI TERMAL U
� Jumlah total energi yang dimiliki semua molekul yang ada dalam sistem
� Tergantung pada temperatur sistem
� Makin tinggi temperaturnya, makin besar pula energi termal sistem
� Secara teoritik, untuk gas berlaku
U n R T=3
2. .
Kerja/usaha luar (W) Kerja/usaha luar (W)
� Usaha luar ( W ) yaitu : Usaha yang dilakukan oleh sistem terhadap sekelilingnya. Misalkan gas dalam ruangan yang berpenghisap bebas tanpa gesekan dipanaskan ( pada tekanan tetap ) ; maka
volume akan bertambah dengan V
� Usaha yang dilakukan oleh gas terhadap
udara luar :
W = p.∆∆∆∆V
25/04/2016
8
Hukum I Termodinamika
Pernyataan tentang kekekalan energi dalamsistem:
∆U = Q –W
Perubahan energi dalam sistem sama dengankalor yang ditambahkan ke sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem
HUKUM I TERMODINAMIKA
∆ U = Q - W
∆∆∆∆U : perubahan energi termal atau energi dalam
Q : kalor total yang ditambahkan pada atau dikeluarkan dari sistem
W : kerja total yang dilakukan oleh atau dikerjakan pada sistem
Q : (+) bila kalor MASUK ke sistem
( - ) bila kalor KELUAR dari sistem
W : (+) bila kerja dilakukan OLEH sistem
( - ) bila kerja dilakukan PADA sistem
25/04/2016
9
• Tekanan P, volume V, massa m, temperatur T merupakan karakteristik keadaan
• Energi termal U juga merupakan karakteristik keadaan
• Kerja dan kalor bukan merupakan karakteristik keadaan
• Kerja dan kalor selalu terkait dengan suatu proses
Proses
Perubahan U
U bertambah U berkurang
U2 – U1 = Q12 – W12
U1 : energi termal pada keadaan 1 (awal)
U2 : energi termal pada keadaan 2 (akhir)
KARAKTERISTIK BESARAN TERMODINAMIKA
SOAL 4
Kalor sebanyak 2500 J diberikan pada sistem ketika padanya dilakukan kerja 1800 J.
a. Berapakah perubahan energi termal sistem?
b. Berapakah perubahan energi termal bila kalor 2500 J itu diberikan pada sistem
ketika kerja 1800 J dilakukan oleh sistem? (sistem menghasilkan kerja)
a. Perubahan energi termal ∆∆∆∆ U = (+2500) – (– 1800) = 4300 J
b. Perubahan energi termal ∆∆∆∆ U = (+2500) – (+1800) = 700 J
Perubahan energi termal ini adalah pertambahan energi termal sistem
( U2 – U1 positif )
Penyelesaian:
∆∆∆∆ U = Q - W
Q : (+) bila kalor MASUK ke sistem
(–) bila kalor KELUAR dari sistem
W : (+) bila kerja dilakukan OLEH sistem
(–) bila kerja dilakukan PADA sistem
25/04/2016
10
SoalSoal 55Seorang pemain basket melakukan kerja sebesar 2,12.105 J danmengeluarkan 0,15 kg keringat selama pertandingan. Diketahui bahwa 1joule = 0,24 kalori, kalor penguapan air pada suhu tubuh (37°C) adalah2,42.106 J/kg, kalor jenis tubuh manusia adalah 3480 J/kg.K, dan kalorjenis air adalah 4200 J/kg.K. Anggap bahwa keringat adalah air. Hitunglahperubahan energi termal yang dialami oleh pemain basket tersebut!Nyatakan dalam kalori!
Jawab:
MetabolismeMetabolisme ManusiaManusia dandan HukumHukum I I TTermodinamikaermodinamika
� Energi dari makanan yang dimakanmenaikkan energi dalam (∆U)
� Kerja (W) dilakukan oleh tubuh dalamberbagai kegiatan
� Karena temperatur tubuh padaumumnya lebih tinggi dari lingkunganmaka aliran kalor (Q) keluar tubuh.
� Kecepatan metabolisme adalahkecepatan energi dalam diubah didalam tubuh
25/04/2016
11
KecepatanKecepatanmetabolisme (manusia 65 kg)metabolisme (manusia 65 kg)
KegiatanKecepatan metabolisme (pendekatan)
Kkal/jam Watt
Tidur 60 70
Duduk tegak 100 115
Kegiatan ringan (makan, berpakaian, pekerjaan rumah tangga)
200 230
Kegiatan sedang (tenis, berjalan)
400 460
Berlari (15 km/jam) 1000 1150
Bersepeda (balap) 1100 1270
Soal 66
Hitunglah energi yang diubah dalam waktu 24 jamoleh orang yang massanya 65 kg yang menghabiskanwaktu 9 jam untuk tidur, 1 jam untuk main tenis, 3jam untuk membersihkan rumah, dan 11 jam untukbekerja di kantor!
Penyelesaian:
[(9)(70) + (1)(460) + (3)(230) + (11)(115)](3600) =1,1 x 10 7 J ≈ 2600 kkal
25/04/2016
12
PROSESPROSES--PROSES TERMODINAMIKAPROSES TERMODINAMIKA
� Proses Isobarik (1)
� Tekanan konstan
� Proses Isotermis (2)
� Temperatur kontan
�Proses Isokorik (3)
� Volume konstan
�Proses Adiabatis (4)
� Tidak ada kalor yang hilang
Proses Isobaris
Proses dengan tekanan konstan
V (m3)
P (Pa)
penghisap tergeser d
kerja yang dilakukan sistem (gas)
W = F. d = P A ( d ) = P (∆V)
∆V : perubahan volume
A : luas penghisap
gaya F = P A
tekanan gas P
gas menekan penghisap ke atas
d
P
F
25/04/2016
13
Proses IsobarikProses Isobarik
SoalSoal latihanlatihan
7. Sebuah gas dimampatkan pada tekanan tetap 0,8atm dari 9 liter menjadi 2 liter. Pada proses ini,400 J energi keluar dari sistem dalam bentukkalor. Ingat: 1 atm = 1,01 x 105 Pa
a. Berapa usaha yang dilakukan pada gas?
b. Berapa perubahan energi dalam gas?
25/04/2016
14
SOAL 8
Air 1 liter temperatur 100 oC dididihkan sempurna, menghasilkan 1761 liter uap
bertemperatur 100 oC. Bila proses berlangsung pada tekanan atmosfer konstan, berapakah
perubahan energi termal ?
Penyelesaian :
Rapat massa air : 1 gr/cm3 = 1000 kg/m3 = 1 kg/liter, artinya massa 1 liter air : 1 kg
Kalor penguapan air L : 540 kkal/kg = 22,6. 105 J/kg, maka kalor untuk menguapkan
1 liter air adalah :Q = m L = (1) (22,6. 105) = 22,6. 105 J
Kerja untuk melaksanakan proses ini :
W = P (∆V) = (1 atm) [(1761-1)) liter] = ( 1.105 N/m2) (1760. 10-3 m3)
= 1,7. 105 J
∆ U = Q – W = 22,6. 105 J - 1,7. 105 J = 21. 105 J
Jadi perubahan energi termal adalah :
kalor yang diberikan sebagian besar dipakai untuk menaikkan energi termal sistem, hanya sebagian kecil yang digunakan untuk melakukan kerja
Proses Isokhorik
Proses dengan volume konstan
P (Pa)
V (m3)
V konstan
W = P (∆∆∆∆V) = 0
∆∆∆∆ U = Q - W
∆∆∆∆ U = Q
Kalor diberikan pada sistem
( proses pemanasan )
Temperatur naik
Kalor keluar dari sistem
( proses pendinginan )
Temperatur turun
25/04/2016
15
Proses IsokhorikProses Isokhorik
Proses Isotermis
proses dengan temperatur konstan
energi termal tergantung temperatur
energi termal tidak berubah
∆∆∆∆U = 0
Q12 = W12
1
2
∆∆∆∆ U = Q - W
Proses isotermis 1 ke 2 :
∆∆∆∆U = 0 ( U1 = U2 )
}
P
V
isoterm
Panas yang diberikan pada sistem,
dipakai untuk melakukan kerja
25/04/2016
16
Proses IsotermisProses Isotermis
Proses Adiabatis
Proses tanpa pertukaran kalor dengan sekelilingnya
Q = 0
Terjadi bila :
• sistem dalam keadaan terisolasi
• proses berlangsung sangat cepat
∆∆∆∆U = - W
∆∆∆∆ U = Q - W
Q = 0 }• Bila gas muai sistem melakukan kerja W positif
∆∆∆∆U negatif energi termal berkurang
• Bila gas ditekan pada sistem dilakukan kerja W negatif
∆∆∆∆U positif energi termal bertambah
25/04/2016
17
Proses AdiabatisProses AdiabatisSelama proses tak ada panas yang masuk / keluar sistem jadi Q = 0
SOAL 9
Mengapa temperatur karet gelang naik, bila karet gelang itu diregangkan secara
mendadak?
Penyelesaian :
Karet diregangkan mendadak
Kalor tidak sempat masuk
atau keluar karet
Q = 0
Proses adiabatis
Kerja diberikan pada sistem
W negatif
∆U = - W
∆U = positifTemperatur naik
25/04/2016
18
Bila proses terjadi
Hukum pertama Termodinamika
pasti dipenuhi
Apakah setiap proses bisa berlangsung secara alami,
tanpa dipaksa ?
Persoalannya
Kalor dapat mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur rendah,
namun proses sebaliknya tidak mungkin terjadi secara alami atau spontan
Contoh
Harus ada kerja dari luar yang dilakukan untuk proses baliknya
Hukum II TermodinamikaHK I �kekekalan energi
HK II �menyatakan arah reaksi sistem.
� dapat dinyatakan dalam berbagai
bentuk.
Kalor mengalir secara alami dari benda
panas ke benda dingin; kalor tidak
mengalir secara spontan dari benda dingin
ke panas
Banyak proses yang irreversible:
1) Campurkan kopi dan gula lalu kocok,
keduanya menyatu akan tetapiseberapapun anda kocok kembalikeduanya tidak memisah lagi.
2) Pecahan gelas tidak kembali ke bentuk
utuhnya.
Proses alamiah cenderung menuju
ketidakteraturan (entropi maksimum)!
ENTROPI :
DERAJAT
KETIDAKATURAN
25/04/2016
19
PERNAH LIHAT ??????
PROSES IRREVERSIBLE
X
ENTROPIENTROPI
ukuran kuantitatif ketidakteraturan sistem
Entropi total sistem plus perubahan entropi lingkungannyabertambah sebagai akibat dari proses alamiah :
∆∆∆∆S > 0
T
QS =∆
Giancoli hlm. 535-537
25/04/2016
20
� Sebuah es batu dengan massa 60 gr di ambil dari tempat penyimpanan 0oC dan diletakkan di mangkuk kertas. Setelah beberapa menit, tepat setengah dari massa es batu telah lebur menjadi air pada oC. Hitung perubahan entropi es/air, bila kalor lebur es = 80 kal/gram!
Soal 10
PenyelesaianKalor untuk melebur setengah massa es menjadi air adalah:
Q = m L = ½ x (60) x 80 = 2400 kal
Proses meleburnya es ini menjadi air berlangsung pada temperatur konstan 0oC atau 273 K, sehingga perubahan entropi es atau air adalah
KkalT
QS / 8,8
273
2400===∆