TERMODINAMIKA 1. Gas Ideal. n : Jumlah mol M : berat molekul m : massa gas = n M V : volume T : suhu p : tekanan n M V, P T Sifat-sifat gas ideal pada suatu sistem dengan volume V, suhu T dan tekanan p yang terdapat n mol gas ideal, antara lain:

Pada suhu konstan, tekanan 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: (Hk. Boyle – Gay Lussac) sebanding dengan jumlah gas di dalam sistem, sehingga: Diperoleh juga bahwa

atau dimana R disebut sebagai konstanta gas umum. R = 8,314 J/mol oK = 1,986 kal/mol oK

KONSEP TEMPERATUR

KONSEP TEMPERATUR Temperatur adalah derajat panas suatu benda. Dua benda dikatakan berada dalam keseimbangan termal apabila temperaturnya sama. Kalor (heat) adalah energi yang mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah. Menurut hukum ke Nol Termodinamika : Jika benda A berada dalam keseimbangan termal dengan benda B, sedang B setimbang termal dengan benda C, maka ketiga benda dalam keseimbangan termal satu terhadap lainnya.

SKALA TEMPERATUR Untuk mengukur temperatur digunakan termometer yang memanfaatkan sifat bahan tertentu yang memuai jika temperaturnya naik, misalkan bahan Air Raksa (Hg) Skala temperatur ditentukan oleh dua suhu referensi. 1. Titik Beku Air Suhu dimana air membeku pada tekanan satu atmosfer (1 atm). 2. Titik Didih Air Suhu dimana air mendidih pada tekanan satu atmosfer (1 atm).

Beberapa Skala Temperatur

Konversi Skala Temperatur Skala temperatur merupakan skala linier, sehingga hubungan antara penujukan suhu benda menurut masing-masing Termometer merupakan hubungan linier. Satuan suhu menurut sistem satuan internasional adalah Kelvin (K). T2 = a T1 + b Berdasarkan data titik beku dan titik didih air, dapat diperoleh nilai a dan b. Sebagai suatu contoh : K = C + 273 F = 1,8 C + 32 R = 1,8 C + 492

Thermometric Property Macam-macam Termometer No Jenis / Nama Termometer Thermometric Property 1 Termometer Gas Tekanan Tetap V = V (T) Volume gas sebagai fungsi temperatur. 2 Termometer Gas Volume Tetap p = p (T) Tekanan gas sebagai fungsi temperatur 3 Termometer Cairan L = L (T) Panjang kolom cairan sebagai fungsi temperatur 4 Termometer Hambatan Jenis (Resistor) ρ = ρ (T) Hambatan jenis resistor sebagai fungsi temperatur 5 Termometer Pirometer Optis I = I (T) Intensitas cahaya sebagai fungsi temperatur 6 Termometer Termokopel ε = ε (T) Gaya gerak listrik (ggl) termokopel sebagai fungsi temperatur 7 Termistor (Termometer Kuat Arus Listrik) i = i (T) Kuat arus listrik yang mengalir dalam suatu hambatan listrik sebagai fungsi temperatur 8 Termometer Hambatan Listrik R = R (T) Hambatan resistor sebagai fungsi temperatur 9 Termometer Bimetal (Dua Logam) L = L (T) Panjang dua logam yang berlainan jenisnya sebagai fungsi temperatur

LATIHAN 1. Suhu suatu zat cair diukur menggunakan termometer X dan termometer berskala Celcius. Ketika Celcius menunjukkan 20, termometer X menunjukkan 68. Sedangkan ketika Celcius menunjukkan 60, termometer X menunjukkan 140. Berdasarkan skala manakah termometer-X tersebut dibuat ? 2. Ubahlah pernyataan berikut ke dalam Satuan Internasional : Benda yang suhunya 27 oC dipanaskan hingga suhunya naik 27 oC menjadi 54 oC.

2. KONSEP PEMUAIAN 2.1 Muai Panjang Ukuran suatu benda akan berubah bila suhunya dinaikkan. Kebanyakan benda berekspansi jika dipanaskan dan menyusut bila didinginkan. Jika Lo adalah panjang benda mula-mula pada suhu To, berekspansi secara linier pada waktu T dan panjang L. Maka pertambahan panjangnya L akan sebanding dengan panjang mula-mula Lo, yaitu L =  Lo T , atau : L = Lo (1 +  T )  = koefisien muai panjang dengan satuan K -1. To L L T Lo

Misalnya jika harga  tembaga 17 x 10-6 /C0 artinya batang tembaga pada 0oC panjangnya 1 cm, kalau dipanaskan sampai 1oC akan bertambah panjangnya 0,000017 cm. Pada tingkat mikroskopik, ekspansi termal pada zat padat ada penambahan jarak pemisahan rata- rata di antara atom-atom di dalam zat. Untuk bahan isotropik, perubahan panjang untuk sebuah perubahan temperatur adalah sama untuk semua garis di dalam zat.

2.2. Muai Luas Jika suhu suatu bidang bertambah T, maka luas bidang tersebut akan bertambah sebedar A, A =  Ao T dimana  : koefisien muai luas dengan satuan K -1 , (untuk benda padat isotropik  ≈ 2  ) 2.3. Muai Volume Jika suhu suatu bidang bertambah T, maka volume benda akan bertambah V yang memenuhi hubungan : V =  Vo T dimana  : koefisien muai volume dengan satuan K -1 , (untuk benda padat isotropik  ≈ 3  )

LATIHAN Sebuah lempeng berbentuk lingkaran dipanaskan sehingga diameternya bertambah 1 %. Berapa % kah pertambahan luasnya ? Jika digambarkan hubungan antara pertambahan panjang terhadap suhu untuk suatu benda yang koefisien muainya konstan (dalam interval yang sangat besar), akan diperoleh kurva garis lengkung. Tentukan fungsi kelengkungan tersebut ? Sebuah cincin berongga berupa sebuah pelat berongga seperti ditunjukkan oleh gambar di samping ini. Jika cincin dipanaskan, maka ukuran rongganya akan : a. makin besar b. makin kecil c. tetap

3. KALOR DAN PERPINDAHAN KALOR 3.1. Kuantitas Kalor Kalor adalah energi termal yang mengalir dari benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah. Satuan kalor adalah Joule, kalori dan BTU (British Thermal Unit), dimana 1 Kal = 4,186 Joule. Satu kilogram kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10 C untuk 1 kilogram air. Kapasitas kalor C adalah banyaknya kalor yang diserap benda untuk menaikkan suhu satu satuan suhu (SI = 1 K) C = Q/T C = dQ/dT

dimana satuan kapasitas panas (C) adalah kal/oC, Joule/kelvin. Untuk memperoleh suatu harga kapasitas yang khas didefinisikan kapasitas kalor spesifik (kalor jenis) c, yaitu kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda per satuan massa per satuan suhu. c = C/m c = Q/(m T) dimana satuan kapasitas panas jenis (c) adalah kal/gram. oC atau J kg-1 K-1. Jumlah kalor yang harus diberikan kepada sebuah benda bermassa m dan mempunyai kalorjenis c, untuk menaikan temperaturnya adalah : Tf Q = m  c dT Ti

Persamaan ini digunakan dalam prinsip kerja Kalorimeter Persamaan ini digunakan dalam prinsip kerja Kalorimeter. Kalorimeter digunakan untuk mengukur jumlah kalor. Ada dua jenis kalorimeter yaitu kalorimeter air dan kalorimeter arus kontinu. Berdasarkan prinsip bahwa kalor yang diberikan sama dengan kalor yang diterima, maka persamaan yang berlaku adalah : mL cL (TL - Tw) = (ma ca + mk ck ) (Tw - Tak) dimana : L = logam tertentu, a = air, k = kalorimeter, w = keadaan akhir

3.2. Perpindahan Kalor Konduksi Konduksi panas/hantaran adalah perpindahan energi termal atau kalor dalam molekul zat yang berdekatan tanpa perubahan molekul itu sendiri, akibat perbedaan temperatur. H ≡ Q / t H = - k A (dT/dx) H = k A (T2-T1) / L dimana : H = Arus Kalor [joule/s] k = konduktivitas termal zat [(kkal/detik.m).oC ; J/s.m.K] T2 T1 A L T2  T1

b.Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas dari suatu tempat ketempat yang lain yang dibawa oleh fluida panas itu. Jika fluida yang dipanaskan itu dipompa /didorong oleh bahan lain disebut konveksi paksa, kalau fluida mengalir karena perbedaan kerapatan disebabkan perbedaan temperatur disebut konveksi alamiah/bebas Laju aliran panas konveksi dinyatakan oleh : H = hc A t hc ; koefisien konveksi c.Radiasi Radiasi adalah perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik. Pemancaran energi ini tidak memerlukan media material penghantar.

Energi ini disebut energi radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tetapi dengan intensitas berbeda. Benda hitam (Black Body) adalah benda yang mampu menyerap hampir seluruh energi radiasi yang menimpanya. Jumlah energi radiasi yang dipancarkan persatuan waktu persatuan luas oleh benda hitam adalah I = e  A T4 dimana, I : daya yang dipancarkan ke satu satuan luas = dP/dA e : daya pancar permukaan bahan (emisivitas); 0<e<1

 : Konstanta radiasi Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 Watt/ m2  : Konstanta radiasi Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 Watt/ m2.K4 ) T : temperatur (Kelvin)

4. GAS IDEAL DAN TEORI KINETIK 4.1 Hukum-Hukum Gas Hasil eksperimen Boyle menunjukan jika gas temperaturnya dibuat tetap maka perubahan volume sistem akan diikuti dengan perubahan tekanan. Sehingga hasil kali volume dan tekanannya tetap . V  1 / P PV = konstan, atau P1V1 = P2V2 (Hukum Boyle) Persamaan ini tepat untuk gas ideal yaitu gas yang energi ikat antar molekulnya dapat diabaikan. Charles melakukan pendekatan untuk tekanan yang konstan, maka volume gas akan berbanding lurus terhadap temperatur absolut (273,15 oC). Hasil yang didapat adalah V  T Gay-Lussac mengukur koefisien muai ruang pada tekanan konstan. Hasil percobaannya menunjukkan tekanan gas berbanding lurus dengan temperatur absolut: P  T

4.2. Persamaan Tingkat Keadaan Gas Ideal Tingkat keadaan sistem dinyatakan sebagai kondisi fisis sistem. Keadaan sistem bermassa m ditunjukkan oleh besaran P, V, T [Tekanan, Volume dan Temperatur]. Hubungan ketiga besaran ini disebut Persamaan Tingkat Keadaan Gas Ideal, yaitu (Hukum Boyle-Gay Lussac)

4.3 Teori Kinetik Gas Model Mikroskopis Gas Ideal Gas ideal terdiri dari zarah yang jumlahnya amat besar Zarah-zarah itu tersebar merata dalam seluruh ruang yang tersedia Zarah-zarah itu senantiasa bergerak secara acak ke segala arah Jarak antar zarah jauh lebih besar daripada ukuran zarah Tidak ada gaya interaksi antar zarah kecuali saat terjadi tumbukan Semua tumbukan bersifat elastis sempurna Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku.

Secara mikroskopik tekanan gas dicari dengan teori kinetik, dimisalkan sebuah kotak berisi N partikel. Seandainya partikel tidak saling bertumbukan, dan hanya akan bertumbukan pada dinding kotak Perubahan momentum untuk satu tumbukan : (mv) = mvx - (-mvx) = 2 mvx Selang waktu antara dua kali tumbukan pada dinding sebesar t = 2l/vx Gaya rata-rata untuk beberapa tumbukan : (mv) 2 mvx mvx 2 F = ——— = ——— = —— t 2l/vx l y l A      x  z

Gaya pada dinding untuk N partikel m m _ F = — ( vx1 2 + vx2 2 + ….. + vxN 2 ) = — N vx 2 l l _ _ _ _ _ _ _ dimana v 2 = vx 2 + vy 2 + vz 2 , dan vx 2 = vy 2 = vz 2 _ _ atau v 2 = 3 vx 2 Hasil substitusi diperoleh _ m v 2 F = — N — l 3 Tekanan pada dinding menjadi, _ _ 1 Nmv 2 1 Nmv 2 P = F/A = — —— = — ——— 3 A l 3 V dapat ditulis lebih jelas : 2 _ PV = — N ( ½ mv 2 ) 3 P V = 2/3 Ek

4.4 Teori Ekipartisi Energi Energi Kinetik rata-rata setiap partikel gas ideal per derajat kebebasan adalah : Ek = ½ kT dengan k merupakan konstanta Boltzmann : k = 1,38 . 10-23 J/K Gas ideal monoatomik memiliki 3 derajat kebebasan, yaitu kebebasan translasi, sehingga Ek = 3 x ½ kT. Dengan demikian PV = NkT Gas ideal diatomik Pada suhu randah derajat kebebasannya 3 (translasi) sehingga : Ek = 3 x ½ kT. Pada suhu sedang, derajat kebebasannya 5 [3 translasi, 2 rotasi] sehingga : Ek = 5 x ½ kT. Pada suhu tinggi, derajat kebebasannya 7 [3 translasi, 2 rotasi, 2 vibrasi] sehingga : Ek = 7 x ½ kT.

Persamaan Umum Gas Ideal Untuk Gas ideal monoatomik maupun diatomik dengan suhu rendah berlaku : P V = N k T atau P V = n R T Dengan : n = N/NA menyatakan jumlah mol gas. NA = bilangan Avogadro = 6,023 x 1023 partikel/mol k = konstanta Boltzmann = 1,38 . 10-23 J/K R = k NA = 8,413 J/K = tetapan Umum Gas Ideal

ENERGI DALAM GAS Energi dalam gas merupakan jumlah seluruh energi kinetik gas., sehingga untuk gas ideal, energi dalam hanya bergantung suhu gas. Untuk gas ideal monoatomik : U = 3/2 nRT Gas ideal diatomik Pada suhu randah derajat kebebasannya 3 (translasi) sehingga : Ek = 3/2 nRT. Pada suhu sedang, derajat kebebasannya 5 [3 translasi, 2 rotasi] sehingga : Ek = 5/2 nRT. Pada suhu tinggi, derajat kebebasannya 7 [3 translasi, 2 rotasi, 2 vibrasi] sehingga : Ek = 7/2 nRT.

A. Permukaan P, V, T untuk Gas Ideal ( PV = n RT) T1 < T2 < T3 T V P3 P2 P1 P T V3 V2 V1 V1 < V2 < V3 Proses Isochorik Proses Isobarik Proses Isotermis

B. Permukaan P, V, T untuk Substansi Riil Substansi mendekati gas ideal pada P rendah, dan menjauhi gas ideal pada P tinggi dan T rendah. Substansi dapat berubah dari fase gas ke cair/padat. Pada massa tetap/konstan grafik P, V, T dapat digambarkan sbb : C. Titik Tripel dan Titik Kritis Titik Tripel adalah titik dimana substansi berada dalam kesetimbangan tiga fase, untuk air : T = 273,16 oK = 0,01 oC, dan P = 6,03 . 10-3 atm. Titik Kritis adalah titik dimana substansi berada dalam kesetimbangan dua fase, untuk air : T = 647,4 oK = 374 oC, dan P = 218 atm. P(atm) Titik Kritis Cair Gas P V padat-uap cair uap cair-uap padat-cair padat c gas Padat Uap Titik Tripel T(oC )

4.5 Kerja Jika piston dalam suatu silinder digerakkan dengan tekanan p pada luas penampang A maka gaya pada piston itu adalah pA. Jika piston bergerak sejauh ds maka kerja yang dilakukan piston adalah : dW = F . ds = P A ds = P dV dimana : A ds = dV Pada umumnya tekanan tidak akan konstan selama pergeseran. vf Jika tekanan berkurang dengan bertambahnya volume maka :W =  dW =  p dV vi PA A ds pi vi pf vf 1 2 b a P V (W12 ) a tidak sama dengan (W12 ) b Besar W12 = daerah di bawah kurva P-V, dimana kerja bergantung pada tingkat keadaan awal dan akhir, juga pada lintasan proses W = + , bila berekspansi W = - , bila dikompresi Proses isobaris : W = P (V2 - V1) Proses isochoris : W = 0 2 Proses isotermis : W =  p dV =  (mRT/V) dV = mRT ln (V2/V1) : untuk gas ideal 1

LATIHAN Sejumlah gas monoatomik yang tekanannya 106 Pascal, volumenya 2 liter. Gas tersebut mengalami ekspansi isobarik hingga volumenya 3 liter. a. Berapa Usaha yang dilakukan oleh gas tersebut ! b. Berapa Kenaikan energi dalam gas tersebut ! 2. Sejumlah gas monoatomik yang tekanannya 106 Pascal, volumenya 2 liter. Gas tersebut mengalami ekspansi isotermik hingga volumenya 3 liter. 3. Sejumlah gas monoatomik yang tekanannya 106 Pascal, volumenya 2 liter. Gas tersebut mengalami proses pada volume tetap hingga tekanannya 3 x 106 Pascal.