Kalor Dan Hukum Pertama Termodinamika Kelompok 5 : Sukawati Eka Puji Lestari 14030224003 Ambarwati Terraningtyas 14030224010 Isnanto Haris 14030224013 Rona Dwi Rahma 14030224020 Abdul Adhiem 14030224038

Kerja dan Kalor Dalam bab 3 telah diperlihatkan bagaimana sistem dapat diubah dari suatu keadaan awal ke keadaan akhir melalui proses kuasi-statik, dan bagaimana kerja yang dilakukan selama proses itu berlangsung dapat dihitung. Namun, sebenarnya ada cara lain untuk mengubah keadaan sistem tanpa melibatkan kerja. Misalnya, ketiga proses yang ditunjukkan secara skematis dalam gambar dibawah ini Gambar 4.1 perbedaan antara kerja dan kalor. (a) kerja adiabat; (b) aliran kalor tanpa kerja; (c) kerja dan kalor .

Temperatur tinggi mengandung banyak kalori dan benda pada temperatur rendah mempunyai sedikit saja kalori. Bila dua benda dipersentuhkan, benda yang lebih banyak kalorinya akan kehilangan sebagian kalorinya karena diberikan pada benda lain, sehingga nilai temperatu akhirnya ada diantaranya. Dalam gambar diatas telah dijelaskan perbedan kerja dan kalor. sehingga dapat diperoleh definisi dari kalorimetrik dari kalor sebagai sesuatu yang berpindah antar sistem dan lingkungannya akibat adanya perbedaan temperatur saja. Jelaslah bahwa dinding adiabat adalah dinding yang tidak ditembus kalor atau disebut juga penyekat kalor, sedangkan dinding diaterm adalah penghantar kalor.

Gambar 4.2 Apakah suatu proses dinyatakan sebagai antraksi kerja atau kalor bergantung pada pilihan sistem yang ditinjau.

Kerja Adiabatik Tiga contoh sederhana yang lain dari kerja adiabatdiperlihatkan dalam gambar 4.3. pengalaman menunjukkan bahwa keadaan sistem dapat di ubah dari keadaan awal tertentu ke keadaan akhir tertentu dengan melakukan kerja adiabat saja.

Gambar 4.4 (a) sistem gabungan; pada sistem ini kita bisa melakukan hal dalam dua arah. (b) menghubungkan dua keadaan i dan f oleh beberapa lima adiabat.

Dari sini dapat disimpulkan bahwa terdapat fungsi koordinat ruang dari benda, yang bila harga akhirnya dikurangi dengan harga mulanya sama dengan kerja yang dilakukan. Fungsi ini disebut fungsi energi potensial. Jadi, dari hukum pertama termodinamika kita ketahui terdapatnya suatu fungsi koordinat dari suatu sitem termodinamik yang harganya pada keadaan akhir dikurangi dengan harganya pada keadaan awal sama dengan kerja adiabat untuk pergi dari satu keadaan ke keadaan yang lainnya. Fungsi ini dikenal sebagai fungsi energi internal. Fungsi energi internal ini diberi lambang U, sehingga: Wi→f (adiabat) = Uf – Ui Dengan tanda sedemikian sehingga jika kerja positif dilakukan pada sistem, maka energinya bertambah.

Fungsi Energi-internal (Energi-dalam) Energi internal adalah suatu fungsi koordinat termodinamik yang banyaknya sama dngan yang diperlukan untuk memerinci keadan suatu sistem. Keadaan setimbang suatu sistem hidrostatik misalnya, yang dapat terperikan oleh koordinat termodinamik P, V dan  dapat ditentukan sepenuhnya oleh dua diantaranya saja. Jika koordinat yang dipakai untuk memeriksa kedua keadaan hanya berbentuk infinitesimal, perubahan energi internalnya ialah du, yang merupakan diferensiasi seksama, karena merupakan diferensial dari fungsi sebenarnya. Dalam hal sistem hidrostatik U dipandang sebagai fungsi dari  dan V, maka:

Perumusan Matematis Hukum Pertama Termodinamika

Bila suatu sistem yang lingkungannya bersuhu berbeda dan kerja dapat dilakukan padanya, mengalami suatu proses, maka energi yang dipindahkan dengan cara non mekanis yang sama dengan perbedaan antara perubahan energi internal (U) dan kerja (W) yang dilakukan, disebut kalor (Q). Persamaan Hukum Pertama Termodinamika : Q = U +W Perlu ditekankan bahwa perumusan matematis hukum pertama mengandung tiga idea yang berkaitan: Keberadaan fungsi energi-dalam Prinsip kekekalan energi Definisi kalor sebagai energi dalam perpindahan yang ditimbulkan oleh perbedaan temperatur

Konsep Kalor Kalor adalah perpindahan energi internal. Kalor mengalir dari satu bagian sistem ke bagian lain atau dari satu sistem ke sistem lain karena ada perbedaan temperatur. Kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem bukan merupakan fungsi koordinat sistem tetapi bergantung pada lintasan yang dilalui sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir. Demikian juga untuk kalor yang dipindahkan dari suatu sistem. Bukan merupakan fungsi koordinat termodinamik, tetapi bergantung pada lintasan. Jadi, sejumlah kerja infinitesimal adalah diferensial taksaksama dan dilambangkan oleh dQ.

Bayangkan sistem A dalam sentuhan termal dengan sistem B, kedua sistem itu dilingkungi oleh dinding adiabat. Untuk sistem A, berlaku: dan untuk sistem B saja: Jika dijumlahkan: Sehingga atau

Bentuk Diferensial Hukum Pertama Termodinamika Proses yang hanya menyangkut perubahan infinitesimal dari koordinat termodinamik suatu sistem dikenal sebagai proses infinitesimal. untuk proses seperti itu hukum pertama menjadi: dQ = dU +dW Untuk proses kuasi statik infinitesimal dari sistem hidrostatik, hukum pertama menjadi: dU = dQ - P dV dengan U merupakan fungsi dari dua antara tiga koordinat termodinamika (P, V, θ) dan P merupakan fungsi dari (V, θ)

Untuk mengatasi sistem yang lebih rumit, dengan cara mengganti dW dalam Hukum Termodinamika dengan dua atau lebih ungkapan. Misalnya, Dalam kasus sistem gabungan yang terdiri dari dua bagian hidrostatik yang dipisahkan oleh dinding diatermik, dirumuskan : dQ = dU + PdV + P’dV’ sedangkan untuk kasus gas paramagnetik : dQ = dU + PdV + μ₀H dM

Kapasitas Kalor dan Pengukurannya  

1 mol= sejumlah zat yang mengandung banyak unit elementer (molekul, atom, ion, dan seterusnya) dalam jumlah yang sama dengan jumlah atom dalam 0,012 kg karbon-12. Banyaknya atom karbon-12 tersebut disebut bilangan Avogadro 𝑁 𝐴 dan besarnya 𝑁 𝐴 =6,023× 10 23 𝑝𝑎𝑟𝑡𝑖𝑘𝑒𝑙/𝑚𝑜𝑙. Jika massa satu atom adalah 𝑚, maka massa satu mol atom ialah 𝑚 𝑁 𝐴 𝑑𝑎ℎ𝑢𝑙𝑢 𝑑𝑖𝑠𝑒𝑏𝑢𝑡 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑘𝑢𝑙 Lambang untuk massa molar ialah 𝑚(ditulis kapital) Banyaknya mol n diperoleh menggunakan rumus 𝑛= 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 𝑚𝑎𝑠𝑠𝑎 𝑚𝑜𝑙𝑎𝑟(𝑚)

Kapasitas kalor molar dirumuskan; 𝑐= 𝐶 𝑛 = 1 𝑛 𝑑𝑄 𝑑𝜃 ; satuannya 𝐽 𝑚𝑜𝑙∙𝐾 𝑎𝑡𝑎𝑢 𝑘𝐽 𝑘 𝑚𝑜𝑙∙𝐾 kapasitas kalor bernilai negatif, nol, positif, atau tak hingga, bergantung pada proses yang dialami sistem selama peminadahan kalor. kapasitas kalor pada tekanan tetap ( 𝐶 𝑃 ) 𝐶 𝑃 = 𝑑𝑄 𝑑𝜃 𝑃 Kapasitas kalor pada volum tetap ( 𝐶 𝑉 ) 𝐶 𝑉 = 𝑑𝑄 𝑑𝜃 𝑉

Setiap kapasitas kalor merupakan fungsi dari dua peubah. 𝐶 𝑃 merupakan fungsi dari P dan 𝜃. 𝐶 𝑉 merupakan fungsi dari V dan 𝜃.

Pengukuran kapasitor kalor zat padat merupakan salah satu proyek percobaan fisika modern yang paling penting. Metode yang hampir selalu dipakai ialah metode pengukuran listrik. Pada umumnya, pengukuran setiap kapasitas kalor merupakan masalah penelitian yang menuntut kemampuan fisikawan atau kimiawan yang terlatih, fasilitas bengkel yang baik, dan ahli peniup gelas yang terampil.

Kapasitas Kalor Air; Kalori kalorididefinisikan sebagai sejumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1g air sebesar 1 derajat Celcius. Untuk mengukur jumlah kalor yang dipindahkan antara suatu sistem dengan sejumlah air hanya memerlukan dua pengukuran, yaitu: massa air dan perubahan temperatur. Besar 𝑘𝑒𝑠𝑒𝑡𝑎𝑟𝑎𝑎𝑛 𝑚𝑒𝑘𝑎𝑛𝑖𝑠 𝑘𝑎𝑙𝑜𝑟4,1860 𝐽/𝑘𝑎𝑙 Pengukuran kesetaraan mekanis kalor merupakan pengukuran kalor spesifik air; satuannya Joule

Pada Tabel Kritis Internasional semua kuantitas termal, seperti kapasitas kalor spesifik dan molar dinyatakan dalam joule. Tidak ada kesetaraan mekanis kalor ialah kalor spesifik air, dinyatakan dalam 𝑘𝐽/𝑘𝑔∙𝐾 yang variasi temperaturnya dalam kisaran antara 0℃ hingga 100℃ seperti pada gambar

Persamaan Untuk Sistem Hidrostatik Berdasarkan hukum pertama termodinamika untuk sistem sederhana, rumusan matematik untuk sistem hidrostatik ialah 𝑑𝑄=𝑑𝑈+𝑃 𝑑𝑉 U merupakan fungsi dua peubah di antara (P, V, dan 𝜃) Kasus : U merupakan fungsi dua peubah di antara (𝜃 dan V), diperoleh: 𝑑𝑈= 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 𝑑𝜃+ 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝜃 𝑑𝑉

Maka, hukum pertama termodinamika dirumuskan: 𝑑𝑄= 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 𝑑𝑄+ 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝜃 𝑑𝑉+𝑃 𝑑𝑉 𝑑𝑄= 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 𝑑𝜃+ 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝜃 +𝑃 𝑑𝑉 Dengan membagi dengan 𝑑𝜃, diperoleh: 𝑑𝑄 𝑑𝜃 = 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 + 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝜃 +𝑃 𝜃 𝑑𝑉 𝑑𝜃 Persamaan tersebut berlaku untuk setiap proses yang menyangkut perubahan temperatur 𝑑𝜃 dan perubahan volum 𝑑𝑉

Jika V tetap, 𝑑𝑉=0, diperoleh: 𝑑𝑄 𝑑𝜃 𝑉 = 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 Tetapi nisbah di sebelah kiri, menurut definisi, adalah kapasitas kalor pada volum tetap 𝐶 𝑉 ; sehingga diperoleh 𝐶 𝑉 = 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 Dalam bentuk integral, rumusannya ialah 𝑄 𝑉 = 𝜃 1 𝜃 2 𝐶 𝑉 𝑑𝜃 Jika P tetap, persamaan 𝑑𝑄 𝑑𝜃 = 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 + 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝜃 +𝑃 𝜃 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝜃 +𝑃 𝜃 𝑑𝑉 𝑑𝜃 menjadi 𝑑𝑄 𝑑𝜃 𝑃 = 𝜕𝑈 𝜕𝜃 𝑉 + 𝜕𝑈 𝜕𝑉 𝜃 +𝑃 𝜕𝑉 𝜕𝜃 𝑃

Aliran Kuasi-statik Kalor; Tandon Kalor Tandon kalor adalah benda yang massanya demikian besar sehingga benda itu bisa menyerap atau membuang jumlah kalor yang takterbatas banyaknya tanpa menimbulkan perubahan temperatur yang berarti atau perubahan koordinat termodinamik lainnya.

Penghantaran Kalor  

Konduktivitas Termal  

Gambar 4.8. Kurva yang biasa dijumpai untuk memperlihatkan kebergantungan temperatur pada konduktivitas termal. (R.L. Powell, AIP Handbook, McGraw-Hill, 1972)

Konveksi Kalor Apabila 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). Besarnya konveksi tergantung pada: a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A). b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T). c. koefisien konveksi (h), yang tergantung pada: viskositas fluida kecepatan fluida perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida kapasitas panas fluida rapat massa fluida bentuk permukaan kontak

Konveksi : H = h x A x T Efek keseluruhan konveksi, dirumuskan dengan Hukum Newton tentang pendinginan: Pada persamaan ini, laju perpindahan kalor dikaitkan dengan perbedaan temperatur menyeluruh antara dinding dan fluida dan luas permukaan. Besaran h disebut koefisien perpindahan kalor konveksi. Untuk kondisi kompleks, harga h ditentukan secara eksperimen. Koefisien perpindahan kalor kadang-kadang disebut juga konduktansi film. Satuan h adalah watt per meter kwadrat per derajat Celsius, jika aliran kalor dalam watt.

Radiasi Termal; Benda Hitam Radiasi adalah proses dimana panas mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, bila benda – benda itu terpisah di dalam ruang, bahkan bila terdapat ruang hampa diantara benda – benda tersebut. Semua benda memancarkan panas radiasi secara terus menerus. Intensitas pancaran tergantung pada suhu dan sifat permukaan. Energi radiasi bergerak dengan kecepatan cahaya (3x108 m/s) dan gejala-gejalanya menyerupai radiasi cahaya. Menurut teori elektromagnetik, radiasi cahaya dan radiasi termal hanya berbeda dalam panjang gelombang masing – masing. Pada 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 T4. dimana  : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4. e : emitansi (0  e  1) Radiasi, jumlah energi yang meninggalkan suatu permukaan sebagai panas radiasi tergantung pada suhu mutlak dan sifat permukaan tersebut. Radiator sempurna atau benda hitam (black body) memancarkan energi radiasi dari permukaannya dengan laju qr yang diberikan oleh qr = σ A1 T14 Btu / hr Btu/h, jika A1 luas permukaan dalam ft persegi, T1 suhu permukaan dalam derajat rankine (R) dan σ konstanta dimensional dengan nilai 0,1714 x 10-8 Btu/h ft2 R4. Dalam satuan SI laju aliran panas qr mempunyai satuan watt, jika luas permukaan A1 dalam m2 , suhu mutlak dalam derajat Kelvin, dan σ = 5,67 x 10-8 watt / m2 k4 . Besaran σ dinamakan konstanta Stefan – Boltzmann.

Hukum Kirchhoff; Kalor Teradiasi Pemancaran radian bukan benda hitam bergantung pada sifat permukaan seperti juga pada temperatur menurut hukum sederhana yang dapat diturunkan sebagai berikut : Andaikanlah benda bukan benda hitam pada temperatur θ, dengan pemancaran radian R dan keserapan α, dimasukkan ke dalam rongga yang dinding dalamnya bertemperatur sama dengan irradiansi H. Jadi: R = αH Keterangan : R : daya radian yang dipancarkan per satuan αH : luas daya radian yang diserap per satuan luas

Menurut persamaan diatas, H = RB sehingga: R =α RB Atau eksitensi radian setiap benda pada setiap temperatur sama dengan fraksi eksitansi radian benda hitam pada temperatur itu, fraksi ini sama dengan keserapan pada temperatur itu. Persamaan yang dikenal sebagai hukum Kirchhoff ini menunjukkan bahwa keserapan benda dapat ditentukan melalui percobaan dengan mengukur pemancaran radian benda itu dan membaginya dengan pemancaran radian benda hitam pada temperatur yang sama. Jadi kalor adalah pertambahan atau kehilangan energi internal, sama dengan perbedaan antara energi radiasi dan energi yang diradiasikan.

Tabel 4.3 Keserapan Hampiran Berbagai Permukaan Bahan Selang Temperatur Keserapan Logam terupam : Alumunium Kuningan Kromium Tembaga Besi Nikel Seng Filamen : Molibdenum Platina Tentalium Tungsten Bahan lain : Asbes Es (basah) Jelaga Karet   250-600 250-400 50-550 100 150-1000 20-350 250-350 750-2600 30-1200 1300-3000 30-3300 40-350 25 0,039-0,057 0,033-0,037 0,08-0,26 0,018 0,05-0,37 0,045-0,087 0,045-0,053 0,096-0,29 0,036-0,19 0,19-0,31 0,032-0,35 0,93-095 0,97 0,95 0,86

Ketika laju tidak sama terjadi perbedaan antara kalor yang dipindahkan per detik per satuan luas. Jika dQ adalah kalor yang dipindahkan dalam waktu dτ ke benda yang luasnya A, maka: Dan harus dingat bahwa α dan R mengacu pada temperatur θ dan H pada temperatur θw. Sekarang: atau laju pemindahan kalor oleh radiasi berbanding lurus dengan perbedaan eksitansi radian benda hitam pada kedua temperatur tersebut.

Hukum Stefan-boltzmann Pengukuran pertama kalor yang dipindahkan oleh radiasi antara suatu bendam dengan lingkungannya dilakukan oleh Tyndall. Berdasarkan percobaan diambil kesimpulan oleh Stefan, bahwa kalor yang diradiasi berbanding lurus dengan pangkat empat dari perbedaan temperatur mutlak. Hasil percobaan murni ini kemudian ternyata bisa diturunkan secara termodinamis oleh Boltzmann yang menunjukkan bahwa pemancaran radian suatu benda hitam pada sembarang temperatur θ sama dengan:

Dengan mengacu pada persamaan diatas, kita dapatkan kalor yang dipindahkan oleh radiasi antara benda pada temperatur θ dan dinding θw. Dengan metode sederhana dapat dipakai untuk menentukan tetapan Stefan –Boltzmann ada dua yaitu : Metode ketaksetimbangan. Piringan perak yang dihitamkan diletakkan pada pusat kubah setengah bola yang terbuat dari tembaga yang dihitamkan. Metode kesetimbangan. sebuah bola tembaga berongga yang dihitamkan dan dilengkapi dngan pertama listrik dan sebuah termokopel digantungkan dalam bejana yang dindingnya dipertahankan pada temperatur tetap.

Sekian dan Terimakasih