KIMIA FISIKA Bag. I.ppt

I. PENDAHULUANKIMIA FISIKA :FISIKA: Sifat-sifat materi yang dimiliki oleh semua zat.KIMIA: Sifat-sifat individu Zat.Suatu objek yang dipelajari : SYSTEM (Sistem)Macroscopic System : terdiri dari banyak atom atau molekul.Microscopic System : terdiri dari satu atom atau molekul.

Macroscopic System : ditentukan oleh Suhu dan tekanan.Microscopic System : energi kinetik, potensial, momentum (massa * kecepatan) dan mekanik.

mikroMakro : berlaku pula sifat-sifat pada mikroSuhu dan Tekanan tertentu maka : volume tertentu pula.

*

Termodinamika didefinisikan : ilmu yang mempelajari tentang penyimpanan, pengubahan (transformasi), dan pemindahan (transfer energi).

Energi disimpan sebagai Internal energy (berhubungan dengan temperatur), energi kinetik (akibat gerakan), energi potensial (akibat elevasi) dan energi kimia (akibat komposisi kimiawi).

Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya dan berpindahmelewati suatu boundary, seperti panas dan kerja.

Dalam ilmu termodinamika : mengembangkan persamaan-persamaan matematika yang menghubungkan tranformasi dan tranfer energi dengan sifat-sifat bahan seperti suhu, tekanan atau enthalpy.

*

FUNGSI MATEMATIKA :Dua buah variabel, independen dan dependent variable.Independent : nilai / harga nya mudah ditentukan.Dependent : nilai / harga nya tergantung pada independent variable.Fungsi dapat dinyatakan oleh : Rumus. Grafik, tabel dsb.Contoh : PV = nRT (1.1-1)P = tekanan gasV = volume gasn = jumlah molT = suhu absolutR = konstantan gas ideal.

Hukum gas ideal tidak berlaku untuk gas nyata, hukum ini hanyaberlaku untuk gas dengan tekanan rendah. Gas ideal tidak ada dialam, hanya sebuah model dari sistem yang dirancang seperti gas nyata.

*

Bentuk fungsi matematika : T, P, dan n variabel indepeden dan V variabel dependen.Persamaan dapat diubah : (P variabel dependen dan V independen)(1.1-2)(1.1-3)Suatu persamaan yang terdiri dari beberapa variabel, dapat diubah untuk menentukan variabel dependen nya.Hukum gas ideal tidak begitu tepat untuk beberapa gas pada beberapa kondisi menentukan beberapa fungsi lain untuk memberikan nilai tekanan yang lebih akurat.

*

Dalam persamaan matematika : P = f (T, V, n)Huruf f menyatakan suatu fungsi.Hubungan antara P, V, T dan n disebut : Persamaan KeadaanSuatu fungsi dapat diwakili dengan grafik dua dimensi :Sumbu x : satu variabel independenSumbu y : variabel dependen.Menurut eksperiment tekanan gas atau cairan pada keseimbangan dinyatakan oleh suatu fungsi yang tergantung pada 3 variabel. P = P(T, V, n) (1.1-4)

*

Gambar 1.1 : Tekanan (P) dari gas ideal sebagai fungsi Volume (V) pada n tetap dan berbagai suhu.

*

Satuan SI (System Internasional) : beberapa buku menggunakan Satuan Inggris.Panjang : meter (m)Massa : kilogram (kg)Waktu : detik (s)Suhu : Kelvin (K)Arus listrik : Ampere (A)Jumlah molekul : mol (mol)1 N (Newton) = 1 kg m s-2 (1.1-5)

Pascal (Pa) : satuan tekanan (gaya per unit area)1 Pa = 1 N m-2 (1.1-6)

Satuan Energi : joule (J)1 J = 1 N m = 1 kg m2 s-2 (1.1-7)

Satuan energi yang lain : Kalori (kal) : panas yang dibutuhkan untuk menaikkan 1 gram air sebesar 10C.1 kal = 4,184 J (1.1-8)

*

Satuan tekanan (bukan SI) :1 atm = 101325 Pa(1.1-9)760 torr = 1atm(1.1-10)1 bar = 100000 Pa( 1.1-11)Unit terkecil zat : atom (N)Jumlah N dalam sampel zat apapun sebanding dengan jumlah mol zat tersebut : N = NAv n(1.1-12)NAv : bilangan Avogadro (Loschmidts constant)N = 6,02214 * 1023 mol-1 (1.1-13)Persamaan Gas ideal :(1.1-14)

*

(1.1-15)Konstanta gas ideal = 8,3145 j K-1 mol-1 (Satuan SI) atau 0,082058 L atm K-1 mol-1 Konstanta kB : konstanta Boltzmann.Contoh soal.Hitung berapa tekanan dalam Pa dan atm, jika 20 gr gas Neon (diasumsikan gas ideal) pada suhu 00C dan volume 22,4 L.T= 273,15 + 0 = 273,15 Kn = (20 gr)(1 mol / 20,179 gr) = 0,9911 molV = (22,4 L)(1 m3 / 1000 L) = 0,0224 m3

*

Dapat pula dihitung dengan menggunakan faktor konversi :

*

WUJUD ZATZAT: ATOM / MOLEKUL atom dan molekul yang menyusun zat memiliki energi gerak.

WUJUD: Padat, Cair dan Gas PADATBerenergi kecil, berinterkasi kuat satu sama lain, cenderung mengunci satu sama lain, tidak bisa berpindah tempat, hanya bergetar dan membentuk senyawa yang keras.BENTUK DAN VOLUME TETAP.TEORI KINETIKA

*

CAIRANTerbentuk ketika energi sistem meningkat, struktur zat padat rusakmolekul dapat bergerak melewati dan membentur molekul lainnya, molekul-molekul tersebut relatif tetap berdekatan satu sama lain.Bila suhu naik maka gerak molekul meningkat.Bentuk sesuai dengan tempatnya dan tidak mudahditekan karena molekul-molekulnya saling berdekatan GASTerbentuk ketika energi dalam sistem melampaui semua gaya tarik antar molekul, molekul gas memiliki interaksi antar molekul yang kecil.Molekul gas mudah bergerak kesegala arah dan memenuhi tempat dimana gas berada.Fluida bisa didefinisikan sebagai zat yang terdeformasi secara kontinyu jika terkena aksi gaya geser. Semua gaya dalam fluida diam pasti arahnya tegak lurus terhadap bidang dimana gaya-gaya tersebut bekerja.

FLUIDAdan

*

PERUBAHAN FASAPeristiwa perubahan dari wujut zat yang satu ke wujud zat yang lain.Gambar 1 Kurva panas mengilustrasikan perubahan energi dan suhu air terkait ketika mengalami perubahan fasa antara wujud cair dan gas.

*

II. Sistem dan Keadaan sistemGambar 2.1 : sebuah sistem makroskopik dari suatu gas tunggal, diletakkan dalam silinder yang dilengkapi penghisap (piston), direndam dalam bejana dengan suhu yang dapat diatur dan dipertahankan tetap. Volume sistem dapat disesuaikan dengan menggerakkan piston. Ada katub antara silinder dengan slang yang mengarah ke atmosfer atau tangki gas. Jika katup ditutup maka tidak ada materi yang masuk atau keluar sistem : Sistem tertutup.

Jika katup dibuka maka materi dapat ditambahkan atau diambil dari sistem : Sistem terbuka.

*

Gambar 2.1 : Sistem fluida dalam silinder dengan variabel volume.

*

Bagian diluar sistem disebut Lingkungan (sekeliling) Sistem terisolasi bila : tidak ada panas, kerja atau materi yangmasuk atau keluar sistem.

Pada contoh tersebut : Suhu tetapGas : sistemSilinder, piston, suhu tetap dibejana bagian dari Lingkungan.

Bila sistem diisolasi sedemikian rupa sehingga tidak adapanas yang masuk atau keluar sistem : sistem adiabatik, dan suatu proses yang terjadi disebut : proses adiabatik.

*

Termodinamika membahas tentang interaksi antara system dengan lingkungan, atau interaksi antara sistem dengan sistem yang lain.Interaksi : memindahkan energi melintasi pembatas / boundary. lingkunganboundaryGambar 2. 2-1 : System dan lingkunganSYSTEMTERISOLASIGambar 1.2-2 : sistem terisolasi :Tidak ada transfer massa, panas maupun usaha ke / dari sistem

*

SYSTEM TERTUTUPPanas dan usaha/kerjaSYSTEM TERBUKAPanas, massa dan usaha/kerjaGambar 2.2-3 : Sistem tertutupGambar 1.2-4 : Sistem terbukaTidak ada transfer massa, tetapiada transfer panas dan usaha dari / ke sistem.Ada transfer massa, panas dan usaha dari / ke sistem.

*

KEADAAN TERMODINAMIS DAN FUNGSI KEADAANSenyawa yang ada dalam sistem : fasa padat, cair atau gas.Fasa :sekelompok senyawa yang memiliki komposisi serba sama atau homogen.Gambar 2. 3: H2O dalam berbagai fasa.

*

Keadaan Gas :Molekul-molekul (partikel) bergerak secara acak.Jarak antar partikel relatif lebih besar dari ukuran partikel. gaya tarik menarik antar partikel sangat kecil (diabaikan).molekul gas bergerak dengan kecepatan yang sangat tinggi, dengan arah yang lurus kesegala arah.

Molekul gas saling bertumbukan dengan mol yang lain atau dengan dinding bejana Menyebabkan adanya tekanan.Vol mol gas

Keadaan Padat :Molekul-molekulnya tersusun sangat teratur.Hanya dapat bervibrasi pada posisi tertentu dan tidak bebas bergerak.Bentuk : Kristal dan amorf.Pada bentuk kristal molekul-molekul tersusun secara teratur.Keadaan cair :Molekul-molekulnya saling berdekatan tetapi tidak bersinggungan cairan mudah mengalir.Sifat fluiditas (mudah mengalir) ini yang membedakan sifat cairan dengan padatan.

*

Keadaan termodinamis : kondisi makroskopis suatu sistem yang dinyatakan dengan property / sifat / parameter termodinamis.Sifat termodinamis yang dipakai untuk menggambarkan sistem : Suhu, tekanan, density, kecepatan, dan posisi.Sistem satu fasa homogen : tertentu bila 2 sifat termodinamis sudah tertentu.

H2OsistemP : tekanan 1 bar sistem belum tertentu,Mis : berapa densitas air ? Densitas air pada 1 bar berubah-ubah tergantung Suhu, tetapi bila suhu ditentukan mis 30 0C maka densitas dapat tertentu pula.Tertentu bila 2 variabel (sifat termodinamis) sudah tertentu.(P, T)

*

Sifat termodinamis yang nilainya hanya tergantung pada keadaan sistem (keadaan awal dan akhir sistem) :

Fungsi KEADAAN (State function)Sifat termodinamis yang nilainya tergantung pada jalannya proses (misalnya sistem H2O tersebut dipanaskan sampai suhu tertentu) : Bukan fungsi keadaan.Contoh :Air yang suhunya 500C diubah menjadi 300C melalui 2 jalurproses. 1 : air didinginkan sampai 100C lalu dipanaskan sampai 300C2 : air dipanaskan sampai 900C lalu dididinginkan sampai 300CHarga density dilihat pada tabel sesuai suhu dan tekanan air.

*

Tabel harga densitas pada berbagai suhu

t (oC) (kg/m3)0999,83910999,69920998,20430995,64740992,21550988,03760983,20070977,77180971,79990965,321

*

P = 1 barT = 500C = 988,037 kg/m3P = 1 barT = 100C = 999,699 kg/m3P = 1 barT = 900C = 965,321 kg/m3P = 1 barT = 300C = 995,647 kg/m3P, T : fungsi keadaanGambar 2.4 : Pendinginan air melalui 2 alur proses

*

Perubahan desity pada 2 jalur proses tersebut adalah sama :1 : = 988,037 kg/m3 995,647 kg/m3 = -7,61 kg/m32 : = 988,037 kg/m3 995,647 kg/m3 = -7,61 kg/m3Density tidak tergantung dari jalannya proses tapi hanya tergantung pada keadaan sistem saat itu density fungsi keadaan.Karena :Maka V (volume spesifik) : juga fungsi keadaan.Fungsi keadaan : V, P, T, U (Internal energy), H (enthalpy), dan S (entropy).Sifat termodinamis : Sifat intensif dan ekstensifSifat intensif :tidak tergantung dari massa sistem suhu, tekanan, density dan kecepatan.Sifat ekstensif : tergantung dari massa sistem Volume total, momentum, dan energi kinetik.Jika dua sistem digabung sifat ekstensif gabungan =jumlah dari sifat ekstensif masing-masing sistem asal.

*

Diferensial dari suatu fungsi keadaan adalah diferensial total. Bila x adalah fungsi keadaan maka dx sebagai diferensial total, yang mempunyai sifat-sifat sebagai berikut :

*

KESETIMBANGAN TERMODINAMIS : PROSESSuatu sistem berada dalam kesetimbangan jika : Sifat termodinamis nilainya sama di setiap bagian sistem dan tidak ada kecenderungan terjadinya perubahan sifat dari waktu ke waktu.Kecenderungan terjadinya perubahan disebabkan oleh suatugaya dorong (driving force) sistem dalam kesetimbangan tidak ada driving force dalam bentuk apapun, semua gaya yang bekerja pada sistem tersebut benar-benar setimbang.Contoh :Jika suhu dinaikkansecara tiba-tiba di suatu bag sistem, akan terjadi distribusi secara spontan sehingga semua sistem mempunyai suhu yang sama.

*

Driving force berbeda perubahan yang berbeda.Contoh :Ketidakseimbangan gaya mekanik, seperti tekanan pada piston menyebabkan terjadinya transfer energi dalam bentuk kerja.Perbedaan suhu akan menyebabkan terjadinya aliran panas.suhu pada boundary sistem tiba-tiba naik terjadiredistribusi hingga suhu disemua bagian sistem sama.Sifat termodinamis suatu sistem mengalami banyak perubahanmaka sistem dalam keadaan kesetimbangan metastabil.Bila suatu sistem berubah dari keseimbangan yang satu ke keseimbangan lain jalur yang dilalui sistem : PROSES

*

Proses quasi equilibrium : langkah-langkah antara / intermediate di dalam proses dekat dengan keadaan keseimbangan.Contoh :Proses kompresi / ekspansi gas dalam internal combustion engine.JUMLAH dan UKURANMassa : mJumlah mol : nVolume total : VtMassa adalah besaran primitif tanpa definisi, bila dibagi dengan massa molar atau berat molekul (M) = jumlah mol.(2.1)

*

Volume total (Vt) : besaran yang merupakan panjang dipangkatkan tiga.Volume total dapat dibagi degan massa atau jumlah mol :Volume spesifik :Volum molar :Density molar atau density spesifik didefinisikan : = V-1

V dan : fungsi keadaan dan variabel termodinamis intensif.V dan = f (P, T, komposisi sistem).(2.2)(2.3)Hukum kedua Newton : F = m.aF = gaya, m = massa dan a = percepatan

*

Contoh : massa udara di dalam ruangan 3 m x 5 m x 20 m adalah 350 kg Hitung density, volume spesifik dan berat spesifik.Berat adalah gaya gravitasi, Hukum kedua Newton :W = m g (massa x gravitasi).

Berat berubah dengan ketinggian : karena massa tetap, maka W dipengaruhi oleh perubahan-perubahan gravitasi (g).Dipuncak gunung : 9,77 m/s2, lautan yang paling dalam = 9,83 m/s2.Nilai standar : 9,81 m/s2 (32,2 ft/sec2).Berat spesifik terhadap volume :

Penyelesaian :GAYAGaya (F) diturunkan dari hukum kedua Newton, adalah massa (m) x percepatan (a).Satuan (SI) : Newton.(2.4)

*

Satu Newton = gaya yang dikenakan pada suatu massa sebesar 1 kg akan menyebabkan percepatan sebesar 1 m s-2(1 Newton = 1 kg m s-2) Dalam satuan Inggris : Satu pound force (lbf) didefinisikan sebagaiGaya yang dikenakan pada suatu massa sebesar 1 pound mass (lbm) Akan menimbulkan percepatan sebesar 32,1740 ft/s2.

*

TEKANANTekanan : gaya normal (tegak lurus) yang bekerja per satuan luas.Jika gaya bekerja dengan membentuk sudut dengan permukaan bidang, maka hanya komponen gaya yang tegak lurus pada bidang itu yang digunakan dalam perhitungan gaya.

Gambar 2.5 : Gaya yang bekerja pada suatu permukaanFn= komponen gaya yang tegak lurusFAGaya

*

Satuan SI : P dalam Pascal (Pa)1 Pa = 1 N/m2 = 1 kg/(m.s2)Alat pengukur tekanan : dead-weight gaugeGambar 2.6 : piston diisi dengan minyak, dengan adanya tekanan minyak cenderung akan naik. Beban diletakkan diatas piringan sehingga tekanan tersebut diimbangi oleh gaya berat piston dan semua beban diatasnya.Menurut hukum Newton, maka tekanan pada minyak = Dengan m : massa piston, piringan / pan dan beban g : percepatan gravitasi A : luas penampang piston.(2.6)

*

APhV=AhAkolom berisi fluidaDasar kolom mengalami tekanan akibat adanya tekanan uap diatas fluida dan tekanan akibat berat cairan.Volume fluida dalam kolom :V = A.hBerat fluida dalam kolom :W = g A hTekanan didasar kolom akibat berat fluida:Jika diatas fluida ada tekanan yang bekerja, Misalnya tekanan udara (Pudara), maka Tekanan total didasar kolom disebut :Tekanan statis fluida =

P = Pudara + gh(2.7)

*

Di atmosfer, tekanan bervariasi dengan ketinggian, Variasi tekanan dapat dinyatakan secara matematis dengan mem-perhitungkan keseimbangan gaya pada elemen udara, dengan Menjumlah elemen gaya dengan arah vertikal (arah keatas positif) :

dP = - g dz (2.8)Jika :P = f(z)

Maka P(z) :(2.9)Satuan P : torr : tekanan yang equivalen dengan 1 mm Hg pada 00C dan grafitasi standar = 133,322 Pa.

*

dzGaya karena tekanan :(P + dP) A gaya grafitasi bendaLuas ABerat = g A dzGaya karena tekanan : P A

P0z0Gambar 2.8 : Ketergatungan tekanan terhadap elevasi.

*

Dengan :Dan h bernilai positif jika arahnya kebawah.Integrasi persamaan (2.10) mulai dari permukaan cairan dengan P = 0 :(2.11)Persamaan ini menunjukkan bahwa tekanan sebanding dengan elevasi,Untuk merubah satuan tekanan dari Pa ke meter air atau milimeter

air raksa.Untuk cairan konstan, jika pada persamaan (2.7) dh = dz, maka : (2.10)

*

Tekanan absolut = tekanan gauge + tekanan atmosferis lokal.

Pabs = Pgauge + Patm (2.12)

Tekanan gauge negatif disebut tekanan vakum, dan gauge yang dapat membaca tekanan negatif disebut : gauge vakum.Misalnya Tekanan gauge = - 50 kPa tekanan vakum 50 kPa.

Pabs = 0PabsPgaugePatmPgauge (P negatif = vakum)PabsPgauge = 0Gambar : 2.9 : hubungan antara tekanan gauge dan tekanan vakum

*

Density GasGAS IDEAL : PV = nRT P : tekanan gas (Pa) V : Volume (m3) n : jumlah mol gas (mol) T : suhu (K) R : konstanta gas ideal.m : massa (gram)M : massa molar = Berat molekul (gr/mol) : densitas gas (gr/l)

*

Berat molekul zatMenentukan M gas :Cara Regnault :Timbang bola gelas kosong (300 500 cc), T, P kamar.Isi dengan gas X dan ditimbang.Massa gas = massa (bola + gas) massa bola kosong.Hitung M dengan rumus tersebut dibawah ini. Pada T dan V tertentu density gas sebanding dengan berat molekulnya. berubah ubah nilainya tergantung pada Suhu dan Tekanan.

*

Contoh Soal :

Satu meter kubik air pada suhu ruangan memiliki berat sebesar 9800 N pada lokasi dimana g = 9,80 m/s2. Berapakah berat dandensitas spesifiknya pada lokasi dimana g = 9,77 m/s2?

Tentukanlah gaya yang diperlukan untuk memberikan suatu massa sebesar 20 lbm, percepatan sebesar 60 ft/s2 lurus keatas.

Sebuah dead-weight gauge dengan diameter piston 1 cm digunakan untuk mengukur tekanan dengan sangat akurat. Suatu saat, satu massa sebesar 6,14 kg (termasuk piston dan pan) seimbang dengan tekanan yang diukur. Jika percepatan gravitasi lokal = 9,82 m s-2, Berapa tekanan gauge yang diukur?. Jika tekanan barometrik adalah Sebesar 748 torr, berapa tekanan absolutnya?.

Manometer air raksa pada gambar dibawah ini digunakan untuk mengukur tekanan didalam pipa air. Tentukan tekanan air jika pembacaan di manometer adalah 0,6 m. Air raksa 13,6 kali lebih berat dari pada air.

*

Contoh SoalSatu meter kubik air pada suhu ruangan memiliki berat sebesar

9800 N pada lokasi dimana g = 9,80 m/s2. Berapakah berat dandensitas spesifiknya pada lokasi dimana g = 9,77 m/s2?

Massa air dalah :

*

Tentukanlah gaya yang diperlukan untuk memberikan suatu massa

sebesar 20 lbm, percepatan sebesar 60 ft/s2 lurus keatas.Untuk mempermudah kita gunakan diagram benda bebas, kita asumsikan gravitasi standar. Hukum Newton kedua : F = 1/gc m a

FW = 20 lbf1 lbf :gaya yang apabila dikenakan pada suatu massa sebesar 1lbm menimbulkan percepatan sebesar32,1740 ft/s2F gaya grafitasi = 1/gc m aGaya grafitasi = m/gc g = {20 lbm/(32,1740 lbm ft lbf-1 s-2)}(32,1740 ft/s-2)= 20lbf

*

Sebuah dead-weight gauge dengan diameter piston 1 cm digunakan untuk mengukur tekanan dengan sangat akurat. Suatu saat, satu massa sebesar 6,14 kg (termasuk piston dan pan) seimbang dengan tekanan yang diukur. Jika percepatan gravitasi lokal = 9,82 m s-2, Berapa tekanan gauge yang diukur?. Jika tekanan barometrik adalah Sebesar 748 torr, berapa tekanan absolutnya?.

Penyelesaian : Gaya gravitasi dari piston, pan dan beban adalah : F = m g = (6,14 kg)(9,82 m/s2) = 60,295 kg m s-2= 60,295 N Tekanan gauge :3

*

Manometer air raksa pada gambar dibawah ini digunakan untuk Mengukur tekanan didalam pipa air. Tentukan tekanan air jika pembacaan di manometer adalah 0,6 m. Air raksa 13,6 kali lebih berat dari pada air. = g = (1000 kg/m3) (9,81 m/s2) = 9810 (kgm/s2)/m3 = 9810 N/m3Pa = PbPa : adalah tekanan P didalam pipa air + tekanan yang disebabkan oleh 0,6 m airPb : tekanan yang disebabkan oleh air raksa setinggi 0,6 m.

Maka : P + (0,6 m) (9.810 N/m3) = (0,6 m) (13,6) (9.810 N/m3) P = 74.200 Pa = 74,2 kPa gauge.4

*

Hitunglah tekanan dalam sebuah silinder berdiameter 200 mm dalam gambar berikut ini. Pegas terkompresi sejauh 40 cm.UdaraPiston 40 kg bebas gesekan Pegas K = 2 kN/mDiameter : d = 0,2 mJarak pegas = 0,4 mTekanan awal : P1 = Patm + Tek karena piston

Tekanan akhir : P2 = P1 + Tek karena PegasCatatan :1 N = 1 kg m/s2K = 2000 N/m = 2000 (kg m/s2) (m-1)1 atm = 101,325 kPa.

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*

*