Last lecture

KALORKALOR(BAHANG)

2

Pendahuluan

Suhu dan kalor merupakan suatu fenomena yang lain dalam bidang fisika. Kalau dalam mekanika keadaan setimbang suatu sistem mekanik dapat dinyatakan dalam besaran-besaran dasar seperti panjang, massa dan waktu maka dalam fenomena panas diperlukan besaran lain; yaitu panas atau kalor.

• Suhu : menyatakan ukuran kuantitatif keadaan panas dinginnya suatu benda

• Panas (kalor) : menyatakan ukuran energi (tenaga) panas yang terdapat pada suatu benda karena pengaruh perbedaan suhu

Kerja, Kalor dan Energi adalah konsep yang mendasar dalam termodinamika .

Semua pengukuran kalor dan perubahan energi menghasilkan pengukuran kerja.

Kerja = gaya x jarak; kerja dilakukan selama proses untuk menghasilkan suatu perubahan

Energi = kapasitas sistem untuk melakukan kerjaKalor = energi sistem yang berubah sebagai hasil

perbedaan temperatur antara sistem dan temperatur lingkungan.

Proses pelepasan energi sebagai kalor disebut eksoterm, dan proses penyerapan energi sebagai kalor disebut endoterm

Pengertian Kerja, Kalor dan Energi

Hukum Termodinamika ke Nol- Hukum ini meletakkkan konsep suhu pada dasar yang kokoh,

yaitu bila dua sistem ada dalam kesetimbangan termal, maka keduanya mempunyai suhu yang sama, bila tak ada dalam kesetimbangan termal maka keduanya mempunyai suhu yang berbeda.

- Tinjau 3 sistem A, B dan C, Fakta eksperimental : bila sistem A ada dalam kesetimbangan termal dengan sistem B, dan sistem B juga ada dalam kesetimbangan termal dengan C maka A ada dalam kesetimbangan dengan C:

- TA = TB TA = TC

- TB = TCA B C

Aplikasi Hukum ke NolAplikasi Hukum ke Nol

Bagaimana termometer air raksa bekerja untuk Bagaimana termometer air raksa bekerja untuk mengukur suhu badan?mengukur suhu badan?

HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

• Secara matematis. hukum termodinamika I pada sistem Secara matematis. hukum termodinamika I pada sistem tertutup, dinyatakan sebagai:tertutup, dinyatakan sebagai:dU = dU = dQdQ + + dWdW U = Q + W U = Q + W

• Dengan kata lain, perubahan energi dalam sistem (U) Dengan kata lain, perubahan energi dalam sistem (U) setara dengan panas yang diberikan pada sistem (Q) dan setara dengan panas yang diberikan pada sistem (Q) dan kerja yang dilakukan terhadap sistem (W)kerja yang dilakukan terhadap sistem (W)

• Jika hanya diberikan panas, berlaku:Jika hanya diberikan panas, berlaku: U = QU = Q

• Jika hanya dilakukan kerja berlaku:Jika hanya dilakukan kerja berlaku: U = W U = W

7

Alat ukur suhu ( termometer) Prinsip kerja termometer adalah berdasarkan pada pemuaian atau panas yang dipancarkan

Standar skala suhu : Titik tripel air (273.16 0C) Titik didih air (373.16 0C)

Skala termometer : Perbandingan skala termometer Kelvin, Celcius, Reamur dan Fahrenheit.

0 K 0 C 0 R 0 F

Titik uap 373 100 672 212Titik beku 273 0 492 32

Titik mutlak 0 -273 0 -460

8

• Hubungan antara suhu Celsius (tC ) dengan suhu Kelvin (TK)

tC = TK – 273.16

• Hubungan antara Reamur dengan Kelvin TR = 4 / 5 TK

• Hubungan antara Celsius dengan Fahrenheit tC = 5 / 9 ( tF - 320 )

Kesetimbangan termal : beberapa buah sistem yang berada dalam keadaan tingkat suhu yang sama

9

2. Pemuaian: Pemuaian adalah perubahan ukuran suatu benda sebagai akibat adanya perubahan suhu. Dikenal tiga macam pemuaian , yaitu : pemuaian panjang , pemuaian bidang dan pemuaian volum.

• Pemuaian panjang , α = koefisien muai panjang ∆L = α L ∆T ...........(1a) • Pemuaian bidang , β = koefisien muai luas ∆A = β A ∆T , β = 2 α ……...(1b) • Pemuaian vol , γ = koefisien muai volum : ∆V = γ V ∆T , γ = 3 α ………(1c)

Contoh :

Pada suatu hari yang panas di Las Vegas, sebuah truk minyak diisi 37000 liter bahan bakar diesel. Truk tersebut mengalami cuaca dingin dalam perjalanan ke Utah, yang suhunya 23 K lebih rendah daripada di Las Vegas, dan tempat tersebut adalah tempat ia membongkar seluruh muatannya. Berapa liter minyak yang didistribusikan? (Koefisien ekspansi volume untuk bahan bakar diesel adalah 0,00095 /°C dan koefisien ekspansi linear untuk truk tangki baja adalah 0,000011 /°C)

Kata kunci :- hitunglah perubahan volume minyak karena perubahan suhu-ekspansi termal tangki baja tidak mempengaruhi penurunan volume minyak

Jawab : Jumlah volume yang didistribusikan adalah 36190 liter

11

- Tegangan termal : ... Pada berbagai bangunan , terdapat bagian-bagian .... tertentu yang dirancang secara khusus agar tidak ... dapat memuai atupun menyusut dikala suhu beru- .... bah.Karena ukuran bendanya tidak dapat berubah ........ maka dalam bahan akan terjadi tegangan yang .... disebut tegangan termal . .... Besarnya tegangan (σ) termal ini adalah :

σ (=F/A) = Y (∆L/L0 ) dengan ∆L = α L0 ∆T atau σ = Y α ∆T …………..(2)

Y = modulus Young, ∆T = kenaikan suhu α = koefisien muai panjang

12

• Perubahan wujud benda 

Wujud benda dapat dalam bentuk : padat , cair , gas Perubahan wujud benda dapat disebabkan oleh : perubahan tekanan dan atau temperatur benda.

P C    Padat cair

  gasA   T

A : adalah titik triple , dimana wujud padat , cair dan uap dalam kesetimbangan thermal ( temperatur sama) C : adalah titik kritis (TC) , dimana pada temperatur >Tc tidak terdapat wujud cair Pada umumnya setiap benda mempunyai titik kritis dan titik triple sendiri

13

3. Peralihan wujud : Titik tripel : titik (suhu) dimana terdapat tiga macam wujud benda , yaitu : padat , cair dan gas

• Kalor : merupakan energi panas • Satuan kalor : kalori 1 kalori = banyaknya energi panas yang diperlu kan untuk menaikkan suhu 1 gram benda sebesar 1 0C

1 kal = 4.186 Joule atau 1 J = 0.24 kal • Kapasitas kalor ,C dan kapasitas kalor jenis , c : C = ∆ Q / ∆ T ...........(03)

14

c = C / m = (1/m) (∆Q/∆T) ..........(04) • Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda yang bermassa m dari suhu T1 ke T2 adalah : Q = mc (T2 – T1) .........(05)

• Kalor laten,L (kal) : Penyerapan energi dapat terjadi pada suhu konstan yaitu saat terjadi perubahan wujud benda (meleleh, menguap, membeku dan lain- lain). Banyaknya kalor yang diserap persatuan massa saat terjadi perubahan wujud adalah :

Q = m L ……..(06)

15

• Asas Black : Q yang dilepas benda bersuhu tinggi = Q yang diterima benda bersuhu rendah Contoh 1 : Kalorimeter ( cCU = 0.093 kal / (gr. 0C)) massa nya 100 gram , berisi 150 gram air dan 8 gram es. Ke dalam kalorimeter dimasukkan 100 gram timah ( cPb = 0.031 kal / (gr. 0C)) bersuhu 2000C . Berapa suhu akhir sistem ? (cair = 1kal / (gr.0C)) Jawaban : Qdilepas = Qditerima Qdilepas = 100 gr x 0.031 kal/(gr.0C) x (200 0C - t)

16

Qditerima = 8 gr x 80 kal/gr + (8 + 150)gr x kal/(gr. 0C) x t + 100 gr x 0.093 kal/(gr. 0C) x t 170.4 t = -20 0C → t = - 0.12 0C t negatif berarti tidak semua es melebur Jumlah es yang melebur adalah : 80 gr x M = 100 gr x 0.31 kal/(gr. 0C) x 200 0C M = 7.78 gram

17

4. Kalor dan Usaha Sering terjadi transformasi dari kalor menjadi usaha ataupun sebaliknya Proses ini harus memenuhi hukum kekekalan energi yaitu : • Kalor yang diterima = Usaha + perubahan energi dakhil dQ = dW + dU .......(07) Hukum Pertama Termodinamika • Usaha : W = ∫ p dV .......(08) Berbagai proses perubahan dari kalor ke usaha atau sebaliknya • Proses adiabatik: Tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari system, dQ = 0

18

pVγ = konstan W = ∫ p dV W = (p1 V1 - p2 V2 ) / (1 - γ) ......(09)

• Proses isotermis : Proses yang berlangsung pada suhu etap dU = 0 dQ = dW .....(10) • Proses isobarik : Proses berlangsung pada tekanan system tetap W = p (V2 - V1) ......(11) • Proses isovolume : Proses berlangsung pda volum tetap dW = 0 dU = dQ ......(12)

19

Contoh : Luas penampang silinder baja adalah 0.1ft3 . Silinder berisi 0.4 ft glyserin dan berpiston yang dapat menutup rapat silinder. Di atas piston diletakkan beban 6000 lb. Kemudian silinder dipanaskan dari 60 0F manjadi 160 0F. Pemuaian silinder diabaikan. Ditanayakan : a). Tambahan volum gliserin b). Usaha mekanik terhadap gaya beban 6000 lb yang dilakukan gliserin c). Panas yang ditimbulkan pada gliserin ( c = 0.58 kal/(gr. 0C ) d). Perubahan energi dakhil gliserin. Jawaban :

20

a). ∆V = β x V60 x ∆T = 0.4 ft3 x 0.485 x 10-3 / 00 x 5/9 x (160 -60) 0F = 0.0108 ft3 atau = 0.0108 ft3 x m3 /(0.3048ft )3 = 0.38 m3 b). W = p ∆V = F/A x ∆V = 6000 lb/(0.1 ft2 ) x 0.0108 ft3 = 648 lb-ft atau = 648 lb-ft x (1.356 J/ lb-ft) = 879 J c). Q = m c ∆T = 0.4 ft3 x 1.26 x 62.4 lb/ ft3 x 0.58 Btu/ 0F x (160 - 60) 0F = 1827 Btu atau = 1827 Btu x 252 kal/Btu = 460.4 kkal.

21

d). Perubahan tenaga dakhil : U = Q - W = (1827 x 778 - 648 ) lb – ft = 1420758 lb - ft

- Energi dalam terdiri dari : energi transisi, energi vibrasi dan energi rotasi pada tingkat molekuler dari suatu materi

- Kerja (W) adalah akibat aksi melawan gaya luar, yang dinyatakan : d W = F dh

F adalah gaya luar dan dh adalah jarak perpindahan - Kerja tergantung pada 2 faktor yaitu faktor intensitas dan faktor

kapasitas

Jenis-jenis Kerja

KERJA EKSPANSI DAN KOMPRESIKerja yang dilakukan oleh sistem

dw = F dh (F=gaya dh = jarak)Kerja terhadap sistem

dw = -F dhF = P (tekanan) x A (luas) maka :

dw = -Pluar A dhAtau :

dw = -Pluar dV

Sehingga : dw = -Pluar dV Karena: dU = dq +dw maka : dU = dq - pdV Integrasinya adalah:

atau U = q – P(V2 – V1) Atau U = q + w

2

1

V

V

PdVdqdU

Pluar

A

dhEkspansi: V2>V1

Kompresi: V2<V1

W-: sistem melakukan kerjaW+: dilakukan kerja thd sistem

Beberapa terapan kerja (W)Beberapa terapan kerja (W)Pada proses reversibel (Pluar=Pdalam= P) dan isotermis (dT = 0)

untuk gas ideal PV = n R T sehingga :wrev = - n R T ln (V2/V1)wrev = - n R T ln (P1/P2)

Pada proses irreversibel (Pluar Pdalam) dan isotermis (dT=0) Wirrev = - Pluar dV

untuk gas ideal ,Wirrev = - Pluar (V2-V1)

= - n R T (1-P2/P1)Pada proses ekspansi isotermal terhadap vakum (Pluar = 0)

Wvak = 0

dVPW dalamrev

Kerja maksimum bisa dilakukan pada pemuaian gas ideal isotermis jika sistem beroperasi secara reversibel isotermal. (jelaskan!)

Entalpi (H) / Heat content• Pengertian entalpi dipakai untuk perubahan-perubahan pada

tekanan tetapH = U + PV

dan PV hanya targantung kedaan awal dan akhir sistem

• Besarnya perubahan entalpi dari sistem : H = H2 –H1

= (U2+P2V2) – (U1+P1V1) = (U2-U1) + (P2V2-P1V1)

pada P tetap H = U + P(V2-V1) H = U + P V

• Jika dihubungkan dengan hukum termodinamika pertama pada tekanan tetap berlaku: H = q

Pengukuran perubahan entalpi

• Perubahan entalpi mengikuti perubahan kimia dan fisika.• Diukur dengan kalorimeter

– Kalorimeter api bertekanan tetap H = q– Kalorimeter Bom, pada volume tetap, melelui U dimana U =

q – untuk reaksi yang tidak menghasilkan gas H U – Untuk reaksi yang menghasilkan gas:

H = U + PV = U + nRTH = U + (PV) = U + n gasRTDengan n = n gas produk = n gas reaktan

• Besarnya perubahan entalpi pada tekanan konstan setara dengan panas yang diserap sistem

Perubahan energi pada berbagai keadaan

-Perubahan energi pada volum konstan dV = 0

atau U = qV

Terjadi pada kalorimeter bom-Perubahan energi pada tekanan konstan dP = 0

U2 – U1= qp – p(V2 – V1)(U2+PV2) - (U1+PV1) = qp H2 - H1 = qp

dqVdUPdVdW

v 0

2

1dVPqU

PdVdqdU

p

BAGAIMANA BOMB KALORIMETER BEKERJA?

Kapasitas panas (C)• Kapasitas panas ( C ) : nisbah antara kalor yang dipasok

dengan kenaikan suhu.. Satuan Joule/K• Kapasitas panas spesifik ( c ) : nisbah antara kalor yang

dipasok pada sejumlah zat (Kg) dengan perubahan suhu. Satuan Joule/K.Kg

• Kapasitas kalor molar: J K-1mol-1.• Secara matematis dinyatakan sebagai:

C = dq (proses)/dT• Pada volume konstan,

CV = dqV /dT = (∂U/∂T)V

• Pada tekanan tetapCP = dqP /dT = (∂H/∂T)P

Hubungan Cv dan Cp dapat dituliskan beberapa persamaan :

VTVP

PTVP

TP

PHVCC

TVPV

UCC

}{

}){(

RCC VP

Untuk gas Ideal

Percobaan Joule

• Bertujuan menentukan (∂U/∂V )T

Jika kran dibuka maka gas mengalir dari A ke BJoule menemukan bahwa tak ada perubahan suhu

dq = 0dT = 0 tak ada perubahan suhudw = 0 kerja melawan vakumdU = 0

dU= (∂U/∂V )T dV=0Karena dV≠0 maka (∂U/∂V )T=0Pd isotermal dU tdk tgt dV

Perubahan entalpi pada perubahan P, T

• Entalpi sebagai fungsi T dan p; H= f(T,P)

• Cp diperoleh dengan kalorimeter • Untuk padatan dan cairan• Untuk gas ideal

dPPHdTCdU

dPPHdT

THdH

TP

TP

VPH

T

0

TPH

1

2

1

2 lnlnVVR

TTCV

2211

122

111

1

1

2

1

2

VPVP

VTVT

TT

TT

VCR

VV

TT

2

1

1

2 V

P

CC 1

VCR

Jika CV konstan

Maka

Mesin KalorTidak ada mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%

Hukum I : Q1-Q2=W

H

L

H

L

L

LH

H TT

QQ

QQQ

QW

11

Efisiensi mesin kalor

Siklus Kompresi Uap

Reverse Carnot CycleReverse Carnot Cycle

H

LLH

H

L

H

L

HLH

L

TTQQ

QTT

QQQQ

Q

1

1COP

1

1

1

1COP

Carnot HP,

Carnot R,