1

TERMODINAMIKA

BUKU SUMBER

• 1. Dimsiki Hadi, Termodinamika, Dikti, Jakarta

• 2. Ditman, 1986, Kalor dan Termodinamika, ITB, Bandung

• 3. Werlin.S. Nainggolan, 1976,Armico Bandung.

2

Teknik Penilaian

• Kehadiran 80 %

• NA = { 3 ( M + F ) + 2T +2Q }/10

• NA = Nilai akhir

• M = Mid semester

• F = Ujian akhir semester

• T = Rata-rata tugas

• Q = Rata-rata quiz

3

Standar Penilaian

• NA >= 85 = A

• 70 >= NA < 85 = B

• 56 >= NA < 70 = C

• NA < 56 = E

4

TERMODINAMIKA

• Termodinamika adalah ilmu yang mempelajai hubungan antara Kalor (bahang) dan usaha, serta sifat-sifat zat yang mendukung hubungan tersebut.

5

A. SISTEM TERMODINAMIKA

• Sistem termodinamika adalah zat yang dibatasi oleh dinding tertutup

– Yang dimaksud dengan zat disini dapat berupa: zat padat, cair atau gas, dwikutub magnet, tenaga radiasi, foton dll.

• Dinding yang membatasi sistem boleh nyata boleh khayal

• Dinding beserta sistemnya tidak perlu memiliki bentuk dan volume yang tetap

6

Lingkungan

• Lingkungan dari suatu sistem adalah semua sistem lain yang dapat saling bertukar tenaga dengan sistem tersebut.

• Suatu sistem bersama lingkungannya disebut semesta.

7

Pembagian sistem:

• Sistem terisolasi adalah sistem dimana tidak trjadi pertukaran tenaga dengn lingkungannya.

• Sistem tertutup adalah sistem dimana tidak ada zat yang menembus dinding batas masuk atau keluar.

• Sistem terbuka adalah sistem dimana zat dapat menembus dinding batas masuk atau keluar.

8

B. KESEIMBANGAN TERMODINAMIK

• Pada umumnya suatu sistem berada dalam keadaan sebarang (arbitrary state)

• Hal ini berarti dalam sistem terdapat perbedaan suhu antara bagian-bagiannya, variasi tekanan, dan reaksi kimia. Apa bila sistem itu ditunggu beberapa saat dapatlah terjadi hal-hal berikut.– Jika tidak terjadi perbedaan suhu antara bagian-

bagiannya maka sistem dalam keadaan keseimbangan termal

– Jika tidak terjadi variasi tekanan pada sistem, maka sistem dalam keseimbangan mekanik

9

– Jika tidak terjadi reaksi kimia pada sistem, maka sistem dalam keadaam keseimbangan kimia,

– Jika sistem mengalami keseimbangan termal, mekanik dan kimia, maka dikatakan bahwa sistem dalam keadaan keseimbangan termodinamik

10

Proses ialah perubahan sistem dari satu keadaan ke keadaan lain.

Proses kuasistatik adalah proses yang merupakan rentetan keadaan seimbang tak terhingga banyak; setiap saat keadaan seimbang hanya menyimpang sedikit dari keadaan seimbang sebelumnya. Sebaliknya jika hal itu tidak dipenuhi maka proses disebut nonkuasistatik.

Proses kuasistatik adalah proses reversibel (terbalikkan) dan proses nonkuasistatik adalah proses irreversibel (tak terbakikkan)

C. PROSESC. PROSESC. PROSESC. PROSES

11

D. VARIABEL INTENSIF DAN EKSTENSIF

• Variabel intensif ialah variabel yang nilainya tidak tergantung pada massa sistem.– Contoh: tekanan, suhu, kerapatan.

• Variabel ekstensif adalah variabel yang nilainya tergantung pada massa sistem.– Contoh: volume, tenaga dahil (internal energy)

sistem, entalpi.– Variabel ekstensif bila dibagi dengan massa

atau jumlah mol sistem menjadi variabel intensif dan disebut nilai jenis.

12

– ATURAN PENULISAN• Untuk variabel ekstensif digunakan lambang

huru besar: Volume ( V), tenaga dahil (U), entalpi (H ).

• Untuk Variabel Intensif digunakan lambang huruf kecil : tekanan(p), kerapatan (ρ), kecuali variabel suhu (T )

• Variabel ekstensif bila dibagi dengan massa atau jumlah mol sistem menjadi variabel intensif dan disebut nilai jenis. v = V/m , h = H/m v’ = V/n u = U/m ρ = m/V……………….

13

TEKANAN

• Tekanan dalam medium kontinu disebut tekanan hidrostatik.

• Tekanan pada suatu unsur luas baik dalam medium maupun pada permukaannya adalah tegak lurus pada unsur itu dan tak tergantung pada orientasinya.

• Contoh, tekanan di dalam fluida yang diam.• Satuan Tekanan• Dalam SI : N/m2 = Pa(pascal)

– Satuan lain : bar, atm, Tor (Toriselli)1 bar = 10 5 Pa = 10 6 dyne/cm2

• 1bar = 10 -1 Pa = 1 dyne/cm2

• 1 atm = 1,01325 x 10 5 Pa ≈ 1 bar• 1 Tor = 1/ 760 atm = 133,3 Pa

14

HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

Apabila dua buah benda mempunyai kesamaan suhu dengan benda ketiga maka kedua benda itu satu dengan yang lain juga mempunyai kesamaan suhu

A B

C

Suhu A = suhu C

Suhu B = suhu C

Maka Suhu A = Suhu B

15

SKALA SUHU

• Skala Celsius dengan lambang oC Yang didasarkan pada dua titik tetap yaitu titik es (ice point) dan titik uap (steam point).

• Suhu pada titik es adalah suhu campuran es dan air dalam keadaan seimbang dengan udara jenuh pada tekanan 1 atm (sebagai titk 0)

• Suhu pada titik uap adalah suhu air dan uap yang berada dalam keseimbangan pada tekanan 1 atm (sebagai titik 100)

16

• Skala suhu mutlak yang didasarkan pada hukum kedua termodinamika yang disebut skala Kelvin (K)

T (K) = t(oC) + 273,15

• Titik tripel air = 273,16 K (= 0,01 oC)

Kemudian ditetapkan sebagai titik tetap bawah skala Celsius

17

MENGUKUR SUHU

• Zat termometrik yaitu zat yang besaran fisisnya berubah dengan suhu:

• Besaran besaran fisis yang berubah karena suhu – Volume cairan– Panjang batang– Volume gas pada tekanan tetap– Warna filamen lampu

18

Besaran fisis yang berubah karena suhu dilambangkan dengan X

• Perubahan X linear dengan suhu T

• Rasio dua suhu empiris T2 dan T1 didefinisikan sama dengan rasio sifat termometrik X2 dan X1 yang bersangkutan

•

1

2

1

2

X

X

T

T

T= aX

19

Penentuan titik tetap(Titik triple air)

• Titik tripel airT = 0,01 oC, p = 4,58 mmHg

Suhu titik tripel T3 dan nilai sifat termometrik X3

Uap

Lapisan air

Air

Es

20

Penentuan suhu empirik T jika nilai sifat termometriknya X

diketahui

33 X

X

T

T

atau

33

TX

XT

21

Untuk termometer gas pada volume tetap

Kp

pT 16,273

3

Jika termometer ini digunakan untuk mengukur suhu titik tripel air diperoleh tekanan p31

Tekanan ini setara dengan suhu 273,16 K

Selanjutnya digunakan untuk mengukur suhu titik didih air diperoleh tekanan pu1

Suhu titk uap air adalahKx

p

pT uu 16,273

31

11

22

• Setelah gas di dalam botol termometer dikurangi lalu digunakan lagi mengukur suhu titk tripel air diperoleh tekanan p32

• Lalu mengukur titik didih air diperoleh pu2

• Suhu titik didih air adalah

Kxp

pT uu 16,273

32

22

23

Jika proses pengurangan gas dalam botol termometer terus dikurangi dan pengukuran titk tripel air dan titik didih air dilakuakan maka

• Secara umum suhu titik didih air dapat dirumuskan sebagai berikut:

• Dari data tersebut dibuatlah grafik suhu titik uap sebagai fungsi p3n dan selanjutnya diekstrapolasi ke p3n = 0, dan proses ini dilakukan juga untuk gas-gas lain

• Hasilnya adalah sebagai berikut

Kxp

pT

n

unun 16,273

3

24

Penentuan suhu titik uap dengan termometer gas volume tetap

•

Tu

p3 cmHg

0 20 40 60 80 100

373,00

373,25

373,50

O2

udara

N2

He

H2

KK

25

• Oleh karena itu hasil yang diperoleh pada pengukuran suhu dengan termometer gas volume tetap dapat dirumuskan sebagai

16,273lim3

xp

pT

v

op

26

• Termometer gas pada volume tetap dipilih sebagai termometer standar.

• Karena suhu terendah yag dapat diukur dengan termometer gas kira-kira 1 K

• Untuk memperoleh suhu serendah ini harus digunakan gas helium pada tekanan rendah, karena helium menjadi cair pada suhu yang lebih rendah dari pada gas-gas yang lain

27

• Bila suhu titik didih air normal diberi lambang Tu dan suhu titik beku air diberi lambang Te maka diperoleh hubungan

• Tu/Te = (pu/pe)v dan Tu – Te = 100 skala

• Dari kedua persamaan di atas diperoleh

• Nilai (pu/pe) = 1,3661

• Dengan demikian diperoleh suhu titik es

KTe 15,273

1)(

100

e

ue

pp

T

28

Hubungan satuan derajat Celsiuc oC dengan derajat Kelvin K

• tc = TK – Te

• te = 273,15 K– 273,15 K= 0 oC

• Suhu titik tripel air = 273,16 K

• t3 = 273,16 K – 273,15 K = 0,01 oC

• tu = 373,15 K - 273,15 K = 100 0C

29

Satuan lain adalah satuan Rankine (R) dan Fahrenheit (oF)

• Hubungan skala Rankine dan skala Kelvin

• 1 skala R = 5/9 skala K• Jadi faktor konversi 5/9 (K/R) atau 9/5 (R/K)

30

Perbandingan Satuan K, oC, R dan oF

K C R F

Nol mutlak 0

273

373100

0

100 K

100 0C

180 R

180 oF

-273 0 -460

32

212672

492

31

Nilai di atas adalah nilai-nilai pembulatan

• Contoh

• Suhu titik es dalam R

Te = 273,15 K = 273,15 K X 9/5 (R/K)

= 491,67 ≈ 492 R

• Suhu titik uap dalam R

Tu = 373,15 K = 373,15 K x 9/5 (R/K)

= 671,67 R ≈ 672 R

32

• Hubungan antara satuan oC dengan oF

TF = 9/5 tc + 32 (a)

atau

tc = 5/9( TF – 32) (b)

Hubungan antara satuan C dengan satuan K adalah:

tc = TK – 273,15 (c)

Dari persamaan (a)dan (c) diperoleh

TF = 9/5 tc + 32

= 9/5 ( TK -273,15) + 32

= 9/5(TK – 255,37)

33

• Contoh• Titik nol mutlak dalam o F

TF = 9/5(0 – 255,37) = - 459,67 oF

≈ - 460 oF

Titik es dalam oF

TF = 9/5( 273,15 – 255,37)= 32,004 oF

≈ 32 oF

34

Contoh Soal 1

Kerapatan air ρ = 1 gram/ cm3 . Hitung:a. Kerapatan air dalam satuan MKS dan SIb. Volume jenis dalam satuan MKS dan SIc. Volume jenis molal dalam satuan MKS dan SI

35

Jawaban soal 1

• a) ρ = 1 gram/cm3 =1. (10 -3) kg)/(10 -2m) 3 = 103 kg/m3

• b) v = V/m = 1/ ρ = 1/ (10 3 kg.m-3) = 10-3 m3 kg-1

• c) v’ = V/n = V/(m/M) = (V/m)M = vM• v’ = 10-3 m3 kg-1 (18 kg.kmol-1) = 18 x10-3 m3.kmol-1 (MKS)• v’ = 18 x 10-3m3 (103 mol)-1 = 18 x 10-6 m3 mol-1 (SI)

36

• Contoh soal 2• Pada tabel berikut bilangan-bilangan pada

baris atas menyatakan tekanan pada termometer gas volume tetap, jika dimasukkan ke dalam sel titik tripel air. Bilangan-bilanagan pada baris bawah menyatakan tekanan jika termometer dimasukkan ke dalam zat yang suhunya tak diketahui.Terntukanlah suhu mutlak zat tersebut sampai dengan lima angka penting

p3 mmHg 1000,0 750,00 500,00 250,00p , mmHg 1535,3 1151,6 767,82 383,95

37

Jawaban soal 2

• Suhu titik tripel air = 273,16 K• Suhu zat yang bersangkutan

KKxKxp

pT 38,41916,273

0,1000

3,153516,273

31

KKxKxp

pT 43,41916,273

00,750

6,115116,273

32

KKxKxp

pT 48,41916,273

00,500

82,76716,273

33

KKxKxp

pT 52,41916,273

00,250

95,38316,273

34

38

1000,0 750,00 500,00 250,00 0,00

419,38 419,43 419,48 419,52

p

T

Penurunan tekanan selalu 250 mmHg, diikuti oleh kenaikan temperatur

T1 = 419,43 – 419,38 = 0,05 K

T2 = 419,48 – 419,43 = 0,05 K

T3 = 419,52– 419,48 = 0,04 K

Trata-rata = (0,05 +0,050,04)/3 = 0,046 0,05 K

Jadi setiap penurunan tekanan sebesar 250 mmHg mengalami kenaikan temperatur sebesar 0,05 K

Jadi Suhu Pada saat tekanan 0 mmHg = 419,52 K + 0,05 K = 419,57 K

Merupakan suhu benda tersebut

419,57419,57

39

Contoh soal 3

• Suatu hambatan R yang terbuat dari karbon khusus memenuhi persamaan

• Dengan a = -1,16 dan b = 0,675. Dalam wadah yang berisi helium cair, hambatan itu tepat menunjukkan 1000 Ω.

• Berapakah suhu helium

RbaT

Rlog

log 21

40

Jawaban 3

RbaT

Rlog

log 21

1000log1000log 2

1

baT

KT

baTba

T

baT

00,4)675,0(316,1(

3

)3(

3)3(

3

33

2

22

21

41

Tugas I

• Buku Dimsiki Hadi

• Soal 1-6

• Soal 1-11