TERMODINAMIKA STATISTIK

O L E H :1. FEBINOV SUDRAJAT2. LINDA RANTI3. MUHARANI ASNAL4. RANTI AMELIA SARI5. RIKA RUSLINDAWATI

TERMODINAMIKA STATISTIK

Konsep Kondisi Keseimbangan dan Konstrain Interaksi Termal antara Sistem Makroskopis Kalkulasi Statistik pada Besaran Termodinamik Parameter Makoskopik dan Pengukurannya Aplikasi Termodinamika Makroskopis

KONSEP KONDISI KESETIMBANGAN DAN KONSTRAIN

Sekarang kita lihat system terisolasi dengan enegi yang dispesifikasi berada pada jangkauan sempit :

: Jumlah keadaan yang dapat diakses “Keadaan yang dapat diakses“ → memnuhi kondisi tertentu / konstrain.

= (y1, y2, y3,……, yn)

Parameter y1, y2, y3,……, yn merupakan besaran makroskopis seperti energi, volume, tekanan suhu, dll.

E sampai E + Edisini E <<<

CONTOH

Partisi/konstrain

Pada saat terjadi tumbukan baik antara partikel maupun antara partikel dengan dinding partisi

KOSONG

Keaadaan yang dapat diakses hanya untuk molekul – molekul yang mempunyai koordinat di sebelah kiri.Apabila konstrain dilepas maka,Jumlah keadaan yang terjangkau mula-mula masih tetap adaMungkin terjadi penambahan jumlah keadaan

Bila jumlah keadaan mula – mula (i) dan keadaan akhir (f), maka: f iMungkinkah setelah konstrain ditiadakan, konddisi kembali ke aslanya? Kita lihat pada kasus contoh.Setelah dicabut, peluang kiri = kanan = ½ Setelah dicabut

Pi = ( ½ )NBila dihitung, probabilitas ini amat sangat kecil :Pi Praktis hal ini tidak mungkin terjadi.

2323

102106102

1 XX

Setelah konstrain dicabut, terjadi keseimbangan baru. Nilai suatu parameter akan berfluktuasi (y = y1), namun pada akhirnya jumlah state yang terbanyak akan dicapai ketika parameter ini mencapai nilai tertentu, y = ỹPerumusan dapat diberikan sebagai berikut :“Bila beberapa konstrain dari suatu system terisolasi dihilangkan, maka parameter – parameter system akan menyesuaikan dirinya sehingga (y1, y2, y3,……, yn) mendekati maksimum.”Secara simbolik :(y1, y2, y3,……, yn) maksimum

PROSES REVERSIBEL DAN IRREVERSIBEL

Diskusi tentang proses reversible dan irreversible telah banyak di bahas di termodinamika, dari cara pandang statistic dapat dibedakan :

Bila f = i proses reversible, sebaliknya

Bila f > I proses irreversible

Keadaan mula-mula

)( i proses keadaan akhir )( f

Tidak kembali ke keadaan semula

INTERAKSI TERMAL ANTARA SISTEM MAKROSKOPIS

PERHATIKAN ILUSTRASI BERIKUT

A0 E

A0’ E’

Dua sistem makroskopis A dan A’ berinteraksi termal.Antara A dan A’ dapat terjadi pertukaran energi, tetapi A + A’ secara keseluruhan terisolasi dari luar, sehingga :

E + E’ = E(0)= konstan

Konstan karena sistem terisolasi dari luar oleh konstrain

HUKUM TERMODINAMIKA KE-0

Bila dua benda mengalami keseimbangan termal ketika kontak, maka dua benda tersebut memiliki temperatur yang sama.

HUKUM TERMODINAMIKA KE-1

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Panas dari luar akan digunakan untuk kerja dan perubahan energi dalam. dUWdQd ''

HUKUM TERMODINAMIKA KE-2

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkatkan seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.Pada suatu sistem tertutup nilai entropi akan tetap atau bertambah.

0S

HUKUM TERMODINAMIKA KE-3

Ketika mendekati suhu nol absolut entropi memiliki mendekati nilai tertentu yang independen dari parameter sistem:

00

lim SST

KALKULASI STATISTIK PADA BESARAN TERMODINAMIK

atau

→ hasil statistik sesuai dengan fisika panas.

E

N 1

2

3

NkTE2

3

Terlihat untuk gas ideal E = E(T) independen dari V. Lebih umum (gas tidak hanya monoatomik) sebenarnya digunakan:

disini juga akan diperoleh persamaan gas ideal .Terlihat bahwa persamaan keadaan dapat ”secara murni” diperoleh dari argumentasi termodinamika statistik.

)()( ExVE N

PARAMETER MAKROSKOPIK DAN PENGUKURANNYA

ENTROPI DAN ENERGI

Dalam hukum kedua termodinamika muncul konsep tentang entropi.

Misal ada proses terbalikkan, quasi-statik, jika dQ adalah kalor yang diserap atau dilepas oleh sistem selama proses dalam interval lintasan yang kecil,

dS = dQ/T Entropi dari alam naik bila proses yang berlangsung

alamiah Perubahan entropi dari suatu sistem hanya tergantung

pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem. Untuk proses dalam satu siklus perubahan entropi nol S

= 0. Untuk proses adiabatik terbalikkan, tidak ada kalor

yang masuk maupun keluar sistem, maka S = 0. Proses ini disebut proses isentropik.

Entropi dari alam akan tetap konstan bila proses terjadi secara terbalikkan.

SUHU DAN PANAS Suhu menunjukan derajat panas benda.

Mudahnya, semakin tinggi suhu suatu benda, semakin panas benda tersebut. Secara mikrokopis, suhu menunjukan energi yang dimiliki oleh suatu benda. Setiap atom dalam suatu benda masing-masing bergerak, baik itu dalam bentuk perpindahan maupun gerakan di tempat berupa getaran. Makin tingginya energi atom-atom penyusun benda, makin tinggi suhu benda tersebut.

Suhu juga disebut Temperatur.

KERJA ATAU USAHA Usaha dalam adalah usaha yang dilakukan

oleh suatu bagian system pada bagian system yang lain karena adanya interaksi antar partikel system, tetapi secara keseluruhan sistem tidak mengalami pergeseran/perpindahan. Usaha luar adalah usaha yang dilakukan oleh gaya-gaya luar terhadap system atau system melakukan gaya pada lingkungan

Kerja bernilai positif bila dilakukan oleh system dan akan bernilai negative jika dilakukan pada sistem

APLIKASI TERMODINAMIKA MAKROSKOPIS

Aplikasi termodinamika makroskopis dapat ditemukan

pada kerja reservoir energi panas

RESERVOIR ENERGI PANAS

Istilah reservoir energi panas (Thermal Energy Reservoir) atau lebih umum disebut dengan reservoir.

Reservoir adalah suatu benda / zat yang mempunyai kapasitas energi panas (massa x panas jenis) yang besar. Artinya reservoir dapat menyerap / menyuplai sejumlah panas yang tidak terbatas tanpa mengalami perubahan temperatur.

Sistem dua-fasa juga dapat dimodelkan sebagai suatu reservoir, karena sistem dua fasa dapat menyerap dan melepaskan panas tanpa mengalami perubahan temperatur.

MESIN KALOR (HEAT ENGINES)

Karakteristik mesin kalor : Mesin kalor menerima panas dari source

bertemperatur tinggi. Mesin kalor mengkonversi sebagian

panas menjadi kerja. Mesin kalor membuang sisa panas ke

sink bertemperatur rendah. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah

siklus.

Reservoir yang menyuplai energi disebut dengan source dan,

Reservoir yang menyerap energi disebut dengan sink.

TEMPERATUR TINGGI, Th

Qh

W

Qc

SIKLUS CARNOT

Pada tahun 1824, seorang insinyur berkebangsaan prancis bernama Sadi Carnot (1796 – 1832 ) menjelaskan suatu siklus usaha yang sekarang dikenal sebagai siklus carnot.

PROSES SIKLUS CARNOT

Proses pemuaian secara isotermik (A ke B). Proses menyerap kalor Q1 dan diubah menjadi usaha W1.

Proses pemuaian secara adiabatic (B ke C). Proses tidak menyerap/melepas kalor, tetapi melakukan usaha W2 sehingga suhunya turun.

Proses pemampatan secara isotermik (C ke D). Proses melepas kalor Q2 dan melakukan usaha berharga negative.

Proses pemampatan secara adiabatic (D ke A). Proses tidak menyerap/melepas kalor.

USAHA MESIN CARNOT

Usaha total dinyatakan dengan luas siklus.

Dalam system carnot tidak terjadi perubahan energi dalam (U = 0), sehingga :

U = Q – W0 = (Q1 – Q2) – WW = Q1 – Q2

EFISIENSI MESIN CARNOT

Taraf berhasilnya pengubahan kalor oleh suatu mesin dinyatakan dengan efisiensi. Efisiensi mesin () dapat dilihat dari perbandingan kerja yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diperlukan, yang secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

Efisiensi mencapai maksimum bila = 1 atau 100%. Namun, tidak mungkin ada mesin kalor yang berefisiensi 100% karena pasti ada kalor yang dilepas lagi.

EFISIENSI THERMAL

Efisiensi termal sebenarnya digunakan untuk mengukur unjuk kerja dari suatu mesin kalor, yaitu berapa bagian dari input panas yang diubah menjadi output kerja bersih.

Unjuk kerja atau efisiensi, pada umumnya dapat diekspresikan menjadi :

Untuk mesin kalor, output yang diinginkan adalah output kerja bersih dan input yang diperlukan adalah jumlah panas yang disuplai ke fluida kerja.

Setelah diturunkan, persamaan di atas menjadi:

Atau