4.1 TEMPERATUR

Konsep Temperatur Temperatur adalah derajat panas suatu benda. Dua benda

dikatakan berada dalam keseimbangan termal apabila temperaturnya sama.

Kalor (heat) adalah energi yang mengalir dari benda yang bertemperatur tinggi ke benda yang bertemperatur rendah.

Menurut hukum ke Nol Termodinamika :

Jika benda A berada dalam keseimbangan termal dengan benda B, sedang B setimbang termal dengan benda C, maka ketiga benda dalam keseimbangan termal satu terhadap lainnya.

3

3.1. Kuantitas Kalor Kalor adalah energi termal yang mengalir dari benda bertemperatur tinggi

ke benda bertemperatur rendah. Satuan kalor adalah Joule, kalori dan BTU (British Thermal Unit), dimana 1 Kal = 4,186 Joule

Satu kilogram kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 10 C untuk 1 kilogram air.

Kapasitas kalor C adalah banyaknya kalor yang diserap benda untuk menaikkan suhu satu satuan suhu (SI = 1 K)

C = Q/T C = dQ/dT dimana satuan kapasitas panas (C) adalah kal/oC, Joule/kelvin. Untuk memperoleh suatu harga kapasitas yang khas didefinisikan

kapasitas kalor spesifik (kalor jenis) c, yaitu kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda per satuan massa per satuan suhu.

c = C/m c = Q/(m T) dimana satuan kapasitas panas jenis (c) adalah kal/gram. oC atau J kg-1 K-1.

4

Jumlah kalor yang harus diberikan kepada sebuah benda bermassa m dan mempunyai kalorjenis c, untuk menaikan temperaturnya adalah :

Tf

Q = m c dT

Ti

Persamaan ini digunakan dalam prinsip kerja Kalorimeter. Kalorimeter digunakan untuk mengukur jumlah kalor. Ada dua jenis kalorimeter yaitu kalorimeter air dan kalorimeter arus kontinu.

Berdasarkan prinsip bahwa kalor yang diberikan sama dengan kalor yang diterima, maka persamaan yang berlaku adalah :

mL cL (TL - Tw) = (ma ca + mk ck ) (Tw - Tak)

dimana : L = logam tertentu, a = air, k = kalorimeter, w = keadaan akhir

5

3.2. Perpindahan Kalora. Konduksi Konduksi panas/hantaran adalah perpindahan energi termal atau kalor dalam

molekul zat yang berdekatan tanpa perubahan molekul itu sendiri, akibat perbedaan temperatur.

H ≡ Q / t H = - k A (dT/dx)

H = k A (T2-T1) / L dimana :

H = Arus Kalor [joule/s] k = konduktivitas termal zat

[(kkal/detik.m).oC ; J/s.m.K]

b.Konveksi Konveksi adalah perpindahan panas dari suatu tempat ketempat yang lain

yang dibawa oleh fluida panas itu. Jika fluida yang dipanaskan itu dipompa /didorong oleh bahan lain disebut konveksi paksa, kalau fluida mengalir karena perbedaan kerapatan disebabkan perbedaan temperatur disebut konveksi alamiah/bebasLaju aliran panas konveksi dinyatakan oleh :

H = hc A t hc ; koefisien konveksi

T2 T1

A

L

T2 T1

6

c.Radiasi Radiasi adalah perpindahan energi melalui gelombang elektromagnetik. Pemancaran energi ini tidak memerlukan media material penghantar. Energi ini disebut energi radiasi dalam bentuk gelombang elektromagnetik, tetapi dengan intensitas berbeda. Benda hitam (Black Body) adalah benda yang mampu menyerap hampir seluruh energi radiasi yang menimpanya. Jumlah energi radiasi yang dipancarkan persatuan waktu persatuan luas oleh benda hitam adalah

I = e A T4 dimana :

I : daya yang dipancarkan ke satu satuan luas = dP/dA e : daya pancar permukaan bahan (emisivitas); 0<e<1 : Konstanta radiasi Stefan-Boltzman (5,67 x 10-8 Watt/ m2.K4 )

T : temperatur (Kelvin)

4.2 Panas dan Hukum Pertama Termodinamika

Hukum 1 Termodinamika Termodinamika mempelajari fenomena panas, energi dan kerja yang dilakukan

pada suatu proses termodinamika. Dalam hal ini benda menjadi fokus perhatian disebut sistem, sedang yang lainnya disekitarnya disebut lingkungan. Sistem dipisahkan dari lingkungan oleh dinding pembatas (Boundary). Proses termodinamika terjadi pada sistem yang bergerak dari suatu keadaan kesetimbangan ke kesetimbangan lainnya, dengan berinteraksi dengan lingkungan.

Bila suatu zat diubah dari keadaan 1 ke 2 kemudian panas (Q) dan kerja (W) yang dilakukan diukur, ternyata selisih Q-W sama untuk semua lintasan yang menghubungkan 1 dengan 2,

Selisih Q-W menyatakan perubahan energi dalam zat tersebut. Jadi :

dQ = dU + dW Q = U + W Q - W = U2 - U1 U

Q

W

Untuk Proses Adiabatik Proses yang terjadi pada suatu sistem dimana tidak ada panas yang masuk maupun keluar, (Q = 0), yaitu jika sistem diisolasi dari pengaruh panas. Dalam hal ini berlaku persamaan :

U = U2 - U1 = - W Kerja W yang dilakukan terhadap zat berubah semua menjadi

penurunan energi dalam U dU = -dW Cv dT = - p dV dV

VnRT dT Cv

V

dV - TdT

nRCv

n - TT

n nRC

1

2VV

1

2v

Jika kedua ruas diintehral, diperoleh :

Dengan mengganti T dengan PV/nR diperoleh :

P1V1γ = P2V2

γ atau PVγ = konstan

Untuk Proses Isochorik Proses yang terjadi pada sistem dengan volume konstan (V=0, maka W=0). Q = U = U2 - U1

Semua kalor Q yang masuk digunakan untuk menaikan energi dalam dU = Cv dT

Untuk Proses Isotermik Proses yang terjadi pada sistem dengan temperatur T konstan (kasus tertentu pada gas ideal).

U = U2 - U1 = 0 ; Q = W = p (V2 - V1)

Untuk Proses Isobarik Proses yang terjadi pada suatu sistem dengan tekanan P konstan Dalam hal ini berlaku persamaan :

dQ = dW + dU dimana : dQ = n cp dT

dW = P dV = nR dT sehingga, n cp dT - nR dT = n cv dT cp - R = cv = cp / cv = tetapan Laplace Untuk :

gas monoatomik, = 1,67 gas dwiatomik, = 1,4

4.3 TEORI KINETIK GAS IDEAL

Model Gas Ideal1. Terdiri atas partikel (atom atau molekul) yang jumlahnya

besar2. Partikel-partikel tersebut tersebar merata dalam seluruh

ruang3. Partikel-partikel tersebut bergerak acak ke segala arah4. Jarak antar partikel jauh lebih besar dari ukuran partikel5. Tidak ada gaya interaksi antar partikel kecuali bila

bertumbukan6. Semua tumbukan (antar partikel atau dengan dinding)

bersifat lenting sempurna dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat

7. Hukum Newton tentang gerak berlaku

Pada keadaan standart 1 mol gas menempati volume sebesar 22.400 cm3 sedangkan jumlah atom dalam 1 mol sama dengan : 6,02 x 1023 yang disebut bilangan avogadro (NA) Jadi pada keadaan standart jumlah atom dalam tiap-tiap cm3 adalah :

319

23

/1068,2400.221002,6 cmatomxx

• jika tekanan gas diubah tanpa mengubah suhu, volume yang ditempatinya juga berubah, sehingga perkalian antara tekanan dan volume tetap konstan.

P1 V1 = P2 V2 = C

Persamaan Gas Ideal

P = Tekanan gas [N.m-2]V = Volume gas [m3]n = Jumlah mol gas [mol]N = Jumlah partikel gasNA = Bilangan Avogadro = 6,02 x 1023

R = Konstanta umum gas = 8,314 J.mol-1 K-1 atau 0,0821 atm liter/mol.K

T = Temperatur mutlak gas [K]

nRTPV

ANNn

nRTPV ANNn TkNVP

TRNNVPA

kNR

A

TNRNVPA

N = Jumlah molk = Tetapan Boltzman 1,3807.10-23 J/K

• gas dengan massa tertentu menjalani proses yang bagaimanapun perbandingan antara hasil kali tekanan dan volumedengan suhu mutlaknya adalah konstan.

2

22

1

11

T.VP

T.VP

Hukum Boyle-Gay Lussac

4.4 Mesin Kalor, Entropi, dan Hukum Kedua Termodinamika

• Hukum Termodinamika menyatakan bahwa kondisi-kondisi alam selalu mengarah kepada ketidakteraturan, seluruh alam semesta bergerak menuju keadaan yang semakin tidak teratur, tidak terencana, dan tidak terorganisir.

Entropi dan TemperaturEntropi dari gas ideal pada tekanan tetap meningkat dengan meningkatnya temperatur

Hal ini karena volumenya bertambah

Entropi dan TemperaturPeningkatan temperatur juga menghasilkan tingkat energi atom-atom dalam molekul menjadi bertambah

Untuk molekul-molekul, berarti akan dapat berotasi dan vibrasi ikatan-ikatanya

Shg dpt meningkatkan entropi

S (gases) > S (liquids) > S (solids)

So (J/K•mol)

H2O(liq) 69.95

H2O(gas) 188.8

Entropy, S

Entropy

∆S = q/Twhere q = heat transferred in phase change

For H2O (liq) ---> H2O(g)∆H = q = + 40,700 J/mol

S = qT

= 40, 700 J/mol373.15 K

= + 109 J/K • mol

Tiga pernyataan bagi Hukum Kedua Termodinamika

– Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas

– Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh

– Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak (sistem terbuka: dapat menumbuhkan

Hukum II Termodinamika• Jika tidak ada kerja dari luar, panas tidak dapat merambat secara spontan

dari suhu rendah ke suhu tinggi (Clausius)• Proses perubahan kerja menjadi panas merupakan proses irreversible jika

tidak terjadi proses lainnya (Thomson-Kelvin-Planck)• Suatu mesin tidak mungkin bekerja dengan hanya mengambil energi dari

suatu sumber suhu tinggi kemudian membuangnya ke sumber panas tersebut untuk menghasilkan kerja abadi (Ketidakmungkinan mesin abadi)

• Mesin Carnot adalah salah satu mesin reversible yang menghasilkan daya paling ideal. Mesin ideal memiliki efisiensi maksimum yang mungkin dicapai secara teoritis

MESIN KALOR • Sebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yang menggunakan

kalor/panas untuk melakukan usaha/kerja.

• Mesin kalor memiliki tiga ciri utama:

1. Kalor dikirimkan ke mesin pada temperatur yang relatif tinggi dari suatu tempat yang disebut reservoar panas.

2. Sebagian dari kalor input digunakan untuk melakukan kerja oleh working substance dari mesin, yaitu material dalam mesin yang secara aktual melakukan kerja (e.g., campuran bensin-udara dalam mesin mobil).

3. Sisa dari kalor input heat dibuang pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur input ke suatu tempat yang disebut reservoar dingin.

Proses mesin bakar

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot …

Tidak ada mesin nyata yang beroperasi secara reversibel. Akan tetapi, ide mesin reversibel memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin Carnot, yang secara khusus berguna sebagai model ideal.

Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwa semua kalor input QH berasal dari suatu hot reservoir pada satu temperatur tunggal TH dan semua kalor yang dibuang QC pergi menuju suatu cold reservoir pada satu temperatur tunggal TC.

Ciri-ciri siklus carnot

• Setiap proses yang melibatkan perpindahan panas haruslah isotermal baik pada TH maupun pada TC.

• Setiap proses yang mengalami perubahan suhu tidak terjadi perpindahan panas (proses adiabatik)

• Siklus carnot terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel

Application of 2nd law to energy conversion systems

isothermalcompression

adiabaticexpansion

isothermalexpansion

adiabaticcompression

TA

TB

a-b

b-c

c-d

d-a

QH

QC

W12

W23

W34

W41

CarnotEngine

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot …

• Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang dibuang QC dengan kalor input QH dapa dinyatakan dengan persamaan berikut:

dengan TC dan TH dalam kelvins (K).

• Efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebgai berikut:

Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TC dan TH

H

C

H

C

TT

QQ

H

C

H

C

TT

QQe 11

• Jika entropi sistem meningkat, komponen sistem menjadi semakin tidak teratur, random dan energi sistem lebih terdistribusi pada range lebih besar Sdisorder > Sorder

• Seperti halnya energi dalam atau entalpi, entropi juga fungsi keadaan yaitu hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir tidak pada bagaimana proses terjadinyaSsis = Sfinal – Sinitial

• Jika entropi meningkat maka Ssis akan positif, sebaliknya jika entropi turun, maka Ssis akan negatif

Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

• Apa yang menentukan arah perubahan spontan?• Sistem alami cenderung kearah tidak teratur, random,

distribusi partikel kurang teratur• Beberapa sistem cenderung lebih tidak teratur (es meleleh)

tetapi ada juga yang lebih teratur (air membeku) secara spontan

• Dengan meninjau sistem dan lingkungan terlihat semua proses yang berlangsung dalam arah spontan akan meningkatkan entropi total alam semesta (sistem dan lingkungan). Ini yang disebut dengan hukum kedua termodinamika

• Hukum ini tidak memberikan batasan perubahan entropi sistem atau lingkungan, tetapi untuk perubahan spontan entropi total sistem dan lingkungan harus positifSuniv = Ssis + Ssurr > 0