TERMODINAMIKA

Kuliah Kedua(18 September 2012)Suhu dan Hukum Ke NolTERMODINAMIKA

11.6 Kesetimbangan TermalKESETIMBANGAN (Equilibrium) : keadaan sistem dimana tidak ada perubahan secara spontan, dicirikan dengan harga besarannya tetap selama kondisi eksternal tidak berubah.Contoh perubahan secara spontan :Panas mengalir dari benda panas ke benda dingin bila saling didekatkanGas berekspansi ke daerah yang bertekanan lebih rendahDifusi warna secara merata ke dalam airLarutnya sukrosa dalam airAseton yang menguap ke seluruh ruanganMencampur fosforus merah padat dengan bromin cair dan mengamati suatu reaksi kimia eksotermik

2KESETIMBANGAN TERMAL : keadaan yang dicapai oleh dua (atau lebih) sistem yang dicirikan oleh keterbatasan harga besaran sistem itu setelah sistem berinteraksi melalui dinding diatermis.

DINDING DIATERMIS : pemisah antara dua buah sistem dimana harga besarannya berubah secara spontan sampai keadaan setimbang sistem gabungan tercapai. Contoh lempengan logam yang tipis.3HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA : Dua sistem yang ada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, berarti dalam kesetimbangan termal satu sama lain.Hukum ke nol termodinamika 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.

Kesetimbangan Termal : TA = TBTidak setimbang termal : TA TB4Jika sistem A dan sistem B berada dalam kesetimbangan termal maka semua besaran yang dimiliki sistem A dan sistem B nilainya sama. Kondisi seperti ini dinamakan isoterm.ISOTERM adalah kedudukan semua titik yang mengambarkan keadaan sistem yang dalam keadaan kesetimbangan termal dengan satu keadaan dari sistem yang lain.Dalam keadaan seperti ini sistem dikatakan memiliki SIFAT yang menjamin bahwa sistem dalam kesetimbangan termal satu sama lain.SUHU SISTEM adalah sifat yang menentukan apakah sistem dalam kesetimbangan termal dengan sistem lainnya.

1.7 Konsep Suhu5Temperatur empiris Sistem A memiliki fungsi fA(Y,X)=0 Sistem B memiliki fungsi fB(Y,X)=0 Sistem C memiliki fungsi fC(Y,X)=0 Sistem kesetimbangan A dan C dinyatakan dengan fungsi fAC(Y,X;Y,X)=0 (1) Sistem kesetimbangan B dan C dinyatakan dengan fungsi fBC(Y,X;Y,X)=0 (2) Jika persamaan (1) dan (2) dipecahkan untuk mencari Y, maka Y=gAC(Y,X,X), dan Y=gBC(Y,X,X), atau gAC(Y,X,X)= gBC(Y,X,X) (3)

6Berdasarkan HNT juga diperoleh fungsi fAB(Y,X;Y,X)=0 (4) Persamaan (3) dan (4) akan cocok apabila besaran X direduksimenjadi hA(Y,X)=hB(Y,X) yang juga sama dengan hC(Y,X) (5)Jadi, ada fungsi untuk setiap kumpulan koordinat, dan fungsi ini sama bila sistem dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Harga yang sama dari fungsi ini adalah t atau temperatur empiris yang sama untuk semua sistem. t=hA(Y,X)=hB(Y,X)=hC(Y,X) (6)Empirical Temperature: A property that is the same for any two systems that are in thermodynamic equilibrium with each other.71.8 Pengukuran SuhuUntuk mengukur suhu diperlukan sistem koordinat Y dan X sebagai sistem baku yang disebut termometer.Pada Y tetap, nilai X bisa berbeda-beda. Koordinat X disebut sifat termometrik dan bentuk fungsi termometrik (X) menentukan skala temperatur.Untuk sistem dalam kesetimbangan termal (X)=aX, (Ytetap) (7) nilai a adalah baku yang disebut titik tetap.Satu titik tetap baku yang dipakai adalah titik tripel air, yaitu keadaan air murni sebagai campuran setimbang dari es, zat cair dan uap.8Suhu pada keadaan setimbang ini diberi nilai 273,16 Kelvin. Dengan demikian a pada persamaan (7) dapat dinyatakan sebagai

Persamaan umum suhunya dapat dituliskan

Cara mendapatkan titik tripel : air dengan kemurnian yang tinggi dan mempunyai komposisi isotop yang sama dengan air laut disuling kemudian dimasukkan ke dalam bejana yang vakum udara berbentuk U dan ditutup rapat. Untuk mendapatkan es, pada bagian tengah bejana di taruh pembeku. Kemudian pembeku di ambil dan diganti dengan bola termometer, lapisan es akan melebur. Dalam selang waktu tertentu fasa padatan, cairan dan uap ada dalam kesetmbangan, sistem berada pada titik tripel.

(8)(9)9

10Hubungan umum antara temperature empirik dengan panjang kolom mercury pada termometer dinyatakan dengan

a bisa menyatakan triple point (TP) atau steam point (ST)Misalnya jika kolom mercury pada termometer gelas panjangnya 5 cm ketika kontak dengan air pada titik triple maka temperatur empiriknya pada panjang kolom 6 cm dapat dihitung sbb : = 273 (6/5) = 327,6 K

11Termometer Air RaksaTermometer air raksa umumnya menggunakan skala suhu Celsius dan Fahrenhait. Celsius memakai dua titik penting pada skalanya: suhu saat es mencair dan suhu penguapan air. Es mencair pada tanda kalibrasi yang sama pada thermometer yaitu pada uap air yang mendidih. Saat dikeluarkan termometer dari uap air, ketinggian air raksa turun perlahan. Ini berhubungan dengan kecepatan pendinginan (dan pemuaian kaca tabung). Jadi pegukuran suhu celsius menggunakan suhu pencairan dan bukan suhu pembekuan.Titik didih Celcius yaitu 0 C (212 F) dan titik beku pada 100 C (32 F). Tetapi peneliti lain -Frenchman Jean Pierre Cristin mengusulkan versi kebalikan skala celsius dengan titik beku pada 0 C (32F) dan titik didih pada 100C(212 F). Dia menamakannya Centrigade.

1.9 Termometer12Cara kerja Termometer Air RaksaAlat ini terdiri dari pipa kapiler yang menggunakan material kaca dengan kandungan air raksa di ujung bawah. Untuk tujuan pengukuran, pipa ini dibuat sedemikian rupa sehingga hampa udara. Jika temperatur meningkat, Merkuri akan mengembang naik ke arah atas pipa dan memberikan petunjuk tentang suhu di sekitar alat ukur sesuai dengan skala yang telah ditentukan. Adapun cara kerja secara umum adalah ;1. Sebelum terjadi perubahan suhu, volume air raksa berada pada kondisi awal.2. Perubahan suhu lingkungan di sekitar termometer direspon air raksa dengan perubahan volume.3. Volume merkuri akan mengembang jika suhu meningkat dan akan menyusut jika suhu menurun.4. Skala pada termometer akan menunjukkan nilai suhu sesuai keadaan lingkungan.13Termometer gas volume konstanprinsip kerjanya gas dipanaskan dan volume dipertahankan. Hubungan V dan T dinyatakan oleh hukum CharlesPrinsip kerjanya adalah pemuaian gas bila dipanaskan. Jika udara dipanaskan maka udara panas akan menekan mercuri pada kedua tabung, perbedaan ketinggian h diukur.

14Termokopel Adalah sensor suhu yang digunakan untuk mengubah perbedaan suhu dalam benda menjadi perubahan tegangan listrik (voltase).Prinsip kerja : jika dua ujung metal yang berbeda jenis disambung kemudian diberi perbedaan temperatur maka akan timbul gaya gerak listrik pada rangkaian. Besarnya GGL tergantung pada perbedaan temperatur di kedua ujung metal.

VABVAB15Bagaimana menghitung TJ1

dalam skala derajat Celsius

Rumus umum

16Macam-macam TermokpelTersedia beberapa jenis termokopel, tergantung aplikasi penggunaannyaTipe K (Chromel (Ni-Cr alloy) / Alumel (Ni-Al alloy)),Termokopel untuk tujuan umum. Lebih murah. Tersedia untuk rentang suhu 200C hingga +1200C.Tipe E (Chromel / Constantan (Cu-Ni alloy)), memiliki output yang besar (68 V/C) membuatnya cocok digunakan pada temperatur rendah. Properti lainnya tipe E adalah tipe non magnetik.Tipe J (Iron / Constantan) Rentangnya terbatas (40 hingga +750C) membuatnya kurang populer dibanding tipe K, Tipe J memiliki sensitivitas sekitar ~52 V/CTipe N (Nicrosil (Ni-Cr-Si alloy) / Nisil (Ni-Si alloy)), Stabil dan tahanan yang tinggi terhadap oksidasi membuat tipe N cocok untuk pengukuran suhu yang tinggi tanpa platinum. Dapat mengukur suhu di atas 1200C. Sensitifitasnya sekitar 39 V/C pada 900C, sedikit di bawah tipe K. Tipe N merupakan perbaikan tipe K

17Termokopel tipe B, R, dan S adalah termokopel logam mulia yang memiliki karakteristik yang hampir sama. Mereka adalah termokopel yang paling stabil, tetapi karena sensitifitasnya rendah (sekitar 10 V/C) mereka biasanya hanya digunakan untuk mengukur temperatur tinggi (>300C).Type B (Platinum-Rhodium/Pt-Rh), Cocok mengukur suhu di atas 1800C. Tipe B memberi output yang sama pada suhu 0C hingga 42C sehingga tidak dapat dipakai di bawah suhu 50C.Type R (Platinum /Platinum with 7% Rhodium), Cocok mengukur suhu di atas 1600C. sensitivitas rendah (10 V/C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum.Type S (Platinum /Platinum with 10% Rhodium), Cocok mengukur suhu di atas 1600C. sensitivitas rendah (10 V/C) dan biaya tinggi membuat mereka tidak cocok dipakai untuk tujuan umum. Karena stabilitasnya yang tinggi Tipe S digunakan untuk standar pengukuran titik leleh emas (1064.43C).

181.10. Skala Kelvin, Celcius, Rankine, FahrenheitHukum Gay-Lussac : pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan temperatur mutlak.

Rumus empirik untuk temperatur gas ;

Pada volume konstan setiap penurunan 10 C tekanan akan berkurang 1/273,16, jadi pada suhu -273,160 C tekanan gas adalah nol yang berarti molekul-molekul gas tidak bergerak.

Kelvin19Pada tekanan konstan setiap penurunan 10 C volume akan berkurang 1/273,16, jadi pada suhu -273,160 C volume gas adalah nol yang berarti molekul-molekul gas tidak bergerak. Titik suhu -273,160 C disebut titik nol absolut (00 K). Nilai 273,16 oleh Kelvin dijadikan sebagai referensi pada skala temperatur Kelvin, jadi persamaan (1.7) dapat ditulis :

Pada skala Celsius titik nol bergeser sehingga temperatur celsius pada titik tripel air adalah 0,010C. Hubungan Kelvin dan Celsius dapat dituliskan dalam persamaan

20

21Dari CelsiusKe CelsiusFahrenheit[F]=[C]95+32[C]=([F]32)59Kelvin[K]=[C]+273.15[C]=[K]273.15Rankine[R]=([C]+273.15)95[C]=([R]491.67)59Delisle[De]=(100[C])32[C]=100[De]23Newton[N]=[C]33100[C]=[N]10033Raumur[R]=[C]45[C]=[R]54Rmer[R]=[C]2140+7.5[C]=([R]7.5)4021Konversi skala Celsius221.11. Koordinat dan Keadaan SistemAda 3 koordinat sistem dalam termodinamika yaitu volume (V), temperatur (T) dan tekanan (p) yang dinamakan koordinat termodinamika.Suatu proses adalah perubahan koordinat sistem. Keadaan sistem bergantung pada perubahan koordinat sistem. Perubahan koordinat sistem dari satu keadaan ke keadaan lain digambarkan dalam diagram p-V-T.

23Besaran (quantities) dalam termodinamika ada yang bergantung pada massa yang dinamakan besaran ekstensif, seperti volume total (V), temperatur (T), densitas dll. Besaran yang tidak bergantung massa dinamakan besaran intensif, seperti volume spesifik (v), kapasitas panas (c), kerja (energi), entropi dll. Harga spesifik (specific value) adalah perbandingan antara besaran ekstensif dengan massa sistem/zat. Harga molar spesifik adalah perbandingan antara besaran ekstensif dengan jumlah mole dari suatu sistem/zat.

24Contoh : Volume spesifik :

Volume molar spesifik :

25Contoh SoalSuatu ruangan dengan volume 4,57 m3 berisi oksigen dengan massa 4,52 kg. Hitung volume spesifik, volume jenis molar, jumlah mole dan kerapatan oksigen dalam ruang tersebut.Diketahui : V = 4,57m3, m = 4,52 kg Volume spesifik oksigen : v = V/m ; v = 4,57 m3/4,52 kg v = 1,01 m3/kg Volume jenis molar : v* = M.v ; Berat molekul Oksigen : 32 kg/kilomole v* = 32 x 1,01 m3/kilomole Jumlah mole oksigen : n = m/M = 4,52 kg/32 kg/kilomole n = 0,14 kilomole Kerapatan oksigen : 1/v = 1/1,01 m3/kg = 0,991 kg/m3

261.12 TekananTekanan adalah gaya tegak lurus permukaan per luas permukaan.

Tekanan p adalah tekanan absolut yang bergantung pada tekanan pengukuran, jadi Tek. absolut = Tek. pengukuran + Tek. atmosfer Jika tekanan pengukuran lebih kecil tekanan atmosfer maka Tek. absolut = Tek. atmosfer Tek. pengukuran

27Contoh soalTekanan udara dalam suatu ruangan 100 psig (pound per square inci gauge, lb/inci2), jika tekanan atmosfer adalah 14,7 psia, berapa pascal tekanan absolutnya.Diketahui : tekanan pengukuran : 100 lb/inci2 = 100 x 6,9 x 103 N/m2 = 690 x 103 N/m2 tekanan atmosfer : 14,7 lb/inci2 = 14,7 x 6,9 x 103 N/m2 = 101,43 x 103 N/m2 Tekanan absolut = Pp + Pa = (690 + 101,43) x 103 N/m2 = 791,43 x 103 N/m2 = 791,43x103 x 9,87x10-6 atm = 7,81 atm = 7,81 x 1,013 x 105 pa = 7,92 x 105 pascal28Contoh SoalKerapatan air dalam satuan cgs adalah 1 gr cm-3, hitung : a. Kerapatan air dalam satuan MKS b. Volume spesifik air dalam m3kg-1 c. Volume molal spesifik dalam satuan MKS d. Hitung seperti diatas untuk udara dengan kerapatan 0,00129 g cm-3, BM udara 29 berarti massa 1 udara sama dengan 29 kg.2. Satu atmosfer didefinisikan sebagai tekanan yang dihasilkan oleh kolom mercury pada ketinggian 76 cm Hg pada suhu 00C dan pada suatu titik dimana g = 980,665 g cm s-2. Hitung tekanan dalam Nm-2 yang dihasilkan mercury dengan kerapatan 13,6 g cm-3, tinggi 76 cm dan g = 980 cm s-229Solusia. 1 kg = 1000 gram, 1 grm = 10-3 kg 1 cm = 10-2 m, 1 cm2 = (10-2)2 m2 = 10-4 m2 , 1 cm3 = 10-6 m3 1 cm-3= 106 m-3 1 grm cm-3 = 10-3 kg . 106 m-3 = 103 kg.m-3 b. v = 1/ = 10-3 kg-1 m3 c. Volume spesifik molal v*= V/n, jumlah mole untuk air adalah 18, jadi 1 kilomole air = 18 kg air, 1 kg air = 1/18 kilomole. v*=(10-3 kg-1 m3)/(1 kilomole/18 kg) = 18 x 10-3 kilomole-1 m3 d. silakan dicoba

302. Diketahui = 13,6 gr cm-3 = 13,6 x 103 kg m-3 g = 9,8 ms-2 h = 0,76 m Tekanan yang dihasilkan = 13,6 x 103 x 9,8 x 0,76 Nm-2 = 1,013 x 105 Nm-23. Manometer memberikan pembacaan ketinggian fluida h = 2 ft, fluida bekerja pada volume spesifik 0,0164 ft3/lbm, jika tekanan atmosfer adalah 14,42 psia, hitung tekanan fluida tersebut (dalam N/m2). Catatan : 1 m = 3,28 ft, 1 psia = 6,90x103 N/m2, 1 lbm = 0,45 kgProblem Solving31