MATA KULIAH   

  FISIKA II (ENGINEERING PHYSICS)

Beban Studi : 3 sks

Sifat : Wajib

Silabus : 

Termometri dan kalorimetri, Perpindahan panas, gas ideal dan teori kinetik gas ideal. Hukum pertama termodinamika, entropi dan hukum kedua termodinamika. Penerangan dan fotometri, pantulan dan pembiasan cahaya. Lensa dan peralatan optik. Interfrensi dan difraksi cahaya.

Tujuan : 

Memberikan pengetahuan dan pemahaman kepada mahasiswa tentang fenomena alam berupa panas sebagai energi: Pengaruh panas terhadap pemuaian benda. Kuantitas panas dan dasar-dasar perpindahan panas. Konsep dasar Termodinamika.

Pustaka :  Frederick J. Bueche. Seri Buku Schaum,Teori Dan Soal-Soal Fisika. Penerbit Erlangga, Jakarta 10430.

Bresnick, Stephen. HIGH Yield Physics, Williams dan Wilkins Inc, 227 East Washington Square, Philadelphia, PA 19106, USA, Copyright@1996.

      

1Teknik Industri

BAB I

TERMOMETRI DAN KALORIMETRI

A. TERMOMETRI

Termometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu (temperatur), ataupun

perubahan suhu. Istilah termometer berasal dari bahasa Latin thermo yang

berarti panas dan meter yang berarti untuk mengukur. Prinsip kerja termometer ada

bermacam-macam, yang paling umum digunakan adalah termometer air raksa.

Suhu adalah ukuran derajat panas atau dingin suatu benda. Alat yang digunakan untuk

mengukur suhu disebut termometer.

Kalor adalah suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkan

benda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya.

Kalor merupakan suatu kuantitas atau jumlah panas baik yang diserap maupun

dilepaskan oleh suatu benda. Kalor berbeda dengan suhu, karena suhu adalah ukuran

dalam satuan derajat panas.

Dari sisi sejarah kalor merupakan asal kata caloric ditemukan oleh ahli kimia perancis

yang bernama Antonnie laurent lavoiser (1743 - 1794). Kalor memiliki satuan Kalori

(kal) dan Kilokalori (Kkal). 1 Kal sama dengan jumlah panas yang dibutuhkan untuk

memanaskan 1 gram air naik 1 derajat celcius.

Macam – Macam Thermometer :Berdasarkan Zat Termometrik yang digunakan, thermometer digolongkan menjadi beberapa jenis yaitu :

1. Termometer Zat Cair Prinsip kerja : perubahan/ pemuaian volume zat termometrik Zat cair yang digunakan biasanya RAKSA dan ALKOHOL

2. Termometer Hambatan Prinsip kerja : perubahan hambatan logam konduktor terhadap suhu

3. Termometer Gas Prinsip kerja : pengaruh suhu terhadap tekanan gas.

2Teknik Industri

Keuntungan menggunakan RAKSA :1. Mudah dilihat karena mengkilap2. Pemuaian teratur3. Tidak membasahi dinding kaca4. Jangkauan suhu besar (- 40 0C sampai 350 0C)5. Penghantar panas yang baik

Kerugian menggunaan RAKSA :1. Harga mahal2. Tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu di daerah kutub3. Raksa bersifat racun sehingga berahaya jika tabungnya pecah

Keuntungan menggunakan ALKOHOL :1. Harganya murah2. Pemuaianya besar untuk kenaikan suhu kecil/ lebih teliti3. Dapat digunakan untuk mengukur suhu di daerah kutub (titik beku - 112 0C)

Kerugian menggunakan ALKOHOL :1. Titik didihnya rendah (78 0C)2. Tidak berwarna sehingga harus diberi warna agar mudah dilihat3. Membasahi dinding kaca

Berdasarkan kegunaannya ada beberapa jenis thermometer, yaitu :

1. Thermometer Klinis yaitu termometer yang digunakan untuk mengukur suhu tubuh skala : 35 0C – 42 0C

3Teknik Industri

Thermometer klinis

Air raksa

Macam-macam thermometer dengan zat pengisi alkohol

2. Thermometer Dinding yaitu termometer yang digunakan untuk mengukur suhu ruang skala : - 50 0C – 50 0C

3. Thermometer Maksimum dan Minimum yaitu thermometer yang digunakan untuk mengukur suhu terendah dan

tertinggi pada rumah kaca memiliki 2 skala, yaitu skala minimum pada pipa kiri dan skala maksimum

pada pipa kanan

SIFAT TERMOMETRIK ZAT

adalah sifat-sifat zat yang berubah ketika suhunya berubah.

Sifat-sifat tersebut antara lain :

warna, volume, tekanan, dan daya hantar listrik

Untuk mengukur suhu suatu benda digunakan thermometer. Jenis zat cair yang paling

banyak dipakai untuk mengisi tabung termometer adalah raksa.

Kelebihan raksa dibanding zat cair lainnya antara lain:

1. Keseimbangan termal terhadap zat yang akan diukur lebih cepat.

2. Memiliki titik beku rendah, yaitu –39 oC dan titik didih tinggi, yaitu 357 oC

3. Memiliki kenaikan volume yang teratur pada saat terjadi perubahan suhu.

4. Mudah dilihat karena raksa mengkilat.

4Teknik Industri

Thermometer maksimum minimum

Thermometer dinding

Membandingkan skala Termometer Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin.

C−0100−0

= R−080−0

= F−32212−32

= K−273373−273

Penetapan Skala

1. Termometer Celcius

Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 100. Daerah

antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 100 skala.

2. Termometer Reamur

Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah

antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala.

3. Termometer Fahrenheit

Titik lebur es diberi angka 32, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah

antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 180 skala.

4. Termometer Kelvin

Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah

antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala.

Perbandingan pembagian skala C, R, dan F

C : R : F : k = 100 skala : 80 skala : 180 skala atau C : R : F: K = 5 : 5 : 4 : 9 : 5

Suhu dalam skala derajat Celcius menunjukkan angka 30oC. Berapakah angka yang

ditunjukkan dalam skala derajat Reamur !

5Teknik Industri

C : R : F : k = 5 : 4 : 9 : 5

a. Hubungan antara C dengan R:

Cara 1:

tR−080−0 =

30−0100−0

tR80 =

30100

100 x tR = 80 x 30

100 x tR = 2400

tR = 2400 / 100 = 24oR.

Cara 2 :

tR = 4/5 x 30 + 0

= 0,8 x 30

= 24oR

Skala Kelvin (simbol: K) adalah skala suhu di mana nol absolut didefinisikan sebagai 0

K. Satuan untuk skala Kelvin adalah kelvin (lambang K), dan merupakan salah satu dari

tujuh unit dasar SI. Satuan kelvin didefinisikan oleh dua fakta: nol kelvin adalah nol

absolut (ketika gerakan molekuler berhenti), dan satu kelvin adalah pecahan 1/273, 16

dari suhu termodinamik triple point air (0,01 °C).

Rumus konversi suhu Kelvin

Konversi dari Ke Rumus

Kelvin Fahrenheit o F = K x 1,8 – 459,67

Fahrenheit Kelvin K = ( o F + 459,67) / 1,8

Kelvin Celsius o C = K – 273,15

Celsius Kelvin K = o C + 273,15

Satuan dasar untuk suhu (temperature) pada sistem Inggris didefinisikan sebagai

Rankin.

Antara derajat Fahrenheit (oF) dan Rankin mempunyai hubungan yaitu 0°R = - 460 oF.

Derajat suhu mutlak (temperature absolut) yaitu Rankin, karena tidak mungkin ada suhu

lebih dingin daripada 0°R.

6Teknik Industri

PEMUAIAN

Pemuaian adalah volume suatu benda yang bertambah luas, panjang atau lebar karena

terkena panas. Pemuaian tiap-tiap benda berbeda, tergantung suhu di sekitar dan

koefisien muai atau daya muai benda tersebut.

Benda tersebut akan mengalami :

a. Muai panjang apabila benda itu hanya memiliki ukuran panjang saja.

b. Muai luas terjadi pada benda apabila benda itu memiliki ukuran panjang & lebar.

c. Muai volume terjadi apabila benda itu memiliki ukuran panjang, lebar, & tinggi.

Jadi pemuaian adalah suatu pertambahan panjang dan lebar suatu benda yang

disebabkan oleh kalor (panas).

PEMUAIAN ZAT PADAT

a. Pemuaian panjang

Koefisien muai panjang (α

) didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan

panjang zat (Δ

1), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (Δ

T)

α= Δλ

λo . ΔT atau Δ1=α . 1o . ΔT

Δ1=1T−1o 1T=1o(1+α . ΔT )

= α . 1o . ΔT Ket :

Δ1 = pertambahan pannjang (m)

1o = panjang mula-mula (m)

1T = panjang akhir (m)

ΔT = suhu akhir – suhu awal (oC / K)

α = koifisien muai panjang (oC-1 atau K-1)

7Teknik Industri

b. Pemuaian luas

Koefisien muai luas suatu zat (β ) adalah perbandingan antara pertambahan luas zat (

ΔA) dengan luas semula (Ao), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu

(ΔT).

β= ΔAAo . ΔT

ΔA=ΔA−Aoβ=2α AT = Ao (1+βΔT )

Ket :Ao = Luas mula-mula (m2)At = luas setelah dipanaskan (m2)

Δ

T = kenaikan suhu (oC-1 atau K-1)

β = Koifisein muai luas.

c. Pemuaian volume

Koefisien muai volume suatu zat (γ

) adalah perbandingan antara per-tambahan volume

(Δ

V) dengan volume semula (Vo), untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (Δ

T).

γ= ΔVV o . ΔT ΔV=γ . ΔV . ΔT

ΔV=V T−V o

V T=V o (1+γΔT ) γ=3α

Dimana :

ΔV = pertambahan volume zat (m3)

Vo = volume mula-mula

VT = volume setelah dipanaskan

ΔT = kenaikan suhu (oC/K)

8Teknik Industri

γ

= koefisien muai volume (oC-1 atau K-1)

Tabel Koefisien Berbagai Jenis Bahan

No Nama Bahan Koifisien Muai Panjang (oC)

1 Intan 12 x 10-5

2 Kuningan 1,9 x 10-5

3 Tembaga 1,7 x 10-5

4 Es 510 x 10-5

5 Aluminium 1,2 x 10-5

6 Baja 1,1 x 10-5

7 Platina 1,0 x 10-5

8 Kaca 0,9 x10-5

9 Pyrex 0,3 x 10-5

10 Invar 0,1 x 10-5

Contoh soal :

Batang alumunium yang panjangnya 4 m, naik suhunya dari 27 0C menjadi 72 0C. Jika

koefisien muai panjang aluminium = 24x10-6 (0C)-1, hitunglah:

Pertambahan panjang alumunium.

Penyelesaian :

1o = 4 m

ΔT = 72 0C – 27 0C = 45 0C

α = 24 x 10 -6 (0C) = 0,000024 0c

Δ1 = α . 1o . ΔT

= 0,000024 x 4 x 45

= 0,00432.

9Teknik Industri

B. KALORIMETER

Kalorimeter adalah suatu sistem terisolasi (tidak ada perpindahan materi maupun

energi dengan lingkungan diluar kalorimeter). Pengukuran jumlah kalor reaksi yang

diserap atau dilepaskan pada suatu reaksi kimia dengan eksperimen disebut

kalorimetri. Kita dapat menghitung perubahan suhu dengan rumus :

q = m . c . ∆T (Petrucci, 1987). 

qkalorimeter = C. ∆T

Keterangan :

q = jumlah kalor (Joule)

m = massa zat (gram)

Δt = perubahan suhu( takhir - tawal)

c = kalor jenis

C = kapasitas kalor dari bom calorimeter

Oleh karena itu kalor reaksi sama dengan kalor yang diserap oleh kalorimeter,

sehingga:

q reaksi = - (qlarutan + qkalorimeter)

Kalorimeter dibedakan menjadi beberapa macam :

1. Kalorimeter Bom.

Merupakan kalorimeter yang khusus digunakan untuk menentukan kalor dari reaksi-

reaksi pembakaran. Kalorimeter ini terdiri dari sebuah bom ( tempat berlangsungnya

reaksi pembakaran, terbuat dari bahan stainless steel dan diisi dengan gas oksigen

pada tekanan tinggi ) dan sejumlah air yang dibatasi dengan wadah yang kedap

panas. Reaksi pembakaran yang terjadi di dalam bom, akan menghasilkan kalor dan

diserap oleh air dan bom. Oleh karena tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan,

maka : qreaksi = – (qair + qbom ).

Jumlah kalor yang diserap oleh air dapat dihitung dengan rumus : qair = m x c x ∆T 

dengan :

10Teknik Industri

m = massa air dalam kalorimeter ( g )

c = kalor jenis air dalam kalorimeter (J / g.oC ) atau (J / g. K)

∆T = perubahan suhu ( oC atau K )

Jumlah kalor yang diserap oleh bom dapat dihitung dengan rumus :

qbom = Cbom x ∆T

Dengan : Cbom = kapasitas kalor bom ( J / oC ) atau ( J / K )

∆T = perubahan suhu (oC atau K)

Reaksi yang berlangsung pada kalorimeter bom berlangsung pada volume tetap ( DV = nol ). Oleh karena itu, perubahan kalor yang terjadi di dalam sistem = perubahan energi dalamnya.

∆E = q + w dimana w = - P. ∆V ( jika ∆V = nol maka w = nol ) maka ∆E = qv.

Contoh soal :

Suatu kalorimeter bom berisi 250 mL air yang suhunya 25oC, kemudian dibakar 200 mg

gas metana. Suhu tertinggi yang dicapai air dalam kalorimeter = 35oC. Jika kapasitas

kalor kalorimeter = 75 J / oC dan kalor jenis air = 4,2 J / g.oC, berapakah ∆Hc gas

metana?

Jawaban : qair = m x c x ∆T  = (250 ) x ( 4,2) x (35 – 25) = 10.500 J

qbom = Cbom x ∆T = ( 75 ) x (35 – 25) = 750 J

1. qreaksi = – (qair + qbom )qreaksi = - (10.500 J + 750 J) = - 11.250 J = – 11,25 kJ 200 mg CH4 = 0,2 g CH4 = ( 0,2 / 16 ) mol = 0,0125 mol ∆Hc CH4 = ( – 11,25 kJ / 0,0125 mol ) = - 900 kJ / mol (reaksi eksoterm)

2. Kalorimeter Sederhana

Pengukuran kalor reaksi; selain kalor reaksi pembakaran dapat dilakukan dengan menggunakan kalorimeter pada tekanan tetap yaitu dengan kalorimeter sederhana yang dibuat dari gelas stirofoam.

11Teknik Industri

Kalorimeter ini biasanya dipakai untuk mengukur kalor reaksi yang reaksinya berlangsung dalam fase larutan ( misalnya reaksi netralisasi asam – basa / netralisasi, pelarutan dan pengendapan ).Pada kalorimeter ini, kalor reaksi = jumlah kalor yang diserap / dilepaskan larutan sedangkan kalor yang diserap oleh gelas dan lingkungan; diabaikan.

qreaksi = – (qlarutan + qkalorimeter)

qkalorimeter = Ckalorimeter x ∆T

Dengan :

Ckalorimeter = kapasitas kalor kalorimeter (J / oC ) atau ( J / K )

∆T = perubahan suhu ( oC atau K ).

Jika harga kapasitas kalor kalorimeter sangat kecil; maka dapat diabaikan sehingga

perubahan kalor dapat dianggap hanya berakibat pada kenaikan suhu larutan dalam

kalorimeter.

qreaksi = – qlarutan

qlarutan = m x c x ∆T

Dengan :

m = massa larutan dalam kalorimeter ( g )

c = kalor jenis larutan dalam kalorimeter (J / g.oC ) atau ( J / g. K ) ∆T = perubahan suhu ( oC atau K)

Pada kalorimeter ini, reaksi berlangsung pada tekanan tetap (∆P = nol) sehingga perubahan kalor yang terjadi dalam sistem = perubahan entalpinya. ∆H = qp

C. Kalor

Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umum

untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukur

suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda

sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandung

sedikit.

12Teknik Industri

Satuan kalor jenis benda

Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :

Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K

Tabel Kalor Jenis benda (Pada tekanan 1 atm dan suhu 20 oC)

Jenis Benda Kalor Jenis (c)J/kg Co kkal/kg Co

Air 4180 1,00Alkohol (ethyl) 2400 0,57Es 2100 0,50Kayu 1700 0,40Aluminium 900 0,22Marmer 860 0,20Kaca 840 0,20Besi / baja 450 0,11Tembaga 390 0,093Perak 230 0,056Raksa 140 0,034Timah hitam 130 0,031Emas 126 0,030

Catatan : Kalor jenis benda biasanya bergantung pada suhu. Btw, apabila perubahan suhu tidak terlalu besar maka besar kalor jenis bisa dianggap tetap

Rumus:

Dengan ketentuan:

Q = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)

m = Massa zat (Gram, Kilogram)

c  = Kalor jenis (Joule/kilogram°C, Joule/gram°C, Kalori/gram°C)

Δt  = Perubahan suhu (°C) → (t2 - t1)

Untuk mencari kalor jenis, rumusnya adalah:

13Teknik Industri

Untuk mencari massa zat, rumusnya adalah:

Kapasitas kalor

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan oleh benda untuk menaikkan suhunya 1°C.

Rumus kapasitas kalor :

Ket: Q = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori) H = Kapasitas kalor (Joule/°C)

m = Massa zat (Gram, Kilogram)

c = Kalor jenis (Joule/kilogram°C, Joule/gram°C, Kalori/gram°C)

Δ t = Perubahan suhu (°C) → (t2 - t1)

Contoh soal:

Sebuah zat dipanaskan dari suhu 10°C menjadi 35°C. Kalor yang dikeluarkan adalah

5000 Joule. Jika masa zat adalah 20 kg. Berapakah kalor jenis dan kapasitas kalor zat

tersebut?

Dik :

t1 = 10oC

t2 = 35oC

Q = 5000 J

m = 20 Kg

Dit: kalor jenis, Kapasitas kalor (H).

Δ t = t2-t1

= 35°-10° = 25°

c = Q : (m x Δ t)

c = 5000 : (20 x 25)

c = 5000 : 500

c = 10 J/kg oC

H = m × c

= 20kg × 10 J/kg C°

= 200 J/ C°

14Teknik Industri

Kalor Lebur

Rumus:

Dengan:

 = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)

 = Massa zat (Gram, Kilogram)

 = Kalor lebur zat (Joule/kilogram, Kilojoule/kilogram, Joule/gram).

Kalor Uap

Rumus:

Dengan:

 = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)  = Massa zat (Gram, Kilogram)

 = Kalor uap zat (Joule/kilogram, Kilojoule/kilogram, Joule/gram)

Contoh Soal:

Berapa energi kalor yang diperlukan untuk menguapkan 5 Kg air pada titik didihnya, jika

kalor uap 2.260.000 Joule/Kilogram?

Dik:

m = 5 Kg

U = 2.260.000 J/Kg

Q = ?

Q = m x U

= 5 Kg x 2.260.000 J/Kg

         = 11.300.000 J

         = 11,3 x 106 J

Pemuaian Zat cair dan Gas

Secara umum pada pemuaian zat cair dan gas berlaku : γ =

ΔVV 0 . ΔT

ΔV = γ . vo . ΔT

15Teknik Industri

ΔT = vo (1+ γ ΔT )

Koefisien muai volume untuk gas pada tekanan tetap besarnya : γ =

1273

Jadi secara khusus untuk pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku:

ΔV =

V 0 . ΔT

273 VT = Vo (1+

ΔT273 )

Perubahan Fasa (Perubahan wujud)

Zat dapat berbentuk padat, cair atau gas. Ketika terjadi perubahan fasa, sejumlah kalor

dilepas atau diserap suatu zat, yaitu: Q=m . LDimana :

Q = kalor (joule atau kalori)

m = massa zat (kg atau gram)

L = kalor laten (J/kg atau kal/gram)

Kalor laten adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk berubah wujud dari satu wujud ke wujud lainnya.

Beberap macam perubahan wujud dapat dilihat pada diagram di bawah ini :

16Teknik Industri

BAB II

PERPINDAHAN PANAS

A. PENGANTAR PERPINDAHAN PANAS

Panas atau kalor adalah salah satu bentuk energi, yaitu energi panas. Jika suatu

benda melepaskan kalor pada benda lain maka kalor yang diterima benda lain sama

dengan kalor yang dilepas benda itu. Pernyataan ini disebut juga sebagai Asas Black,

yaitu jumlah kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima. Panas dapat

berpindah melalui radiasi, konveksi dan konduksi. Media yang digunakan dalam

perpindahan panas bisa berupa zat padat, cair maupun udara (gas).

Macam-macam Perpindahan Panas

1. Perpindahan Panas Konduksi

2. Perpindahan Panas Konveksi

3. Perpindahan Panas Radiasi

1. Perpindahan Panas Konduksi (Conduction)

17Teknik Industri

Konduksi Adalah proses transformasi panas jika panas mengalir dari tempat

yang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah, dengan media penghantar

panas tetap. Benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik disebut konduktor.

Pada umumnya, konduktor terbuat dari logam. Benda yang sukar menghantarkan

panas disebut isolator. Menurut Wikipedia, pada peristiwa konduksi, panas mengalir

melalui molekul-molekul zat tanpa memindahkan atau menggerakkan molekul zat itu.

Benda padat memiliki kemampuan merambatkan panas secara konduksi yang berbeda-

beda.

Berdasarkan daya hantar kalor, benda dibedakan menjadi tiga, yaitu:

1. Konduktor

Konduktor adalah zat yang memiliki daya hantar kalor baik. Contoh bahan yang

bersifat konduktor adalah besi, baja, tembaga, aluminium. Dalam kehidupan sehari-hari,

dapat kita jumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya memanfaatkan konsep

perpindahan kalor secara konduksi, antara lain: setrika listrik, solder, dan lain-lain.

2. Isolator

Isolator adalah zat yang memiliki daya hantar kalor kurang baik. Contoh: kayu,

plastik, kertas, kaca, air, dan lain-lain. Oleh karena itu, alat-alat rumah tangga seperti

setrika, solder, panci, wajar terdapat pegangan dari bahan isolator. Hal ini bertujuan

untuk menghambat konduksi panas supaya tidak sampai ke tangan kita.

3. Semikonduktor

Semikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada di

antara isolator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengah

penghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperatur

yang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor.

Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan gallium

arsenide.

Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinya

yang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonor

elektron)

Contoh perpindahan panas secara konduksi adalah besi dipanaskan maka

tangan kita akan merasakan panas. Atau contoh sederhana dalam kehidupan sehari-

hari misalnya, ketika kita membuat kopi atau minuman panas, lalu kita mencelupkan

18Teknik Industri

sendok untuk mengaduk gulanya. Biarkan beberapa menit, maka sendok tersebut akan

ikut panas. Panas dari air mengalir ke seluruh bagian sendok.

2. Perpindahan Panas Konveksi (Convection)

Konveksi Yaitu perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat dengan

fluida yang mengalir di sekitarnya, dengan menggunakan media penghantar berupa

fluida (cairan/gas). Peristiwa konveksi atau aliran zat terjadi pada perubahan suhu

suatu zat.

Kita dapat memahami peristiwa konveksi, antara lain:

Pada zat cair karena perbedaan massa jenis zat, misal sistem pemanasan air,

sistem aliran air panas.

Pada zat gas karena perbedaan tekanan udara, misal terjadinya angin darat dan

angin laut, sistem ventilasi udara, untuk mendapatkan udara yang lebih dingin

dalam ruangan dipasang AC atau kipas angin.

Contoh aliran air waktu dipanaskan atau zat cair waktu dipanaskan. Zat cair dan

gas yang terkena panas maka molekul-molekulnya bertambah besar dan beratnya

tetap, sehingga akan bergerak ke atas. Gerakan ke atas ini akan diikuti oleh gerakan

zat lain secara terus menerus sehingga terjadi aliran zat karena panas. Dari peristiwa

aliran inilah, maka panas dapat merambat secara konveksi.

Macam-Macam Konveksi:

Konveksi bebas/konveksi alamiah (free convection/natural convection)

Perpindahan panas yang disebabkan oleh beda suhu dan beda rapat saja dan

tidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya.

Contoh: plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber gerakan

dari luar.

Konveksi paksaan (forced convection)

Perpindahan panas aliran gas atau cairan yang disebabkan adanya tenaga dari

luar.

19Teknik Industri

Contoh: plat panas dihembus udara dengan kipas/blower.

3. Perpindahan Panas Radiasi (Radiation)

Radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi karena pancaran/sinaran/radiasi

gelombang elektro-magnetik, tanpa memerlukan media perantara.

Contoh Ketika matahari bersinar terik pada siang hari, maka kita akan

merasakan gerah atau kepanasan. Atau ketika kita duduk dan mengelilingi api unggun,

kita merasakan hangat walaupun kita tidak bersentukan dengan apinya secara

langsung. Dalam kedua peristiwa di atas, terjadi perpindahan panas yang dipancarkan

oleh asal panas tersebut sehingga disebut dengan Radiasi.

Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi kalor atau energi

pancaran kalor disebut termoskop. Termoskop terdiri dari dua buah bola kaca yang

dihubungkan dengan pipa U berisi air alkohol yang diberi pewarna. Perhatikan gambar;

Salah satu bola lampu dicat hitam, sedangkan yang lain dicat putih. Apabila

pancaran kalor mengenai bola A, hal ini mengakibatkan tekanan gas pada bola A

menjadi besar. Hal ini mengakibatkan turunnya permukaan zat cair yang ada di

bawahnya.

20Teknik Industri

Sifat radiasi dari berbagai permukaan.

Alat yang digunakan untuk menyelidiki sifat radiasi berbagai permukaan disebut

termoskop diferensial. Kedua bola lampu dicat dengan warna yang sama, tetapi di

antara bola tersebut diletakkan bejana kubus yang salah satu sisi permukaannya hitam

kusam dan sisi lainnya mengkilap. Jika bejana kubus diisi dengan air panas, akan

terlihat permukaan alkohol di bawah bola B turun.  Perbedaan ini disebabkan karena

kalor yang diserap bola B lebih besar daripada bola A.

Dari hasil pengamatan yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa:

Permukaan benda hitam, kusam, dan kasar merupakan pemancar dan penyerap

kalor yang baik.

Permukaan benda putih, mengkilap dan halus merupakan pemancar dan

penyerap kalor yang buruk.

Oleh karena itu jika anda ingin melancong ke pantai pada siang hari jangan

menggunakan pakaian hitam gunakan pakaian yang mengkilap atau putih.

21Teknik Industri

BAB III

GAS IDEAL DAN TEORI KINETIK GAS IDEAL

1. Gas Ideal

Gas ideal adalah suatu gas yang diidealkan oleh manusia atau gas ideal adalah

gas yang mempunyai hubungan antara :

Dimana :

P = tekanan gas (N/m2)

V = Volume Ruangan yang di tempati (m3)

n = Jumlah mol gas

T = Temperatur mutlak gas (ok)

R = Suatu tetapan (0.0821 lt. Atm / mol ok)

Pada kenyataanya, gas ideal tersebut tidak ada di permukaan bumi.

Teori kinetik gas adalah teori yang menggunakan tinjuan tentang gaya dan

energi antara partikel – partikel untuk menerangkan sifat – sifat zat. Anda tentu telah

mengetahui bahwa setiap zat, baik itu zat padat, cair, maupun gas, terdiri atas materi-

materi penyusun yang disebut atom. Sebagai partikel penyusun setiap jenis zat yang

ada di Bumi dan di seluruh alam semesta, atom-atom berukuran sangat kecil dan tidak

dapat dilihat, walaupun menggunakan alat yang paling canggih. Oleh karena itu, gaya

yang ditimbulkan oleh interaksi antar partikel dan energi setiap partikel hanya dapat

diamati sebagai sifat materi yang dibentuk oleh sejumlah partikel tersebut secara

keseluruhan.

Sifat Gas Umum :

22Teknik Industri

P V = n R T

1. Gas mudah berubah bentuk dan volumenya.

2. Gas dapat digolongkan sebagai fluida, hanya kerapatannya jauh lebih kecil.

Sifat-Sifat Gas Ideal Dinyatakan Sebagai Berikut :

1. Jumlah partikel gas sangat banyak, tetapi tidak ada gaya tarik menarik (interaksi) antara partikel

2. Setiap partikel gas selalu bergerak dengan arah sembarang atau acak3. Ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan tempat gas

berada4. Setiap tumbukan yang terjadi antarpartikel gas dan dinding bersifat lenting

sempurna5. Partikel gas terdistribusi merata di dalam ruangan6. Berlaku Hukum Newton tentang gerak.

Pada kenyataannya, tidak ditemukan gas yang memenuhi kriteria gas ideal. Akan

tetapi, sifat itu dapat didekati oleh gas pada temperatur tinggi dan tekanan rendah. Ada

tiga besaran yang saling berhubungan dalam pembahasan keadaan gas, Besaran-

besaran tersebut ialah Tekanan (P), Volume (V) dan temperatur mutlak (T).

2. Tinjauan Gas Ideal

1. Jika (n, T) tetap Proses ini juga dinamakan ishotermal (Suhu tetap)

Berlaku hukum Robert Boyle.

Perhatikanlah Gambar berikut :

Gambar 1. (a) Gas didalam tabung memiliki Volume V1 dan tekanan P1. (b) Volume gas

di dalam tabung diperbesar menjadi V2 sehingga tekananya P2 menjadi lebih kecil.

Suatu gas yang berada di dalam tabung dengan tutup yang dapat diturunkan

atau dinaikkan, sedang diukur tekanannya. Dari gambar tersebut dapat lihat bahwa saat

tuas tutup tabung ditekan, volume gas akan mengecil dan mengakibatkan tekanan gas

23Teknik Industri

P V = Konstan

yang terukur oleh alat pengukur menjadi membesar. Hubungan antara tekanan (p) dan

volume (V) suatu gas yang berada di ruang tertutup ini diteliti oleh Robert Boyle.

Saat melakukan percobaan tentang hubungan antara tekanan dan volume gas dalam

suatu ruang tertutup, Robert Boyle menjaga agar tidak terjadi perubahan temperatur

pada gas. Dari data hasil pengamatannya, Boyle mendapatkan bahwa hasil kali antara

tekanan (p) dan volume (V) gas pada suhu tetap adalah konstan. Hasil pengamatan

Boyle tersebut kemudian dikenal sebagai Hukum Boyle yang secara matematis

dinyatakan dengan persamaan :

        

Dimana :

P = Tekanan (Pa = N/m2)

V = Volume (m3)

2. Jika (n, P) dinamakan proses isobarik berlaku hokum Gay Lussac.

Gay-Lussac seorang ilmuwan asal Prancis, meneliti hubungan antara volume gas

(V) dan temperatur (T) gas pada tekanan tetap (isobarik).

Gambar 2. Pada tekanan 1 atm, (a) gas bervolume 4 m3 memiliki temperatur 300 K, sedangkan(b) gas bervolume 3 m3 memiliki temperatur 225 K.

Misalnya, Anda memasukkan gas ideal ke dalam tabung yang memiliki tutup piston di

atasnya. Pada keadaan awal, gas tersebut memiliki volume 4 m3 dan temperatur 300 K.

Jika kemudian pemanas gas tersebut dimatikan dan gas didinginkan hingga mencapai

temperatur 225 K, volume gas itu menurun hingga 3 m3.

24Teknik Industri

P V = Konstan atau P1 V1 = P2 V2

Berdasarkan hasil penelitiannya Gay-Lussac hasil bagi antara volume (V) dengan

temperatur (T) gas pada tekanan tetap adalah konstan.

Persamaan matematisnya dituliskan sebagai berikut :

      Menurut Gay Lussac : angka muai ruangan semua gas ideal pada tekanan tetap

adalah : Sehingga :

Dimana : Vt = Volume gas pada suhu t0 c

V0 = Volume gas pada suhu 00 c.

3. Jika (n, V) dinamakan proses isokhorik berlaku hokum Guy Lussac.

Guy Lussac, menyatakan hubungan antara tekanan (p) terhadap temperatur (T)

suatu gas yang berada pada volume tetap (isokhorik). Hasil penelitiannya kemudian

dikenal sebagai Hukum Guy Lussac yang menyatakan hasil bagi tekanan (p) dengan

temperatur (T) suatu gas pada volume tetap adalah konstan.

Persamaan matematis dari Hukum Charles dinyatakan dengan:

                       

Menurut Gay Lussac : angka muai ruangan semua gas ideal pada tekanan tetap

adalah : Sehingga :

Dimana : Pt = Tekanan gas pada suhu t0 c

P0 = Tekanan gas pada suhu 00 c.

Dari definisi mol zat yang menyatakan bahwa : jumlah mol = massa / massa relatif

molekul atau n = m / Mr Persamaan dapat dituliskan menjadi :      

Massa jenis suatu zat adalah perbandingan antara massa dengan volume zat tersebut.

Dimana : m = masa zat

Mr = Masa relative molekul

Menurut prinsip Avogadro, satu mol gas mengandung jumlah molekul gas yang sama.

Jumlah molekul gas ini dinyatakan dengan bilangan Avogadro (NA) yang besarnya =

6,022 × 1023 molekul/mol. Dengan demikian, Persamaan dapat dinyatakan menjadi :

25Teknik Industri

Pt = Po (1 + t / 273)

V/T = Konstan atau V1 T1 = V2 T2

Vt = V0 (1+ t / 273)1273

/0K

P/T = Konstan atau P1 / T1 = P2 / T2

1273

/0K

P V = (N / NA) R T atau P V = N (R / NA) T

P V = (m / Mr) R T

Dengan: 

N = Banyak partikel gas, dan

NA = Bilangan Avogadro = 6,022 × 1023 molekul/mol

Jadi dari persamaan gas ideal dapat diambil kesimpulan :

1. Makin tinggi temperatur gas ideal makin besar pula kecepatan partikelnya.

2. Tekanan merupakan ukuran energi kinetik persatuan volume yang dimiliki gas.

3. Temperatur merupakan ukuran rata-rata dari energi kinetik tiap partikel gas.

4. Persamaan gas ideal (P V = n R T) berdimensi energi/usaha .

5. Energi dalam gas ideal merupakan jumlah energi kinetik seluruh partikelnya.

Contoh soal :

Hitunglah berat molekul suatu gas jika diketahui gas tersebut pada suhu 18 oc,

tekanan gas 760 dan 765 mm Hg, volume 1,29 liter, beratnya 2,71 gram.

Jawab :

Dik :

T = 18 oc

P = 760 dan 765 mm Hg

V = 1, 29 liter

m = 2,71 gram

Dit : M = ?

Dari hubungan : P V = n R T

n = Jumlah mol Gas

masa gas

berat atom

Sehingga :

M =

26Teknik Industri

n ==mM

m R T

P V

=

2. 71x 0 . 0821x 291765760

x1 ,29

M = 49,9 gr/mol.

BAB IV

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA, ENTROPI DAN

HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

1.1 Pengertian Termodinamika

Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari pertukaran energi

dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas (boundary) serta lingkungan. 

Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara panas, kerja

mekanik, serta aspek-aspek lain dari energi dan perpindahannya. 

Termodinamika adalah suatu cabang ilmu fisika yang mempelajari hukum-hukum

dasar yang dipatuhi oleh kalor dan usaha.

Istilah thermodinamika diturunkan dari bahasa Yunani Therme (panas)

dan dynamis (gaya). Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua prinsip dasar yang

aslinya diturunkan dari eksperimen, tapi kini dianggap sebagai aksiom.

Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi, yang mengambil bentuk hukum

kesetaraan panas dan kerja.

Prinsip yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak dapat mengalir dari

benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahan dikedua

benda tersebut.

1.2Hukum I Thermodinamika

Hukum termodinamika pertama berbunyi “Energi tidak dapat diciptakan dan

dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain”. Hukum

27Teknik Industri

pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model

perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi didalam suatu benda dapat

ditingkatkan dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha

pada benda. Hukum pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat

terjadi.

Hukum termodinamika pertama kali dikemukakan oleh James Prescoot Joule

(1818-1889). Dia adalah seorang ilmuwan Inggris yang merumuskan hukum kekekalan

energi.

Hukum termodinamika pertama merupakan pernyataan dari hukum kekekalan energi

yang berbunyi: “energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi

ke dalam bentuk yang lain”. Hukum pertama adalah prinsip dari hukum kekekalan

energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi.

Menurut hukum pertama energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan

menambahkan kalor ke benda tersebut atau melakukan usaha pada benda. Hukum

pertama ini tidak membatasi tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Selain

itu karena kalor dan kerja merupakan energi yang ditransfer ke dalam dan keluar sistem

maka hukum termodinamika pertama merupakan pernyataan hukum kekekalan energi.

Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal

dari hukum kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai

suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama

termodinamika ini berbunyi : “kenaikan energi dalam dari suatu sistem termodinamika

sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi

dengan kerja yang dilakukan oleh sistem”

Pengalaman dan percobaan menunjukan bahwa sistem yang melakukan usaha

secara adiabatis suhunya turun. Jadi ada hubungan antara energi dalam dengan suhu.

Aplikasi : Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi. Semuanya

hanya mentransfer dengan berbagai cara.

Kalor dan Energi

Joule menunjukan kesetaraan antara kalor dan energi dengan suatu percobaan

menggunakan kalorimeter. Dari percobaan tersebut didapat : 1 Joule = 4,18 kalori.

28Teknik Industri

U

w

Q

Kalau diperhatikan semua bentuk energi maka energi itu kekal adanya, jika

panas diubah ke berbagai bentuk energi maka jumlah energi totalnya tetap.

Dimana : Q = m . CP . ΔT

U = m . CV . ΔT

ΔV = V2 - V1 ΔV adalah perubahan Volume (m3)

CV = panas jenis pada volume konstan

CP = panas jenis pada tekanan konstan CV < CP.

dari gambar disebelah terlihat bahwa panas (Q) yang

diberikan pada suatu gas yang berada dalam tabung

digunakan untuk energi dalam (ΔU ) dan melakukan usaha

luar (W).

Jadi Q = (U2 – U1) + W

= m . CV (T2 – T1) + P (V2 – V1)

Contoh Soal :

Dalam setiap hal, carilah perubahan energi dalam dari sistem

a. Sebuah sistem mengisap 500 cal panas dan pada waktu yang sama

melakukan usaha luar 527 Joule

b. Sebuah sistem mengisap 300 cal dan pada waktu yang sama

mengerjakan panas 418 Joule.

c. Pada suatu gas dengan volume tetap, 1000 cal panas dipindahkan.

Jawab : gunakan persamaan hukum I termodinamika Q = ΔU + W . Dimana Q, W dan

ΔU dinyatakan dalam satuan yang sama, Q berharga posetif jika ditambah pada

sistem, berharga negatif jika diambil dari sistem.

W posetif bila usaha dilakukan oleh sistem, negatif bila dilakukan pada system,

maka :

a. ΔU = Q – W = (500 x 4,18) Joule – 527 Joule = 1563 Joule

29Teknik Industri

Q = ΔU + W

Q = (U2 – U1) + W

Daya guna (efesiensi) dari pada mesin

W

Sumber Panas

Sekitar T2

Q2

Q1Mesin Panas

b. ΔU = Q – W = 300 cal (418

4 ,18) cal

= 400cal

c. Karena volume tak berubah, tak ada usaha yang dilakukan selam proses ΔU = Q – W = - 1000 cal – 0

= - 1000 cal.

1.3Entropi dan Hukum II Thermodinamika

Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi

dan yang tidak dapat terjadi. 

Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum II

termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor mengalir secara spontan dari

benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan

dalam arah kebalikannya”; hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin

kalor: “

Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus

yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya

menjadi usaha luar”; hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total entropi

semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses

ireversibel terjadi”.

Thermodinamika hukum kedua terkait dengan entropi. Entropi adalah tingkat

keacakan energi. Entropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat

diubah menjadi usaha. Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami proses

reversibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya (Q) dibagi suhu

mutlak sistem tersebut (T).  

Pandanlah suatu mesin panas yang mengisap panas dari sumber bersuhu T1 dan

melepaskan panas ke sekitarnya bersuhu T2 dimana T1 > T2.

30Teknik Industri

Kerja yang dilakukan sistem

Jumlah panas total yang diserap sistem

Panas mengalir dari sumber bersuhu T1 dan

melepaskan ke sekitarnya yang bersuhu T2 maka

usaha mekanis yang dihasilkan: W = Q1 - Q2

Eff =

WQ1 =

Q1−Q2

Q1 atau

= 1 -

Q2

Q1 Jadi efesiensi dari pada mesin panas selalu lebih rendah dari 100%. Mesin Pendingin 

Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu

tinggi dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya, pendingin rungan (AC) dan

almari es (kulkas).  Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan pada

suhu tinggi T1. 

Berdasarkan hukum kedua termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi sama

dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap.

Aplikasi: kulkas harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya, yang suhunya

lebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang

keluar.

Gambar Siklus mesin pendingin

Hasil bagi antara kalor yang masuk (Q1) dengan usaha yang diperlukan (W)

dinamakan koefisien daya guna (performansi) yang diberi simbol Kp. Secara umum,

31Teknik Industri

KP =

Q2

Q1−Q2 =

T 2

T1−T 2

kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai

6. Makin tinggi nilai Kp, makin baik kerja mesin tersebut. Kp = Q2 /W

Untuk gas ideal berlaku :

Keterangan :

Kp = koefisien daya guna

Q1 = kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J)

Q2 = kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J)

W = usaha yang diperlukan (J)

T1 = suhu reservoir suhu tinggi (K)

T2 = suhu reservoir suhu rendah (K)

Contoh Soal

Mesin pendingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3 oC dan

suhu udara luar 27 oC, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendingin

selama 10 menit? (efisiensi mesin ideal).

Penyelesaian:

Diketahui: P = 500 watt (usaha 500 J tiap 1 sekon)

T1 = 27 oC = 27+ 273 = 300 K

T2 = -3 oC = -3 + 273 = 270 K

Ditanya: Q2 = …? (t = 10 sekon)

Jawab :

KP =

T 2

T1−T 2

Q2

W =

T 2

T1−T 2

32Teknik Industri

Q2 =

T 2

T1−T 2 x W =

270300−270 x 500 = 4.500J (tiap satu sekon)

Dalam waktu 10 menit = 600s.

Jadi Q2 = 4.500 x 600 = 2,7×106 Joule.

33Teknik Industri