THERMOFISIKTHERMOFISIKAA

THERMOFISIKTHERMOFISIKAA

Terminologi

• Termodinamika: ilmu yang mempelajari tentang tingkah laku panas, hakekat panas, penyebab panas, penggunaan panas dsb.

• PANAS: Heat, Hot, Fever, Termal• Hotness: Sensasi panas• Sesuatu yang ditransfer dari benda panas ke benda

dingin, dinamakan panas (heat). Heat bisa dirubah menjadi kerja, oleh karena itu heat merupakan satu bentuk energi. Pada kenyataannya, heat bisa didefinisikan sebagai energi yang ditransfer dari benda panas ke benda yang lebih dingin.

Hubungan Termodinamika dengan Disiplin ilmu yang

lain

• Termodinamika membahas tentang sepak terjang panas

• Disiplin ilmu yang lainnya membahas tentang panas yang ditimbulkan oleh objek: ilmu mekanika, ilmu akustika, ilmu cahaya, ilmu magnet, ilmu zat cair, ilmu listrik dan ilmu fisika nuklir.

Sumber Panas

Panas dari Alam:• Dari cahaya matahari: pancaran cahaya

akibat temperatur tinggi yang dihasilkan oleh reaksi nuklir pada pusat matahari.

• Panas bumi (geotermal): merupakan perbedaan temperatur masa batu permukaan bumi dengan air pada satu sisi dengan masa air dan udara pada sisi yang lain

Sumber Panas ….

Panas Buatan Manusia• panas dari proses mekanik• Panas dari magnet• Panas dari bunyi• Panas dari gelombang mikro: pancaran gelombang

mikro frekuensi 900 MHz – 2450 MHz pada jarak 3 – 5 meter

• Panas dari listrik• Panas dari radiasi nuklir• Panas dari cahaya lampu: cahaya lampu

mengandung spektrum merah yang mempunyai energi cukup besar untuk menghasilkan panas

TERMOMETRIK• Suhu = ukuran derajat panas/dinginnya suatu benda• Kualitatif indera peraba: subjektif, tak ilmiah• Kuantitatif perlu alat ukur dan satuan dasar• Alat: termometer• Prinsip dasar: fenomena pemuaian• Contoh: termometer air raksa

– Kerugian: mempunyai batas muai dan titik uap tertentu (titik beku = -400C; titik didih = 3600C)

• Penggunaaan termometer, untuk mengukur suhu: tubuh, udara, ruang, tanah, rumput, mesin yang beroperasi, oven, AC

Penggunaan Termometer

Mengukur suhu:

• tubuh

• udara

• ruang

SKALA TEMPERATUR

• Dalam pembuatan skala itu dicari titik referensi, yang disebut titik tetap kemudian dibuat skala sekehendak kita. Sebelum tahun 1954 ditentukan dua titik sebagai acuan baku yaitu titik es dan titik uap. Sekarang ini titik tripel dipakai sebagai titik acuan baku yaitu 0,010C.

• Titik es yaitu suatu titik di mana terdapat campuran air yang jenuh udara dengan es yang bertekanan 1 atmosfir.

• Titik uap ialah suhu di mana air mendidih pada tekanan 1 atmosfir.

• Titik tripel yaitu suatu titik acuan yang berada di antara fase padat, cair dan gas pada tekanan 1 atmosfir.

Penggunaan Skala Temperatur

• Di Amerika banyak mempergunakan skala Fahrenheit.

• Dalam bidang kedokteran banyak menggunakan skala Celsius.

• Untuk keperluan bidang ilmu pengetahuan dipergunakan skala Kelvin.

• Skala Rankin digunakan di Inggris

Skala Temperatur Celsius (OC)

t1

t2

L1

L2

Sebagai patokan bawah ditentukan 0 oCSedangkan patokan atas 100 oC

atau

Dimana:L1 = panjang kolom raksa pada temp t1L2 = panjang kolom raksa pada temp t2L = panjang kolom raksa pada temp t

Contoh:

Jika panjang kolom raksa pada 0 oC dan pada 100 oC masing-masing adalah 15 mm dan 21,5 cm, maka berapakah panjang kolom raksa pada suhu 75 oC.Jawab:T1 = 0 oC , L1 = 15 mmT2 = 100 oC , L2 = 215 mm

150 = L – 15 L = 165 mm

Skala Temperatur Fahrenheit (OF)

Sebagai patokan bawah ditentukan 32 oF dan 212 oFSehingga beda skala antara kedua patokan tersebut adalah 180 Fo

atau

Dimana:L1 = panjang kolom raksa pada temp t1L2 = panjang kolom raksa pada temp t2L = panjang kolom raksa pada temp t

Skala Temperatur Reaumur (OR)

Sebagai patokan bawah ditentukan 0 oR dan 80 oRSehingga beda skala antara kedua patokan tersebut adalah 80 Ro

atau

Dimana:L1 = panjang kolom raksa pada temp t1L2 = panjang kolom raksa pada temp t2L = panjang kolom raksa pada temp t

Soal:Soal:Soal:Soal:1.1. Jika pada 32 Jika pada 32 ooF dan 212 F dan 212 ooF panjang F panjang

kolom raksa masing-masing 15 mm dan kolom raksa masing-masing 15 mm dan 215 mm, maka berapakah suhunya 215 mm, maka berapakah suhunya pada saat panjang kolom raksa 165 pada saat panjang kolom raksa 165 mm?mm?

2.2. Jika pada 0 Jika pada 0 ooR dan 80 R dan 80 ooR panjang kolom R panjang kolom raksa masing-masing 15 mm dan 215 raksa masing-masing 15 mm dan 215 mm, maka tentukan panjang kolom mm, maka tentukan panjang kolom raksa pada suhu 50 raksa pada suhu 50 ooR ? R ?

Konversi Satuan Temperatur

• toC = 9/5t + 32oF = 4/5toR = (t+273)K

• toK = 9/5 (t-273)+ 32oF = 4/5(t-273)oR = (t-273)oC

• toF = 4/9 (t-32) oR = 5/9(t-32)oC = 5/9(t-32) + 273 K

• toR = 9/4t + 32oF = 5/4toC = 5/4t + 273 K

Soal:1. Bacaan skala Fahrenheit sama dengan skala

Celcius pada suhu?2. Termometer X dengan data sebagai berikut:

pada 75 oC, X menunjukkan skala 170 dan pada 0 oC, X menunjukkan skala 20, maka pada suhu 40 oC, termometer X menunjukkan skala ?

3. Pada suatu termometer X, titik beku air adalah 10 oX dan titik didih air adalah 240 oX. Bila suatu benda diukur dengan termometer Celcius suhunya 50 oC, maka bila diukur dengan termometer X suhunya adalah ?

HUKUM TERMODINAMIKA

• Hukum ke nol termodinamika– = hukum kesetimbangan termal

• Hukum pertama termodinamika– = hukum kekekalan energi

• Hukum kedua termodinamika– Efisiensi suatu mesin

• Hukum ketiga termodinamika – Membahas kaitan antara gerakan molekul

dengan penurunan suhu

Hukum ke nol termodinamika

• Dicetuskan oleh R.H. Fowler• Kesetimbangan termodinamika ada jika

parameter fisik yang dapat diukur dalam suatu sistem (mis. Suhu, volume dan tekanan) adalah konstan sepanjang waktu

• 2 substansi dengan 2 keadaan berbeda dapat mencapai titik kesetimbangan apabila kedua substansi tersebut dihubungkan dengan substansi yang lain

Hukum Pertama TermodinamikaΔU = ΔQ - Δ W

• Dicetuskan oleh Joule Thompson• Perubahan energi dalam suatu sistem yang tertutup (ΔU)

akan sama dengan kalor yang ditambahkan ke sistem dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem.

• Perubahan suatu keadaan dari keadaan pertama menjadi keadaan kedua diperlukan panas dan akibat panas ini timbullah suatu kerja

• Metabolisme sebagai konversi energi:

– Food intake = heat loss + work output + energy storage

Hukum Kedua Termodinamika

• Dicetuskan oleh Carnot

• Efisiensi suatu mesin: mesin bekerja efektif 70% saja, 30% terbuang berupa panas (input ≠ output)

• Food intake = 70% diserap & diolah dalam tubuh + 30% berupa kotoran

Hukum Ketiga Termodinamika

• Dicetuskan oleh Nernzt• Suatu benda apabila suhunya diturunkan

sampai bertahap temperatur absolut, maka gerakan molekul berangsur-angsur akan melemah sampai berhenti.– Pada T = 00K (nol absolut) perubahan entropy (zat

homogen yang isotropik) adalah sama dengan konstan.– Pada T = nol mutlak, maka koefisien dari seluruh

substansi cenderung nol.

• Penerapan: penggunaan suhu rendah pada bidang kedokteran

Transfer Panas

• Panas ditransfer/dipindahkan apabila terdapat perbedaan temperatur & arah pemindahan ke arah temperatur yang rendah

• 4 macam mekanisme:– Konduksi– Konveksi– Radiasi– Evaporasi

1. Konduksi• Konduksi ialah perpindahan panas dari suatu objek yang

suhunya lebih tinggi ke objek lain yang suhunya lebih rendah dengan jalan kontak langsung.

• Misalnya panas mengalir dari kulit ke udara.

• JQ = x

• Jq = kalori/cm2detik• Ks = koefisien konduktivitas kulit• Ka = koefisien konduktivitas udara• T2 – T1 = perbedaan suhu antara udara dan kulit X = jarak dari udara ke kulit.

kaks

kaks

.

X

tt

12

2. Konveksi• adalah perambatan panas melalui zat perantara (cair atau gas) di

mana bagian-bagian zat ikut berpindah (mengalir) karena perbedaan rapat massa.

• Pertukaran panas dan gaya konveksi adalah berbanding lurus dengan perbedaan temperatur antara kulit dan udara serta kecepatan udara. Aliran panas yang terjadi antara kulit dan lingkungan secara konveksi dapat ditulis dalam persamaan sebagai berikut (hk. Newton mengenai konveksi):

Jq (konveksi) = 8,3 V0,5 (Ts –Ta)• V = kecepatan angin (m/s)• 8,3 = konstanta di mana seseorang berdiri berhadapan dengan

tiupan angin• Ta = temperatur udara• Ts = temperatur kulit

3. Radiasi• adalah suatu transfer energi panas dari suatu permukaan objek ke objek lain

tanpa mengalami kontak.• Hukum Stefan Boltzman:

Jq (radiasi) = e T4

= konstanta Stefan-Boltzman, sebesar 5,67 x 10-5 erg/cm2sec deg4 e = emissivity (daya pancar) dari permukaan antara 0-1; untuk tubuh manusia = 1

• Di bidang ilmu faal dikatakan bahwa panas tubuh yang melakukan radiasi ke udara di mana sebelumnya telah memperoleh panas dari lingkungan.

• Dengan demikian persamaan radiasi dituliskan:• Jq (radiasi) = e Ar (Tw

4 - Ts4)

A = luas permukaan tubuh (1,8 m2 untuk seorang laki-laki)r = perbandingan permukaan radiasi efektif oleh Du Bois, 0,78 untuk seseorang yang berdiri tegak sedangkan pada porang yang bergerak 0,85.Tw = temperatur dinding dalam derajat absolutTs = temperatur kulit dalam derajat absolut.

4. Evaporasi• Evaporasi adalah peralihan panas dari bentuk

cairan menjadi uap.• Kehilangan panas melalui evaporasi melewati

kulit dapat dapat ditulis dengan rumus:

Jq maksimum = 13,7 – V0,5 (Pkulit – Pudara)Jq = dalam watt/m2V = kecepatan angin m/s

Pkulit = tekanan uap air pada kulit dalam milibar

Pudara = tekanan uap air pada udara dalam milibar.