KALOR DAN HUKUM PERTAMA TEMODINAMIKA

ANGGOTA KELOMPOKNADIA FITRI INSANISELVIA SELLAWATIIRMA JUSTIA WINIHASTUTIIIS AVRIYANTI

KERJA DAN KALOR

• Lihatlah ketiga proses yang ditunjukan pada gamabr disamping.

a. Sejumlah fluida mengalami pemuaian adiabat dalam suatu kombinasi silinder-piston yang tergandeng dengan lingkunganya melalui benda tergantung ,sehingga ketika pemuaian terjadi, benda itu terangkat ,sedangkan fluidanya selalu tetap dekat dengan kesetimbangan

b. Sejumlah cairan yang dalam kesetimbangan dengan uapnya ,melalui dinding diaterm ,bersentuhan dengan hasil bakar suatu pembakar bunsen dan mengalim penguapan ,disertai kenaikan temperatur dan tekanan tanpa dilakukan kerja

c. Sejumlah fluida ketika bersentuhan dengan api dari pembakar bunsen

• jika hambat dipandang sebagi suatu sistem dan air sebagai lingkunganya maka terdapat pemindahan kalor dari hambat akibat adanya perbedaan temperatur antara hambat dan air .

• Selain itu ,jika sebagian kecil air dipandang sebagai sistem ,dengan sisa bagian air yang lain dipandang sebagai lingkunganya,maka ada juga pemidahan kalor.

• dengan memandang sistem gabungan yang terdiri atas air dan hambat ,lingkunganya tidak mengandung benda yang temperaturnya berbeda dari sistem sehingga tidak ada kalor yang dpindahkan antara sistem gabungan ini dengan lingkunganya.

KERJA ADIABATIK• Gambar 4.1 a dan 4,2 menunjukan bahwa sistem yang sepenuhnya

dilingkungi oleh penutup adiabat

• Lihatlah sistem gabungan yang terdiri atas fluida hidrostatik dan hambatan yang terbenam pada sisi dinding diaterm (gamabr4.4a) Sistem ini dapat mengalami antaraksi adiabat dengan lingkunaganya.

• Menurut dua cara . Anatar aksi ini dapat dilakukan dengan menggerakaan satu atau dua piston ke dalam atau keluar secara perlahan-lahan (proses kuasi-statik) sehingga W= - , sehingga tekanan pada permukaan piston kurang dari harga kesetimbangannya.

• Jika piston ditarik keluar dengan kelajuan yang lebih besar daripada kecepatan molekul fluida;fluida tidak akan melakukan kerja pada piston itu. Proses seperti itu disebut pemuaian bebas.

• Salah satu cara untuk melakukan kerja ialah dengan menggerakan salah satu atau kedua piston secara lambat atau cepat, kedalam atau keluar .

• Selain itu kerja dapat juga dilakukan pada sistem dengan disipasi energi listrik dalam hambatan dengan arus yang dipertahankan supaya terus mengalir oleh pembangkit listrik yang digerakan oleh benda yang sedang terus mengalir oleh pembangkit listrik yang digerakan oleh benda yang sedang turun.

• (Efek yang sama dapat ditimbulkan oleh disipasi energi mekanis dalam fluida oleh pengadukan fluida dengan roda bersudu yang diputar oleh benda yang sedang turun).

• Keadaan i dan f dari sistem yang diperlihatkan pada diagram θ V V’ dalam gambar 4.4 b dipilih secara sembarang dan kebetulan saja f bersesuian dengan temeperatur yang lebih tinggi daripada i .Dalam lintasan iaf kurva dengan garis terputus-putus ia menggambarkan pemampatan tanpa gesekan ,yang adiabat kuasi-statik oleh salah satu piston itu.

• Kurva af menggambarkan disipasi adiabat energi listrik dalam hubunganya dengan gerak piston yang menjaga sistem itu supaya temperaturnya tetap .dengan kata lain garis af menggambarkan proses yang adiabat dan isoterm. Namun terdapat perbedaan jelas antara proses ini dan yang sebelumnya proses af hanya bisa berlangsung satu arah saja. Kita dapat memberikan energi dengan memakai arus dalam hambat ,tetapi tidak bisa menarik energi

• Lintasan ibf menggambarkan cara adiabat yang lain untuk mengubah sistem dari i ke f .Kurva ib menggamabrkan proses disipasi yang dicapai dengan memakai hambat ,dan kurva bf menggambarkan proses kuasi-statik yang dicapai dengan piston tanpa gesekan

• Jadi hukum pertama termodinamika kita ketahui terdapat suatu suatu fungsi koordinat dari suatu sistem termodinamik yang harganya pada kedaan akhir dikurangi dengan harganya pada keadaan awal sama dengan kerja adiabat untuk pergi dari satu keadaan ke kedaaan lainya. Fungsi ini dikenal sebagai fungsi energi internalFungsi energi internal ini diberi lambang U ,sehingga

Wi-f (adiabat ) = Uf -Ui

FUNGSI ENERGI-INTERNAL (ENERGI DALAM )

• Secara fisika, perbedaan Uf – Ui ditafsirkan sebagai perubahan energi sistem.Jadi kesamaanm antara perubahan energi dan kerja adiabat mengungkapkan prinsip kekekalan enrgi

• Energi internal adalah suatu fungsi koordinat termodianmik yang banyaknya sama dengan yang diperlukan untuk memerinci keadaan suatu sistem

• enrgi internal dapat dibayangkan sebagai fungsi dari dua koordinat termodinamik (yang mana saja P/V/θ )

• Jika koordinat yang dipakai untuk memeriksa kedua keadaan hanya berbeda infinitesimal ,perubahan energi internalnya adalah dU, yang merupakan diferensial saksama, karena merupakan diferensial dari fungsi sebenarnya ,dlam hal ini sistem hidrostatik U dipandang sebagai fungsi dari θ dan V maka,

• Atau dengan memandang U sebagai fungsi T dan P

PERUMUSAN MATETMATIS HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

a. suatu gas yang bersentuhan dengan api pembakar bunsen yang temperaturnya lebih tinggi daripada temperatur gas dan dalam saat yang bersamaan gas itu dibiarkan memuai.

b. magnetisasi suatu padatan paragmagnetik dinaikan ketika zat itu bersentuhan dengan heluim cair yang temperaturnya lebih rendah daripadanya . Kenyataanya, sebagian dari heluim menguap ketika magnetisasi berlangsung

• Bila suatu sistem ,yang lingkunganya bertemperatur bebrbeda dan kerja bisa dilakuakn padanya, mengalami suatu proses ,maka energi yang dipindahkan dengan cara nonmekanis yang sama dengan perbedaan antara perubahan enrgi-internal dan kerja yang dilakaukan disebut kalor, jika perbedaan dilambangkan Q maka

• Q= Uf –Ui - (W)• Uf –Ui = Q+ W

• Dengan kesepakatan bahwa Q positif bila masuk ke dalam sistem dan negatif bila keluar dari sistem .Persamaan matematis hukum pertama termodinamika.

• Perlu ditekankan bahwa perumusan matematis hukum pertama mengandung tiga idea yang berkaitan :

1. keberadaan fungsi energi-dalam2. prinsip kekelan energy3. defini,kalor sebagai energi dalam perpindahan yang ditimbulkan oleh

perbedaan temperatur

KONSEP KALOR • Kalor adalah perpindahan energi internal .Kalor mengalir dari satu bagian

sistem ke bagian lain dari satu sitem ke sitem lain karena perbedaan temperature.

• Kalor belum diketahui sewaktu proses berlangsung .Kuantitas yang diketahui selama proses berlangsung ialah laju aluran Q yang merupakn fungsi waktu ,Jadi kalornya ialah

• Q =

• kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem bukan merupakan fungsi koordinat sistem tetapi bergantung pada lintasan yang dilalui sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir.

• Demikian juga untuk kalor yang dipindahkan dari suatu sistem .Q bukan merupakan fungsi koordinat termodinamik ,tetapi bergantung pada lintasan ,jadi sejumlah kerja inifinitesimal adalah diferensial taksama dan dilambangkan oleh dq

• Bayangkan sistem A dalam sentuhan termal dengan sistem B ,kedua sistem itu dilingkupi oleh dinding adiabat .

• untuk sitem A berlaku Uf –Ui = Q+ W • Dan untuk sistem B saja U’f –U’i = Q’ + W ‘• Dengan menjumlahkannya didapatkan

(Uf + U’f ) – (Ui + U’i ) = Q+Q’+W+W’Dengan kata lain dalam kondisi adibat kalor yang dibuang atu ditermal oleh sistem A sama dengan kalor yang diterima (atau dibuang )oleh sitem b.

BENTUK DEFERENSIAL HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

• Proses infinitesimal adalah proses yang hanya menyangkut perubahan infinitesimal dari koordinat termodinamik suatu sistem, sehingga hukum pertama termodinamika menjadi

• Suatu proses kuasi-statik infinitesimal adalah proses yang sistemnya berpindah dari keadaan setimbang awal ke keadaan setimbang berikutnya. Untuk proses kuasi-statik infinitesimal dari suatu sistem hidrostatik, hukum pertama menjadi

• Untuk sistem sederhana lainnya dapat dilihat pada tabel berikut.

Sistem Hukum Pertama U fungsi dari dua antara

Sistem hidrostatik

Kawat

Selaput permukaan

Sel listrik

Lempengan dielektrik

Batang paramagnetik

Tabel 4.1 Hukum pertama termodinamika untuk sistem sederhana

• sistem gabungan yang terdiri atas dua bagian hidrostatik yang dipisahkan oleh dinding diaterm, maka menjadi

• sedangkan untuk gas paramagnetik

• Ruas kanan pada persamaan di atas dikenal sebagai bentuk differensial Pfaff atau differensial taksaksama

• Faktor integrasi yang didapatkan untuk sistem dengan peubah bebas yang banyaknya sekehendak, merupakan fungsi sebarang dari temperatur empiris saja, dan sama untuk segala sistem.

KAPASITAS KALOR DAN PENGUKURANNYA

• Bila kalor diserap oleh sistem, perubahan suhu bisa terjadi dan bisa juga tidak tergantung prosesnya. Bila terjadi perubahan suhu dari ke selama berlangsungnya perpindahan kalor, maka kapasitas kalor rata-rata adalah sebagai berikut.

• Jika nilai dan kecil, maka hasilnya mendekati harga sesaat kapasitas kalor , sehingga

sehingga Kapasitas kalor spesifik diukur dalam J/kg.K atau kJ/kg.K.

• Banyaknya atom karbon-12, disebut dengan Bilangan Avogadro dan besarnya sama dengan partikel/mol. Massa molar atau dahulu disebut “berat molekul” adalah

dan banyaknya mol adalah

maka kapasitas kalor molar adalah

dan = J/mol.K atau kJ/mol.K

Kapasitas kalor dapat bernilai negatif, nol, positif, atau tak hingga.• Kapasitas kalor pada tekanan tetap adalah

• Kapasitas kalor pada volume tetap adalah

• Berikut beberapa kapasitas kalor dari sistem sederhana

Sistem Kapasitas kalor LambangHidrostatik  Linear  Permukaan  Listrik  Dielektrik  Magnetik 

Pada tekanan tetapPada volume tetap Pada gaya tegang tetapPada panjang tetap Pada tegangan permukaan tetapPada luas tetap Pada elektromotansi tetapPada muatan tetap Pada medan lisrik tetapPada polarisasi tetap Pada medan magnetik tetapPada magnetisasi tetap

 

 

 

 

 

• Suatu kawat hambat dililitkan di sekeliling sampel silindris suatu bahan, jika keduanya dipandang sebagai sistem, maka energi listrik yang ditimbulkan oleh kawat disebut kerja.

• Namun, jika kawat bukan termasuk sistem, energi yang ditimbulkan kawat dinyatakan sebagai kalor.

• Kawat tersebut dinamakan kumparan pemanas. Jika arus dan beda potemsial maka kalor yang meninggalkan kumparan pemanas dalam waktu ialah

• Temperatur sampel bila diukur sebagai fungsi waktu dapat ditunjukkan pada grafik berikut.

Kapasitas kalor molar pada temperatur yang sesuai dengan titik adalah

Sebenarnya gambar disamping bukan grafik terhadap , tetapi hambatan terhadap

KAPASITAS KALOR AIR ; KALORI

• Satuan kalor yang paling sesuai digunakan adalah kalori• Kalor didefinisikan sebagai sejumlah kalor yang diperlukan untuk

menaikkan temperatur 1 g air sebesar 1 derajat Celsius• Jumlah kerja yang harus dibuang dalam air disebut kesetaraan mekanis

kalor, baik dengan mempertahankan arus dalam hambat yang dibenamkan dalam air, maupun dengan mengaduk air secara tak teratur.

• Saat ini, semua kuantitas termal dinyatakan dalam Joule. Tidak ada kesetaraan mekanis kalor, yang ada ialah kalor spesifik air, dinyatakan dalam kJ/kg.K, yang variasi temperaturnya dalam kisaran antara 00C hingga 1000C seperti pada gambar di bawah ini

PERSAMAAN UNTUK SISTEM HIDROSTATIK

• Rumus matematis hukum pertama untuk sistem hidrostatik adalah

• dengan U fungsi dua peubah diantara P, V, dan . Dengan memilih dan V, didapatkan

• sehingga hukum pertama menjadi

• dengan membagi dengan d didapatkan

• Jika tetap, maka , dan dimana

• Jika tetap, persamaan diatas menjadi dimana, dan juga

• sehingga atau

ALIRAN KUASI-STATIK KALOR ; TANDON KALOR

• Selama proses kuasi-statik berlangsung, perbedaan antara temperatur sistem dan lingkungannya adalah infinitesemal.

• jika sepotong es dengan ukuran biasa dilemparkan ke dalam lautan, temperatur laut tidak akan turun. Lautan dan udara luar merupakan contoh hampiran dari hampiran dari benda ideal yang disebut tandon kalor.

• Tandon kalor adalah benda yang massanya demikian besar sehingga benda itu bisa menyerap atau membuang jumlah kalor yang tak terbatas banyaknya tanpa menimbulkan perubahan tenperatur yang berarti atau perubahan koordinat termodinamik lainnya.

• Setiap proses kuasi-statik suatu sistem yang bersentuhan dengan suatu tandon kalor dipertahankan supaya isotermal.

• Jadi, jika sederetan tandon yang berkisar antara temperatur hingga disentuhkan dengan suatu sistem pada tekanan tetap dengan kapasitas kalor hingga perbedaan temperatur antara sistem dan tandon infinitesimal, maka aliran kalornya menjadi kuasi-statik dan dihitung sebagai berikut

sehingga • Jika dibuat praktis tetap, maka

• Untuk proses isovolum kuasi-statik

PENGHANTAR KALOR• Hukum pokok penghantaran kalor merupakan perampatan dari hasil percobaan

pada aliran linear kalor melalui lempengan dalam arah tegak lurus permukaan.

• Dengan memasukkan K tetapan perbandingan, hukum pokok penghantaran kalor menjadi

Dimana : =gradien temperaturK dikenal dengan konduktivitas termalZat yang memiliki konduktivitas termal besar disebut penghantar

termal zat yang memiliki konduktivitas termal yang kecil disebut penyekat termal.

KONDUKTIVITAS TERMAL• Bila zat yang diteliti berupa logam batang yang salah satu ujungnya

dipanaskan dan ujung lainnya didinginkan, maka permukaan batang tersekat termal dan kalor yang hilang melalui penyekat dapat dihitung dengan mengurangi laju kalor. Temperaturnya bisa diukur dengan termokopel pada jarak L, dan persamaan

Dengan, K =W/m K.• konduktivitas termal logam bertambah besar ketika temperaturnya

diturunkan sampai maksimumnya tercapai.

Kurva yang biasa dijumpai untuk memperlihatkan kebergantungan temperatur pada konduktivitas termal

KONVEKSI KALOR• Arus konveksi adalah arus cairan atau gas yang menyerap kalor pada

suatu tempat, lalu bergerak ke tempat lain dan bercampur dengan bagian fluida yang lebih dingin serta memberikan kalornya.

• Konveksi alamiah adalah gerak fluida yang disebabkan oleh perbedaan kerapatan yang menyertai perbedaan temperatur

• Konveksi terpaksa adalah fluida yang dipaksa untuk bergerak oleh pompa atau kipas

• Dengan = laju pemindahan kalor oleh konveksi

• A = luas dinding

• = perbedaan temperatur antara permukaan dinding dan tubuh utama fluida.

 

• Koefisien konveksi bergantung pada:1. Apakah dindingnya datar atau lengkung2. Apakah dindingnya horizontal atau vertical3. Apakah fluida yang bersentuhan dengan dinding berupa gas atau

cairan4. Kerapatan, viskositas, kalor spesifik, dan konduktivitas termal fluida5. Apakah kecepatan fluida cukup kecil sehingga menimbulkan aliran

laminar atau cukup besar sehingga menimbulkan aliran turbulen.6. Apakah penguapan, pengembunan, atau pembentukan hablur terjadi

RADIASI TERMAL; BENDA HITAM

• Cara untuk merangsang suatu zat memancarkan radiasi elektromagnetik:1. Suatu penghantar listrik yang dialiri arus bolak-balik akan memancarkan

gelombang radio.2. Padatan atau cairan panas memancarkan radiasi termal.3. Gas yang mengalami pelucutan listrik bisa memancarkan radiasi cahaya

tampak.4. Keping logam yang ditembaki dengan elektron berkecepatan tinggi

memancarkan sinar X.5. Suatu zat yang atomnya radioaktif bisa memancarkan sinar .6. Suatu zat yang mengalami radiasi dari sumber eksternal bisa berpendar.

• semua radiasi adalah gelombang elektromagnetik, hanya panjang gelombangnya berbeda.

• Radiasi termal adalah radiasi yang dipancarkan oleh zat padat, zat cair, atau gas menurut temperaturnya.

• Bila radiasi termal jatuh serba sama dari segala arah pada benda, maka disebut radiasi isotropik.

• Zat yang keserapannya mendekati satu disebut benda hitam.

• Irradiansi (H) : energy radian yang jatuh per satuan waktu per satuan luas

Gaya radian yang diserap persatuan luas =daya radaian yang dipancarkan persatuan luas = • Karena temperatur benda hitam tetap, laju terserapnya energi harus

sama dengan laju terpancarnya, sehingga

HUKUM KIRCHOFF; KALOR TERADIASI

• Daya radian yang diserap per satuan luas = αH• Daya radian yang dipancarkan per satuan luas = R• Karena benda hitam dalam keadaan setimbang

• Jika dQ adala kalor yang dipindahkan dalam waktu ke benda yang luasnya A, maka

• Dan ingat bahwa α dan R mengacu pada temperatur θ dan H pada temperatur θw

HUKUM STEFAN-BOLTZMANN• Menurut Boltzmann pemancaran radian suatu benda hitam pada

sembarang temperatur sama dengan

• Dengan adalah tetapan Stefan-Boltzmann.• Dua metode sederhana yang dapat dipakai untuk menentukan tetapan

Stefan-Boltzmann

1.  Metode ketakseimbangan Sehingga

2. Metode keseimbanganSehingga