MAKALAH KALOR DAN HUKUM PERTAMA TERMODIN
MAKALAH
KALOR DAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Disusun sebagai salah satu tugas mata kuliah Termodinamika
Dosen Pengampu : Atsnaita Yasrina, M.Sc
Disusun Oleh :
Puri Arya Puspita
Fisika
13620005
Juraidah
Fisika
13620010
Lathifa Hanun I.
Fisika
13620020
Adik Merisa
Fisika
13620022
Fitroh Merkuri W.
Fisika
13620023
Dwi Aryani
Fisika
13620039
Syafa’atun Zidni
Fisika
13620031
KEMENTERIAN AGAMA
UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SUNAN KALIJAGA YOGYAKARTA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
2014
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Termodinamika adalah salah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan
hukum-hukum pergerakan panas dan perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk
energi yang lain. Istilah termodinamika diturunkan dari bahasa Yunani Therme (panas)
dan dynamis (gaya). Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua prinsip dasar yang aslinya
diturunkan dari eksperimen, tetapi kini dianggap sebagai sebagai suatu pernyataan
yang diterima kebenarannya dan bersifat umum, tanpa memerlukan pembuktian.
Prinsip pertama 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 lebih panas tanpa adanya perubahan dikedua
benda tersebut.
B. TUJUAN
1. Mengetahui definisi dari kalor.
2. Mengetahui tentang Hukum Pertama Termodinamika
2
BAB II
PEMBAHASAN
A. KERJA DAN KALOR
KERJA :
-
pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan selain dalam bentuk kalor.
-
Perpindahan energi dari suatu benda ke benda lain tanpa terikat dengan
perbedaan temperatur.
-
“usaha yang dilakukan oleh sebuah sistem bukan hanya tergantug pada
keadaan awal dan akhir, tetapi juga tergantung pada proses perantara antara
keadaan awal dan keadaan akhir”
Misalkan ada sebuah piston, mula – mula gas ideal menempati ruang
dengan volume V dan tekanan P. Kemudian gas mengalami pemuaian secara
perlahan sehingga setiap saat terjadi kesetimbangan (proses kuasistatik).
KALOR :
-
Perpindahan energi dari suatu benda ke benda lain karena adanya perbedaan
temperatur.
-
Kalor bukanlah suatu jenis energi, melainkan energi yang berpindah.
Pada abad ke 19, James Prescott Joule (1818-1889) melakukan sebuah percobaan.
3
Jika beban di kenakan gaya ke bawah. Maka pengaduk akan berputar karena
adanya tali yang terhubung dengan katrol. Ketika pengaduk berputar, pengaduk
melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja/usaha yang dilakukan oleh
pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja/usaha yang dilakukan oleh
gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh. Ketika pengaduk melakukan
kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air. Karenanya kita bisa
mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan
dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak
energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar
kenaikan suhu air (air semakin panas).
Ketika berputar dalam air, pengaduk melakukan kerja/usaha pada air
sehingga energi pengaduk dipindahkan ke air. Adanya tambahan energi dari
pengaduk ini yang membuat suhu air meningkat.
Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang
diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 C o (Tepatnya dari 14,5 oC
menjadi 15,5 oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda-beda untuk suhu air yang
berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 oC hanya
terjadi antara suhu 14,5 oC sampai 15,5 oC. Satuan kalor yang sering digunakan,
terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal =
1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar).
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.
4
B. KERJA DIABATIK
PROSES ADIABATIK :
-
Proses yang muncul tanpa perpindahan panas dan massa antara sistem dengan
lingkungan.
(gambar a)
Menunjukkan kerja adiabatik, pada proses ini terjadi kesetimbangan karena fluida
mengalami pemuaian dengan proses kuasistatik ( pemuaian secara perlahan namun
tetap terjadi kesetimbangan).
(gambar b)
5
Menunjukkan aliran kalor saja (tanpa kerja). Terdapat cairan dan uap dalam suatu
sistem. Dengan menggunakan bunsen dan cairan akan mengalami penguapan dan
kenaikan temperatur.
(gamabar c)
Menunjukkan kerja dan kalor. Sama seperti kerja adiabatik, tetapi ini menggunakan
bunsen. Sehingga terjadi kenaikan temperatur.
C. FUNGSI ENERGI INTERNAL
Fungsi energi internal atau energi dalam (U) merupakan fungsi keadaan suatu
sistem. Perubahan energi dalam suatu sistem akan meningkat sebanding dengan
jumlah kalor yang ditambahkan pada suatu sistem. Banyaknya fungsi koordinat
termodinamik (P,V, θ ) sama dengan energi yang diperlukan untuk melakukan
keadaan suatu sistem. Jadi energi internal dapat dikatakan sebagai fungsi dari dua
koordinat termodinamika.
Misalnya di dalam sistem termodinamika, terdapat tiga fungsi koordinat
termodinamika P, V, . Apabila diukur maka akan ada satu variable yang kehilangan
kebebasannya. Jadi pengukuran hanya ditentukan oleh dua koordinat saja, sehingga
yang ketiga itu ditentukan oleh persamaan keadaan. Contohnya, ketika mengukur nilai
V dengan P dan θ
nilainya sembarang. Maka V merupakan variable terikat,
sedangkan P dan T variable bebas.
Apabila koordinat yang dipakai untuk menghitung kedua keadaan hanya berbeda
infinitesimal, maka perubahan energi dalamnya adalah dU. Infinitesimal yaitu
perubahan keadaan yang sangat kecil sehingga tidak boleh diukur.
Di ambil contoh kasus pada sistem hidrostatik. Dalam sistem hidrostatik, jika U
dipandang sebagai fungsi θ dan V, maka:
( ∂∂θU ) dθ+( ∂∂VU ) dV
dU =
v
(1.1)
θ
Tetapi jika U sebagai fungsi θ dan P, maka:
6
( ∂∂θU ) dθ+( ∂∂UP ) dP
dU =
P
θ
Dimana:
=fungsi dari θ dan V
( ∂U
∂θ )
v
=fungsi dariθ dan P
( ∂U
∂θ )
P
D. PERUMUSAN MATEMATIS HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Untuk menyatakan atau menganalisis perubahan keadaan pada kasus perumusan
matematis pada hukum pertama termodinamika dapat dilakukan dua percobaan yang
berbeda, yaitu perubahan keadaan dengan proses adiabatik dan non adiabatik dengan
sistem yang sama.
Proses adiabatik yaitu suatu proses perubahan energi yang terjadi tanpa adanya
perpindahan kalor antara sistem dengan lingkungan. Sedangkan proses non adiabatik
yaitu suatu proses perubahan energi yang memungkinkan adanya pertukaran energi
antara sistem dengan lingkungan.
Pada proses adiabatik, besar kerja adiabatik yang diperlukan untuk mengubah
keadaan sistem yaitu U f −U i . Tetapi pada proses non adiabatik besarnya kerja yang
dilakukan yaitu tidak sama dengan
U f −U i . Sesuai dengan hukum kekekalan
energi, bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi energi
hanya dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk yang lain. Jadi dapat
disimpulkan bahwa pada proses non adiabatik energinya telah dipindahkan dengan
cara yang lain dari pelaksanaan kerja. Energi yang dimaksud disini adalah sama
dengan kalor, yaitu “apabila suatu sistem, yang lingkungannya bertemperatur
berbeda dan kerja bisa dilakukan padanya, mengalami suatu proses, maka energy
yang dipindahkan dengan cara nonmekanis yang sama dengan perbedaan antara
perubahan energy internal dan kerja yang dilakukan” (Zemansky, 1986).
7
Hukum pertama Termodinamika mengatakan bahwa “kenaikan energi internal
dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan energi panas yang ditambahkan ke
dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap
lingkungannya.”
dU =dQ−dW
(1.2)
Dimana:
dU = energi internal
dQ = energi yang ditambahkan ke sistem
dW = kerja yang dilakukan oleh sistem
Q positif = energi masuk ke dalam sistem
Q negatif = energi keluar dari sistem
W positif = memerlukan usaha
W negatif = melakukan usaha
Dalam perumusan matematis hukum pertama termodinamika mencoba
menjelaskan definisi kalor sebagai energi dalam perpindahan yang ditimbulkan oleh
perbedaan temperature. Pembuktian kalor adalah berhasil dibuktikan oleh Joule pada
selang tahun antara 1840-1849 dengan berbagai percobaan yang dilakukannya.
E. KONSEP KALOR
Kalor merupakan perpindahan energi internal dari suau sistem ke sistem lain
karena adanya perbedaan suhu, dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.
Perpindahan energi tersebut tidak dapat diketahui prosesnya, namun diketahui laju
aliran Q́ yang merupakan fungsi waktu
t2
Q=∫ Q́ dt
(1.3)
t1
dapat diketahui bila t1 – t2 telah berlalau dan setah aliran berhenti.
Q bukan merupakan fungsi koordinat termodinamik tetapi bergantug pda lintasan
yang dilalauui sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir.
8
Sistem A dalam sentuhan termal sistem B yang kedua sistem tersebut dilindungi
dinding adiabat.
Untuk sistem A:
U f −U i=Q+W
Untuk sistem B:
U 'f −U i '=Q’ +W ’
Dengan menjumlahkannya didapat
'
(U f – U i) – (U f −U i ’)=Q+Q ’ +W +W ’
(U f +U 'i )−(U i+U 'i)
merupakan energi sistem gabungan dan W +W ’ merupakan
kerja yang dilakukan oleh sistem gabungan, maka
Q+Q'
adalah kalor yang
dipindahkan oleh sistem gabuangan. Karena sistem dilindungi dinding adiabat,
'
Q+Q =0
Q=−Q '
Dalam kondisi adiabat kalor yang dibuang sistem A sama dengan kalor yang diterima
sistem B.
F. BENTUK DIFFERENSIAL HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Proses infinitesimal adalah suatu proses yang menyangkut peubahan
infinitesimal dari koordinat termodinamik. Maka hukum pertama termodinamika
dalam proses tersebut menjadi
dU =đQ+dW
(1.4)
Proses infinitesimal kuasa-statik merupakan proses yang sistemnya berpindah dari
keadaan setimbang awal ke keadaan serimbang berikutnya.
Untuk proses kuasa statik infinitesimal dari suatu sistem hidrostatik hukum pertama
menjadi
dU =đQ−P dV
(1.5)
9
Misal, dalam kasus sistem gabungan yang terdiri atas dua bagian hidrostatik
yang dipisahkam oleh dinding diaterm nilai dQ
dapat diungkapkan sebagai berikut
đQ=dU + PdV + P ' dV ’
(1.6)
dinding diaterm adalah dinding pemisah yang menyebabakan adanya interaksi
dari sistem-sistem yang bersentuhan.
Ruas kanan pada persamaan (1.5) dan (1.6) dikenal dengan bentuk differensial
Pfaff. Ruas kiri dalam persamaaan (1.5) dan (1.6) menggambarkan sejumlah
infinitesimal kalor
đQ
dan transfer kalor bergantung pada lintasan maka
đQ
adalah differensial taksaksama dan bentuk differensial Pfaff adalah differensial
taksaksama. Differensial taksaksama dapat dibuat saksama dengan mengalikannya
dengan faktor integrasi. Pada umumnya bentuk differensial Pfaff yang mengandung
tiga differensial tidak memperbolehkan adanya faktor integrasi, tetapi karena adanya
hukum alam yang baru (hukum kedua termodinamika) maka bentuk differensial Pfaff
yang menggambarkan
dQ
mempunyai faktor integrasi. Faktor integrasi
dQ
yang didapatkan untuk sistem dengan peubah bebas yang bnyaknya sekehendak
merupakan fungsi sembarang dari temperatur empris saja dan sama untuk segala
sistem.
G. KAPASITAS KALOR DAN PENGUKURANNYA
Suatu sistem yang menyerap kalor, tidak selalu akan mengalami perubahan
temperatur. Kapasitas kalor atau kapasitas panas (biasanya dilambangkan dengan
kapital C) adalah besaran terukur yang menggambarkan banyaknya kalor Q yang
diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat (benda) dari θf
ke θi
sebesar jumlah
tertentu. Kapasitas kalor didefinisikan sebagai:
C=
ðQ
dθ
(1.7)
Pada umumnya kapasitas panas C berubah dengan suhu
θ , jadi C adalah fungsi
θ , sehingga:
Kapasitas kalor rata-rata =
Q
θ f −θi
10
Kapasitas panas merupakan kuantitas ekstensif (berbanding lurus dengan
massa) agar mudah dalam pengoperasiannya, kita bagi dengan massa sehingga
menjadi ‘per satuan massa’ yang berarti kuantitas spesifik. Kapasitas kalor spesifik
diukur dalam J/kg.K atau kJ/kg.K.
Apabila C menyatakan kapasitas kalor dari n mol zat, maka kapasitor kalor molar atau
panas jenis c ialah:
C 1 ðQ
c= =
n n dθ
c diukur dalam J/mol.K atau kJ/mol.K.
Dengan n adalah banyaknya mol, yaitu:
n=
massa total
m
Dengan
m
adalah massa molar atau massa satu mol atom yang bergantung pada
bilangan Avogadro
NA
sebesar 6,023 X 1023 partikel/mol. Besarnya kita dapatkan:
¿m NA
m
Dengan 1 kalori = 4,1858 J.
Panas yang masuk atau keluar dari sistem adalah:
θ2
θ2
Q=∫ C dθ=n∫ c dθ
θ1
(1.8)
θ1
Karena C maupun c tidak konstan, melainkan fungsi waktu sehingga tidak boleh
dikeluarkan dari tanda integral. Jadi C maupun c dapat dikeluarkan apabila telah
memenuhi nilai konstan atau dianggap konstan.
Penyerapan panas dapat melalui berbagai proses yang menyebabkan kapasitas
kalor dapat bernilai positif, negatif, nol ataupun tak terhingga. Banyaknya panas yang
diserap berbeda untuk proses yang berbeda. Sehingga, setiap sistem sederhana
memiliki kapasitas kalornya tersendiri. Sebagai contoh, dalam hal sistem hidrostatik
hasil bagi
ðQ
dθ
memiliki harga tetap apabila tekanan atau volume dijaga tetap.
( ðQdθ )
Kapasitas kalor pada tekanantetap c P =
(1.9)
P
11
( ðQdθ )
Kapasitas kalor pada volume tetap c V =
(1.10)
V
Tabel 4.2 Kapasitas kalor sistem sederhana
Sistem
Hidrostatik
Kapasitas Kalor
Pada tekanan tetap
Lambang
CP
Linear
Pada volume tetap
Pada gaya tegang tetap
CV
CI
Permukaan
Pada panjang tetap
Pada tegangan permukaan tetap
CL
Cγ
Listrik
Pada luas tetap
Pada elektromotansi tetap
CA
CZ
Dielektrik
Pada muatan tetap
Pada medan listrik tetap
Cε
CE
Magnetik
Pada polarisasi tetap
Pada medan magnetik tetap
Cn
CH
Pada magnetisasi tetap
CM
H. KAPASITAS KALOR AIR (KALORI)
Kalori merupakan satuan kalor yang didefinisikan sebagai banyaknya kalor
yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1g air sebesar 1 derajat celcius. Namun
setelah dilakukan pengukuran lebih tepat dan koreksi lebih teliti didapatkan kalor yang
diperlukan untuk mengubah 1g air dari 0 ℃
apabila mengubah dari 30 ℃
menjadi 1 ℃
ternyata berbeda
menjadi 31 ℃ . Sehingga lebih tepatnya, kalori
didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur
1g air dari 14,5 ℃ menjadi 15,5 ℃ (kalori 15-derajat). Dalam mengukur jumlah
kalor yang dipindahkan antara suatu sistem dengan sejumlah air hanya dibutuhkan dua
pengukuran yaitu massa air dan perubahan temperatur.
Jumlah kerja yang diperlukan dalam air per satuan massa air dari temperatur
14,5 ℃ menjadi 15,5 ℃ disebut kesetaraan mekanis kalor, yang bernilai 4,1860
J/kal. Namun banyak fisikawan dan kimiawan yang telah menyingkirkan kalori dan
semua kuantitas termal dinyatakan dalam joule. Tidak ada kesetaraan mekanis kalor,
12
yang ada hanyalah kalor spesifik air dinyatakan dalan kJ/kg.K dengan variasi
temperatur berkisar antara 0 ℃ hingga 100 ℃ seperti pada gambar 4-6.
I.
PERSAMAAN UNTUK SISTEM HIDROSTATIK
Rumusan matematis hukum pertama untuk sistem hidrostatik adalah:
dQ = dU + P dV
(1.11)
dengan U fungsi dua perubah diantara P,V,dan ϴ,dengan memilih ϴ dan V sebagai
variabel bebas maka didapatkan :
dU =
∂U
∂V
∂U
v dθ+¿
∂θ
( )
) θ dV
sehingga:
dQ =
∂U
∂V
¿
∂U
v dθ+¿
∂θ
( )
) θ+ P ¿ dV (dengan membagi dengan d θ )
karena berlaku pada segala perubahan temperatu dan volume (d θ dan dV ¿
sehingga:
13
dQ ∂ U
∂U
dV
=
v +[(
)θ + P]
dθ
∂θ
∂θ
dθ
( )
Ketika terjadi beberapa kondisi yaitu:
a. Jika V tetap, dV=0 maka persamaan diatas berlaku:
( dQdθ ) v =( ∂∂Uθ ) v
Sedangkan kapasitas kalor pada volume tetap Cv; sehingga:
Cv=(
∂U
¿v
∂θ
( dQdθ ) v
dengan mengingat bahwa
adalah sama dengan
kapasitas kalor.
b. Jika P tetap maka persamaannya berubah menjadi :
∂U
∂V
v+ (
θ+ P (
p→
( dQdθ ) p=( ∂U
)
)
[
]
∂θ
∂θ
∂θ )
berdasarkan persamaan awal pada
sistem hidrostatik.
Sehingga menurut definisinya :
( dQdθ ) p=Cp
Cp=Cv+
[( ) ]
dan
(
∂V
¿ p=β
∂θ
∂U
∂U
Cp−Cv
θ+ P Vβ atau
θ=
∂θ
∂θ
Vβ
( )
–P
Persamaan diatas berlaku ketika menghubungkan besar perubahan energi terhadap
perubahan volume dengan melalui kuantitas Cp,Cv,dan
β
yang bisa diukur.
J. ALIRAN KUASI STATIK; TANDON KALOR
Ketika terjadi gaya tak berimbang maka akan di sertai dengan gejala seperti
turbulensi dan percpatan yang tidak bisa di selesaikan dengan menggunakan koordinat
termodinamika. Gejala turbulensi bisa terjadi juga ketika terdapat perbedaan
temperatur antara sistem dan linkungan akan tetapi selama terjadi proses kuasi statik
berlangsung maka perbedaab antara temperatur sistem an lingkugannya adalah
infinitesimal (dalam definisinya perkalian kecil yang tak terhingga akibat proses
perubahan yang sangat lambat). Sehingga untuk menghitung ketika sistem itu serba
14
sama diseluruh bagian dan perubahannya sangat lambat dapat digunakan koordinat
termodinamika secara keseluruhan sistem.
Sebagai contoh yaitu jika sepotong es dengan ukuran yang biasa dilemparkan
kedalam lautan, temperatur laut tidk akan turun. Dan sejumlah kalor berhingga yang
mengalir selama proses ini tidak akan menimbulkan perubahan yang berarti sehingga
tidak ada aliran biasa kalor keudara yang menimbulkan kenaikan temperatur udara.
Lautan dan udara luar pada contoh tersebut merupakan contoh hamparan 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 temperatur atau perubahan koordinat
termodinamika lainnya.
Suatu proses kuasi statik suatu sistem yang bersentuhan dengan suatu tandon
kalor maka dipertahankan supaya dalam keadaan isotermal.ketika sederatan tandon
bertemperatur ɵi hingga ɵf bersentuhan dengan sistem tekanan tetap dengan kapasitas
kalor Cp sehingga yang bersetuhan itu infinitesimal.
Maka untuk aliran kuasi statik dapat dihitung dengan:
Cp = (
dQ
) p
dθ
θf
Qp =
∫ Cp dθ
(ketika tejadi proses isobar kuasi statik)
θi
Ketika Cp tetap maka:
Qp = Cp ( θf −θi ¿
(1.12)
Dan untuk proses isovolum:
θf
Qv =
∫ Cv dθ
(1.13)
θi
Dan peninjauan serupa itu berlaku pada proses kuasi stasik lainnya.
K. PENGHANTARAN KALOR
15
Penghantaran kalor merupakan transpor energi antara elemen volum yang
ditimbulkan oleh perbedaan temperatur antar elemen tersebut.
Sepotong bahan berbentuk lempengan dengan tebal ∆x dan luas A .Salah satu
permukaannya dipertahankan pada temperatur θ dan yang lainnya dengan temperatur
θ+ ∆θ.Kalor Q yang mengalir tegak lurus permukaan selama waktu τ tertentu. Rumus
penghantaran kalor :
Suatu zat yang memiliki konduktivitas termal yang besar disebut penghantar
termal dan zat dengan harga K kecil disebut penyekat termal. Dalam kasus ini
menunjukkan bahwa K bergantung pada temperatur. Elemen volum bahan
penghantar konduktivitas termalnya bisa berbeda. Jika perbedaan temperatur antar
bagian zat kecil, maka harga K tetap pada seluruh zat.
L. KONDUKTIVITAS TERMAL
Konduktivitas termal merupakan suatu fenomena transport dimana perbedaan
temperatur menyebabkan transfer energi termal dari suatu daerah benda panas ke
daerah yang lain dari benda yang sama pada temperatur rendah. Dengan kata lain,
konduktivitas termal merupakan kemampuan suatu benda untuk memindahkan kalor
melalui benda tersebut. Rumus konduktivitas termal :
16
a. Benda yang diteliti logam (berbentuk batang)
Salah satu ujung batang di panaskan dengan dialiri arus listrik dan salah satu
ujung lainnya di dinginkan dengan dialiri air. Pada permukaan batang tersekat
termal dan kalor hilang melalui penyekat tersebut, kalor yang hilang dapat di
hitung dengan mengurangi laju kalor yang memasuki air dari laju energi yang
diberikan. Hampir semua logam , kalor yang hilang melalui permukaan batang
sangat kecil jika di bandingkan dengan kalor yang mengalir.
b. Benda yang di teliti bukan logam (berbentuk lempengan tipis)
17
Lempengan tipis diletakkan diantara dua balok tembaga yang salah satu
ujungnya dipanaskan dengan dialiri arus listrik dan ujung yang lain didinginkan
dengan dialiri air.Lempengan tipis dan balok tembaga bersentuhan termal. Laju
pemberian kalor sama dengan laju pemberian kalor oleh air, berarti hanya sedikit
kalor yang hilang melalui pinggirannya.
Konduktivitas termal besar merupakan penghantar kalor yang baik, sedangkan
konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk. Gas pada
umumnya merupakan penghantar kalo yang paling buruk. Pada tekanan di atas nilai
tertentu bergantung pada sifat gas dan dimensi bejana tempat gas tersebutdan
konduktivitas termalnya tidak bergantung pada tekanan.
M. KONVEKSI KALOR
Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan
dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Jika perpindahannya dikarenakan
perbedaan kerapatan karena perbedaan temperatur disebut konveksi alamiah. Jika
gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa dari luar contohnya dari pompa atau
kipas, maka disebut konveksi paksa.
Besarnya konveksi tergantung pada :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (ϴ).
c. Koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :
# viscositas fluida (kekentalan fluida)
# kecepatan fluida
# perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida
18
# kapasitas panas fluida
# rapat massa fluida
# bentuk permukaan kontak
Konveksi :
Q = h A ϴ
(1.14)
N. RADIASI TERMAL ; BENDA HITAM
Radiasi termal yaitu radiasi yang dipancarkan oleh zat padat, zat cair atau gas
menurut temperaturnya. benda akan memancarkan radiasi elektromagnetik jika
memiliki suhu tinggi. eksitansi radian adalah daya radiasi total yang dipancarkan
per-satuan luas benda tersebut (R.)
Radiasi termal
sebagian dipantulkan
(benda)
Isotropik
sebagian diserap
(absorbsi)
Sebagian diteruskan
Laju pemancaran radiasi termal (isotropik) dari benda bergantung pada
temperatur dan sifat permukaan benda.Fraksi ini disebut keserapan [absorbtivitas
(α)]. Benda hitan adalah suatu zat ideal (sistem) yang dapat menyerap semua radiasi
kalor yang mengenai benda atau sistem tersebut.
Jika suatu benda hitam ditunjukkan dengan tikalas B,maka αB =1 . Irradiansi
adalah energi radian yang jatuh per-satuan waktu per-satuan luas pada permukaan
dalam rongga (H). Karena temperatur benda hitam tetap, laju terserapnya energi
harus sama dengan laju terpancarnya, sehingga :
H = RB
(1.15)
Dimana : daya radian yang diserap per-satuan luas = αB H = H,
daya radian yang dipancarkan per-satuan luas = RB
19
Irradiansi dalam suatu rongga yang dindingnya bertemperatur
θ
sama
dengan eksitansi radian benda hitam pada temperature yang sama.Karna itu radiasi
dalam rongga disebut radiasi benda hitam. Karna H tidak bergantung pada bahan
yang membentuk dindingnya, maka eksitansi radian suatu benda hitam adalah fungsi
dari temperature saja.
O. HUKUM KIRCHOFF; KALOR TERADIASI
Pemancaran radiasi bukan benda hitam bergantung pada sifat permukaan
dengan hukum sederhananya yang dikenal sebagai Hukum Kirchoff:
“Andaikan benda bukan benda hitam pada temperatur
radian
R
dan keserapan
θ , dengan pemancaran
α , dimasukkan ke dalam rongga yang dinding
dalamnya bertemperatur sama dengan irradiansi
H . Jadi,
Daya radian yang diserap per satuan luas = αH , dan
Daya radian yang dipancarkan per satuan luas =
R .
Karena benda itu dalam kesetimbangan,
R=αH
Menurut persamaan (1.15),
H=R B ; sehingga
R=α RB
(1.16)
Atau eksitansi radian setiap benda pada setiap temperatur sama dengan fraksi
eksitasi radian benda hitam pada temperatur itu, fraksi ini sama dengan keserapan
pada temperatur itu. (Zemansky dan Dittman, 1986)
Hukum Kirchhoff memiliki kesimpulan bahwa keserapan tidak bisa
melebihi jumlah energi yang diserap (berdasarkan hukum kekekalan energi), sehingga
tidak mungkin suatu benda memancarkan energi radiasi yang lebih besar
dibandingkan benda hitam sempurna pada kesetimbangan.
R
=α
RB
Harga keserapan untuk berbagai permukaan yang diukur dengan cara ini
diberikan dalam tabel 4.3.
20
Hubungan dengan kalor adalah mengacu pada definisi kalor sebelumya, karena
pertambahan atau kehilangan energi melalui radiasi dan penyerapan hanya terjadi jika
ada perbedaan temperatur antara benda dan lingkungannya sehingga terjadi
pemindahan kalor. Apabila mempunyai kesamaan temperatur maka tidak ada
pemindahan kalor atau tidak ada pertambahan atau pengurangan energi internal benda
atau lingkungannya.
Tabel 4.3 Keserapan hampiran berbagai permukaan menurut data yang dikumpulkan
oleh Hottel
Bahan
Logam terupam:
Selang temperatur, ℃
Keserapan
Aluminium
250-600
0,039-0,057
Kuningan
250-400
0,033-0,037
Kromium
50-550
0,8-0,26
Tembaga
100
0,018
Besi
150-1000
0,05-0,37
Nikel
20-350
0,045-0,087
Seng
250-350
0,045-0,053
Molibdenum
750-2600
0,096-0,29
Platina
30-1200
0,036-0,19
Tentalium
1300-3000
0,19-0,31
Tungsten
30-3000
0,032-0,35
40-350
0,93-0,95
0
0,97
Jelaga
20-350
0,95
Karet
25
0,86
Filamen:
Bahan lain:
Asbes
Es (basah)
P. HUKUM STEFAN-BOLTZMAN
Hukum Stefan-Boltzman menjelaskan tentang radiasi termal. Besarnya radiasi
termal dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:
21
Suhu
semakin tinggi suhu suatu benda maka radiasi yang dipancarkan juga akan samakin
besar.
Luas permukaan
semakin besar luas permukaan suatu benda maka radiasi termal yang dipancarkan
juga akan semakin banyak.
Sifat permukaan
Sifat permukaan sangat berpengaruh terhadap pancaran radiasi termal, permukaan
benda yang kasar akan lebih banyak memancarkan radiasi termal daripada benda
dengan permukaan halus atau licin.
Jenis material
Jenis material antara satu benda dengan benda lain berbeda-beda. Benda yang
memiliki material yang bagus akan memancarkan radiasi termal yang lebih banyak
pula.
Pada tahun 1879 Stefan mengemukakan bahwa kalor yang diradiasi berbanding
lurus dengan pangkat empat dari perbedaan temperatur mutlak. Kemudian diturunkan
secara termodinamis oleh Boltzman yang menyatakan bahwa pemancaran radiasi
suatu benda hitam pada sembarang temperatur θ yaitu sama dengan :
RB ( θ )=σ θ
4
Yang kemudian dikenal dengan Hukum Stefan-Boltzman, dengan σ
(1.17)
adalah tetapan
Stefan-Boltzman.
22
BAB III
PENUTUP
A. KESIMPULAN
1. Kalor adalah perpindahan energi dari satu benda ke benda lain karena adanya
perbedaan temperatur
2. Hukum Pertama Termodinamika berbunyi “Kenaikan energi internal dari suatu
sistem termodinamika sebanding dengan energi panas yang ditambahkan ke dalam
sistem
dikurangi
dengan
kerja
yang
dilakukan
oleh
sistem
terhadap
lingkungannya”
dU = dQ – dW
Keterangan:
Q bernilai positif apabila energi masuk ke dalam sistem
Q bernilai negatif apabila energi keluar dari sistem
W bernilai positif apabila memerluka kerja
W bernilai negatif apabila melakukan kerja
B. SARAN
23
KALOR DAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Disusun sebagai salah satu tugas mata kuliah Termodinamika
Dosen Pengampu : Atsnaita Yasrina, M.Sc
Disusun Oleh :
Puri Arya Puspita
Fisika
13620005
Juraidah
Fisika
13620010
Lathifa Hanun I.
Fisika
13620020
Adik Merisa
Fisika
13620022
Fitroh Merkuri W.
Fisika
13620023
Dwi Aryani
Fisika
13620039
Syafa’atun Zidni
Fisika
13620031
KEMENTERIAN AGAMA
UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SUNAN KALIJAGA YOGYAKARTA
FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI
2014
1
BAB I
PENDAHULUAN
A. LATAR BELAKANG
Termodinamika adalah salah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan
hukum-hukum pergerakan panas dan perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk
energi yang lain. Istilah termodinamika diturunkan dari bahasa Yunani Therme (panas)
dan dynamis (gaya). Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua prinsip dasar yang aslinya
diturunkan dari eksperimen, tetapi kini dianggap sebagai sebagai suatu pernyataan
yang diterima kebenarannya dan bersifat umum, tanpa memerlukan pembuktian.
Prinsip pertama 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 lebih panas tanpa adanya perubahan dikedua
benda tersebut.
B. TUJUAN
1. Mengetahui definisi dari kalor.
2. Mengetahui tentang Hukum Pertama Termodinamika
2
BAB II
PEMBAHASAN
A. KERJA DAN KALOR
KERJA :
-
pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan selain dalam bentuk kalor.
-
Perpindahan energi dari suatu benda ke benda lain tanpa terikat dengan
perbedaan temperatur.
-
“usaha yang dilakukan oleh sebuah sistem bukan hanya tergantug pada
keadaan awal dan akhir, tetapi juga tergantung pada proses perantara antara
keadaan awal dan keadaan akhir”
Misalkan ada sebuah piston, mula – mula gas ideal menempati ruang
dengan volume V dan tekanan P. Kemudian gas mengalami pemuaian secara
perlahan sehingga setiap saat terjadi kesetimbangan (proses kuasistatik).
KALOR :
-
Perpindahan energi dari suatu benda ke benda lain karena adanya perbedaan
temperatur.
-
Kalor bukanlah suatu jenis energi, melainkan energi yang berpindah.
Pada abad ke 19, James Prescott Joule (1818-1889) melakukan sebuah percobaan.
3
Jika beban di kenakan gaya ke bawah. Maka pengaduk akan berputar karena
adanya tali yang terhubung dengan katrol. Ketika pengaduk berputar, pengaduk
melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja/usaha yang dilakukan oleh
pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja/usaha yang dilakukan oleh
gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh. Ketika pengaduk melakukan
kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air. Karenanya kita bisa
mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan
dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak
energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar
kenaikan suhu air (air semakin panas).
Ketika berputar dalam air, pengaduk melakukan kerja/usaha pada air
sehingga energi pengaduk dipindahkan ke air. Adanya tambahan energi dari
pengaduk ini yang membuat suhu air meningkat.
Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Kalori adalah jumlah kalor yang
diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air sebesar 1 C o (Tepatnya dari 14,5 oC
menjadi 15,5 oC). Jumlah kalor yang diperlukan berbeda-beda untuk suhu air yang
berbeda. Untuk jumlah kalor yang sama, kenaikan suhu air sebesar 1 oC hanya
terjadi antara suhu 14,5 oC sampai 15,5 oC. Satuan kalor yang sering digunakan,
terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal =
1000 kalori. Nama lain dari 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar).
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.
4
B. KERJA DIABATIK
PROSES ADIABATIK :
-
Proses yang muncul tanpa perpindahan panas dan massa antara sistem dengan
lingkungan.
(gambar a)
Menunjukkan kerja adiabatik, pada proses ini terjadi kesetimbangan karena fluida
mengalami pemuaian dengan proses kuasistatik ( pemuaian secara perlahan namun
tetap terjadi kesetimbangan).
(gambar b)
5
Menunjukkan aliran kalor saja (tanpa kerja). Terdapat cairan dan uap dalam suatu
sistem. Dengan menggunakan bunsen dan cairan akan mengalami penguapan dan
kenaikan temperatur.
(gamabar c)
Menunjukkan kerja dan kalor. Sama seperti kerja adiabatik, tetapi ini menggunakan
bunsen. Sehingga terjadi kenaikan temperatur.
C. FUNGSI ENERGI INTERNAL
Fungsi energi internal atau energi dalam (U) merupakan fungsi keadaan suatu
sistem. Perubahan energi dalam suatu sistem akan meningkat sebanding dengan
jumlah kalor yang ditambahkan pada suatu sistem. Banyaknya fungsi koordinat
termodinamik (P,V, θ ) sama dengan energi yang diperlukan untuk melakukan
keadaan suatu sistem. Jadi energi internal dapat dikatakan sebagai fungsi dari dua
koordinat termodinamika.
Misalnya di dalam sistem termodinamika, terdapat tiga fungsi koordinat
termodinamika P, V, . Apabila diukur maka akan ada satu variable yang kehilangan
kebebasannya. Jadi pengukuran hanya ditentukan oleh dua koordinat saja, sehingga
yang ketiga itu ditentukan oleh persamaan keadaan. Contohnya, ketika mengukur nilai
V dengan P dan θ
nilainya sembarang. Maka V merupakan variable terikat,
sedangkan P dan T variable bebas.
Apabila koordinat yang dipakai untuk menghitung kedua keadaan hanya berbeda
infinitesimal, maka perubahan energi dalamnya adalah dU. Infinitesimal yaitu
perubahan keadaan yang sangat kecil sehingga tidak boleh diukur.
Di ambil contoh kasus pada sistem hidrostatik. Dalam sistem hidrostatik, jika U
dipandang sebagai fungsi θ dan V, maka:
( ∂∂θU ) dθ+( ∂∂VU ) dV
dU =
v
(1.1)
θ
Tetapi jika U sebagai fungsi θ dan P, maka:
6
( ∂∂θU ) dθ+( ∂∂UP ) dP
dU =
P
θ
Dimana:
=fungsi dari θ dan V
( ∂U
∂θ )
v
=fungsi dariθ dan P
( ∂U
∂θ )
P
D. PERUMUSAN MATEMATIS HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Untuk menyatakan atau menganalisis perubahan keadaan pada kasus perumusan
matematis pada hukum pertama termodinamika dapat dilakukan dua percobaan yang
berbeda, yaitu perubahan keadaan dengan proses adiabatik dan non adiabatik dengan
sistem yang sama.
Proses adiabatik yaitu suatu proses perubahan energi yang terjadi tanpa adanya
perpindahan kalor antara sistem dengan lingkungan. Sedangkan proses non adiabatik
yaitu suatu proses perubahan energi yang memungkinkan adanya pertukaran energi
antara sistem dengan lingkungan.
Pada proses adiabatik, besar kerja adiabatik yang diperlukan untuk mengubah
keadaan sistem yaitu U f −U i . Tetapi pada proses non adiabatik besarnya kerja yang
dilakukan yaitu tidak sama dengan
U f −U i . Sesuai dengan hukum kekekalan
energi, bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan tetapi energi
hanya dapat diubah dari satu bentuk energi ke bentuk yang lain. Jadi dapat
disimpulkan bahwa pada proses non adiabatik energinya telah dipindahkan dengan
cara yang lain dari pelaksanaan kerja. Energi yang dimaksud disini adalah sama
dengan kalor, yaitu “apabila suatu sistem, yang lingkungannya bertemperatur
berbeda dan kerja bisa dilakukan padanya, mengalami suatu proses, maka energy
yang dipindahkan dengan cara nonmekanis yang sama dengan perbedaan antara
perubahan energy internal dan kerja yang dilakukan” (Zemansky, 1986).
7
Hukum pertama Termodinamika mengatakan bahwa “kenaikan energi internal
dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan energi panas yang ditambahkan ke
dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap
lingkungannya.”
dU =dQ−dW
(1.2)
Dimana:
dU = energi internal
dQ = energi yang ditambahkan ke sistem
dW = kerja yang dilakukan oleh sistem
Q positif = energi masuk ke dalam sistem
Q negatif = energi keluar dari sistem
W positif = memerlukan usaha
W negatif = melakukan usaha
Dalam perumusan matematis hukum pertama termodinamika mencoba
menjelaskan definisi kalor sebagai energi dalam perpindahan yang ditimbulkan oleh
perbedaan temperature. Pembuktian kalor adalah berhasil dibuktikan oleh Joule pada
selang tahun antara 1840-1849 dengan berbagai percobaan yang dilakukannya.
E. KONSEP KALOR
Kalor merupakan perpindahan energi internal dari suau sistem ke sistem lain
karena adanya perbedaan suhu, dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.
Perpindahan energi tersebut tidak dapat diketahui prosesnya, namun diketahui laju
aliran Q́ yang merupakan fungsi waktu
t2
Q=∫ Q́ dt
(1.3)
t1
dapat diketahui bila t1 – t2 telah berlalau dan setah aliran berhenti.
Q bukan merupakan fungsi koordinat termodinamik tetapi bergantug pda lintasan
yang dilalauui sistem dari keadaan awal ke keadaan akhir.
8
Sistem A dalam sentuhan termal sistem B yang kedua sistem tersebut dilindungi
dinding adiabat.
Untuk sistem A:
U f −U i=Q+W
Untuk sistem B:
U 'f −U i '=Q’ +W ’
Dengan menjumlahkannya didapat
'
(U f – U i) – (U f −U i ’)=Q+Q ’ +W +W ’
(U f +U 'i )−(U i+U 'i)
merupakan energi sistem gabungan dan W +W ’ merupakan
kerja yang dilakukan oleh sistem gabungan, maka
Q+Q'
adalah kalor yang
dipindahkan oleh sistem gabuangan. Karena sistem dilindungi dinding adiabat,
'
Q+Q =0
Q=−Q '
Dalam kondisi adiabat kalor yang dibuang sistem A sama dengan kalor yang diterima
sistem B.
F. BENTUK DIFFERENSIAL HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Proses infinitesimal adalah suatu proses yang menyangkut peubahan
infinitesimal dari koordinat termodinamik. Maka hukum pertama termodinamika
dalam proses tersebut menjadi
dU =đQ+dW
(1.4)
Proses infinitesimal kuasa-statik merupakan proses yang sistemnya berpindah dari
keadaan setimbang awal ke keadaan serimbang berikutnya.
Untuk proses kuasa statik infinitesimal dari suatu sistem hidrostatik hukum pertama
menjadi
dU =đQ−P dV
(1.5)
9
Misal, dalam kasus sistem gabungan yang terdiri atas dua bagian hidrostatik
yang dipisahkam oleh dinding diaterm nilai dQ
dapat diungkapkan sebagai berikut
đQ=dU + PdV + P ' dV ’
(1.6)
dinding diaterm adalah dinding pemisah yang menyebabakan adanya interaksi
dari sistem-sistem yang bersentuhan.
Ruas kanan pada persamaan (1.5) dan (1.6) dikenal dengan bentuk differensial
Pfaff. Ruas kiri dalam persamaaan (1.5) dan (1.6) menggambarkan sejumlah
infinitesimal kalor
đQ
dan transfer kalor bergantung pada lintasan maka
đQ
adalah differensial taksaksama dan bentuk differensial Pfaff adalah differensial
taksaksama. Differensial taksaksama dapat dibuat saksama dengan mengalikannya
dengan faktor integrasi. Pada umumnya bentuk differensial Pfaff yang mengandung
tiga differensial tidak memperbolehkan adanya faktor integrasi, tetapi karena adanya
hukum alam yang baru (hukum kedua termodinamika) maka bentuk differensial Pfaff
yang menggambarkan
dQ
mempunyai faktor integrasi. Faktor integrasi
dQ
yang didapatkan untuk sistem dengan peubah bebas yang bnyaknya sekehendak
merupakan fungsi sembarang dari temperatur empris saja dan sama untuk segala
sistem.
G. KAPASITAS KALOR DAN PENGUKURANNYA
Suatu sistem yang menyerap kalor, tidak selalu akan mengalami perubahan
temperatur. Kapasitas kalor atau kapasitas panas (biasanya dilambangkan dengan
kapital C) adalah besaran terukur yang menggambarkan banyaknya kalor Q yang
diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat (benda) dari θf
ke θi
sebesar jumlah
tertentu. Kapasitas kalor didefinisikan sebagai:
C=
ðQ
dθ
(1.7)
Pada umumnya kapasitas panas C berubah dengan suhu
θ , jadi C adalah fungsi
θ , sehingga:
Kapasitas kalor rata-rata =
Q
θ f −θi
10
Kapasitas panas merupakan kuantitas ekstensif (berbanding lurus dengan
massa) agar mudah dalam pengoperasiannya, kita bagi dengan massa sehingga
menjadi ‘per satuan massa’ yang berarti kuantitas spesifik. Kapasitas kalor spesifik
diukur dalam J/kg.K atau kJ/kg.K.
Apabila C menyatakan kapasitas kalor dari n mol zat, maka kapasitor kalor molar atau
panas jenis c ialah:
C 1 ðQ
c= =
n n dθ
c diukur dalam J/mol.K atau kJ/mol.K.
Dengan n adalah banyaknya mol, yaitu:
n=
massa total
m
Dengan
m
adalah massa molar atau massa satu mol atom yang bergantung pada
bilangan Avogadro
NA
sebesar 6,023 X 1023 partikel/mol. Besarnya kita dapatkan:
¿m NA
m
Dengan 1 kalori = 4,1858 J.
Panas yang masuk atau keluar dari sistem adalah:
θ2
θ2
Q=∫ C dθ=n∫ c dθ
θ1
(1.8)
θ1
Karena C maupun c tidak konstan, melainkan fungsi waktu sehingga tidak boleh
dikeluarkan dari tanda integral. Jadi C maupun c dapat dikeluarkan apabila telah
memenuhi nilai konstan atau dianggap konstan.
Penyerapan panas dapat melalui berbagai proses yang menyebabkan kapasitas
kalor dapat bernilai positif, negatif, nol ataupun tak terhingga. Banyaknya panas yang
diserap berbeda untuk proses yang berbeda. Sehingga, setiap sistem sederhana
memiliki kapasitas kalornya tersendiri. Sebagai contoh, dalam hal sistem hidrostatik
hasil bagi
ðQ
dθ
memiliki harga tetap apabila tekanan atau volume dijaga tetap.
( ðQdθ )
Kapasitas kalor pada tekanantetap c P =
(1.9)
P
11
( ðQdθ )
Kapasitas kalor pada volume tetap c V =
(1.10)
V
Tabel 4.2 Kapasitas kalor sistem sederhana
Sistem
Hidrostatik
Kapasitas Kalor
Pada tekanan tetap
Lambang
CP
Linear
Pada volume tetap
Pada gaya tegang tetap
CV
CI
Permukaan
Pada panjang tetap
Pada tegangan permukaan tetap
CL
Cγ
Listrik
Pada luas tetap
Pada elektromotansi tetap
CA
CZ
Dielektrik
Pada muatan tetap
Pada medan listrik tetap
Cε
CE
Magnetik
Pada polarisasi tetap
Pada medan magnetik tetap
Cn
CH
Pada magnetisasi tetap
CM
H. KAPASITAS KALOR AIR (KALORI)
Kalori merupakan satuan kalor yang didefinisikan sebagai banyaknya kalor
yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1g air sebesar 1 derajat celcius. Namun
setelah dilakukan pengukuran lebih tepat dan koreksi lebih teliti didapatkan kalor yang
diperlukan untuk mengubah 1g air dari 0 ℃
apabila mengubah dari 30 ℃
menjadi 1 ℃
ternyata berbeda
menjadi 31 ℃ . Sehingga lebih tepatnya, kalori
didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur
1g air dari 14,5 ℃ menjadi 15,5 ℃ (kalori 15-derajat). Dalam mengukur jumlah
kalor yang dipindahkan antara suatu sistem dengan sejumlah air hanya dibutuhkan dua
pengukuran yaitu massa air dan perubahan temperatur.
Jumlah kerja yang diperlukan dalam air per satuan massa air dari temperatur
14,5 ℃ menjadi 15,5 ℃ disebut kesetaraan mekanis kalor, yang bernilai 4,1860
J/kal. Namun banyak fisikawan dan kimiawan yang telah menyingkirkan kalori dan
semua kuantitas termal dinyatakan dalam joule. Tidak ada kesetaraan mekanis kalor,
12
yang ada hanyalah kalor spesifik air dinyatakan dalan kJ/kg.K dengan variasi
temperatur berkisar antara 0 ℃ hingga 100 ℃ seperti pada gambar 4-6.
I.
PERSAMAAN UNTUK SISTEM HIDROSTATIK
Rumusan matematis hukum pertama untuk sistem hidrostatik adalah:
dQ = dU + P dV
(1.11)
dengan U fungsi dua perubah diantara P,V,dan ϴ,dengan memilih ϴ dan V sebagai
variabel bebas maka didapatkan :
dU =
∂U
∂V
∂U
v dθ+¿
∂θ
( )
) θ dV
sehingga:
dQ =
∂U
∂V
¿
∂U
v dθ+¿
∂θ
( )
) θ+ P ¿ dV (dengan membagi dengan d θ )
karena berlaku pada segala perubahan temperatu dan volume (d θ dan dV ¿
sehingga:
13
dQ ∂ U
∂U
dV
=
v +[(
)θ + P]
dθ
∂θ
∂θ
dθ
( )
Ketika terjadi beberapa kondisi yaitu:
a. Jika V tetap, dV=0 maka persamaan diatas berlaku:
( dQdθ ) v =( ∂∂Uθ ) v
Sedangkan kapasitas kalor pada volume tetap Cv; sehingga:
Cv=(
∂U
¿v
∂θ
( dQdθ ) v
dengan mengingat bahwa
adalah sama dengan
kapasitas kalor.
b. Jika P tetap maka persamaannya berubah menjadi :
∂U
∂V
v+ (
θ+ P (
p→
( dQdθ ) p=( ∂U
)
)
[
]
∂θ
∂θ
∂θ )
berdasarkan persamaan awal pada
sistem hidrostatik.
Sehingga menurut definisinya :
( dQdθ ) p=Cp
Cp=Cv+
[( ) ]
dan
(
∂V
¿ p=β
∂θ
∂U
∂U
Cp−Cv
θ+ P Vβ atau
θ=
∂θ
∂θ
Vβ
( )
–P
Persamaan diatas berlaku ketika menghubungkan besar perubahan energi terhadap
perubahan volume dengan melalui kuantitas Cp,Cv,dan
β
yang bisa diukur.
J. ALIRAN KUASI STATIK; TANDON KALOR
Ketika terjadi gaya tak berimbang maka akan di sertai dengan gejala seperti
turbulensi dan percpatan yang tidak bisa di selesaikan dengan menggunakan koordinat
termodinamika. Gejala turbulensi bisa terjadi juga ketika terdapat perbedaan
temperatur antara sistem dan linkungan akan tetapi selama terjadi proses kuasi statik
berlangsung maka perbedaab antara temperatur sistem an lingkugannya adalah
infinitesimal (dalam definisinya perkalian kecil yang tak terhingga akibat proses
perubahan yang sangat lambat). Sehingga untuk menghitung ketika sistem itu serba
14
sama diseluruh bagian dan perubahannya sangat lambat dapat digunakan koordinat
termodinamika secara keseluruhan sistem.
Sebagai contoh yaitu jika sepotong es dengan ukuran yang biasa dilemparkan
kedalam lautan, temperatur laut tidk akan turun. Dan sejumlah kalor berhingga yang
mengalir selama proses ini tidak akan menimbulkan perubahan yang berarti sehingga
tidak ada aliran biasa kalor keudara yang menimbulkan kenaikan temperatur udara.
Lautan dan udara luar pada contoh tersebut merupakan contoh hamparan 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 temperatur atau perubahan koordinat
termodinamika lainnya.
Suatu proses kuasi statik suatu sistem yang bersentuhan dengan suatu tandon
kalor maka dipertahankan supaya dalam keadaan isotermal.ketika sederatan tandon
bertemperatur ɵi hingga ɵf bersentuhan dengan sistem tekanan tetap dengan kapasitas
kalor Cp sehingga yang bersetuhan itu infinitesimal.
Maka untuk aliran kuasi statik dapat dihitung dengan:
Cp = (
dQ
) p
dθ
θf
Qp =
∫ Cp dθ
(ketika tejadi proses isobar kuasi statik)
θi
Ketika Cp tetap maka:
Qp = Cp ( θf −θi ¿
(1.12)
Dan untuk proses isovolum:
θf
Qv =
∫ Cv dθ
(1.13)
θi
Dan peninjauan serupa itu berlaku pada proses kuasi stasik lainnya.
K. PENGHANTARAN KALOR
15
Penghantaran kalor merupakan transpor energi antara elemen volum yang
ditimbulkan oleh perbedaan temperatur antar elemen tersebut.
Sepotong bahan berbentuk lempengan dengan tebal ∆x dan luas A .Salah satu
permukaannya dipertahankan pada temperatur θ dan yang lainnya dengan temperatur
θ+ ∆θ.Kalor Q yang mengalir tegak lurus permukaan selama waktu τ tertentu. Rumus
penghantaran kalor :
Suatu zat yang memiliki konduktivitas termal yang besar disebut penghantar
termal dan zat dengan harga K kecil disebut penyekat termal. Dalam kasus ini
menunjukkan bahwa K bergantung pada temperatur. Elemen volum bahan
penghantar konduktivitas termalnya bisa berbeda. Jika perbedaan temperatur antar
bagian zat kecil, maka harga K tetap pada seluruh zat.
L. KONDUKTIVITAS TERMAL
Konduktivitas termal merupakan suatu fenomena transport dimana perbedaan
temperatur menyebabkan transfer energi termal dari suatu daerah benda panas ke
daerah yang lain dari benda yang sama pada temperatur rendah. Dengan kata lain,
konduktivitas termal merupakan kemampuan suatu benda untuk memindahkan kalor
melalui benda tersebut. Rumus konduktivitas termal :
16
a. Benda yang diteliti logam (berbentuk batang)
Salah satu ujung batang di panaskan dengan dialiri arus listrik dan salah satu
ujung lainnya di dinginkan dengan dialiri air. Pada permukaan batang tersekat
termal dan kalor hilang melalui penyekat tersebut, kalor yang hilang dapat di
hitung dengan mengurangi laju kalor yang memasuki air dari laju energi yang
diberikan. Hampir semua logam , kalor yang hilang melalui permukaan batang
sangat kecil jika di bandingkan dengan kalor yang mengalir.
b. Benda yang di teliti bukan logam (berbentuk lempengan tipis)
17
Lempengan tipis diletakkan diantara dua balok tembaga yang salah satu
ujungnya dipanaskan dengan dialiri arus listrik dan ujung yang lain didinginkan
dengan dialiri air.Lempengan tipis dan balok tembaga bersentuhan termal. Laju
pemberian kalor sama dengan laju pemberian kalor oleh air, berarti hanya sedikit
kalor yang hilang melalui pinggirannya.
Konduktivitas termal besar merupakan penghantar kalor yang baik, sedangkan
konduktivitas termal kecil merupakan penghantar kalor yang buruk. Gas pada
umumnya merupakan penghantar kalo yang paling buruk. Pada tekanan di atas nilai
tertentu bergantung pada sifat gas dan dimensi bejana tempat gas tersebutdan
konduktivitas termalnya tidak bergantung pada tekanan.
M. KONVEKSI KALOR
Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan
dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Jika perpindahannya dikarenakan
perbedaan kerapatan karena perbedaan temperatur disebut konveksi alamiah. Jika
gerakan fluida disebabkan oleh gaya pemaksa dari luar contohnya dari pompa atau
kipas, maka disebut konveksi paksa.
Besarnya konveksi tergantung pada :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (ϴ).
c. Koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :
# viscositas fluida (kekentalan fluida)
# kecepatan fluida
# perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida
18
# kapasitas panas fluida
# rapat massa fluida
# bentuk permukaan kontak
Konveksi :
Q = h A ϴ
(1.14)
N. RADIASI TERMAL ; BENDA HITAM
Radiasi termal yaitu radiasi yang dipancarkan oleh zat padat, zat cair atau gas
menurut temperaturnya. benda akan memancarkan radiasi elektromagnetik jika
memiliki suhu tinggi. eksitansi radian adalah daya radiasi total yang dipancarkan
per-satuan luas benda tersebut (R.)
Radiasi termal
sebagian dipantulkan
(benda)
Isotropik
sebagian diserap
(absorbsi)
Sebagian diteruskan
Laju pemancaran radiasi termal (isotropik) dari benda bergantung pada
temperatur dan sifat permukaan benda.Fraksi ini disebut keserapan [absorbtivitas
(α)]. Benda hitan adalah suatu zat ideal (sistem) yang dapat menyerap semua radiasi
kalor yang mengenai benda atau sistem tersebut.
Jika suatu benda hitam ditunjukkan dengan tikalas B,maka αB =1 . Irradiansi
adalah energi radian yang jatuh per-satuan waktu per-satuan luas pada permukaan
dalam rongga (H). Karena temperatur benda hitam tetap, laju terserapnya energi
harus sama dengan laju terpancarnya, sehingga :
H = RB
(1.15)
Dimana : daya radian yang diserap per-satuan luas = αB H = H,
daya radian yang dipancarkan per-satuan luas = RB
19
Irradiansi dalam suatu rongga yang dindingnya bertemperatur
θ
sama
dengan eksitansi radian benda hitam pada temperature yang sama.Karna itu radiasi
dalam rongga disebut radiasi benda hitam. Karna H tidak bergantung pada bahan
yang membentuk dindingnya, maka eksitansi radian suatu benda hitam adalah fungsi
dari temperature saja.
O. HUKUM KIRCHOFF; KALOR TERADIASI
Pemancaran radiasi bukan benda hitam bergantung pada sifat permukaan
dengan hukum sederhananya yang dikenal sebagai Hukum Kirchoff:
“Andaikan benda bukan benda hitam pada temperatur
radian
R
dan keserapan
θ , dengan pemancaran
α , dimasukkan ke dalam rongga yang dinding
dalamnya bertemperatur sama dengan irradiansi
H . Jadi,
Daya radian yang diserap per satuan luas = αH , dan
Daya radian yang dipancarkan per satuan luas =
R .
Karena benda itu dalam kesetimbangan,
R=αH
Menurut persamaan (1.15),
H=R B ; sehingga
R=α RB
(1.16)
Atau eksitansi radian setiap benda pada setiap temperatur sama dengan fraksi
eksitasi radian benda hitam pada temperatur itu, fraksi ini sama dengan keserapan
pada temperatur itu. (Zemansky dan Dittman, 1986)
Hukum Kirchhoff memiliki kesimpulan bahwa keserapan tidak bisa
melebihi jumlah energi yang diserap (berdasarkan hukum kekekalan energi), sehingga
tidak mungkin suatu benda memancarkan energi radiasi yang lebih besar
dibandingkan benda hitam sempurna pada kesetimbangan.
R
=α
RB
Harga keserapan untuk berbagai permukaan yang diukur dengan cara ini
diberikan dalam tabel 4.3.
20
Hubungan dengan kalor adalah mengacu pada definisi kalor sebelumya, karena
pertambahan atau kehilangan energi melalui radiasi dan penyerapan hanya terjadi jika
ada perbedaan temperatur antara benda dan lingkungannya sehingga terjadi
pemindahan kalor. Apabila mempunyai kesamaan temperatur maka tidak ada
pemindahan kalor atau tidak ada pertambahan atau pengurangan energi internal benda
atau lingkungannya.
Tabel 4.3 Keserapan hampiran berbagai permukaan menurut data yang dikumpulkan
oleh Hottel
Bahan
Logam terupam:
Selang temperatur, ℃
Keserapan
Aluminium
250-600
0,039-0,057
Kuningan
250-400
0,033-0,037
Kromium
50-550
0,8-0,26
Tembaga
100
0,018
Besi
150-1000
0,05-0,37
Nikel
20-350
0,045-0,087
Seng
250-350
0,045-0,053
Molibdenum
750-2600
0,096-0,29
Platina
30-1200
0,036-0,19
Tentalium
1300-3000
0,19-0,31
Tungsten
30-3000
0,032-0,35
40-350
0,93-0,95
0
0,97
Jelaga
20-350
0,95
Karet
25
0,86
Filamen:
Bahan lain:
Asbes
Es (basah)
P. HUKUM STEFAN-BOLTZMAN
Hukum Stefan-Boltzman menjelaskan tentang radiasi termal. Besarnya radiasi
termal dipengaruhi oleh beberapa faktor, yaitu:
21
Suhu
semakin tinggi suhu suatu benda maka radiasi yang dipancarkan juga akan samakin
besar.
Luas permukaan
semakin besar luas permukaan suatu benda maka radiasi termal yang dipancarkan
juga akan semakin banyak.
Sifat permukaan
Sifat permukaan sangat berpengaruh terhadap pancaran radiasi termal, permukaan
benda yang kasar akan lebih banyak memancarkan radiasi termal daripada benda
dengan permukaan halus atau licin.
Jenis material
Jenis material antara satu benda dengan benda lain berbeda-beda. Benda yang
memiliki material yang bagus akan memancarkan radiasi termal yang lebih banyak
pula.
Pada tahun 1879 Stefan mengemukakan bahwa kalor yang diradiasi berbanding
lurus dengan pangkat empat dari perbedaan temperatur mutlak. Kemudian diturunkan
secara termodinamis oleh Boltzman yang menyatakan bahwa pemancaran radiasi
suatu benda hitam pada sembarang temperatur θ yaitu sama dengan :
RB ( θ )=σ θ
4
Yang kemudian dikenal dengan Hukum Stefan-Boltzman, dengan σ
(1.17)
adalah tetapan
Stefan-Boltzman.
22
BAB III
PENUTUP
A. KESIMPULAN
1. Kalor adalah perpindahan energi dari satu benda ke benda lain karena adanya
perbedaan temperatur
2. Hukum Pertama Termodinamika berbunyi “Kenaikan energi internal dari suatu
sistem termodinamika sebanding dengan energi panas yang ditambahkan ke dalam
sistem
dikurangi
dengan
kerja
yang
dilakukan
oleh
sistem
terhadap
lingkungannya”
dU = dQ – dW
Keterangan:
Q bernilai positif apabila energi masuk ke dalam sistem
Q bernilai negatif apabila energi keluar dari sistem
W bernilai positif apabila memerluka kerja
W bernilai negatif apabila melakukan kerja
B. SARAN
23