Sistem Termodinamika

Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan. Contohnya adalah pada saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang dimaksud dengan sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut sedangkan lingkungannya adalah bejana itu sendiri.

Jenis-jenis sistem

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu :

1)   Sistem terbuka

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume. 

Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah

a  Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem

b  Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.

2)   Sistem tertutup

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. 

Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, apabila panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan menyebabkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut control mass.

Suatu sistem dapat mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

§  Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

§  Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat). 

3)   Sistem terisolasi

Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis koordinat sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai koordinat yang tetap. Apabila koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium). 

Read More

Video: Hidrolik Sederhana

Read More

Video: The Bubble's Propeller

Read More

Hukum Ketiga Termodinamika

Hukum Termodinamika Ketiga menyatakan bahwa:

"pada suhu 0 K (-273 C) sistem ada dalam kondisi diam atau statis. Kondisi suhu lingkungan kita, anggap saja suhu ruang (25 C- 298 K) berada pada suhu yang tidak memungkinkan sistem untuk diam. Muncul lah Entropi."

Entropi merupakan derajat ketidakteraturan sistem. Dimana, semakin tidakteraturnya sistem, maka entropinya semakin besar. Dalam kondisi suhu lingkungan tadi, kita diminta alam untuk terus bergerak. Maka diam, menimbulkan kematian, is’nt right? Karena jika ingin diam, tinggallah di lingkungan dengan suhu 0 K (-273 C). Ya, kematian lah yang menjemput.

Namun, ingat ketidakteraturan pun akan mengantarkan kita pada sesuatu yang “tidak baik”, maka perhatikan gerak kita. Buatlah gerak yang lebih berirama, gerak yang lebih terarah, sehingga entropi yang terjadi dapat minimal. Tidak terjadi tabrak menabrak hingga timbul korban.

Berdasarkan persamaan  perubahan entropi suatu zat dapat mencapai nilai absolutnya pada suhu tertentu, sehingga pengukuran perubahan entropi dari satu suhu tersebut ke suhu lainnya.

Hukum ketiga termodinamika memberikan dasar untuk menetapkan entropi absolut suatu zat, yaitu entropi setiap kristal sempurna adalah nol pada suhu nol absolut atau nol derajat Kelvin (K). Pada keadaan ini setiap atom pada posisi yang pasti dan memiliki energi dalam terendah.

Entropi dan energi bebas Gibbs juga merupakan fungsi keadaan sehingga kedua besaran ini memiliki nilai pada keadaan standart, seperti halnya dengan entalphi. Hasil pengukuran standart untuk entropi dan Energi bebas Gibbs juga dilakukan pada keadaan 25oC dan dengan tekanan 1 atm.

Energi bebas Gibbs pembentukan standart memiliki arti perubahan energi bebas yang menyertai reaksi pembentukan satu mol senyawa dari unsur-unsur penyusunnya. Demikian pula untuk entropi standar yang dapat dipergunakan untuk menentukan entropi reaksi sebagai harga pembandingnya. Entropi dan Energi bebas Gibbs standar pembentukan, disajikan pada Tabel.

Tabel Entropi dan Energi bebas Gibbs pembentukan standar yang diukur pada 25oC tekanan 1 atm

Read More

Hukum Kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika berpusat pada masalah entropi. Hukum kedua termodinamika bisa dinyatakan sebagai berikut: “Entropi dapat diciptakan tetapi tidak dapat dimusnahkan.” Berdasarkan postulat ini, entropi yang ada pada sebuah proses bisa tetap tidak berubah dan bisa pula naik, namun tidak mungkin berkurang. Entropi hanya bisa tetap tidak berubah pada sebuah proses reversible (s1 = s2). Contoh sebuah proses reversible adalah ayunan bandul teoritis, dimana sama sekali tidak ada friksi yang menghambat ayunan. Dengan demikian, jika bandul diayunkan ke arah kanan sejauh x maka bandul akan kembali ke sebelah kiri sejauh x pula. Namun dalam kenyataannya, proses semacam ini sangat sulit ditemui karena friksi – meski hanya sedikit – pasti akan ada. Dalam kenyataannya, hampir semua proses yang terjadi di alam adalah irreversible. Dalam sebuah proses irreversible, pasti akan terjadi kenaikan entropi (s2 > s1).

Mnurut Kelvin – Planck

Kelvin – Planck telah merumuskan satu rumusan yang merupakan manifestasi dari hukum kedua termodinamika. Postulat Kelvin – Planck adalah rumusan hukum kedua termodinamika yang berlaku pada semua heat engine:

“Sebuah mesin yang bekerja dalam sebuah siklus tidaklah mungkin menerima panas dari sebuah reservoar termal lalu mengubah seluruh panas tersebut menjadi kerja.”

Postulat ini menegaskan bahwa tidak mungkin sebuah heat engine bisa memiliki efisiensi 100 persen.

Berikut ini adalah gambaran heat engine yang tidak mungkin bisa terjadi:

Setiap heat engine pasti bekerja sebagaimana dalam skema berikut:

Menurut Clausius

Postulat Clausius untuk hukum kedua termodinamika merupakan landasan kerja semua heat pump ataupun refrigerator:

“Sebuah mesin yang bekerja dalam sebuah siklus untuk memindahkan panas dari temperatur rendah ke temperatur tinggi pasti membutuhkan asupan kerja (work input).”

Heat pump adalah mesin siklik yang berfungsi sebagai pemanas. Adapun refrigerator adalah mesin siklik yang berfungsi sebagai pendingin. Setiap heat pump pasti bekerja sebagaimana dalam skema berikut:

Read More

Radiasi (Pancaran)

Perpindahan kalor secara konduksi dan konveksi memerlukan adanya materi sebagai medium untuk membawa kalor dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin. Akan tetapi, perpindahan kalor secara radiasi (pancaran) terjadi tanpa medium apapun. Semua kehidupan di dunia ini bergantung pada transfer energi dari Matahari, dan energi ini ditransfer ke Bumi melalui ruang hampa (hampa udara). Bentuk transfer energi ini dalam bentuk kalor yang dinamakan radiasi, karena suhu Matahari jauh lebih besar (6.000 K) daripada suhu permukaan bumi. Radiasi pada dasarnya terdiri dari gelombang elektromagnetik. Radiasi dari Matahari terdiri dari cahaya tampak ditambah panjang gelombang lainnya yang tidak bisa dilihat oleh mata, termasuk radiasi inframerah (IR) yang berperan dalam menghangatkan Bumi.

Kecepatan atau laju radiasi kalor dari sebuah benda sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak (μ ∝ T 4 ) benda tersebut. Sebagai contoh, sebuah benda pada suhu 2.000 K, jika dibandingkan dengan benda lain pada suhu 1.000 K, akan meradiasikan kalor dengan kecepatan 16 (24 ) kali lipat lebih besar. Kecepatan radiasi juga sebanding dengan luas A dari benda yang memancarkan kalor. Dengan demikian, kecepatan radiasi kalor meninggalkan sumber tiap selang waktu tertentu (Q /Δt ) dirumuskan: t Q Δ = e σ AT 4 .................................................... (6.23) Persamaan (6.23) disebut persamaan Stefan-Boltzmann, dan σ adalah konstanta universal yang disebut konstanta Stefan-Boltzmann ( σ = 5,67 × 10-8 W/m2 K4 ). Faktor e disebut emisivitas bahan, merupakan bilangan antara 0 sampai 1 yang bergantung pada karakteristik materi. Permukaan yang sangat hitam, seperti arang mempunyai emisivitas yang mendekati 1, sedangkan bahan yang permukaannya mengkilat mempunyai e yang mendekati nol sehingga memancarkan radiasi yang lebih kecil. Permukaan mengkilat tidak hanya memancarkan radiasi yang lebih kecil, tetapi bahan tersebut juga hanya menyerap sedikit dari radiasi yang menimpanya (sebagian besar dipantulkan). Benda hitam dan yang sangat gelap, menyerap kalor hampir seluruh radiasi yang menimpanya. Dengan demikian, bahan penyerap kalor yang baik juga merupakan pemancar kalor yang baik. Benda apapun tidak hanya memancarkan kalor dengan radiasi, tetapi juga menyerap kalor yang diradiasikan oleh benda lain. Sebuah benda dengan emisivitas e dan luas A berada pada suhu T1 , benda ini meradiasikan kalor dengan laju 4 AT1 e t Q = � Δ . Jika benda dikelilingi lingkungan dengan suhu T2 dan emisivitasnya tinggi (e ≈ 1), kecepatan radiasi kalor oleh sekitarnya sebanding dengan T2 4 , dan kecepatan kalor yang diserap oleh benda sebanding dengan T2 4 . Kecepatan total pancaran kalor dari benda ke lingkungan tersebut dirumuskan: t Q Δ = ( ) 4 2 4 e�A T1 −T ........................................... (6.24) dengan: Q = kalor yang dipancarkan benda ( J) e = emisivitas bahan/benda σ = konstanta Stefan-Boltzmann (5,67 10-8 W/m2 K4 ) A = luas penampang benda (m2 )
T1 = suhu mutlak benda (K) T2 = suhu mutlak lingkungan (K) Δt = selang waktu yang diperlukan (s) Berdasarkan persamaan (6.24) dapat dikatakan bahwa kecepatan penyerapan kalor oleh sebuah benda dianggap sebesar 4 AT2 e� ; yaitu, konstanta pembanding sama untuk pemancaran dan penyerapan. Hal ini berhubungan dengan fakta eksperimen bahwa kesetimbangan antara benda dan sekelilingnya dicapai ketika keduanya mempunyai suhu yang sama. Dalam hal ini, Q/ Δt harus sama dengan nol ketika T1 = T2 , sehingga koefisien pemancaran dan penyerapan harus sama. Hal ini menguatkan pernyataan bahwa pemancar yang baik merupakan penyerap yang baik.

Read More

Konveksi (Aliran)

Zat cair dan gas umumnya bukan penghantar kalor yang sangat baik. Meskipun demikian keduanya dapat mentransfer kalor cukup cepat dengan konveksi. Konveksi atau aliran kalor adalah proses di mana kalor ditransfer dengan pergerakan molekul dari satu tempat ke tempat yang lain. Bila pada konduksi melibatkan molekul (atau elektron) yang hanya bergerak dalam jarak yang kecil dan bertumbukan, konveksi melibatkan pergerakan molekul dalam jarak yang besar. Tungku dengan udara yang dipanaskan dan kemudian ditiup oleh kipas angin ke dalam ruangan termasuk contoh konveksi yang dipaksakan. Konveksi alami juga terjadi, misalnya udara panas akan naik, arus samudra yang hangat atau dingin, angin, dan sebagainya.

Gambar 6.22 menunjukkan bahwa sejumlah air di dalam panci yang dipanaskan, arus konveksi terjadi karena perbedaan kalor.
Air di bagian bawah naik karena massa jenisnya berkurang dan digantikan oleh air yang lebih dingin di atasnya. Prinsip selaput digunakan pada banyak sistem pemanas, seperti sistem radiator air panas yang diilustrasikan pada Gambar 6.23.

Air yang dipanaskan di tungku hingga suhunya naik, akan memuai dan naik. Hal ini menyebabkan air berputar pada sistem. Air panas kemudian memasuki radiator, kalor ditransfer dengan konduksi ke udara, dan air yang didinginkan kembali ke tungku. Dengan demikian, air berputar karena konveksi. Konveksi dalam kehidupan sehari-hari dapat kita lihat pada peristiwa terjadinya angin darat dan angin laut. Pada siang hari, daratan lebih cepat panas daripada laut, sehingga udara di atas daratan naik dan udara sejuk di atas laut bergerak ke daratan. Hal ini karena tekanan udara di atas permukaan laut lebih besar, sehingga angin laut bertiup dari permukaan laut ke daratan. Sebaliknya, pada malam hari daratan lebih cepat dingin daripada laut, sehingga udara bergerak dari daratan ke laut, disebut angin darat.

Read More

Sejarah Persamaan Keadaan

Hukum Boyle (1662)

Hukum Boyle mungkin adalah pernyataan paling awal dari persamaan keadaan. Pada 1662, fisikawan dan kimiawan ternama Irlandia,  Robert Boyle, melakukan serangkaian percobaan menggunakan tabung gelas bentuk-J yang ujung bagian pendeknya tertutup.   Air raksa ditambahkan ke dalam tabung, memerangkap sejumlah tetap gas di ujung tabung yang pendek dan tertutup.  Kemudian perubahan volume gas diukur dengan teliti seiring ditambahkannya air raksa sedikit demi sedikit ke dalam tabung. Tekanan gas kemudian dapat ditentukan dengan menghitung perbedaan ketinggian air raksa di bagian pendek tabung yang tertutup dan bagian panjang tabung yang terbuka. Melalui percobaan ini, Boyle mencatat bahwa perubahan volume gas berbanding terbalik dengan tekanan. Bentuk matematikanya dapat dituliskan sebagai berikut:

Persamaan di atas juga dapat dihubungkan dengan Edme Mariotte dan kadang disebut sebagai Hukum Mariotte. Namun pekerjaan Mariotte tidak dipublikasikan hingga tahun 1676

Hukum Charles atau Hukum Charles dan Gay-Lussac (1787)

Pada 1787, fisikawan Perancis, Jacques Charles menemukan bahwa oksigen, nitrogen, hidrogen, karbon dioksida, dan udara memuai ke tingkat yang sama pada interval temperatur yang sama, pada lebih dari 80 kelvin. Kemudian, pada 1802, Joseph Louis Gay-Lussac mempublikasikan hasil percobaan yang sama, mengindikasikan adanya hubungan linear antara volume dan temperatur:

Hukum tekanan parsial Dalton (1801)

Hukum Tekanan Parsial Dalton: Tekanan sebuah campuran gas adalah sama dengan jumlah tekanan masing-masing gas penyusunnya.

Secara matematik, hal ini dapat direpresentasikan untuk n jenis gas, berlaku:

Hukum gas ideal (1834)

Pada 1834 Émile Clapeyron menggabungkan Hukum Boyle dan Hukum Charles ke dalam pernyataan pertama hukum gas ideal. Awalnya hukum tersebut dirumuskan sebagai pV_m=R(T_C+267) (dengan temperatur dinyatakan dalam derajat Celsius). Namun, pekerjaan lanjutan mengungkapkan bahwa angka tersebut sebenarnya mendekati 273,2, dan skala Celsius didefinisikan dengan 0 °C = 273,15 K, memberikan:

Persamaan keadaan Van der Waals

Pada 1873, J. D. van derWaals memperkenalkan persamaan keadaan pertama yang diturunkan dengan asumsi sebuah volume terbatas yang ditempati oleh molekul gas penyusun.   Persamaan baru tersebut merevolusi studi mengenai persamaan keadaan, dan makin dikenalkan melalui persamaan keadaan Redlich-Kwong dan modifikasi Soave pada Redlich-Kwong.Contoh-contoh persamaan keadaan :

Pada persamaan-persamaan di bawah ini, variabel-variabel didefinisikan sebagai berikut:

P = tekanan

V = volume

n = jumlah mol zat

V_m = V/n = volume molar, volume 1 mol gas atau cairan

T = temperatur (K)

R = tetapan gas ideal(8.314472 J/(mol·K))

Suatu gas disebut gas ideal bila memenuhi hukum gas ideal, yaitu hukum Boyle, Gay Lussac, dan Charles dengan persamaan P.V = n.R.T. Akan tetapi, pada kenyataannya gas yang ada tidak dapat benar-benar mengikuti hukum gas ideal tersebut. Hal ini dikarenakan gas tersebut memiliki deviasi (penyimpangan) yang berbeda dengan gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, nilai deviasinya akan semakin kecil dari hasil yang didapat dari eksperimen dan hasilnya akan mendekati kondisi gas ideal. Namun bila tekanan gas tesebut semakin bertambah dalam temperatur tetap, maka nilai deviasi semakin besar sehingga hal ini menandakan bahwa hukum gas ideal kurang sesuai untuk diaplikasikan pada gas secara umum yaitu pada gas nyata atau gas riil.

Gas ideal memiliki deviasi (penyimpangan) yang lebih besar terhadap hasil eksperimen dibanding gas nyata dkarenakan beberapa perbedaan pada persamaan yang digunakan sebagai berikut:

·         Jenis gas

·         Tekanan gas. Ketika jarak antar molekul menjadi semakin kecil, terjadi interaksi antar molekul dimana tekanan gas ideal lebih besar dibanding tekanan gas nyata (P_nyata < P_ideal)

Volume gas. Dalam gas ideal, volume gas diasumsikan sama dengan volume wadah karena gas selalu menempati ruang. Namun dalam perhitungan gas nyata, volume molekul gas tersebut juga turut diperhitungkan, yaitu:

dimana adalah kerapatan, indeks adiabatik, dan e energi dalam. Bentuk terakhir adalah murni dalam suku-suku kuantitas intensif dan berguna ketika mensimulasikan persamaan Euler karena mengekspresikan hubungan antara energi dalam dan bentuk-bentuk energi lain (seperti energi kinetik), sehingga memperkenankan simulasi untuk mematuhi Hukum Pertama.Gas yang mengikuti hukum Boyle dan hukum Charles, yakni hukum gas ideal (persamaan (, disebut gas ideal.  Namun, didapatkan, bahwa gas yang kita jumpai, yakni gas nyata, tidak secara  ketat mengikuti hukum gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, semakin kecil deviasinya dari perilaku ideal. Semakin tinggi tekanan gas, atau dengan kata lain, semakin kecil jarak intermolekulnya, semakin besar deviasinya.  Paling tidak ada dua alasan yang menjelaskan hal ini. Peratama, definisi temperatur absolut didasarkan asumsi bahwa volume gas real sangat kecil sehingga bisa diabaikan.   Molekul gas pasti memiliki volume nyata walaupun mungkin sangat kecil. Selain itu, ketika jarak antarmolekul semakin kecil, beberapa jenis interaksi antarmolekul akan muncul.

Fisikawan Belanda Johannes Diderik van der Waals (1837-1923) mengusulkan persamaan keadaan gas nyata, yang dinyatakan sebagai persamaan keadaan van der Waals atau persamaan van der Waals. Ia memodifikasi persamaan gas ideal dengan cara sebagai berikut: dengan menambahkan koreksi pada P untuk mengkompensasi interaksi antarmolekul, mengurangi dari suku V yang menjelaskan volume real molekul gas. Sehingga didapat:

a dan b adalah nilai yang ditentukan secara eksperimen untuk setiap gas dan disebut dengan tetapan van der Waals Semakin kecil nilai a dan b menunjukkan bahwa perilaku gas semakin mendekati perilaku gas ideal. Besarnya nilai tetapan ini juga berhubungan dengan kemudahan gas tersebut dicairkan.

Gas yang mengikuti hukum Boyle dan hokum Charles, disebut gas ideal. Namun, didapatkan, bahwa gas yang kita jumpai, yakni gas nyata, tidak secara ketat mengikuti hukum gas ideal. Semakin rendah tekanan gas pada temperatur tetap, semakin kecil deviasinya dari perilaku ideal. Semakin tinggi tekanan gas, atau dengan dengan kata lain, semakin kecil jarak intermolekulnya, semakin besar deviasinya. Paling tidak, ada dua alasan yang menjelaskan hal ini. Pertama, definisi temperatur absolut didasarkan asumsi bahwa volume gas real sangat kecil sehingga bisa diabaikan.Molekul gas pasti memiliki volume nyata walaupun mungkin sangat kecil. Selain itu, ketika jarak antarmolekul semakin kecil, beberapa jenis interaksi antarmolekul akan muncul. Fisikawan Belanda Johannes Diderik van der Waals (1837-1923)mengusulkan persamaan keadaan gas nyata, yang dinyatakan sebagai persamaan keadaan van der Waals atau persamaan van der Waals. Ia memodifikasi persamaan gas ideal dengan cara sebagai berikut: dengan menambahkan koreksi pada p untuk mengkompensasi interaksi antarmolekul; mengurango dari suku V yang menjelaskan volume real molekul gas.

(sumber : http://www.scribd.com/doc/36787993/Persamaan-Keadaan)

Read More

Konduksi (Hantaran)

Ketika sebuah batang logam dipanaskan pada salah satu ujungnya, atau sebuah sendok logam diletakkan di dalam secangkir kopi yang panas, beberapa saat kemudian, ujung yang kita pegang akan segera menjadi panas walaupun tidak bersentuhan langsung dengan sumber panas. Dalam hal ini kita katakan bahwa kalor dihantarkan dari ujung yang panas ke ujung lain yang lebih dingin. Konduksi atau hantaran kalor pada banyak materi dapat digambarkan sebagai hasil tumbukan molekul-molekul. Sementara satu ujung benda dipanaskan, molekul-molekul di tempat itu bergerak lebih cepat. Sementara itu, tumbukan dengan molekul-molekul yang langsung berdekatan lebih lambat, mereka mentransfer sebagian energi ke molekulmolekul lain, yang lajunya kemudian bertambah. Molekulmolekul ini kemudian juga mentransfer sebagian energi mereka dengan molekul-molekul lain sepanjang benda tersebut. Dengan demikian, energi gerak termal ditransfer oleh tumbukan molekul sepanjang benda. Hal inilah yang mengakibatkan terjadinya konduksi. Konduksi atau hantaran kalor hanya terjadi bila ada perbedaan suhu. Berdasarkan eksperimen, menunjukkan bahwa kecepatan hantaran kalor melalui benda yang sebanding dengan perbedaan suhu antara ujung-ujungnya.
Kecepatan hantaran kalor juga bergantung pada ukuran dan bentuk benda. Untuk mengetahui secara kuantitatif, perhatikan hantaran kalor melalui sebuah benda uniform tampak seperti pada Gambar 6.20. Besarnya kalor Q tiap selang waktu tertentu dirumuskan sebagai berikut: t Q Δ = k.A l T1 −T2 atau t Q Δ = l k.A.ΔT ............ (6.22) dengan: Q = kalor yang dihantarkan ( J) A = luas penampang lintang benda (m2 ) ΔT = T1 – T2 = beda suhu antara kedua ujung benda (o C) l = jarak antara kedua bagian benda yang berbeda suhunya (m) Δt = selang waktu yang diperlukan (s) k = konstanta pembanding/konduktivitas termal zat (J/s.m.o C) Konduktivitas termal (k) berbagai zat ditunjukkan seperti pada Tabel 6.4. Suatu zat yang memiliki konduktivitas termal (k) besar, menghantarkan kalor dengan cepat dan dinamakan konduktor yang baik. Umumnya logam masuk dalam kategori ini, walaupun ada variasi yang besar antara logam-logam tersebut seperti diperlihatkan pada Tabel 6.4. Suatu zat yang memiliki konduktivitas termal (k) kecil, seperti fiberglass, polyurethane, dan bulu merupakan panghantar kalor yang buruk yang disebut isolator.

Read More

Pemuaian Gas

Persamaan  yang memperlihatkan perubahan volume zat cair akibat pemuaian, ternyata tidak cukup untuk mendeskripsikan pemuaian gas. Hal ini karena pemuaian gas tidak besar, dan karena gas umumnya memuai untuk memenuhi tempatnya. Persamaan tersebut hanya berlaku jika tekanan konstan. Volume gas sangat bergantung pada tekanan dan suhu. Dengan demikian, akan sangat bermanfaat untuk menentukan hubungan antara volume, tekanan, temperatur, dan massa gas. Hubungan seperti ini disebut persamaan keadaan. Jika keadaan sistem berubah, kita akan selalu menunggu sampai suhu dan tekanan mencapai nilai yang sama secara keseluruhan.
a. Hukum Boyle
Untuk jumlah gas tertentu, ditemukan secara eksperimen bahwa sampai pendekatan yang cukup baik, volume gas berbanding terbalik dengan tekanan yang diberikan padanya ketika suhu dijaga konstan, yaitu: P V 1 ∝ (T konstan) dengan P adalah tekanan absolut (bukan “tekanan ukur”). Jika tekanan gas digandakan menjadi dua kali semula, volume diperkecil sampai setengah nilai awalnya. Hubungan ini dikenal sebagai Hukum Boyle, dari Robert Boyle (1627 - 1691), yang pertama kali menyatakan atas dasar percobaannya sendiri. Grafik tekanan (P ) terhadap volume gas (V ) untuk suhu tetap tampak seperti pada Gambar 6.12. Hukum Boyle juga dapat dituliskan: PV = konstan, atau P1 V1 = P2 V2 ............ (6.13) dengan: P = tekanan gas pada suhu tetap (Pa) V = volume gas pada suhu tetap (m3 ) P1 = tekanan gas pada keadaan I (Pa) P2 = tekanan gas pada keadaan II (Pa) V1 = volume gas pada keadaan I (m3 ) V2 = volume gas pada keadaan II (m3 ) Persamaan (6.13) menunjukkan bahwa pada suhu tetap, jika tekanan gas dibiarkan berubah maka volume gas juga berubah atau sebaliknya, sehingga hasil kali PV tetap konstan.
b. Hukum Charles
Suhu juga memengaruhi volume gas, tetapi hubungan kuantitatif antara V dan T tidak ditemukan sampai satu abad setelah penemuan Robert Boyle. Seorang ilmuwan dari Prancis, Jacques Charles (1746 - 1823) menemukan bahwa ketika tekanan gas tidak terlalu tinggi dan dijaga konstan, volume gas bertambah terhadap suhu dengan kecepatan hampir konstan, yang diilustrasikan seperti pada Gambar 6.13.

Perlu kita ingat bahwa semua gas mencair pada suhu rendah, misalnya oksigen mencair pada suhu -183 o C. Dengan demikian, grafik tersebut pada intinya merupakan garis lurus dan jika digambarkan sampai suhu yang lebih rendah, akan memotong sumbu pada sekitar -273 o C.
Untuk semua gas, grafik hubungan antara volume V dan suhu T dapat digambarkan seperti pada Gambar 6.13 tersebut, dan garis lurus selalu menuju kembali ke -273 o C pada volume nol. Hal ini menunjukkan bahwa jika gas dapat didinginkan sampai -273 o C, volumenya akan nol, lalu pada suhu yang lebih rendah lagi volumenya akan negatif. Hal ini tentu saja tidak masuk akal. Bisa dibuktikan bahwa -273 o C adalah suhu terendah yang mungkin, yang disebut suhu nol mutlak, nilainya ditentukan -273,15 o C. Nol mutlak sebagai dasar untuk skala suhu yang dikenal dengan nama skala mutlak atau Kelvin, yang digunakan secara luas pada bidang sains. Pada skala ini suhu dinyatakan dalam derajat Kelvin, atau lebih mudahnya, hanya sebagai kelvin (K) tanpa simbol derajat. Selang antarderajat pada skala Kelvin sama dengan pada skala Celsius, tetapi nol untuk skala Kelvin (0 K) dipilih sebagai nol mutlak itu sendiri. Dengan demikian, titik beku air adalah 273,15 K (0 o C) dan titik didih air adalah 2 6K Sehingga hubungan antara skala Kelvin dan Celsius dapat dituliskan: TK = TC + 273,15 ....................... (6.14)
Pada Gambar 6.14 menunjukkan grafik hubungan volume gas dan suhu mutlak, yang merupakan garis lurus yang melewati titik asal. Ini berarti sampai pendekatan yang baik, volume gas dengan jumlah tertentu berbanding lurus dengan suhu mutlak ketika tekanan dijaga konstan. Suhu juga memengaruhi volume gas, tetapi hubungan kuantitatif antara V dan T tidak ditemukan sampai satu abad setelah penemuan Robert Boyle. Seorang ilmuwan dari Prancis, Jacques Charles (1746 - 1823) menemukan bahwa ketika tekanan gas tidak terlalu tinggi dan dijaga konstan, volume gas bertambah terhadap suhu dengan kecepatan hampir konstan, yang diilustrasikan seperti pada Gambar 6.13. Perlu kita ingat bahwa semua gas mencair pada suhu rendah, misalnya oksigen mencair pada suhu -183 o C. Dengan demikian, grafik tersebut pada intinya merupakan garis lurus dan jika digambarkan sampai suhu yang lebih rendah, akan memotong sumbu pada sekitar -273 o C.
c. Hukum Gay Lussac
Hukum Gay Lussac berasal dari Joseph Gay Lussac (1778 - 1850), menyatakan bahwa pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak, dituliskan: P T ∝ atau T P = konstan, atau 2 2 1 1 T P T P = .............. (6.16) dengan: P = tekanan gas pada volume tetap (Pa) T = suhu mutlak gas pada volume tetap (K) P1 = tekanan gas pada keadaan I (Pa) P2 = tekanan gas pada keadaan II (Pa) T1 = suhu mutlak gas pada keadaan I (K) T2 = suhu mutlak gas pada keadaan II (K) Contoh nyata dalam kehidupan sehari-hari adalah botol yang tertutup atau kaleng aerosol, jika dilemparkan ke api, maka akan meledak karena naiknya tekanan gas di dalamnya. Hukum-hukum gas dari Boyle, Charles, dan Gay Lussac didapatkan dengan bantuan teknik yang sangat berguna di dalam sains, yaitu menjaga satu atau lebih variabel tetap konstan untuk melihat akibat dari perubahan satu variabel saja. Hukum-hukum ini dapat digabungkan menjadi satu hubungan yang lebih umum antara tekanan, volume, dan suhu dari gas dengan jumlah tertentu: PV ∝T . Hubungan ini menunjukkan bahwa besaran P, V, atau T akan berubah ketika yang lainnya diubah. Percobaan yang teliti menunjukkan bahwa pada suhu dan tekanan konstan, volume V dari sejumlah gas di tempat tertutup berbanding lurus dengan massa m dari gas tersebut, yang dapat dituliskan: PV ∝ mT.

Read More

JENIS-JENIS SISTEM TERMODINAMIKA

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

1.    Sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

Gambar . Contoh SistemTerisolasi

Sistem yang tidak mengakibatkan terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

            Termos Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.2. Mesin kendaraan bermotor Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.

1.    Sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijauadalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkanh sebagai sifat pembatasnya:

Ø  pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

Ø  pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

                   Pada Sistem tertutup  terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya bisa berubah. Yang dapat keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam bentuk panas atau kerja.   Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. Selain itu Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja.

2.    Sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan  pertukaran benda disebut permeabel. Samudramerupakan contoh dari sistem terbuka.

            Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pecampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

            Sistem terbuka yaitu terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau masuk kedalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesinmesin konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistemmelalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah merupakan sistem thermodinamika terbuka, karena secara simultan ada energi dan masa keluar-masuk sistem tersebut.

Read More

Variabel Keadaan Sistem

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada delapan besaran termodinamis atau koordinat sistem yang terangkum dalam kalimat: “Good Physicists Have Study Under Very Fine Teachers”. Good dengan huruf awal G, adalah lambang dari energi bebas Gibbs. Physicists dengan huruf awal p, adalah lambang dari tekanan. Have dengan huruf awal H, adalah lambang dari entalpi sistem. Study dengan huruf awal S, adalah lambang dari entropi sistem. Under dengan huruf awal U, adalah lambang dari energi-dalam sistem. Very dengan huruf awal V, adalah lambang volume sistem. Fine dengan huruf awal F, adalah lambang dari energi bebas Helmholtz. Terakhir kata Teachers dengan huruf awal T, adalah lambang dari temperatur sistem. Delapan koordinat sistem ini merupakan besaran-besaran makroskopis yang melukiskan keadaan kesetimbangan sistem. Oleh karena itu, koordinat sistem sering disebut sebagai variabel keadaan sistem. Sebagai teladan. Suatu sistem termodinamis terdiri atas N partikel gas. Dalam Termodinamika besaran makroskopis yang menggambarkan sistem ini adalah tekanan gas (p), volume gas (V), dan temperatur gas (T). Ketiga besaran ini dapat diamati dan diukur secara langsung. Misalnya, tekanan gas diukur dengan menggunakan barometer atau manometer. Volume gas diukur dengan menggunakan piknometer, dan temperatur gas dapat diukur dengan termometer. Eksperimen menunjukkan, bahwa tekanan gas (p), volume gas (V), dan temperatur gas (T) mempunyai kaitan tertentu. Artinya, gas dapat diberi harga volume tertentu, misalnya 2 liter. Kemudian gas dipanaskan sampai temperatur tertentu, misalnya 750C, ternyata tekanan gas sudah mempunyai harga yang pasti. Secara matematis, antara p, V, dan T mempunyai hubungan fungsional: f (p, V, T) = 0. Dari hubungan empiris ini dapat dibuat ramalan-ramalan tertentu. Misalnya mengenai: koefisien muai gas, kapasitas kalor gas, energi-dalam gas, dan koordinat sistem lainnya. Perlu diketahui, bahwa semua eksperimen menunjukkan: 1. apabila suatu sistem ada dalam keadaan setimbang termodinamis, maka setiap koordinat dapat dinyatakan sebagai fungsi dua koordinat lainnya. 2. hanya ada dua diantara kedelapan koordinat sistem yang merupakan variabel bebas sistem. 3. dalam keadaan setimbang termodinamis berlaku hubungan f (x, y, z) = 0. Sebagai teladan. Gas dengan jumlah parrtikel sebesar N ada dalam bejana yang tidak bocor. Selama komposisi gas tidak berubah, dalam arti tidak terjadi reaksi kimiawi yang dapat mengubah jumlah partikel gas dan tidak terjadi peristiwa difusi; maka dalam eksperimen, volume dan tekanan gas dapat diubah-ubah sesuai dengan kebutuhan. Ini berarti, pada volume tertentu (V), gas dapat diberi temperatur (T) berapa saja. Dapat pula, pada temperatur (T) tertentu, gas dapat diberi harga volume (V) berapa saja. Hal ini mungkin, karena terdapat koordinat ketiga yang menyesuaikan diri, yaitu: tekanan gas (p). Jadi, variabel keadaan gas dapat dilukiskan dalam bentuk: 1. implisit, f (p, V, T) = 0 …………………………….. (1.1) 2. eksplisit, a. p = p (V, T). b. V = V (p, T), dan …………………………… (1.2) c. T = T (p, V). Bentuk implisit f (p, V, T) = 0 menyatakan, bahwa antara variabel p, V, dan T ada hubungan tertentu. Oleh karena itu, hanya dua variabel di antara ketiga variabel bersifat bebas, sedangkan variabel yang ketiga merupakan variabel tak bebas atau terikat. Bentuk eksplisit p = p (V, T) menyatakan, bahwa variabel V dan T merupakan variabel bebas dan variabel p merupakan variabel terikat. Bentuk eksplisit V = V (p, T) menyatakan, bahwa variabel p dan T merupakan variabel bebas dan variabel V merupakan variabel terikat. Demikian pula bentuk eksplisit T = T (p, V) menyatakan, bahwa variabel p dan V merupakan variabel bebas dan variabel T merupakan variabel terikat. Hubungan ketiga besaran ini ditunjukkan dalam persamaan diferensial.

Read More

Pengenalan Termodinamika

Termodinamika merupakan bagian dari cabang Fisika yang namanya Termofisika (Thermal Physics). Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Termodinamika hanya mempelajari besaran-besaran yang berskala besar (makroskopis) dari sistem yang dapat diamati dan diukur dalam eksperimen. Besaran-besaran yang berskala kecil (mikroskopis) dipelajari dalam Teori Kinetik Gas (Kinetic Theory of Gas) atau Fisika Statistik (Statistical Physics). Termodinamika juga dapat diartikan sebagai ilmu yang menjelaskan kaitan antara besaran fisis tertentu yang menggambarkan sikap zat di bawah pengaruh kalor. Besaran fisis ini disebut koordinat makroskopis sistem. Kaitan atau rumus yang menjelaskan hubungan antar besaran fisis diperoleh dari eksperimen dan kemudian dapat digunakan untuk meramalkan perilaku zat di bawah pengaruh kalor. Jadi, Termodinamika merupakan ilmu yang berlandaskan pada hasil-hasil eksperimen. Termodinamika dalam arti sempit merupakan salah satu ranting dari Ilmu Alam, Ilmu Thobi’ah, atau Fisika yang mempelajari materi yang ada dalam keadaan setimbang terhadap perubahan temperatur, tekanan, volume, dan komposisi kimia. Termodinamika didasarkan pada empat konsepsi empiris, yaitu: hukum ke nol, pertama (yang berkaitan dengan kerja suatu sistem), kedua, dan ketiga Termodinamika. Oleh karena itu, sebagian ahli menyatakan, Termodinamika merupakan ranting Fisika yang mempelajari hubungan antara kalor dan kerja. Ada dua pendapat mengenai pemanfaatan Termodinamika. Versi pertama datang dari Fisikawan dan Kimiawan. Mereka lebih condong menggunakan Termodinamika untuk meramalkan dan menghubungkan pelbagai sifat zat di bawah pengaruh kalor dan mengembangkan data termodinamis. Versi kedua berasal dari para Insinyur (Engineer). Mereka lebih condong menggunakan data termodinamis dan gagasan dasar ketetapan energi serta produksi entropi untuk menganalisis perilaku sistem yang kompleks. Secara umum Termodinamika dapat dimanfaatkan untuk: 1. menjelaskan kerja beberapa sistem termodinamis. 2. menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis tidak bekerja sesuai dengan yang diharapkan. 3. menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis sama sekali tidak mungkin dapat bekerja. 4. landasan teoritis para Insinyur perencana dalam mendisain suatu sistem termodinamis; misalnya: motor bakar, pompa termal, motor roket, pusat pembangkit tenaga listrik, turbin gas, mesin pendingin, kabel transmisi superkonduktor, LASER daya tinggi, dan mesin pemanas surya.

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada faham mengenai: 1. ketetapan energi. 2. ketetapan entropi, dalam arti, proses yang menghasilkan entropi mungkin dapat terjadi, namun proses yang menghapuskan entropi mustahil terjadi. 3. entropi yang dapat digunakan untuk menentukan jumlah daya berguna maksimum yang dapat diperoleh dari berbagai sumber energi untuk melakukan kerja.

Read More

Percobaan Hukum Termodinamika Kedua

Read More

Video: Perubahan Wujud Zat

Read More

Percobaan Perubahan Fase zat

Read More

Usaha Sistem pada Lingkungannya

Dalam termodinamika, kumpulan benda-benda yang kita tinjau disebut sistem, sedangkan semua yang ada di sekitar sistem disebut lingkungan. Perhatikan suatu sistem berupa gas yang ada dalam suatu silinder yang dilengkapi tutup sebuah piston yang bebas bergerak. Usaha yang dilakukan oleh sistem sehubungan dengan perubahan volume gas dapat dirumuskan sebagai berikut . Piston yang mempunyai luas penampang A dan tekanan gas P menghasilkan gaya yang mendorong piston sebesar F = P A. Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

                                                  dW = F dx = P A dx = P dV

Untuk proses dari V1 ke V2, kerja (usaha) yang dilakukan oleh

gas adalah

         W =                            ..................... (14.1)

Untuk menghitung integral ini kita perlu mengetahui bagaimana variasi tekanan selama proses

berlangsung. Secara umum, tekanan tidak konstan sehingga penyelesaian integral tidak terlalu

sederhana. Namun, jika kurva P terhadap V diketahui, kerja yang dilakuan leh gas sama

dengan luas area di bawah kurva pada diagram PV. Khusus untuk proses yang tekanannya

konstan, Persamaan (14.1) dapat ditulis menjadi :

                         W = P(V_{2 -} V₁)

                            = P (ΔV)         ...................... (14.2)

dengan:

W = usaha yang dilakukan oleh sistem (gas),

P = tekanan gas (konstan),

V2 = volume akhir.

V1 = volume awal.

Usaha yang dilakukan oleh gas (sistem) sering disebut usaha luar. Apabila diagram PV diketahui, usaha luar akan lebih sederhana ditentukan secara grafik yaitu dengan menentukan luas area di bawah kurva pada diagram tersebut. Dari Persamaan (14.1) dapat kita lihat bahwa untuk tekanan P yang positif, usaha W akan positif bila gas memuai (V2 > V1) atau arah lintasan proses ke kanan. Sebaliknya, usaha W akan negatif bila gas memampat (V2 < V1) atau arah lintasan proses ke arah kiri.

Read More