Mata kuliah fisika ii

4,824 views

Published on

Teknik Industri UNPAZ Timor-Leste

Published in: Automotive
0 Comments
2 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

No Downloads
Views
Total views
4,824
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
2
Actions
Shares
0
Downloads
134
Comments
0
Likes
2
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Mata kuliah fisika ii

  1. 1. 1Teknik IndustriMATA KULIAHFISIKA II (ENGINEERING PHYSICS)Beban Studi : 3 sksSifat : WajibSilabus :Termometri dan kalorimetri, Perpindahan panas, gas ideal danteori kinetik gas ideal. Hukum pertama termodinamika, entropi danhukum kedua termodinamika. Penerangan dan fotometri, pantulandan pembiasan cahaya. Lensa dan peralatan optik. Interfrensi dandifraksi cahaya.Tujuan :Memberikan pengetahuan dan pemahaman kepada mahasiswatentang fenomena alam berupa panas sebagai energi: Pengaruhpanas terhadap pemuaian benda. Kuantitas panas dan dasar-dasarperpindahan panas. Konsep dasar Termodinamika.Pustaka : Frederick J. Bueche. Seri Buku Schaum,Teori Dan Soal-SoalFisika. Penerbit Erlangga, Jakarta 10430.Bresnick, Stephen. HIGH Yield Physics, Williams dan Wilkins Inc,227 East Washington Square, Philadelphia, PA 19106, USA,Copyright@1996.
  2. 2. 2Teknik IndustriBAB ITERMOMETRI DAN KALORIMETRIA. TERMOMETRITermometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur suhu (temperatur), ataupunperubahan suhu. Istilah termometer berasal dari bahasa Latin thermo yangberarti panas dan meter yang berarti untuk mengukur. Prinsip kerja termometer adabermacam-macam, yang paling umum digunakan adalah termometer air raksa.Suhu adalah ukuran derajat panas atau dingin suatu benda. Alat yang digunakan untukmengukur suhu disebut termometer.Kalor adalah suatu bentuk energi yang diterima oleh suatu benda yang menyebabkanbenda tersebut berubah suhu atau wujud bentuknya.Kalor merupakan suatu kuantitas atau jumlah panas baik yang diserap maupundilepaskan oleh suatu benda. Kalor berbeda dengan suhu, karena suhu adalah ukurandalam satuan derajat panas.Dari sisi sejarah kalor merupakan asal kata caloric ditemukan oleh ahli kimia perancisyang bernama Antonnie laurent lavoiser (1743 - 1794). Kalor memiliki satuan Kalori(kal) dan Kilokalori (Kkal). 1 Kal sama dengan jumlah panas yang dibutuhkan untukmemanaskan 1 gram air naik 1 derajat celcius.Macam – Macam Thermometer :Berdasarkan Zat Termometrik yang digunakan, thermometer digolongkan menjadibeberapa jenis yaitu :1. Termometer Zat CairPrinsip kerja : perubahan/ pemuaian volume zat termometrikZat cair yang digunakan biasanya RAKSA dan ALKOHOL2. Termometer HambatanPrinsip kerja : perubahan hambatan logam konduktor terhadap suhu3. Termometer GasPrinsip kerja : pengaruh suhu terhadap tekanan gas.
  3. 3. 3Teknik IndustriKeuntungan menggunakan RAKSA :1. Mudah dilihat karena mengkilap2. Pemuaian teratur3. Tidak membasahi dinding kaca4. Jangkauan suhu besar (- 40 0C sampai 350 0C)5. Penghantar panas yang baikKerugian menggunaan RAKSA :1. Harga mahal2. Tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu di daerah kutub3. Raksa bersifat racun sehingga berahaya jika tabungnya pecahKeuntungan menggunakan ALKOHOL :1. Harganya murah2. Pemuaianya besar untuk kenaikan suhu kecil/ lebih teliti3. Dapat digunakan untuk mengukur suhu di daerah kutub (titik beku - 112 0C)Kerugian menggunakan ALKOHOL :1. Titik didihnya rendah (78 0C)2. Tidak berwarna sehingga harus diberi warna agar mudah dilihat3. Membasahi dinding kacaBerdasarkan kegunaannya ada beberapa jenis thermometer, yaitu :1. Thermometer Klinisyaitu termometer yang digunakan untuk mengukur suhu tubuhskala : 35 0C – 42 0CThermometer klinisAir raksaMacam-macam thermometer dengan zat pengisi alkohol
  4. 4. 4Teknik Industri2. Thermometer Dindingyaitu termometer yang digunakan untuk mengukur suhu ruangskala : - 50 0C – 50 0C3. Thermometer Maksimum dan Minimumyaitu thermometer yang digunakan untuk mengukur suhu terendah dantertinggi pada rumah kacamemiliki 2 skala, yaitu skala minimum pada pipa kiri dan skala maksimumpada pipa kananSIFAT TERMOMETRIK ZATadalah sifat-sifat zat yang berubah ketika suhunya berubah.Sifat-sifat tersebut antara lain :warna, volume, tekanan, dan daya hantar listrikUntuk mengukur suhu suatu benda digunakan thermometer. Jenis zat cair yang palingbanyak dipakai untuk mengisi tabung termometer adalah raksa.Kelebihan raksa dibanding zat cair lainnya antara lain:1. Keseimbangan termal terhadap zat yang akan diukur lebih cepat.2. Memiliki titik beku rendah, yaitu –39 oC dan titik didih tinggi, yaitu 357 oC3. Memiliki kenaikan volume yang teratur pada saat terjadi perubahan suhu.4. Mudah dilihat karena raksa mengkilat.Thermometer maksimum minimumThermometer dinding
  5. 5. 5Teknik IndustriMembandingkan skala Termometer Celcius, Reamur, Fahrenheit, dan Kelvin.2733732733221232080001000 KFRCPenetapan Skala1. Termometer CelciusTitik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 100. Daerahantara kedua titik tetap ini dibagi dalam 100 skala.2. Termometer ReamurTitik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerahantara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala.3. Termometer FahrenheitTitik lebur es diberi angka 32, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerahantara kedua titik tetap ini dibagi dalam 180 skala.4. Termometer KelvinTitik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerahantara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala.Perbandingan pembagian skala C, R, dan FC : R : F : k = 100 skala : 80 skala : 180 skala atau C : R : F: K = 5 : 5 : 4 : 9 : 5Suhu dalam skala derajat Celcius menunjukkan angka 30oC. Berapakah angka yangditunjukkan dalam skala derajat Reamur !C : R : F : k = 5 : 4 : 9 : 5
  6. 6. 6Teknik Industria. Hubungan antara C dengan R:Cara 1:0800tR=010003080tR=10030100 x tR = 80 x 30100 x tR = 2400tR = 2400 / 100 = 24oR.Cara 2 :tR = 4/5 x 30 + 0= 0,8 x 30= 24oRSkala Kelvin (simbol: K) adalah skala suhu di mana nol absolut didefinisikan sebagai 0K. Satuan untuk skala Kelvin adalah kelvin (lambang K), dan merupakan salah satu daritujuh unit dasar SI. Satuan kelvin didefinisikan oleh dua fakta: nol kelvin adalah nolabsolut (ketika gerakan molekuler berhenti), dan satu kelvin adalah pecahan 1/273, 16dari suhu termodinamik triple point air (0,01 °C).Rumus konversi suhu KelvinKonversi dari Ke RumusKelvin Fahrenheit oF = K x 1,8 – 459,67Fahrenheit Kelvin K = ( oF + 459,67) / 1,8Kelvin Celsius oC = K – 273,15Celsius Kelvin K = oC + 273,15Satuan dasar untuk suhu (temperature) pada sistem Inggris didefinisikan sebagaiRankin.Antara derajat Fahrenheit (oF) dan Rankin mempunyai hubungan yaitu 0°R = - 460 oF.Derajat suhu mutlak (temperature absolut) yaitu Rankin, karena tidak mungkin ada suhulebih dingin daripada 0°R.
  7. 7. 7Teknik IndustriPEMUAIANPemuaian adalah volume suatu benda yang bertambah luas, panjang atau lebar karenaterkena panas. Pemuaian tiap-tiap benda berbeda, tergantung suhu di sekitar dankoefisien muai atau daya muai benda tersebut.Benda tersebut akan mengalami :a. Muai panjang apabila benda itu hanya memiliki ukuran panjang saja.b. Muai luas terjadi pada benda apabila benda itu memiliki ukuran panjang & lebar.c. Muai volume terjadi apabila benda itu memiliki ukuran panjang, lebar, & tinggi.Jadi pemuaian adalah suatu pertambahan panjang dan lebar suatu benda yangdisebabkan oleh kalor (panas).PEMUAIAN ZAT PADATa. Pemuaian panjangKoefisien muai panjang ( ) didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahanpanjang zat ( 1), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu ( T)To .atau To.1.1oT 111 ).1(11 ToT= To.1.Ket :1 = pertambahan pannjang (m)o1 = panjang mula-mula (m)1T = panjang akhir (m)T = suhu akhir – suhu awal (oC / K)= koifisien muai panjang (oC-1atau K-1)
  8. 8. 8Teknik Industrib. Pemuaian luasKoefisien muai luas suatu zat ( ) adalah perbandingan antara pertambahan luas zat (A) dengan luas semula (Ao), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu( T).TAAo . oA AA2 AT = Ao (1+ T )Ket :Ao = Luas mula-mula (m2)At = luas setelah dipanaskan (m2)T = kenaikan suhu (oC-1atau K-1)= Koifisein muai luas.c. Pemuaian volumeKoefisien muai volume suatu zat ( ) adalah perbandingan antara per-tambahan volume( V) dengan volume semula (Vo), untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu (T).TVVo .TVV .. oT VVV1(oT VV T ) 3Dimana :V = pertambahan volume zat (m3)Vo = volume mula-mulaVT = volume setelah dipanaskanT = kenaikan suhu (oC/K)= koefisien muai volume (oC-1 atau K-1)
  9. 9. 9Teknik IndustriTabel Koefisien Berbagai Jenis BahanNo Nama Bahan Koifisien Muai Panjang (oC)1 Intan 12 x 10-52 Kuningan 1,9 x 10-53 Tembaga 1,7 x 10-54 Es 510 x 10-55 Aluminium 1,2 x 10-56 Baja 1,1 x 10-57 Platina 1,0 x 10-58 Kaca 0,9 x10-59 Pyrex 0,3 x 10-510 Invar 0,1 x 10-5Contoh soal :Batang alumunium yang panjangnya 4 m, naik suhunya dari 27 0C menjadi 72 0C. Jikakoefisien muai panjang aluminium = 24x10-6(0C)-1, hitunglah:Pertambahan panjang alumunium.Penyelesaian :1o = 4 mT = 72 0C – 27 0C = 45 0C= 24 x 10 -6(0C) = 0,000024 0c1 = . 1o . T= 0,000024 x 4 x 45= 0,00432.B. KALORIMETERKalorimeter adalah suatu sistem terisolasi (tidak ada perpindahan materi maupunenergi dengan lingkungan diluar kalorimeter). Pengukuran jumlah kalor reaksi yangdiserap atau dilepaskan pada suatu reaksi kimia dengan eksperimen disebutkalorimetri. Kita dapat menghitung perubahan suhu dengan rumus :q = m . c . ∆T (Petrucci, 1987).qkalorimeter = C. ∆T
  10. 10. 10Teknik IndustriKeterangan :q = jumlah kalor (Joule)m = massa zat (gram)Δt = perubahan suhu( takhir - tawal)c = kalor jenisC = kapasitas kalor dari bom calorimeterOleh karena itu kalor reaksi sama dengan kalor yang diserap oleh kalorimeter,sehingga:q reaksi = - (qlarutan + qkalorimeter)Kalorimeter dibedakan menjadi beberapa macam :1. Kalorimeter Bom.Merupakan kalorimeter yang khusus digunakan untuk menentukan kalor dari reaksi-reaksi pembakaran. Kalorimeter ini terdiri dari sebuah bom ( tempat berlangsungnyareaksi pembakaran, terbuat dari bahan stainless steel dan diisi dengan gas oksigenpada tekanan tinggi ) dan sejumlah air yang dibatasi dengan wadah yang kedappanas. Reaksi pembakaran yang terjadi di dalam bom, akan menghasilkan kalor dandiserap oleh air dan bom. Oleh karena tidak ada kalor yang terbuang ke lingkungan,maka : qreaksi = – (qair + qbom ).Jumlah kalor yang diserap oleh air dapat dihitung dengan rumus : qair = m x c x ∆Tdengan :m = massa air dalam kalorimeter ( g )c = kalor jenis air dalam kalorimeter (J / g.oC ) atau (J / g. K)∆T = perubahan suhu ( oC atau K )Jumlah kalor yang diserap oleh bom dapat dihitung dengan rumus :qbom = Cbom x ∆TDengan : Cbom = kapasitas kalor bom ( J / oC ) atau ( J / K )∆T = perubahan suhu (oC atau K)
  11. 11. 11Teknik IndustriReaksi yang berlangsung pada kalorimeter bom berlangsung pada volume tetap ( DV =nol ). Oleh karena itu, perubahan kalor yang terjadi di dalam sistem = perubahan energidalamnya.∆E = q + w dimana w = - P. ∆V ( jika ∆V = nol maka w = nol ) maka ∆E = qv.Contoh soal :Suatu kalorimeter bom berisi 250 mL air yang suhunya 25oC, kemudian dibakar 200 mggas metana. Suhu tertinggi yang dicapai air dalam kalorimeter = 35oC. Jika kapasitaskalor kalorimeter = 75 J / oC dan kalor jenis air = 4,2 J / g.oC, berapakah ∆Hc gasmetana?Jawaban :qair = m x c x ∆T= (250 ) x ( 4,2) x (35 – 25)= 10.500 Jqbom = Cbom x ∆T= ( 75 ) x (35 – 25)= 750 J1. qreaksi = – (qair + qbom )qreaksi = - (10.500 J + 750 J)= - 11.250 J = – 11,25 kJ200 mg CH4 = 0,2 g CH4 = ( 0,2 / 16 ) mol = 0,0125 mol∆Hc CH4 = ( – 11,25 kJ / 0,0125 mol ) = - 900 kJ / mol (reaksi eksoterm)2. Kalorimeter SederhanaPengukuran kalor reaksi; selain kalor reaksi pembakaran dapat dilakukan denganmenggunakan kalorimeter pada tekanan tetap yaitu dengan kalorimeter sederhanayang dibuat dari gelas stirofoam.Kalorimeter ini biasanya dipakai untuk mengukur kalor reaksi yang reaksinyaberlangsung dalam fase larutan ( misalnya reaksi netralisasi asam – basa / netralisasi,pelarutan dan pengendapan ).Pada kalorimeter ini, kalor reaksi = jumlah kalor yang diserap / dilepaskan larutansedangkan kalor yang diserap oleh gelas dan lingkungan; diabaikan.qreaksi = – (qlarutan + qkalorimeter)qkalorimeter = Ckalorimeter x ∆T
  12. 12. 12Teknik IndustriDengan :Ckalorimeter = kapasitas kalor kalorimeter (J / oC ) atau ( J / K )∆T = perubahan suhu ( oC atau K ).Jika harga kapasitas kalor kalorimeter sangat kecil; maka dapat diabaikan sehinggaperubahan kalor dapat dianggap hanya berakibat pada kenaikan suhu larutan dalamkalorimeter.qreaksi = – qlarutanqlarutan = m x c x ∆TDengan :m = massa larutan dalam kalorimeter ( g )c = kalor jenis larutan dalam kalorimeter (J / g.oC ) atau ( J / g. K )∆T = perubahan suhu ( oC atau K)Pada kalorimeter ini, reaksi berlangsung pada tekanan tetap (∆P = nol) sehinggaperubahan kalor yang terjadi dalam sistem = perubahan entalpinya. ∆H = qpC. KalorKalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat. Secara umumuntuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda yaitu dengan mengukursuhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh bendasangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang dikandungsedikit.Satuan kalor jenis bendaKita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K
  13. 13. 13Teknik IndustriTabel Kalor Jenis benda (Pada tekanan 1 atm dan suhu 20 oC)Jenis Benda Kalor Jenis (c)J/kg Cokkal/kg CoAir 4180 1,00Alkohol (ethyl) 2400 0,57Es 2100 0,50Kayu 1700 0,40Aluminium 900 0,22Marmer 860 0,20Kaca 840 0,20Besi / baja 450 0,11Tembaga 390 0,093Perak 230 0,056Raksa 140 0,034Timah hitam 130 0,031Emas 126 0,030Catatan : Kalor jenis benda biasanya bergantung pada suhu. Btw, apabila perubahan suhu tidak terlalubesar maka besar kalor jenis bisa dianggap tetapRumus:Dengan ketentuan:Q = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)m = Massa zat (Gram, Kilogram)c = Kalor jenis (Joule/kilogram°C, Joule/gram°C, Kalori/gram°C)t = Perubahan suhu (°C) → (t2 - t1)Untuk mencari kalor jenis, rumusnya adalah:Untuk mencari massa zat, rumusnya adalah:
  14. 14. 14Teknik IndustriKapasitas kalorKapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan oleh benda untuk menaikkansuhunya 1°C.Rumus kapasitas kalor :Ket:Q = Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)H = Kapasitas kalor (Joule/°C)m = Massa zat (Gram, Kilogram)c = Kalor jenis (Joule/kilogram°C, Joule/gram°C, Kalori/gram°C)t = Perubahan suhu (°C) → (t2 - t1)Contoh soal:Sebuah zat dipanaskan dari suhu 10°C menjadi 35°C. Kalor yang dikeluarkan adalah5000 Joule. Jika masa zat adalah 20 kg. Berapakah kalor jenis dan kapasitas kalor zattersebut?Dik :t1 = 10oCt2 = 35oCQ = 5000 Jm = 20 KgDit: kalor jenis, Kapasitas kalor (H).t = t2-t1= 35°-10° = 25°c = Q : (m x t)c = 5000 : (20 x 25)c = 5000 : 500c = 10 J/kg oCH = m × c= 20kg × 10 J/kg C°= 200 J/ C°Kalor LeburRumus:Dengan:= Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)= Massa zat (Gram, Kilogram)
  15. 15. 15Teknik Industri= Kalor lebur zat (Joule/kilogram, Kilojoule/kilogram, Joule/gram).Kalor UapRumus:Dengan:= Kalor yang diterima suatu zat (Joule, Kilojoule, Kalori, Kilokalori)= Massa zat (Gram, Kilogram)= Kalor uap zat (Joule/kilogram, Kilojoule/kilogram, Joule/gram)Contoh Soal:Berapa energi kalor yang diperlukan untuk menguapkan 5 Kg air pada titik didihnya, jikakalor uap 2.260.000 Joule/Kilogram?Dik:m = 5 KgU = 2.260.000 J/KgQ = ?Q = m x U= 5 Kg x 2.260.000 J/Kg= 11.300.000 J= 11,3 x 106JPemuaian Zat cair dan GasSecara umum pada pemuaian zat cair dan gas berlaku : =TVV.0V = . vo . TT = vo (1+ T )Koefisien muai volume untuk gas pada tekanan tetap besarnya : =2731Jadi secara khusus untuk pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku:V =273.0 TVVT = Vo (1+273T)
  16. 16. 16Teknik IndustriPerubahan Fasa (Perubahan wujud)Zat dapat berbentuk padat, cair atau gas. Ketika terjadi perubahan fasa, sejumlah kalordilepas atau diserap suatu zat, yaitu: LmQ .Dimana :Q = kalor (joule atau kalori)m = massa zat (kg atau gram)L = kalor laten (J/kg atau kal/gram)Kalor laten adalah kalor yang diperlukan oleh 1 kg zat untuk berubah wujud dari satuwujud ke wujud lainnya.Beberap macam perubahan wujud dapat dilihat pada diagram di bawah ini :
  17. 17. 17Teknik IndustriBAB IIPERPINDAHAN PANASA. PENGANTAR PERPINDAHAN PANASPanas atau kalor adalah salah satu bentuk energi, yaitu energi panas. Jika suatubenda melepaskan kalor pada benda lain maka kalor yang diterima benda lain samadengan kalor yang dilepas benda itu. Pernyataan ini disebut juga sebagai Asas Black,yaitu jumlah kalor yang dilepas sama dengan kalor yang diterima. Panas dapatberpindah melalui radiasi, konveksi dan konduksi. Media yang digunakan dalamperpindahan panas bisa berupa zat padat, cair maupun udara (gas).Macam-macam Perpindahan Panas1. Perpindahan Panas Konduksi2. Perpindahan Panas Konveksi3. Perpindahan Panas Radiasi1. Perpindahan Panas Konduksi (Conduction)Konduksi Adalah proses transformasi panas jika panas mengalir dari tempatyang suhunya tinggi ke tempat yang suhunya lebih rendah, dengan media penghantarpanas tetap. Benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik disebut konduktor.Pada umumnya, konduktor terbuat dari logam. Benda yang sukar menghantarkanpanas disebut isolator. Menurut Wikipedia, pada peristiwa konduksi, panas mengalirmelalui molekul-molekul zat tanpa memindahkan atau menggerakkan molekul zat itu.
  18. 18. 18Teknik IndustriBenda padat memiliki kemampuan merambatkan panas secara konduksi yang berbeda-beda.Berdasarkan daya hantar kalor, benda dibedakan menjadi tiga, yaitu:1. KonduktorKonduktor adalah zat yang memiliki daya hantar kalor baik. Contoh bahan yangbersifat konduktor adalah besi, baja, tembaga, aluminium. Dalam kehidupan sehari-hari,dapat kita jumpai peralatan rumah tangga yang prinsip kerjanya memanfaatkan konsepperpindahan kalor secara konduksi, antara lain: setrika listrik, solder, dan lain-lain.2. IsolatorIsolator adalah zat yang memiliki daya hantar kalor kurang baik. Contoh: kayu,plastik, kertas, kaca, air, dan lain-lain. Oleh karena itu, alat-alat rumah tangga sepertisetrika, solder, panci, wajar terdapat pegangan dari bahan isolator. Hal ini bertujuanuntuk menghambat konduksi panas supaya tidak sampai ke tangan kita.3. SemikonduktorSemikonduktor adalah sebuah bahan dengan konduktivitas listrik yang berada diantara isolator dan konduktor. Semikonduktor disebut juga sebagai bahan setengahpenghantar listrik. Sebuah semikonduktor bersifat sebagai isolator pada temperaturyang sangat rendah, namun pada temperatur ruangan besifat sebagai konduktor.Bahan semikonduksi yang sering digunakan adalah silikon, germanium, dan galliumarsenide.Semikonduktor sangat berguna dalam bidang elektronik, karena konduktansinyayang dapat diubah-ubah dengan menyuntikkan materi lain (biasa disebut pendonorelektron)Contoh perpindahan panas secara konduksi adalah besi dipanaskan makatangan kita akan merasakan panas. Atau contoh sederhana dalam kehidupan sehari-hari misalnya, ketika kita membuat kopi atau minuman panas, lalu kita mencelupkansendok untuk mengaduk gulanya. Biarkan beberapa menit, maka sendok tersebut akanikut panas. Panas dari air mengalir ke seluruh bagian sendok.
  19. 19. 19Teknik Industri2. Perpindahan Panas Konveksi (Convection)Konveksi Yaitu perpindahan panas yang terjadi antara permukaan padat denganfluida yang mengalir di sekitarnya, dengan menggunakan media penghantar berupafluida (cairan/gas). Peristiwa konveksi atau aliran zat terjadi pada perubahan suhusuatu zat.Kita dapat memahami peristiwa konveksi, antara lain: Pada zat cair karena perbedaan massa jenis zat, misal sistem pemanasan air,sistem aliran air panas. Pada zat gas karena perbedaan tekanan udara, misal terjadinya angin darat danangin laut, sistem ventilasi udara, untuk mendapatkan udara yang lebih dingindalam ruangan dipasang AC atau kipas angin.Contoh aliran air waktu dipanaskan atau zat cair waktu dipanaskan. Zat cair dangas yang terkena panas maka molekul-molekulnya bertambah besar dan beratnyatetap, sehingga akan bergerak ke atas. Gerakan ke atas ini akan diikuti oleh gerakanzat lain secara terus menerus sehingga terjadi aliran zat karena panas. Dari peristiwaaliran inilah, maka panas dapat merambat secara konveksi.Macam-Macam Konveksi: Konveksi bebas/konveksi alamiah (free convection/natural convection)Perpindahan panas yang disebabkan oleh beda suhu dan beda rapat saja dantidak ada tenaga dari luar yang mendorongnya.Contoh: plat panas dibiarkan berada di udara sekitar tanpa ada sumber gerakandari luar. Konveksi paksaan (forced convection)Perpindahan panas aliran gas atau cairan yang disebabkan adanya tenaga dariluar.Contoh: plat panas dihembus udara dengan kipas/blower.
  20. 20. 20Teknik Industri3. Perpindahan Panas Radiasi (Radiation)Radiasi adalah perpindahan panas yang terjadi karena pancaran/sinaran/radiasigelombang elektro-magnetik, tanpa memerlukan media perantara.Contoh Ketika matahari bersinar terik pada siang hari, maka kita akanmerasakan gerah atau kepanasan. Atau ketika kita duduk dan mengelilingi api unggun,kita merasakan hangat walaupun kita tidak bersentukan dengan apinya secaralangsung. Dalam kedua peristiwa di atas, terjadi perpindahan panas yang dipancarkanoleh asal panas tersebut sehingga disebut dengan Radiasi.Alat yang digunakan untuk mengetahui adanya radiasi kalor atau energipancaran kalor disebut termoskop. Termoskop terdiri dari dua buah bola kaca yangdihubungkan dengan pipa U berisi air alkohol yang diberi pewarna. Perhatikan gambar;Salah satu bola lampu dicat hitam, sedangkan yang lain dicat putih. Apabilapancaran kalor mengenai bola A, hal ini mengakibatkan tekanan gas pada bola Amenjadi besar. Hal ini mengakibatkan turunnya permukaan zat cair yang ada dibawahnya.
  21. 21. 21Teknik IndustriSifat radiasi dari berbagai permukaan.Alat yang digunakan untuk menyelidiki sifat radiasi berbagai permukaan disebuttermoskop diferensial. Kedua bola lampu dicat dengan warna yang sama, tetapi diantara bola tersebut diletakkan bejana kubus yang salah satu sisi permukaannya hitamkusam dan sisi lainnya mengkilap. Jika bejana kubus diisi dengan air panas, akanterlihat permukaan alkohol di bawah bola B turun. Perbedaan ini disebabkan karenakalor yang diserap bola B lebih besar daripada bola A.Dari hasil pengamatan yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa: Permukaan benda hitam, kusam, dan kasar merupakan pemancar dan penyerapkalor yang baik. Permukaan benda putih, mengkilap dan halus merupakan pemancar danpenyerap kalor yang buruk.Oleh karena itu jika anda ingin melancong ke pantai pada siang hari janganmenggunakan pakaian hitam gunakan pakaian yang mengkilap atau putih.
  22. 22. 22Teknik IndustriBAB IIIGAS IDEAL DAN TEORI KINETIK GAS IDEAL1. Gas IdealGas ideal adalah suatu gas yang diidealkan oleh manusia atau gas ideal adalahgas yang mempunyai hubungan antara :Dimana :P = tekanan gas (N/m2)V = Volume Ruangan yang di tempati (m3)n = Jumlah mol gasT = Temperatur mutlak gas (ok)R = Suatu tetapan (0.0821 lt. Atm / mol ok)Pada kenyataanya, gas ideal tersebut tidak ada di permukaan bumi.Teori kinetik gas adalah teori yang menggunakan tinjuan tentang gaya danenergi antara partikel – partikel untuk menerangkan sifat – sifat zat. Anda tentu telahmengetahui bahwa setiap zat, baik itu zat padat, cair, maupun gas, terdiri atas materi-materi penyusun yang disebut atom. Sebagai partikel penyusun setiap jenis zat yangada di Bumi dan di seluruh alam semesta, atom-atom berukuran sangat kecil dan tidakdapat dilihat, walaupun menggunakan alat yang paling canggih. Oleh karena itu, gayayang ditimbulkan oleh interaksi antar partikel dan energi setiap partikel hanya dapatdiamati sebagai sifat materi yang dibentuk oleh sejumlah partikel tersebut secarakeseluruhan.Sifat Gas Umum :1. Gas mudah berubah bentuk dan volumenya.2. Gas dapat digolongkan sebagai fluida, hanya kerapatannya jauh lebih kecil.Sifat-Sifat Gas Ideal Dinyatakan Sebagai Berikut :1. Jumlah partikel gas sangat banyak, tetapi tidak ada gaya tarik menarik (interaksi)antara partikel2. Setiap partikel gas selalu bergerak dengan arah sembarang atau acakP V = n R T
  23. 23. 23Teknik Industri3. Ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan tempat gasberada4. Setiap tumbukan yang terjadi antarpartikel gas dan dinding bersifat lentingsempurna5. Partikel gas terdistribusi merata di dalam ruangan6. Berlaku Hukum Newton tentang gerak.Pada kenyataannya, tidak ditemukan gas yang memenuhi kriteria gas ideal. Akantetapi, sifat itu dapat didekati oleh gas pada temperatur tinggi dan tekanan rendah. Adatiga besaran yang saling berhubungan dalam pembahasan keadaan gas, Besaran-besaran tersebut ialah Tekanan (P), Volume (V) dan temperatur mutlak (T).2. Tinjauan Gas Ideal1. Jika (n, T) tetap Proses ini juga dinamakan ishotermal (Suhu tetap)Berlaku hukum Robert Boyle.Perhatikanlah Gambar berikut :Gambar 1. (a) Gas didalam tabung memiliki Volume V1 dan tekanan P1. (b) Volume gasdi dalam tabung diperbesar menjadi V2 sehingga tekananya P2 menjadi lebih kecil.Suatu gas yang berada di dalam tabung dengan tutup yang dapat diturunkanatau dinaikkan, sedang diukur tekanannya. Dari gambar tersebut dapat lihat bahwa saattuas tutup tabung ditekan, volume gas akan mengecil dan mengakibatkan tekanan gasyang terukur oleh alat pengukur menjadi membesar. Hubungan antara tekanan (p) danvolume (V) suatu gas yang berada di ruang tertutup ini diteliti oleh Robert Boyle.Saat melakukan percobaan tentang hubungan antara tekanan dan volume gas dalamsuatu ruang tertutup, Robert Boyle menjaga agar tidak terjadi perubahan temperaturpada gas. Dari data hasil pengamatannya, Boyle mendapatkan bahwa hasil kali antaratekanan (p) dan volume (V) gas pada suhu tetap adalah konstan. Hasil pengamatanP V = Konstan
  24. 24. 24Teknik IndustriBoyle tersebut kemudian dikenal sebagai Hukum Boyle yang secara matematisdinyatakan dengan persamaan :Dimana :P = Tekanan (Pa = N/m2)V = Volume (m3)2. Jika (n, P) dinamakan proses isobarik berlaku hokum Gay Lussac.Gay-Lussac seorang ilmuwan asal Prancis, meneliti hubungan antara volume gas(V) dan temperatur (T) gas pada tekanan tetap (isobarik).Gambar 2. Pada tekanan 1 atm, (a) gas bervolume 4 m3memiliki temperatur 300 K, sedangkan(b) gas bervolume 3 m3memiliki temperatur 225 K.Misalnya, Anda memasukkan gas ideal ke dalam tabung yang memiliki tutup piston diatasnya. Pada keadaan awal, gas tersebut memiliki volume 4 m3dan temperatur 300 K.Jika kemudian pemanas gas tersebut dimatikan dan gas didinginkan hingga mencapaitemperatur 225 K, volume gas itu menurun hingga 3 m3.Berdasarkan hasil penelitiannya Gay-Lussac hasil bagi antara volume (V) dengantemperatur (T) gas pada tekanan tetap adalah konstan.Persamaan matematisnya dituliskan sebagai berikut :Menurut Gay Lussac : angka muai ruangan semua gas ideal pada tekanan tetapadalah : Sehingga :Dimana : Vt = Volume gas pada suhu t0cV0 = Volume gas pada suhu 00c.P V = Konstan atau P1 V1 = P2 V2V/T = Konstan atau V1 T1 = V2 T2Vt = V0 (1+ t / 273)K0/2731
  25. 25. 25Teknik Industri3. Jika (n, V) dinamakan proses isokhorik berlaku hokum Guy Lussac.Guy Lussac, menyatakan hubungan antara tekanan (p) terhadap temperatur (T)suatu gas yang berada pada volume tetap (isokhorik). Hasil penelitiannya kemudiandikenal sebagai Hukum Guy Lussac yang menyatakan hasil bagi tekanan (p) dengantemperatur (T) suatu gas pada volume tetap adalah konstan.Persamaan matematis dari Hukum Charles dinyatakan dengan:Menurut Gay Lussac : angka muai ruangan semua gas ideal pada tekanan tetapadalah : Sehingga :Dimana : Pt = Tekanan gas pada suhu t0cP0 = Tekanan gas pada suhu 00c.Dari definisi mol zat yang menyatakan bahwa : jumlah mol = massa / massa relatifmolekul atau n = m / Mr Persamaan dapat dituliskan menjadi :Massa jenis suatu zat adalah perbandingan antara massa dengan volume zat tersebut.Dimana : m = masa zatMr = Masa relative molekulMenurut prinsip Avogadro, satu mol gas mengandung jumlah molekul gas yang sama.Jumlah molekul gas ini dinyatakan dengan bilangan Avogadro (NA) yang besarnya =6,022 × 1023molekul/mol. Dengan demikian, Persamaan dapat dinyatakan menjadi :Dengan:N = Banyak partikel gas, danNA = Bilangan Avogadro = 6,022 × 1023molekul/molPt = Po (1 + t / 273)P/T = Konstan atau P1 / T1 = P2 / T2K0/2731P V = (N / NA) R T atau P V = N (R / NA) TP V = (m / Mr) R T
  26. 26. 26Teknik IndustriJadi dari persamaan gas ideal dapat diambil kesimpulan :1. Makin tinggi temperatur gas ideal makin besar pula kecepatan partikelnya.2. Tekanan merupakan ukuran energi kinetik persatuan volume yang dimiliki gas.3. Temperatur merupakan ukuran rata-rata dari energi kinetik tiap partikel gas.4. Persamaan gas ideal (P V = n R T) berdimensi energi/usaha .5. Energi dalam gas ideal merupakan jumlah energi kinetik seluruh partikelnya.Contoh soal :Hitunglah berat molekul suatu gas jika diketahui gas tersebut pada suhu 18 oc,tekanan gas 760 dan 765 mm Hg, volume 1,29 liter, beratnya 2,71 gram.Jawab :Dik :T = 18 ocP = 760 dan 765 mm HgV = 1, 29 literm = 2,71 gramDit : M = ?Dari hubungan : P V = n R Tn = Jumlah mol Gasmasa gasberat atomSehingga :M ==29,17607652910821.071.2xxxM = 49,9 gr/mol.n = =Mmm R TP V
  27. 27. 27Teknik IndustriBAB IVHUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA, ENTROPI DANHUKUM KEDUA TERMODINAMIKA1.1 Pengertian Termodinamika Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari pertukaran energidalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas (boundary) serta lingkungan. Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara panas, kerjamekanik, serta aspek-aspek lain dari energi dan perpindahannya. Termodinamika adalah suatu cabang ilmu fisika yang mempelajari hukum-hukumdasar yang dipatuhi oleh kalor dan usaha.Istilah thermodinamika diturunkan dari bahasa Yunani Therme (panas)dan dynamis (gaya). Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua prinsip dasar yangaslinya diturunkan dari eksperimen, tapi kini dianggap sebagai aksiom.Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi, yang mengambil bentuk hukumkesetaraan panas dan kerja.Prinsip yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak dapat mengalir daribenda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahan dikeduabenda tersebut.1.2Hukum I ThermodinamikaHukum termodinamika pertama berbunyi “Energi tidak dapat diciptakan dandimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain”. Hukumpertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai modelperpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi didalam suatu benda dapatditingkatkan dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usahapada benda. Hukum pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapatterjadi.Hukum termodinamika pertama kali dikemukakan oleh James Prescoot Joule(1818-1889). Dia adalah seorang ilmuwan Inggris yang merumuskan hukum kekekalanenergi.
  28. 28. 28Teknik IndustriHukum termodinamika pertama merupakan pernyataan dari hukum kekekalan energiyang berbunyi: “energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversike dalam bentuk yang lain”. Hukum pertama adalah prinsip dari hukum kekekalanenergi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi.Menurut hukum pertama energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan denganmenambahkan kalor ke benda tersebut atau melakukan usaha pada benda. Hukumpertama ini tidak membatasi tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Selainitu karena kalor dan kerja merupakan energi yang ditransfer ke dalam dan keluar sistemmaka hukum termodinamika pertama merupakan pernyataan hukum kekekalan energi.Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universaldari hukum kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagaisuatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertamatermodinamika ini berbunyi : “kenaikan energi dalam dari suatu sistem termodinamikasebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangidengan kerja yang dilakukan oleh sistem”Pengalaman dan percobaan menunjukan bahwa sistem yang melakukan usahasecara adiabatis suhunya turun. Jadi ada hubungan antara energi dalam dengan suhu.Aplikasi : Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi. Semuanyahanya mentransfer dengan berbagai cara.Kalor dan EnergiJoule menunjukan kesetaraan antara kalor dan energi dengan suatu percobaanmenggunakan kalorimeter. Dari percobaan tersebut didapat : 1 Joule = 4,18 kalori.Kalau diperhatikan semua bentuk energi maka energi itu kekal adanya, jikapanas diubah ke berbagai bentuk energi maka jumlah energi totalnya tetap.Dimana : Q = m . CP . TU = m . CV . TV = V2 - V1 V adalah perubahan Volume (m3)CV = panas jenis pada volume konstanCP = panas jenis pada tekanan konstan CV < CP.Q = U + WQ = (U2 – U1) + W
  29. 29. 29Teknik Industridari gambar disebelah terlihat bahwa panas (Q) yangdiberikan pada suatu gas yang berada dalam tabungdigunakan untuk energi dalam ( U ) dan melakukan usahaluar (W).Jadi Q = (U2 – U1) + W= m . CV (T2 – T1) + P (V2 – V1)Contoh Soal :Dalam setiap hal, carilah perubahan energi dalam dari sistema. Sebuah sistem mengisap 500 cal panas dan pada waktu yang samamelakukan usaha luar 527 Jouleb. Sebuah sistem mengisap 300 cal dan pada waktu yang samamengerjakan panas 418 Joule.c. Pada suatu gas dengan volume tetap, 1000 cal panas dipindahkan.Jawab : gunakan persamaan hukum I termodinamika Q = U + W . Dimana Q, W danU dinyatakan dalam satuan yang sama, Q berharga posetif jika ditambah padasistem, berharga negatif jika diambil dari sistem.W posetif bila usaha dilakukan oleh sistem, negatif bila dilakukan pada system,maka :a. U = Q – W = (500 x 4,18) Joule – 527 Joule= 1563 Jouleb. U = Q – W = 300 cal )18,4418( cal= 400calc. Karena volume tak berubah, tak ada usaha yang dilakukan selam prosesU = Q – W = - 1000 cal – 0= - 1000 cal.A = LuasUwQ
  30. 30. 30Teknik Industri1.3Entropi dan Hukum II ThermodinamikaHukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadidan yang tidak dapat terjadi.Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum IItermodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor mengalir secara spontan daribenda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontandalam arah kebalikannya”; hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesinkalor: “Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklusyang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnyamenjadi usaha luar”; hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total entropisemesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika prosesireversibel terjadi”.Thermodinamika hukum kedua terkait dengan entropi. Entropi adalah tingkatkeacakan energi. Entropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapatdiubah menjadi usaha. Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami prosesreversibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya (Q) dibagi suhumutlak sistem tersebut (T).Pandanlah suatu mesin panas yang mengisap panas dari sumber bersuhu T1 danmelepaskan panas ke sekitarnya bersuhu T2 dimana T1 > T2.Panas mengalir dari sumber bersuhu T1 danmelepaskan ke sekitarnya yang bersuhu T2 makausaha mekanis yang dihasilkan: W = Q1 - Q2Eff =1QW=121QQQatau= 1 -12QQJadi efesiensi dari pada mesin panas selalu lebih rendah dari 100%.Daya guna (efesiensi) dari pada mesinWSumber PanasSekitar T2Q2Q1Mesin PanasKerja yang dilakukansistemJumlah panas total yang diserapsistem
  31. 31. 31Teknik IndustriMesin PendinginMesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhutinggi dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya, pendingin rungan (AC) danalmari es (kulkas). Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan padasuhu tinggi T1.Berdasarkan hukum kedua termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi samadengan kerja yang ditambah kalor yang diserap.Aplikasi: kulkas harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya, yang suhunyalebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuangkeluar.Gambar Siklus mesin pendinginHasil bagi antara kalor yang masuk (Q1) dengan usaha yang diperlukan (W)dinamakan koefisien daya guna (performansi) yang diberi simbol Kp. Secara umum,kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai6. Makin tinggi nilai Kp, makin baik kerja mesin tersebut. Kp = Q2 /WUntuk gas ideal berlaku :Keterangan :Kp = koefisien daya gunaQ1 = kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J)Q2 = kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J)W = usaha yang diperlukan (J)KP =212QQQ=212TTT
  32. 32. 32Teknik IndustriT1 = suhu reservoir suhu tinggi (K)T2 = suhu reservoir suhu rendah (K)Contoh SoalMesin pendingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3 oC dansuhu udara luar 27 oC, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendinginselama 10 menit? (efisiensi mesin ideal).Penyelesaian:Diketahui: P = 500 watt (usaha 500 J tiap 1 sekon)T1 = 27 oC = 27+ 273 = 300 KT2 = -3 oC = -3 + 273 = 270 KDitanya: Q2 = …? (t = 10 sekon)Jawab :KP =212TTTWQ2 =212TTTQ2 =212TTTx W =270300270x 500 = 4.500J (tiap satu sekon)Dalam waktu 10 menit = 600s.Jadi Q2 = 4.500 x 600 = 2,7×106Joule.
  33. 33. 33Teknik Industri

×