unj fmipa-fisika

1. Pertemuan 1 – 2 BESARAN – BESARAN SISTEM Dr. I Made Astra, M.Si Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

3. PANDANGAN UMUM TENTANG THERMODINAMIKA Kedua hukum dasar ini akan dibicarakan pada bab III dan bab V berikutnya. Prinsif-prinsif dan metode-metode thermodinamika dipakai pada perencanaan-perencanaan motor-motor bakar (Turbin), pusat-pusat tenaga nuklir, pesawat-pesawat pendingin, roket (pesawat terbang), pesawat-pesawat dengan tenaga listrik dan lain-lain. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

5. SISTEM TERMODINAMIKA Adapun definisi dari sistem adalah : suatu batasan yang dipakai untuk menunjukan suatu benda (benda kerja) dalam suatu permukaan tertutup. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

6. SISTEM TERMODINAMIKA Misalnya : *) Udara dikompresi di dalam silinder. Dalam hal ini sistem adalah udara yang dikompresikan dan permukaan tertutup adalah permukaan yang dibatasi silinder 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

7. KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM Pada thermodinamika, volume V, temperatur T, tekanan P, kerapatan ρ dan lain-lain disebut sebagai koordinat sistem. Keadaan sistem tergantung pada koordinat sistem, bila koordinat sistem berubah maka keadaan sistem akan berubah. Sehingga koordinat sistem sering disebut sebagai perubah (variabel) keadaan sistem/zat. Dimana perubahan keadaan sistem dari suatu keadaan ke keadaan lain dapat digambarkan pada diagram V, T, P. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

8. KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM Dalam thermodinamika, besaran sistem dapat dibagi menjadi dua besaran thermodinamika yaitu : besaran Extensive dan besaran Intensive. Besaran extensive dipengaruhi oleh massa atau mole sistem, sedangkan besaran intensive tidak dipengaruhi oleh massa atau mole sistem sistem. Contoh : Besaran extensive : Volume, Kapasitas Panas, Kerja (energi), entropy dll. Besaran intensive : Tekanan, Temperatur, kerapatan dll. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

9. KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM Dari besaran-besaran extensive akan diperoleh harga-harga jenis (specific Value) dan harga-harga molar (molal specific value) dari suatu sistem, seperti berikut : *) Haraga Jenis (specific value) adalah perbandingan antara besaran extensive dengan massa sistem/zat. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

10. KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM Contoh : Volume jenis dari sistem: V = Volume sebenarnya (m 3 ; ft 3 ) M = massa sistem (kg ; lb) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

11. KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM **) Haraga jenis molar adalah perbandingan antara besaran extensive dengan jumlah mole dari suatu sistem/zat. Contoh : Volume Jenis Molar : Dimana : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

12. KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM Maka : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

13. KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM Untuk kerapatan suatu sistem/zat dapat dibuat hubungan sebagai berikut : Sehingga didapat : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

14. TEKANAN (PRESSURE) Bila permukaan suatu zat (padat, cair dan gas) menerima gaya-gaya luar maka bagian permukaan zat yang menerima gaya tegak lurus akan mengalami tekanan (tertekan). Gaya tegak lurus pada permukaan tersebut dibagi luas permukaannya disebut Tekanan. Dengan rumus dapat ditulis : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

15. Dimana : Dalam thermodinamika, tekanan p umumnya dinyatakan dalam harga absolut (tekanan absolut/mutlak), maka dalam diktat ini simbol p menyatakan tekanan absolut dari sistem/zat Tekanan absolut tergantung pada tekanan pengukuran sistem, jadi: 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

17. Dalam satuan British, tekanan absolut dan tekanan pengukuran masing-masing dinyatakan dalam psia (pound persquare inch absolut) dan psig (pound persquare inch gauge). 1 standard atmosfir = 1,01324 x 105 N/m 2 = 14,7 lb/in 2 = 10332 kg/m 2 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

19. Dimana : T 0 F = 9/5(T 0 C) + 32 T 0 C = 5/9(T 0 F - 32 ) Hubungan antara skala temperatur kelvin, celcius, rankine dan fahrenheit 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | 0 F 0 R 0 K 0 C Ttk. didih Ttk didih Nol absolut 373 672 212 100 0 - 460 492 32 273 0 0 - 273

20. PERSAMAAN KEADAAN PERSAMAAN KEADAAN GAS IDEAL (GAS SEMPURNA) Dalam thermodinamika, gas yang dipergunakan sebagai benda kerja umumnya semuanya dianggap bersifat sebagai gas ideal. Hal ini disebabkan karena sifat-sifat gas ideal hanya berbeda sedikit dari sifat-sifat gas yang sebenarnya Gas ideal (sempurna) adalah gas dimana tenaga ikat molekul-molekulnya dapat diabaikan. Jadi setiap gas Bila tenaga ikat molekul-molekulnya dapat diabaikan tergolong dalam gas ideal 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

21. Adapun persamaan gas ideal untuk satuan massa adalah sebagai berikut : P.v = RT Dimana : P = Tekanan absolut (N/m 2 ) ; lb/ft 2 ; kg/m 2 ) v = volume jenis gas (m 3 /kg ; ft 3 /lb) R = Konstanta gas (joule/kg-mole ; ft.lb/lb-mole) T = Temperatur absolut gas ( 0 K ; 0 R) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

22. Untuk massa m persamaan gas ideal dapat ditulis : P.V = m.R.T Dimana : V = volume gas sebenarnya (m 3 ; ft 3 ) M = massa gas (kg ; lb) Untuk jumlah mole gas persamaan gas ideal menjadi : Pv* = R 0 T 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

23. Atau : PV = n.R 0 .T Dimana : Dengan: R = R 0 /M Dimana : M = berat molekul gas (kg/kg-mole ; lb/lb-mole) n = jumlah mole gas (kg-mole ; lb-mole) v* = volume jenis molar (m 3 /kg-mole ; ft 3 /lb-mole) R0 = konstanta gas universil (joule/kg-mole. 0 K ; ft.lb/lb- mole. 0 R) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

24. Harga R 0 adalah: 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

26. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | 2. Perubahan keadaan dengan proses volume konstan (isometric ; isochoris) 1 2 P 2 P 1 V = konstan V P keadaan gas dirubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan memanaskan silinder, sedang torak ditahan supaya jangan bergerak sehingga volume gas dalam silinder tetap konstan P-V Diagram Proses Isochoris

28. HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA Bila kita berikan sejumlah panas kecil dQ pada satu sistem, maka sistem tersebut akan berekspansi dan melakukan kerja luar yang kecil sebesar dW. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

30. HUKUM THERMODINAMIKA PERTAMA Energi yang diperlukan untuk hal ini disebut pertambahan energi dalam (internal energy). Jadi panas dQ sebagian dirubah untuk pertambahan energi dalam. Selain itu juga sistem mengalami pertambahan energi kinetik dan pertambahan energi potensial luar akibat gaya-gaya konservatif luar seperti gaya gravitasi dan lain-lain. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

31. HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA Bila kita buat : dU = Pertambahan energi dalam dEk = Pertambahan energi kinetik dEp = Pertambahan energi potensial luar. Maka dapatlah kita buat persamaan energi untuk sistem tadi : dQ = dW + dU + dEk + dEp 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

32. HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA Persamaan ini menyatakan prinsip konservasi energi dari suatu sistem dan menjadi hukum thermodinamika pertama secara matematic . Tapi dalam persoalan thermodinamika, sistem-sistem sebagian besar mengalami energi kinetik dan energi potensial yang konstan (pada sistem-sistem yang diisolasi) atau dEk = 0 dan dEp = 0 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

33. HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA dQ = dU + dW M aka hukum thermodinamika pertama menjadi : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

34. Bila kerja negatif , berarti sistem menerima kerja (kerja luar) dari sekelilingnya. Bila kerja positif , berarti sistem melakukan kerja terhadap sekelilingnya. Untuk menjelaskan hal ini marilah kita tinjau suatu silinder berisi gas yang dilengkapi dengan torak yang dapat bergerak 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | dV V P V 1 V 2 ds 1 2 P-V Diagram, Kerja Gas dlm Silinder

35. Kerja Pada Perubahan Keadaan Temperatur Konstan/isothermal Sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan temperatur konstan. T = konstan T 1 = T 2 1 2 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | P V P 1 P 2 V 2 V 1

36. W = P(V 2 – V 1 ) Tekanan Konstan/isobaric Volume Konstan W = 0 why? 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | P V P 1 = P 2 V 2 V 1 1 2 Sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan tekanan konstan. P = konstan P 1 = P 2

38. Bila proses berjalan dengan volume konstan, maka kapasitas panas tersebut diatas disebut dengan kapasitas panas pada volume konstan disimbolkan dengan Cv. Selanjutnya bila proses berjalan dengan tekanan konstan, maka kapasitas panas tersebut disebut dengan kapasitas panas pada tekanan konstan yang disimbolkan dengan Cp. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

39. Kapasitas panas C persatuan massa m disebut panas jenis (specific heat) disimbol dengan c, jadi panas jenis suatu sistem adalah : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

40. P anas yang masuk kesistem persatuan massa untuk perubahan temperatur dT, besarnya : dq = c.dT Untuk proses dengan volume konstan : dq = du = c v .dT Untuk proses dengan tekanan konstan : dq = c p .dT 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

41. Panas total yang masuk kesistem (untuk massa m), besarnya : dQ = m.dq = m.c p .dT atau : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

42. Bila c p konstan, maka : Q = m.cp (T 2 – T 1 ) Untuk proses dengan volume konstan : Q = U 2 – U 1 = m c v (T 2 – T 1 ) Untuk semua gas dapat ditulis : cp – cv = R dimana : cp/cv = γ , maka : cv = R / (γ – 1) cp = γ.R / (γ – 1) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

43. PENGGUNAAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA PROSES ADIABATIK Perubahan keadaan disebut adiabatik bila tidak ada panas yang dikeluarkan/diterima sistem dari/terhadap sekelilingnya atau dq = 0. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

44. PENGGUNAAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA Hal ini dimungkinkan bila sistem diisolasi. Kejadian ini terjadi pada motor-motor bakar jenis diesel, pada akhir kompresi temperatur udara sangat tinggi hingga sanggup membakar bahan bakar tanpa menggunakan bunga api. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

45. Pandang suatu silinder berisolasi berisi gas yang dilengkapi dengan piston seperti terlihat pada gambar berikut : P-V Diagram Proses Adiabatik Hukum thermodinamika pertama dq = du + dw 0 = du + dw U 2 – U 1 = - W atau U 1 – U 2 = W 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

46. Kerja pada proses Adiabatik Pada proses Ekspansi Adiabatik Pada proses kompresi Adiabatik 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

47. ENTALPY H = U + P.V Q = H 2 – H 1 H 2 – H 1 = m.c p (T 2 – T 1 ) h 2 – h 1 = c p (T 2 – T 1 ) Entalpy suatu sistem adalah penjumlahan dari energi dalam dengan hasil kali tekanan dan volume sistem. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

48. PROSES MELINGKAR CARNOT 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | 4-1. Kompresi adiabatik 3-4. Kompresi isothermal 2-3. Ekspansi adiabatik 1-2 . Ekspansi isothermal

49. Kerja pada proses ekspansi isothermal 1-2 : Kerja pada proses ekspansi adiabatik 2-3 (dQ = 0 ; dW = - dU) : Kerja pada proses kompresi isothermal 3-4 : Kerja pada proses kompresi adiabatik 4-1 : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

50. Pada proses ekspansi isothermal 1-2 dan proses kompresi isothermal 3-4, energi dalam gas ideal adalah konstan, maka : W 2 = Q 2 ; W 1 = Q 1 Dengan demikian kerja netto pada proses melingkar carnot menjadi : W = Q 2 – Q 1 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

51. Efisiensi thermis dari lingkaran carnot adalah : Dari kedua persamaan diatas didapat hubungan : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

52. Skema diagram alir untuk mesin panas carnot 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

53. REFRIGERATOR (PENDINGIN) CARNOT Karena proses melingkar carnot adalah proses reversibel, maka proses dapat dibalik Proses yang dibalik ini disebut dengan refrigerator carnot. Jadi refrigerator carnot bekerja dengan kebalikan dari mesin panas carnot. Mesin carnot disebut dengan direct cycle sedang refrigerator carnot disebut reversed cycle Refrigerator carnot menerima kerja luar W dan menyerap panas Q 1 dari reservoar dingin (heat sink) temperatur T 1 serta memberikan panas Q 2 ke reservoar panas temperatur T 2 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

54. Skema diagram alir Refrigerator carnot 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

55. Jadi dapat dibuat hubungan : W = Q 2 – Q 1 Koefisien of Performan : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

56. TERIMA KASIH 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |