unj fmipa-fisika

1. Pertemuan 4 KESETIMBANGAN TERMAL Dr. I Made Astra, M.Si Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

5. 1. Pendahuluan. Suhu dan kalor merupakan suatu fenomena yang lain dalam bidang fisika. Kalau dalam mekanika keadaan setimbang suatu sistem mekanik dapat dinyatakan dalam besaran-besaran dasar seperti panjang , massa dan waktu maka dalam fenomena panas diperlukan besaran lain ; yaitu panas atau kalor • Suhu : menyatakan ukuran kuantitatif keadaan panas dinginnya suatu benda • Panas (kalor) : menyatakan ukuran energi panas yang terdapat pada suatu benda karena pengaruh perbedaan suhu 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

6. • Alat ukur suhu ( termometer) Prinsip kerja termometer adalah berdasarkan pada pemuaian atau panas yang dipancarkan • Standar skala suhu : Titik tripel air (273.16 0 C) Titik didih air (373.16 0 C) • Skala termometer : Perbandingan skala termometer Kelvin , Celcius , Rankine dan Fahrenheit 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id | 0 K 0 C 0 R 0 F Titik uap 373 100 672 212 Titik beku 273 0 492 32 Titikmutlak 0 -273 0 -460

7. • Hubungan antara suhu Celsius (t C ) dengan suhu Kelvin (T K ) t C = T K – 273.16 • Hubungan antara Rankin dengan Kelvin T R = 9 / 5 T K • Hubungan antara Celsius dengan Fahrenheit t C = 5 / 9 ( t F - 32 0 ) Kesetimbangan termal : beberapa buah sistem yang berada dalam keadaan tingkat suhu yang sama 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

8. 2. Pemuaian : Pemuaian adalah perubahan ukuran suatu benda sebagai akibat adanya perubahan suhu. Dikenal tiga macam pemuaian , yaitu : pemuaian panjang , pemuaian bidang dan pemuaian volum. • Pemuaian panjang , α = koefisien muai panjang ∆ L = α L ∆T ...........(01a) • Pemuaian bidang , β = koefisien muai luas ∆ A = β A ∆T , β = 2 α ……...(01b) • Pemuaian vol , γ = koefisien muai volum : ∆ V = γ V ∆T , γ = 3 α ………(01c) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

9. - Tegangan termal : ... Pada berbagai bangunan , terdapat bagian-bagian .... tertentu yang dirancang secara khusus agar tidak ... dapat memuai atupun menyusut dikala suhu beru- .... bah.Karena ukuran bendanya tidak dapat berubah ........ maka dalam bahan akan terjadi tegangan yang .... disebut tegangan termal . .... Besarnya tegangan ( σ ) termal ini adalah : σ (=F/A) = Y (∆L/L 0 ) dengan ∆L = α L 0 ∆T atau σ = Y α ∆T …………..(02) Y = modulus Young , ∆T = kenaikan suhu α = koefisien muai panjang 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

10. 3. Peralihan wujud : Titik tripel : titik (suhu) dimana terdapat tiga macam wujud benda , yaitu : padat , cair dan gas • Kalor : merupakan energi panas • Satuan kalor : kalori 1 kalori = banyaknya energi panas yang diperlu kan untuk menaikkan suhu 1 gram benda sebesar 1 0 C I kal = 4.186 Joule atau 1 J = 0.24 kal • Kapasitas kalor ,C dan kapasitas kalor jenis , c : C = ∆ Q / ∆ T ...........(03) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

11. c = C / m = (1/m) (∆Q/∆T) ..........(04) • Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda yang bermassa m dari suhu T 1 ke T 2 adalah : Q = mc (T 2 – T 1 ) .........(05) • Panas laten ,L (kal) : Penyerapan energi dapat terjadi pada suhu konstan yaitu ; saat terjadi perubahan wujud benda(meleleh , menguap, membeku dan lain- lain.) Banyaknya kalor yang diserap persatuan massa saat terjadi perubahan wujud adalah : Q = m L ……..(06) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

12. • Asas Black : Q yang dilepas benda bersuhu tinggi = Q yang diterima benda bersuhu rendah Contoh 1 : Kalorimeter ( c CU = 0.093 kal / (gr. 0 C)) massa nya 100 gram , berisi 150 gram air dan 8 gram es. Ke dalam kalorimeter dimasukkan 100 gram timah ( c Pb = 0.031 kal / ( gr.0C )) bersuhu 200 0 C . Berapa suhu akhir sistem ? (c air = 1kal / (gr. 0 C)) Jawaban : Q dilepas = Q diterima Q dilepas = 100 gr x 0.031 kal/(gr. 0 C) x (200 0 C - t) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

13. Q diterima = 8 gr x 80 kal/gr + (8 + 150)gr x kal/(gr. 0 C) x t + 100 gr x 0.093 kal/(gr. 0 C) x t 170.4 t = -20 0 C -> t = - 0.12 0 C t negatif berarti tidak semua es melebur Jumlah es yang melebur adalah : 80 gr x M = 100 gr x 0.31 kal/(gr. 0 C) x 200 0 C M = 7.78 gram 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

14. 4. Kalor dan Usaha Sering terjadi transformasi dari kalor menjadi usaha ataupun sebaliknya Proses ini harus memenuhi hukum kekekalan energi yaitu : • Kalor yang diterima = Usaha + perubahan energi dakhil dQ = dW + dU .......(07) Hukum Pertama Termodinamika • Usaha : W = ∫ p dV .......(08) Berbagai proses perubahandari kalor ke usaha atau sebaliknya • Proses adiabatic: Tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari system, dQ = 0 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

15. pV γ = konstan W = ∫ p dV W = (p 1 V 1 - p 2 V 2 ) / (1 - γ ) ......(09) • Proses isotermis : Proses yang berlangsung pada suhu etap dU = 0 dQ = dW .....(10) • Proses isobaric : Proses berlangsung pada tekanan system tetap W = p (V2 - V1) ......(11) • Proses isovolum : Proses berlangsung pda volum tetap dW = 0 dU = dQ ......(12) 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

16. simulasi macam- macam proses http://www.walter-fendt.de/ph11e/gaslaw.htm 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

17. Contoh 1 : Luas penampang silinder baja adalah 0.1ft 3 . Silinder berisi 0.4 ft glyserin dan berpiston yang dapat menutup rapat silinder. Di atas piston diletakkan beban 6000 lb. Kemudian silinder dipanaskan dari 60 0 F manjadi 160 0 F. Pemuaian silinder diabaikan. Ditanayakan : a). Tambahan volum gliserin b). Usaha mekanik terhadap gaya beban 6000 lb yang dilakukan gliserin c). Panas yang ditimbulkan pada gliserin ( c = 0.58 kal/(gr. 0 C ) d). Perubahan energi dakhil gliserin. Jawaban : 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

18. a). ∆V = β x V 60 x ∆T = 0.4 ft 3 x 0.485 x 10 -3 / 0 0 x 5/9 x (160 -60) 0 F = 0.0108 ft 3 atau = 0.0108 ft 3 x m 3 /(0.3048ft ) 3 = 0.38 m 3 b ). W = p ∆V = F/A x ∆V = 6000 lb/(0.1 ft 2 ) x 0.0108 ft 3 = 648 lb-ft atau = 648 lb-ft x (1.356 J/ lb-ft) = 879 J c). Q = m c ∆T = 0.4 ft 3 x 1.26 x 62.4 lb/ ft 3 x 0.58 Btu/ 0 F x (160 - 60) 0 F = 1827 Btu atau = 1827 Btu x 252 kal/Btu = 460.4 kkal. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

19. d). Perubahan tenaga dakhil : U = Q - W = (1827 x 778 - 648 ) lb – ft = 1420758 lb - ft 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

20. Rangkuman : 1. Suhu merupakan ukuran dari panas / dinginnya suatu benda . * Alat pengukur suhu adalah termometer Kkasifikasi skala termometer : - Termometer Celsius , 0 C - Termometer Fahrenheit , 0 F ; t F = 9/5(t C ) + 32 0 F - Termometer Kelvin , 0 K ; T 0 K = t C + 273 0 K 2. Pemuaian panjang , ∆L [m] : ∆ L = α L 0 ∆T ; α = koefisien muai panjang L 0 = panjang awal ∆ T = kenaikan suhu 3. Tegangan termal , σ [N/m 2 ] : σ = Y α ∆T ; Y = modulus Young 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

21. 4. Peralihan wujud Titik tripel : titik (suhu) dimana terdapat tiga macam wujud benda , yaitu : padat , cair dan gas • Kalor : merupakan energi panas • Satuan kalor : kalori 1 Joule = 0.24 kal • Kapasitas kalor spesifik , c (kal/(gr. 0 C) c = (1/m) (∆Q/∆T) ; m =massa benda ∆ Q = pertambahan kalor • Panas laten , L (kal/gr) : Banyaknya kalor yang dilepas/diserap pada saat terjadi perubahan wujud benda . 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

22. 5 . Azas Black Q yang dilepas benda bersuhu tinggi = Q yang diterima benda bersuhu rendah 6. Kalor dan usaha • Kalor yang diterima = Usaha + perubahan energi dakhil(dalam) dQ = dW + dU Hukum Pertama Termodinamika 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

23. << CLOSING>> Setelah mengikuti dengan baik seluruh materi bahasan dalam pertemuan ini, mahasiswa diharapkan sudah dapat menyelesaikan/menghitung masalah-masalah yang ada kaitannya dengan suhu dan kalor serta mampu mengaplikasikannya dalam bidang sistem komputer. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

24. Wouuu 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

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