Selasa, 28 April 2015
Kamis, 02 April 2015
Rangkuman dan Petunjuk Belajar Materi Hukum II Termodinamika
0 komentar Diposting oleh Fitria Adi Mustika di 05.30
Mesin adalah alat untuk mengubah
energy kalor dari zat kerja menjadi energy mekanis yang bermanfaat. Terdapat
dua jenis mesin yaitu mesin kalor dan mesin pendingin, unjuk kerja dari kedua
mesin ini masing-masing ditunjukkan oleh efisiensi dan koefisien kerjanya.
Dibedakan dua jenis proses yaitu
proses reversible dan proses ireversibel. Proses reversible didefinisikan
sebagai serangkaian proses yang berlangsung pada suatu sistem yang akhirnya mengembalikan
keadaan sistem ke keadaan semula tanpa perubahan pada keadaan sistem – sistem
yang lain atau sekelilingnya. Proses yang tidak memenuhi syarat tersebut
disebut proses ireversibel.
Siklus carnot merupakan siklus yang
terdiri dari dua proses isothermal dan dua proses adiabatic reversible. Mesin
yang bekerja berdasar siklus Carnot disebut mesin carnot.
Pernyataan Clasius pada dasarnya
menyatakan bahwa untuk memindahkan kalor dari tendon dingin ke tendon kalor
diperlukan kerja/usaha oleh “sistem perantara”. Sedang pernyataan Kelvin Planck
pada dasarnya menyatakan bahwa perubahan kalor menjadi kerja tidak dapat
terjadi 100%. Jadi selalu adakalor yang terbuang. Pernyataan clausius dan
Kelvin planck tentang hokum dua termodinamika adlah setara, jika pernyataan
Clausius tidak benar maka pernyataan Kelvin planck tidak benar atau sebaliknya.
Efisiensi
mesin ireversibel tidak dapat lebih besar dari mesin reversible yang beroperasi
diantara dua tendon yang sama.
Suhu
termodinamik adalah suhu yangtidak tergantung pada sifat zat kerja. Karena suhu
termodinamik nol tidak dapat dicapai maka suhu nol pada skala termdinamik
disebut nol mutlak.
Seperti pada hokum pertama, hokum
kedua juga dapat digambarkan secara grafis dengan menggunakan diagram T-s dan
diagram h-s. dengan diagram T-s, jumlah kalor yang diserap atau dilepaskan oleh
sistem termodinamis dapat digunakan. Seringkali sebuah proses juga digambarkan
dalam diagram h-s (atau digambarkan Mollier). Keuntungan menggunakan Mollier
adalah kerja,kalor, dan efisiensi dapat ditentukan dari titik ordinat dalam
siklus. Pada saerah jenuh cair-uap, entropi jenis dapat dihitung dengan
menggunakan besar-besar kualitas x.
Dengan menggunakan hokum pertama dan
definisi entropi dapat dicari hubungan penting pertama. Sedangkan hubungan
penting kedua diturunkan dari hubungan pertama yang digabungkan dengan definisi
dari entalpi.
Sebagai petunjuk belajar, setelah
mempelajari seluruh bab diharapkan dapat :
1.
Menuliskan arti istilah yang dicetak miring
dan tebal dalam bagian teks
2.
Menjawab seluruh pertanyaan-pertanyaan dan
menyelesaikan soal-soal yang diberikan di akhir bab.
Sumber
: Buku Termodinamika Penerbit Ainie Khuriati Riza Sulistiati Penerbit Graha
Ilmu halaman 190
Rangkuman Dan Petunjuk Belajar (Sistem Termodinamika Dan Spesifikasi Keadaannya)
0 komentar Diposting oleh Fitria Adi Mustika di 05.27
Sejumlah
tertentu dari bahan yang sedang diteliti disebut sistem. Sistem termodinamik
adalah sistem yang keadaannya diberikan oleh besaran-besaran termodinamik.
Berdasarkan interaksi dengan lingkungannya, sistem dibedakan menjadi tiga
macam, yaitu sistem terbuka, tertutup, dan terisolasi.
Keadaan suatu sistem ditentukan oleh
beberapa syarat yang disebut sifat sistem, yang biasanya diamati secara
kuantitatif yang disebut besaran. Besaran dibagi menjadi dua yaitu, besaran
ekstensif dan besaran instensif. Terdapat tiga sifat sistem yang penting, yaitu
volume, tekanan, dan suhu.
Perbandingan antara besaran
ekstensif suatu sistem terhadap massa sistem disebut harga jenis purata dari
sistem. Harga jenis molal purata didefinisikan sebagai perbandingan antara
harga dari besaran ekstensif dengan jumlah mol dari sistem.
Apabila suatu sistem memenuhi
syarat-syarat keset imbangan mekanis,
termal dan kimiawi maka sistem disebut dalam keadaan kesetimbangan
termodinamik.
Proses adalah perubahan suatu sistem
dari satu keadaan ke keadaan lain. Dikenal dua jenis proses yaitu kuasistatis
dan tidak kuasistatis. Proses kualistatis dibedakan menjadi poses isothermal,
isochoris, isobaris dan adibiatis. Bila dua sistem satu sama lain berada dalam
kesetimbangan termal maka suhu kedua sistem tersebut sama. Alat untuk mengukur
suhu disebut thermometer. Thermometer yang baik ditentukan oleh kepekaannya,
ketelitiannya, dan keterulangannya (dengan diperbanyak)serta kecepatannya
mencapai kesetimbangan termaldengan sistem lainnya. Skala yang digunakan dalam
keteknikan adalah Rankine dan Fahrenheit, sedangkan dalam satuan metris
digunakan skala Kelvin – dan Celcius.
Perilaku gas pada tekanan rendah
mempunyai hubungan dan disebut sebagai gas ideal.
Terdapat
dua model untuk menganalisis campuran beberapa gas yaitu model Dalton dan model
Amagat.model Dalton, sifat – sifat dari setiap komponen gas campuran berada
paad tekanan terpisah dengan volume campuran. Sedangkan model Amagat,
sifat-sifat dari setiap komponen dianggap seolah –olah setiapkomponen gas
campuran berada terpisah pada volume dengan tekanan campuran.
Sebagai
petunjuk belajar, setelah mempelajari
seluruh bab diharapkan dapat
1.
Menuliskan arti istilah yang dicetak miring
dan tebal dalam bagian teks.
2.
Menjawab seluruh pertanyaan-pertanyaan dan
menyelesaikan soal-soal yang diberikan diakhir bab.
3.
Menjelaskan tentang sistem termodinamik.
4.
Menjelaskan tentang sifat sistem dan
membedakan antara besaran ekstensif dan besaran intensif
5.
Menjelaskan berbagai jenis kesetimbangan
dan proses termodinamika
6.
Mendefinisikan tekanan dan menguraikan
berbagai jenis tekanan
7.
Menjelaskan hukumke nol termodinamika
8.
Menentukan skala suhu dan mengkonversi suhu
dalam berbagai skala suhu termodinamik dalam satuan metris maupun keteknikan.
Sumber
: Buku Termodinamika Penerbit Ainie Khuriati Riza Sulistiati Penerbit Graha
Ilmu halaman 46-47
Dayaguna (Eksergi)
Apabila
interaksi kalor terjadi antara sistem dan lingkungannya, kerja berguna maksimum
yang dapat dilakukan oleh sistem menunjukkan dayaguna (eksergi) energy
sistemnya. Kerja maksimum dilakukan hanya bila sistem mengalami proses reversible
sebelum sistem akhirnya mencapai kesetimbngan dengan lingkungannya. Setelah
kesetimbangan tercapai, sistem tidak dapat lagi membangkitkan kerja lebih
lanjut, dan nilai dayagunanya menjadi nol.
Menurut hukumpertama, energy tidak
dapat dimusnahkan selama proses, hanya dapat berubah bentuk dari satu ke
lainnya. Sebaliknya oleh bertambahnya entropi (hokum ke dua termodinamika).
Mjusnahnya dayaguna sebanding dengan meningkatknya entropi sistem dan
lingkungan. Dayaguna yang dimusnahkan disebut energy tak berdayaguna.
Keadaan Mati
Jika
keadaan materi dalam sistem tertutup yang berjumlah tertentu dan terpisah dari
lingkungan, kesempatan terjadinya kerja menurun dan akhirnya hilang ketika
sistem dan lingkungan mecapai kesetimbangan.
Sekali
sistem dan lingkungan berada dalam kesetimbangan, tidak ada perubahan keadaan
lebih lanjut dari sistem yang dapat terjadi secara spontan. Pada keadaan ini,
sistem tidak dapat lagi membangkitkan kerja. Bila sebuah sistem dan
lingkungannya ada dalam kesetimbangan satu sama lain, sistem dikatakan dalam
keadaan mati. Misalkan keadaan berubah dari keadaan awal 1 ke keadaan akhir 0.
Pada keadaan ini sistem berada dalam kesetimbangan termal dan mekanis dengan
lingkungan. Kerja reversible maksimum yang dilakukan
Wrev
= (-Qrev – ΔE) + (Qrev + T0 ΔS)
=
- ΔE + T0 ΔS = - (E0-E)+ T0 (S0-S) (6-44)
=
(E - T0S) – (E0 - T0 S0)
Perpindahan
kerja berguna didefinisikan sebagai perpindahan kerja reversible maksimum
dikurangi kerja dilakukan oleh atmosfer, dapat dituliskan sebagai
Wu
= Wrev-Wlingk
Jika
tekanan lingkungan adalah po, kerja yang dilakukan oleh atmosfer
adalah
Wlingk=
p0 (V0-V) = -p0(V -V0)
Sehingga
kerja berguna Wu = Wrev - p0 ΔV (6-45)
Atau
Wu
= Wrev - p0 dv/dt
Kerja
berguna
Wrev,u
= (E- T0S) = (E0 - T0 S0) - p0
(V0-V) (6-46)
Energi E mencakup energy kinetic,
energy potensial, dan energy dalam dari sistem.
Sumber
: Buku Termodinamika Penerbit Ainie Khuriati Riza Sulistiati Penerbit Graha
Ilmu halaman 212
Mungkin anda tidak asing dengan istilah
api unggun. Api unggun yang sering dinyalakan ketika melakukan kegiatan kemah
atau pramuka pada malam hari. Apa yang dapat kamu rasakan saat kamu berada di
sekitar nyala api unggun ? Kamu akan merasakan hangatnya api unggun dari jarak
berjauhan. Bagaimanakah panas api unggun dapat sampai ke badanmu? Kalor yang
kamu terima dari nyala api unggun disebabkan oleh energi pancaran. Kalor ini
berpindah tanpa melalui zat perantara. Jadi pengertian Radiasi
adalah perpindahan kalor tanpa melalui zat perantara.
Contoh lain yang merupakan peritiwa radiasi adalah peristiwa panasnya sinar matahari hingga sampai ke bumi. Peristiwa ini dimanfaatkan untuk mengeringkan sesuatu misalnya menjemur pakaian. Jika tidak ada peristiwa radiasi anda tidak akan bisa mengeringkan pakaian. Bagaimana cara mengetahui adanya radiasi atau pancaran kalor?
Contoh lain yang merupakan peritiwa radiasi adalah peristiwa panasnya sinar matahari hingga sampai ke bumi. Peristiwa ini dimanfaatkan untuk mengeringkan sesuatu misalnya menjemur pakaian. Jika tidak ada peristiwa radiasi anda tidak akan bisa mengeringkan pakaian. Bagaimana cara mengetahui adanya radiasi atau pancaran kalor?
Alat yang digunakan untuk mengetahui
adanya radiasi kalor atau energi pancaran kalor disebut termoskop. Termoskop
terdiri dari dua buah bola kaca yang dihubungkan dengan pipa U berisi air
alkohol yang diberi pewarna.
Alat yang digunakan
untuk menyelidiki sifat radiasi berbagai permukaan disebut termoskop
diferensial. Kedua bola lampu dicat dengan warna yang sama, tetapi di antara
bola tersebut diletakkan bejana kubus yang salah satu sisinya permukaannya
hitam kusam dan sisi lainnya mengkilap. Jika bejana kubus diisi dengan air
panas, akan terlihat permukaan alkohol di bawah bola B turun. Perbedaan ini
disebabkan karena kalor yang diserap bola B lebih besar daripada bola A. Dari
hasil pengamatan yang dilakukan dapat ditarik kesimpulan bahwa:
1.
Permukaan benda hitam, kusam, dan kasar
merupakan pemancar dan penyerap kalor yang baik.
2.
Permukaan benda putih, mengkilap dan
halus merupakan pemancar dan penyerap kalor yang buruk
Oleh karena itu jika anda ingin melancong ke pantai pada siang
hari jangan menggunakan pakaian hitam gunakan pakaian yang mengkilap atau
putih. Kenapa? Ini akan berlaku konsep perpindahan kalor secara radiasi.
Setelah kita
membahas konsep radiasi benda hitam, kali ini kita akan mempelajari
penerapannya. Dengan menggunakan prinsip radiasi benda hitam, kita dapat
menentukan daya yang dipancarkan oleh matahari, suhu matahari, dan radiasi yang
dipancarkan oleh tubuh manusia.
1. Penentuan Suhu
Permukaan Matahari
Suhu permukaan
matahari atau bintang dapat ditentukan dengan mengukur daya radiasi matahari
yang diterima bumi. Dengan menggunakan hukum Stefan-Boltzmann, total daya yang
dipancarkan oleh matahari adalah:
PM =
I.A
Jika diketahui:
I = e . σ . TM4
A = luas permukaan matahari = 4πRM
e = 1
maka PM = e .
σ . TM44πRM
Matahari
memancarkan daya yang sama ke segala arah. Dengan demikian bumi hanya menyerap
sebagian kecil.
Pabs = PM (Л RB2/ 4
Л D2 ) = (𝜎TM4)
(4ΠrM2) ( Л RB2/ 4ΠD2
)
Keterangan:
PM : daya yang dipancarkan matahari (watt)
TM : suhu permukaan matahari (K)
RM : jari – jari matahari (m)
σTM4 :
laju radiasi matahari (watt/m2)
Pabs : daya yang diserap bumi (watt)
RB : jari-jari bumi (m)
D : jarak matahari ke bumi (m)
Meskipun bumi
hanya menyerap sebagian daya dari matahari, namun bumi mampu memancarkan daya
ke segala arah. Besar daya yang dipancarkan bumi adalah :
Pemt
= ( 𝜎TB4 ) ( 4 π RB2)
Keterangan:
Pemt : daya yang dipancarkan bumi (watt)
TB : suhu permukaan bumi (K)
Misalnya bumi
berada dalam kesetimbangan termal maka daya yang diserap bumi sama dengan daya
yang dipancarkan. Dengan demikian suhu permukaan matahari adalah :
TM = TB
√2D/RM
2. Radiasi Energi
yang Dipancarkan Manusia
Penerapan radiasi
benda hitam juga dapat diterapkan pada benda-benda yang tidak berada dalam
kesetimbangan radiasi. Sebagian besar energi manusia diradiasikan dalam bentuk
radiasi elektromagnetik, khususnya inframerah. Untuk dapat memancarkan suatu
energi, tubuh manusia harus menyerap energi dari lingkungan sekitarnya. Total
energi yang dipancarkan oleh manusia adalah selisih antara energi yang diserap
dengan energi yang dipancarkan.
PT =
Ppancar – Pserap
Dengan memasukkan
hukum Stefan-Boltzmann diperoleh totalenergi yang dipancarkan manusia sebagai
berikut.
PT =
σAe(T4 – To4)
Radiasi benda hitam adalah radiasi
elektromagnetik yang dipancarkan oleh sebuah benda hitam. Radiasi ini
menjangkau seluruh daerah panjang gelombang. Distribusi energi pada daerah
panjang gelombang ini memiliki ciri khusus, yaitu suatu nilai maksimum pada
panjang gelombang tertentu. Letak nilai maksimum tergantung pada temperatur,
yang akan bergeser ke arah panjang gelombang pendek seiring dengan meningkatnya
temperatur.
Pada tahun 1879 seorang ahli fisika dari
Austria, Josef Stefan melakukan eksperimen untuk mengetahui karakter universal
dari radiasi benda hitam. Ia menemukan bahwa daya total per satuan luas yang
dipancarkan pada semua frekuensi oleh suatu benda hitam panas (intensitas
total) adalah sebanding dengan pangkat empat dari suhu mutlaknya. Sehingga
dapat dirumuskan:
I total = σ . T4 .......................................................
(1)
dengan
I menyatakan intensitas radiasi pada permukaan benda hitam pada semua
frekuensi, T adalah suhu mutlak benda, dan σ adalah tetapan Stefan-Boltzman,
yang bernilai 5,67 × 10-8 Wm-2K-4.
Untuk kasus benda panas yang bukan benda
hitam, akan memenuhi hukum yang sama, hanya diberi tambahan koefisien
emisivitas yang lebih kecil daripada 1 sehingga:
I total =
e.σ.T4 ............................................................
(2)
Intensitas
merupakan daya per satuan luas, maka persamaan (2) dapat ditulis sebagai:
P/A
= = e. σ. T4 ......................................................
(3)
dengan:
P
= daya radiasi (W)
A
= luas permukaan benda (m2)
e
= koefisien emisivitas
T
= suhu mutlak (K)
Beberapa
tahun kemudian, berdasarkan teori gelombang elektromagnetik cahaya, Ludwig
Boltzmann (1844 - 1906) secara teoritis menurunkan hukum yang diungkapkan oleh
Joseph Stefan (1853 - 1893) dari gabungan termodinamika dan persamaan-persamaan
Maxwell. Oleh karena itu, persamaan (2) dikenal juga sebagai Hukum Stefan-
Boltzmann, yang berbunyi:
“Jumlah
energi yang dipancarkan per satuan permukaan sebuah benda hitam dalam satuan
waktu akan berbanding lurus dengan pangkat empat temperatur termodinamikanya”.
Anda
sekarang sudah mengetahui Radiasi Benda Hitam dan Radiasi
Panas. Terima kasih anda sudah berkunjung ke Perpustakaan Cyber.
Referensi
:
Budiyanto,
J. 2009. Fisika : Untuk SMA/MA Kelas XII. Pusat Perbukuan, Departemen
Pendidikan Nasional, Jakarta. p. 298.
Referensi
Lainnya :
Hukum Stefan - Boltzmann (1898)[sunting | sunting sumber]
"Jika suatu
benda hitam memancarkan kalor, maka intensitas pemancaran kalor tersebut
sebanding-laras dengan pangkat empat dari temperatur absolut".
Pernahkah kalian memakai pakaian hitam di
siang hari yang panas? Jika pernah, bagaimana rasanya? Pasti sangat panas,
bukan? Mengapa? Ini karena warna hitam menyerap semua cahaya atau sinar yang
jatuh mengenainya sehingga benda tersebut akan menjadi panas. Inilah yang
disebut radiasi benda hitam.
Pernahkah
kalian melihat lampu pijar? Jika kalian perhatikan, pada bagian filamen lampu
berwarna kuning keputih-putihan padahal lampu berwarna biru. Mengapa hal ini
terjadi? Ini terjadi karena suhu lampu pijar di atas 2.000 K. Semua benda yang
berada pada suhu di atas 2.000 K akan memancarkan cahaya putih.
Dalam
perambatan cahaya melalui ruang hampa, cahaya dianggap sebagai gelombang,
seperti pada peristiwa interferensi dan difraksi. Adapun dalam peristiwa interaksi
cahaya dengan atom maupun molekul, cahaya dianggap sebagai partikel. Peristiwa
tersebut antara lain radiasi panas, efek fotolistrik, dan gejala Compton.
1. Pengertian Radiasi Panas
Radiasi
panas adalah radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya.
Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi pada umumnya, kalian dapat
melihat sebuah benda, karena benda itu memantulkan cahaya yang datang padanya,
bukan karena benda itu memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena
meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1.000 K. Pada suhu ini benda mulai
berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu di
atas 2.000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti pijar putih
dari filamen lampu pijar. Begitu suhu benda terus ditingkatkan, intensitas
relatif dari spektrum cahaya yang dipancarkannya berubah. Hal ini menyebabkan
pergeseran warna-warna spektrum yang diamati, yang dapat digunakan untuk
menentukan suhu suatu benda.
 |
|
Gambar 1.
Filamen lampu pijar meradiasikan panas pada suhu di atas 2.000 K.
|
Secara
umum bentuk terperinci dari spektrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu
benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Walaupun demikian, hasil
eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan
spektra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam atau
black body.
Benda
hitam didefinisikan sebagai sebuah benda yang menyerap semua radiasi yang
datang padanya. Dengan kata lain, tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar
dari benda hitam. Jadi, benda hitam mempunyai harga absorptansi dan emisivitas
yang besarnya sama dengan satu.
Seperti
yang telah kalian ketahui, bahwa emisivitas (daya pancar) merupakan
karakteristik suatu materi, yang menunjukkan perbandingan daya yang dipancarkan
per satuan luas oleh suatu permukaan terhadap daya yang dipancarkan benda hitam
pada temperatur yang sama. Sementara itu, absorptansi (daya serap) merupakan
perbandingan fluks pancaran atau fluks cahaya yang diserap oleh suatu benda
terhadap fluks yang tiba pada benda itu.
 |
|
Gambar
2. Pemantulan yang terjadi pada benda hitam.
|
Benda
hitam ideal digambarkan oleh suatu rongga hitam dengan lubang kecil. Sekali
suatu cahaya memasuki rongga itu melalui lubang tersebut, berkas itu akan
dipantulkan berkali-kali di dalam rongga tanpa sempat keluar lagi dari lubang tadi.
Setiap kali dipantulkan, sinar akan diserap dinding-dinding berwarna hitam.
Benda hitam akan menyerap cahaya sekitarnya jika suhunya lebih rendah daripada
suhu sekitarnya dan akan memancarkan cahaya ke sekitarnya jika suhunya lebih
tinggi daripada suhu sekitarnya. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1. Benda hitam
yang dipanasi sampai suhu yang cukup tinggi akan tampak membara.
Benda
hitam sempurna adalah pemancar kalor paling baik (e = 1). Contoh yang mendekati
benda hitam sempurna adalah kotak tertutup rapat yang dilubangi dengan lubang
udara (ventilasi) rumah.
;;
Subscribe to:
Postingan (Atom)
