1 / 49

Kalor dan Hukum Kedua Termodinamika

Kalor dan Hukum Kedua Termodinamika. Bab 4 buku James Trefil & Robert M Hazen THE SCIENCES – An Integrated Approach , Wiley, New Jersey, 2007. Gagasan Pokok : Kalor ada lah bentuk energi yang sedang mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin.

hoang
Download Presentation

Kalor dan Hukum Kedua Termodinamika

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Kalor dan Hukum Kedua Termodinamika Bab 4buku James Trefil & Robert M Hazen THE SCIENCES – An Integrated Approach, Wiley, New Jersey, 2007

  2. Gagasan Pokok:Kalor ada lah bentuk energi yang sedang mengalir dari benda yang lebih panaske benda yang lebih dingin

  3. Rangkuman bahasan bab 4: • Arah perkembangan jagad • Konsep “kalor” vs konsep “panas” • Pindahnya kalor • Hukum Kedua Termodinamika • Dampak Hukum Kedua Termodinamika • Suatu catatan optimistik

  4. Arah perkembangan jagad

  5. Arah perkembangan jagad • Kalor mengalir dari panas ke dingin (sudut pandang makroskopik) • Suatu sistem terisolasi condong berkembang ke arah acak (sudut pandang atomik): air hangat jadi dingin (difusi energi),bau parfum hanya dapat menyebar (difusi molekul), kerapian isi lemari ‘hanya’ dapat surut, minyak tanah hanya dapat dibakar, badai, tornado, hasil perjumpaan udara hangat dan udara sejuk, gesekan lempeng benua menjadikan magma & gunung berapi, peluruhan inti atom (radioaktivitas), energi Matahari berkonduksi dari pusatnya, berkonveksi ke permukaan, lalu teradiasi, lampu hemat-energi lebih efektif memproduksi cahaya, sendi dan tulang orang usia lanjut menjadi kaku, mahluk menjadi tua, sel-sel menjadi cacat dan berhenti berfungsi, evolusi mahluk hidup

  6. Konsep “kalor” vs konsep “panas”

  7. Kalor dan Panas • Kalor • ada lah Energi yang sedang pindah dari keadaan panas ke keadaan dingin,sedangkanUsaha • ada lah Energi yang sedang pindahtanpakaitan dengan keadaan panas atau dingin • Panas • ada lah tingginya suhu, temperatur • ada lah taraf geraknya atom • Energi kinetik rata-rata atom = 3/2 kBT • ada lah (“rapat”) energi termal per atom Analogi: perorangan Indonesia rata-rata lebih miskin daripada perorangan Malaysia, tetapi Indonesia lebih kaya daripada Malaysia

  8. Suhu • Skala suhu • Celsius • Fahrenheit • Kelvin Nol nya mutlak, dan tak mungkin dicapai(Hukum Termodinamika Ketiga) Suhu terendah (2003): 450 pK (0,45 nK)(Ketterle dkk di MIT, BEC atom-atom Na)

  9. Konversi Suhu • Konversi ke skala Fahrenheit: • Nilai dalam °F= {(9/5) x nilai dalam °C} +32 • Konversi ke skala Celsius: - Nilai dalam °C=(nilai dalam °F - 32)/(9/5) • Konversi ke skala (mutlak) Kelvin: • Nilai dalam K (kelvin)=(nilai dalam °C) + 273,15

  10. Termometer Galileo • Tabung berisi cairan yang mudah memuai (koefisien muai termalnya besar) • Bola-bola kecil berisi aneka cairan, dengan bermassa jenis dari besar sampai kecil • Jika suhu naik, makin banyak bola kecil tenggelam • Suhu ditunjukkan oleh bola yang terapung terendah

  11. Beberapa koefisien muai termal: • Udara 3 400 /MK • Etil alkohol 1 100 • Bensin 950 • Gliserin 500 • Air 210 • Hg 180 • Pb 87 • Al 75 • Kuningan 56 • Cu 50 • Au 42 • Beton 36 • Besi 35 • Kaca 27 • Pyrex 9 • Pualam, CaCO3 4 – 10 • Kuarts 1

  12. Kalor Jenis, kalor spesifik • Kalor jenis, kalor spesifik: • Jumlah kalor untuk menaikkan 1 g bahan sebanyak 1 kelvin • Air: • Kalor jenisnya tertinggi • 1 kal/(g °C), 4,18 joule per gram, per kelvin

  13. Kalor jenis beberapa bahan: [ pada 20oC, dalam kJ/(kg K) ] • Air ... ... 4,18 • Tubuh manusia ... 3,47 • Etil alkohol ... 2,4 • Es 10oC ... 2,05 • Uap air 110oC ... 2,01 • Kayu, protein ... 1,7 • Aluminium ... 0,9 • Pualam ... ... 0,86 • Fe ... ... ... 0,45 • Cu ... ... ... 0,39 • Hg ... ... ... 0,14 • Pb ... ... ... 0,13 • Gas molekul hidrogen (H2) ~13 • Gas helium (He-4) ~5 (= 3/2 R J/(mol K)) • Gas molekul nitrogen ... ~1 • Gas molekul oksigen ... ~0,9 • Gas karbondioksida ... ~0,85 • Gas radon (Rn-222) ~0,1

  14. Pindahnya kalor Secara konduksi: atom-atom hanya bergetar acak di tempat, sambil saling bertumbukan Secara konveksi: atom-atom pindah tempat sambil membawa energi kinetik / energi getar acak Secara radiasi: atom-atom bergetar, menghasilkan gelombang elektromagnetik yang membawa energi potensial listrik-magnet

  15. Contoh proses konduksi(mengapa tongkatnya panjang?)

  16. Contoh proses konduksi (yang hendak dihambat)

  17. Koefisien konduktivitas termal beberapa bahan: (dalam kW/(K m) • Perak (Ag) ... 429 • Tembaga (Cu) ... 401 • Timbal (Pb) ... 353 • Emas (Au) ... 318 • Aluminium (Al) ... 237 • Besi (Fe) ... 80,4 • Baja (Fe:C) ... 46 • Kaca (SiO2) ... 0,7 – 0,9 • Air (H2O) ... 0,609 • Es (H2O) ... 0,592 • Beton, semen ... 0,19 – 1,3 • Kayu “oak” ... 0,15 • Udara (N2, O2) ... 0,026

  18. Dampak konduktivitas termal yang besar atau kecil: • Air samudera menstabilkan suhu atmosfer dan Bumi • Kulit kering terasa nyaman, kulit basah terasa dingin • Logam terasa dingin, kayu terasa ‘biasa’ • Kaca jendela rumah mem’bocor’kan energi termal • Baju tebal, rambut / bulu, memanfaatkan udara, menghambat konveksinya (selama tetap kering) • Telinga gajah lebar-lebar

  19. Contoh pemanfaatan sel konveksi udara

  20. Contoh penghambatan konduksi dan konveksi

  21. Contoh penghambatan konduksi dan konveksi

  22. Lemak berkonduktivitas termal kecil:

  23. Pindahnya kalor • Konduksi(Δ suhu kecil atau besar) • Pindahnya kalor melalui tumbukan antar atom • Konveksi (Δ suhu agak besar) • Pindahnya kalor dengan pindahnya molekul-molekul berenergi kinetik acak • terjadi“sel konveksi” • Radiasi(Δ suhu kecil atau besar) - berupa medan listrik dan medan magnetik, tidak memerlukan materi

  24. Rumusan: • Konduksi: Q/dt =  A T/L • Konveksi: Q/dt = h A T • Radiasi: (jika beda suhu kecil) Q/dt = e  A (T4 – Tlingk4) T  4 e  A T3 T • Hukum pendinginan Newton: Q/dt = K A T • Koefisien muai termal   V/(V T) • Kalor jenis c = Q/(m dT)

  25. Pemanfaatan radiasi infra merah: • Dapat diindera CCD (charge-coupled device) kamera • Maka dapat “melihat” dalam gelap dapat “melihat” bekas hadirnya orang • Dapat “melihat” bocornya pipa air, bagian kawat listrik yang hampir putus, sambungan listrik yang kurang erat, barang yang berbeda-mutu/jenis • Dapat memotret “pulau kalor” (“heat island”) dsb • Dapat membuat foto yang “aneh” efeknya

  26. Hukum Kedua Termodinamika

  27. Tiga pernyataan bagi Hukum Kedua Termodinamika[perhatikan apa yang TIDAK dikatakan] • Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas (sebaliknya: dapat spontan?) • Tiada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh (sebaliknya: dapat spontan?) • Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak (sistem terbuka: dapat menumbuhkan keteraturan?)

  28. Kalor tidak akan mengalir spontan dari benda dingin ke benda panas[Rudolf Clausius (1822 – 1888)] • Pada taraf molekular: • Molekul yang bergerak lebih cepat, akan menyebarkan energinya kepada lingkungannya • Pada taraf makroskopik: • Perlu pasokan energi / usaha, untuk mendinginkan sebuah benda

  29. Anda tidak dapat membuat mesin yang sekedar mengubah kalor menjadi usaha sepenuhnya[Kelvin (1824 – 1907) & Planck (1858 – 1947)] • Efisiensi mesin tidak dapat 100% • Diperlukan tandon panas dan tandon dingin • Tandon panas menjadi sumber energi • Perlu membuang kalor pada suhu yang lebih rendah, ke tandon dingin • Biasanya tandon suhu terendah = atmosfer

  30. Proses mesin bakar

  31. Setiap sistem terisolasi akan makin acak • Sistem teratur • Ada pola yang teratur dan dapat diramalkan perkembangannya • Sistem tak teratur • Kebanyakan atom-atomnya bergerak acak • Entropi • Ukuran bagi taraf keacakan • Entropi sistem terisolasi hanya dapat tetap, atau meningkat

  32. Entropi: • Diusulkan istilahnya oleh Clausius, “dari kata ‘transformasi’ dalam bahasa Yunani, dimiripkan dengan istilah ‘energi’ yang erat kaitannya”. • Dikukuhkan Ludwig Eduard Boltzmann (1844 – 1906) dengan konsep “zat terdiri atas partikel kecil yang bergerak acak” dan teori peluang: Suatu sistem condong berkembang ke arah keadaan yang berpeluang lebih besar;S = kB ln Ω

  33. Dampak Hukum Kedua Termodinamika

  34. Arah Waktu • Jagad dimensi 4: • Tiga dimensi (x, y, z) tak berarah • Dimensi keempat berarah • Waktu • “Hukum Kedua berkaitan dengan arah waktu” • Irreversibilitas, ke-takterbalikkan-an

  35. Urutan foto ini (dalam waktu)pasti jelas

  36. Batasan-tak-terelakkan dalam Jagad Raya Dampak Hukum Kedua Termodinamika • Beberapa hal tidak dapat terjadi • Bahan bakar fosil tidak dapat dibuat kembali (dari hasil pembakarannya) • Ada hirarki bagi bentuk-bentuk energi:Energi termal berada pada “mutu” terendah

  37. Tetapi, suatu catatan optimistik: • Secara lokal, masih dapat dihasilkan keteraturan, melalui sistem-sistem terbuka yang dialiri energi secara cukup[contoh: laser, mahluk hidup, pilkada?][ Ilya Prigogine (1917 – 2003; Hadiah Nobel untuk Kimia, 1977): “struktur-struktur disipatif”, “jauh dari keseimbangan”, “ketakstabilan dan indeterminisme”, “kepekaan akan keadaan awal  khaos” ]. • Maka ada yang sedang mengusahakan, pelambatan proses penuaan / pemanjangan usia kemudaan • Yang lebih sehat: Sejak usia muda, menggunakan kemampuan yang baru tumbuh, agar berkembang terus secara alamiah (manfaatkan aerobics, dsb), dan memandang kematian sebagai gerbang ke kebakaan.

  38. Lihat lah ke masa depan yang cerah:

  39. Garis tengah 350 m, sferis, 38 778 lempeng Aluminium berperforasi, @ 1  2 m, • Sejak 1963; dana operasi tahun 2007 – 10,5 juta $US, rencana tahun 2011 – hanya 4 juta $US, maka akan ditutup • www.naic.edu

  40. Penerima Teleskop Arecibo: 900 ton, 150 m di atas cermin, digantung pada 18 kabel ke 3 menara beton (110, 80, 80 m).Penangkap radionya: 1 – 10 GHz, 3 cm – 1 mPemancar radarnya: 20 TW (2,38 GHz), 2,5 TW (0,43 GHz), 0,3 GW (47 MHz)

  41. Data Observatorium Arecibo lain: • Di Porto Rico, milik Amerika Serikat, dikelola sebagai fasilitas nasional, dioperasikan Cornell University. • Hanya dapat meradar sampai ke Saturnus, karena besarnya jarak tempuh pulsa radar dan rotasi Bumi • Medan pandang total: 40o sekitar zenit lokal (1o LS – 38o LU) • Dapat mendeteksi posisi pemancar radar Rusia, akibat pantulannya dari Bulan • 1974: mengirim pesan 2372 piksel ttg angka, gambar orang, rumus kimia, foto Arecibo, ke galaksi bola M13 di jarak 25 th cahaya • Planetary Society (November 2007) desak agar jangan ditutup, karena amat berguna mendeteksi dan memprediksi orbit NEO / PHA, serta membantu mitigasi defleksinya (jika perlu)

  42. Temuan berkat Observatorium Arecibo: • 1964: periode Merkurius 59 hari (bukan 88 hari) • 1968: di Kabut Kepiting ada pulsar 33 ms (bukti eksistensi bintang neutron) • 1974: Hulse & Taylor temukan pulsar binari (Hadiah Nobel Fisika 1982) • 1982: Backer & Shri Kulkarni temukan pulsar 1,4 ms pertama (tercepat sampai 2005) • 1989: Foto pertama asteroid 4769 Castalia • 1990: Pulsar berplanet 3 dan berkomet (?) • 1994: Pemetaan es di kutub-kutub Merkurius • Jan 2008: Molekul prebiotik (HCN, methamine) di Arp 220, 2 galaksi yang sedang bertumbukan, di jarak 250 th cahaya

  43. Lihat lah ke masa depan yang cerah:

More Related