TEMPERATUR DAN KALOR Pertemuan 13

2. TEMPERATUR DAN KALORPertemuan 13 Mata kuliah : K0014 – FISIKA INDUSTRI Tahun : 2010

3. TEMPERATUR DAN KALOR 1. Skala Temperatur Temperatur menyatakan ukuran kuantitatif keadaan panas-dinginnya suatu benda. Skala Thermometer Celcius ( TC ) : 0C Kelvin ( TK ) : K Fahrenheit ( TF ) : 0F Hubungan ketiga skala thermometer tersebut : TK = TC + 273 dan TF = (9/5) TC + 32 3

4. Standar Skala suhu : titik didih air : 373 K = 100 0C = 212 0F titik beku air : 273 K = 0 0C = 32 0F Nol mutlak : 0 K = -273 0C = - 460 0F

5. 2. Pemuaian Setiap benda akan mengalami perubahan betuk/ukuran dan keadaan/wujud , bila temperatur benda tersebut berubah. (1). Koefisien muai panjang (  ) L =  L T L = perubahan panjang L = panjang mula-mula T = perubahan temperatur (2) Koefisien Muai luas (  ) A =  A T A = perubahan luas A = luas mula-mula Untuk benda padat :  = 2 

6. (3) Koefisien Muai Volume (  ) V =  V T V = perubahan volume V = volume mula-mula Untuk benda padat :  = 3 

7. Tegangan termal: Pada berbagai bangunan, terdapat bagian-bagian tertentu yang dirancang secara khusus agar tidak dapat memuai ataupun menyusut dikala suhu berubah. 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/L0 ) dengan∆L = α L0∆T atauσ = Y α ∆T Y = modulus Young , ∆T = kenaikan suhu α = koefisienmuaipanjang

8. 3. Kalor Kalor Kalor merupakan energi yang mengalir dari suatu benda ke benda lain karena adanya perbedaan temperatur antara kedua benda Satuan kalor : - SI : kalori ( cal ) - British : BTU 1 BTU = 252 Cal AZAS BLACK Jika dua benda yang berlainan suhu digabung menjadi satu maka akan terjadi perpindahan kalor dari benda panas ke benda dingin , hingga mencapai kesetimbangan ( suhu kedua benda menjadi sama ) Q dilepas + Q diterima = 0 Q dilepas : bertanda negatif Q diterima : bertanda positif

9. 4. Mekanisme Perpindahan Kalor Kalor akan mengalir dari sistem yang suhunya tinggi ke sistem yang suhunya lebih rendah hingga tercapai kesetimbangan thermal . Cara perpindahan kalor tergantung pada medium yang dilewati : (1) Cara konduksi Perpindahan kalor dimana tidak terjadi gerakan molekul medium perantara. Kalor dipindahkan karena vibrasi molekul dan menumbuk molekul tetangga. Cara ini terjadi pada medium padat. Kalor yang mengalir dalam arah tegak lurus permukaan dalam waktu dt :

10. dQ/dt = H = - k A dT/dX cal /s k = konduktivitas panas A = luas penampang benda dT/dX = perubahan temperatur( = gradien temperatur) Untuk batang yang homogen : H = { k A ( T2 – T1 ) / L } T2 > T1 Jika batang terdiri atas n lempengan : H = { A ( T2 – T1 ) / ∑ ( Li / ki ) } (2) Secara konveksi Perpindahan kalor dimana molekul dari medium perantaranya berpindah sambil membawa kalor . Hal ini terjadi pada medium fluida. Panas yang mengalir dalam fluida yang beda temperaturnya T adalah : H = h A T h = koefisien konveksi

11. (3). Secara radiasi Perpindahan kalor melalui pancaran radiasi (gelombang ) . Kecepatan energi meninggalkan suatu benda yang suhunya T ( Kelvin), dan luas penampangnya A : dQ/dt = e  A T4 Watt/m2  = 5,67x10-8 W/m2K4 =konstanta Boltzman e = faktor emisivitas permukaan ( 0 < e < 1 )

12. 5. Hk. Thermodinamika I Sering terjadi transformasi dari kalor menjadi usaha ataupun sebaliknya . Proses ini harus memenuhi hukum kekekalan energi yaitu : Kalor yang diterima = Usaha + perubahan energi internal (dakhil ) dQ = dW + dU ( Hukum Termodinamika I ) Usaha : W = ∫ p dV Berbagai proses perubahan dari kalor ke usaha atau sebaliknya (1) Proses adiabatik: Dalam proses ini, tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem, dQ = 0

13. maka :dW = - dU PVγ= konstan dengan γ = CP / CV (2) Proses isotermal (temperatur tetap): Proses yang berlangsung pada suhu tetap, dan perubahan energi internal : dU = 0 Maka : dQ = dW (3) Proses isobar (tekanan tetap) : Proses berlangsung pada tekanan sistem tetap, maka W = P (V2 - V1) (4) Proses isovolum (volume tetap): Proses berlangsung pada volume tetap, maka : dW = 0 dan dU = dQ

14. Contoh 1 : Luas penampang silinder baja adalah 0.1ft3 . 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 0F manjadi 160 0F. 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. 0C ) d). Perubahan energi dakhil gliserin. Jawaban :

15. a).∆V = β x V60x ∆T = 0.4 ft3x 0.485 x 10-3 / 00x 5/9 x (160 -60) 0F = 0.0108 ft3 atau = 0.0108 ft3x m3 /(0.3048ft )3 = 0.38 m3 b). W = p ∆V = F/A x∆V = 6000 lb/(0.1 ft2 ) x 0.0108 ft3 = 648 lb-ft atau = 648 lb-ft x (1.356 J/ lb-ft) = 879 J c). Q = m c ∆T = 0.4 ft3x 1.26 x 62.4 lb/ ft3 x 0.58 Btu/ 0F x (160 - 60) 0F = 1827 Btu atau = 1827 Btu x 252 kal/Btu = 460.4 kkal.

16. d). Perubahan tenaga dakhil : U = Q - W = (1827 x 778 - 648 ) lb – ft = 1420758 lb - ft

17. 6. Gas Ideal Berdasarkan eksprimen : 1. Untuk massa gas yang diberikan dan berada pada temperatur konstan, maka tekanan berbanding terbalik dengan volume. Pada T = konstan P ~ 1/V Hukum Boyle 2. Untuk massa gas yang diberikan dan berada pada tekanan konstan, maka volume berbanding lurus dengan temperatur. Pada P = konstan V ~ T Hukum Charles dan Gay-Lussac Dari kedua eksprimen tersebut diperoleh hungan : PV/T = suatu konstanta

18. Karena volume gas pada tekanan dan temperatur tertentu adalah sebanding dengan massanya, maka konstanta pada persamaan diatas adalah sebanding dengan massa gas. Maka konstanta pada persamaan di adalah nR : • n banyak mol gas • R = 8,314 J/mol.K = 1,986 kal/mol.K • adalah konstanta gas universal yang berlaku untuk • semua gas • maka persamaan PV/T = konstanta dapat dinyatakan: • PV = n R T persamaan gasa ideal