1 / 48

TERMAL DAN HUKUM I TERMODINAMIKA

TERMAL DAN HUKUM I TERMODINAMIKA. 14.1 Panas ( Heat ) Panas, sering disebut kalor, disimbolkan dgn Q, adalah energi yang dipindahkan antara sistem dan lingkungannya yang disebabkan adanya perbedaan temperatur. Lingkungan T E T S > T E. Lingkungan T E T S < T E. Lingkungan

tasha-adams
Download Presentation

TERMAL DAN HUKUM I 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. TERMAL DAN HUKUM I TERMODINAMIKA

  2. 14.1 Panas (Heat) Panas, sering disebut kalor, disimbolkan dgn Q, adalah energi yang dipindahkan antara sistem dan lingkungannya yang disebabkan adanya perbedaan temperatur. Lingkungan TE TS> TE Lingkungan TE TS< TE Lingkungan TE TS= TE Sistem TS Sistem TS Sistem TS Q Q (b) (c) (a) Gambar 14.1 Sistem dan lingkungannya

  3. Panas disebut juga energi termal atau energi dalam yang merupakan gabungan energi kinetik dan potensial yang dihasilkan oleh gerakan acak dari atom dan molekul di dalam sistem. Energi juga dapat dipindahkan antara sistem dan lingkungannya dengan bantuan kerja, disimbolkan dengan W. Panas dan kerja merupakan energi yang berpindah antara sistem dan lingkungannya.

  4. 14.2 Satuan Energi Panas Salah satu satuan dari energi panas adalah kalori, yang didefinisikan sebagai jumlah panas yang dapat meningkatkan temp. 1 gram air dari 14,5 0C ke 15,5 0C. Satuan lainnya adalah British Thermal Unit (Btu) yang didefinisikan sbg jumlah panas yg dapat meningkatkan temperatur air 1 lb air dari 630F ke 640F. Tahun 1948 digunakan sistem satuan SI yaitu Joule. Satu kalori didefinisikan sebagai 4,1860 J. Hubungan antara satuan energi panas. 1 J = 0,2389 kal = 9,481 x 10–4 Btu 1 Btu = 1055 J = 252,0 kal 1 kal = 3,969 x 10–3 Btu = 4,186 J

  5. 14.3 Penyerapan Panas oleh benda Padat dan Cair 14.3.1 Kapasitas Panas Kapasitas panas, disimbolkan dengan C, adalah konstanta proporsional antara jumlah energi panas dan perubahan temperatur yang diakibatkannya. Q = C (Tf – Ti) (14.1) Ti dan Tf adalah temp. awal dan akhir dari sistem. 14.3.2 Panas Jenis Panas jenis didefinisikan sebagai kapasitas panas per satuan massa, dan disimbolkan dengan c. Sehingga persamaan (14.1) menjadi Q = c m (Tf – Ti) (14.2) Ti dan Tf adalah temp. awal dan akhir dari sistem.

  6. 14.3.3 Panas Transformsi (Heat of Transformation) Jika terjadi penyerapan atau pelepasan panas, baik oleh benda padat maupun cair, temperatur objek bisa tidak berubah, jika panas yang diserap digunakan untuk merubah fasa dari objek. Jumlah panas per satuan massa yang harus dipindahkan pada saat objek mengalami perubahan fasa disebut Panas Transformasi dan disimbolkan dengan L. Jika objek mempunyai massa m mengalami perubahan fasa secara keseluruhan, maka total panas yang dipindahkan adalah Q = Lm (14.3)

  7. Apabila terjadi perubahan fasa dari cair ke gas (objek menyerap panas) atau perubahan fasa dari gas ke cair (objek melepas panas), maka panas transformasi disebut panas penguapan, disimbolkan dengan LV. Untuk air pada temperatur uap atau didih normal, LV = 539 kal/g = 40,7 kJ/mol = 2260 kJ/kg (14.4) LV Gas Cair LV

  8. Apabila terjadi perubahan fasa dari fasa padat ke fasa cair (objek menyerap panas) atau perubahan fasa dari fasa cair ke fasa padat (objek melepas panas), maka panas transformasi disebut panas fusi dan disimbolkan dengan LF. Untuk air pada temperatur leleh dan beku normal, LF = 79,5 kal/g = 6,01 kJ/mol = 333 kJ/kg (14.5) LF Cair Padat LF

  9. Contoh 14.1 Hitung energi yang diperlukan agar es yang mempunyai massa 720 g dan temperatur –10 0C berubah fasa menjadi cair dan mencapai temperatur 15 0C Penyelesaian Langkah 1 Naikkan temperatur dari –100C ke titik lebur, yaitu 00C dengan menyerap panas sebesar Q1 = ces m (Tf – Ti) (14.2) c = 2220 J/kg.K; m = 0,72 kg Ti = –100 C = 263 0K ; Tf = 00 C = 273 0K Q = (2220 J/kg.K)(0,72 kg)(273 0K – 263 0K) = 15984 J = 15,984 kJ

  10. Langkah 2 Perubahan fasa dari padat ke cair dengan menyerap panas sebesar Q2 = LF m (14.3) LF = 333 J/kg; m = 0,72 kg Q2 = (333 kJ/kg)(0,72 kg) = 239,8 kJ

  11. Langkah 3 Naikkan temperatur dari 00C ke 150C dengan menyerap panas sebesar Q3 = ccair m (Tf – Ti) (14.2) c = 4190 J/kg.K; m = 0,72 kg Ti = 00 C = 273 0K ; Tf = 150 C = 288 0K Q3 = (4190 J/kg.K)(0,72 kg)(288 0K – 273 0K) = 45252 J = 45,25 kJ Total panas yang diserap untuk mengubah fasa es pada temperatur –100C ke fasa cair temperatur 150C adalah Qtotal = Q1 + Q2 + Q3 = 15,984 kJ + 239,8 kJ + 45,25 kJ = 301,034 kJ

  12. 14.4 Hukum I Termodinamika Perubahan energi dalam pada sistem tertutup sama dengan panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem. Dalam bentuk formula dinyatakan sebagai Eint = Eint, f – Eint, i = Q – W (14.6) Q = panas total ditambahkan ke sistem W = kerja total yang dilakukan oleh sistem (14.7)

  13. Perhatikan! Jika Q keluar dari sistem, maka nilai Q negatif Jika Q masuk ke sistem, maka nilai Q positif Jika W keluar dari sistem, maka nilai W positif Jika W masuk ke sistem, maka nilai W negatif Peningkatan energi dalam berarti peningkatan temperatur, begitu juga sebaliknya.

  14. 14.5 Proses Termodinamika 14.5. 1 Proses Adiabatik, yaitu proses yg berlangsung tanpa adanya perpindahan panas dari sistem ke lingkungan. Berarti Q = 0. Sehingga pers.(14.6) menjadi Eint = – W (14.8) Jika kerja dilakukan oleh sistem, maka dikatakan kerja kositif. Sebaliknya jika kerja dilakukan pada sistem maka dikatakan kerja negatif.

  15. f Tekanan W < 0 i Volume Gambar 14.1 Proses Adiabatik

  16. 14.5.2 Proses Volume konstan, yaitu proses yang berlangsung dengan cara menjaga volume silinder konstan. Artinya tidak ada gerakan silinder, sehingga W = 0. Dari persamaan (14.6) didapat  Eint = Q (14.9) Jika panas dimasukkan ke dalam sistem maka energi dalam dari sistem akan meningkat . Sebaliknya jika sejumlah panas dikeluarkan dari sistem maka energi dalam akan menurun.

  17. f Tekanan i Volume Gambar 14.2 Proses Volume Konstan

  18. 14.5.3 Proses Tertutup, yaitu proses yang kembali ke keadaan awal setelah berlangsung proses pertukaran panas dan kerja, sehingga persamaan (14.6) menjadi Q = W (14.10) f Tekanan Wnet< 0 i Volume ▸ ▸ Gambar 14.3 Proses Tertutup

  19. 14.5.4 Proses Ekspansi Bebas, adalah proses adiabatis tanpa ada kerja yang masuk maupun keluar sistem. Artinya Q = 0 dan W = 0. Jadi Eint = 0 (14.11)  •                    •      •                                                                           Gambar 14.4 Proses Ekspansi Bebas

  20. Contoh 14.2 Sejumlah 1,00 kg air dengan temperatur 100 0C dan berada pada fasa cair akan dikonversikan menjadi uap (steam) air dengan temperatur tetap 100 0C (lihat gambar berikut). Volume awal 1,00 x 10-3 m3 dalam kondisi cair ke volume akhir 1,671 m3 dalam bentuk uap. Tentukan kerja yang dilakukan sistem selama proses berlangsung! Berapa banyak panas yang harus ditambahkan ke sistem selama proses berlangsung? Berapakah besar perubahan energi dalam selama proses berlangsung? Penyelesaian

  21. m = 1,00 kg; Vf = 1,671 m3 Vi = 1,00 x 10–3 m3 ; t = 1000 C Kerja yang dilakukan sistem selama proses berlangsung! W Q W = (1,01 x 105 Pa)(1,671 m3 – 1,00 x 1,00 x 10–3 m3 = 1,69 x 105 J = 169 kJ

  22. b) Panas yang harus ditambahkan ke sistem selama proses berlangsung adalah Q = LV m = (2260 kJ/kg)(12,00 kg) = 2260 kJ. Perubahan energi dalam selama proses berlangsung Eint = Q – W = 2260 kJ – 169 kJ = 2091 kJ.

  23. Latihan Sejumlah gas berekspansi dari 1,0 ke 4,0 m3, sedangkan tekanannya menurun dari 40 ke 10 Pa. Tentukan kerja yang dilakukan oleh gas jika perubahan tekanan terhadap volume ditunjukkan oleh masing-masing proses pada gambar berikut. Pressure (Pa) 40 30 20 10 1 2 3 4 A Volume (m3) B C

  24. Suatu sistem termodinamika bergerak dari titik A ke titik B, dan selanjutnya kembali ke A melalui titik C. Proses tersebut ditunjukkan oleh lintasan ABCA pada diagram p-V berikut. (a) Lengkapi tabel berikut dengan tanda + atau – (b) Tentukan kerja yang dilakukan pada siklus ABCA. Pressure (Pa) 40 30 20 10 C 1 2 3 4 Volume (m3) B A

  25. 14.6 Perpindahan Panas Perpindahan panas merupakan peristiwa atau proses mengalirnya panas (kalor) dari satu titik ke titik yang lainnya dalam suatu medium. Peristiwa perpindahan panas berkaitan dengan laju dan tergantung dengan jenis mediumnya. Peristiwa perpindahan panas terdiri dari tiga mekanisme, yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

  26. 14.6.1 Konduksi Konduksi adalah perpindahan kalor yang terjadi pada medium padat. Misalnya, jika salah satu ujung batang besi kita panaskan, maka ujung besi yang lain akan terasa panas.  Kalor Kalor Gambar 14.5 Perpindahan panas dengan cara konduski

  27. Pada batang besi yang dipanaskan, kalor berpindah dari bagian yang panas ke bagian yang dingin. Jadi, syarat terjadinya konduksi kalor pada suatu zat adalah adanya perbedaan suhu. Berdasarkan kemampuan menghantarkan kalor, zat dapat dikelompokkan menjadi dua golongan, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor adalah zat yang mudah menghantarkan kalor (penghantar yang baik). Isolator adalah zat yang sulit menghantarkan kalor (penghantar yang buruk). Dari Gambar 14.6 sebuah lempeng dengan tebal L dan luas permukaan A, salah satu permukaannya dijaga pada temperatur TH dan permukaan lainnya pada temperatur TL.

  28. Reservoir panas pada temperatur TH Reservoir panas pada temperatur TC Q k TH > TC L Gambar 14.6 Perpindahan panas dari reservoir temperatur lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah melalui sebuah lempeng dengan tebal L.

  29. Reservoir panas pada temperatur TC Reservoir panas pada temperatur TH TH > TC Q k L T Temp. udara TC Temp. air TH TH Q TC x L

  30. Misal Q adalah jumlah panas yang dipindahkan dari dalam waktu t. Dari percobaan didapat bahwa laju panas yang dipindahkan dari permukaan dengan temperatur THke permukaan dengan temperatur TL adalah H = Laju perpindahan panas (J/s) Q = Jumlah panas yang dipindahkan (J) t = waktu yg dibutuhkan utk memindahkan panas (det) k = konduktivitas termal ((W/m.K) L = tebal lempeng (m) A = luas permukaan lempeng (m2) TH = temperataur permukaan yang lebih tinggi (oK) TL= temperatur permukaan yang lebih rendah (oK) (14.12)

  31. Tahanan Termal Konduksi Tahanan termal konduksi, disimbolkan dengan R, didefinisikan sebagai (14.13) Substitusi L pada persaman (14.13) ke (14.12) didapat (14.14)

  32. Contoh 14.3 Sebuah lempeng tembaga mempunyai ketebalan 25,0 cm, dan luas permukaan 90,0 cm2. Temperatur salah satu permukaan 125 oC, sedangkan temperatur permukaan lainnya 10,0 oC. Tentukan laju perpindahan panas yang melalui lempeng tsb.! Penyelesaian L = 0,25 m, A = 0,0090 m2, TH = 125 + 273 = 398 oK, TC = 10,0 + 273 = 283 oK, k = 401 W/m.K. T TH Q TC x L

  33. Konduksi Melalui Lempeng Komposit Misal terdapat dua lempeng yang berbeda, baik ukuran ketebalan maupun material, tapi mempunyai luas penampang yang sama (lihat Gambar 14.7). TX TC TH k1k2 Q L2 L1 Gambar 14.7 Perpindahan panas pada lempeng komposit

  34. Pada keadan ajeg (steady state) perpindahan pada masing-masing lempeng sma besarnya, sehingga persamaan (14.12) dapat ditulis menjadi, (14.13) Didapat (14.14) Substitusi persamaan (14.14) ke salah satu kesamaan Pada persamaan (14.13) menghasilkan, (14.15)

  35. Karena l/k = R, maka persamaan (14.15) ditulis menjadi atau (14.16)

  36. Contoh 14.4 Dua buah lempeng mempunyai spesifikasi sebagai berikut: Lempeng pertama terbuat dari baja tahan karat dengan ketebalan 1 cm. Lempeng ke dua terbuat dari tembaga dengan ketebalan 2 cm. Kedua lempeng tersebut direkatkan satu sama lain seperti gambar berikut. Permukaan yang bebas dari baja tahan karat dipertahan pada temparatur 100o C, sedangkan permukaan bebas dari tembaga dipertahankan 0o C. Jika luas masing-masing permukaan kedua plat adalah 90,0 cm2, tentukan temperatur pad permukaan yang direkatkan!

  37. L1 = 1 cm, L2 = 2 cm TH = 100 oC, TC = 0 oC, k1 = 14 W/m.K, k2 = 401 W/m.K. A A = 0,0090 m2. k1k2 TH TX Q L2 L1 TC

  38. Latihan Dua buah batang baja tahan karat dan tembaga mempunyai panjang masing-masing 1 m dan penampang 1 cm2. Kedua batang tersebut dilas pada salah satu ujungnya. Ujung yang bebas dari baja tahan karat dipertahankan pada temperatur 100o C, sedangkan ujung bebas dari tembaga dipertahan pada temperatur 0oC. Tentukan, Suhu pada sambungan Gradien suhu pada batang baja tahan kartat dan tembaga Jumlah panas yang melintasi masing-masing batang per satuan waktu (d) Grafik suhu sepanjang batang

  39. 14.6.2 Konveksi Konveksi adalah proses perpindahan panas dengan disertainya perpindahan partikel. Konveksi terjadi pada fluida (zat yang dapat mengalir) seperti air dan udara. Konveksi dapat terjadi secara alami ataupun dipaksa. Konveksi alamiah misalnya saat memasak air terjadi gelembung udara hingga mendidih dan menguap. Sedangkan konveksi paksa contohnya hair dryer yangmemaksa udara panas keluar yang diproses melalui alat tersebut.

  40. Bagaimanakah proses terjadinya konveksi saat memasak air? Air merupakan zat cair yang terdiri dari partikel-partikel penyusun air. Saat memasak air dalam panci, api memberikan energi kepada panci dalam hal ini termasuk proses konduksi. Selanjutnya dinding bagian dalam panci memberikan panas pada air. Partikel air paling bawah yang pertama kali terkena panas kemudian lama kelamaan akan memiliki massa jenis yang lebih kecil karena sebagian berubah menjadi uap air. Massa jenis yang lebih kecil tersebut akan berpindah posisi naik ke permukaan.

  41. Air yang masih diatas permukaan kemudian turun ke bawah menggantikan posisi partikel yang naik ke permukaan. Begitu seterusnya hingga mendidih dan menguap seperti tampak pada gambar di bawah ini. Gambar 14.6 Perpindahan panas dengan cara konveksi

  42. Laju perpindahan panas secara konveksi dipengaruhi oleh luas penampang (A), kenaikan suhu (∆T), dan jenis bahan. Secara matematis, persamaan laju kalor secara konveksi dapat dituliskan sebagai berikut. h   = koefisien konveksi(W/m2K) A  = luas penampang (m2) ∆T = kenaikan suhu (K)  Q/t = laju perpindahan kalor (J/s atau W) (14.17)

More Related