Dari sudut pandang manusia Bumi, Langit tampak seperti kubah raksasa yang menutup bumi yang menyerupai tempurung kelapa. Konsep ini membuat benda-benda langit seperti matahari, bintang-bintang dan bukan menempel pada kubah-kubah tersebut. Fenomena ini sebut gerak bandai langit.
Jika kubah ini diteruskan, maka sudut pandang ini hanya melihat setengah dari bentuk yang diasumsikan seperti bola langit. Sisi bawah dari bola langit ini dibatasi oleh horison sehingga kita tidak mampu melihat bawahnya.
Gerak Harian Benda Langit
Mari kita asumsikan bahwa benda-benda langit tersebut begerak diantara dinding-dinding kubah langit. Benda-benda tersebut bergerak dari timur ke barat dengan periode tetap yakni 24 jam. Gerakan ini selanjutnya disebut sebagai gerak harian benda langit.
Gerak harian inilah yang “menyebabkan” matahari terlihat terbit dan tenggelam sehingga terjadi pergantian siang dan malam. Namun pada dasarnya sebenarnya matahari tidaklah bergerak terhadap bumi. Fenomean tersebut terjadi karena adanya gerak rotasi bumi dan membuat matahari seolah terlihat terbit dan terbenam. Gerak ini selanjunya disebut sebagai gerak semu matahari.
Namun fenomena gerak semu matahari ini tidak terjadi sama di setiap bangian bumi. Sumbu rotasi bumi tidaklah tegak lurus dengan arah jatuhnya matahari sehingga membuat daerah bagian utara lebih condong ke Matahari. Hal ini membuat matahari tidak mengelilingi bumi namun hanya mengitari langit di bagian utara bumi.
Revolosi Bumi
Selain berotasi, bumi juga bergerak mengelilingi matahari atau disebut sebagai revolusi bumi. Bumi membutuhkan waktu 365,25 hari untuk menglilingi matahari satu putaran.Sumbu rotasi Bumi ini tidak sejajar terhadap sumbu revolusi, melainkan sedikit miring sebesar 23,5 derajat. Akibat dari miringnya sumbu rotasi Bumi itu, Matahari tidak selalu terlihat di atas khatulistiwa Bumi, Matahari akan terlihat berada di bagian utara dan selatan Bumi. Selama setengah tahun, Matahari lebih banyak menerangi Bumi bagian utara, dan setengah tahun berikutnya Matahari lebih banyak menerangi Bumi bagian selatan.
Dalam gerak semunya, matahari akan tampak bergerak dari khatulistiwa (equator) antara 23,5 derajat lintang utara dan lintang selatan. Pada tanggal 21 maret, lintasan harian Matahari akan berimpit dengan ekuator sehingga matahari terbit tepat di timur dan terbenam tepat di barat (deklinasi Matahari = 0 derajat). Peristiwa ini disebut ekuinoks musim semi. Pada saat ekuinoks, lamanya siang dan malam hari sama 12 jam di seluruh tempat di Bumi.
Pada tanggal 21 Juni, Matahari sampai pada deklinasinya paling utara, yakni 23,5 derajat sehingga menyebabkan musim panas di belahan bumi utara. Pada tanggal 23 September, lintasan harian Matahari akan berimpit kembali dengan ekuator. Peristiwa ini disebut ekuinoks musim gugur. Pada tanggal 22 Desember, Matahari sampai pada deklinasinya paling selatan, yakni -23,5 derajat sehingga menyebabkan musim dingin di belahan bumi utara.
Mata Kuliah Penguatan Kompetensi Observatorium merupakan mata Kuliah memberikan pelatihan kompetensi penggunaan observatorium dalam mengamati fenomena langit yakni Meliputi Observasi hilal muda dan hilal tua; Bulan purnama dan gerhana bulan; Gerhana matahari; Pengamatan bintang; Pengamatan planet-planet; dan Pengamatan benda-benda angkasa lainnya serta kaitannya dengan landasan dalam penetapan.
Capaian Pembelajaran
Mahasiswa diharapkan menguasai kompetensi observation dalam mengamati fenomena gerak benda langit.
Materi Perkuliahan
Observasi hilal muda dan hilal tua;
Bulan purnama dan gerhana bulan;
Gerhana matahari;
Pengamatan bintang;
Pengamatan planet-planet; dan
Pengamatan benda-benda angkasa lainnya
Kegiatan Perkuliahan
Pertemuan
Kegiatan Perkuliahan
Materi Perkuliahan
I
Observatorium
II
Benda Langit dan Kehidupan Bumi
III
Mengamati Benda Langit
IV
Pengamatan Hilal Muda
V
Pengamatan Hilal Tua
VI
Pengamatan Bulan Purnama
VII
UTS
VIII
Pengamatan Gerhana Bulan
IX
Pengamatan Gerhana Matahari
X
Siklus Gerhana
XI
Peta Langit Malam
XII
Pengamatan Gerak Planet Dalam (Merkurius, Venus dan Mars)
XIII
Pengamatan Gerak Planet Luar (Jupiter dan Neptunus)
Pernahkan ada datang ke sebuah Sirkus atau paling tidak menyaksikan lewat YouTube atau Televisi? Dalam pertunjukkan para penampil akan menunjukkan aksi gila dengan bergelantungan di ketinggian dengan batang besi yang kecil, menggunakan tongkat panjang sebagai kaki engran dan malah ada yang mencoba berjalan di atas seutas tali sambil memegang tongkat di ketinggian seperti tidak takut jatuh dan gravitasi tidak bekerja pada mereka.
Namun dalam pandangan fisika, hal tersebut bukan lah sihir ataupun sulap. Hal berbahaya yang mereka lakukan adalah modifikasi sains khususnya fisika menjadi sebuah pertunjukan. Apa yang dilakukan para performer ini tetap tunduk pada hukum fisika dan justru berhasil karena gaya gravitasi bekerja pada mereka.
Dalam fisika hal ini disebut sebagai Kesetimbangan Benda Tegar.
Kesetimbangan
Dalam Fisika, Benda tegar adalah istilah yang digunakan untuk merujuk benda yang tidak mengalami perubahan bentuk ketika diberikan gaya. Dengan demikian seluruh gaya yang bekerja pada benda tersebut hanya akan berdampak pada gerak benda. Kesetimbangan benda tegar adalah kondisi dimana sebuah benda mengalami gaya seimbang baik itu translasi maupun rotasi.
Syarat sebuah benda dikatakan berada dalam kesetimbangan yakni:
1. Resultan gaya yang bekerja sama dengan 0:
\Sigma F = 0
2. Resultan torsi yang bekerja sama dengan 0:
\Sigma τ = 0
Dalam tinjauan fisika Klasik, Benda tegar dianggap benda titik yakni memiliki ciri-ciri:
Memiliki Pusat Massa sehingga massa benda tersebar ke seluruh benda secara seragam dan merata. Jika benda diletakkan pada pusat massa maka benda akan setimbang.
Memiliki Titik berat atau lokasi dari pusat massa
A. Jenis-Jenis Kesetimbangan Benda Tegar
Berdasarkan dua syarat di atas maka dari kesetimbangan benda tegar terdiri dari jenis yakni seimbang dinamis yakni benda bergerak dengan kecepatan konstan baik translasi maupun rotasi dengan kecepatan tetap dan setimbang statis dimana benda tersebut dalam keadaan diam.
Kesetimbangan statis kemudian dibagi lagi ke dalam dua kelompok yakni
Kesetimbangan Stabil : Kondisi dimana sebuah benda akan kembali ke posisi semula ketika diberikan sebuah gaya lalu gaya tersebut di lepas.
Kesetimbangan Labil : Kondisi dimana benda dalam keadaan setimbang namun ketika diberi gaya maka benda tersebut akan berubah berubah posisi atau tidak kembali ke titik semula.
Contoh Kesetimbangan Stabil
Misalkan sebuah kelereng ditempatkan dalam sebuah wadah berbentuk setengah bola seperti pada gambar di bawah ini
Ketika sebuah gaya diaplikasikan ke kelereng misalnya ditarik ke atas, lalu gaya tersebut di lapas, maka kelereng akan bergerak ke dasar. Lama kelamaan gerak itu melabat dan kembali diam di dalam dasar wadah.
B. Penerapan Konsep
1. Batang dengan Satu Titik Pusat
Misalkan sebuah batang homogen dengan panjang 1 meter memiliki berat 40 N. Jika salah satu ujung batang adalah pusat rotasi dan sebuah tali diikatkan pada ujung lainnya agar batang tidak bergerak. Maka Tegangan tali dapat dihitung dengan konsep kesetimbangan benda tegar.
\Sigma τ = 0
pada gambar di atas akan ada dua gaya yang bekerja yakni W dan F dengan lengan W sebesar 0,5 m dari pusat dan lengan F sejauh 1 m dari pusat rotasi.
Pemanasan Global atau Global Warming menjadi permasalahan serius yang dihadapi masyarakat Global. PBB sebagai dewan yang menaungi kehidupan bangsa dan negara di seluruh dunia memasukkan Masalah Penanganan Global Warming sebagai salah satu tujuan dalam Sustainable Development Goals.
Global Warming
Global Warming adalah fenomena naiknya rata-rata suhu permukaan bumi secara permanen. Hal ini dapat berdampak pada terancamnya kelangsungan makhluk hidup di permukaan bumi termasuk manusia. Semakin tinggi kenaikan suhu membuat semakin tidak layak untuk ditinggali mulai dari suhu yang panas, hilangnya berbagai jenis organisme yang akan berdampak pada berkurangnya sumber makanan bagi manusia. Jika dibiarkan terus menerus maka kemungkinan besar 80% makhluk hidup di Bumi akan musnah termasuk Manusia.
Revolusi Industri 1760 menjadi pemicu utama fenomena Global Warming. Revolusi Industri dimulai dengan penemuan mesin Uap oleh James Watt yang membuat eksploitasi penggunaan bahan bakar karbon seperti batu bara dan minyak bumi. Bahan bakar ini akan menghasilkan zat sisa dalam bentuk Gas Carbon yang dapat menahan radiasi panas keluar dari bumi. Hasilnya panas yang terperangkap di bawah Atmosfer bumi menjadi lebih banyak dan pada akhirnya meningkat suhu-suhu rata-rata bumi.
Fenomena ini analog dengan pemanasan suhu pada rumah kaca yang digunakan petani untuk membuat pertumbuhan tanaman lebih cepat. Kaca yang digunakan sebagai perangkat infra merah memiliki prinsip kerja yang sama dengan gas karbon yang memerangkap panas keluar dari permukaan bumi. Hal ini membuat Gas Karbon juga disebut sebagai gas rumah kaca.
A. Kenaikan Rata-Rata Suhu Bumi
Sejak tahun 1760 sampai tahun 1980, suhu rata-rata Bumi naik sebesar 0,07oC setiap 10 tahun. Hal ini disebabkan oleh konsentrasi Gas Rumah kaca semakin banyak di udara. Tahun 1970-an, penggunaan bahan karbon yang awalnya hanya sampai pada level Industri berubah menjadi level rumah tangga. Produsen Mobil bahan bakar minyak baik bensin maupun solar semakin meluas. Hasilnya, Ilmuwan mencatatkan perubahan kenaikan suhu rata-rata 0,18oC setiap 10 dekade sejak tahun 1980-an. Hal ini berarti kenaikan suhu rata-rata permukaan bumi naik lebih dari 100% sejak Revolusi Industri terjadi.
Saat ini penelitian tentang Klimatologi menunjukkan bahwa Batas kenaikan suhu rata-rata yang bisa ditoleransi kehidupan makhluk hidup di bumi hanya 1,5oC sampai pada tahun 2040. Jika lebih dari itu maka akan ada kiamat organisme di bumi. Hal ini akan memicu bencana secara global dan lokal mulai dari Kebakaran Hutan, Banjir Bandang, Cuaca Ekstrim dan segala bencana.
Cobalah cari berita tentang serangan Panas di Internet yang terjadi, Cari tahu juga dampak apa yang dihasilkan. Buatlah analisis mengenai penyebab dan dampak yang lebih buruk jika tidak ada langkah dan upaya pencegahan Global Warming dilakukan.
Penyebab utama Global Warming adalah konsentrasi Gas Karbon Dioksida (CO2) di udara yang meningkat secara drastis akibat dari pembakaran bahan bakar karbon baik itu batu bara maupun minyak bumi. Selain itu beberapa gas polutan yang berada di atmosfer bumi juga ikut menyumbang peningkatan suhu bumi.
Gas-gas ini selanjutnya membentuk lapisan tebal di Atmosfer bumi sehingga radiasi sinar matahari yang masuk ke bumi akan sulit untuk ke luar angkasa. Normalnya radiasi akan keluar ke angkasa, namun karena lapisan gas Karbon yang tebal hasilnya panas ini terperangkap di permukaan bumi.
Semakin tebal lapisan ini di atmosfer maka semakin banyak panas yang terperangkap di Bumi. Di sisi lain aktivitas manusia terutama yang melibatkan energi fosil juga menambah ketebalan Gas-gas rumah kaca di Atmosfer. Gas-gas rumah kaca bisa jadi dalam bentuk
CO2
Methane
NO2
Uap Air
Senyawa Flour Sintesis
Sebanyak Bumi sudah mengalami beberapa siklus pemanasan Global, sebagaimana kita ketahui bersama akhir dari zaman es disebabkan siklus alami dari Pemanasan Global, namun siklus ini diperkirakan sekitar 800.000 Tahun. Pemanasan Global saat ini bukanlah siklus alami dari Bumi melainkan disebabkan oleh Aktivitas Manusia terutama penggunaan Bahan Bakar Fosil seperti Batu Bara, Minyak Bumi dan Gas Alam seperti LPG dan LNG.
Indonesia sendiri merupakan negara yang memiliki ketergantungan besar dengan bahan bakar fosil ini, karena hampir semua pembangkit Listrik, Mobil dan MEsin Pabrik masih bergantung pada sumber energi ini. MEskipun demikian beberapa sumber energi sudah mulai dikonversi ke Energi Baru Terbarukan (EBT) seperti Tenaga Angin, Tenaga Hidro, Tenaga Matahari dan Biosolar, namun jumlahnya belum memadai.
Memerangi Global Warming merupakan hal yang sulit dilakukan saat ini mengingat besarnya ketergantungan manusia dengan bahan bakar fosil. Upaya ini harus dilakukan secara serius dan segera. Hal ini juga didukung oleh banyak negara berkembang seperti kesepakatan pengurangan Emisi Nasional di berbagai negara maju dan berkembang.
Carilah informasi mengenai langkah konkrit yang dilakukan Pemerintah Dunia sebagai bentuk upaya melawan Global Warming. Pada umumnya langkah ditunjukan dalam bentuk Konferensi dan Kesepakatan. Catat-catalah Konferensi-konferensi tersebut dan apa saja kesepakatan yang dihasilkan!
C. Dampak Global Warming
Penelitian mengenai Global Warming dilakukan setiap saat oleh para Ilmuwan, ada banyak hasil penelitian yang menunjukkan Penyebab dan dampak Global warming. Seiring dengan itu dampak awal dari Global Warming sudah mulai tampak.
Hasil penelitian tentang Global Warming juga menunjukkan bahwa bencana alam seperti serangan gelombang panas, kekeringan, cuaca buruk dan banjir bandang memiliki asosiasi yang erat dengan Global Warming. Bencana-bencana tersebut juga lebih mengerikan dari sebelumnya dimana kerusakan dan korban jiwa yang ditimbulkan semakin besar. Jika penggunaan bahan bakar fosil dan penggundulan hutan tidak dikendalikan maka diperkirakan ada ada 250 ribu korban jiwa dan 100 juta lebih terancam kelaparan di tahun 2030.
Dampak lain dari Global warming juga berbahaya seperti
Berkurangnya jumlah Es Abadi dan Gletser di puncak gunung dan di kutub, Kekeringan Parah, dan bencana kekeringan akan mengancam berkurangnya jumlah air bersih dan meningkatkan resiko kebakaran hutan.
Naiknya permukaan laut yang menyebabkan Banjir ROB di daerah Pesisir pantai. Pulau-pulau kecil terancam tenggelam.
Gelombang panas membuat tanaman, kehutanan dan pertanian akan rentang diterpai badai kekeringan.
Kepunahan beberapa jenis Terumbu Karang dan padang Rumput yang berdampak pada punahnya banyak spesies hewan dan tumbuhan.
Wabah alergi, asma, dan penyakit menular akan menjadi lebih mudah menyerang karena kondisi udara yang kurang sehat akibat cuaca panas.
Berdasarkan jarak objeknya, teropong terbagi atas dua jenis yakni Teropong Bumi dan Teropong Bintang. Jelaskan perbedaan prinsip kedua teropong tersebut!
Soal 2
Seorang pengamat bintang refractor ingin membuat teropong bintang dengan kekuatan perbesaran Anguler 100 kali, jika lensa okuler yang ia gunakan adalah 2,5 cm, maka tentukan
Fokus lensa objektif
Panjang minimum teropong
Soal 3
Desain paling umum pada teropong terbagi ke dalam dua jenis yakni (1) Refraktor dan (2) Reflektor. Jelaskan
Perbedaan antara konsep kedua teropong tersebut
Kelebihan dan kekurangan masing-masing teropong
Soal 4
Pada proses pengamatan bintang dan planet menggunakan teropong, objek-objek agak sulit diamati jelas seperti pada proses mengamati bulan. Berikan 5 alasan yang membuat proses pengamatan Bintang dan Planet jauh lebih sulit dibandingkan mengamati bulan!
Pulverisation atau Pulverisasi adalah proses pemberian gaya eksternal pada bahan padat dengan ukuran tertentu agar ukurannya lebih kecil dari ukuran awalnya. Proses ini juga kadang disebut sebagai proses penggerusan, penggilingan, dan sejenisnya. Pulverisasi banyak digunakan untuk dalam proses pembuatan tepung baik itu seperti penumbukan biji kopi, peracikan obat, penghalusan bahan tambang, cat dan sejenisnya.
A. Tujuan Pulverisation
Pada awalnya, Tujuan Pulverisation dibagi ke dalam kategori besar yakni :
Treatment awal proses separasi bahan aktif
Pembuatan sampel dengan bahan partikel dengan ukuran tertentu
Meningkatkan jumlah luas permukaan pada bahan pada uji reaktivitas bahan.
Seiring dengan meningkatnya kebutuhan dan teknik analisis sampel, tujuan dari Pulverisation Juga bertambah yakni
Modifikasi permukaan partikel
Pembentukan komposit partikulat
Proses mekanis pada amorfisasi
Proses preparasi pembentukan partikel
Perlakuan awal pada sintesis partikel
Pada percobaan fisika dan kimia yang lebih modern, Pulverisasi tidak hanya digunakan untuk mengecilkan ukuran partikel tapi juga bisa dijadikan proses pengembangn material baru.
B. Proses Pulverisasi
Sebagaimana yang telah dijelaskan diatas, Pulverisasi dilakukan dengan memberikan gaya eksternal pada bahan untuk membuat ukuran bahan menjadi kecil. Gaya yang diberikan pada bahan harus lebih besar dari batas elastisitas bahan sehingga membuat bahan pecah karena pengaruh gaya mekanik dari.
Proses pecahnya bahan terjadi karena propagasi dari gaya ke dalam struktur materi sampai pada akhirnya membuat partikel pecah ke banyak bagian.
Gaya yang diberikan haruslah tidak jauh lebih besar dari batas elastisitasnya agar bahan tidak pecah dalam ukuran besar. Selain itu pemberian gaya harus dilakukan secara kontinu untuk memastikan gaya terpropagasi sampai ke bagian tengah dari partikel.
Ada dua jenis penghancuran/penggilingan partikel yakni:
Penggilingan Permukaan (Surface Grinding)
Penggilingan Volume (Volume Grinding)
Surface Grinding terjadi jika partikel perlahan-lahan terpecah dari sisi permukaan membentuk partikel bahan yang lebih halus. Pada proses ini, gaya gesek lebih dominan yang bekerja pada partikel.
Pada Volume Grinding, proses penghancuran tidak hanya terjadi pada permukaan bahan tapi langsung membelah partikel. Belahan ini kemudian diberi gaya besar sehingga terbelah lagi menjadi partikel yang lebih kecil. Pada proses ini, kompresi gaya besar yang bekerja pada partikel.
Potensial Energi secara umum didefinisikan adalah bentuk energi yang tersimpan (Stored Energy) yang tergantung keadaan dari bentuk energi yang ditinjau. Dalam fisika, Energi Potensial ditemukan dalam bentuk Potensial Gravitasi, Potensial Listrik, Potensial Kimia, Potensial Pegas, dan Potensial Termodinamika. Energi ini baru dapat dimanfaatkan ketika diubah ke dalam bentuk energi lain.
A. Potensial Termodinamika
Potensial termodinamika adalah besaran skalar berupa fungsi keadaan yang menunjukkan kesetimbangan dan stabilitas sebuah sistem termodinamika. Energi potensial Termodinamika paling umum dinyatakan dalam empat bentuk yakni
Entalpi (H)
Energi Dalam (U)
Energi Bebas Helmholtz (F)
Energi Bebas Gibbs (G)
Dalam tinjauan Fisika, Energi Dalam ditinjau dengan fungsi U(V,T) sebagai potensial Termodinamika sedangkan dalam tinjauan kimia, Entalpi H(P,T) digunakan sebagai fungsi keadaan.
1. Energi Dalam (U)
Persamaan umum termodinamika ditunjukkan melalui fungsi
Dimana {F,q} melambatkan Konjugat variabel Intensif dan Ekstensi yang menunjukkan karakteristik dari sebuah sistem. Singkatnya pada gas:
{F, q} → {−P, V }
Sedangkan pada sistem magnetik dinyatakan dalam:
{F, q} → {B,M}
Potensial Kimia
Jumlah partikel yang ada dalam sistem merupakan variabel ekstensif alami dari energi bebas. Jumlah partikel dari jenis yang berbeda (j) disimbolkan Nj, dimana j mulai dari 1,…, α. Masing-masing variabel intensif (µ) dari setiap µj, mewakili potensial kimia dari sistem.
Potensial kimia sebuah gas indekti dengan energi fermi dari sebuah gas dalam keadaan Fermi, yakni pada tekanan yang rendah. Namun beberapa partikel bisa saja melewati batas membran melalui proses difusi yang bisa berdampak pada nilai Nj, dengan demikian jumlah partikel tidak harus konstan.
a. Energi Dalam Gas (U)
Energi dalam gas setara dengan
dU =TdS-PdV+µdN
dalam gas monoatomik, maka
T=\left(\frac{∂U}{∂S} \right)_{V,N}
-P=\left(\frac{∂U}{∂V}\right)_{S,N}
µ=\left(\frac{∂U}{∂N}\right)_{S,N}
Fungsi Respon. Fungsi Respon adalah fungsi yang pentil dalam eksperimen yang didapatkan melalui persamaan diferensial biasa orde dua dari energi dalam.
persamaan dasar untuk gas ideal, dengan U(S,V) sebagai potensial termodinamika. S,V adalah variabel natural bebas.
2. Potensial Termodinamika vs Persamaan Keadaan
Variabel alami untuk U adalah S dan V, dengan demikian maka Fungsi U(S,V) berlaku pada sebuah sistem tertentu. Turunan dari fungsi dapat digunakan untuk menentukan semua karakteristik termodinamika dari sebuah sistem. Persamaan keadaan ini dinyatakan
U=U(T,V,N)
untuk energi internal U sebaliknya –bukan– potensi termodinamika. Ini karena turunan persamaan di atas menghasilkan panas spesifik CV dan persamaan energi :
Perhatikan kedua persamaan tersebut tidak bergantung S dan P.
3. Mekanika Klasik vs Termodinamika
Sebagaimana pengantar yang diberikan di atas, bahwa bentuk energi Potensial. Dengan demikian kita bisa membuat analogi antara Energi Potensial menurut mekanika (EP) dan energi Potensial menurut Termodinamika dalam bentuk Energi dalam (U)
B. Transformasi Legendre
Sekalipun sangat baik digunakan dalam bentuk analisis matematis, Persamaan U(S,V,N) dalam menganalisis Potensial Termodinamika di dalam lab sangat sulit. Hal ini disebabkan Variable S yang sangat sulit dikontrol. Untuk tujuan praktis, maka kajian Potensial Termodinamika dianalisis dengan Transformasi Legendre.
Pada Mekanika Klasik, Transformasi Legendre menghubungkan adalah fungsi Legendre L(q,q˙) dengan fungsi Hamilton H(q,p). Dimana q adalah koordinat umum dan q˙ dan p adalah kecepatan dan momentum. Dimana P
p=\left(\frac{∂L}{∂\dot{q}} \right)_q
Pada koordinat q konstan dan
H(q, p) = p\dot{q} − L(q, \dot{q})
1. Transformasi Legendre di Termodinamika
Mari kita misalkan bentuk transformasi adalah:
U(S,V,N) → H(S,P,N)
dimana
H(S,P,N) = U(S,V,N) + PV
dan
P=-\left(\frac{∂U}{∂V} \right)_S
Perhatikan bahwa tekanan didefinisikan sebagai kemiringan (negatif) energi dalam U sehubungan dengan volume V , dalam analogi dengan transformasi dari kecepatan q˙ ke momentum p = ∂L/∂q˙ dalam mekanika klasik. Namun perhatikan konvensi tanda yang berbeda.
Diferensial. Transformasi Legendre dapat dievaluasi dengan
dH = d(U + P V ) = (T dS − P dV + µdN) + (P dV + V dP)
dH diferensial dari entalpi dalam variabel S, P dan N. Hasilnya adalah:
dH = T dS + V dP + µdN
2. Bentuk Potensial Termodinamika
a. Entalpi (H)
Entalpi (H) adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi dari suatu sistem termodinamika. Entalpi terdiri dari energi dalam sistem, termasuk satu dari besaran potensial termodinamika dan fungsi keadaan, juga volume dan tekanannya (merupakan besaran ekstensif) Satuan SI dari entalpi adalah Joule, namun digunakan juga satuan British thermal unit dan kalor.
Entalphi (H) didefinisikan :
H = U + PV
Dalam koordinat Alamnya :
dH = F dS + V dP
Perubahan Entalphi (H) ketika sistem mengalami Proses infinitesimal adalah :
dH = dU + PdV + VdP
Dari Hukum ke-1, untuk proses yang reversibel :
TdS = dU + P dV
Maka ditulis :
dH = T dS + V dP
Karena S dan P sebagai koordinat alami dari H maka ditulis H = H(S,P) dan persamaannya :
\left ( \frac{dH}{dS} \right)_P= T
\left ( \frac{dH}{dS} \right)_P= V
Fungsi Entalphi (H) ini, mampu melukiskan sifat – sifat zat murni. Sifat zat murni dapat dilukiskan dengan diagram H-S-P, yang berupa suatu permukaan dengan T dan V menyatakan nilai kemiringan fungsi H tersebut.
b. Energi Dalam (U)
ENERGI THERMAL/ENERGI DALAM (U) :
Energi dalam (U) adalah total Energi Kinetik (Ek) dan Energi Potensial (Ep) yang ada di dalam sistem. Oleh karena itu Energi Dalam bisa dirumuskan dengan persamaan : U = Ek + Ep.
Namun karena besar Energi Kinetik dan Energi Potensial pada sebuah sistem tidak dapat diukur, maka besar Energi Dalam sebuah sistem juga tidak dapat ditentukan, yang dapat ditentukan adalah besar Perubahan Energi dalam suatu sistem.
Perubahan energi dalam dapat diketahui dengan mengukur Kalor (Q) dan Kerja (W), yang akan timbul bila suatu sistem bereaksi. Oleh karena itu, perubahan energi dalam dirumuskan dengan persamaan :
U = Q + W
Jika sistem menyerap kalor, maka Q bernilai positif (+)
Jika sistem melepaskan kalor ke lingkungan, maka Q bernilai negative (-)
Jika sistem melakukan kerja, maka W pada rumus tersebut bernilai positif (+)
Jika sistem dikenai kerja oleh lingkungan, maka W bernilai negative (-)
Sebagai fungsi termodinamik, Energi dalam (U) dapat dinyatakan sebagai fungsi dua koordinat termodinamik yang mana saja. Misalnya :
U = U(P,V) U = U(P,T) U = U(V,T)
Dalam koordinat alamnya :
dU = T dS – P dV
Dari Hukum ke-1, untuk sistem hidrostatis :
dU = dQ – P dV
Karena S dan V sebagai koordinat alami dari U maka ditulis U = U(S,V) dan persamaannya :
\left ( \frac{dU}{dS} \right)_V= T
\left ( \frac{dU}{dV} \right)_s= -P
c. Fungsi Helmholtz (F)
Energi bebas Helmholtz (F) adalah potensial termodinamika yang mengukur kerja yang “bermanfaat” dari sistem termodinamika tertutup dengan suhu dan volume yang konstan. Perbedaan negatif energi Helmholtz sama dengan jumlah maksimal kerja yang dapat dilakukan suatu sistem dalam proses termodinamika dengan volume konstan.
Fungsi Helmholtz atau energy bebas Helmholtz, didefinisikan sebagai :
F = U – TS
Dalam koordinat alamnya :
dF = S dT – P dV
Untuk proses reversible infinitesimal, perubahan kecil dari F :
dF = dU – T dS – S dT
Dari Hukum ke-1 , untuk proses reversibel :
dU – TdS = – P dV
sehingga :
dF = – P dV – S dT
Karena T dan V sebagai koordinat alami dari F maka ditulis F = F(T,V) dan persamaannya :
\left ( \frac{dF}{dT} \right)_T= -P
\left ( \frac{dF}{dT} \right)_V= -S
Fungsi Helmholtz, didefinisikan oleh karena banyak proses kimia yang berlangsung secara isoterm dan isovolum.
d. Fungsi Gibbs
Energi bebas Gibbs (G) adalah suatu potensial termodinamika yang dapat digunakan untuk menghitung kerja reversibel maksimum yang dapat dilakukan oleh sistem termodinamika pada suhu dan tekanan konstan (isotermik, isobarik).
Penurunan energi bebas Gibbs (Joule dalam SI) adalah jumlah maksimum pekerjaan non-ekspansi yang dapat diekstraksi dari sistem termodinamika tertutup; maksimum tersebut dapat dicapai hanya dalam proses yang sepenuhnya reversibel.
Ketika sebuah sistem berubah secara reversibel dari keadaan awal ke keadaan akhir, penurunan energi bebas Gibbs sama dengan kerja yang dilakukan oleh sistem ke lingkungannya, dikurangi dengan kerja dari gaya tekanan.
Energi Gibbs (G) juga merupakan potensial termodinamika yang diminimalkan saat sistem mencapai kesetimbangan pada tekanan dan suhu konstan. Derivasinya sehubungan dengan koordinat reaksi sistem yang hilang pada titik kesetimbangan. Dengan demikian, pengurangan G adalah kondisi yang diperlukan untuk spontanitas proses pada tekanan dan suhu konstan.
Fungsi Gibbs atau energy bebas Gibbs didefinisikan sebagai :
G = H – TS
Dalam koordinat alamnya :
dG = V dP – S dT
Untuk proses reversible infinitesimal :
dG = dH – T dS – S dT
Dari Hukum ke-1, untuk proses reversible :
dH – T dS = V dP
sehingga :
dG = V dP – S dT
Karena P dan T sebagai koordinat alami dari G maka ditulis G = G(P,T) dan persamaannya :
\left ( \frac{dG}{dP} \right)_T= V
\left ( \frac{dG}{dT} \right)_P= -S
Fungsi Gibbs adalah untuk menjelaskan proses yang berlangsung secara isotermal dan isobarik seperti pada proses perubahan fase.
di mana:
H = Entalpi (Joule) U = Energi Dalam /Energi Thermal (Joule) F = Fungsi Helmholtz / Energi Bebas Helmholtz (Joule) G = Fungsi Gibbs / Energi Bebas Gibbs (Joule) P = Tekanan (Pa) V = volume (m3) T = Suhu (K)
Getaran dan Gelombang adalah materi yang membahas tentang gerakan bolak-balik yang terjadi di alam. Gerakan ini ditinjau dari hukum-hukum fisika yang mengatur tentang fenomena yang berkaitan
Elektronika adalah mata kuliah yang membahas tentang fenomena elektron yang mengalir melalui perangkat elektronik. Materi Elektron dikaji berdasarkan jenis aliran dan pemanfaatannya dalam kehidupan manusia.
Teori kinetik gas mendeskripsikan tentang sifat makroskopik sejumlah besar gas yang terdiri dari partikel submikroskopik, baik itu dalam bentuk atom maupun unsur, yang bergerak secara random dengan kecepatan konstan. Gerakan partikel pada gas ini akan segera membentuk lenting sempurna jika bertumbukan baik antar partikel maupun dengan dinding pembatas gas.
Teori Kinetik ini menjelaskan tentang karakteristik makroskopik dari sejumlah gas terkait dengan besaran tekanan, temperatur, volume, viskositas, dan konduktivitas termal. Besaran ini dikaji berdasarkan jenis gasnya dan gerakan dari gas tersebut.
A. Gas Ideal
Teori Kinetik Gas hanya berlaku pada gas-gas ideal. Gas Ideal sempurna ini adalah gas khayal, karena praktis sulit ditemukan di alam namun karakteristik gas pada umumnya sudah mendekati ideal. Adapun model gas ideal memiliki karakteristik sebagai berikut:
Gas terdiri dari dari molekul dengan ukuran yang sangat kecil dibandingkan jarak terpisah antar gas, sehingga volume yang ditempati partikel gas dapat diabaikan jika dibandingkan volume gas secara keseluruhan.
Interaksi gaya antar molekul sangat lemah baik itu gaya tarik atau gaya tolak menolak sehingga dapat diabaikan.
Partikel bergerak lurus secara random dengan kecepatan konstan. Sebagai benda, partikel dalam gas ideal tunduk pada hukum Newton tentang gerak. Jika tumbukan maka terjadi tumbukan lenting sempurna, dengan demikian energi kinetik di dalam gas sifatnya ideal.
Energi kinetik rata-rata dari gas berbanding lurus dengan suhu mutlak dalam gas.
Berdasarkan kriteria tersebut, maka gas ideal ini memiliki volume yang terisi oleh ruang kosong. Hal ini sangat kontras dengan fase benda dalam keadaan cair dan padat dimana interaksi gaya antar partikel sangatlah berpengaruh.
Pada keadaan standar, partikel gas bergerak dengan kecepatan 100 m/s sampai 1000 m/s. Kecepatan ini membuat setiap partikel gas diperkirakan mengalami tumbukan sebanyak 1010 kali setiap sekon. Karena jarak antar gas yang sangat jauh maka tinjauan gerak gas dapat dilakukan secara individu berdasarkan hukum Newton.
Setiap kali terjadi tumbukan, (tumbukan lenting sempurna) dan gas bergerak dengan kecepatan yang dianggap sama, maka setelah tumbukan partikel bergerak dengan kecepatan yang sama hanya saja terjadi perubahan arah. Jika terjadi perubahan kecepatan, mengingat sangat sulit gas berada dalam keadaan ideal sempurna, maka perubahan kecepatan ini sangatlah kecil. Sehingag Δv sebanding dengan akselerasinya (a)
Berdasarkan hukum II Newton, gaya F = ma bekerja pada permukaan seluas A dengan demikian F = PA.
Interpretasi Energi Kinetik Berdasarkan Suhu
Energi kinetik dari sebuah benda yang bergerak dinyatakan dalam persamaan:
E_k = \frac{1}{2}mv^2
Berdasarkan teori kinetik molekul, rata-rata energi kinetik dari benda ini berbanding lurus dengan suhu mutlak dari gas tersebut. Peningkatan suhu dari gas praktis membuat kecepatan gerak dari gas meningkat. Hal ini terbukti melalui percobaan gas ideal yakni
Hukum Boyle yang menyatakan bahwa tekanan dari sejumlah gas tergantung dari seberapa banyak molekul yang menabrak permukaan dinding. Jika gas ditekan sampai volume lebih kecil maka jumlah gas yang sama di awal akan menabrak dinding yang lebih sempit. Dengan demikian tekanan gas akan naik.
Hukum Charles yang menyatakan bahwa peningkatan suhu dari sebuah gas membuat energi kinetik dari gas meningkat. Ketika sejumlah partikel bergerak dengan cepat dalam keadaan yang relatif sama, maka partikel gas harus saling berjauhan sehingga jumlah gas yang menabrak permukaan harus selalu sama dalam satu waktu yang sama. Sehingga peningkatan suhu ini harus dibarengi dengan penambahan volume agar tekanan tetap sama.
Hukum Avogadro yang menyatakan bahwa penambahan jumlah molekul yang berada dalam sebuah ruang tertutup akan menambah jumlah tumbukan dari antara dinding ruang setia satuan waktunya.
B. Model Matematis Hukum Gas Ideal
Pemodelan matematis dari hukum gas ideal sangat membantu dalam memahami karakteristik mikroskopik dari gas. Berdasarkan penjelasan sebelumnya maka setiap partikel dari gas ideal ini tunduk pada hukum Newton. yakni
F=ma=m\frac{dv}{dt}
dimana m adalah massa partikel dan v adalah kecepatan partikel. Arah gerak dari partikel gas ini akan berubah ke arah berlawanan ketika menumbuk dinding dengan kata lain kita asumsikan bahwa kecepatan ke arah dinding sebesar +v dan setelah tumbukan menjadi -v. Kesepakatan ini bisa dilakukan sebaliknya.
Misalkan sebuah partikel gas berada dalam sebuah ruang berbentuk kubus dengan panjang l. Partikel kemudian bergerak ke arah sumbu x kemudian menumbuk dinding sehingga terpantul ke arah berlawanan. Ketika bergerak ke arah dinding maka kecepatan adalah +v dan ketikan kembali kecepatan adalah -v. Dengan demikian, perubahan kecepatan dari benda ini adalah 2v, sehingga perubahan momentumnya adalah 2mv.
Setelah tumbukan, maka partikel harus bergerak sejauh l agar mengalami tumbukan dengan dinding sebelahnya, dengan demikian jumlah tumbukan setiap satuan waktunya adalah :
\frac{v_x}{2l}
Dengan demikian gaya yang bekerja pada dinding adalah
