Tag: Termodinamika

Tugas Proyek Konten Microlearning Termodinamika
Berikut ini adalah detail penjelasan dan Proyek Konten Microlearning pada Mata Kuliah Termodinamika. Jika terdapat kendala silahkan diskusikan di Grup WA

Bentuk Konten Microlearning yang harus di Buat
1. Materi Ajar Dalam bentuk File PDF dan Word
2. Slide Presentasi Asyncronous
3. Animasi Konten Durasi 90 sampai 150 Detik
4. Infografis
1. Daftar Nama Kelompok dan Materi Kelas A
1. Kel. 1 – Hukum 1 Termodinamika dan Pemodelan Matematis
2. Kel. 2 – Kerja Panas dan Hukum I Termodinamika (Pert. IV)
3. Kel. 3 – Kalor
4. Kel. 4 – Perpindahan Panas
5. Kel. 5 – Radiasi Benda Hitam
6. Kel. 6 – Kerja Panas dan Hukum Termodinamika (Pert. VI)
Nama Anggota dan Kelompok Kelas A

Kel 1 –
Kel 2 –
Kel 3 –
Kel 4 –
Kel 5 –
Kel 6 –
Kel 7 –
Kel 8 –

2. Daftar Nama Kelompok dan Materi Kelas B
1. Kel. 1 –
2. Kel. 2 – Perubahan Fase
3. Kel. 3 – Konduksi Panas
4. Kel. 4 –
5. Kel. 5 –
6. Kel. 6 – Hukum Termodinamika II
7. Kel. 7 – Konduktivitas Termal
8. Kel. 8 – Konduktivitas Termal
Nama Anggotan dan Kelompok Kelas B
1. Kel 1 – Irmawati, Farida Nurwahida, Nurul Hidayah
2. Kel 2 – Indira Assahra, Zavira Asmira, Fatmawaty
3. Kel 3 – Nazirah, Nur Hikmah, Ummul Fikrul Chairia
4. Kel 4 – Anisa Putri, Karmila Putri, Intan Maharani
5. Kel 5 – Anisah Muthi’ah Dzakiyyah, Nur Azizah, Silmi Tesyia Putri
6. Kel 6 – St.Aisyah, Risda Reny Syarif, Nurfadilah
7. Kel 7 – Asmamawati Mahmud, Nur Awaliah, Hawati
8. Kel 8 – Yusriah Ismail, Jendri Boas, Muhammad Ibrahim Rais
Contoh Konten Microlearning

1. Materi

2. PPT Asyncronous

3. Infografis

T eori Media Pembelajarna Berbasis Infografis

4. Animasi Pembelajaran

Video Eksplainer

Motion Grafis Sederhana
29 April 2022
Konsep Entropi dan Distribusi Energi Rata-rata
AhmadDahlan.NET – Entropi adalah sebuah besaran unik dalam termodinamika dan sedikit sulit untuk dipahami. Berbeda dengan suhu dan tekanan yang bisa dengan mudah diamati atau Volume dari sebuah sistem sudah jelas besaran yang konkret, Entropi tidak dapat diukur secara langsung. Sehingga tidak mungkin dibuat alat ukur Entropi atau Entropi Meter.

Termodinamika adalah kajian yang mempelajari perpindahan energi (kalor) yang terjadi pada sistem, lingkungan dan semesta. Karakateristik termodinamika bergantung dari keadaan sistem namun tidak bergantung pada keadaan sebelumnyam, selanjutnya aspek ini disebut sebagai variable ekstensif. Selain itu karakateristik termodinamika juga dipengaruhi oleh jumlah zat dari sistem (massa atau mol) dan volume yang disebut sebagai variable intensif. Nilai dari variable tersebut diluar dari pengaruh tempertaur dan suhu.

Entropi sendiri adalah karakteristiks termodinamika seperti temperatur, tekanan dan suhu hanya saja tidak bisa divisualisasikan dengan mudah melalui pengukura.

A. Pengertian Entropi

Konsep entropi pertama kali diperkenalakan pada pertengahan abad 19 melalui kajian efektifitas mesin panas. Terutama pada hubungan antara Siklus Carnot dan pemuaian gas ideal maupun gas nyata. Pada awalnya perubahan entropi ΔS dapat dijabarkan melalui persamaan :
```
ΔS = \frac{Q_{reversibel}}{T}
```
dimana Q adalah energi panas (J) dan T adalah suhu.

Belakangan, Entropi lebih dijabarkan sebagai perubahan Entlapi -ΔH setiap kenaikan suhu yang dituliskan dalam persamaan :
```
ΔS = -\frac{ΔH}{T}
```
Pendekatan modern dalam menjabarkan Entropi punya dua kekurangan yakni : (1) Satuan entropi J/K tai derajat ketidakaturannya tidak memiliki satuan. (2) persamaan ini mendefenisikan perubahan yang tidak mendukung konsep siste dalam keadaan setimbang.

Hukum Termodinamika dan Entropi

Perhatikan III hukum utama termodinamika yakni :
1. Hukum I Termodinamika yang menyatkan tentang kekekalan energi
2. Hukum II Termodinamika berbicara tentang arah perpindahan kalir yang spontan dari suhu tinggi ke suhu rendah
3. Hukum III Termodinamika yang menyatakakan bahwa semua zat murni punya entropi yang sama pada suhu 0 Mutlak.
Ketiga hukum ini lebih mengarahkan pengertian entropi suatu sistem berhubungan dengan distribusi dan energi molekul pada tingkat energi dari sistem itu sendiri.

Pandangan klasik memberikan penjelasan bahwa sistem dalam keadaan nol mutlak, atom-atom penyusun sistem tidak memiliki energi dan membuat mereka saling berdekatan. Ketika energi dalam bentuk apapun dimasukkan ke dalam sistem, maka atom-atom mulai bergerak baik itu rotasi, vibrasi dan translasi. Semakin tinggi suhu akan membuat gerakan ini semakin meningkat.

Peningkatan suhu disebabkan pemberian energi panas, namun karakteristik akan berbeda antara satu zat dengan zat yang lainnya tergantung dari kapasitas panas dari masing-masing zat.

Hal yang lain harus doperhatikan adalah titik lebih dan titik leleh dari zat juga berbeda antara satu zat dan zat lainnya. Pada akhirnya penelitian menunjukkan bahwa pada suhu 298 K, setiap zat memiliki standar entropi yang berbeda satu sama lain. Pada suhu tersebut, Entropi Grafit adalah 6 J/K namun air adalah 70 J/K sedangkan nitron 192 J/K.

B. Distribusi Energi

Bayangjan kita sedang mengamati sebuah sistem yang sangat kecil dengan jumlah partikel yang terbatas. Setelah itu, misalkan kita memberikan energi 20 satuan energi ke sistem tersebut yang hanya berisi 10 partikel yang identik. Rata-rata partikel akan memiliki 2 unit energi.

Meskipun dikatakan rata-rata namun angka ini lebih bersifat diskrit dibandingkan kontinu, dengan kata lain keadaan sistem hanya dapat berubah jika setiap partikel mendapatkan 2 unit energi. Jika salah satu partikel ini mengambil semua energi yang diberikan kepada sistem maka keadaannya akan 10 kali berbeda dengan keadaan pada saat setiap dapat 2 unit energi.

Jika energi tersebut diberikan ke dua partikel, maka prosesnya akan memiliki salah sati dari partikel akan mendapatkan 10 energi, kemudian 1 dari 9 partikel lainnya akan mendapatkan sisa 10 energi. 8 Partikel lannya tidak akan mendapatkan energi. Kombinasi dari kejadian ini bisa mengasilkan 90 kombinasi sistem. Namun karena partikel ini tidak dalam dibebedakan (identik) maka hanya akan ada 45 kombinasi. Demikian pula jika energi ini diberikan ke 4 partikel akan mengasilkan kombinasi 210 keadaan.

Cara perhitungan ini menghasilkan banyak kombinasi bahkan untuk sistem dengan 10 Partikel saja, sehingga sangat tidak mungkin untuk diaplikasikan ke sistem dengan jumlah atom yang banyak.

Ludwig Boltzmaan selanjutnya membuat percobaan dengan jumlah partikel yang banyak dan menghasilkan hasil :

Jika energi menyebar lebih luas dalam suatu sistem maka jumlah kemungkinan distribusi meningkat ke puncak seperti pada bagan di bawah.

Pada suhu rendah, ketiak sejumlah kecil energi masuk ke dalam sistem, maka jumlah energi ini tidak dapat dibagikan ke seluruh partikel yang ada ke dalam sistem. Hal ini adakan berdampak sebagain besar molekum yang mendapatkan energi sesuai dengan kedaan energi rata-rata pada suhu tersebut namuan sebagiannya lainnya tidak memiliki energi yang cukup. Semakin tinggi suhunya maka semakin banyak energi sehingga perbedaan keadaan energi antara satu partikel dan partikel lainnya lebih merata. Karakter ini sangat berdampak pada karakteristik entropi sebuah sistem.

Jika partikel yang ditinaju berada pada sistem terisolasi, maka jumlah energi dan partikel dalam sistem akan konstan. Energi yang ada partikel akan berpindah/berganti satu sama lain seiring dengan geraka acak dari partikel sehingga saling bertabrakan.

When the concept of entropy is being introduced, it is important that misconceptions should be avoided, particularly the idea that entropy represents the degree of disorder in the system. Entropy is dynamic – the energy of the system is constantly being redistributed among the possible distributions as a result of molecular collisions – and this is implicit in the dimensions of entropy being energy and reciprocal temperature, with units of J K^-1, whereas the degree of disorder is a dimensionless number
19 April 2022
Persamaan Gas Ideal dan Penurunan Hukum Gas Ideal
AhmadDahlan.NET – Persamaan Gas Ideal adalah sebuah pemodelan matematis yang dilakuakn untuk meramalkan perilaku gas yang mengalami perubahan keadaan. Perubahaan Keadaan gas sendiri sudah diamatai terlebih dahulu oleh Boyle, Charles dan Avogadro dan menghasilkan Hukum Gas Ideal.

A. Hukum Gas ideal

Dalam upaya mengamati karakteristik gas yang ada di dalam semesta dilakukan beberapa eksperimen dan pemodelan untuk memudahkan proses penarikan kesimpulan tentang karakteristik gas itu sendiri. Di mulai dari sifat umum dari gas yang membentuk molekul dengan dua atom berpasangan seperti gas Nitrogen yakni N₂, Oksigen yakni O₂ dan gas-gas lain yang cenderung mengikuti pola ini. Beberapa gas yang lain seperti Helium (He) justru lebih cenderung bersifat monoatomif di alam bebas. Beberapa karakteristik gas ini juga teramati sama di gas diatomik dan monoatomik.

Gas pada umumnya sangat mudah dimampatkan (dikompres) dari keadaan standarnya. Hal tersebut terlihat dari nilai koefisien ekspansi gas yang sangat tinggi. Implikasinya, gas akan dengan mudah memuai ketika mengalami perubahan suhu. Bahkan untuk perubahan suhu yang sangat kecil sekalipun. Mayoritas gas bahkan memiliki nilai koefisien rata-rata ekspansi (β) yang sama. Hal ini tentu saja memicu pertanyaan mengapa Gas Diatomik ini memiliki karakteristik yang nyaris sama? Padahal karaketristik fisik dan kimia dari masing-masing atom penyusun gas berbeda, Misalnya N berbeda dengan O dan berbeda dengan C dan seterusnya.

Hal tersebut ternyata disebabkan oleh jarak antar partikel penyusun gas yang berjauhan jika dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Jaraknya seperti ilustrasi berikut !

Jarak yang begitu jauh ini membuat gaya tarik antar partikel gas ini sangatlah lemah bahkan cenderung bisa diabaikan kecuali pada saat mereka bertabrakan satu sama lain. Ketika bertabrakan, kecepatan sangat tinggi sehingga terjadi tumbukan lenting sempurna. Gerakan atom dan molekul pada gas sangat cepat sehingga memenuhi semua ruangan dengan suhu di atas titik didih dari masing-masing gas. Hal ini sangat berkebalikan dengan karakteristik dari sifatnya dalam fase liquid dan solid.

Gas ini kemudian dijadikan bahan eksperimen untuk mengamati perubahaan keadaan gas yakni P, V dan T. Eksperimen dilakukan dilakukan untuk mengamati perubahan dari keadaan jika salah satu besar di jaga tetap konstan. Hasil percobaan dan orang ayng mengamatinay sebagai berikut :

1. Boyle

Boyle memasukan sejumlah gas dalam sebuah piston dan menjaga pada suhu konstan. Gas tersebut kemudian ditekan agar nilai P semakin besar. Hasilnya setiap kenaikan nilai P akan menyebabkan nilai V turun. Dengan demikian ditemukan hubungan :
```
V ∝ \frac{1}{P}
```
pada n dan T konstan

2. Charles

Charles melakukan percobaan pad asejumlah gas pada kondisi tekanan konstan. Hasil yang didapatkan Charles bahwa setiap kenaikan suhu akan menghasilkan peningkatan volume dari gas, namun tidak berlaku sebaliknya. Kesimpulan dari Charles ditunjukkan :
```
V ∝ T
```
pada n dan P konstan

3. Avogadro

Hukum Avogadro menyatakan bahwa setiap penambahan jumlah partikel ke dalam bejana pada suhu dan tekanan yang sama akan mengakibatkan perubahan volume dari gas.
```
V ∝ n
```
pada P dan T konstan.

Ketiga hukum tersebut selanjutnya disatukan dan menghasilkan :
```
V∝\frac{nT}{P}
```
Pada perubahan suhu rendah dan tidak ekstrem, hubungan antara V ini proposional terhadap suhu dan berbanding terbalik dengan Tekanan gas. Dengan demikian pemodelan ini bisa dirubah ke dalam persamaan dengan sebuah nilai konstanta
```
V= konst.\frac{nT}{P}
```
Konstanta dalam percobaan ini disebut sebagai konstanta gas Ideal (R) dengan demikian persamaan dapat ditulis dalam bentuk :
```
V= \frac{RnT}{P}
```
Kedua ruas ini kemudian dikalikan dengan P lalu didaptkan persamaan :

PV = nRT

Persamaan PV = nRT ini selanjutnya disebut sebagai Hukum Gas Ideal.

Gas Ideal sendiri didefenisikan sebagai gas Hipotetik yang memiliki karakteristik partikel yang tidak dipengaruhi oleh gaya tarik antar molekul gas penyusunnya. Pada kenyataannya hampir tidak ada gas yang tidak dipengaruhi oleh gaya tarik satu sama lain, namun pada kondisi tertentu gaya tarik ini sangatlah lemah sehingga dapat diabaikan.

Kondisi tertentu tersebut berada pada kondisi ekstrem seperti tekanan yang sangat tinggi atau suhu gas yang sangat rendah. Kedua kondisi dapat membuat jarak antar partikel semakin dan gaya antar partikel tidak bisa diabaikan lagi.

Sedangkan nilai R sendiri berdasarkan pengamaatan adalah :

R = 0.08206 L.atm.K^-1.mol^-1 atau R = 8.3145 J.K^-1.mol^-1

B. Keadaan Standar Gas

Dalam pengukuran besaran-besaran yang terkait dengan konstanta gas ternyata tidaklah benar-benar konstan. Sebagaimana yang telah dijelaskan di atas bahwa sifat gas ideal hanya berlaku pada kondisi tertentu.

Agar terbentuk presepsi yang sama dengan besaran-besaran tersebut tentu saja dibutuhkan kesepakatan keadaan standar yang mendekskripsikina kondisi gas. Keadaan standar tersebut sebagai sebagai STP yakni Standard Temperature and Pressure.

Standar ini ditentukan berdasaarkan dua kondisi yakni Suhu 0^oC (273.15 K) dan tekanan 1 bar atau setara dengan 10⁵ Pa. Perhatikan satandar tekanan 1 bar ini adalah kesepakatan baru dimana sebelumnya tekanan standar di defenisikan sebagai 1 atm atau 1.01 x 10⁵Pa.

Standar ini selanjutnya bisa digunakan untuk menghitung volume dari 1 mol gas dalam keadaan ideal dengan persamaan :
```
V = \frac{nRT}{P}
```
Hasil perhitungan menunjukkan volume idela 1 mol gas idela setara dengan 22.71 L pada STP dan 22,41 L pada suhu 0^oC dan 1 atm. Volume ini seteara dengan volume 3 bola basket.
4 April 2022
Materi Fisika SMA – Rumus Hukum Termodinamika I
AhmadDahlan.Net – Dalam Fisika terdapat ilmu yang membahas mengenai hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem yang dinamakan dengan Termodinamika. Termodinamika ini terdiri dari beberapa hukum, yaitu Hukum Termodinamika 0, I, dan II. Saat ini kita akan membahas mengenai hukum Termodinamika I.

A. Pengertian Hukum Termodinamika I

Hukum Termodinamika I juga dikenal sebagai Hukum Kekekalan Energi. Tetapi, dalam hal yang berhubungan dengan kalor, energi dalam dan usaha, Hukum Termodinamika I menyatakan bahwa Perubahan energi total dalam suatu sistem (∆U) sama dengan kalor yang ditambahkan ke sistem (Q) dikurangi usaha yang dikerjakan oleh sistem tersebut (W).

Sebelumnya, kita sudah mengenal istilah lingkungan dan sistem dalam termodinamika. Lingkungan merupakan daerah yang berada di sekitar sistem. Sedangkan sistem merupakan tempat terjadinya reaksi termodinamika.

B. Persamaan Hukum Termodinamika I

Berdasarkan Hukum Termodinamika I, maka diperoleh :
```
∆U=Q-W
```
atau
```
Q=∆U+W
```
Keterangan,
∆U : perubahan energi dalam (J)
Q : jumlah kalor (J)
W : usaha (J)

Catatan
1. +Q berarti sistem menerima kalor sedangkan -Q berarti sistem melepaskan kalor
2. +∆U berarti energi dalam sistem bertambah sedangkan -∆U berarti energi dalam sistem berkurang
3. +W berarti sistem melakukan usaha sedangkan -W berarti sistem menerima usaha.
Dari persamaan diatas, dapat disimpulkan bahwa perubahan energi total dalam sistem meningkat apabila setiap kali kalor ditambahkan ke dalam sistem. Tetapi, setiap kali suatu sistem melakukan kerja atau usaha, maka perubahan energi dalam sistem akan berkurang.

C. Contoh Soal

Suatu sistem melakukan kerja sebesar 1000 J dan melepaskan kalor sebanyak 2000 Joule. Hitunglah perubahan energi dalam yang terjadi di dalam sisstem tersebut !

Pembahasan

Dik :
W = 1000 J (melakukan kerja)
Q = -2000 J (melepaskan kalor)

Dit :
∆U = ?

Pembahasan :
```
∆U=Q-W
```
```
∆U=(-2000\ J)-(1000\ J)
```
```
∆U=-3000\ J
```
Dari hasil yang diperoleh, dapat disimpulkan bahwa energi dalam sistem berkurang sebesar 3000 J.
26 Maret 2022
Radiasi Termal
AhmadDahlan.NET – Radiasi termal adalah proses perpindahan energi (kalor) dalam bentuk gelombang elektromagnetik yang diemesikan dari permukaan sebuah benda. Maka dari itu, Radiasi Termal dipancarkan ke segala arah dengan kecepatan radaisi setara dengan kecepatan cahaya. Selain itu bentuk Gelombang Elektromagnetik ini menunjukkan jika Radiasi Termal bisa dipancarkan baik dengan atau tanpa medium.

Radiasi Termal

Pada awalnya, fisikawan berpendapat bahwa hanya benda dengan suhu tinggi yang memancarkan radiasi seperti pada besi yang dipanaskan sampai berpendar pada suhu tinggi.

Seiring dengan perkembangan instrumen pengukuran GEM, akhirnya disadari bahwa semua benda akan memancarkan radiasi. Bentuk Radiasi termal yang dipancarkan dibedakan berdasarkan panjang gelombangnya. Jenisnya mulai dari panjang gelombang terpanjang (λ) atau Gelombang Macro sampai pada λ terpendek seperti Sinar Gamma (γ).

Intensitas energi radiasi dari sebuah benda bergantung dari luas permukaan (A) dan suhu benda (T) berpangkat empat. Menurut Hukum Stefan-Boltzmann, Daya Radiasi benda adalah
```
P = \frac{Q}{t}= eσAT^4
```
dimana σ adalah Konstanta Stefan-Boltzmann sebesar 5,67.10-8 Wm^-2 K^-4 dan e adalah emisivitas benda dengan nilai 0 sampai 1.

Menurut Hukum Kirchoff tentang radiasi, Benda dengan warna gelap akan meradiasikan energi lebih cepat dibandingkan dengan benda berwarna terang. Karena bergantung warnanya, maka daya emisi dan absobsi radiasi dari sebuah benda akan selalu sama. Hukum Kirchoff juga menyatakan bahwa benda hitam sempurna memiliki nilai e = 1 dan untuk benda putih sempurna e = 0.

Contoh Kasus!

Sebuah benda bersuhu 127^oC memiliki emisivitas benda 0,5. Jika luas permukaan benda adalah 400cm2, maka tentukan pancaran radiasi termal yang dipancarkan benda tersebut!
```
P = eσAT^4
```
```
P = (0,5)(5,67.10^{-8} Wm^{-2}K^{-4})(4 . 10^{-2} m^2)(400K)^4
```
```
P = 29,0304 \ W/m^2
```
15 Maret 2022
Konduktivitas Termal
AhmadDahlan.NET – Panas atau Kalor adalah bentuk energi yang ditinjau dalam keadaan berpindah (bergerak). Proses perpindahan panas ini bergantung dari fase benda yang memindahkan dan menerima panas. Pada benda dengan fase solid, panas berpindah tanpa diikuti perpindahan materinya. Perpindahan ini disebut sebagai Konduktivitas Panas.

Konduktivitas Termal

Ketika dua buah benda padat bersentuhan satu sama lain, akan terjadi interaksi antar partikel yang ada di bidang batas bensa. Interaksi ini dapat melibatkan perpindahan kalor jika salah satu dari benda tersebut memiliki suhu yang lebih tinggi.

Interaksi energi panas yang terjadi pada proses konduksi tidak melibatkan pertukaran materi antar benda. Proses perpindahan energi terjadi berdasarkan prinsip momentum pada tingkat partikel. Interkasi tersebut ditunjukkan pada ilustrasi di bawah ini!

Ilustrasi di atas menunjukkan dua ujung yang bersentuhan antara dua benda dengan energi kinetik partikel di daerah sekitar bidang batas yang berbeda. Moleku yang awalnya memiliki suhu T₁ akan menumbuk dinding yang juga ditumbuk oleh molekul dengan suhu T₃.

Tumbukan antara Molekul T₁ dan T₃ inilah yang menyebabkan perpindahan energi panas antar partikel. Energi dari T₁ yang lebih tinggi berpindah ke T₃, sehingga suhunya berubah menjadi T₄. Karena kehilangan energi, maka suhu T₁ akan turun menjadi T₂.

Identitas suhu yang dapat dikenali dari poses ini adalah

T₁>T₂
T₁>T₃
T₃<T₄

Hubungan antara T₂ dan T₄ tidak bisa ditentukan karena hal ini bergantung dari selesih perbedaan suhu antara T₁ dan T_3.

Kecepatan perpindahan energi panas tergantung dari selisih panas dari dua benda dan seberapa luas bidang sentuh antara benda. Dengan demikian perpindahan panas dapat dinyatakan dalam bentuk :
```
\frac{Q}{t} ∼ \frac{A.dT}{L}
```
Kecepatan perpindahan panas ini bergantung dari koefisiens konduktivitas termal (k) sebuah benda. Dengan demikian rumus konduktivitas termal yakni :
```
\frac{Q}{t} = \frac{k.A.\Delta T}{L}
```
Simbol Q ini mewakili yang berpindah selama selang waktu t. Dengan demikian Konduktitvas Termal ini memiliki satuan Joule/sekon atay Watt. Satuan ini adalah satuan daya (P).

Konduktivitas termal terjadi bedan dengan fasa padat namun tidak semua benda bisa mengalami Perpindahan panas ini. Benda dengan konduktivitas tinggi bisa mengalami perubahan panas sangat cepat, benda-benda ini disebut konduktor panas dan pada umumnya konduktor panas yang baik adalah logam. Benda yang sulit melakukan transfer panas melalui konduksi disebut isolator dan umumnya merupakan polimer.

Contoh Soal
1. Sebatang besi dengan luas penampang 24 cm₂ memiliki panjang 4 m. Jika perbedaan suhu antara ujung-ujung besi ini adalah 50º C dan koefisien konduksi termalnya adalah 0,2 kal/msC, maka kecepatan rambat kalor adalah…
2. Dua batang besi X dan Y disambungkan pada salah satu ujungnya. Pada ujung-ujung yang lain diberi panas dengan suhu berbeda, 60º C dan 30º C. Jika panjang logam sama dan konduktivitas besi X dua kali lipat besi Y. Suhu sambungan dari logam tersebut adalah …
15 Maret 2022
Hukum I Termodinamika – Interaksi Panas, Usaha dan Internal Energi
AhmadDahlan.NET – Hukum I Termodinamika membahas tentang energi dari aspek hubungan antara Panas, Kerja dan Konsep Internal Energi. Sama seperti massa, energi akan selalu bersifat kekal sehingga tidak dapat diciptakan dan dimusnakan. Hanya saja, Energi dapat dibuah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya.

Internal energi dari sebuah benda atau sistem itu sendiri adalah karakteristik yang menghubungkan antara energi dan partikel penyusun sistem. Internal energi berhubungan energi kinetik partikel dari sistem dan energi potensial termodinamikanya.

Setiap kali sebuah sistem mengalami perubahan kondisi yang disebabkan oleh panas, usaha dan internal energi akan selalu melibatkan perubahan dan transfer energi. Namun kendati demikian totoal keseluruhan energi akan selalu sama sebelum dan sesudah kejadian.

Dalam hukum I Termodinamika, Panas dikonfirmasi sebagai salah satu bentuk energi. Dengan demikian maka proses termodinamika diatur oleh prinsip kekekalan energi. Hal ini membuat Hukum I Termodinamika sering kali disebut sebagai Hukum Kekekalan Energi.

Hukum I Termodinamika

Sebuah sistem termodinamika dalam keadaan setimbang memiliki variable keadan yang disebut sebagai internal energi (U). Perubahan internal energi dari dua buah sistem melibatkan perpindahan panas (Q) dan usaha yang dilakukan oleh sistem (W).
```
ΔU = Q - W
```
Konsekuensi dari Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa energi yang ada di alam semesta ini akan selalu sama, tapi bukan berarti dalam keadaan steady stay seperti pendapat Newton. Meskipun bentuk energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain namun energi tidak dimusnakan.

Dalam upaya melakukan observasi tentang keberlakuan hukum I Termodinamika, dibutuhkan alat yang disebut sebagai Mesin Panas (Heat Engine). Mesin ini mampu mengubah energi panas menjadi energi mekanik begitu pula sebaliknya.

Aplikasi Hukum I Termodinamika Pada Mesin

Secara umum mesin pada dirancang dalam bentuk sistem terbuka dengan prinsip kerja berdasarkan perubahan panas, tekanan dan volume benda yang diakibatkan karekteristik molekul gas yang ada di dalam mesin.

Misalkan saja salah satu pase ketika dilakukan pembakaran dimana suhu gas di dalam menjadi lebih tinggi. Hal ini membuat tekanan gas memuai dan pada akhirnya menaikkan volume gas. Volume gas dapat digunakan dalam menggerakkan piston sehingga ini menunjukkan seberapa besar kerja (W) yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Aplikasi Pada Sistem Tertutup

Pada sistem keadaan tertutup, Usaha yang dilakukan oleh sistem adalah hasil dari perubahan tekanan dan perubahan volume.
```
W = -P \Delta V
```
Dimana P adalah tekanan ekternal terhadap sistem dan ΔV adalah perubahan volume di dalam sistem. Kerja ini disebut sebagai Kerja Tekanan-Volume.

Perubahan energi internal di dalam sistem (Berkurang atau bertambah) tergantung dari interaski kerja dari sistem terhadap ruang tempat terjadinya perubahan PV. Energi Internal akan bertambah jika usaha bekerja pada sistem dan akan berkurang jika usaha dikerjakan oleh oleh sistem. Semuan interkasi energi panas yang terjadi pada sistem juga akan mengakibatkan perubahan energi panas. Namun karena energi akan selalu sama maka total perubahan internal energi akan selalu 0. Jika energi sistem berkurang itu berarti ada energi yang diserap oleh lingkungan dan begitu pula sebaliknya.
```
\Delta U_{sistem} = -\Delta U_{lingkungan}
```
Energi panas tentu saja adalah bentuk entitas yang nilainya mutlak sehingga tanda minus (-) hanya menunjukkan perubahan energi dari suatu kerangka acuan dalam hal ini sistem-lingkungan. Agar terjadi kesepakatan maka dibuat hubungan antara Panas dan Internal Energi ditunjukkan pada tabel berikut :

Proses Panas (Q) Usaha (W)
Kerja dilakukan Oleh Sistem N/A –
Kerja Terjadi Pada Sistem N/A +
Panas keluar dari sistem – N/A
Panas Masuk ke dalam sistem + N/A
8 Maret 2022
Kapasitas Panas
AhmadDahlan.NET – Kapasitas panas dalah karakteristik jumlah panas yang dibutuhkan oleh sebuah benda sehingga mengakibatkan perubahan suhu 1 derajat. Dalam SI, dinyatakan jumlah kalor yang dibutuhkan agar berubah 1^oC.

A. Persamaan Kapasitas Panas

Jumlah panas yang dibutuhkan oleh sebuah benda:
```
C = \lim_{\Delta T \rightarrow  0} \frac{\Delta Q}{\Delta T}
```
atau
```
Q = C dt
```
dimana :

Q : Jumlah Kalor (J)
C : Kapasitas Panas (J/K)
dt : perubahan temperature

Jumlah Kalor yang dibutuhkan juga bergantung dari massa benda, dimana semakin besar massanya maka semakin banyak kalor yang dibutuhkan. Konsep ini selanjutnya disebut sebagai Kalor Jenis.

Logam adalah benda yang memiliki Kapasitas sangat kecil sehingga perubahan suhunya sangat sensitif terhadap penambahan jumlah kalor. Air berbeda dengan logam, benda ini memiliki sensitifitas perubahan suhu yang sangat rendah terhadap penambahan kalor.

Besi paling tidak 10 kali lebih tinggi dibandingkan Air maka tidak heran jika Air lebih banyak dijadikan reservoir panas di berbagai perangkat, misalnya Radiator Mobil dan Kolam Kota.

B. Nilai Kapasitas Panas

Nilai dari kapasitas panas dari sebuah benda juga ikut berubah terhadap perubahan suhu (T) dan tekanan yang dialami oleh benda (P). Dengan demikian maka C adalah fungsi dari P dan T atau (C_P,T)

Sebagai contoh misalnya 1 kg besi pada kondisi STP yakni suhu 25^oC dan tekanan 1 atm akan membutuhkan kalor sebesar 460 J. Nilai ini masih relatif sama mulai dari 15°C sampai 35°C dengan tekanan mupai dari 0 sampai 10 atm. Demikian jumlah panas yang dibutuhkan agar naik dari suhu 15°C ke 16°C akan memiliki nilai yang relatif sama dengan 34°C ke 35°C. Meskipun secara konsep berbeda namun perbedaan itu bisa diabaikan.

1. Tekanan Konstan

Pada tekanan konstan, Panas yang diberikan pada sebuah sistem akan berkontribusi pada kerja yang dilakukan oleh sistem dan perubahan internal energi. Hal ini sesuai dengan hukum I Termodinamika.
```
dQ = dU + PdV
```
Kapasitas panas sistem pada keadaan konstan disebut sebagai C_P.
```
C_P=  \left (  \frac{\delta h}{\delta T} \right )_P
```
2. Volume Konstan

Pada keadaan Isohorik, sisyem tidak melakukan kerja karna dV = 0. Dengan demikian semua panas yang diberikan pada sebuah sistem digunakan untuk menaikkan internal energi sistem atau dQ = dU.

Besar Kapasitas panas sistem pada kondisi ini disebut sebagai C_P. Dengan demikian maka nilai C_V akan selalu lebih kecil dibandingkan dengan C_P. Selesih antara kedua nilai ini disebut sebagai konstanta gas ideal (R)
```
C_P - C_V = nR
```
dimana n adalah bilangan bulat yang menunjukkan jumlah mol.

Perbandingan antara C_P dan C_V disebut sebagau Rasio Kapasitas Panas ( $\gamma$ *) yang dapat digunakan untuk mengetahui derajat kebebasan dari sejumlah molekul gas.
```
\gamma = \frac{C_P}{C_V}
```
* Beberapa buku menuliskan ini sebagai k.
8 Maret 2022
Hukum 0 Termodinamika

AhmadDahlan.NET – Hukum 0 Termodinamika adalah konsep yang bertanggung jawab atas proses pengukuran temperature dasar dengan termometer kontak seperti termometer batang, bimetal dan sejenisnya.

A. Hukum Ke-0 Termodinamika

Sensor tubuh Manusia bekerja dengan baik merespon suhu dalam bentuk “panas” dan “dingin”. Sangat mudah dalam membedakan hal tersebut misalnya hanya dengan menyentuh es kita akan merasa bahwa benda tersebut dingin sedangkan teh yang masih berasap adalah benda yang panas. Tidak pernah terjadi kesalahan dimana kita akan merasakan hal yang sebaliknya.

Akan tetapi tubuh kita akan merasa bingung ketika menyentuh gagang besi dan kayu secara bersamaan dengan suhu yang sama. Seketika tubuh kita akan merasa batang besi akan lebih dingin dibandingkan dengan kayu. Hal ini bukan karena suhu tapi karena besi menyerap kalor lebih cepat di bandingkan dengan kayu. Tubuh kita memang di lengkapi dengan sensor panas saja bukan suhu, karena itu kita tidak akan pernah mengetahui suhu besi dan kayu secara pasti hanya dengan menyentuhnya.

Agar bisa mengetahui suhu dengan pasti maka di butuhkan alat bantu yang dapat secara berulang dan tepat menunjukkan temperatur dari sebuah benda melalui proses pengukuran. Hal yang paling umum digunakan adalah termometer raksa. Dimana sejumlah kecil raksa diletakkan pada pipa kapiler lalu diberi skala. Setiap kali mengalami perubahan suhu rendah, pemuaian dari raksa akan menunjukkan hal yang sama. Pemuaian tersebut akan berhenti ketika suhu termometer sama dengan objek yang diukur.

Hukum 0 Termodinamika menyatakan bahwa jika terdapat dua buah benda pada suhu yang sama bersentuhan dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada pada suhu yang sama (Ketimbangan Termal). Kata bersentuhan ini merujuk pada kebolehan dalam bertukar kalor satu sama lain. Dengan kata lain, mereka tidak dihalangi oleh Isolator panas.

Hukum inilah yang dijadikan konsep pengukuran suhu dengan cara mengganti benda ke tiga dengan sebuah termometer.

Fenomena ini pertama kali diformulasikan oleh R.H. Fowler (1931) meskipun sudah sering kali diamati oleh banyak fisikawan sebelumnya dia. Misalnya Celcius dan Fahrenheit yang membuat termometer namun mereka lebih fokus pada perpindahan kalor dibandingkan kesetimbangan termal. Hal ini pula yang membuat namanya disebut sebagai hukum 0, karena Ilmuwan lebih dahulu mendefenisikan hukum I dan II termodinamika, dibandingkan dengan hukum ini.

Implementasi

Misalkan ada dua benda A dan C memiliki suhu berbeda dimana A lebih tinggi dari C dan keduanya tidak saling berhubungan dengan benda lain, maka suhu ke dua benda tidak akan berubah sampai kapan pun. Suhu benda A akan selalu lebih tinggi dibandingkan dengan benda C.

Segera setelag benda B diletakkan diantara kedua benda tersebut sehingga ketiganya saling terhubung. Hal ini membuat benda akan saling bertukar kalor satau sama salain sampai pada kahirnya suhu ketiga benda tersebut sama. Pada saat suhu mereka sudah sama maka posisi ini di sebut kesetimbangan termal.

22 Februari 2022
Teorema Matimatika di Persamaan Keadaan Termodinamika
AhmadDahlan.NET – Beberapa keadaaan pada termodinamika dikaji melalui bantuan pemodelan matematis. Tujuannya untuk memudahkan proses separasi peran dari masing-masing variabel bebas. terhadap nilai dari variable terikat.

A. Teorema Matematis

Misalkan saja pada objek termodinamis terdiri dari tiga koordinat yang saling berhubungan x, y dan z, maka hubungan ini dapat ditulis dalam bentuk :
```
f_{(x,y,z)}= 0
```
dimana

x adalah fungsi dari y dan z, maka :
```
dx=\left ( \frac{δx}{δy} \right )_z dy+\left (\frac{δx}{δz}  \right )_y dz
```
y adalah fungsi dari x dan z, maka :
```
dy=\left ( \frac{δy}{δx} \right )_z dx+\left (\frac{δy}{δz} \right )_xdz
```
Jika persamaan satu dimasukkan persamaan dy ke persamaan dx maka hasilnya sebagai berikut :
```
dx=\left ( \frac{δx}{δy} \right ) _z \left [ \left (\frac{δy}{δx} \right )_z dx + \left (\frac{δy}{δz} \right )_x dz\right ]+\left ( \frac{δx}{δz} \right ) _y dz
```
```
dx=\left ( \frac{δx}{δy} \right ) _z\left (\frac{δy}{δx} \right )_z dx \ + \left[ \left ( \frac{δx}{δy} \right ) _z\left (\frac{δy}{δz} \right )_x +\left ( \frac{δx}{δz} \right ) _y \right]dz
```
Misalkan dari tiga koordinat hanya terdapat dua yang bebas yakni (x,z), jika dz=0 dan dx ≠ 0, maka :
```
\left ( \frac{δx}{δy} \right ) _z\left (\frac{δy}{δx} \right )_z = 1
```
jika dx = 0 dan dz ≠ 0, maka
```
\left ( \frac{δx}{δy} \right ) _z\left (\frac{δy}{δz} \right )_x +\left ( \frac{δx}{δz} \right ) _y = 0
```
```
\left ( \frac{δx}{δy} \right ) _z\left (\frac{δy}{δz} \right )_x =-\left ( \frac{δx}{δz} \right ) _y
```
dengan demikian
```
\left ( \frac{δx}{δy} \right ) _z\left (\frac{δy}{δz} \right )_x \left ( \frac{δz}{δx} \right ) _y =-1
```
B. Contoh Aplikasi

Setiap infinitesimel dalam koordinat termodinamika (P, V, T). Hubungan antara variabel dapat di hitung dengan nilai yang berubah terhadap dua variable lainnya.

Misalnya variabel V adalah fungsi dari (T,P) maka nilai V dapat ditentukan dengan persamaan diferensial parsial yakni :
```
dV = \left ( \frac{δV}{δT}\right )_p dT \ + \left ( \frac{δV}{δP}\right )_TdP
```
Kuantitas pemuaian volume rata-rata didefenisikan sebagai :
```
muai \ volume \ rata-rata = \frac{perubahan \ volume /satuan \ volume}{perubahan \ temperatur}
```
Pada kondisi isobar.

Jika perubahan temperature sangat kecil, maka perubahan volume juga akan sangat kecil, maka Koefisien pemuaian (β) dirumuskan :
```
β=\frac{1}{V} \left( \frac{δV}{δT}\right)_P
```
Secara matematis β adalah fungsi dari (T,P) hanya saja dalam percobaan banyak zat yang memiliki nilai β yang tidak sensitif terhadapat tekanan (dP) dan hanya sedikit berubah terhadap perubahan suhu (dT).

Dampak dari perubahan tekannan pada keadada isotermik dinyatakan dalam κ (baca kappa) yang disebut ketermampatan isotermik, secara matematis dinyatakan sebagai berikut:
```
κ=-\frac{1}{V} \left( \frac{δV}{δP}\right)_T
```
Berdasarkan teorema matematika maka persamaan Hidrostatik diperoleh :
```
\left ( \frac{δP}{δV} \right ) _T\left (\frac{δV}{δT} \right )_P =-\left ( \frac{δP}{δT} \right ) _V
```
atau
```
\frac{\left (\frac{δV}{δT} \right )_P}{\left ( \frac{δV}{δP} \right ) _T}=-\left ( \frac{δP}{δT} \right ) _V
```
masukkan dinilai persamaan β dan κ, sehingga hasilnya :
```
\left ( \frac{δP}{δT} \right ) _V=\frac{β}{κ}
```
Pada kondisi Isobarik, maka bentuk diferensial parsialnya adalah :
```
dP = \left ( \frac{δP}{δT}\right )_v dT \ + \left ( \frac{δP}{δV}\right )_T dV
```
maka dP :
```
dP = \frac{β}{κ}dT-\frac{1}{κV}dV
```
Pada kondoso Isohorik dimana dV = 0, maka
```
\int^2_1 dP = \frac{β}{κ} \int^2_1 dT
```
```
P_2-P_1 =\frac{β}{κ}(T_2-T_1)
```
Tugas :

Buktikan bahwa :
```
β=\frac{1}{T}
```
dan
```
κ = \frac{1}{P}
```
Pada gas ideal dengan persamaan PV = RT !!!
22 Februari 2022