Heat and the Second Law of Thermodynamics

Transkripsi

1 Heat and the Second Law of Thermodynamics 1 KU1101 Konsep Pengembangan Ilmu Pengetahuan Bab 04 Great Idea: Kalor (heat) adalah bentuk energi yang mengalir dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin

2 1. Arah (Dalam) Alam Outline 2. Istilah-istilah Terkait Dengan Kalor 3. Transfer Kalor 4. Hukum 2(+) Termodinamika 5. Konsekuensi Hk. 2 Termodinamika 2

3 1. Arah (Dalam) Alam 3

4 Arah (Dalam) Alam Hk. 1 Termodinamika, hukum kekekalan energi, tidak melarang peristiwa terjadi dengan arah yang salah Arah yang kita amati dalam alam, bisa ditelusuri ke kelakuan atom dan molekul yang menyusun material Tendensi menuju ke ketidak-teraturan Evolusi ke arah keadaan yang paling memungkinkan 4

5 Arah (Dalam) Alam 5

6 Arah (Dalam Alam) Ilmuwan abad-19 menemukan alasan mengapa ada tendensi dalam alam dengan mempelajari kalor, gerak atom dan molekul 6

7 2. Istilah-istilah Terkait Dengan Kalor 7

8 Istilah 1. Kalor (heat) 2. Temperatur 3. Kapasitas spesifik kalor 8

9 Kalor Dan Temperatur Kalor: Energi yang bergerak Dari yang panas ke yang dingin Temperatur: Istilah yang digunakan untuk membandingkan seberapa cepat gerakan atom 9

10 Skala temperatur yang umum digunakan: Fahernheit Celsius Kelvin Nol Absolut Kalor Dan Temperatur 10

11 Konsep Temperatur Atom-atom suatu benda tidak pernah berhenti bergerak, pergerakan atom-atom dapat berupa: Gerak vibrasi atom-atom di sekitar kedudukan setimbangnya, misalnya pada atom-atom zat padat Gerak acak dan gerak translasi atom dalam zat cair atau uap (gerak Brown) 11

12 Konsep Temperatur 12 Energi kinetik yang dimiliki atom-atom tersebut disebut energi termal atau energi internal (simbol U, U adalah perubahan energi internal, U = U f - U i ). Hanya pada keadaan sangat istimewa gerak atom-atom tersebut sama sekali tidak terjadi, keadaan itu adalah 0 Kelvin (0 K), yang disebut keadaan atau temperatur absolut

13 Konsep Temperatur Dua benda berukuran sama namun memiliki energi internal berbeda dikatakan memiliki temperatur yang berbeda. Bila kedua benda tersebut memiliki energi internal yang sama dikatakan memiliki temperatur yang sama. 13

14 Konversi C ke F: F=(1.8 C) +32 Konversi F ke C: C=( F-32)/1.8 Konversi Temperatur 14

15 Kapasitas Spesifik Kalor Kapasitas spesifik kalor: Kuantitas panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 g suatu zat sebesar 1 C Air Memiliki kalor spesifik tertinggi untuk zat yang umum kita temukan sehari-hari 1 cal/g C 15

16 3. Transfer Kalor 16

17 Transfer Kalor Bila dua benda dengan temperatur yang tidak sama saling bersentuhan (kontak termal), maka sejumlah energi akan mengalir dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah. Aliran energi ini disebut KALOR (HEAT) (simbol Q = energy in motion ). 17

18 Transfer Kalor Bila suatu benda menerima sejumlah KALOR, Q, tanpa mengalami perubahan bentuk (tidak memuai ataupun menyusut), maka berlaku Q = U Hal ini berarti seluruh energi yang diterima benda digunakan untuk meningkatkan energi internalnya Bila terjadi peristiwa pemuaian ataupun penyusutan maka Q U 18

19 Konsep SISTEM dan LINGKUNGAN Suatu benda atau sekumpulan benda yang menjadi pusat perhatian kita disebut SISTEM. Segala sesuatu yang berada di luar SISTEM disebut LINGKUNGAN SISTEM dan LINGKUNGAN membentuk SEMESTA 19

20 Konsep SISTEM dan LINGKUNGAN Dinding atau pembatas yang memungkinkan SISTEM berkontak termal dengan LINGKUNGAN disebut dinding DIATERMIK Dinding atau pembatas yang tidak memungkinkan SISTEM berkontak termal dengan LINGKUNGAN disebut dinding ADIABATIK 20

21 Konsep SISTEM dan LINGKUNGAN 21 Bila suatu SISTEM berkontak termal dengan LINGKUNGAN maka dapat terjadi aliran KALOR antar keduanya, Q

22 Konsep SISTEM dan LINGKUNGAN 22 Q akan mengalir dari SISTEM ke LINGKUNGAN bila temperatur SISTEM lebih tinggi dari temperatur LINGKUNGAN Q akan mengalir dari LINGKUNGAN ke SISTEM bila temperatur SISTEM lebih rendah dari temperatur LINGKUNGAN

23 Konsep SISTEM dan LINGKUNGAN 23 Bila pada kontak termal tidak terjadi aliran kalor antar keduanya (Q = 0), maka berarti SISTEM dan LINGKUNGAN memiliki temperatur yang sama Dikatakan keduanya berada dalam KESETIMBANGAN TERMAL Sebagai analogi ingatlah prinsip bejana berhubungan pada kasus zat cair

24 1. Konduksi Perpindahan kalor melalui tumbukan pada skala atom Konduktivitas termal 2. Konveksi Transfer molekul dalam skala besar Sel konveksi 3. Radiasi Mekanisme Transfer Kalor 24

25 Mekanisme Transfer Kalor 25

26 4. Hukum 2(+) Termodinamika 26

27 Hukum Termodinamika 27 Hk. 2 Termodinamika Hk. 1 Termodinamika Hk. 0 Termodinamika Hk. 3 Termodinamika

28 Hk. 0 Termodinamika 28 Bila sistem A berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem C, dan sistem B juga berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem C, maka sistem A pasti berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem B

29 Hk. 0 Termodinamika 29 T A = T B walaupun keduanya tidak berkontak termal secara langsung

30 Hk. 1 Termodinamika (Khusus) 30 Q = U Bila tidak terjadi perubahan bentuk/ukuran benda atau sistem karena pemuaian ataupun penyusutan Bentuk ini adalah suatu kasus khusus, karena pada umumnya selalu terjadi pemuaian ataupun penyusutan sistem

31 Hk. 1 Termodinamika (Umum) 31 Q = U + W Bila terjadi perubahan bentuk/ukuran benda atau sistem karena pemuaian ataupun penyusutan W dapat bernilai positif ataupun negatif Pada dasarnya hukum ini adalah bentuk lain dari hukum kekekalan energi

32 Perjanjian Tanda Q bernilai positif bila sistem menerima kalor Q bernilai negatif bila sistem melepaskan kalor 32 U bernilai positif bila temperatur sistem meningkat U bernilai negatif bila temperatur sistem menurun W bernilai positif bila sistem berekspansi (memuai) W bernilai negatif bila sistem berkontraksi (menyusut)

33 Hk. 2 Termodinamika Secara alami Q akan mengalir dari sistem yang bertemperatur lebih tinggi ke sistem yang bertemperatur lebih rendah Q tidak akan pernah mengalir dalam arah sebaliknya kecuali bila sejumlah W dilibatkan pada prosesnya 34

34 Hk. 2 Termodinamika (Contoh Kasus) 35 Untuk mencairkan segelas es menjadi segelas air di daerah tropis, tidak diperlukan usaha luar, cukup mendiamkannya untuk waktu yang cukup lama (proses pencairan berlangsung secara alami) Sebaliknya untuk mengubah segelas air menjadi es diperlukan sejumlah usaha, misalnya dengan menggunakan lemari pendingin. Sejumlah energi digunakan untuk menjalankan lemari pendingin tersebut (misal: energi listrik dari PLN) Catatan: untuk daerah kutub, maka berlaku kebalikannya

35 Hk. 2 Termodinamika 36 3 pernyataan Hk. 2 Termodinamika: 1. Kalor tidak akan mengalir secara spontan dari sistem yang bertemperatur rendah ke sistem yang bertemperatur lebih tinggi 2. Tidak ada mesin yang dapat mengkonversi seluruh Q menjadi W (efisiensi 100% tidak mungkin tercapai) 3. Setiap sistem yang terisolasi cenderung semakin tidak teratur dengan berjalannya waktu (misal: SEMESTA)

36 Hk. 2 Termodinamika, Pernyataan 1 37 Kalor tidak akan mengalir secara spontan dari sistem yang bertemperatur rendah ke sistem yang bertemperatur lebih tinggi Level molekular Objek yang bergerak lebih cepat akan berbagi energi Dibutuhkan Energi Untuk mendinginkan objek dibutuhkan energi

37 Hk. 2 Termodinamika, Pernyataan 2 38 Tidak ada mesin yang dapat mengkonversi seluruh Q menjadi W (efisiensi 100% tidak mungkin tercapai) Efisiensi High- to Low-temperature reservoirs Semua mesin yang bekerja antara 2 temperatur, mesti membuang sebagian energi dalam bentuk panas ke low-temperature reservoir

38 Hk. 2 Termodinamika, Pernyataan 2 39

39 Hk. 2 Termodinamika, Pernyataan 3 40 Setiap sistem yang terisolasi cenderung semakin tidak teratur dengan berjalannya waktu (misal: SEMESTA) Sistem teratur Regular dengan pola yang terprediksi Sistem tidak teratur Random Entropi Menggambarkan ketidateraturan Entropi sebuah sistem yang terisolasi akan konstan atau meningkat

40 Hk. 2 Termodinamika, Pernyataan 3 41 a. Untuk mengembalikan keadaan kanan ke keadaan kiri pasti diperlukan sejumlah usaha W b. Keadaan yang kanan adalah yang paling memungkinkan

41 Entropi 42 Berdasarkan tingkat ketidak-teraturan, dikatakan sistem di sebelah kanan lebih tidak teratur daripada sistem di sebelah kiri. Entropi sistem di sebelah kanan lebih besar dari pada entropi sistem di sebelah kiri

42 Entropi 43 Sistem manakah dari ketiga tampilan ini yang memiliki entropi paling besar?

43 Entropi 44 Bila kita membangun kembali gedung yang telah dirobohkan tersebut sampai tepat menjadi bentuk semula, akankah entropinya kembali ke nilai semula? Apakah entropi lingkungan akan bertambah, tetap atau berkurang? Apakah entropi semesta akan bertambah, tetap, atau berkurang?

44 5. Konsekuensi Hk. 2 Termodinamika 45

45 Panah Waktu Empat dimensi 3 tidak memiliki arah kecenderungan Yang ke-4 memiliki arah kecenderungan Waktu Hk. 2 Termodinamika dan waktu 46

46 Limitasi Alam Semesta Konsekuensi Hk. 2 Termodinamika Sebagian hal tidak mungkin terjadi Bahan bakar fosil Hierarki energi 47

47 Terima Kasih 48