Fisika Umum (MA-301) Topik hari ini Suhu dan Kalor
RIVIEW Keadaan/Wujud Zat ES (H 2 O Padat) AIR (H 2 O Cair) UAP (H 2 O Gas) Secara mikroskopis, apa perbedaan ketiga jenis keadaan/wujud zat tersebut?
Secara mikroskopis, apa perbedaan ketiga jenis keadaan/wujud zat tersebut? Gerakan atom-atom/molekul penyusunnya ENERGI KINETIK Energi kinetik rata-rata tiap partikel sebanding dengan sifat yang dapat kita rasakan: Seberapa panas suatu benda? Semakin panas keadaan suatu zat padat, cair atau gas, maka atom-atom/molekul penyusunnya bergerak makin cepat sehingga energi kinetiknya makin besar
Seberapa panas suatu benda? TEMPERATUR atau SUHU Alat Ukur: TERMOMETER
Skala Temperatur Dituliskan dalam bentuk bilangan yang menyatakan derajat panas suatu benda. Termometer dapat di kalibrasi dengan menempatkannya dalam kontak termal dengan suhu lingkungan yang dijaga konstan Lingkungan bisa berupa campuran es dan air dalam kesetimbangan termal Juga bisa digunakan air dan uap dalam kesetimbangan termal
Skala Celsius (Anders Celsius : Swedia) Suhu dari campuran es dan air ditetapkan pada 0º C Nilai ini adalah titik beku air Suhu campuran air dan uap ditetapkan pada 100º C Nilai ini adalah titik didih air Selang antara titik-titik ini dibagi menjadi 100 bagian
Skala Kelvin (Lord Kelvin : Skotlandia) Berdasarkan Energi Angka 0 menyatakan bahwa zat tidak memiliki energi kinetik Suhu ini disebut nol mutlak Titik ini merupakan titik nol dari skala Kelvin 0 K = 273.15º C Untuk mengubah: T C = T K 273.15 Tidak ada bilangan negatif dalam skala Kelvin
Beberapa Suhu Kelvin Beberapa mewakili suhu Kelvin Catatan, skala ini logaritmik Nol mutlak tidak pernah tercapai
Skala Fahrenheit Skala yang banyak digunakan dalam USA Suhu titik beku adalah 32º Suhu titk didih adalah 212º Titiknya dibagi menjadi 180 bagian
Perbandingan Skala Suhu T T C F T F T K 9 T 5 9 5 C 273.15 32 T C
Energi Internal vs. Kalor Energi internal, adalah energi total yang dimiliki oleh suatu zat Termasuk energi kinetik dan potensial diasosiasikan dengan gerak translasi, rotasi dan vibrasi acak dari atom atau molekul Juga termasuk energi potensial interaksi antar molekul Kalor adalah energi yang ditransfer antara sistem dan lingkungan karena perbedaan suhu antara keduanya Simbol kalor adalah Q
Satuan dari Kalor SI CGS USA & UK Satuan Joule (J) Kalori (kal) BTU (btu) Kalori (calorie) Sebuah satuan historis, sebelum hubungan antara termodinamika dan mekanika dikenal Satu kalori (calorie) adalah jumlah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air dari 14.5 C menjadi 15.5 C. Satuan energi pada makanan adalah Calorie = 1000 calorie Joule 1 kal = 4,186 J Ini dinamakan Kalor Ekivalen Mekanik BTU (US Customary Unit) BTU singkatan dari British Thermal Unit Satu BTU adalah energi yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 pon (lb) air dari 63 F menjadi 64 F 1 BTU = 252 kal = 1,054 kj
Kalor Jenis Setiap zat memerlukan sejumlah energi per satuan massa yang berbeda untuk mengubah suhunya sebesar 1 C Kalor Jenis, c, dari suatu zat adalah ukuran dari jumlah ini c m Q T Satuan SI Joule/kg C (J/kg C) CGS Kalori/g C (kal/g C )
Konsekuensi dari Perbedaan Kalor Jenis Angin Darat & Laut Air laut memiliki kalor jenis yang lebih tinggi dibandingkan daratan Pada hari yang panas, udara di atas daratan panas lebih cepat Udara panas mengalir ke atas dan udara yang dingin bergerak menuju pantai Apa yang terjadi pada malam hari? c c Si H 2 O 700J 4186J kg C kg C
Konsekuensi perbedaan kalor jenis Siang hari Udara dingin turun Udara panas naik Angin laut (konveksi) Laut Tanah lebih panas dari laut
Konsekuensi perbedaan kalor jenis Malam hari Udara dingin turun Udara panas naik Angin darat (konveksi) Laut Tanah lebih dingin dari laut
Mengukur Kalor Jenis? Alat untuk menentukan kalor jenis suatu zat adalah Kalorimeter Kalorimeter adalah sebuah wadah yang terbuat dari bahan isolator yang baik yang memungkinkan kesetimbangan termal terjadi antara zat tanpa adanya energi yang hilang ke lingkungan
Pemuaian Termal Mengapa bisa terjadi, apa penyebabnya? Pemuaian termal sebuah benda adalah konsekuensi dari perubahan jarak rata-rata antara atom atau molekul Pada suhu kamar, molekul bervibrasi dengan amplitudo yang kecil Dengan pertambahan suhu, amplitudo pun bertambah Hal ini menyebabkan seluruh bagian benda memuai
Anomali Air Mengapa bisa terjadi! Pada saat suhu air meningkat dari 0ºC sampai 4 ºC, air menyusut dan kerapatannya bertambah Diatas 4 ºC, air menunjukan pemuaian yang sesuai dengan peningkatan suhu Kerapatan maksimum dari air adalah 1000 kg/m 3 pada 4 ºC
V V Volume berkurang akibat runtuhnya struktur kristal ketika berubah dari fase padat (es) ke fasa cair. Pada suhu sekitar 10 o C struktur kristal runtuh seluruhnya. T Volume bertambah akibat perenggangan molekul-molekul air pada saat suhunya meningkat. H O H T O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H O H H H H O O H H O H H H H O H O H O H H H O H H O H
Gabungan kedua grafik V 4 T 4 T
Pertanyaan: Pada musim dingin, permukaan danau membeku, tetapi bagian bawah danau masih berwujud cair, mengapa ini bisa terjadi?, apakah makhluk hidup masih bisa bertahan pada kondisi seperti ini!
Fenomena pembekuan permukaan danau Es (0 o C) 1 o C 2 o C 3 o C 4 o C
Mekanisme pembekuan permukaan danau Musim dingin (suhu rendah sekali) Suhu lebih rendah Alur konveksi Suhu lebih tinggi Arus konveksi akan terus terjadi hingga suhu air di dasar danau mencapai 4 o C. Ketika mencapai 4 o C massa jenis air akan paling tinggi, sehingga meskipun suhu air di atasnya lebih rendah dari 4 o C, arus konveksi tidak terjadi lagi. Permukaan air bagian atas akan turun hingga 0 o C dan membeku, sedangkan suhu air dalam danau akan meningkat terhadap kedalaman dari 0 hingga 4 o C.
Ikan di Air Laut Kutub Titik beku 0 C hanyalah berlaku pada air tawar (air yang tidak terkena campuran zat lain). Pada air laut titik beku dipengaruhi oleh kandungan kadar garam. Kandungan kadar garam lautan tidaklah sama. Garam dapat menurunkan titik beku air. Titik beku pada air laut dengan kadar garam sebanyak 3,5% adalah sekitar - 1,9 C. Ikan (di daerah kutub), tubuhnya dilengkapi dengan Protein yang dapat mencegah terjadinya pembentukan kristal es di sel darahnya, yang dikenal dengan Antifreeze- Proteine (AFP). Tanpa adanya AFP darah ikan akan membeku pada temperatur -0,9 C.
Transfer Kalor Kalor mengalir dari sesuatu yang panas ke sesuatu yang dingin Prosesnya meliputi: Konduksi Konveksi Radiasi
1. Konduksi Proses transfer dapat ditinjau pada skala atom Pertukaran energi antara partikel-partikel mikroskopik akibat tumbukan Partikel yang energinya lebih rendah memperoleh tambahan energi selama proses tumbukan dari partikel yang energinya lebih besar Laju konduksi bergantung pada sifat zat
Contoh konduksi Vibrasi molekul disekitar posisi kesetimbangan Partikel yang lebih dekat dengan api bervibrasi dengan amplitudo yang lebih besar Menumbuk partikel tetangga dan mentransfer energi Akhirnya, energi menjalar ke seluruh batang Konduksi dapat terjadi hanya jika terdapat perbedaan suhu antara dua bagian dari medium pengkonduksi
2. Konveksi Transfer energi akibat pergerakan dari zat Ketika pergerakan dihasilkan dari perbedaan kerapatan, disebut konveksi alami Ketika pergerakan didorong/dipaksa oleh gaya, disebut konveksi terpaksa
Contoh konveksi Udara di atas api dipanaskan dan mengembang Kerapatan udara menurun Massa dari udara memanasi tangan
Contoh konveksi Pergerakan molekul-molekul air pada suatu wadah yang dipanaskan
Contoh konveksi Angin Darat dan Angin Laut
Pertanyaan Mengapa udara yang hangat/panas bergerak naik? Mengapa di puncak gunung terasa dingin? Mengapa udara yang mengembang/memuai, terasa dingin?
3. Radiasi Radiasi tidak memerlukan kontak fisik Semua benda meradiasikan energi secara kontinu dalam bentuk gelombang elektromagnetik akibat dari vibrasi termal molekul Benda suhu rendah memancarkan gelombang dengan panjang gelombang panjang dan sebaliknya
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Spektrum Gelombang Elektromagnetik
Contoh Radiasi Gelombang elektromagnetik membawa energi dari api ke tangan Tidak ada kontak fisik yang diperlukan
Aplikasi dari Radiasi Pakaian Kain hitam merupakan absorper yang baik Kain putih merupakan reflektor yang baik Termograpi Jumlah energi yang diradiasikan oleh benda dapat diukur menggunakan termograp Suhu Badan Termometer radiasi mengukur intensitas dari radiasi infra merah dari gendang telinga
Pertanyaan Penggunaan sekat fiberglas di dinding luar sebuah rumah/gedung dimaksudkan untuk meminimalisasi transfer kalor yang melalui proses. a. konduksi b. radiasi c. konveksi d. penguapan Jawab a
Penghambat Transfer Energi Termos Didisain untuk meminimalisasi transfer energi Ruang antara dinding-dinding di kosongkan (vakum) untuk mengurangi konduksi dan konveksi Dinding permukaan warna perak untuk mengurangi radiasi (pemantul radiasi)
Pemanasan Global (The Greenhouse Effect) Cahaya tampak diabsorpsi dan diemisikan kembali sebagai radiasi infra merah Arus konveksi dicegah oleh kaca Atmosfer bumi juga merupakan transmiter yang baik bagi cahaya tampak dan absorper yang baik bagi radiasi infra merah
Perubahan Wujud ES AIR UAP Tambah panas Tambah panas Tiga jenis wujud zat (plasma adalah jenis yang lain)
Perubahan Wujud Perubahan Wujud terjadi ketika sifat fisis dari zat berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain Perubahan wujud diantaranya: Padat ke cair mencair Cair ke gas menguap Dll Termasuk perubahan energi internal, tapi suhu tidak berubah
Evaporasi/Penguapan Evaporasi atau penguapan adalah perubahan keadaan zat dari wujud cair menjadi wujud gas dimana terjadinya pada permukaan zat cair Evaporasi adalah proses pendinginan Mengapa bisa terjadi?
Contoh Evaporasi pada Hewan
Gelas tidak bocor, lalu air di luar gelas darimana datangnya?
Tidak ada hujan, tetapi di pagi hari banyak tetes air di rumput!
Kondensasi/Pengembunan Kondensasi/pengembunan adalah kebalikan dari proses evaporasi, yaitu perubahan keadaan zat dari wujud gas menjadi wujud cair. Kondensasi adalah proses pemanasan Kondensasi di Atmosfir:
Pertanyaan: Mengapa ketika akan turun hujan udara terasa panas? Udara panas mengandung.. uap air. a. banyak b. sedikit Jawab a, Mengapa? Kandungan uap air di udara?
Kelembaban Saturasi Jumlah uap air di udara pada suhu tertentu ada batasnya. Di luar batas ini uap air akan berkondensasi membentuk cairan. Kelembaban maksimum berkaitan dengan jumlah uap air maksimum ini, dan keadaan ini dinamakan saturasi Kelembaban Relatif Perbandingan jumlah uap air saat itu dibagi jumlah uap air maksimum pada suhu saat tersebut Kelembaban 100% artinya? Kelembaban 50% artinya?
Kondensasi yang Lain Awan Kabut Pertanyaan: Bagaimana proses terbentuknya awan dan kabut? Hujan buatan?
Mendidih adalah proses evaporasi yang terjadi pada seluruh bagian cairan Pertanyaan: Mengapa bisa terjadi? Dimanakah memasak air yang lebih cepat mendidih, pegunungan atau pantai?
Meleleh/Mencair Mengapa bisa terjadi? Proses kebalikannya? Membeku
Energi dan Perubahan Wujud Padat Cair Gas Serap energi Serap energi Lepas energi Lepas energi
Grafik Perubahan dari Es menjadi Uap
Termodinamika mempelajari kalor dan transformasinya menjadi energi mekanik
Hukum Ke Nol Termodinamika Jika benda A dan B secara terpisah berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga C, maka A dan B dalam kesetimbangan termal satu sama lain
Hukum Pertama Termodinamika Berdasarkan Kekekalan Energi dalam proses termal, maka: Q kalor Positif jika kalor masuk ke dalam sistem W Usaha Positif jika usaha dilakukan oleh sistem pada lngkungannya U Energi dalam Positif jika temperatur naik Kalor masuk Usaha oleh sistem Sistem U Q Positif W Positif U = Q W Q = U + W
Ketika kita tekan tangkai pompa, maka pompa menjadi panas,mengapa? Proses Adiabatik Yaitu proses kompresi atau ekspansi gas secara cepat dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem Proses Adiabatik yang lain?
Hukum Kedua Termodinamika Pernyataan sederhana: Kalor tidak mungkin dengan sendirinya mengalir dari benda dingin ke benda panas Mesin Panas Mesin panas adalah suatu alat yang mengkonversi energi internal menjadi bentuk lain yang bermanfaat, seperti kerja mekanik, contoh: mesin uap, mesin diesel, mesin jet
Mekanisme Mesin Panas Mesin menyerap energi dari reservoar bersuhu tinggi ( Q h ) Mesin mengubah sebagian energi menjadi kerja mekanik ( W eng ) Mesin membuang energi sisa ke reservoar bersuhu lebih rendah ( Q c )
Efisiensi Termal pada Sebuah Mesin Panas Efisiensi termal (η) didefinisikan sebagai rasio antara kerja yang dilakukan oleh mesin terhadap energi yang diserap oleh mesin pada temperatur tinggi. η W Q eng h Q h Q h Q c 1 Q Q c h η = 100% hanya jika Q c = 0 Tidak ada energi yang dibuang ke reservoir dingin.
Mesin Mobil Energi dari bahan bakar 100% = Pendingin 36% + Output Mesin 26% + Gas Buang 38% Output Mesin 26% = Percepatan 3% Gesekan Ban + + 6% Asesoris 3% Mogok Gesekan Udara + + + 4% 7% Transmisi Daya 3%
Pompa Panas (AC) dan Lemari Es Mesin panas dapat bekerja kebalikannya: Energi masuk ke mesin (kerja oleh lingkungan ke sistem) Energi diserap dari reservoir dingin Energi dibuang ke reservoir panas
Keteraturan Cenderung menuju ke Ketidakteraturan Entropi adalah ukuran ketidakteraturan Misalnya suatu gas dalam sebuah tabung, molekulmolekulnya bergerak secara acak, besar dan arah kecepatan molekul tidak beraturan. Makin tidak teratur kecepatan molekul-molekul gas, makin tinggi entropi gas itu. Kalau suatu gas dipanaskan, entropinya naik, dan kalau gas itu didinginkan entropinya turun.