13:11:24
Coba anda gosok-gosok tangan anda, apa yang anda rasakan? 13:11:24 Apakah tangan anda menghangat? Kenapa bisa terjadi seperti itu?
Mempelajari pengaruhdarikerja, aliranpanas, dan energi di dalam sistem. Perubahan dan perpindahan energi termal/kalor Ahli teknik atau sains menggunakan ilmu termodinamika untuk merancang/membuat berbagaiperalatanteknologi(pltn, elektronika, kesehatan, dll). LINGKUNGAN SISTEM BATAS 13:11:24
13:11:24 Energi Termal versus Temperatur Energi termal/kalor adalah energi kinetik yang melintas dari satu sistem ke sistem lain akibat adanya perbedaan temperatur. (Joules) Temperatur adalah rata-rata energi kinetik partikel di dalam suatu sistem bukan jumlah total energi kinetik partikel. (Derajat) Temperatur 1 Temperatur 2 Panas
13:11:24 Hukum Ke-Nol Termodinamika Jika dua benda berada dalam kesetimbangan termal dengan benda dalam kesetimbangan benda ketiga, maka ketiga benda itu berada kesetimbangan termal satu sama lain Sebagai dasar pengukuran temperatur
13:11:24 Termometer Digunakan untuk mengukur temperatur suatu benda/sistem Menggunakan prinsip kesetimbangan termal(hukum nol termodinamika) Pengukuran temperatur berdasarkan pada perubahan besaran fisis akibat perubahan temperatur. Beberapabesaranfisisyang dapatdigunakan: Volume Panjang Tekanan gas pada volume konstan Volume gas pada temperatur konstan Hambatan listrik
Termometer Termometer air raksa merupakan termometer yang paling umum digunakan Level air raksa naik karena terjadi pemuaian termal Temperatur didefinisikan sebagai tinggi/panjang kolomair raksa. 13:11:24
Termometer Gas Temperatur didefinisikan sebagai skala pemuaian gas pada tekanan konstan Jika volume dikondisikan konstan, tekanan gas akan berubah terhadap perubahan temperatur 13:11:24
13:11:24 Skala Kelvin Jika tekanan gas dikondisikan menuju nol, maka temperatur gas akan menuju nilai-273,15 C Nilai temperatur tersebut dinamakan temperatur nol absolut Nilai tersebut didefinisikan sebagai nilai nol skala kelvin: 273.15 C = 0 K KonversiskalaCelsius kekelvin: T C = T K 273.15
Skala Temperatur Skala Titik Beku Air Titik Didih air 13:11:24 Celsius 0 C 100 C Fahrenheit 32 F 212 F Kelvin 273K 373K Materi terdiri dari molekul/atom yang bergerak/bervibrasi (memiliki energi kinetik) Naiknya temperatur mengindikasikan naiknya intensitas gerakan molekul/atom, dan sebaliknya. Temperatur nol absolut terjadi ketika seluruh energi kinetik molekul/atom hilangdarisistem, 0 K = -273 C
Ekspansi Termal Termodinamika Ekspansi termal dari suatu benda merupakan konsekuensi dari perubahan jarak rata-rata antar atom/molekul. Pada temperatur rendah/ruang, molekul bervibrasi dengan amplitudo yang kecil. Jika temperatur naik, maka amplitudo vibrasi naik. Hal tersebut menyebabkan sebagian besar benda akan memuai pada saat temperaturnya naik. 13:11:24
Ekspansi Linier Termodinamika Pertambahan panjang sebagai akibat kenaikan temperatur: L = α Lo Tor L = α Lo ( T T o ) α, koefisien ekspansi termal, tergantung pada jenis bahan 13:11:24
Muai Luas A A = γ A o T dimana γ : koefisien muai luas dengan satuan K -1, (untuk benda padat isotropik γ 2 α ) Muai Volume V V = β V o T dimana β : koefisien muai volume dengan satuan K -1, (untuk benda padat isotropik β 3 α )
Anomali Air Jika temperatur air dinaikan dari 0 C sampai 4, air akan menyusut dan densitasnya akan naik. Di atas 4 C, air akan memuai dengan naiknya temperatur Densitasmaksimumair adalah1000 kg/m 3 pada4 C
Review 1. Sebuah jembatan baja panjangnya1000 m pada suhu0 C. Berapakah pertambahan panjang baja tersebut pada kondisi siang hari dengan suhu 30 C? 2. Sebuah bejana kaca1l diisi sampai penuh dengan alkohol pada suhu 10 C. Jika suhu dinaikan menjadi 30 C, berapakah banyaknya alkohol yang tumpah 3. Mungkinkah tumpah dari bejana tersebut? Mungkinkah dua buah benda memiliki kesetimbangan termal jika keduanya tidak 4. Pada tidak saling kontak secara langsung? Pada saat termometerair raksa digunakan untuk mengukur suhuair panas, kolom kolomair raksa pada awalnya turun, lalu naik sampai tercapai kesetimbangan termal? Mengapa terjadi seperti itu, jelaskan? 5. Jikaair air raksa memiliki keofisien muaiyang sama dengan gelas, apakah termometer 6. Nitrogen termometerair raksa dapat berfungsi? Nitrogen cair memiliki suhu-195,81 195,81 C pada tekanan atmosfer. Nyatakan nilai nilai suhu tersebut dalamfahrenheit dan Kelvin!
Hukum Termodinamika I Hukum kekekalan energi pada sistem energi termal: Energitermaldapatberubahdarisatubentukdanlokasike bentuk/lokasi lain, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Energi dalam sistem dapat bertamah apabila menerima tambahan energi termal atau kerja dilakukan pada sistem.
Hukum I Termodinamika Contoh: Menggunakan pompa sepeda Padasaatpompaditekanapayang terjadi? Melakukan/memberikan kerja mekanik ke dalam sistem Energi mekanik dikonversi menjadi energi termal melalui gesekan(pompa menjadi panas) Total kenaikan energi dalam sistem tergantung pada kerja mekanik yang dilakukan istockphoto.com
Hukum I Termodinamika Ada kesetaraan antara energi mekanik dengan energi termal Energi mekanik berubah menjadi energi dalam sistem Energi dalam sistem berhubungan dengan keadaan mikroskopik(energi kinetik rotasi dan vibrasi dari atom/molekul) Energi dalam merupakan energi termal yang dimiliki oleh sistem, ia dapat berpindah dari sistem bertemperatur tinggi ke sistem bertemperatur rendah Percobaan Joule
Kalor(energi termal) Kalor adalah energi yang mengalir dari benda bertemperatur tinggikebendabertemperaturrendah. SatuankaloradalahJoule, kaloridanbtu (British Thermal Unit), dimana1 Kal= 4,186 Joule; 1 BTU = 1.055 Joule Banyaknya kalor yang diserap sistem tergantung pada kapasitas panas dan perbedaan temperatur Kapasitas panas(c) didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang diserap benda untuk menaikkan suhu satu satuan suhu(si = 1 K) C = Q/ T C = dq/dt satuankapasitaspanas(c) adalahkal/ o C, Joule/kelvin
Panas Jenis Kalor yang diserap oleh sistem dipengaruhi juga oleh jumlah massa, sehingga didefinisikan panasjenis, yaituenergiyang dibutuhkanuntukmenaikan1 satuan massa sistem sebesar 1 c = C/m c = Q/(m T) Satuan panas jenis(c) adalah kal/gram. o CatauJ/kg. C
Kalor dan Panas Jenis Q = m c ΔT ΔT adalah temperatur akhir dikurangi temperatur awal. Jika temperatur naik, ΔT dan ΔQ akan bernilai positip yang berarti energi/kalor mengalir ke dalam sistem Sebaliknya, jikatemperaturturun, ΔT danδq akan bernilai negatif yang berarti energi/kalor mengalirkeluarsistem.
Perubahan Fasa Termodinamika Perubahan fasa terjadi pada saat karakteristik fisis materi berubah dari bentuk satu ke bentuk lain. Perubahan fasa yang umum terjadi: Padat menjadi Cair Mencair(melting) Cair menjadi gas Menguap(boiling) Cair menjadi padat Membeku(freezing) Gas menjadi cair Mengembun(condensing) Perubahan fasa merupakan perubahan energi dalam sistem tetapi tanpa perubahan temperatur (adanya pemutusan ikatan antar atom/molekul)
Panas Laten Termodinamika Selamaperubahanfasa, jumlahkaloryang diberikan/dikeluarkanadalah: Q = ±m L L adalah panas laten dari suatu bahan Laten artinya tersembunyi L tergantung pada jenis zat/bahan dan sifat alamiah perubahan fasanya Tanda positip pada nilai kalor berarti energi diberikan ke dalam sistem dan sebaliknya tanda negatif mengandung arti energi dikeluarkan dari sistem
Contoh: Berapa kaloryang dibutuhkan untuk menaikian suhu1 gres dari-30 30 C menjadi 120 C
Grafik pertambahan kalor
Metode Perpindahan Kalor Konduksi Konveksi Radiasi
Konduksi Termodinamika Transfer energi dapat dilihat dalam skala atomik Terjadi transfer energi kinetik antar-atom melalui proses tumbukan Atom yang memiliki energi kinetik rendah dapat mengalami kenaikan energi melalui proses tumbukan dengan atom yang memiliki energi kinetik tinggi Rata-rata energi yang ditransfer dalam proses konduksi tergantung pada jenis bahan (karakteristik atomik bahan)
Contoh Proses Konduksi Molekul/atom bervibrasi di sekitar posisi setimbangnya Partikel yang dekat dengan sumber panas/kompor bervibrasi dengan amplitudo lebih besar Terjadi tumbukan antarpartikeldanterjaditransfer energi Pada kasus tersebut, kalor ditransfer melalui panci dan diteruskan ke pegangannya
Bahan Konduktif Termal Secaraumum, logammerupakanbahanyang memiliki konduksi termal baik Logam memiliki banyak elektron bebas, pergerakan elektron merupakan media transfer kalor yang baik Logam dapat mentransfer kalor dari satu bagian ke bagian yang lain Konduksi hanya terjadi pada bahan yang memiliki perbedaan temperatur antara satu bagian dengan bagian yang lain.
Konduksi Termodinamika Suatu lempengan dapat mentransfer kalor dari bagian bertemperatur tinggi ke bagian bertemperatur rendah deganlaju: Q T h T c T h T c P = = ka = T x R R adalah hambatan termal: R = x ka
Contoh Konduksi Termodinamika Dua logam berbentuk kubus dengan lebar 2 cm disatukan. Logam pertama (Pb) bertemperatur 100 dan logam kedua(ag) bertemperatur 0 a. Berapa laju transfer kalor pada kedua bahan tersebut b. Berapa temperatur pada permukaan batas kedua logam (k Pb = 353 W/m.K; k Ag = 429 W/m.K) Hambatantermaltotal: R ek = 0,259 K/W T 100 Laju aliran kalor: P = = = 386 W 0,259 R ek Pb Ag R Pb x = ka = 0,02 353 (0,02) 2 = 0,142K/W R Ag =0,117K/W Temperatur pada batas: 100 T B = C T 45,2 B C = P. R Pb
Konveksi Termodinamika Energi/kalor ditransfer melalui perpindahan zat/bahan Perpindahan zat yang terjadi karena adanya perbedaan densitas disebut proses konveksi alami Perpindahan zat dengan bantuan pompa atau kipas angin disebut konveksi tidak alami Contoh Konveksi: Penyebaran dingin AC Pendingin mesin mobil Memasak air
Radiasi Termodinamika Radiasi tidak memerlukan kontak secara langsung. Energi/kalor ditransfer melalui gelombang elektromagnetik dan mempengaruhi vibrasi dari atom/molekul bahan Laju transfer energi secara radiasi dijelaskan oleh Hukum Stefan: P = σaet 4 σ = 5.6696 x 10-8 W/m 2. K 4 A: luas area benda/objek E: konstanta(emisivitas) e bervariasitergantungsifatabsorpsibahan(0 1) T: temperatur dalam Kelvin
Aplikasi Energi Termal http://www.nrel.gov
Aplikasi Energi Termal http://www1.eere.energy.gov
Geotermal Aplikasi Energi Termal Geotermaladalahenergiyang dihasilkandaridalambumi. Bumi menyimpan energi termal dalam jumlah yang besar dan di beberapa tempat muncul dipermukaan. Energi tersebut dapat dimanfaatkan untuk pembangkit listrik