BAB 2 - WordPress.com

BAB 2
JAGAD YANG TERATUR
Gagasan
Hukum gerak Newton dan Hukum gravitasi Newton
meramalkan perilaku gerak benda di Bumi & jagad raya.
Langit di waktu malam
•
Gerak bintang, planet, matahari
–
bertahan hidup nenek moyang
•
Astronomi
–
Ilmu pertama
•
Temuan para pengamat masa dulu:
–
Gejala alam DAPAT dinyatakan dengan bilangan,
maka dapat DIRAMALKAN perkembangannya
Pengamatan Tycho Brahe & Johannes Kepler

Tycho (Tyge) Ottesen Brahe
o
Menemukan supernova (7500 tahun cahaya), bukti
bahwa
susunan benda langit tak selalu tetap
o
Mendesain dan memakai peralatan baru,
menghimpun data rinci tentang gerak planet

AWAL MEKANIKA
Mekanika: gerak benda-benda
Stonehenge
Mulai dibangun tahun 2800 s.M.
 Mungkin sejak 8000 sM sampai ~1600 sM
oleh orang mesolitik, neolitik
Galileo
–
–
–
–
FUNGSI
o
kuburan, kremasi
o
menandai musim
sampai sekarang masih dapat berperan
AWAL ASTRONOMI MODERN
Latar belakang sejarah:
Claudius Ptolemaeus
•
Meninggal ~168 M
•
Model planet pertama
•
Bumi di pusat ; matahari, Bulan, bintang, planet
beredar sekitarnya
Nicolaus Copernicus
•
1543: “Tentang Peredaran Bola-Bola Langit”
•
Matahari di pusat
Bukti bulatnya Bumi :

di laut, layar kapal tampak dulu

Eratosthenes kepala kedua Perpustakaan
Aleksandria, Mesir
teman Archimedes
- Keliling Bumi, dgn
ketakpastian ~1%
- Jarak Bumi –
Matahari, dgn
ketakpastian ~1%

kini: beda waktu di dunia, foto Bumi, dsb
Prinsip Kehematan (parsimoni)
William dari Ockham :
“Jangan mengandaikan sesuatu tanpa beralasan, kecuali jika
‘jelas-dengan-sendirinya’; benar secara empiris, atau
dibuktikan berdasarkan Kitab Suci.”
Johannes Kepler (asisten Tycho): Hukum Pertama:
planet berorbit elips
Profesor Matematika
Pencipta alat
Pertama kali mencatat pengamatan dengan teleskop
Mendukung pandangan Kopernikus
•
•
Laju – jarak tempuh per waktunya
Kecepatan – punya arah
•
Persamaan bagi definisi laju:
v = s / (ta – tm)
Percepatan – perubahan kecepatan dalam waktu
•
•
Persamaan bagi definisi percepatan:
a = (va – vm)/(ta – tm)
Perintis Ilmu secara Eksperimental
Galileo
–
Mencatat kaitan antara jarak yang ditempuh, waktu,
kecepatan, dan percepatannya
–
Menemukan bahwa benda dipercepat ketika jatuh
o
Kalau percepatan tetap: Bola pada bidang
miring: v = a t
o
Jatuh bebas (hanya ada pengaruh Bumi)
–
Percepatannya tetap, ‘g’
–
g terukur = 9.8 m/s2
–
Jarak yang ditempuh
(s)= ½ a t2
Isaac Newton
Hukum-hukum Gerak
Hukum 1
• Sebuah benda akan bergerak secara tetap sepanjang
garis lurus; dan benda yang telah diam, akan tetap diam,
kecuali jika mengalami jumlahan gaya.
• Gerak tetap vs gerak dipercepat
• Gaya Inersia
Hukum 2
• Percepatan yang dialami benda, akibat suatu gaya,
sebanding dengan besarnya gaya itu, dan berbanding
terbalik dengan massa benda itu.
• F=ma
Hukum 3
 Benda yang saling mempengaruhi, menerapkan
gaya-gaya yang sama besar tetapi yang arahnya
berlawanan, satu pada yang lain.
• Akibatnya tidak selalu sama atau berlawanan.
“Jelaskan hal-hal dengan penyebab / faktor sesedikit,
sesederhana mungkin”
 aldous adela | sappk
①
 Momentum
Gerak ternyata bergantung pada massa dan lajunya
•
Momentum linear:
p=mv
•
Hukum tetapnya momentum linear total
•
Momentum sudut

Gaya gravitasi yang berlaku umum
Hukum Newton tentang gravitasi, yang ternyata berlaku umum
F = G m1 m2 / d2

•
•
Tetapan Gravitasi, G
G – tetapan pembanding : berlaku sejagad
Henry Cavendish
–
G = 6.67 x 10-11 m3/(s2 kg) atau
6.67 x 10-11 N m2/kg2

•
Berat vs Massa
Berat
–
Gaya gravitasi pada benda, sebanding massanya
–
Berat bergantung pada gaya gravitasi
–
Berbeda di Bumi, di Bulan, di asteroid
Massa benda tetap, konstan
•

G (besar) dan g (kecil)
Berkaitan erat:
o
Berat =(G x massa x M)/R2
o
Berat = massa x g
Jika dua persamaan ini digabungkan:
o
g = G M/R2
o
Masukkan hasil
pengukuran G, M, R
o
g = 9.8 N/kg
= 9.8 m/s2
NEO: Near Earth Objects,
PHA: Potentially Hazardous Asteroids
•
65 juta th yl: Mexico, diameter 9 km, “dinosaurus punah”
•
35 juta th yl: Dekat Washington, DC, diameter 3 km, kawah 80
km
•
50 ribu th yl: Arizona, diameter 50 m, 0,3 Tg, kawah 1,2 km,
sedalam 170 m
•
30 Juni 1908: Tunguska, diameter 50 m, 15 megaton TNT = 1000
x Hiroshima = 0,9 EJ
•
30 Nov 1954: Alabama, diameter
0,2 m, merusak atap rumah, pesawat radio, dan membuat
shock Ann Hodges
•
10 Agt 1972: Utah-Alberta, diameter 0,5 m, 150 ton, lewat saja
•
22 Maret 1989: lewat pada 1,5 jarak Bulan
•
Apophis: diameter 300 m, lewat th 2029, menumbuk (1:45 000)
Paskah(30.4) 2036

Kesimpulan
•
Ada gaya, berlaku sejagad
•
Jagad bagai “sudah tertentu perkembangannya”
tetapi:
•
Ditemukan Prinsip Ketakpastian
•
Ditemukan gerak khaotik
Jadi:
Jagad tidaklah sepenuhnya “sudah tertentu perkembangannya”.
 aldous adela | sappk
②
BAB 3
ENERGI
•
Gagasan
Energi total berjumlah tetap (asalkan sistemnya tertutup / terisolasi),
tetapi berbagai bentuknya dapat berubah, dari bentuk yang satu ke bentuk
lain.
•
•
“Rantai” aliran energi
•
Pusat Matahari ke permukaannya:
~ 1 kilotahun, ~8 menit ke Bumi,
~1,4 kW/m2 di atas atmosfer,
~180 petawatt (PW, 1015 W) dari total 40 zettawatt (1021
watt) daya Matahari
•
~25% dipantulkan atmosfer,
~25% diabsorbsi atmosfer,
~5% dipantulkan Bumi,
~41% diserap Bumi dan ~4% penghuninya
•
Akhirnya menjadi energi termal ~seluruhnya.
~4% diserap alga s/d tumbuhan melalui fotosintesis
~10% (massa)nya dimakan herbivora; sisanya dapat
menjadi batubara, minyak bumi
~10% herbivora dimakan karnivora
~10% karnivora dimakan karnivora besar (termasuk oleh
manusia)
Bentuk-bentuk Energi:
 Energi Kinetik
•
Tampak pada benda yang bergerak terhadap kita
•
Sebanding dengan massa dan kuadrat lajunya
•
Ek = ½ m v2
“Rantai” aliran energi (lain)
1) Bintang generasi pertama segera meledak, menyebarkan
hidrogen dan helium, mendebu, berkumpul menjadi
2) Bintang generasi kedua, dengan evolusi serupa,
menghasilkan
3) Bintang generasi ketiga (termasuk Matahari) yang sudah
berinti atom macam-macam), & para planet, PHA, dsb
Energi secara ilmiah
•
Perubahan bentuk energi dapat tampak sebagai gaya yang titik
tangkapnya pindah
•
Usaha (‘kerja’) didefinisikan sebagai
gaya tsb x perpindahan titik tangkapnya
–
Persamaannya: W = F d
–
Satuannya: joule (J) (dulu: ‘erg’)
•
Sering dapat dikatakan,
‘Energi adalah kemampuan melakukan usaha’
•
Daya ada lah
–
Laju pelaksanaan usaha
–
Persamaannya: P = W / t
–
Satuannya: watt (W);
masih sering dipakai juga
satuan ‘hp’ (‘horsepower, = 750 W)
–
James Watt (1736 – 1819)
Usaha
•
•
•
Mendorong dinding: Usaha dilakukan oleh serat otot, dengan
mengerut, sejauh masih tersedia ATP
ATP diproduksi dari ADP dengan menguraikan glukosa, lemak,
protein
Diperlukan waktu untuk itu, maka daya manusia terbatas.
Daya untuk orang ~65 kg:
o
Tidur
70 W
o
Duduk tegak
115 W
o
Makan, bersih-bersih 230 W
o
Olah raga
460 W
o
Lari15km/jam
1,2 Kw
o
Bersepeda balap
1,3 kW
Dari PLN:
Keperluan 1 rumah tangga di Bandung ~30 kWh per bulan?
@ kRp 9,- per kWh (3,6 MJ)
Dari LPG: 300 kkalori/mol ≈ 50 MJ/kg
Di Amerika Serikat:
Keperluan 1 rumah tangga ~ 1MWh@ US$ 0,12 per kWh

Energi Potensial
•
Energi yang siap diubah bentuknya
1.
Energi Potensial gravitasi
–
Ep= - G M m/r  m g h
2. Energi potensial kimia
3. Energi potensial listrik
- rapat energi ½  E2
4. Energi potensial magnetik
- rapat energi ½ B2/
5. Energi potensial nuklir
- Ep = m c2; 1 mg  25 MWh
Energi Termal
•
Atom dan Molekul
–
Saling terikat, ada energi potensial listrik
•
Bergerak, bergetar
–
Ada energi kinetik;
–
Sering bersifat acak, yang lalu disebut energi termal
 Kalor : Energi termal yang sedang dipindahkan
Kalor itu apa?
1. ~1800: “suatu fluida (‘caloric’) yang mengalir dari benda panas
ke benda dingin”
2. Benjamin Thompson (1752 – 1814): “Perubahan suhu bukan
oleh aliran ‘caloric’ melainkan oleh adanya usaha mekanik”
3. Sir Humphrey Davy (1778 – 1829):
Dapat mencairkan dua balok es dengan menggosokkannya satu
pada yang lain, di cuaca dingin.
4. James Prescott Joule (1818 - 1889):
Mau menguji kaitan kalor dengan usaha, dengan
eksperimennya (kelak disebut “bukti kesetaraan mekanik bagi
kalor”:
1 kalori = 4,2 joule
Energi Gelombang
▫
Gelombang bunyi / akustik
▫
Gelombang gempa / seismik berupa perpindahan
▫
Gelombang elektromagnetik / Radiasi elektromagnetik berupa
medan listrik dan medan magnetik
Energi massa
▫
Radioaktivitas, dalam rangka memperkecil energi potensial
nuklir Einstein. E = m c2
▫
Tampak sebagai susutnya massa
▫
Massa dapat dipandang sebagai ‘endapan’ energi
Konversi Energi
Perlu oksigen, dengan akibat suhu dapat naik, dapat berkeringat
Daya yang harus dibeli
 aldous adela | sappk
③

Hukum Pertama Termodinamika: Jumlah Energi Tetap
 Sistem
o
Tertutup, terisolasi: akan menyeimbang
o
Terbuka: selama ada aliran energi / massa (contoh:
‘mahluk hidup’, ‘organisme’)

o
o
b.
“Ekonomi Hidrogen” (produksi, penyimpanan,
distribusi)
Hukum kekalnya energi total
Bertambahnya energi total sistem =
masuknya usaha, dan masuknya kalor
U = Q + Wpada (pandangan sistemik)
= Q – Woleh (pandangan industrial/ekonomis)
Tokoh termodinamika abad ke 19: William Thomson, Lord Kevin
Menghitung usia Bumi
▫
Debu bertarikan, energi potensial gravitasi menjadi energi
termal, Bumi mencair.
▫
Bumi mendingin, kini ~275 K, dengan meradiasikan kalor ke
angkasa luar.
▫
Maka usia Bumi  100 juta tahun
▫
Setelah diketahui adanya radioaktivitas, usia Bumi terhitung –
beberapa milyar tahun.
Metabolisme manusia
▫
Makan, bernafas = energi masuk
▫
Diubah menjadi usaha dan energi termal
▫
Kelebihan energi termal dibuang melalui kulit, jika perlu dengan
menguapkan keringat
▫
Untuk hidup, perlu ~ 2 000 kilokalori per hari (orang ~65 kg) 
~8 MJ per hari
▫
Untuk membuat lemak badan, perlu 7 000 kkal (~30 MJ) per kg
▫
Untuk membuang lemak, kurangi lah makan, atau lari lah 15 km,
atau berenang lah 2 jam, atau bersepeda lah 25 km.
Indonesia dan masa depan energinya
◦
◦
Bahan bakar fosil (tak-terbarukan)
o
Minyak, batu bara, gas alam
Bahan bakar terbarukan
o
Angin, air, energi surya, ombak, panas Bumi,
energi nuklir
Beban dasar vs beban puncak (Jawa-Bali: ~16 GW
Transportasi
1)
2)
3)
Kendaraan listrik
a. Batere / akku(mulator)
b. Masih untuk jarak dekat
Kendaraan hibrid
a. BBM dan batere
b. Sedang gencar dikembangkan
Kendaraan sel H(fuel cell)
a. BBM/BBB dijadikan (listrik, dipakai membuat)
hidrogen
 aldous adela | sappk
④

BAB 4
Kalor dan Hukum Kedua Termodinamika
Beberapa koefisien muai termal
Udara
Etil alkohol
Bensin
Gliserin
Air
Hg
Pb
Al
Kuningan
Cu
Au
Beton
Besi
Kaca
Pyrex
Pualam, CaCO3
Kuarts
Gagasan
Kalor ada lah bentuk energi yang sedang mengalir dari benda yang lebih
panas ke yang lebih dingin
Arah perkembangan jagad
 sudut pandang makroskopik
Kalor mengalir dari panas ke dingin

•
•
sudut pandang atomik
sistem terisolasi condong berkembang ke arah acak:
◦ air hangat jadi dingin (difusi energi),
◦ bau parfum hanya dapat menyebar (difusi molekul),
◦ kerapian isi lemari ‘hanya’ dapat surut,
◦ minyak tanah hanya dapat dibakar,
◦ badai, tornado, hasil perjumpaan udara hangat
danudara sejuk, gesekan lempeng benua menjadikan
magma & gunung berapi,
◦ peluruhan inti atom (radioaktivitas),
◦ energi Matahari berkonduksi dari pusatnya,
berkonveksi ke permukaan, lalu teradiasi,
◦ lampu hemat-energi lebih efektif memproduksi cahaya,
◦ sendi dan tulang orang usia lanjut menjadi kaku,
◦ mahluk menjadi tua,
◦ sel-sel menjadi cacat dan berhenti berfungsi,
◦ evolusi mahluk hidup
Kalor
- adalah Energi yang sedang pindah dari keadaan panas ke
dingin, sedangkan
Usaha
- ada lah Energi yang sedang pindahtanpa kaitan dengan
keadaan panas atau dingin
Panas
–
ad lah tingginya suhu, temperatur
–
ad lah taraf geraknya atom
–
Energi kinetik rata-rata atom = 3/2 kB T
–
ada lah (“rapat”) energi termal per atom
Analogi:
perorangan Indonesia rata-rata lebih miskin daripada perorangan Malaysia,
tetapi Indonesia lebih kaya daripada Malaysia
Suhu ditunjukkan oleh bola yang terapung terendah
•
ọ
ọ
Termometer Galileo
 Tabung berisi cairan yang mudah memuai (koefisien muai
termalnya besar)
 Bola-bola kecil berisi aneka cairan, dengan bermassa jenis dari
besar sampai kecil
 Jika suhu naik, makin banyak bola kecil tenggelam
 aldous adela | sappk
36
35
27
9
4 – 10
1
Pindahnya kalor
 konduksi: atom-atom hanya bergetar acak di tempat, sambil
saling bertumbukan
 konveksi: atom-atom pindah tempat sambil membawa
energi kinetik / energi getar acak
 radiasi: atom-atom bergetar, menghasilkan gelombang
elektromagnetik yang membawa energi potensial
listrik-magnet
Dampak konduktivitas termal yang besar atau kecil
o
Air samudera menstabilkan suhu atmosfer dan Bumi
o
Kulit kering terasa nyaman, kulit basah terasa dingin
o
Logam terasa dingin, kayu terasa ‘biasa’
o
Kaca jendela rumah mem’bocor’kan energi termal
o
Baju tebal, rambut / bulu, memanfaatkan udara, menghambat
konveksinya (selama tetap kering)
o
Telinga gajah lebar-lebar
Pindahnya kalor
1)
2)
Konversi ke skala Fahrenheit:
Nilai dalam °F = (9/5) x nilai dalam °C} +32
Konversi ke skala Celsius:
Nilai dalam °C = (nilai dalam °F - 32)/(9/5)
Konversi ke skala (mutlak) Kelvin:
Nilai dalam K (kelvin) = (nilai dalam °C) + 273,15
500
210
180
87
75
56
50
42
Air Kalor jenisnya tertinggi
1 kal/(g °C), 4,18 joule per gram, per kelvin
Skala suhu
– Celsius
– Fahrenheit
– Kelvin Nol nya mutlak, dan tak mungkin dicapai
(Hukum Termodinamika Ketiga)
Suhu terendah (2003): 450 pK (0,45 nK) (Ketterle dkk di MIT,
BEC atom-atom Na)
ọ
1 100
950
Kalor jenis, kalor spesifik:
Jumlah kalor untuk menaikkan 1 g bahan sebanyak 1 kelvin
Suhu
Konversi Suhu
3 400 /MK
3)
Konduksi
(Δ suhu kecil atau besar)
Pindahnya kalor melalui tumbukan antar atom
Konveksi
(Δ suhu agak besar)
Pindahnya kalor dengan pindahnya molekul-molekul
berenergi kinetik acak
terjadi “sel konveksi”
Radiasi
(Δ suhu kecil atau besar) - berupa medan listrik dan
medan magnetik, tidak memerlukan materi
Rumus
▫ Konduksi:
Q/dt =  A T/L
▫ Konveksi:
Q/dt = h A T
▫ Radiasi: (jika beda suhu kecil) Q/dt = e  A (T4 – Tlingk4) T
 4 e  A T3 T
ọ
ọ
ọ
Hukum pendinginan Newton:Q/dt = K A T
Koefisien muai termal   V/(V T)
Kalor jenis c = Q/(m dT)
Pemanfaatan radiasi infra merah
▫
▫
▫
Dapat diindera CCD (charge-coupled device) kamera
Maka dapat “melihat” dalam gelap dapat “melihat” bekas hadirnya orang
Dapat “melihat” bocornya pipa air, bagian kawat listrik yang hampir putus,
sambungan listrik yang kurang erat, barang yang berbeda-mutu/jenis
⑤
▫
▫
▫
Dapat memotret “pulau kalor” (“heat island”) dsb
Dapat membuat foto yang “aneh” efeknya
▫
Hukum Kedua Termodinamika
Tiga pernyataan bagi Hukum Kedua Termodinamika
[perhatikan apa yang TIDAK dikatakan]
–
–
–
Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas
(sebaliknya: dapat spontan?)
Tiada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha
secara utuh(sebaliknya: dapat spontan?)
Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak
(sistem terbuka: dapat menumbuhkan keteraturan?)
Kalor tidak akan mengalir spontan dari benda dingin ke benda panas
[Rudolf Clausius]
▫
Pada taraf molekular:
Molekul yang bergerak lebih cepat, akan menyebarkan
energinya kepada lingkungannya
▫
Pada taraf makroskopik:
Perlu pasokan energi / usaha, untuk mendinginkan sebuah
benda
Anda tidak dapat membuat mesin yang sekedar mengubah kalor menjadi
usaha sepenuhnya
[Kelvin & Planck]
▫
▫
▫
▫
▫
Efisiensi mesin tidak dapat 100%
Diperlukan tandon panas dan tandon dingin
Tandon panas menjadi sumber energi
Perlu membuang kalor pada suhu yang lebih rendah, ke tandon dingin
Biasanya tandon suhu terendah = atmosfer
Proses mesin bakar
Setiap sistem terisolasi akan makin acak
•
Sistem teratur
–
Ada pola yang teratur dan dapat diramalkan
perkembangannya
•
Sistem tak teratur
–
Kebanyakan atom-atomnya bergerak acak
Entropi
–
–
»
»
Ukuran bagi taraf keacakan
Entropi sistem terisolasi hanya dapat tetap, atau
meningkat
Entropi
Diusulkan istilahnya oleh Clausius, “dari kata ‘transformasi’
dalam bahasa Yunani, dimiripkan dengan istilah ‘energi’ yang
erat kaitannya”.
Dikukuhkan Ludwig Eduard Boltzmann dengan konsep “zat
terdiri atas partikel kecil yang bergerak acak” dan teori peluang:
Suatu sistem condong berkembang ke arah keadaan yang
berpeluang lebih besar;
S = kB ln Ω

Jagad dimensi 4:
o
Tiga dimensi (x, y, z) tak berarah
o
Dimensi keempat berarah
Waktu
o
“Hukum Kedua berkaitan dengan arah waktu”
o
Irreversibilitas, ke-takterbalikkan-an
Batasan-tak-terelakkan dalam Jagad Raya
–
Beberapa hal tidak dapat terjadi
–
Bahan bakar fosil tidak dapat dibuat kembali (dari hasil
pembakarannya)
–
Ada hirarki bagi bentuk-bentuk energi:
Energi termal berada pada “mutu” terendah
Tetapi, suatu catatan optimistik
Secara lokal, masih dapat dihasilkan keteraturan, melalui sistem-sistem
terbuka yang dialiri energi secara cukup
[contoh: laser, mahluk hidup, pilkada?]
[ Ilya Prigogine (1917 – 2003;
Hadiah Nobel untuk Kimia, 1977):
“struktur-struktur disipatif”,
“jauh dari keseimbangan”,
“ketakstabilan dan indeterminisme”,
“kepekaan akan keadaan awal khaos” ]
–
–
Maka ada yang sedang mengusahakan, pelambatan proses penuaan /
pemanjangan usia kemudaan
Yang lebih sehat: Sejak usia muda, menggunakan kemampuan yang
baru tumbuh, agar berkembang terus secara alamiah (manfaatkan
aerobics, dsb), dan memandang kematian sebagai gerbang ke
kebakaan.
Data Observatorium Arecibo lain
▫
Di Porto Rico, milik Amerika Serikat, dikelola sebagai fasilitas
nasional, dioperasikan Cornell University.
▫
Hanya dapat meradar sampai ke Saturnus, karena besarnya
jarak tempuh pulsa radar dan rotasi Bumi
▫
Medan pandang total: 40o sekitar zenit lokal (1o LS – 38o LU)
▫
Dapat mendeteksi posisi pemancar radar Rusia, akibat
pantulannya dari Bulan
▫
1974: mengirim pesan 2372 piksel ttg angka, gambar orang,
rumus kimia, foto Arecibo, ke galaksi bola M13 di jarak 25 th
cahaya
▫
Planetary Society (November 2007) desak agar jangan ditutup,
karena amat berguna mendeteksi dan memprediksi orbit NEO /
PHA, serta membantu mitigasi defleksinya (jika perlu)
~Garis tengah 350 m, sferis, 38 778 lempeng Aluminium berperforasi, @
12 m,
~Sejak 1963; dana operasi tahun 2007 – 10,5 juta $US, rencana tahun
2011 – hanya 4 juta $US, maka akan ditutup
Penerima Teleskop Arecibo: 900 ton, 150 m di atas cermin, digantung
pada 18 kabel ke 3 menara beton (110, 80, 80 m).
Penangkap radionya: 1 – 10 GHz, 3 cm – 1 m
Pemancar radarnya: 20 TW (2,38 GHz), 2,5 TW (0,43 GHz): 0,3 GW (47
MHz)
Data Observatorium Arecibo
▫
1964: periode Merkurius 59 hari (bukan 88 hari)
▫
1968: di Kabut Kepiting ada pulsar 33 ms (bukti eksistensi
bintang neutron)
▫
1974: Hulse & Taylor temukan pulsar binari (Hadiah Nobel Fisika
1982)
▫
1982: Backer & Shri Kulkarni temukan pulsar 1,4 ms pertama
(tercepat sampai 2005)
▫
1989: Foto pertama asteroid 4769 Castalia
▫
1990: Pulsar berplanet 3 dan berkomet (?)
▫
1994: Pemetaan es di kutub-kutub Merkurius
▫
Jan 2008: Molekul prebiotik (HCN, methamine) di Arp 220, 2
galaksi yang sedang bertumbukan, di jarak 250 th cahaya
Dampak Hukum Kedua Termodinamika

Arah Waktu
 aldous adela | sappk
⑥
» Sebenarnya sejak tahun 1983, ketika definisi “1 meter” dikaitkan
dengan definisi “laju rambat cahaya dalam vakum  299 792 458 m/s”,
~ 3  108 m/s, konstanta permitivitas o lebih tepat ditulis sebagai
c2 o / (4 ) karena baik c mau pun o telah didefinisikan besarnya
(~ 3  108 m/s dan 4   107 T m /A ), sedangkan c2 = 1/(o o) .
BAB 5
LISTRIK &MAGNETISME
Gagasan
Kelistrikan dan kemagneta ad lah dua wajah bagI satu jenis gaya – gaya
elektromagnetik.
Makna permitivitas 
▫
Bahan terkutubkan oleh gaya listrik
▫
Makin terkutubkan, makin ternetralkan pengaruh gaya itu (di
dalam bahannya)
▫
Akan tetapi jika gaya listrik itu terlalu kuat, kutub-kutub itu
dapat terlepas, “kekuatan dielektrik bahan terlampaui”, dan
isolator menjadi konduktor listrik
Gaya alamiah, selain gravitasi
dikenali berdasarkan Hukum I Newton:
ada perubahan gerak  ada gaya
 Gaya magnetik: Batang mineral tertentu mengarah ke
utara
 Gaya listrik: Halilintar, tarikan akibat gesekan
 Gaya nuklir: Radioaktivitas
Mengapa gaya listrik-magnetik amat menonjol?
Karena energi termal atmosfer Bumi (~kBT ~ 0,01 eV) setaraf dengan
energi listrik antar atom / molekul (~ eV)
Permitivitas r = bahan / o bahan dan kekuatan dielektrik bahan
Emaks (MV/m, = N/C)
Kemagnetan
▫ Batang mineral tertentu mengarah ke utara
▫ Dapat menjadi pedoman (kompas) pelayaran jauh dari pantai
▫ [Kini digantikan giroskop]
▫ [Kini kutub utara magnetik sedang bergerak ke arah Siberia]
Gerak para kutub listrik
Benjamin Franklin:
dari eksperimennya dengan menggosok-gosok benda, disimpulkannya,
“hanya ada satu jenis fluida listrik”,
“ada kelebihan, atau ada kekurangan, akan hadirnya fluida itu”
“Muatan benda dapat positif, atau negatif.”
“Halilintar adalah aliran fluida listrik”
» dapat membantu melekatkan catatan pada dinding
logam
» MIT 1975: Bakteri satu sel tertentu mengendapkan
20an kristalit magnetit, lalu dapat bergerak naik-turun
sejajar medan magnetik Bumi



» 80% halilintar ada lah aliran elektron (arus muatan negatif)
» Arus listrik dalam sel saraf = pindahnya pulsa polarisasi akibat aliran
ion Na+ masuk, dan ion K+ ke luar akson
“Gaya magnetik” mengarahkan batang pedoman
William Gilbert (1544-1603):
o
“Dua jenis” kutub/monopol, “dwikutub” (“dipol”)
o
Dampak gesekan, pukulan, pemanasan
Ada “medan” magnetik
Pasangan kutub
▫
Pasangan kutub ternyata tak terpisahkan (tiada “monopol”
magnetik)
▫
“Garis” medan sekedar visualisasi, bukannya realitas
Pengaruh medan magnetik pada gerak muatan listrik
◦ “Gaya Lorentz”
◦ Sebanding dengan besar muatan listrik
◦ Sebanding dengan laju muatan listrik
◦ Sebanding dengan medan magnetik
◦ Arahnya tegak lurus kecepatan dan medan magnetik
◦ Jika percepatannya besar, terjadi radiasi yang juga besar (radiasi
sinkrotron)
Pengaruh medan magnetik pada dwikutub magnetik proton hidrogen
Kelistrikan
 Pengamatan orang Yunani: akibat pergesekan  timbul gaya
non-gravitasi
 “Kelistrikan”:
o Dianggap timbul oleh “kutub”, “muatan”
o Ada dua jenis kutub / muatan juga
o Dapat tarik menarik, dapat tolak menolak juga (beda
muatan, tarik menarik, jg sebaliknya)
Ada muatan di kulit bola logam generator elektrostatik van de Graaf 
pindah ke rambut  tolak menolak
“Cahaya Kutub”, “Aurora Borealis / Australis”: partikel bermuatan
mengeksitasi molekul udara
Batere dan rangkaian listrik
 Luigi Galvani
- kelistrikan mempengaruhi mahluk hidup
- “ada zat kehidupan dalam otot”
 Allesandro Volta
- kelistrikan ada lah gejala kimia
- logam dan cairan tubuh menimbulkan kelistrikan; dapat
dibuat sebuah batere
“Gaya listrik”
Charles Augustine de Coulomb
▫
muatan 1
▫
muatan 2
▫
1/(jarak)2
Fpd 2 oleh 1 = (q1 q2/r2)(1/(4o))
▫
» Konstante diperlukan, agar ruas kiri sama besar dengan ruas kanan
» Besarnya ~9  109 N m2/C2
 aldous adela | sappk

o
o

Arus listrik:
Aliran partikel bermuatan listrik, seperti aliran air sungai
Ada “kekekalan” muatan listrik
Batere:
⑦
o “Sel Volta”
o Mengubah energi kimia menjadi energi kinetik partikel
bermuatan Listrik
André-Marie Ampère
◦
Arus listrik menimbulkan medan magnetik
◦
Medan magnetik menimbulkan gaya Lorentz pada arus listrik
lain
◦
Satuan ampere – jika dua arus bertarikan dengan gaya (per
meter) 20 nanonewton; F = o I I / (2  r)
◦
Maka o / (4 )  107 N m/A2
Dampak kemagnetan pada kelistrikan Dampak kemagnetan pada
kelistrikan
 Michael Faraday
o
Induksi (gerak) elektro-(oleh medan) magnetik
o
Medan listrik dan/atau arus listrik dapat dihasilkan
dengan gerak medan magnetik, atau berubahnya
medan magnetik
 “Generator listrik”, dinamo
Generator listrik
Georg Ohm
◦
Arus listrik sebanding dengan beda potensial listrik
◦
Hambatan listrik R =  L/A
◦
Hambat jenis  : (nanoohm meter)
Rangkaian listrik
Ada bahan yang berkesinambungan, yang menghantarkan arus listrik
“Konduktor listrik”
Komponennya: sumber/pengggerak arus listrik, batere lintasan
tertutup/berkesinambungan
– Jika arusnya berubah-ubah, lintasan dapat tidak berkesinambungan
(misalnya kapasitor)
– Menghasilkan konversi energi listrik menjadi energi termal, energi
magnetik, energi listrik; juga dapat energi kinetik, energi rotasi
Gerak medan magnetik
Dua jenis rangkaian listrik
Dampak kelistrikan pada kemagnetan
Hans Christian Oersted
“Arus listrik menimbulkan medan magnetik”
»
Elektromagnet: alat yang besar manfaatnya
»
Monopol magnetiktidak ada; karena gejala magnetik sekedar
akibat gerak muatan listrik
»
Elektromagnet dapat dihidupkan dan dimatikan dengan mudah
»
Setiap arus listrik menimbulkan medan magnetik di sekitarnya;
“kutub magnetik” otomatis muncul berpasangan
»
Motor listrik: alat yang amat berguna, dan “bersih”
 aldous adela | sappk
 James Clerk Maxwell
merangkum, dan melengkapi Hukum Coulomb
•
Tiada monopol magnetik (Hukum Biot-Savart-Gauss)
•
Kelistrikan menimbulkan kemagnetan (Hukum Biot-SavartAmpère), yang dilengkapi Maxwell berdasarkan konsistensi
bagi Hukum Ampere / kekekalan muatan listrik
•
Kemagnetan menimbulkan kelistrikan (Hukum Faraday)
dampak persamaan-persamaan Maxwell:
1. Terbentuknya medan listrik dan medan magnetik yang
berpindah tempat,
2. suatu gelombang medan listrik-magnetik,
3. suatu radiasi, dengan laju rambat dalam vakum, c, yang konstan
(= 1/(o o) ), tak bergantung pada gerak si pengamat
⑧
»
BAB 6
Gelombang & Radiasi Listrik-magnet
Gagasan
Jika benda bermuatan listrik mengalami percepatan, benda itu akan meradiasi
gelombang listrik-magnet – gelombang energi yang merambat dengan laju cahaya.
Hakekat – sifat gelombang
▫ ‘simpangan, gumpalan’ energi-pindah – longitudinal, transversal
▫ berlaju, frekuensi, panjang gelombang
▫ mengalami gejala Doppler
▫ dapat dihambur
▫ dapat berjumlahan (superposisi): difraksi, interferensi
refleksi/pemantulan, transmisi/penerusan
▫ dapat diabsorbsi
»
»
Kupu-kupu malam tertentu mengembangkan detektor pulsa
kelelawar, beberapa lalu dapat membunyikan pulsa-pulsa
penangkal kelelawar
Bunyi 20-24 Hz gajah, terasa sebagai getaran oleh manusia
Bunyi paus, dolfin ~3-200 kHz, rangkaian pulsa @ ~ms selama
~detik, 50 - 60 dB
Prinsip penjumlahan, superposisi
contoh : modulasi gelombang radio
Dua cara perpindahan energi
a. Melalui benda, ‘partikel’
benda dilemparkan, sampai menggulingkan benda
lain; zat harus pindah jauh
b.Melalui gelombang
zat menggulingkan tetangganya, dan seterusnya;
tiada zat yang pindah-jauh
Perpindahan energi melalui gelombang
Gelombang: ‘gangguan’, ‘gumpalan’ energi-pindah
Sifat gelombang:
–
laju
–
frekuensi
–
panjang- gelombang
–
amplitudo
Dua pola getaran pada gelombang
 Longitudinal [bunyi, gempa]
‘Gerak bolak-balik’ energi searah arah rambat gelombang
 Transversal [glmbg LM, bunyi dlm pdtn, cairan]
‘Gerak bolak-balik’ energi tegaklurus arah rambat gelombang
Contoh gelombang materi/akustik/bunyi:
ombak; sonik; kelelawar (ultrasonik~40 kHz, 10-12 pulsa per detik)
Contoh gelombang medan / listrik-magnet : radio
Difraksi, Interferensi
– Konstruktif
Saling menguatkan, 0-100%
– Destruktif
Saling meniadakan, 0-100%
Ilmu akustik
▫
Untuk mengelola bunyi, gaung, gema ruangan-ruangan besar
dan kecil
▫
Untuk mendeteksi suara pada jarak jauh
▫
Untuk pengendalian derau secara aktif
▫
Untuk pemanfaatan sonoluminesensi
Gelombang (medan) listrik-magnet
Sifat gelombang listrik-magnet dalam vakum:
PERBEDAAN
»
Gelombang akustik:
agak sulit menembus dinding zat
»
Gelombang listrik-magnet:
mudah menembus isolator listrik / bahan
dielektrik, sulit menembus konduktor listrik, bahan logam
Kaitan laju-frekuensi-panjanggelombang
v=f
nada A – 440 hertz pada pipa organa,
laju rambat bunyi 340 m/s,
panjanggelombang 773 mm.
Panjang pipa organanya: 387 mm
Gejala RESONANSI
▫
▫
▫
Sifat pendengaran manusia
»
Hanya peka-frekuensi untuk 20 Hz – 20 kHz
»
Hanya peka-intensitas secara logaritmik, untuk 1 pW/m2 – 1 W/m2
»
Kesan / tingkat intensitas (T.I.) bunyi:
- peka perbedaan ~ 1 desibel
- peka T.I. ~0 – 120 dB
(Alexander Graham Bell, 1847-1922)
»
Rentang peka-amplitudo: ~10 pm – 10 m
»
Dapat mendeteksi frekuensi tertentu di antara banyak
frekuensi! (frekuensi suara pacar, dsb)
Bunyi lain
 aldous adela | sappk
Di titik A
Medan maksimal, akan menyusut
Di titik B
Medan nol, akan membesar; E = c B
Gelombang listrik-magnet saling-mengadakan sesuai dengan
Hukum-hukum Maxwell, dan menyediakan energi selama
perambatannya
Cahaya dan energi gelombang listrik-magnet
Laju rambat cahaya
– Setiap gelombang listrik-magnet berlaju sama, dalam
vakum, c2 = 1/(o o) ; “tak bergantung pada gerak
pengamat”! “tak bergantung pada ‘ether’ ”
– c ≈ 300,000 km/s = 300 Mm/s = 0,3 Gm/s
– Sejak tahun 1983 didefinisikan  299 792 458 m/s
[dalam rangka definisi meter]
Energi
–
Frekuensi lebih tinggi – ‘lebih biru’
lebih tinggi energi fotonnya
–
Frekuensi lebih rendah – ‘lebih merah’
lebih rendah energi fotonnya
Gejala Doppler
⑨
Sifatnya:
◦
Laju gelombang tidak bergantung pada laju sumbernya
◦
Jika sumbernya bergerak, frekuensi yang teramati tampak /
terdengar berbeda
◦
Untuk bunyi, berlaku kinematika Newton; untuk cahaya,
berlaku Teori Relativitas Khusus
Pemanfaatan:
◦
Kebanyakan galaksi tampak lebih ‘merah’  jagad
mengembang, ‘Big Bang’
◦
Radar polisi  memantau laju kendaraan, radar  laju
pesawat udara
◦
Radar untuk laju angin, gelombang ultrasonik untuk laju
darah
◦
LIDAR (light/laser detection and ranging) untuk mengukur
rotasi benda, molekul
◦
Cahaya bintang untuk mengukur rotasinya
Hamburan, Refleksi, Transmisi-refraksi, Absorpsi gelombang listrikmagnet
 Hamburan = Gelombang listrik-magnet diserap dan
dipancarkan elektron atom; non-resonan; hamburan
difus/acak/inkoheren
 Refleksi = hamburan koheren ke arah balik
 Transmisi, refraksi = hamburan koheren ke arah depan,
menembus bahan
 Absorpsi = Energi gelombang diserap jika resonan; dapat
dikonversi bahan menjadi energi termal
Hamburan cahaya oleh molekul atmosfer yang jauh lebih kecil daripada
panjanggelombang cahaya (hamburan Raleigh),  1/4; terpolarisasi;
terefleksi dan terabsorbsi oleh awan (look! Fig. 6-10 pg 128)
Refleksi yang koheren, oleh permukaan tipis logam (di balik kaca) yang
melengkung;absorbsi non-hijau oleh cat hijau, absorbsi oleh baju
merah, dsb (look! Fig. 6-11 pg 128)
Refleksi oleh kertas, transmisi oleh kaca, dan refraksi oleh
permukaannya; absorbsi oleh huruf bacaan, dan oleh kerangka-tepi
kaca (look! Fig. 6-9 pg 128)
Refraksi oleh udara, hamburan oleh atmosfer, absorbsi oleh uap air
dan aspal / tanah (look! pg 129)
Spektrum gelombang listrik-magnet
Akibat getaran elektron atom, dsb, karena kalau ada muatan
dipercepat, terjadi lah gelombang listrik-magnet
Frekuensi getaran menentukan frekuensi gelombang listrikmagnet; panjanggelombang sekedar akibat laju gelombang
»
»
Persamaan-persamaan Maxwell
Meramalkan dapat adanya banyak gelombang listrik-magnet
Heinrich Rudolf Hertz (1857-1894)
Mengukur keberadaan gelombang listrik-magnet (‘gelombang Hertz’,
‘gelombang radio’)
Rentang frekuensi, panjanggelombang gelombang listrik-magnet;
bandingannya dengan sejumlah ukuran benda/mahluk (look! Fig. 6-12
pg 130)
Gelombang Radio & gelombang Mikro
»
Gelombang radio
o
Rentang: ~kilohertz – gigahertz
o
Atmosfer dan bahan isolator ~transparan; untuk komunikasi
o
Penting untuk astronomi radio
o
ELF, SLF untuk senjata, komunikasi militer
»
Gelombang Mikro
o
Rentang: 1mm-1m
o
Komunikasi dan deteksi
o
Dipantul logam
o
Stealth: lapisan isolator yang mengabsorbsi, dll
o
Senjata (3 mm)
Tungku gelombang mikro: ~2,45 GHz,  1,6 mW/cm2, agar
beresonansi dengan H2O, ~aman bagi manusia.
▫
▫
▫
▫
▫
▫
▫
▫
Rentang: 0,3 – 10 THz
Semua benda memancarkan radiasi T
Tertransmisi oleh tekstil, plastik, kayu, kulit, daging.
Diserap oleh air dan logam
Untuk deteksi bahan logam dan nonlogam pada jarak < 15
meter
Untuk mengukur tebal selaput tablet
Masalah transparansi pakaian sedang diteliti
Pencitraan pasif, dan aktif
Radiasi Infra-merah
◦
Rentang: 1mm-1µm (0,3 – 300 THz)
◦
Semua benda memancarkan radiasi Infra-merah
◦
Kulit manusia mengabsorbsi sinar Infra-merah
◦
Nyamuk, kupu malam mampu mendeteksi sinar Infra-merah
◦
Untuk deteksi cacat kabel listrik, bocornya air/cairan/udara,
magma
◦
Untuk ‘melihat dalam kegelapan’
◦
Quasar: Penciptaan Lubang Hitam?
Cahaya
◦
Rentang 700 – 400 nm
(428-750 THz)
◦
Warna merah – ungu
◦
Tiga jenis sel kerucut ‘R,G,B’
Radiasi vs Kecerahan/luminositas(radiometri vs fotometri)
–
Energi radiasi Qe (joule, J); Energi kecerahan Qv (lumen
detik, talbot)
–
Fluks radiasi e (watt, W); Fluks kecerahan v (lumen, lm)
–
Intensitas radiansi Ie (W/sr);
Intensitas kecerahan Iv (lm/sr, candela, cd)
–
1 cd  intensitas kecerahan pada 540 PHz dengan 1/683
W/sr
–
Emitansi radiasi Me (W/m2); Emitansi kecerahan Mv
(lm/m2)
–
Iradiansi Ee (W/m2); Iluminansi Ev (lm/m2, lux, lx)
–
Radiansi Le (W/(sr m2); Luminansi Lv (cd/m2, nit)
–
Emisivitas radiansi   Me/MeBH;
Emisivitas (efficacy) kecerahan K  v/e (lm/W)
–
Efisiensi kecerahan V  K/Kmaks (pada 556 nm)
Contoh luminansi
– Matahari di zenit – horizon: 1,6 Gcd/m2
– Uap merkuri 400 W, E-37: 9,5 Mcd/m220 500 lm, 51,3 lm/W
– Uap halogen logam 400 W, E-37: 8 Mcd/m2
33 500 lm, 83,8 lm/W
– Uap natrium tekanan tinggi 400 W: 7,6 Mcd/m2
46 000 lm, 115 lm/W
– Kawat pijar wolfram (tungsten): 2 Mcd/m2
120 V, 25 W – 232 lm, 9,3 lm/W
100 W – 1 750 lm, 17,5 lm/W
– Api las asetilena: 105 kcd/m2
– Lilin minyak paus: 10 kcd/m2 (1 cd/cm2)
– Lampu fluoresen 40 W, 430 mA, T-12: 8,2 kcd/m2 3 150 lm, 79 lm/W
– Langit bersih: 8 kcd/m2
– Bulan purnama: 2,5 kcd/m2
Radiasi Ultra-ungu
▫
Rentang: 400 -100 nm
▫
Panjanggelombang makin pendek  energi fotonnya makin
tinggi  memutuskan ikatan kimia, merusak sel
tubuh/organisme
▫
Dapat menghasilkan fluoresensi: Absorbsi foton UV,
pancarkan foton cahaya
Sinar X & Sinar Gamma
▫
Rentang sinar X: 100 – 0,1 nm
▫
Frekuensi tinggi
▫
Untuk pengobatan
▫
Untuk deteksi
▫
Rentang sinar gamma: 100 m – 1 pm
▫
Pengobatan
▫
GRB (gamma ray burst): implosi menjadi Lubang Hitam?
Gelombang Tera (Terahertz)
 aldous adela | sappk
⑩
 aldous adela | sappk
⑪