MODUL 14 FS - Universitas Mercu Buana

MODUL 14. FISIKA DASAR I
1. Tujuan Instruksional Khusus
Mahasiswa diharapkan dapat menganalisa interaksi aliran panas,kerja dan energi
dalam suatu sistem.
2. Daftar Materi Pembahasan
2.1 . Teori Kinetik Gas
2.2 . Termodinamika
3. Pembahasan
2.1 Teori Kinetik Gas
2.1.1 Gas Ideal
Sejumlah gas massanya nM dalam ruang yang volumenya V dan temperatur T. M =
berat molekul dan n = jumlah mol
Pada kerapatan yang rendah gas cendrung memperlihatkan hubungan antara
variable- variabel termodinamika seperti P, V, dan T, yaitu :
-
pada sejumlah massa tertentu, jika tempraturnya tetap maka tekanan
berbanding terbalik dengan volume ( H. Boyle )
-
pada sejumlah massa tertentu, jika tekanan tetap maka volume
berbanding langsung dengan temperatur ( H. Charles dan Gay - Lussac )
Hubungan tersebut dapat ditulis sebgai berikut :
PV
 Kons tan
T
atau PV CT dimana C tergantung pada macam gas.
C kT , dimana k = konstanta Boltzmann = 1,381 10-23 J/K
maka persamaan di atas diperoleh :
PV
 NkT
Jumlah molekul zat
( 14.1 )
N nN A
( NA = 6,0221023 Molekul/mol )
Persamaan (14.1 ) menjadi :
http://www.mercubuana.ac.id
x
z
Gambar 14.1 Gerakan molekul dalam suatu ruang
Volume ruang V berisi N molekul gas yang masing-masing dengan massa m dan
bergerak dengan kecepatan v ( Gambar 14.1 ). Komponen x momentum sebelum
menumbuk didinding adalah + mvx dan setelah melakukan tumbukan elastik adalah
– mvx. sehingga perubahan momentum menjadi 2 mvx .
Jumlah molekul yang
menumbuk dinding ruang adalah jarak vxt merupakan jumlah molekul persatuan
volume ( N/V ) (vxt )(1/2 ) . Sehingga dari persamaan tersebut dinyatakan :
1N
N
p
(v
xt.A)(2mvx )
2V
V mvx2 At
Gaya yang diberikan oleh dinding pada molekul-molekul
dan molekul-molekul pada
dinding adalah ;
F
d (mv) dp

dt
dt
maka
P
P
atau
F 1p

A At
N
2
(mv
x)
V
( 14.6 )
atau dapat dinyatakan dengan energi kinetik yang berkaitan sepanjang sumbu x,
sebagai berikut :
PV NkT 2N ( 12 mvx2 )rata
1
2
atau ( mvx2 )rata
rata

rata
1
kT
2
( 14.7 )
( 14.8 )
dari persamaan ( 14.8 ) diperoleh :
K rata
1
rata ( 2
mv 2 )rata
3
rata 2 kT
( 14.9 )
Energi kinetik translasi total mol gas yang mengandung N molekul , yaitu :
1
K N ( 2mv2 )rata
rata

3
3
nkT nRT
2
2
Dari persamaan (14.9 ) diperoleh :
http://www.mercubuana.ac.id
(14.10 )
Panas masuk
Usaha keluar
U
Q positip
W positip
 U=Q-W
Gambar 14.2 Panas Q positip jika masuk dalam sistem dan usaha W
positip jika dilakukan dalam sistem
Dengan menggunakan aturan tersebut, maka U untuk energi internal dalam sistem
adala : Q ( W )U atau QU W
( 14.14 )
Contoh 1 : Sebuah sistem terdiri dari 5 kg air pada temperatur 80
usaha 30 kJoule dalam sistem dengan menggunakan pengaduk kincir, sementara
15 kkal panas terbuang. Berapakah :
a. Perubahan energi internal sistem
b. Temperatur akhir sistem.
Penyelesaian :
1 kkal = 4,2 kJ maka 15 kkal = 15 4,2 kJ = 62,7 kJ
a. Panas neto yang yang ditambahkan pada sistem = - 62,7 kJ
Usaha yang dilakukan pada sistem W = -30 KJ
QU W
 62,7kJU ( 30kJ )
U 62,7kJ 30kJ 32,7kJ
b. Q mct
ataut
 32,7kJ
 1,56o C
(4,2kJ / kg oC )(5kg )
temperatur akhir 80 oC – 1,56 oC = 78,4 oC .
2.2.2 Usaha dan diagram PV untuk Gas
Pada gambar 14.3 menunjukkan gas yang tersimpan dalam tabung dengan piston
terpasang secara rapat yang diasumsikan tanpa gesekan. Jika piston bergerak,
maka volume gas ikut berubah. Sehingga temperatur atau tekanan juga berubah,
karena ke tiga variabel tersebut memenuhi persamaan PV=nRT.
http://www.mercubuana.ac.id
o
C. Dilakukan