Suhu - eLisa UGM

KALOR
1. Pendahuluan.
Suhu dan kalor merupakan suatu fenomena yang
lain dalam bidang fisika. Kalau dalam mekanika
keadaan setimbang suatu sistem mekanik dapat
dinyatakan dalam besaran-besaran dasar seperti
panjang , massa dan waktu maka dalam
fenomena panas diperlukan besaran lain ; yaitu
panas atau kalor
• Suhu : menyatakan ukuran kuantitatif keadaan
panas dinginnya suatu benda
• Panas (kalor) : menyatakan ukuran energi
panas yang terdapat pada suatu benda karena
pengaruh perbedaan suhu
2
Pengertian Kerja, Kalor dan Energi
 Kerja, Kalor dan Energi adalah konsep yang
mendasar dalam termodinamika .
 Semua pengukuran kalor dan perubahan energi
menghasilkan pengukuran kerja.
 Kerja = gaya x jarak ; kerja dilakukan selama
proses untuk menghasilkan suatu perubahan
 Energi = kapasitas sistem untuk melakukan kerja
 Kalor = energi sistem yang berubah sebagai
hasil perbedaan temperatur antara sistem dan
temperatur lingkungan.
 Proses pelepasan energi sebagai kalor disebut
eksoterm, dan proses penyerapan energi
sebagai kalor disebut endoterm
Hukum Termodinamika ke Nol
- Hukum ini meletakkkan konsep suhu pada dasar yang kokoh,
yaitu bila dua sistem ada dalam kesetimbangan termal, maka
keduanya mempunyai suhu yang sama, bila tak ada dalam
kesetimbangan termal maka keduanya mempunyai suhu yang
berbeda.
- Tinjau 3 sistem A, B dan C, Fakta eksperimental : bila sistem A
ada dalam kesetimbangan termal dengan sistem B, dan sistem B
juga ada dalam kesetimbangan termal dengan C maka A ada
dalam kesetimbangan dengan C:
- TA = TB
A
B
TA = TC
C
- TB = TC
STOP !
• Bagaimana termometer air raksa bekerja untuk
mengukur suhu badan?
Aplikasi Hukum ke Nol
HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA
• Secara matematis. hukum termodinamika I pada sistem
tertutup, dinyatakan sebagai:
dU = dq + dw
U = q + w
• Dengan kata lain, perubahan energi dalam sistem (U)
setara dengan panas yang diberikan pada sistem (q)
dan kerja yang dilakukan terhadap sistem (w)
• Jika hanya diberikan panas, berlaku:
U = q
• Jika hanya dilakukan kerja berlaku:
U = w
• Alat ukur suhu ( termometer)
Prinsip kerja termometer adalah berdasarkan
pada pemuaian atau panas yang dipancarkan
• Standar skala suhu :
Titik tripel air (273.16 0C)
Titik didih air (373.16 0C)
• Skala termometer :
Perbandingan skala termometer Kelvin , Celcius ,
Rankine dan Fahrenheit
0K
0
C
0
R
0
F
Titik uap
373
100
672
212
Titik beku
273
0
492
32
Titik mutlak
0
0
-460
-273
7
• Hubungan antara suhu Celsius (tC ) dengan
suhu Kelvin (TK)
tC = TK – 273.16
• Hubungan antara Rankin dengan Kelvin
TR
= 9 / 5 TK
• Hubungan antara Celsius dengan Fahrenheit
tC = 5 / 9 ( tF - 320 )
Kesetimbangan termal : beberapa buah sistem
yang berada dalam keadaan tingkat suhu yang
sama
8
2. Pemuaian:
Pemuaian adalah perubahan ukuran suatu benda
sebagai akibat adanya perubahan suhu.
Dikenal tiga macam pemuaian , yaitu : pemuaian
panjang , pemuaian bidang dan pemuaian volum.
• Pemuaian panjang , α = koefisien muai panjang
∆L = α L ∆T
...........(01a)
• Pemuaian bidang , β = koefisien muai luas
∆A = β A ∆T
, β = 2α
……...(01b)
• Pemuaian vol , γ = koefisien muai volum :
∆V = γ V ∆T
,
γ = 3α
………(01c)
9
- Tegangan termal :
...
Pada berbagai bangunan , terdapat bagian-bagian
....
tertentu yang dirancang secara khusus agar tidak
...
dapat memuai atupun menyusut dikala suhu beru....
bah.Karena ukuran bendanya tidak dapat berubah
........ maka dalam bahan akan terjadi tegangan yang
....
disebut tegangan termal .
....
Besarnya tegangan (σ) termal ini adalah :
σ (=F/A) = Y (∆L/L0 ) dengan ∆L = α L0 ∆T
atau σ = Y α ∆T
…………..(02)
Y = modulus Young , ∆T = kenaikan suhu
α = koefisien muai panjang
10
•
Perubahan wujud benda
Wujud benda dapat dalam bentuk : padat , cair , gas
Perubahan wujud benda dapat disebabkan oleh :
perubahan tekanan dan atau temperatur benda.
P
C
Padat
cair
gas
A
T
A : adalah titik triple , dimana wujud padat , cair dan
uap dalam kesetimbangan thermal ( temperatur sama)
C : adalah titik kritis (TC) , dimana pada temperatur >Tc
tidak terdapat wujud cair
Pada umumnya setiap benda mempunyai titik kritis
dan titik triple sendiri
11
3. Peralihan wujud :
Titik tripel : titik (suhu) dimana terdapat tiga
macam wujud benda , yaitu : padat , cair dan gas
• Kalor : merupakan energi panas
• Satuan kalor : kalori
1 kalori = banyaknya energi panas yang diperlu
kan untuk menaikkan suhu 1 gram benda
sebesar 1 0C
I kal = 4.186 Joule atau 1 J = 0.24 kal
• Kapasitas kalor ,C dan kapasitas kalor
jenis , c :
C = ∆Q/∆T
...........(03)
12
c = C / m = (1/m) (∆Q/∆T)
..........(04)
• Kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu
benda yang bermassa m dari suhu T1 ke T2
adalah :
Q = mc (T2 – T1)
.........(05)
• Panas laten ,L (kal) :
Penyerapan energi dapat terjadi pada suhu
konstan yaitu ; saat terjadi perubahan wujud
benda(meleleh , menguap, membeku dan lainlain.)
Banyaknya kalor yang diserap persatuan massa
saat terjadi perubahan wujud adalah :
Q=mL
13
……..(06)
• Asas Black :
Q yang dilepas benda bersuhu tinggi =
Q yang diterima benda bersuhu rendah
Contoh 1 :
Kalorimeter ( cCU = 0.093 kal / (gr. 0C)) massa
nya 100 gram , berisi 150 gram air dan 8 gram es.
Ke dalam kalorimeter dimasukkan 100 gram
timah ( cPb = 0.031 kal / (gr.0C )) bersuhu 200 0C .
Berapa suhu akhir sistem ? (cair = 1kal / (gr.0C))
Jawaban :
Qdilepas = Qditerima
Qdilepas = 100 gr x 0.031 kal/(gr.0C) x (200 0C - t)
14
Qditerima = 8 gr x 80 kal/gr + (8 + 150)gr x
kal/(gr. 0C) x t + 100 gr x 0.093
kal/(gr. 0C) x t
170.4 t = -20 0C → t = - 0.12 0C
t negatif berarti tidak semua es melebur
Jumlah es yang melebur adalah :
80 gr x M = 100 gr x 0.31 kal/(gr. 0C) x 200 0C
M = 7.78 gram
15
4. Kalor dan Usaha
Sering terjadi transformasi dari kalor menjadi usaha
ataupun sebaliknya Proses ini harus memenuhi
hukum kekekalan energi yaitu :
• Kalor yang diterima = Usaha + perubahan
energi dakhil
dQ = dW + dU
.......(07)
Hukum Pertama Termodinamika
• Usaha :
W = ∫ p dV
.......(08)
Berbagai proses perubahan dari kalor ke usaha
atau sebaliknya
• Proses adiabatic:
Tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari
16
system, dQ = 0
pVγ = konstan
W = ∫ p dV
W = (p1 V1 - p2 V2 ) / (1 - γ) ......(09)
• Proses isotermis :
Proses yang berlangsung pada suhu etap
dU = 0
dQ = dW
.....(10)
• Proses isobaric :
Proses berlangsung pada tekanan system
tetap
W = p (V2 - V1)
......(11)
• Proses isovolum :
Proses berlangsung pda volum tetap
dW = 0
17
dU = dQ
......(12)
Mesin Kalor
Tidak ada mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%
Hukum I : Q1-Q2=W
Efisiensi mesin kalor
W QH  QL
QL
TL


 1
 1
QH
QL
QH
TH
Siklus Kompresi Uap
Reverse Carnot Cycle
COPR, Carnot 
COPHP, Carnot
QL
1
1


QH  QL QH  1 TH  1
QL
TL
QH
1


QH  QL 1  TL
TH