Artikel Fisika

Artikel fisika Teori kinetik gas & termodinamika Oleh : FIRNA DWINITA XI IA 1 SABTU, 2 MEI 09

Teori Kinetik Gas Teori kinetik zat membicarakan sifat zat dipandang dari sudut momentum. Peninjauan teori ini bukan pada kelakuan sebuah partikel, tetapi diutamakan pada sifat zat secara keseluruhan sebagai hasil rata-rata kelakuan partikel-partikel zat tersebut. SIFAT GAS UMUM 1. Gas mudah berubah bentuk dan volumenya. 2. Gas dapat digolongkan sebagai fluida, hanya kerapatannya jauh lebih kecil. SIFAT GAS IDEAL 1. Gas terdiri atas partikel-partikel dalam jumlah yang besar sekali, yang senantiasa bergerak dengan arah sembarang dan tersebar merata dalam ruang yang kecil. 2. Jarak antara partikel gas jauh lebih besar daripada ukuran partikel, sehingga ukuran partikel gas dapat diabaikan. 3. Tumbukan antara partikel-partikel gas dan antara partikel dengan dinding tempatnya adalah elastis sempurna. 4. Hukum-hukum Newton tentang gerak berlaku. PERSAMAAN GAS IDEAL DAN TEKANAN (P) GAS IDEAL PV=nRT=NKT n = N/No T = suhu (ºK) R = K . No = 8,31 )/mol. ºK N = jumlah pertikel P = (2N / 3V) . Ek → T = 2Ek/3K V = volume (m3) n = jumlah molekul gas K = konstanta Boltzman = 1,38 x 10-23 J/ºK No = bilangan Avogadro = 6,023 x 1023/mol ENERGI TOTAL (U) DAN KECEPATAN (v) GAS IDEAL Ek = 3KT/2 U = N Ek = 3NKT/2 v = √(3 K T/m) = √(3P/ρ)

dengan: Ek = energi kinetik rata-rata tiap partikel gas ideal U = energi dalam gas ideal = energi total gas ideal

v = kecepatan rata-rata partikel gas ideal m = massa satu mol gas p = massa jenis gas ideal Jadi dari persamaan gas ideal dapat diambil kesimpulan: 1. Makin tinggi temperatur gas ideal makin besar pula kecepatan partikelnya. 2. Tekanan merupakan ukuran energi kinetik persatuan volume yang dimiliki gas. 3. Temperatur merupakan ukuran rata-rata dari energi kinetik tiap partikel gas. 4. Persamaan gas ideal (P V = nRT) berdimensi energi/usaha . 5. Energi dalam gas ideal merupakan jumlah energi kinetik seluruh partikelnya. Dari persarnaan gas ideal PV = nRT, dapat di jabarkan: Pada (n, T) tetap, (isotermik) berlaku Hukum Boyle: PV = C Pada (n, V) tetap, (isokhorik) berlaku Hukum Gay-Lussac: P/T=C Pada (n,P) tetap, (isobarik) berlaku Hukum Gay-Lussac: V/T= C Padan tetap, berlaku Hukum Boyle-Gay-Lussac: PV/T=C C = konstan Jadi: (P1.V1)/T1 = (P2.V2)/T2=...dst.

Contoh: 1. Berapakah kecepatan rata-rata dari partikel-partikel suatu gas dalam keadaan normal, jika massa jenis gas 100 kg/m3 dan tekanannya 1,2.105 N/m2? Jawab: PV = 2/3 Ek PV = 2/3 . 1/2 . m v2 = 1/3 m v2 v2 = (3PV)/m = (3 P)/(m/V) = 3P/ρ

v = √3P/ρ = √3.1,2.105/100 = 60 m/det 2. Suatu gas tekanannya 15 atm dan volumenya 25 cm3 memenuhi persamaan PV - RT. Bila tekanan gas berubah 1/10 atm tiap menit secara isotermal. Hitunglah perubahan volume gas tiap menit? Jawab: Persamaan PV = RT jelas untuk gas ideal dengan jumlah mol gas n = 1. Jadi kita ubah persamaan tersebut menjadi: P ∆V + V ∆P = R ∆T (cara differensial parsial) 15 . ∆V + 25. 1/10 = R . 0 → AV = -25 /15.10 = -1/6 cm3/menit

Jadi perubahan volume gas tiap menit adalah 1/6 cm3,dimana tanda (-) menyatakan gas menerima usaha dari luar (dari sekelilingnya).

Hukum I Termodinamika 1. Hukum ini diterapkan pada gas, khususnya gas ideal PV = n R T P . ∆V + -V . ∆P = n R ∆T

2. Energi adalah kekal, jika diperhitungkan semua bentuk energi yang timbul. 3. Usaha tidak diperoleh jika tidak diberi energi dari luar.

4. Dalam suatu sistem berlaku persamaan termodinamika I: ∆Q = ∆U+ ∆W

∆Q = kalor yang diserap ∆U = perubanan energi dalam ∆W = usaha (kerja) luar yang dilakukan DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT DIJABARKAN: Pada proses isobarik (tekanan tetap) → ∆P = 0; sehingga, ∆W = P . ∆V = P (V2 - V1) → P. ∆V = n .R ∆T ∆Q = n . Cp . ∆T ∆U-= 3/2 n . R . ∆T

→ maka Cp = 5/2 R (kalor jenis pada tekanan tetap)

Pada proses isokhorik (Volume tetap) → ∆V =O; sehingga, ∆W = 0 → ∆Q = ∆U ∆Q = n . Cv . ∆T AU = 3/2 n . R . ∆T

→ maka Cv = 3/2 R (kalor jenis pada volume tetap)

Pada proses isotermik (temperatur tetap): → ∆T = 0 ;sehingga, ∆U = 0 → ∆Q = ∆W = nRT ln (V2/V1) Pada proses adiabatik (tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan sekelilingnya) → ∆Q = 0 Berlaku hubungan::

PVγ = konstan → γ = Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace Cara lain untuk menghitung usaha adalah menghitung luas daerah di bawah garis proses.

Usaha pada proses a → b adalah luas abb*a*a Perhatikan perbedaan grafik isotermik dan adiabatik → penurunan adiabatik lebih curam dan mengikuti persamaan PVγ= C. Jadi: 1. jika ∆P > ∆V, maka grafik adiabatik. 2. jika ∆P = ∆V, maka grafik isotermik. Catatan:

1. Jika sistem menerima panas, maka sistem akan melakukan kerja dan energi akan naik. Sehingga ∆Q, ∆W → (+).

2. Jika sistem menerima kerja, maka sistem akan mengeluarkan panas dan energi dalam akan turun. Sehingga ∆Q, ∆W → (-).

3. Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energi dalam (U) gas adalah U = Ek = 3/2 nRT → γ = 1,67

4. Untuk gas diatomik (H2, N2, dll), energi dalam (U) gas adalah Suhu rendah (T ≤ 100ºK)

U = Ek = 3/2 nRT

→ γ = 1,67

Suhu sedang

U = Ek =5/2 nRT

→ γ = 1,67

Suhu tinggi (T > 5000ºK) Tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerja secara terusmenerus serta rnengubah semua kalor yang diserap menjadi usaha mekanis. T1 > T2, maka usaha mekanis: W = Q 1 - Q2 η = W/Q1 = 1 - Q2/Q1

→ Cp-CV=R

= 1 - T2/T1 T1 = reservoir suhu tinggi T2 = reservoir suhu rendah Q1 = kalor yang masuk Q2 =kalor yang dilepas W = usaha yang dilakukan η = efesiensi mesin Untuk mesin pendingin: η = W/Q2 = Q1/Q2 -1 = T1/T2 - 1 Koefisien Kinerja = 1/η

Mesin Pendingin/Pemanas Sistem Refrigasi dan Tata Udara Bagian2 Proses aliran fluida dalam suatu siklus menyangkut aliran fluida dan energi kinetik (kinetic energy). Pemeliharaan suhu ruangan agar selalu konstan pada titik yang diinginkan akan berkaitan dengan masalah pemindahan panas (heat transfer). Setiap aspek yang ada di dalam sistem refrijerasi dan tata udara berkaitan dengan satu atau lebih prinsip-prinsip di dalam ilmu fisika. Konsekuensinya, prinsip-prinsip dasar pada ilmu fisika, seperti panas atau kalor, suhu, berat jenis, grafitasi spesifik,

tekanan, energi, usaha dan daya harus dapat dipahami dan dihayati. Energi dapat dinyatakan sebagai kemampuan untuk melakukan suatu usaha. Energi diperlukan untuk melaksanakan suatu usaha, dan suatu benda dikatakan memiliki energi ketika ia memiliki kapasitas untuk melakukan suatu usaha. Jumlah energi yang diperlukan untuk melalkukan suatu usaha selalu sama dengan jumlah usaha yang dilakukan. Sama halnya, jumlah energi yang dimiliki suatu benda selalu sama dengan jumlah usaha yang dikenakan pada benda tersebut. Usaha dan energi diukur dalam satuan Joule.

Sistem Refrigasi dan Tata Udara Bagian 1 Pada prinsipnya Sistem Refrijerasi dan Tata Udara berbasis kepada prinsipprinsip keilmuan dan rekayasa. Padahal keilmuan dan rekayasa itu sendiri mengakar pada ilmu fisika dan matematika terapan. Proses pendinginan udara ruang (cooling process) dan proses pemanasan udara ruang (heating process) berdasar kepada hukum Penukaran Kalor (heat exchange) yang berlangsung pada elemen-elemen fisis. Desain dan operasi peralatan pendingin dan pemanas ruangan berbasis pada salah satu cabang ilmu fisika yaitu thermodynamics. Sedangkan proses aktual pada pengkondisian ruangan, yakni pengontrolan suhu udara dan kandungan uap air atau kelembaban udara tergantung kepada pengetahuan dari salah satu cabang ilmu fisika yang lazim

disebut sebagai psikrometri (psychrometry). Pendistribusian udara yang sudah dikondisi ke ruang-ruang yang memerlukannya, dan pengaturan udara segar dari luar ruangan berhubungan erat dengan masalah ventilasi (ventilation).