Sabtu, 05 Juni 2010

Mesin Kalor dan Mesin Pendingin

Mesin Kalor dan Mesin Pendingin



Berdasarkan curhatan Grace Duma yang sampai berulang kali sms, maka saya bahas sedikit mengenai Mesin Kalor (sesuai siklus Carnot) dan Mesin Pendingin.

Mesin kalor dan mesin pendingin menggunakan siklus energi kalor secara spontan dan tidak spontan. Jika mesin kalor kalor menyerap energi \bf{Q_1} dari benda bersuhu tinggi ~ sebab \bf secara \ spontan \ kalor \ melepaskan \ panas \ atau \ energinya \ pada \ suhu \ tinggi dan benda yang bersuhu rendah akan secara spontan menyerap energi tersebut. Benda bersuhu rendah dinyatakan mempunyai energi sebesar \bf{Q_2}.

Berdasar prinsip mesin pemanas tersebut, maka perhitungan efisiensi mesin panas menjadi :

\eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1} x 100%

Mengapa dihitung efisiensi ? Berdasarkan pernyataan Clausius, bahwa tidak ada mesin yang menyerap energi seluruhnya kemudian mampu mengubah seluruh energi yang diserap sepenuhnya menjadi kerja/ usaha nah, berdasar pernyataan tersebut maka muncul efisiensi mesin (atau nilai kinerja mesin) yang dinyatakan dengan koefisien \bf \eta yang dibaca “eta”

pertanyaannya mengapa \bf{Q_1} dikurangi \bf{Q_2} ? Karena \bf{Q_1} adalah energi yang diserap mesin pada tandon (reservoir energi) bersuhu tinggi yang akan melepaskan kalor (energi) secara spontan kepada \bf{Q_2} (reservoir atau tandon energi bersuhu rendah) yang berfungsi menyerap energi tersebut.

Sementara mesin pendingin berprinsip, menyerap energi panas dari dalam suatu ruang dan kemudian menyedot dan membuangnya ke lingkungan. Energi yang dibuang ke lingkungan itu suhunya lebih tinggi. Mengapa ? Karena untuk menyedot energi dari dalam ruang diperlukan pompa pengisap sebab energi dari benda bersuhu rendah tidak dapat mengalir secara spontan ! Sehingga energi dalam ruang dinyatakan sebagai
\bf{Q_2} dan energi panas yang dibuang ke luar sistem menuju lingkungan dinyatakan sebagai \bf{Q_1}

Bentuk persamaan efisiensi mesin pendingin (koefisien kinerja mesin pendingin dinyatakan dengan huruf cp atau kk) adalah :

cp = kk = \frac{Q_2}{Q_1 - Q_2} karena \bf{Q_1} selalu lebih besar nilainya dari \bf{Q_2} maka hasil pembagian fungsi tersebut selalu lebih dari angka 1.


Berdasarkan curhatan Grace Duma yang sampai berulang kali sms, maka saya bahas sedikit mengenai Mesin Kalor (sesuai siklus Carnot) dan Mesin Pendingin.

Mesin kalor dan mesin pendingin menggunakan siklus energi kalor secara spontan dan tidak spontan. Jika mesin kalor kalor menyerap energi \bf{Q_1} dari benda bersuhu tinggi ~ sebab \bf secara \ spontan \ kalor \ melepaskan \ panas \ atau \ energinya \ pada \ suhu \ tinggi dan benda yang bersuhu rendah akan secara spontan menyerap energi tersebut. Benda bersuhu rendah dinyatakan mempunyai energi sebesar \bf{Q_2}.

Berdasar prinsip mesin pemanas tersebut, maka perhitungan efisiensi mesin panas menjadi :

\eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1} x 100%

Mengapa dihitung efisiensi ? Berdasarkan pernyataan Clausius, bahwa tidak ada mesin yang menyerap energi seluruhnya kemudian mampu mengubah seluruh energi yang diserap sepenuhnya menjadi kerja/ usaha nah, berdasar pernyataan tersebut maka muncul efisiensi mesin (atau nilai kinerja mesin) yang dinyatakan dengan koefisien \bf \eta yang dibaca “eta”

pertanyaannya mengapa \bf{Q_1} dikurangi \bf{Q_2} ? Karena \bf{Q_1} adalah energi yang diserap mesin pada tandon (reservoir energi) bersuhu tinggi yang akan melepaskan kalor (energi) secara spontan kepada \bf{Q_2} (reservoir atau tandon energi bersuhu rendah) yang berfungsi menyerap energi tersebut.

Sementara mesin pendingin berprinsip, menyerap energi panas dari dalam suatu ruang dan kemudian menyedot dan membuangnya ke lingkungan. Energi yang dibuang ke lingkungan itu suhunya lebih tinggi. Mengapa ? Karena untuk menyedot energi dari dalam ruang diperlukan pompa pengisap sebab energi dari benda bersuhu rendah tidak dapat mengalir secara spontan ! Sehingga energi dalam ruang dinyatakan sebagai
\bf{Q_2} dan energi panas yang dibuang ke luar sistem menuju lingkungan dinyatakan sebagai \bf{Q_1}

Bentuk persamaan efisiensi mesin pendingin (koefisien kinerja mesin pendingin dinyatakan dengan huruf cp atau kk) adalah :

cp = kk = \frac{Q_2}{Q_1 - Q_2} karena \bf{Q_1} selalu lebih besar nilainya dari \bf{Q_2} maka hasil pembagian fungsi tersebut selalu lebih dari angka 1.

Diposting oleh di Tidak ada komentar:

Jumat, 04 Juni 2010

refrigerator

Sebuah lemari es (sering disebut kulkas "" singkatnya) adalah sebuah pendingin alat yang terdiri dari termal terisolasi kompartemen dan pompa panas -kimia atau mekanis berarti-untuk mentransfer panas dari ke lingkungan eksternal, pendinginan isi ke suhu di bawah ambien. Cooling is a popular food storage technique in developed countries and works by decreasing the reproduction rate of bacteria. Pendinginan adalah populer teknik penyimpanan makanan di negara maju dan bekerja dengan mengurangi tingkat reproduksi bakteri. The device is thus used to reduce the rate of spoilage of foodstuffs. Perangkat demikian digunakan untuk mengurangi tingkat pembusukan bahan pangan. A device described as a "refrigerator" maintains a temperature a few degrees above the freezing point of water; a similar device which maintains a temperature below the freezing point of water is called a " freezer ." Sebuah perangkat digambarkan sebagai kulkas "" mempertahankan suhu beberapa derajat di atas titik beku air, sebuah perangkat yang mirip yang mempertahankan suhu di bawah titik beku air disebut kulkas "." The refrigerator is a relatively modern invention among kitchen appliances . lemari es adalah penemuan modern yang relatif antara peralatan dapur . It replaced the icebox , which had been a common household appliance for almost a century and a half prior. Ia menggantikan lemari es , yang telah menjadi alat rumah tangga biasa selama hampir satu setengah abad sebelum. For this reason, a refrigerator is sometimes referred to as an " icebox ." Untuk alasan ini, lemari es kadang-kadang disebut sebagai lemari es


Dasar-dasar Refrigerasi

1. Istilah-istilah Refrigerasi

Obyek: Suatu benda, zat, atau ruangan, yang padanya dikenakan proses refrigerasi, atau yang menerima dampak dari proses refrigerasi.

Lingkungan: Suatu tempat di mana sebuah obyek berada. Dalam konteks refrigerasi biasanya, meskipun tidak selalu, lingkungan menyatakan ruang udara alami di sekitar obyek.

Lingkungan alami: Lingkungan yang asli, dengan kondisi yang kita dapati sebagaimana apa adanya.

Lingkungan buatan: Lingkungan yang secara sengaja dibuat berbeda dari kondisi asli alaminya dengan sesuatu cara, salah satunya adalah dengan mengenakan proses refrigerasi padanya.

Kondisi lingkungan: Sebuah lingkungan dicirikan oleh besaran-besaran fisik yang menjadi indikator kondisinya. Besaran fisik yang mencirikan kondisi lingkungan, antara lain adalah: tingkat suhu, tingkat tekanan, dan tingkat kelembaban dari udara lingkungan.

Refrigerasi: Refrigerasi adalah proses pengambilan kalor dari suatu obyek, yang menyebabkan suhu obyek tersebut menjadi lebih rendah dari suhu lingkungan di mana obyek tersebut berada. Refrigerasi juga mencakup pula proses untuk mempertahankan tingkat suhu obyek yang didinginkan itu agar tetap lebih rendah dari lingkungannya.

Sistem: Gabungan dari seperangkat komponen yang masing-masing mempunyai fungsi yang berbeda-beda, akan tetapi secara keseluruhan bersama-sama menghasilkan sebuah fungsi, kegunaan, manfaat atau dampak tertentu.

Sistem refrigerasi: Sistem yang digunakan sebagai sarana untuk memindahkan kalor, yaitu dengan cara menarik kalor dari obyek yang didinginkan, menyalurkan kalor itu, dan kemudian melepaskan/membuangnya ke lingkungan alami, yang suhunya lebih tinggi dari obyek atau benda dari mana kalor tersebut berasal.

Refrigeran: Suatu senyawa kimia berbentuk zat alir, yang memiliki sifat-sifat termal antara lain: mudah berubah bentuk atau fasa akibat perubahan besaran-besaran fisiknya (suhu dan tekanan). Proses perubahan fasa tersebut melibatkan penyerapan ataupun pelepasan kalor dalam jumlah yang cukup besar. Refrigeran berfungsi sebagai media penukar kalor pada sistem refrigerasi.

Beban refrigerasi: Banyaknya energi termal dari sebuah obyek yang harus diserap atau ditarik oleh sebuah sistem refrigerasi. Energi termal tersebut membebani sistem, atau menjadi beban yang harus ditanggung oleh sistem.

Kapasitas refrigerasi: Ukuran dari kemampuan sistem refrigerasi untuk menanggung beban refrigerasi dari sebuah obyek. Biasanya sebuah unit refrigerasi (sistem) dipilih yang mempunyai kapasitas lebih besar, atau sekurangnya sama, dengan besarnya beban refrigerasi yang akan ditanggungnya.


2. Sistem Refrigrasi Mekanik


Pada sistem refrigrasi mekanik kompresi uap terdapat rangkaian dari empat komponen utama, yaitu: evaporator, kompresor, kondenser, dan alat pengontrol aliran refrigeran. Masing-masing komponen mempunyai ciri dan fungsi sendiri-sendiri yang berbeda, tetapi secara terintegrasi dan dioperasikan bersama-sama akan dapat memindahkan energi termal. Dampak dari pengoperasian sebuah sistem refrigerasi pada sebuah obyek adalah, bila terambil sebagian energi yang terkandung di dalamnya, suhu obyek tersebut akan menurun. Sebaliknya, karena operasi sistem refrigerasi itu kemudian sejumlah energi termal terpindahkan ke lingkungan, maka lingkungan tersebut dapat menjadi lebih hangat. Gambar 1 memperlihatkan fungsi sistem refrigerasi terhadap obyek dan lingkungannya.

Image

Gambar 1. Fungsi sistem refrigerasi terhadap obyek dan lingkungannya, Toby< Tling

Sistem refrigerasi yang digunakan dalam praktikum ini disebut sebagai “sistem mekanik”, yaitu untuk membedakan dari sistem-sistem refrigerasi yang lain. Disebut sistem mekanik karena refrigeran mengalir bersirkulasi di dalam sistem akibat dorongan yang dilakukan secara mekanik. Gambar 2 memperlihatkan skema sebuah sistem refrigerasi sederhana beserta semua komponen utama dan sirkulasi aliran refrigerannya. Sirkulasi aliran refrigeran itu berlangsung berulang-ulang membentuk suatu siklus, yaitu yang dinamakan siklus refrigerasi.

Image

Gambar 2. Komponen utama sistem refrigerasi


3. Komponen Utama Sistem Refrigerasi


Berikut ini uraian ringkas tentang komponen-komponen utama sebuah sistem refrigerasi mekanik. Uraian ini disusun menurut urutan jalur siklusnya, perhatikan skema pada Gambar 2 di atas. Sistem refrigerasi seperti pada gambar itu berisi refrigeran yang disirkulasikan ke seluruh bagian sistem. Refrigeran itu berperan dan berfungsi sebagai media penghantar kalor, dari saat kalor diserap sistem di evaporator, hingga saat dilepas dan dibuang ke lingkungan di kondenser.

1. Kondenser (condenser – CD)

Kondenser adalah komponen di mana terjadi proses perubahan fasa refrigeran, dari fasa uap menjadi fasa cair. Dari proses kondensasi (pengembunan) yang terjadi di dalamnya itulah maka komponen ini mendapatkan namanya. Proses kondensasi akan berlangsung apabila refrigeran dapat melepaskan kalor yang dikandungnya. Kalor tersebut dilepaskan dan dibuang ke lingkungan. Agar kalor dapat lepas ke lingkungan, maka suhu kondensasi (Tkd) harus lebih tinggi dari suhu lingkungan (Tling). Karena refrigeran adalah zat yang sangat mudah menguap, maka agar dapat dia dikondensasikan haruslah dibuat bertekanan tinggi. Maka, kondenser adalah bagian di mana refrigeran bertekanan tinggi (Pkd = high pressure – HP).

2. Piranti ekspansi (expansion device – EXD)

Piranti ini berfungsi seperti sebuah gerbang yang mengatur banyaknya refrigeran cair yang boleh mengalir dari kondenser ke evaporator. Oleh sebab itu piranti ini sering juga dinamakan refrigerant flow controller. Dalam berbagai buku teks Termodinamika, proses yang berlangsung dalam piranti ini biasanya disebut throttling process. Besarnya laju aliran refrigeran merupakan salah satu faktor yang menentukan besarnya kapasitas refrigerasi. Untuk sistem refrigerasi yang kecil, maka laju aliran refrigeran yang diperlukan juga kecil saja. Sebaliknya unit atau sistem refrigerasi yang besar akan mempunyai laju aliran refrigeran yang besar pula. Terdapat beberapa jenis piranti ekspansi. Di bawah ini diterakan beberapa di antaranya.

a. Pipa kapiler (capillary tube – CT).

Berupa pipa kecil dari tembaga dengan lubang berdiameter sekitar 1 mm, dengan panjang yang disesuaikan dengan keperluannya hingga beberapa meter. Pada berbagai unit refrigerasi yang menggunakannya pipa ini biasanya diuntai agar terlindung dari kerusakan dan ringkas penempatannya.

Lubang saluran yang sempit dan panjangnya pipa kapiler ini merupakan hambatan bagi aliran refrigeran yang melintasinya; hambatan itulah yang membatasi besarnya aliran itu. Pipa kapiler ini menghasilkan aliran yang konstan.

b. Katup ekspansi tangan (hand/manual expansion valve – HEV).

Adalah pengatur aliran yang berupa katup atau keran biasa, yang dioperasikan untuk mengatur bukaannya secara manual.

c. Katup ekspansi termostatik (thermostatic expansion valve – TEV).

Pada piranti ini terdapat bagian yang dapat bekerja secara termostatik, yaitu mempunyai sensor suhu yang dilekatkan pada bagian keluaran evaporator. Perubahan suhu yang terjadi pada keluaran evaporator itu menjadi indikator besar-kecilnya beban refrigerasi. Variasi suhu itu dimanfaatkan untuk mengatur bukaan TEV, sehingga besarnya laju aliran melintasinya juga menjadi terkontrol.

d. Katup pelampung (float valve – FV).

Piranti ekspansi jenis ini biasanya dirangkaikan dengan evaporator jenis ‘genangan’ (flooded evaporator, wet evaporator). Ketinggian muka (level) cairan dalam tandon (reservoir) cairan evaporator menjadi pendorong pelampung yang menjadi pengatur besarnya bukaan katup.

3. Evaporator (evaporator – EV)

Evaporator adalah komponen di mana cairan refrigeran yang masuk ke dalamnya akan menguap. Proses penguapan (evaporation) itu terjadi karena cairan refrigeran menyerap kalor, yaitu yang merupakan beban refrigerasi sistem. Terdapat dua jenis evaporator yaitu:

a. Evaporator ekspansi langsung (direct/dry expansion type - DX).

Pada evaporator ini terdapat bagian, yaitu di bagian keluarannya, yang dirancang selalu terjaga ‘kering’, artinya di bagian itu refrigeran yang berfasa cair telah habis menguap sebelum terhisap keluar ke saluran masuk kompresor.

b. Evaporator genangan (flooded/wet expansion type).

Pada evaporator jenis ini seluruh permukaan bagian dalam evaporator selalu dibanjiri, atau bersentuhan, dengan refrigeran yang berbentuk cair. Terdapat sebuah tandon (reservoir, low pressure receiver), di mana cairan refrigeran terkumpul, dan dari bagian atas tandon tersebut uap refrigeran yang terbentuk dalam evaporator tersebut dihisap masuk ke kompresor.

4. Kompresor (compressor – CP)

Kompresor adalah komponen yang merupakan jantung dari sistem refrigerasi. Kompresor bekerja menghisap uap refrigeran dari evaporator dan mendorongnya dengan cara kompresi agar mengalir masuk ke kondenser. Karena kompresor mengalirkan refrigeran sementara piranti ekspansi membatasi alirannya, maka di antara kedua komponen itu terbangkitkan perbedaan tekanan, yaitu: di kondenser tekanan refrigeran menjadi tinggi (high pressure – HP), sedangkan di evaporator tekanan refrigeran menjadi rendah (low pressure – LP).



4. Karta Mollier (Karta Tekanan – Entalpi) dan Siklus Refrigerasi

Siklus refrigerasi yang terjadi di dalam sebuah sistem refrigerasi dapat diterakan dan digambarkan diagramnya pada sebuah karta tekanan – entalpi. Penggambaran tersebut dibuat berdasarkan tingkat tekanan (HP dan LP) dan suhu pada berbagai bagian sistem yang dapat diperoleh dengan cara mengukurnya. Gambar 3 menunjukkan gambar diagram suatu siklus refrigerasi.

Image

Gambar 3. Diagram proses refrigerasi

Diposting oleh di Tidak ada komentar:

Senin, 31 Mei 2010

termodinamika

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.

Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.

Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Konsep dasar dalam termodinamika

Pengabstrakan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat diuraikan menjadi beberapa parameter.

Sistem termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

  • sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
  • sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
    • pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
    • pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
  • sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Keadaan termodinamika

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).

Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.

Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.

Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.

Hukum-hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

  • Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.
  • Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
  • Hukum kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
  • Hukum ketiga Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Hukum-hukum termodinamika pada prinsipnya menjelaskan peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika. Sejak perumusannya, hukum-hukum ini telah menjadi salah satu hukum terpenting dalam fisika dan berbagai cabang ilmu lainnya yang berhubungan dengan termodinamika. Hukum-hukum ini sering dikaitkan dengan konsep-konsep yang jauh melampau hal-hal yang dinyatakan dalam kata-kata rumusannya.


tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentuk ke bentuk yang lain." Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama, energi dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum pertama tidak membatasi tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.


Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V2 – V1)

Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis sebagai

pers01Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.

fig2004Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V2 > V1. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V2 < V1 dan usaha gas bernilai negatif.

Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai

untuk gas monoatomik

pers02

untuk gas diatomik

pers03

Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol−1 K−1, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

Hukum I Termodinamika

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum kekekalan energi.

Gambar

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika. Secara matematis, hukum I termodinamika dituliskan sebagai

Q = W + ∆U

Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.

Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi dalam ∆U.

Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai

pers04Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.

isothermal_process

Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV.

QV = ∆U

Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku

pers05Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan

QV =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Qp − QV

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV).

diag11

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai

pers06Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).

341px-adiabaticsvg

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.

Diposting oleh di Tidak ada komentar:

teori kinetik

Di pertengahan abad ke-19, ilmuwan mengembangkan suatu teori baru untuk menggantikan teori kalorik. Teori ini bedasarkan pada anggapan bahwa zat disusun oleh partikel-partikel sangat kecil yang selalu bergerak. Bunyi teori Kinetik adalah sebagai berikut:

Dalam benda yang panas, partikel-partikel bergerak lebih cepat dan karena itu memiliki energi yang lebih besar daripada partikel-partikel dalam benda yang lebih dingin.

Teori Kinetik (atau teori kinetik pada gas) berupaya menjelaskan sifat-sifat makroscopik gas, seperti tekanan, suhu, atau volume, dengan memperhatikan komposisi molekular mereka dan gerakannya. Intinya, teori ini menytakan bahwa tekanan tidaklah disebabkan oleh denyut-denyut statis di antara molekul-molekul, seperti yang diduga Isaac Newton, melainkan disebabkan oleh tumbukan antarmolekul yang bergerak pada kecepatan yang berbeda-beda. Teori Kinetik dikenal pula sebagai Teori Kinetik-Molekular atau Teori Tumbukan atau Teori Kinetik pada Gas.

Teori untuk gas ideal memiliki asumsi-asumsi berikut ini:

  • Gas terdiri dari partikel-partikel sangat kecil, dengan [[massa] tidak nol.
  • Banyaknya molekul sangatlah banyak, sehingga perlakuan statistika dapat diterapkan.
  • Molekul-molekul ini bergerak secara konstan sekaligus acak. Partikel-partike yang bergerak sangat cepat itu secara konstan bertumbukan dengan dinding-dinding wadah.
  • Tumbukan-tumbukan partikel gas terhadap dinding wadah bersifat lenting (elastis) sempurna.
  • Interaksi antarmolekul dapat diabaikan (negligible). Mereka tidak mengeluarkan gaya satu sama lain, kecuali saat tumbukan terjadi.
  • Keseluruhan volume molekul-molekul gas individual dapat diabaikan bila dibandingkan dengan volume wadah. Ini setara dengan menyatakan bahwa jarak rata-rata antarpartikel gas cukuplah besar bila dibandingkan dengan ukuran mereka.
  • Molekul-molekul berbentuk bulat (bola) sempurna, dan bersifat lentur (elastic).
  • Energi kinetik rata-rata partikel-partikel gas hanya bergantung kepada suhu sistem.
  • Efek-efek relativistik dapat diabaikan.
  • Efek-efek Mekanika kuantum dapat diabaikan. Artinya bahwa jarak antarpartikel lebih besar daripada panjang gelombang panas de Broglie dan molekul-molekul dapat diperlakukan sebagai objek klasik.
  • Waktu selama terjadinya tumbukan molekul dengan dinding wadah dapat diabaikan karena berbanding lurus terhadap waktu selang antartumbukan.
  • Persamaan-persamaan gerak molekul berbanding terbalik terhadap waktu.
Lebih banyak pengembangan menenangkan asumsi-asumsi ini dan didasarkan kepada Persamaan Boltzmann. Ini dapat secara akurat menjelaskan sifat-sifat gas padat, sebab mereka menyertakan volume molekul. Asumsi-asumsi penting adalah ketiadaan efek-efek quantum, kekacauan molekular dan gradien kecil di dalam sifat-sifat banyaknya. Perluasan terhadap orde yang lebih tinggi dalam kepadatan dikenal sebagai perluasan virial. Karya definitif adalah buku tulisan Chapman dan Enskog, tetepi terdapat pengembangan yang lebih modern dan terdapat pendekatan alternatif yang dikembangkan oleh Grad, didasarkan pada perluasan momentum.[rujukan?] Di dalam batasan lainnya, untuk gas yang diperjarang, gradien-gradien di dalam sifat-sifat besarnya tidaklah kecil bila dibandingkan dengan lintasan-lintasan bebas rata-ratanya. Ini dikenal sebagai rezim Knudsen regime dan perluasan-perluasannya dapat dinyatakan dengan Bilangan Knudsen

Faktor

Tekanan

Tekanan dijelaskan oleh teori kinetik sebagai kemunculan dari gaya yang dihasilkan oleh molekul-molekul gas yang menabrak dinding wadah. Misalkan suatu gas denagn N molekul, masing-masing bermassa m, terisolasi di dalam wadah yang mirip kubus bervolume V. Ketika sebuah molekul gas menumbuk dinding wadah yang tegak lurus terhadap sumbu koordinat x dan memantul dengan arah berlawanan pada laju yang sama (suatu tumbukan lenting), maka momentum yang dilepaskan oleh partikel dan diraih oleh dinding adalah:

\Delta p_x = p_i - p_f = 2 m v_x\,

di mana vx adalah komponen-x dari kecepatan awal partikel.

Partikel memberi tumbukan kepada dinding sekali setiap 2l/vx satuan waktu (di mana l adalah panjang wadah). Kendati partikel menumbuk sebuah dinding sekali setiap 1l/vx satuan waktu, hanya perubahan momentum pada dinding yang dianggap, sehingga partikel menghasilkan perubahan momentum pada dinding tertentu sekali setiap 2l/vx satuan waktu.

\Delta t = \frac{2l}{v_x}

gaya yang dimunculkan partikel ini adalah:

F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = \frac{2 m v_x}{\frac{2l}{v_x}} = \frac{m v_x^2}{l}

Keseluruhan gaya yang menumbuk dinding adalah:

F = \frac{m\sum_j v_{jx}^2}{l}

di mana hasil jumlahnya adalah semua molekul gas di dalam wadah.

Besaran kecepatan untuk tiap-tiap partikel mengikuti persamaan ini:

v^2 = v_x^2 + v_y^2 + v_z^2

Kini perhatikan gaya keseluruhan yang menumbuk keenam-enam dinding, dengan menambahkan sumbangan dari tiap-tiap arah, kita punya:

\mbox{Total Force} = 2 \cdot \frac{m}{l}(\sum_j v_{jx}^2 + \sum_j v_{jy}^2 + \sum_j v_{jz}^2) = 2 \cdot \frac{m}{l} \sum_j (v_{jx}^2 + v_{jy}^2 + v_{jz}^2) = 2 \cdot \frac{m \sum_j v_{j}^2}{l}

di mana faktor dua muncul sejak saat ini, dengan memperhatikan kedua-dua dinding menurut arah yang diberikan.

Misalkan ada sejumlah besar partikel yang bergerak cukup acak, gaay pada tiap-tiap dinding akan hampir sama dan kini perhatikanlah gaya pada satu dinding saja, kita punya:

F = \frac{1}{6} \left(2 \cdot \frac{m \sum_j v_{j}^2}{l}\right) = \frac{m \sum_j v_{j}^2}{3l}

Kuantitas \sum_j v_{j}^2 dapat dituliskan sebagai {N} \overline{v^2}, di mana garis atas menunjukkan rata-rata, pada kasus ini rata-rata semua partikel. Kuantitas ini juga dinyatakan dengan v_{rms}^2 di mana vrms dalah akar kuadrat rata-rata kecepatan semua partikel.

Jadi, gaya dapat dituliskan sebagai:

F = \frac{Nmv_{rms}^2}{3l}

Tekanan, yakni gaya per satuan luas, dari gas dapat dituliskan sebagai:

P = \frac{F}{A} = \frac{Nmv_{rms}^2}{3Al}

di mana A adalah luas dinding sasaran gaya.

Jadi, karena luas bagian yang berseberangan dikali dengan panjang sama dengan volume, kita punya pernyataan berikut untuk tekanan

P = {Nmv_{rms}^2 \over 3V}

di mana V adalah volume. Maka kita punya

PV = {Nmv_{rms}^2 \over 3}

Karena Nm adalah masa keseluruhan gas, maka kepadatan adalah massa dibagi oleh volume \rho = {Nm \over V} .

Maka tekanan adalah

P = {2 \over 3} \frac{\rho\ v_{rms}^2}{2}

Hasil ini menarik dan penting, sebab ia menghubungkan tekanan, sifat makroskopik, terhadap energi kinetik translasional rata-rata per molekul {1 \over 2} mv_{rms}^2 yakni suatu sifat mikroskopik. Ketahuilah bahwa hasil kali tekanan dan volume adalah sepertiga dari keseluruhan energi kinetik.

Suhu dan energi kinetik

Dari hukum gas ideal

PV = NkBT(1)

dimana B adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu absolut. Dan dari rumus diatas, dihasilkan Gagal memparse (kesalahan sintaks): PV={Nmv_{rms}^2\overset 3}

Derivat:

Nk_BT=\frac{Nmv_{rms}^2}{3}
T=\frac{mv_{rms}^2}{3k_B}(2)

yang menuju ke fungsi energi kinetik dari sebuah molekul

mv_{rms}^2=3k_BT

Energi kinetik dari sistem adalah N kali lipat dari molekul K=\frac{Nmv_{rms}^2}{2}

Suhunya menjadi

T=\frac{2K}{3Nk_B}(3)

Persamaan 3 ini adalah salah satu hasil penting dari teori kinetik

“ Rerata energi kinetik molekuler adalah sebanding dengan suhu absolut. ”

Dari persamaan 1 dan 3 didapat:

PV=\frac{2K}{3}(4)

Dengan demikian, hasil dari tekanan dan volume tiap mol sebanding dengan rerata energi kinetik molekuler. Persamaan 1 dan 4 disebut dengan hasil klasik, yang juga dapat diturunkan dari mekanika statistik[1].

Karena 3N adalah derajat kebebasan (DK) dalam sebuah sistem gas monoatomik dengan N partikel, energi kinetik tiap DK adalah:

\frac{K}{3 N}=\frac{k_B T}{2}(5)

Dalam energi kinetik tiap DK, konstanta kesetaraan suhu adalah setengah dari konstanta Boltzmann. Hasil ini berhubungan dengan teorema ekuipartisi. Seperti yang dijelaskan pada artikel kapasitas bahang, gas diatomik seharusnya mempunyai 7 derajat kebebasan, tetapi gas yang lebih ringan berlaku sebagai gas yang hanya mempunyai 5. Dengan demikian, energi kinetik tiap kelvin (gas ideal monoatomik) adalah:

  • Tiap mole: 12.47 J
  • Tiap molekul: 20.7 yJ = 129 μeV

Pada STP (273,15 K , 1 atm), didapat:

  • Tiap mole: 3406 J
  • Tiap molekul: 5.65 zJ = 35.2 meV

Banyaknya tumbukan dengan dinding

Jumlah tumbukan atom dengan dinding wadah tiap satuan luar tiap satuan waktu dapat diketahui. Asumsikan pada gas ideal, derivasi dari [2] menghasilkan persamaan untuk jumlah seluruh tumbukan tiap satuan waktu tiap satuan luas:

A=\frac{N\cdot v_{avg}}{4V}=\frac{\rho}{4}\sqrt{\frac{8kT}{\pi m}}\frac{1}{m}.

Laju RMS molekul

Dari persamaan energi kinetik dapat ditunjukkan bahwa:

v_{rms}^2=\frac{3RT}{\mbox{massa mol}}

dengan v pada m/s, T pada kelvin, dan R adalah konstanta gas. Massa molar diberikan sebagai kg/mol. Kelajuan paling mungkin adalah 81.6% dari kelajuan RMS, dan rerata kelajuannya 92.1% (distribusi kelajuan Maxwell-Boltzmann).

Banyaknya tumbukan dengan dinding

One can calculate the number of atomic or molecular collisions with a wall of a container per unit area per unit time.

Assuming an ideal gas, a derivation[3] results in an equation for total number of collisions per unit time per area:

A = \frac{1}{4}\frac{N}{V} v_{avg} = \frac{\rho}{4} \sqrt{\frac{8 k T}{\pi m}} \frac{1}{m}. \,

Laju RMS molekul

From the kinetic energy formula it can be shown that

v_{rms}^2 = \frac{3RT}{\mbox{molar mass}}

with v in m/s, T in kelvins, and R is the gas constant. The molar mass is given as kg/mol. The most probable speed is 81.6% of the rms speed, and the mean speeds 92.1% (distribution of speeds). hk

Sejarah

In 1738 Daniel Bernoulli published Hydrodynamica, which laid the basis for the kinetic theory of gases. In this work, Bernoulli positioned the argument, still used to this day, that gases consist of great numbers of molecules moving in all directions, that their impact on a surface causes the gas pressure that we feel, and that what we experience as heat is simply the kinetic energy of their motion. The theory was not immediately accepted, in part because conservation of energy had not yet been established, and it was not obvious to physicists how the collisions between molecules could be perfectly elastic.

Other pioneers of the kinetic theory (which were neglected by their contemporaries) were Mikhail Lomonosov (1747),[4] Georges-Louis Le Sage (ca. 1780, published 1818),[5] John Herapath (1816)[6] and John James Waterston (1843),[7] which connected their research with the development of mechanical explanations of gravitation. In 1856 August Krönig (probably after reading a paper of Waterston) created a simple gas-kinetic model, which only considered the translational motion of the particles. [8]

In 1857 Rudolf Clausius, according to his own words independently of Krönig, developed a similar, but much more sophisticated version of the theory which included translational and contrary to Krönig also rotational and vibrational molecular motions. In this same work he introduced the concept of mean free path of a particle. [9] In 1859, after reading a paper by Clausius, James Clerk Maxwell formulated the Maxwell distribution of molecular velocities, which gave the proportion of molecules having a certain velocity in a specific range. This was the first-ever statistical law in physics.[10] In his 1873 thirteen page article 'Molecules', Maxwell states: “we are told that an 'atom' is a material point, invested and surrounded by 'potential forces' and that when 'flying molecules' strike against a solid body in constant succession it causes what is called pressure of air and other gases.”[11] In 1871, Ludwig Boltzmann generalized Maxwell's achievement and formulated the Maxwell–Boltzmann distribution. Also the logarithmic connection between entropy and probability was first stated by him.

In the beginning of twentieth century, however, atoms were considered by many physicists to be purely hypothetical constructs, rather than real objects. An important turning point was Albert Einstein's (1905)[12] and Marian Smoluchowski's (1906)[13] papers on Brownian motion, which succeeded in making certain accurate quantitative predictions based on the kinetic theory.

Diposting oleh di Tidak ada komentar:
Langganan: Komentar (Atom)