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.
Teori ini didasarkan
atas 3 pengandaian:
1. Gas terdiri
daripada molekul-molekul yang bergerak secara acak dan tanpa henti.
2. Ukuran
molekul-molekul dianggap terlalu kecil sehingga boleh diabaikan, maksudnya
garis pusatnya lebih kecil daripada jarak purata yang dilaluinya antara
perlanggaran.
3. Molekul-molekul
gas tidak berinteraksi antara satu sama lain. Perlanggaran sesama sendiri dan
dengan dinding bekas adalah kenyal iaitu jumlah tenaga kinetik molekulnya sama
sebelum dan sesudah perlanggaran.
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
P V = n R T = N K T
P V = n R T = N K T
n = N/No
T = suhu (ºK)
R = K . No = 8,31 )/mol. ºK
N = jumlah pertikel
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
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 = Ö(3 K T/m) = Ö(3P/r)
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
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.
HUBUNGAN TEKANAN DENGAN KELAJUAN
Tekanan yang dikenakan oleh suatu gas adalah
akibat tumbukan molekul-molekul pada dinding batas.
kelajuan molekul gas, v
-- terdiri
daripada komponen-komponen kelajuan dalam arah x, y dan z Þ vx, vy, vz
Diketahui bahwa: v2 = vx2 + vy2 + vz2
atau v = (vx2 + vy2 + vz2)½ (1)
Kelajuan rata-rata
pangkat dua ialah
di mana N = bilangan molekul
Anggaplah = =
\ = 3 Þ = (3)
(sama juga bagi vy dan vz)
Tekanan Gas Pada Dinding
Andaikan satu molekul gas yang bermassa m,
bergerak dalam sebuah kubus dengan laju vx yang searah dengan sumbu x . Molekul
ini menumbuk dinding kanan dan memantul balik denagn laju –vx.
Perubahan momentum pada dinding kanan untuk satu
tumbukan= mv x – (– m v x )
= 2 mv x
Misalkan ukuran kubus
itu dengan sisi l. Bagi setiap tumbukan, molekul akan bergerak sejauh 2l (pergi
dan balik) dalam selang waktu Dt.
Menurut Hukum Newton II,
gaya ialah perubahan
momentum per satuan waktu
(A = luas dinding, V =
volume kubus)
PV = konstan Þ Hukum
Boyle
ENERGI KINETIK RATA-RATA
Hubungan tekanan dan volume dengan energi kinetik
Akar dari laju rata-rata
pangkat dua , disebut vrms.
TERMODINAMIKA
Termodinamika (bahasa
Yunani: thermos = 'panas' and dynamic= 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika
berhubungan dekat denganmekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika
berasal.
Pada sistem di mana terjadi
proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak
berhubungan dengankinetika 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.
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.
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 pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum
universal dari kekekalan
energi dan
mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan
paling umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi:
Kenaikan energi
internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem
dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya
Pondasi
hukum ini pertama kali diletakkan olehJames Prescott Joule yang melalui eksperimen-eksperimennya
berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja saling dapat dikonversikan.
Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf Clausius pada 1850: "Terdapat
suatu fungsi keadaan E, yang disebut 'energi', yang diferensialnya sama dengan
jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu prosesadiabatik."
- 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.
Formulasi
Kelvin-Planck atau hukum termodinamika kedua menyebutkan bahwa adalah tidak mungkin
untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang
semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi
usaha mekanik. Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki
arah; dengan kata lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible(dapat dibalikkan arahnya).
Sebagai contoh jika seekorberuang kutub tertidur
di atas salju, maka salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruangtersebut.
Akan tetapi beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut
untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki
arah, yaitu dari panas ke dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah
studi tentang mesin kalor.
- 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
ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi DSt yang berkaitan dengan perubahan kimia
atau perubahan fisika bahan murni pada T =
0 K bernilai nol.
Transisi yakni perubahan fisika, dalam zat (misalnya belerang) dari struktur A (rombik) ke B (monoklinik) pada suhu normal disertai dengan perubahan entropi; ini diilustrasikan secara skematik di ilustrasi T8. Dapat ditunjukkan secara eksperimen, bahwa bila suhunya mendekati 0 K, perubahan entropi transisi DSt menurun. Karena 0 K tidak dapat dicapai secara eksperimen, hal ini diungkapkan secara matematik
Transisi yakni perubahan fisika, dalam zat (misalnya belerang) dari struktur A (rombik) ke B (monoklinik) pada suhu normal disertai dengan perubahan entropi; ini diilustrasikan secara skematik di ilustrasi T8. Dapat ditunjukkan secara eksperimen, bahwa bila suhunya mendekati 0 K, perubahan entropi transisi DSt menurun. Karena 0 K tidak dapat dicapai secara eksperimen, hal ini diungkapkan secara matematik
Lim DSt = 0
T ® 0
T ® 0
Secara
intuitif hukum ketiga dapat dipahami dari fakta bahwa pergerakan ionik atau
molekular maupun atomik yang menentukan derajat ketidakteraturan dan dengan
demikian juga besarnya entropi, sama sekali berhenti pada 0 K. Dengan mengingat
hal ini, tidak akan ada perubahan derajat ketidakteraturan dalam perubahan
fisika atau kimia dan oleh karena itu tidak akan ada perubahan entropi.
ENTALPI
Entalpi
adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi internal
dari suatu sistem termodinamika ditambah energi yang digunakan untuk melakukan
kerja. Secara matematis, entalpi dapat dirumuskan sebagai berikut:
di mana:
- H = entalpi sistem (joule)
- U = energi internal (joule)
- P = tekanan dari sistem (Pa)
V =
volume sistem (m2)
Hukum I Termodinamika
o
Hukum ini diterapkan pada gas, khususnya gas
ideal
PV = n R T
P . DV + -V . DP = n R DT
PV = n R T
P . DV + -V . DP = n R DT
o
Energi adalah kekal, jika diperhitungkan semua
bentuk energi yang timbul.
o
Usaha tidak diperoleh jika tidak diberi energi
dari luar.
o
Dalam suatu sistem berlaku persamaan
termodinamika I:
DQ = DU+ DW
DQ = kalor yang diserap
DU = perubanan energi dalam
DW = usaha (kerja) luar yang dilakukan
DQ = DU+ DW
DQ = kalor yang diserap
DU = perubanan energi dalam
DW = usaha (kerja) luar yang dilakukan
DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT
DIJABARKAN:
o
Pada proses isobarik (tekanan tetap) ® DP = 0; sehingga,
DW = P . DV = P (V2 - V1) ® P. DV = n .R DT
DW = P . DV = P (V2 - V1) ® P. DV = n .R DT
DQ = n . Cp .
DT
|
® maka Cp =
5/2 R (kalor jenis pada tekanan tetap)
|
DU-= 3/2 n . R . DT
|
o
Pada proses isokhorik (Volume tetap) ® DV =O; sehingga,
DW = 0 ® DQ = DU
DW = 0 ® DQ = DU
DQ = n . Cv .
DT
|
® maka Cv =
3/2 R (kalor jenis pada volume tetap)
|
AU = 3/2 n . R . DT
|
o
Pada proses isotermik (temperatur tetap): ® DT = 0 ;sehingga,
DU = 0 ® DQ = DW = nRT ln (V2/V1)
DU = 0 ® DQ = DW = nRT ln (V2/V1)
o
Pada proses adiabatik (tidak ada
pertukaran kalor antara sistem dengan sekelilingnya) ® DQ = 0 Berlaku hubungan::
PVg = konstan ® g = Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace
PVg = konstan ® g = Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace
o
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 PVg= C.
Jadi:
1. jika DP > DV, maka grafik adiabatik.
2. jika DP = DV, maka grafik isotermik.
Usaha pada proses a ® b adalah luas abb*a*a
Perhatikan perbedaan grafik isotermik dan adiabatik ® penurunan adiabatik lebih curam dan mengikuti persamaan PVg= C.
Jadi:
1. jika DP > DV, maka grafik adiabatik.
2. jika DP = DV, maka grafik isotermik.
Catatan:
o
Jika sistem menerima panas, maka sistem akan
melakukan kerja dan energi akan naik. Sehingga DQ, DW ® (+).
o
Jika sistem menerima kerja, maka sistem akan
mengeluarkan panas dan energi dalam akan turun. Sehingga DQ, DW ® (-).
2.
Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energi dalam
(U) gas adalah
U = Ek = 3/2 nRT ® g = 1,67
U = Ek = 3/2 nRT ® g = 1,67
o
Untuk gas diatomik (H2, N2,
dll), energi dalam (U) gas adalah
Suhu rendah
(T £ 100ºK) |
U = Ek =
3/2 nRT
|
® g = 1,67
|
Suhu sedang
|
U = Ek =5/2
nRT
|
® g = 1,67
|
Suhu tinggi
(T > 5000ºK) |
U = Ek =
7/2 nRT
|
® g = 1,67
|
Hukum II
Termodinamika
Tidak mungkin membuat suatu mesin yang
bekerja secara terus-menerus
serta rnengubah semua kalor yang diserap menjadi usaha mekanis.
T1 = reservoir suhu tinggi
T2 = reservoir suhu rendah
Q1 = kalor yang masuk
T2 = reservoir suhu rendah
Q1 = kalor yang masuk
Q2 =kalor yang dilepas
W = usaha yang dilakukan
h = efesiensi mesin
W = usaha yang dilakukan
h = efesiensi mesin
Untuk mesin pendingin:
h = W/Q2 = Q1/Q2 -1 = T1/T2 - 1
Koefisien Kinerja = 1/h
h = W/Q2 = Q1/Q2 -1 = T1/T2 - 1
Koefisien Kinerja = 1/h
Mesin
Carnot
Dalil :
Dari semua motor yang bekerja dengan menyerap kalor
dari reservoir T1 dan
melepaskan kalor pada reservoir T2tidak ada yang lebih efisien
dari motor Carnot.
|
|
BC ; DA = adiabatik
AB ; CD = isotermik
|
Mesin Carnot terdiri atas 4 proses, yaitu 2 proses adiabatik dan 2 proses isotermik. Kebalikan dari mesin Carnot merupakan mesin pendingin atau lemari es. Mesin Carnot hanya merupakan siklus teoritik saja, dalam praktek biasanya digunakan siklus Otto untukmotor bakar (terdiri dari 2 proses adiabatik dan 2 proses isokhorik) dan siklus diesel untuk mesin diesel (terdiri dari 2 proses adiabatik, 1 proses isobarik dan 1 proses isokhorik).