TERMODINAMIKA - mirza.staff.ugm.ac.id

1 TERMODINAMIKAMIRZA SATRIAWANM arch 20, 2013 Daftar Isi1 SISTEM Deskripsi Sistem TERMODINAMIKA .. Kesetimbangan TERMODINAMIKA .. Termal .. Mekanik .. Jumlah Partikel .. Sistem dan Lingkungan .. Pengukuran Temperatur .. temperatur .. gas pada tekanan konstan ..92 PERSAMAAN Persamaan Keadaan Gas Ideal .. Persamaan Gas Real .. Persamaan Keadaan Non-Gas .. Perubahan Keadaan .. TERMODINAMIKA .. Panas .. Teori Kinetika Gas .. 191 Bab 1 SISTEM Deskripsi Sistem TermodinamikaTermodinamika adalah cabang dari ilmu Fisika yang mempelajari sistem banyak partikel secarafenomenologis makroskopik.

2 Secara fenomenologis, karena pendekatan yang dipakai adalah pen-dekatan empirik, berdasarkan generalisasi hasil-hasil eksperimen, dan secara makroskopik, karenayang ditinjau adalah keadaan sistem secara makro - yaitu keadaan banyak partikel, bukan keadaansecara mikro - keadaan masing-masing TERMODINAMIKA sistem akan dideskripsikan dengan sejumlah besaran fisis yang menggam-barkan keadaan sistem (disebut sebagaibesaran keadaan). Keadaan sistem yang ditinjau dalam ter-modinamika adalah keadaan makroskopik yang dapat berupa keadaan rerata dari partikel-partikeldalam sistem atau berupa keadaan kesuluruhan (total) partikel-partikel dalam sistem.

3 Contohkeadaan makroskopik tersebut adalah temperaturT, jumlah partikelN, volumeV, energi dalamU, tekananp, dan lainnya. Sebaliknya besaran mikroskopik, yang bukan merupakan besaran ter-modinamika, misalnya adalah posisi masing-masing partikel~ri, kecepatan masing-masing partikel~vi, energi kinetik masing-masing partikelEkidan sebagainya. Besaran-besaran makroskopik tadidikelompokkan menjadi dua jenis, yang sebanding dengan jumlah partikel dan yang tidak bergan-tung pada jumlah partikel. Besaran yang sebanding dengan jumlah partikel disebut sebagaibesaran2 BAB 1. SISTEM TERMODINAMIKA3ekstensif, misalnya jumlah partikel, volume, energi dalam, dan entropiS.

4 Sedangkan besaran yangtidak bergantung pada jumlah partikel disebut sebagaibesaran intensif, misalnya tekanan, temper-atur, panas jenisc, kerapatan dan potensial kimia . Tentu saja, bila suatu besaran ekstensifdibagi dengan besaran ekstensif lainnya, akan didapatkan suatu besaran intensif. Misalnya, kitaakan mendapatkan panas jenisc(besaran intensif) sebagai kapasitas panasC(besaran ekstensif)dibagi dengan total massaMatau jumlah partikelN. Besaran intensif yang diperoleh dari besaranekstensif dibagi dengan jumlah partikel, massa ataupun volume total disebut sebagai rapat besaranekstensif tersebut dan dituliskan dengan simbol huruf kecil besaran ekstensifnya, misalnya rapatenergi dalamu(per volume), denganu fisis suatu sistem TERMODINAMIKA dideskripsikan dengan sejumlah besaran makroskopiktadi.

5 Diketahui secara empiris bahwa terdapat relasi antara besaran-besaran keadaan tersebut,relasi ini disebut sebagaipersamaan keadaan. Secara umum persamaan keadaan dituliskan sebagaifungsi dari besaran-besaran keadaan, yaituf(p,V,N,T,..) = 0sebagai contoh yang terkenal adalah persamaan keadaan untuk gas idealpV=NkT(yang dapatdituliskan sebagaipV NkT= 0). Sejumlah besaran keadaan yang digunakan dalam persamaankeadaan untuk mendeskripsikan sistem, disebut sebagaivariabel keadaan, jadi tidak dibutuhkanseluruh besaran keadaan untuk dapat menggambarkan keadaan suatu sistem. Sebagai contoh, un-tuk menggambarkan keadaan gas ideal cukup dibutuhkan tiga variabel keadaan, yaitu tiga variabeldarip,V,TdanN, karena variabel keempat dapat diketahui dari relasi persamaan persamaan keadaan, terdapat sejumlah relasi yang terkait dengan energi, yang menghubungkanbesaran-besaran keadaan.

6 Relasi-relasi tersebut adalah pernyataan tentang: kesetimbangan termal(dikenal sebagai hukum TERMODINAMIKA ke-nol), kelestarian energi (hukum TERMODINAMIKA per-BAB 1. SISTEM TERMODINAMIKA4tama), entropi (hukum TERMODINAMIKA kedua), entropi minimum atau nol (hukum termodinamikaketiga). Keempatnya dikenal sebagai hukum-hukum TERMODINAMIKA . Dalam kajian ini hukum ter-modinamika ketiga tidak akan ditinjau, karena pembuktiannya membutuhkan pemahaman menge-nai mekanika Kesetimbangan TermodinamikaSuatu benda dikatakan berada dalam keadaan kesetimbangan termodinamik bila nilai dari besaran-besaran keadaan makroskopiknya tidak lagi berubah dalam jangka waktu yang cukup lama.

7 Ter-modinamika hanya akan meninjau besaran-besaran keadaan setelah sistem berada dalam kesetim-bangan termodinamik. Bahkan besaran-besaran TERMODINAMIKA hanya terdefinisi dalam keadaankesetimbangan termodinamik. TERMODINAMIKA tidak meninjau proses bagaimana suatu sistemberubah mencapai kondisi kesetimbangan termodinamiknya, karena itu tidak ada variabel waktudalam relasi-relasi kesetimbangan TERMODINAMIKA jelas adalah suatu yang sangat jauh dari realita, karenabagaimanapun suatu benda tidak akan dapat lepas dari interaksinya dengan lingkungan, sehinggatidak mungkin nilai besaran-besaran makroskopiknya benar-benar tidak berubah.

8 Tetapi kon-disi mendekati kesetimbangan TERMODINAMIKA sudah cukup untuk dapat diterapkannya relasi-relasitermodinamika. Sebagai contoh hukum radiasi benda hitam dapat diterapkan pada matahariataupun bintang walaupun mereka tidak benar-benar dalam keadaan kesetimbangan dengan menganalisa spektrum gelombang elektromagnetik yang dipancarkan matahariataupun bintang, dapat diduga besar temperatur Kesetimbangan TermalDua benda dikatakan berada dalam keadaan kesetimbangan termal bila dalam kondisi adanya ke-mungkinan interaksi antara partikel kedua sistem, tidak ada lagi total perpindahan energi panasantara keduanya (tidak tampak lagi perubahan keadaan makro pada kedua benda).

9 Bila benda ABAB 1. SISTEM TERMODINAMIKA5berada dalam kesetimbangan termal dengan benda B, serta benda B berada dalam kesetimbangantermal dengan benda C, maka benda A akan berada dalam kesetimbangan termal dengan bendaC. Relasi kesetimbang termal adalah suatu relasi ekuivalensi, sehingga seseorang dapat mengelom-pokkan benda-benda yang berada dalam keadaan setimbang termal dan memberi parameter yangmenunjukkan hal itu. Fakta empiris ini dikenal sebagai hukum TERMODINAMIKA ke nol. Benda-benda yang berada dalam keadaan kesetimbangan termal satu sama lain, didefinisikan memilikitemperatur yang sama. Dua benda yang berada dalam keadaan kesetimbangan termal akan memi-liki temperatur yang sama.

10 Jadi hukum TERMODINAMIKA ke-nol ini tidak lain adalah pernyataantentang adanya besaran temperatur. Besaran temperatur ini adalah besaran intensif, karena ni-lainya tidak bergantung pada jumlah partikel. Konsep temperatur hanya berlaku untuk sistemmakroskopik. Tidak ada artinya mendefinisikan temperatur untuk sebuah sebuah benda tidak secara keseluruhan berada dalam kesetimbangan termal, bagian-bagian dari benda tersebut mungkin berada dalam keadaan kesetimbangan termal lokal. Maka padabagian-bagian benda tersebut dapat didefinisikan Kesetimbangan MekanikSebelum mendefinisikan kesetimbangan mekanik, perlu didefinisikan terlebih dahulu besaran tekananp.