PENGANTAR MATERI TERMODINAMIKA SMA/SMK

PENGANTAR TERMODINAMIKA

A.  PENGERTIAN

Sebelum kita mempelajari tentang Termodinamika lebih jauh, maka sebaiknya kita fahami dahulu apa yang disebut dengan termodinamika. Secara bahasa (etimologi) Termodinamika berasal dari suku kata bahasa Yunani yaitu Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Sedangkan menurut istilah (Epistemologi) Termodinamika adalah suatu ilmu yang menjelaskan tentang bagaimana usaha bisa mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi beserta sifat-sifat pendukungnya. 

Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan,panas, kerja, dan energi yang menyebabkan perubahan suatu zat. Kajian Termodinamika ini erat kaitannya dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses dan lain-lain.

Termodinamika juga mempunyai keterkaitan dengan kajian mekanika statik, yaitu cabang ilmu fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan.

B.  Sistem termodinamika

Dalam mempelajari termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian kita. Sedangkan lingkungan merupakan segela bentuk benda yang berada diluar dari sistem atau selain sistem tersebut. Sistem dan lingkungannya membentuk semesta atau universal. Batas merupakan bagian yang berada diantara sistem dan lingkungan.

Jenis-jenis sistem didalam termodinamika didasarkan pada sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu :

1.   Sistem terbuka

Sistem terbuka adalah Sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya sekaligus. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeable (membran sangat tipis yang masih bisa dilewati senyawa atau molekul kecil). Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume.

Aturan yang digunakan untuk menganalisis sistem sebagai berikut: 

    a.      Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila 
          keluar dari sistem

    b.      Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila 

          diberikan (masuk) kedalam sistem.

2.   Sistem tertutup

Sistem tertutup adalah Sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dengan lingkungan, namun tidak disertai pertukaran zat dengan lingkungannya. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis tipis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis tipis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.

Jenis sifat pembatas sistem:

    a.            Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

    b.            Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Selain itu dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. 

Sedangkan dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).

  

3.   Sistem terisolasi

Sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya paling mudah adalah air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. 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.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. 

Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis koordinat sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai koordinat yang tetap. Apabila koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).  

C.  Proses  Termodinamika

Gas dalam ruang tertutup dapat mengalami 5 proses termodinamik yaitu:

1.      Proses  isobaric 

2.      Proses  isokhorik 

3.      Proses  isothermal 

4.      Proses adiabatis reversibel (isentropi)

5.      Proses polytropis.

Baca dan download selengkapnya di https://docs.google.com/document/d/1CtfTH6bCb3Y6a8Dw3CqVEvVGJt97uEsoXCTH0JMGys0

DUALISME GELOMBANG PARTIKEL

Radiasi Benda Hitam

• benda-benda yang berpijar akan memancarkan energi dalam bentuk gelombang elektromagnetik
• makin tinggi suhu benda yang berpijar, makin besar energi kalor yang dipancarkan.
• benda hitam merupakan penyerap dan pemancar kalor radiasi yang terbaik.
• besar energi yang dipancarkan oleh suatu permukaan benda hitam dalam bentuk radiasi kalor tiap satuan waktu sebanidng dengan luas permukaan dan sebanding dengan pangkat empat suhu mutlak benda itu. 

 

Hukum Pergeseran Wien
Bila suhu benda yang berpijar makin tinggi, maka panjang gelombang yang membawa energi terbesar semakin pendek yang dinyatakan dengan persamaan:

 Sifat Partikel Cahaya

• hipotesa max planck : cahaya adalah pancaran gelombang elektromagnetik berupa paket-paket energi yang terkuantisasi yang disebut kuanta (kuantum).
• kuantum yang bergerak sama dengan kecepatan cahaya disebut foton.
• besar energi foton sebanding dengan frekuensi foton yang dinyatakan dengan persamaan:

 

Efek Fotolistrik

• Efek foto listrik adalah peristiwa terlepasnya elektron dari permukaan logam akibat disinari sehingga bertumbukan dengan foton.
• Efek ini membuktikan cahaya bersifat seperti partikel.
• syarat agar terjadi efek foto listrik:

1.  Frekuensi foton lebih besar dari frekuensi ambang logam
2. Panjang gelombang foton lebih kecil dari panjang gelombang ambang logam
3. bila frekuensi foton lebih besar dari frekuensi ambang logam, maka energi foton sebagian digunakan untuk melepas elektron dari atomnya dan sebagian lagi untuk menambah energi kinetik elektron. Hal ini dinyatakan dengan persamaan: 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

• Energi kinetik elektron maksimum dapat dinyatakan dalam persamaan: 

 

• beberapa kemungkinan:

 

Sinar X

• Terjadinya sinar X merupakan kebalikan dari efek fotolistrik dan memenuhi persamaan:

·        Sifat-sifat sinar X:

1. Tidak dibelokan oleh medan magnet maupun medan listrik.
2. mempunyai daya tembus sangat tinggi.
3. dapat menghitamkan pelat foto. 

Efek Compton

o    Efek Compton menyatakan bahwa foton dapat dianggap sebagai partikel yang bergerak sehingga mempunyai momentum sebesar:

o    Tumbukan foton dengan elektron

o    berdasarkan percobaan compton, dapat disimpulkan bahwa setelah tumbukan:

 

o    Besar pergeseran compton:

 

Sifat Gelombang Materi

o    Hipotesa de Brogile menunjukan bahwa partikel mempunyai sifat gelombang, sehingga setiap materi yang bergerak akan bersifat sebagai gelombang dan disebut gelombang de Brogile.

o    Gelombang de Brogile dinyatakan dengan persamaan: 

Contoh Soal dan Penyelesaiannya:

1. Sebuah benda berpijar membunyai suhu 227 derajat celcius. Hitung panjang gelombang dari benda pijar tersebut yang dapat memancarkan energi maksimum.
2.  Berapa besar energi foton yang dipancarkan oleh sinar kuning yang mempunyai panjang gelombang 600 nm.

 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
   

3.  Sinar X dengan panjang gelombang 0,200 nm dihamburkan dari suatu balok karbon. Jika radiasi yang dihamburkan membentuk sudut 90 derajat terhadap sinar datang, tentukan besar pergeseran Compton.