TERMODNAMIKA

RANGKUMAN BAB 3

A.   Hukum ke Nol Termodinamika

Konsep temperatur, seperti halnya konsep gaya yang telah kita pelajari pada bab sebelumnya, berasal dari persepsi dan interprestasi manusia terhadap gejala alam yang diamati.Berdasarkan pengalaman sehari-hari,temperatur diidentifikasi sebagai gejala yang berhubungan  dengan ukuran panas dan dingin suatu benda. Tubuh kita ibarat sensor alami yang dapat membedakan tempertur benda.Hanya saja, tidak seperti termometer, tubuh kita tidak dapat menunjukkan berapa besar temperatur yang suatu benda dalam skala angka.

Seperti yang telah anda pelajari pada bab kalor,jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda diinteraksikan satu sama alain, akan terjad perpindahan kalor yang efeknya bisa kita deteksi dengan adanya perubahan temperatur. Jika benda-benda tersebut kita biarkan cukup lama, benda-benda tersebut akan memiliki temperatur sama.
      Secara Umum,Jika dua benda berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga maka benda ketiga tersebut juga berada dalam kestimbangan termal satu sama lain. Pernyataan tersebut dikenal dengan Hukum Ke Nol Termodinamika
                                          TA= TB dan TB = TC, maka TA = TC

B.   Hukum I Termodinamika

Mari kita tinjau beberapa contoh terjadinya proses termodinamika.Misalnya terdapat gas di dalam suatu ruang berbentuk silnder yang dilengkpi dengan piston pada bagian atas silinder. Gas tersebut dikompres hinga mencapai tekanan yang maksimum. Tekanan maksimum mengakibatkan volum gas minimum, sehingga jarak antar partikel gas menjadi semakin kecil. Keadaan ini mengakibatkan peluang terjadinya benturan anatar partikel akan semakin besar yang dapat menghasilkan panas.Sebaliknya, jika volume gas diperbesar (dengan memperkecil tekanan tapa diberi kalor),Maka temperatur gas akan turun,Peristiwa Ini Dirangkum Dalam Hukum I Termodinamika yang berbunyi:

“ Besar perubahan kalor dalam sistem adalah sama dengan jumlah perubahan energi dalam sistem dan kerja yang dilakukan”.

Secara Matematis,Bunyi dari hukum I Termodinamika tersebut  dapat ditulis bentuk persamaan

                                                ∆Q = ∆U + W

Dengan:

∆Q = perubahan kalo dalam sistem.
Sistem melepaskan kalor → Negatif (-).
Sistem menerima kalor → positif (+).

∆U = perubahan energi dalam sistem ( energi dalam )
Energi dalam sistem berkurang → negati (-) (jika suhu turun).
Energi dalam sistem bertambah → positif (+) (jika suhu bertambah).

W= kerja sistem.
Sistem menerima kerja → negatif (-) (biasanya dalam proses kompresi).
Sistem melakukan kerja → positif (+).

C. Kapasitas Panas Gas Ideal

Berdasarkan Keadaan gas yang sedang dialaminya, maka kapasitas panas untuk gas ideal dapat kita bedakan menjadi dua jenis, yaitu kapasitas panas molar pada volume konstan yang dilambangkan dengan Cv dan kapasitas panas molar pada tekanan konstan yang dilambangkan dengan Cp. Kedua kapasitas panas ini berbeda. Karna pada saat volume konstan, sistem tidak melakukan kerja ( akan dibuktikan pada bahasan selanjutnya) sehingga berdasarkan hukum termodinamiia pertama, besar perubahan energi dalam sistem sama dengan besar kalor yang diterima sistem tersebut . secara matematis berdasarkan persaamaan dapat kita tuliskan

                                                   W =  0 → ∆Q = ∆U + W = ∆U + 0
                                                                      ∆Q = ∆U

Hal ini berbeda dengan kapasitas panas molar pada tekanan konstan. Apabila kalor sistem ditambah disertai dengan terjadinya penambahan volume sistem,maka tekanan dalam sistem akan konstan.

1.    Usaha Dalam Sistem Termodinamika

Penambahan kalor menghasilkan terjadinnya usaha berupa terdorongya piston ke kanan. Kerja ini merupakan kerja mekanik yang dapat dirumuskan dengan persamaan berikut.

W = FS = F ∆x

Dalam kasus ini , ∆x adalah perpindahan piston dan F adalah besarnya gaya yang bekerja pada piston. Jika diasumsikan luas piston adalah A dan ditekan oleh gas P, maka Persamaan dapat dituliskan sebagai berikut

W = PA ∆x

Nilai A∆x adalah perubahan volume gas ∆V yang terjadi akibat perubahan kalor ( karena volume adalah luas alas dikalikan tinggi),

∆V = A ∆x

Jadi,Persamaan utuk kerja termodnamika adalah:

W = P ∆V

2.    Kapasitas kalor molar pada volume konstan

Jika jumlah mol gas adalah n mol, maka setelah kalor mengalir, kalor gas bertambah sementara piston tetap diam dan volume sistem konstan, maka besar peningkatan kalor sistem sebanding dengan pertambahan suhu gas. Dengan kapasitas kalor molar pada volume konstan Cv dapat kita definisikan sebagai:

∆Q= NCv ∆T

Karena volume sistem konstan (∆V= 0 ) maka berarti dalam hal ini sistem sedang tidak melakukan kerja, yaitu

W = P X ∆ V = P X 0 = 0

Sehingga dari persamaa hukum termodinamika pertama,kita peroleh bahwa besar kalo yang diterima sistem setara dengan perubahan energi dalam sistem, yaitu:

∆Q = ∆U

Jadi, Kalor luar yang diterima sistem digunakan seluruhnya untuk merubah energi dalam sistem adalah.

∆U = NCv ∆T

3.      Kapasitas kalor molar pada tekanan konstan

Kapasitas kalor molar pada tekanan konstan dapat didefinisikan sebagai :

∆Q = NCp ∆T

Sebelumnya , diperkenalkan sebua Persamaan Umum Gas Ideal yaitu:

PV = nRT

Dengan:

P  = tekanan gas

V = Volume gas

n = jumlah partikel

R = konstanta gas universal

T = temperatur

                                                 

Impulse,Momentum dan Tumbukan

A. Impuls Dan Momentum

Impulse adalah besarnya Vektor Gaya yang bekerja terhadap benda dalam selang waktu tertentu. Selang Waktu yang diperlukan vektor gaya untuk mempengaruhi gerak benda relatif sangat singkat ( hanya sepersekian detik ). Jika Impulse kita Lambangkan dengan I, Gaya F Selang waktu ∆t, maka

I = F ∆t

Sedangkan momentum ( disimbolkan dengan P ) adalah massa benda m ( dalam satuan kg ) dikalikan dengan kecepatan v ( dalam satuan m/s )

P = mV

Hukum II Newton Menjelaskan Bahwa besar gaya yang  bekerja dalam setiap satuan massa terhadap benda tersebut , atau dituliskan

F= ma

Percepatan benda adalah laju perubahan kecepatan yang di alami benda terhadap waktu.

a = ∆v

      ∆t

Sehingga Hukum II Newton dapat ditulis :

F = m  ∆v

           ∆t

F ∆t = m ∆v

= m (v - v0)

= mv - mv0

B. Hukum Kekekalan Momentum

Berdasarkan Hukum II Newton diketahui bahwa gaya total yang bekerja terhadap benda adalah

∑F = ma

= m ∆v = m∆v

    ∆t =  ∆t

Karena m ∆v = ∆P, Maka Persamaan di atas dapat dituliskan sebagai

∑F = ∆P

        ∆t

dari persamaan diatas dapat kita simpulkan, jika jumlah resultan gaya yang bekerja terhadap benda sama dengan nol ( ∑F = 0 ), maka tidak terjadi perubahan momentum, atau momentum benda tersebut adalah konstan.kita tuliskan:

∆P = 0

C. Tumbukan

Tumbukan dapat berlangsung secara singkat dan dapat pula berlangsung lama. Pada semua proses tumbukan, benda-benda yang saling bertumbukan akan berinteraksi dengan kuat hanya selama tumbukan berlangsung  kalaupun ada gaya eksternal yang bekerja, besarnya akan jauh lebih kecil daripada gaya interaksi yang terjadi, dan oleh karenanya gaya tersebut diabaikan.

Jika energi kinetik total benda-benda setelah tumbukan sama dengan energi kinetik total benda-benda sebelum tumbukan, tumbukannya disebut tumbukan elastik sempurna . sebaliknya jika energi kinetik total kedua benda setelah tumbukan tidak sama dengan energi kinetik total kedua benda sebelum tumbukan , tumbukannya disebut tumbukan tak elastik atau tumbukan tak lenting.

Selanjutnya disini akan dijelaskan lebih lanjut;

1. Tumbukan lenting sempurna pada satu dimensi

Ingat ! jika pada tumbukan tidak terjadi kehilangan energi kinetik, maka tumbukan yang terjadi bersifat lenting sempurna. Disini akan dibahas tumbukan satu dimensi dimana kecepatan benda yang bertumbukan terletak segaris. Misalnya sepanjang sumbu-x seperti pada gambar 6 berikut;

Gambar 6. Ilustrasi 2 Bola Sebelum dan Sesudah Tumbukan

Berdasarkan Hukum Kekalan Momentum diperoleh;

atau

oleh karena tumbukan yang terjadi adalah lenting sempurna, energi kinetiknya tetap, yaitu:

atau

Dengan mengingat, 

maka persamaan ketika terjadi tumbukan lenting sempurna dapat dituliskan sebagai berikut

jika persamaan tersebut dibagi dengan persamaan;

maka diperoleh persamaan sebagai berikut:

2. Tumbukan lenting sempurna pada bidang

Tumbukan ini terjadi pada bidang dua dimensi yang tidak segaris, melainkan sebidang (dua dimensi). Contoh tumbukan semacam ini adalah tumbukan yang terjadi pada dua bola billiar atau tumbukan yang terjadi pada tumbukan dua mobil yang sejenis dan melaju dengan kecepatan yang sama seperti pada gambar 7. ;

Gambar 7. Ilustrasi 2 Bola Bertumbukan Pada Bidang

Dengan menerapkan hukum kekekalan momentum pada arah sumbu x, diperoleh

karena pada awalnya kedua benda tidak bergerak pada arah y, maka komponen momentum dari arah y bernilai nol;

Pada tumbukan lenting sempurna, harga koefisien restitusi adalah sebagai berikut:

3. Tumbukan tidak lenting

Dalam tumbukan ini, setelah tumbukan kedua benda akan bergerak bersama seperti pada gambar 8.

Gambar 8. Ilustrasi Tumbukan Tidak Lenting

sehingga berlakuDengan demikian, Hukum kekekalan momentumnya berbentuk:

Dengan demikian, kecepatan kedua benda setelah tumbukan dapat dihitung dengan rumus:

Jika salah satu benda misalnya m2 semula diam, maka persamaanya menjadi:

Jadi, dengan hanya mengukur massa dan kecepatan sebelum tumbukan, kecepatan benda setelah tumbukan dapat diperhitungkan. Dalam tumbukan tidak lenting, energi kinetik setelah tumbukan selalu lebih kecil daripada energi kinetik sebelum tumbukan.

Rumus energi kinetik sebelum tumbukan adalah

Rumus energi kinetik setelah tumbukan adalah

Perbandingan enrgi kinetik setelah tumbukan dengan energi kinetik  sebelum tumbukan adalah

catatan: persamaan tersebut berlaku jika semula massa m2 diam.

Pada tumbukan tidak lenting, harga koefisien restitusi adalah sebagai berikut:

4. Tumbukan lenting sebagian

Sebagian besar tumbukan yang terjadi antara dua benda adalah tumbukan lenting sebagian. Misalnya, bola tenis yang bertumbukan dengan raket atau bola baseball yang dipukul. Analisis tumbukan tidak lenting sebagian melibatkan koefisien restitusi (e) .

koefisien restitusi didefinisikan sebagai harga negatif dari perbandingan antara besar kecepatan relatif  kedua benda setelah tumbukan dan sebelum tumbukan.

Pada tumbukan lenting sebagian, harga koefisien restitusi

sumber : https://fisikamemangasyik.wordpress.com

D.Koefisien Kelentingan

terdapat partikel yang massanya M dan m masing-masing bergerak V dan v. Setelah bertumbukan, kecepatannya menjadi V' dan v'. Menurut hukum kekekalan momentum, 

ΔP = 0 

M V + m v - M V' - m v' = 0 

M(V - V') = -m(v - v') 

untuk tumbukan lenting sempurna, 

ΔEk = 0 

½ M V² + ½ m v² - (½ M V' ² + ½ m v' ²) = 0 

½ M (V² - V' ²) + ½ m (v² - v' ²) = 0 

½ M (V - V')(V + V') + ½ m (v - v')(v + v') = 0 

-½ m(v - v')(V + V') + ½ m (v - v')(v + v') = 0 

sederhanakan dengan mencoret ½ m(v - v') 

-(V + V') + (v + v') = 0 

-(V' - v') = (V - v) 

-(V' - v')/(V - v) = 1 

untuk lenting sebagian, perbandingan ini berkisar antara 0 sampai 1. Dan jika tidak lenting sama sekali, nilai perbandingannya sama dengan 0. 
Perbandingan ini dinamakan koefisien kelentingan/restitusi yang nilainya, 

0 ≤ -(V' - v')/(V - v) ≤ 1