Benda Hitam

Benda hitam adalah  suatu benda yang permukaannya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang datang padanya ( tidak ada radiasi  yang dipantulkan keluar dari benda hitam).

Hukum yang bersangkutan dengan radiasi benda hitam :

1. Hukum Stefan-Boltzmann
2. Hukum Pergeseran Wien
3. Teori Planck
4.    Hukum Rayleigh-Jeans

Perumusan Rayleigh dan Jeans

Fisika klasik menyatakan bahwa spektra radiasi benda hitam adalah kontinu, dan mereka aggal menjelaskan radiasi benda hitam. Planck justru mengemukakan gagasan baru yang radikal dan bertenteangan dengan fisika klasik, dengan menyatakan bahwa energy radiasi benda hitam adalah terkuantitasi ( diskret ).

Pernyataan radikal inilah yang menandai lahirnya teori kuantum. Karena itu, teori fisiska sebelum tahun 1900 disebut fisika kalsik , sedangkan teori fisika sesudah tahun 1900 disebut fisika modern.

Teori Max Planck

Pada tahun 1900 Max Planck mengemukakan teorinya tentang radiasi benda hitam yang sesuai dengan hasil eksperimen.Planck menganggap bahwa gelombang elektromagnetik berperilaku sebagai osilator di rongga.Getaran yang ditimbulkan osilator kemudian diserap dan dipancarkan kembali oleh atom-atom.Planck sampai pada kesimpulan bahwa energy yang dipancarkan dan diserap tidaklah kontinu.Tetapi, energi dipancarkan dan diserap dalam bentuk paket-paket energi diskret yang disebut kuanta.

Contoh Soal

Entropi Zat Murni Pada Titik Not Absolut

Entropi dapat dipandang sebagai besaran makroskopis yang mengukur ketidakteraturan sistem, yang berarti suatu sifat menyangkut sejumlah besar molekul yang tersusun secara tidak teratur dalam ruangan termasuk distribusi energinya. Sebagai ilustrasi, dua buah balon yang sama besar dan saling berhubungan melalui sebuah kran. Satu balon berisi N molekul gas ideal, sedangkan balon yang satu hampa udara. Jika kran dibuka, maka gas akan berdifusi ke dalam balon yang kosong secara secara spontan, sehingga distribusi gas dalam dua buah balon menjadi merata.

Kebolehjadian untuk menemukan sebuah molekul gas pada salah satu balon adalah ½. Kebolehjadian untuk menemukan dua buah molekul dalam balon yang sama adalah (½)², dan kebolehjadian untuk menemukan N molekul berada dalam balon yang sama adalah (½)^N. Kebolehjadian semakin kecil dan praktis mendekati nol apabila harga N sangat besar (misalnya sebesar tetapan Avogadro). Gas yang berdifusi secara spontan dan mengisi stiap ruang yang ada dalam balon merupakan keadaan dengan kebolehjadian yang paling tinggi, atau keadaan yang paling memungkinkan.

Jika W menyatakan besarnya kebolehjadian sistem untuk mencapai suatu keadaan tertentu, maka menurut Boltzmann dan Planck hubungan antara entropi dan kebolehjadian diberikan oleh ungkapan berikut :

Perhatikan persamaan Planck-Boltzmann, S = k lnW

Entropi dapat dihubungkan dengan ‘kekacauan’ atau ketidakteraturan sistem. Keadaansistem yang kacau ialah keadaan di mana partikel-partikel (molekul, atom atau ion)tersusun secara tidak teratur. Makin kacau susunan keadaan sistem, makin besarkebolehjadian keadaan sistem dan makin besar entropi. Oleh karena itu zat padat Kristalpada umumnya mempunyai entropi yang relatif rendah dibandingkan dengan cairan atau gas. Gas mempunyai entropi yang paling tinggi karena keadaan sistem paling tidak teratur. Diuraikan di atas bahwa makin kacau atau tidak teratur susunan molekul, makin tinggi harga W dan entropi. Sebaliknya makin teratur susunan molekul sistem, makin rendah harga W dan entropi. Kalau suatu zat murni didinginkan hingga dekat 0 K, semua gerakan translasi dan rotasi terhenti dan molekul-molekul mengambil kedudukan tertentu dalam kisi kristal. Molekul hanya memiliki energi vibrasi yang sama besar sehingga berada dalam keadaan kuantum tunggal. Ditinjau dan kedudukan dan distribusi energi, penyusunan molekul-molekul dalam suatu kristal yang sempurna pad 0 K hanya dapat dilaksanakan dengan satu cara. Dalam hal ini W = 1 dan ln W = 0, sehingga menurut persamaan boltzmann S = 0. Jadi, entropi suatu kristal murni yang sempurna ialah nol pada 0 K. Pernyataan ini terkenal sebagai

Hukum Ketiga Temomedinamika. Ungkapan matematik nya adalah 0.

S’_T=0= 0

Percobaan Hukum Pertama Termodinamika

A.   Alat dan bahan :

-       Balon

-       Lilin

-       Gelas

-       Air

-       Korek api / mancik

B.   Cara kerja :

1.      Masukkan lilin ke dalam gelas, lalu hidupkan lilin menggunakan mancik/korek api.

2.      Tiup balon kemudian taruh balon tersebut diatas lilin yang telah dihidupkan apinya

3.      Hidupkan lilin dan tiup balon lagi. Setelah ditiup, masukkan air ke dalam balon tersebut dan diikat

4.      Letakkan balon yang berisi air ke dalam gelas yang berisi lilin. Lihat apa yang terjadi.

C.   Hasil pengamatan :

1.    Balon yang tidak berisi air jika dipanaskan akan meletus.

2.    Balon yang berisi air akan menggembung ke dalam memasuki gelas yang berisi api. Lilin di dalam gelas akan mati disebabkan tidak ada lagi udara yang masuk ke dalam gelas.

D.   Penjelasan

Balon adalah bahan yang terbuat dari karet dan bersifat elastis. Karet dari balon yang tanpa air sangat lemah menahan tekanan udara dalam balon dan menyebabkan balon akan meletus. Ketika api didekatkan pada balon yang berisi air, maka air tersebut akan menyerap sebagian besar dari panas dari api. Karet balon tersebut menjadi tidak terlalu panas sehingga karet masih bisa menahan tekanan udara dari dalam balon sehingga balon tidak meletus.

Percobaan tersebut berhubungan dengan hukum I Termodinamika yaitu “kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah panas yang ditambahkan kedalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Percobaan Tekanan Udara

Kalian pasti pernah meniup lilin saat sedang berulang tahun, atau ketika sedang mati lampu dan ternyata lampunya sudah hidup kembali, maka kalian harus meniup nyala lilinnya kan? Namun, bisakah jika nyala lilin tersebut dimatikan tanpa ditiup? Yuk kita cari tau dengan melakukan percobaan di bawah ini.

Alat dan bahan

1.   Lilin

2.   Korek api

3.   Piring kecil

4.   Air (Secukupnya)

5.   Gelas

6.   Pewarna

Langkah kerja yang dilakukan adalah sebagai berikut :

Yang harus kalian lakukan adalah:

1.      Nyalakan lilin dan letakkan di atas piring kecil.

2.      Ambil gelas kemudian tutup lilin dengan gelas. Kira-kira apa yang akan terjadi? Yang terjadi lilin akan padam.

3.      Masih dengan lilin dan piring yang sama, masukkan air yang telah diberi pewarna ke dalam piring kecil. Air berwarna di sini dimaksudkan agar mudah pengamatannya.

4.       Hidupkan lilin kemudian tutup lilin dengan gelas. Coba amati, kira-kira kini apa yang akan terjadi? Yang terjadi yaitu air akan tersedot ke dalam gelas.

Mengapa hal ini bisa terjadi??

Lilin semakin lama semakin redup karena dalam proses pembakaran dibutuhkan oksigen, namun dalam ruangan tertutup oksigen yang dibutuhkan terbatas. Sehingga beberapa saat setelah lilin di tutup dengan gelas, api pada lilin semakin lama semakin redup hingga akhirnya mati karena kadar oksigen yang di perlukan untuk proses pembakaran tidak mencukupi. Molekul oksigen yang hilang karena proses pembakaran, menyebabkan tekanan udara di dalam gelas lebih kecil di bandingkan dengan tekanan udara di luar gelas. Hal ini sesuai dengan hukum Boyle bahwa volume sebanding dengan tekanan, jadi pada saat volume oksigen habis didalam gelas maka tekanan juga akan semakin kecil. Selanjutnya tekanan mengalir dari luar ke dalam karena tekana di luar lebih besar dari dalam gelas, sehingga menyebabkan air yang ada di sekitar gelas terhisap masuk kedalam gelas .

Macam-macam Termometer

Macam-macam Termometer

1. Termometer Klinis
Termometer klinis biasa digunakan para dokter dan perawat untuk mengukur suhu tubuh manusia. Cairan yang digunakan untuk mengisi termometer klinis adalah raksa. Skala pada termometer klinis antara 35°C sampai dengan 42°C. Penampang kepalanya dibuat lebih kecil daripada macam termometer biasa. Hal ini dimaksudkan supaya perubahan suhu yang kecilpun dapat dilihat dengan jelas. Untuk mengukur suhu benda, termometer diletakkan di ketiak atau di mulut kurang lebih 2 menit. Untuk mengembalikan raksa pada kedudukan semula, termometer itu langsung diguncang- guncangkan.


2. Termometer Six-Bellaini
Termometer ini ditemukan oleh James Six dan Beliani pada akhir abad ke-18. Termometer macam ini sering digunakan oleh pengamat cuaca untuk mengetahui suhu tertinggi dan suhu terendah dalam jangka waktu tertentu. Termometer maksimum dan minimum ini terdiri atas sebuah tabung silinder A tabung B dan pipa U. Tabung A berisi alkohol dan dihubungkan dengan tabung B yang juga berisi alkohol melalui pipa U yang berisi raksa. Termometer Six-Bellaini memiliki 2 skala yakni skala minimum di pipa kiri dan skala maksimum pada pipa kanan. Sehingga suhu bisa dibaca sesuai dengan ketinggian kolom raksa di masing-masing pipa.


3. Termometer Termokopel
Termometer ini terdiri atas dua kawat yang dibuat dari bahan logam yang berbeda jenisnya dan dihubungkan dengan sebuah amperemeter. Prinsip kerjanya adalah apabila suhu berbeda maka akan menghasilkan arus listrik yang berbeda pula. Jangkauan suhu termometer ini mulai dari -100°C sampai dengan 1500°C, selain mempunyai jangkauan yang besar, termometer termokopel ini dapat juga mengukur suhu dengan cepat dan dapat dihubungkan dengan rangkaian lain atau komputer.

4. Termometer optik (pyrometer) 
Termometer optik yaitu termometer yang cara kerjanya didasarkan pada perubahan warna logam yang terjadi akibat perubahan sebuah suhu. Termometer optik biasa disebut juga pyrometer yang biasanya digunakan mengukur suhu yang sangat tinggi (di atas 1000°C) seperti pada peleburan logam.

5. Termometer bimetal
Termometer bimetal mengandung sebuah keping bimetal tipis berbentuk spiral. Prinsipnya, makin tinggi suhu, keping bimetal makin melengkung untuk menunjukkan suhu yang lebih tinggi.

ISOKHORIK
Sebuah proses isokhorik, juga disebut-proses volume konstan, proses isovolumetric, atauproses isometrik, adalah sebuah proses termodinamika yang selama itu volume dari sistem tertutupmenjalani proses tersebut tetap konstan. Dalam istilah non-teknis, proses isokhorik dicontohkan oleh pemanasan atau pendinginan dari isi wadah non-mampudeformasi bersegel: Proses termodinamika adalah penambahan atau pemindahan panas; isolasi dari isi kontainer menetapkan sistem tertutup; dan ketidakmampuan wadah untuk merusak memaksakan kondisi volume-konstan. 

ISOBARIK
Sebuah proses isobarik adalah proses termodinamika di mana tekanan tetap konstan. Istilah ini berasal dari ISO Yunani, (sama), dan Barus, (berat). 

ISOTERMAL
Proses isotermal adalah suatu perubahan dari suatu sistem, di mana suhu tetap konstan: T Δ = 0. Ini biasanya terjadi ketika suatu sistem berada dalam kontak dengan reservoir panas luar ( mandi panas ), dan perubahan terjadi perlahan cukup untuk memungkinkan sistem untuk terus-menerus menyesuaikan diri dengan suhu reservoir melalui panas pertukaran.

ADIABATIK
proses adiabatik atau proses isocaloric adalah suatu proses termodinamika di mana tidak adapanas yang ditransfer ke atau dari kerja fluida . Istilah "adiabatik" secara harafiah berarti dilalui, berasal dari akar Yunani ἀ-("tidak"), διὰ-("melalui"), dan βαῖνειν ("untuk melewati"); etimologi ini sesuai di sini untuk tidak adanya perpindahan panas . Sebaliknya, sebuah proses yang melibatkan perpindahan panas (penambahan atau kehilangan panas ke lingkungan) umumnya disebut diabatic.Meskipun istilah adiabatik dan isocaloric sering dapat dipertukarkan, proses adiabatik dapat dianggap sebagai bagian dari proses isocaloric ; sisanya melengkapi subset dari proses isocaloric sedang proses di mana perpindahan panas bersih tidak menyimpang regional seperti dalam kasus ideal dengan medium termal tak terbatas konduktivitas atau kapasitas termal tidak ada.

Termodinamika

Termodinamika

Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam termodinamika kamu akan banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan.

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

Tekanan 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.

Gas 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 atauV₂ < 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

untuk gas diatomik

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 ∆Tadalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

1.  Properti pada keadaan awal diperoleh dari tabel-tabel uap, karena turbin tersebut bersifat isentropik, s₂=s₁ = 7,0757 Kj/kg.K. Dari tabel-tabel uap kita lihat bahw keadaan keluarnya harus berupa uap superheat. Kita melakukan interpolasi untuk memperoleh T₂= 225,2 ⁰C dan h₂= 3422,2. Maka hari hukum pertama untuk volume  kontrol

Wa= h1 – h2 = 4286,4 –3422,2 = 864,2 KJ/kg

Dengan mengabaikan energi kinetik dan energi potensial

W_rev= h₁ – h₂ – T₀( s₁ – ⁰s₂) = 864,2– 645,7 = 218,5 KJ/kg

2.  keadaan masuk dan keluarnya diketahui sebagai berikut

Keadaan masuk 1:T= 95⁰F      P=0,1 Mpa           z= 3,04 km

Keadaan mati 2: T= 95⁰F                        P= 0,1 Mpa          z= 0

3.  keadaan masuk dan keluarnya diketahui sebagai berikut

Keadaan masuk 1: T= 211,9⁰F              2 in³= 32,774      P= 14,7psia

Keadaan mati: T= 211,9⁰F      in³= 24,754          P= 14,7 psia

Ψ= g( v1 – v2) = 9,8 ( 0,01675 – 0,09125 ) = 1,06 btu

4.  kondisi-kondisi masuk ke sebuah turbin uap adiabatik adalah 800 psia dan 700⁰F. Ditempat keluar tekanannya adalah 30 psia dan kualitas uap 93%. Tentukan :

ireversibilitas

usaha reversibel

efisiensi adiabatik dari turbin tersebut

jawab :

=0,692(1,5471-1,9832)-45,5

= 31,8 Btu/lbm

Usaha reversibel

= 1338,0-1066,0

= 272 Btu/lbm

5.  air jenuh memasuki sebuah pompa adiabatik pada 10kPa dan keluar pada 1 Mpa. Jika pompa tersebut memiliki efisiensi adiabatik 95 %, tentukan besarnya :

usaha reversibel

efisiensi hukum keduanya

jawab :

6.  satu proposal mengusulkan penggunaan suatu nozel untuk sebuah turbin angin . udara memasuki nozel adiabatik pada 9 m/s . 300 K dan 120 kPa dan keluar pada 100 m/s dan 100 kPa. Tentukan besarnya :

ireversibilitas

usaha reversibelnya

Jawab :

Usaha ireversibilitas

7. Udara diekspansi melalui sebuah katup adiabatik dari 250 psia dan 450⁰F menjadi 60 psia. Tentukanlah besarnya

usaha reversibel
b. Ireversibilitasnya.

Jawab :

Usaha reversibel

Entropi

Entropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami proses reversibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya dibagi suhu mutlak sistem tersebut (T).  Entropi adalah fungsi keadaan, nilainya pada suatu keadaan setimbang dapat dinyatakan dalam variabel-variabel yang menentukan keadaan sistem. Asas kenaikan entropi dapat dinyatakan bahwa entropi selalu naik pada tiap proses ireversibel. Karena itu dapat dikatakan bahwa entropi dari suatu sistem terisolasi sempurna selalu naik tiap proses ireversibel.

Dalam proses adiabatik, d’Q = 0, dan dalam proses adaibatik ireversibel d’Q_r= 0. Oleh karena itu dalam proses adibatik reversibel, ds = 0 atau ini berarti bahwa entropi S tetap. Proses demikian ini disebut pula sebagai proses insentropik. Jadi:

d’Q_r = 0 dan dS = 0

Dalam proses isotermal reversibel, suhu T tetap, sehingga perubahan entropi

Untuk melaksanakan proses semacam ini maka sistem dihubungkan dengan sebuah reservoir yang suhunya berbeda. Jika arus panas mengalir masuk kedalam sistem, maka Q_r positif dan entropi sistem naik. Jika arus panas keluar dari sistem Q_rnegatif dan entropi sistem turun.

Contoh proses isotermal reversibel ialah perubahan fase pada tekanan tetap. Arus panas yang masuk kedalam sistem per satuan massa atau per mol sama dengan panas transformasi 1, sehingga perubahan entropi jenisnya menjadi :

 Jika dalam suatu proses terdapat arus panas antara sistem dengan lingkungannya secara reversibel, maka pada hakekatnya suhu sistem dan suhu lingkungan adalah sama. Besar arus panas ini yang masuk kedalam sistem atau yang masuk kedalam lingkungan disetiap titik adalah sama, tetapi harus diberi tanda yang berlawanan. Karena itu perubahan entropi lingkungan sama besar tapi berlawanan tanda dengan perubahan  entropi sistem dan jumlahnya menjadi nol. Sebab sistem bersama dengan lingkungannya membentuk dunia, maka boleh dikatakn bahwa entropi dunia adalah tetap. Hendaknya diingat bahwa pernyataan ini berlaku untuk proses reversibel saja.

Keadaan akhir proses irreversibel itu dapat dicapai dengan ekspansi reversibel. Dalam ekspansi semacam ini usaha luar haus dilakukan. Karena tenaga dakhil sistem tetap, maka harus ada arus panas yang mengalir kedalam sistem yang sama besarnya dengan usaha luar tersebut. Entropi dalam gas dal proses reversibel ini naik dan kenaikan ini sama dengan kenaikan dalam proses sebenarnya yang irreversibel, yaitu ekspansi bebas.