MODUL 1

KESETIMBANGAN PARTIKEL DAN MOMEN

PRAKTIKUM FISIKA

Diajukan guna memenuhi tugasMata kuliah praktikum fisika

Oleh :

Harsono Prasetyo

NIM : 111910101097

PROGRAM STRATA 1 TEKNIKJURUSAN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIKUNIVERSITAS JEMBER

2011

PENDAHULUAN

Puji syukur atas kehadirat ALLAH S.W.T atas segala rahmat dan ridhonya

sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini. Sholawat serta salam semoga

tetap tercurahkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW. Sehubungan

dengan pembuatan makalah ini, kami sudah berusaha semaksimal mungkin untuk

membuat makalah ini.Semoga makalah ini bermanfaat bagi kami sendiri maupun

pembaca makalah ini.

PEMBAHASAN

Termodinamika

Sebuah sistem termodinamika

Termodinamika(bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic =

'perubahan') adalah fisikaenergi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses.

Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak

hubungan termodinamika berasal.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran

energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika 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:

o pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

o pembatasrigid: 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.

Keadaan termodinamika

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.

Hukum-hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika,

yaitu:

a) Zeroth hukum - Ini adalah definisi kesetimbangan termodinamika. Ketika

dua sistem yang dimasukkan ke dalam kontak dengan satu sama energi,

lain dan / atau materi akan dipertukarkan antara mereka kecuali mereka

berada dalam kesetimbangan termodinamika. Dengan kata lain, dua

sistem berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan satu sama

lain jika mereka tetap sama setelah dimasukkan ke dalam kontak. Hukum

zeroth asli dinyatakan sebagai Jika A dan B berada dalam kesetimbangan

termodinamika, dan B dan C berada dalam kesetimbangan

termodinamika, maka A dan C juga dalam kesetimbangan

termodinamika.Kesetimbangan termodinamika meliputi kesetimbangan

termal (terkait untuk pertukaran panas dan parameter oleh suhu),

keseimbangan mekanik (berhubungan untuk bekerja pertukaran dan

kekuatan umum parameter seperti tekanan), dan kesetimbangan kimia

(yang terkait dengan hal pertukaran dan parameter dengan potensial

kimia).

b) Hukum 1 Ini adalah hukum konservasi energi. Hal ini dinyatakan dalam

berbagai bentuk alternatif sebagai berikut:

Pekerjaan dipertukarkan dalam proses adiabatik tergantung hanya pada

awal dan keadaan akhir dan bukan pada rincian proses.

Atau

Panas mengalir ke sistem sama dengan peningkatan energi internal

sistem minus kerja yang dilakukan oleh sistem.

Atau

Energi tidak dapat diciptakan, atau dihancurkan, hanya diubah dalam

bentuk.

Pernyataan kedua dapat dinyatakan secara matematis dalam bentuk

Pers. (1)dengan pekerjaan W negatif yang mewakili dilakukan oleh

sistem. Proses adiabatik pada pernyataan pertama mengacu pada sistem

dengan tidak ada transfer panas, yaitu Q = 0.

c)Hukum 2 - Hal ini dapat dinyatakan dalam banyak

cara, yang paling populer yang adalah:

Ini adalah mustahil untuk mendapatkan proses

tersebut bahwa efek unik adalah pengurangan

panas positif dari reservoir dan produksi kerja yang

positif.

atau

Sebuah sistem operasi dalam satu siklus tidak dapat

menghasilkan aliran panas yang positif dari tubuh

lebih dingin ke benda yang lebih panas.

Pernyataan pertama adalah untuk menyingkirkan

un-realistis situasi seperti mengemudi kapal uap di

seberang lautan dengan mengekstraksi panas dari

air, atau untuk menjalankan pembangkit listrik

dengan mengekstraksi panas dari udara sekitarnya.

Pernyataan kedua menyatakan ketidakmungkinan

menjalankan pendinginan tanpa kerja. Bentuk lain

dari negara hukum 2:

Entropi dari suatu sistem yang terisolasi cenderung

tetap konstan atau untuk meningkatkan Ini adalah

dalam bentuk ini bahwa panah waktu didefinisikan..

Gambar 01b menunjukkan entropi berbagai cara

dapat ditambahkan ke sistem.

d) Hukum 3: Hukum ini menjelaskan mengapa sangat sulit untuk sesuatu

yang dingin ke nol mutlak: Semua proses berhenti karena suhu mendekati nol.

Pernyataan ini dinyatakan secara matematis oleh persamaan (4). , yang

menunjukkan bahwa sebagai suhu T mendekati nol jumlah panas yang

diekstraksi dari sistem juga berkurang menjadi nol. Jadi, bahkan

menggunakan laser pendingin tidak akan mampu mencapai suhu nol mutlak.

Terminologi

Termodinamika adalah cabang ilmu pengetahuan yang berhubungan dengan

konversi berbagai bentuk energi dan efek pada keadaan sistem.Ini dikembangkan

di abad ke-19, ketika itu penting praktis yang besar di era mesin uap.Karena

struktur mikroskopis materi tidak diketahui pada waktu itu, hanya dapat resep

pandangan makroskopik. Ini tetap berlaku dan berguna di abad 21 th, tetapi

sekarang kita memahami deskripsi makroskopik seperti ini hanya perilaku rata-

rata dari sebuah koleksi besar konstituen mikroskopis.

Hal ini penting untuk mendefinisikan terminologi sebelum belajar lebih

lanjut tentang subjek:

Panas - Panas (Q) adalah suatu bentuk transfer energi yang berkaitan

dengan gerakan acak dari partikel mikroskopis.

Kerja - Kerja (W) adalah bentuk yang terorganisir transfer energi yang

berkaitan dengan gerakan partikel mikroskopis secara keseluruhan

(dalam arah tertentu), misalnya, gas memperluas yang mendorong

piston.

Energi internal - Energi internal (U) dari sebuah sistem adalah energi total

akibat gerakan molekul, ditambah rotasi, dan getaran dari atom-atom

dalam molekul. Panas dan kerja adalah dua metode untuk menambahkan

atau mengurangi energi untuk energi dari sistem. Mereka mewakili energi

dalam transit dan adalah istilah yang digunakan ketika energi bergerak.

Setelah transfer energi selesai, sistem ini dikatakan telah mengalami

perubahan energi internal d U. Jadi, dalam hal jumlah panas Q dan kerja

d d W:

d U = Q + d d W ---------- (1)

dimana d Q dan W d positif untuk transfer energi dari lingkungan ke

sistem, dan negatif untuk transfer energi dari sistem ke lingkungan. Jika

proses transfer energi dipecah menjadi rincian yang lebih halus, misalnya,

perubahan dalam gangguan (dS), ekspansi volume / kontraksi (dV), dan

menambahkan spesies baru partikel (dN), maka perubahan energi

internal dapat dinyatakan sebagai:

d U = T dS - p dV + dN ---------- (2)

mana adalah potensial kimia .

Energi Bebas - Jumlah energi yang tersedia yang mampu melakukan

pekerjaan.

Suhu - Suhu (T) berhubungan dengan jumlah energi internal dalam suatu

sistem. Seperti banyak panas atau pekerjaan tambah naik suhu, juga

penurunan temperatur sesuai dengan kehilangan panas atau pekerjaan

yang dilakukan dari sistem. Suhu adalah properti intrinsik dari suatu

sistem, artinya tidak tergantung pada ukuran sistem atau jumlah bahan

dalam sistem. Sifat intrinsik lainnya termasuk tekanan dan kepadatan.

Energi internal (U) berhubungan dengan suhu (T) dengan rumus:

U = (3nR / 2) ---------- T (3)

dimana R = 8.314x107 ERG / K o-mol disebut gas konstan.

Tekanan - Tekanan (p) adalah gaya normal terhadap permukaan luas atas

mana hal diberikannya. Mikroskopis, itu adalah transfer momentum dari

partikel yang menghasilkan gaya pada permukaan.

Volume - Volume (V) disebut ruang tiga dimensi yang ditempati oleh

sistem.

Partikel Nomor - nomor Partikel (N) adalah jumlah suatu konstituen

tertentu dalam suatu sistem.

Nomor Avogadro - bilangan Avogadro (N 0) adalah 6,023 x 10 23. Satu mol

didefinisikan sebagai unit yang berisi bahwa banyak jumlah partikel

seperti atom, molekul, atau ion, misalnya, itu adalah jumlah atom

karbon-12 dalam 12 gram zat, atau jumlah proton dalam 1 gram substansi

yang sama, dll

Jumlah Moles - Jumlah mol (n) adalah jumlah partikel dalam unit mol,

yaitu, n = N / N 0.

Kepadatan - Kepadatan ( ) Didefinisikan sebagai massa per satuan

volume.

Entropi - Entropi (S) adalah ukuran ketidakteraturan dalam sistem. Secara

matematis, perubahan entropi dS adalah terkait dengan jumlah

perpindahan panas Q d dengan rumus:

dS = d Q / T atau T = T d dS ---------- (4)

Kimia Potensi - Potensi kimia ( ) Dari suatu sistem termodinamika adalah

perubahan energi dari sistem yang berbeda ketika partikel konstituen

diperkenalkan, dengan entropi dan volume dipertahankan tetap.

Beberapa definisi termodinamika sini seperti suhu, tekanan, dan kepadatan yang

ditentukan di bawah kondisi ekuilibrium.Perubahan dalam variabel-variabel yang

ideal dengan suksesi negara ekuilibrium. Banyak penting biokimia dan fisik

proses (seperti di microfluid, reaksi kimia, lipat

molekul, membran sel, dan ekspansi kosmik )

beroperasi jauh dari ekuilibrium, di mana teori

standar termodinamika tidak berlaku. 01A

Gambar menunjukkan kasus untuk berbagai

jenis teori termodinamika. Kasus 1 adalah untuk

atas semua keseimbangan dalam sistem, yang

dijelaskan oleh termodinamika klasik. Kasus 2

memiliki kesetimbangan lokal di berbagai

daerah. Sebuah teori termodinamika

nonequilibrium (menggunakan konsep aliran

atau fluks) telah dikembangkan untuk situasi

seperti itu. Dalam kasus 3 molekul menjadi

kacau campur aduk sedemikian rupa sehingga

konsep

suhu tidak berlaku lagi. Sebuah teori baru telah

dirumuskan dengan menggunakan satu set baru

variabel dalam skala waktu yang sangat singkat

untuk transformasi. Hukum kedua

termodinamika telah terbukti berlaku untuk

semua kasus.

Entropi

Definisi umum dari

entropi dirumuskan

oleh Boltzmann pada

tahun 1872. Hal ini

dinyatakan dalam

"kasar-kembang kayu

volume" dalam ruang

fase, yang

amalgamates posisi

dan momentum dari

semua partikel dalam

sistem menjadi satu

titik (Gambar 01C).

Peningkatan tanpa

henti menuju entropi

yang lebih tinggi

sampai mencapai

maksimum (yaitu,

dalam keadaan

termal

ekuilibrium) adalah

berkaitan dengan

fakta bahwa evolusi

fase titik lebih

menguntungkan

terhadap volume

"kasar-kembang

kayu" lebih besar

(Gambar 01d).

Rincian lebih lanjut dari definisi dan implikasinya disajikan dalam berikut:

Konfigurasi Space - Ini adalah ruang terdiri dari semua 3-dimensi

koordinat spasial partikel N (N = 4 pada Gambar 01C, diwakili oleh panah

biru) dengan semua sumbu koordinat ortogonal 3N (tegak lurus) untuk

satu sama lain. Sumbu horizontal untuk ruang fase pada Gambar 01C

adalah bantuan visual yang disederhanakan untuk ruang konfigurasi 3N.

Pada 300 o K dan tekanan atmosfir standar 101 kpa, jumlah molekul gas N

dalam sebuah kubus 10 cm akan menjadi sekitar 3x10 22.

Ruang Momentum - Selain posisi partikel, masing-masing membutuhkan

setidaknya tiga nomor untuk menentukan negara, yaitu tiga komponen

momentumnya (panah merah pada Gambar 01C). Serupa dengan ruang

konfigurasi, ruang momentum adalah dibuat oleh sumbu ortogonal 3N

mewakili momentum partikel N. Pada 300 o K dan tekanan atmosfir

standar 101 kpa dan dengan asumsi molekul gas menjadi hidrogen atom

dengan massa m = 1.67x10 -24 gm, kecepatan akar-mean-kuadrat dari

partikel v rms = (3kT / m) 1 / 2 ~ 3x10 4 cm / detik, momentum yang sesuai. p

= mv = rms (2me) 1 / 2 ~ 4.5x10 -20 erg-sec/cm (atau E ~ 10 -16 ERG ~ 6x10 -

5ev). Ukuran ruang momentum bagi setiap partikel dapat diperkirakan

dari berbagai bawah dan di atas nilai rms sehingga probabilitas% sekitar

0,1 arah ujung ekor dikecualikan.

Ruang Fase - Ini adalah kombinasi ortogonal dari ruang konfigurasi dan

momentum memiliki dimensi 6N sama sekali seperti yang ditunjukkan

pada Gambar 01C. Dimensi yang sering disebut sebagai derajat

kebebasan. Para ruang fase W volume:

W = {[ 3N / 2 (2me) 3N / 2 V N] / [(N! (3N / 2)]} ( E / E), dimana

p = (2me) 1 / 2 ( E/2E) adalah rentang momentum,

2 3N / 2 (2me) (3N-1) / 2 berasal dari energi hingga mengintegrasikan E = p 2 /

2m,

V adalah volume ruang yang mengandung partikel,

N! dan (3N / 2) adalah untuk menghilangkan degenerasi terkait dengan

simetri permutasi dari partikel identik. (3N / 2) adalah fungsi Gamma

identik dengan (3N / 2)! jika argumen adalah integer.

Fungsi Partisi - Ini adalah jumlah dari negara mikroskopis dalam cangkang

energi E dari ruang fase. Konstanta Planck h = -27 6.625x10 ERG-detik

dari hubungan ketidakpastian p x ~ h dalam teori kuantum adalah

mudah diambil sebagai unit dasar (ukuran minimum) dari negara

mikroskopis. Dengan demikian fungsi partisi Z hanya:

Z = W / h 3N = {[( 1 / 2 (2me) 1 / 2 V 1 / 3) / h] 3N / [N! (3N / 2)]} ( E / E) ~

{(10 8) 3N / [N! (3N / 2)]} ( E / E)

dimana nilai numerik 10 8 dihitung dari asumsi sebelumnya untuk ukuran

wadah dan hal Ini menunjukkan bahwa jumlah negara mikroskopis yang

tersedia sangat besar di urutan 10 24 bahkan untuk sistem hanya satu

partikel (N = 1).

Entropi - Boltzmann definisi entropi S adalah:

S = k ln (Z)

dimana k = 1.38x10 -16 ERG / o K adalah konstanta Boltzmann. Hal ini

segera jelas bahwa entropi akan meningkat dengan menambahkan #

partikel N, energi E, atau volume V seperti yang ditunjukkan pada gambar

01b (derajat kebebasan internal tidak dipertimbangkan di sini). Karena Z

tergantung pada parameter dalam kekuatan 3N, itu bervariasi dengan

jumlah besar dengan perubahan yang relatif kecil dalam parameter ini.

Kasar-kembang kayu Wilayah - Setiap sub-w ini volume dalam ruang fase

ini ditandai dengan beberapa sifat makroskopik seperti suhu,, warna

kepadatan tekanan,, dll komposisi kimia dengan sejumlah negara

mikroskopis. W sub-volume memiliki sejumlah tetangga naik drastis

dengan dimensi meningkat - biasanya 6 dalam kasus 2 dimensi, 14 dalam

3 dimensi, ... Seperti disebutkan di atas, berbagai sub-w volume

cenderung berbeda dalam ukuran oleh faktor sangatlah besar.

Hukum Kedua Termodinamika - Jalur evolusi fase titik dalam ruang fase

ini ditunjukkan oleh kurva seperti ditunjukkan dalam Gambar 01d .

Meskipun waktu dan karenanya tingkat perubahan tidak ada dalam

gambar, arah evolusi diwakili oleh panah. Jalan ditentukan oleh hukum

fisik seperti persamaan N-tubuh gerak Newton, ia memiliki probabilitas

lebih tinggi dari volume yang lain pindah ke sub-w dengan ukuran yang

lebih besar dan karenanya lebih tinggi entropi - konsepsi dasar dari

Hukum Kedua Termodinamika. Munculnya keacakan adalah manifestasi

dari kenyataan bahwa ada begitu banyak negara mikroskopis yang

berbeda tersedia untuk negara makroskopik yang sama. Sistem mencapai

kesetimbangan termal ketika titik memasuki fase sub-volume terbesar

dan terus berkeliaran di dalamnya. Perhatikan bahwa ada kemungkinan

tertentu pergi ke w lebih kecil, tetapi probabilitas turun cepat dengan

menurunnya sub-ukuran volume.

Sistem

Sebuah sistem termodinamika adalah bagian dari alam semesta yang berada di

bawah pertimbangan.Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan

sistem dari seluruh alam semesta, yang disebut sebagai lingkungan.Sebuah

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas dan arus materi,

energi dan entropi melalui itu.

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara

sistem dan lingkungan:

1. Sistem terisolasi - Ini tidak pertukaran panas, benda atau kerja dengan

lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti

tabung gas terisolasi. Pada kenyataannya, sebuah sistem tidak dapat

terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena selalu ada setidaknya

beberapa kopling sedikit, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan

gravitasi. Gambar 02 menunjukkan esensi dari termodinamika klasik:

Dalam sistem terisolasi dari dunia luar, panas

dalam gas suhu, T 2, akan mengalir dalam waktu, t,

menuju gas suhu, T 1, di mana T 2> T 1 dan T = T 2 - T

1, sehingga E energi total sistem adalah konstan

(melalui hukum pertama termodinamika),

sementara F energi bebas nya menurun, dan naik

entropi nya S (melalui hukum kedua

termodinamika), sampai akhirnya T 0 pada

kesetimbangan.

Gambar 02 Sistem

Terisolasi

Beberapa literatur merujuk sistem yang terisolasi

sebagai sistem tertutup, sementara sistem lain yang

disatukan sebagai sistem terbuka.

2. Sistem Tertutup - Ini pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak

peduli dengan lingkungan. Sebuah rumah kaca adalah contoh dari sistem

tertutup pertukaran panas tetapi tidak bekerja dengan lingkungannya.

Contoh lain adalah mesin panas yang ditunjukkan pada Gambar 03. Hal

ini didefinisikan sebagai perangkat yang mengubah energi panas menjadi

energi mekanik atau lebih tepatnya sistem yang

beroperasi dengan panas saja dan bekerja melintasi

batas-batasnya. Sebagai pekerjaan yang dilakukan

pada gas di dalam ruangan, peningkatan temperatur

dan tekanan dan panas sebagian akan ditransfer

keluar dari sistem. Ketika panas dipindahkan ke

sistem, gas mengembang, itu tidak bekerja pada

lingkungan dan penurunan suhu dan tekanan.

Gambar 03 Sistem

Tertutup

3. Buka System - Hal pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan

lingkungan. Sebuah batas yang memungkinkan pertukaran materi disebut

permeabel. Itu mungkin bagi sistem terbuka untuk mengimpor ketertiban

dan gangguan ekspor, lokal meningkatkan ketertiban. Apa Hukum Kedua

mengatakan bahwa sedemikian gangguan transaksi lebih dari order akan

dibuat. Ini tidak, bagaimanapun, melarang penciptaan kantong

ketertiban. Apa yang terjadi adalah bahwa gangguan di seluruh sistem

akan meningkat meskipun sistem terbuka individu dalam itu bisa menjadi

lebih teratur. Seperti ditunjukkan dalam Gambar 04, dalam sistem

termodinamika terbuka, energi (dalam bentuk radiasi atau materi) dapat

memasuki sistem dari lingkungan luar, sehingga meningkatkan energi

total sistem, E, selama perjalanan waktu, t. Aliran energi tersebut dapat

mengakibatkan peningkatan, penurunan, atau tidak ada perubahan

bersih sama sekali dalam entropi, S, dari sistem. Meskipun demikian,

entropi bersih sistem dan lingkungannya akan

masih meningkat

sesuai dengan kedua

termo-dinamika. Para

laut akan menjadi

contoh dari sistem

terbuka. Contoh lain

yang baik akan

menjadi fotosintesis

pada tanaman seperti

yang ditunjukkan

pada Gambar 05.

Infus energi dan

pertukaran materi

yang terjadi di dalam

kloroplas yang

dihasilkan dalam

produksi glukosa,

yang dalam tingkat

energi yang lebih

tinggi. Sistem menjadi

nonequilibrium dan

akan membusuk ke

bentuk lebih stabil

dalam jangka panjang.

Gambar 04 Sistem

Buka

Amerika

Sebuah konsep kunci dalam termodinamika adalah keadaan sistem.Sebuah

negara terdiri dari semua informasi yang dibutuhkan untuk benar-benar

menggambarkan suatu sistem pada waktu instan.Ketika sebuah sistem berada

dalam kesetimbangan di bawah seperangkat kondisi tertentu, dikatakan berada

dalam keadaan tertentu. Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat

sistem (seperti T, p, dan ) Memiliki nilai tertentu yang sesuai untuk menyatakan

bahwa. Nilai sifat ini merupakan fungsi dari keadaan sistem. Jumlah properti

yang harus ditentukan untuk menggambarkan keadaan dari sistem tertentu

(jumlah derajat kebebasan) yang diberikan oleh aturan fase Gibbs:

f = c - p + 2 ---------- (5a)

dimana f adalah jumlah derajat kebebasan, c adalah jumlah komponen dalam

sistem, dan p adalah jumlah fase dalam sistem. Komponen menunjukkan jenis

spesies yang berbeda dalam sistem.Tahap berarti sistem dengan komposisi kimia

yang seragam dan sifat fisik.

Sebagai contoh, aturan fase menunjukkan bahwa sistem komponen tunggal (c =

1) dengan hanya satu fase (p = 1), seperti air cair, memiliki 2 derajat kebebasan (f

= 1 - 1 + 2 = 2). Untuk kasus ini derajat kebebasan sesuai dengan temperatur dan

tekanan, menunjukkan bahwa sistem dapat ada dalam kesetimbangan untuk

setiap kombinasi sewenang-wenang dari suhu dan tekanan. Namun, jika kita

membiarkan pembentukan fasa gas (maka p = 2), hanya ada 1 derajat

kebebasan. Ini berarti bahwa pada temperatur tertentu, air dalam fase gas akan

menguap atau berkondensasi hingga air kesetimbangan tekanan uap yang sesuai

tercapai. Hal ini tidak mungkin lagi untuk sewenang-wenang memperbaiki kedua

suhu dan tekanan, karena sistem akan cenderung bergerak ke arah tekanan uap

keseimbangan. Untuk komponen tunggal dengan tiga fase (p = 3 - gas, cair, dan

padat) tidak ada derajat kebebasan. Sistem seperti ini hanya mungkin dilakukan

pada suhu dan tekanan sesuai dengan titik triple.Salah satu tujuan utama dari

Termodinamika adalah memahami hubungan antara sifat-sifat berbagai negara

dari suatu sistem.Persamaan negara adalah contoh dari beberapa hubungan ini.

Hukum yang ideal gas:

pV = nRT ---------- (5b)

adalah salah satu persamaan sederhana negara. Meskipun cukup akurat untuk

gas pada tekanan rendah dan suhu tinggi, menjadi semakin tidak akurat jauh dari

kondisi ideal. Hukum gas ideal dapat diturunkan dengan mengasumsikan bahwa

gas terdiri dari sejumlah besar molekul kecil, dengan tidak ada gaya tarik menarik

atau menjijikkan. Dalam molekul gas kenyataannya tidak berinteraksi dengan

gaya tarik menarik dan menjijikkan. Bahkan itu adalah kekuatan-kekuatan yang

mengakibatkan pembentukan cairan. Dengan mengambil ke dalam rekening

daya tarik antara molekul dan ukuran terbatas mereka (total volume gas diwakili

oleh persegi merah pada Gambar 06), persamaan yang lebih realistis untuk gas

riil dikenal sebagai persamaan van der Waals berasal perjalanan kembali pada

tahun 1873:

(P + an2 / V 2) (V - nb) = nRT ---------- (5c)

Hal ini jelas bahwa dengan meningkatkan kemudahan pencairan gas, hal ini

diharapkan jika itu adalah ukuran dari daya tarik antara molekul.Pada volume

besar dan tekanan rendah, istilah koreksi baik dalam persamaan van der Waals

dapat diabaikan, dan Pers. (5c) dikurangi dengan Pers. (5b). Gambar 06 adalah

plot dari pV untuk sampel H 2, N 2 CO 2 gas versus tekanan gas-gas. Ini

menunjukkan penyimpangan dari hukum gas ideal sebagai meningkatkan

tekanan.

Proses termodinamika

Proses termodinamika adalah cara untuk mengubah satu atau lebih sifat dalam

suatu sistem yang mengakibatkan perubahan keadaan sistem. Berikut ini

merangkum beberapa proses yang lebih umum:

Proses adiabatik - Ini adalah proses yang terjadi sedemikian rupa sehingga

tidak panas memasuki atau meninggalkan sistem. Perubahan tersebut

dapat dicapai baik oleh sekitar sistem dengan lapisan tebal bahan isolasi

panas atau dengan melakukan proses dengan cepat. Aliran panas adalah

proses yang cukup lambat; sehingga proses apapun yang dilakukan cukup

cepat akan praktis adiabatik. Fase kompresi dan ekspansi dari mesin

bensin adalah contoh dari proses sekitar adiabatik.

Proses Isochoric - Jika suatu sistem mengalami perubahan di mana

volume tetap konstan, proses ini disebut isochoric. Ledakan uap bensin

dan udara di mesin bensin dapat diperlakukan seolah-olah tambahan

isochorie panas

Proses isobarik - Sebuah proses berlangsung pada tekanan konstan

adalah panggilan proses isobarik. Ketika air masuk boiler dari mesin uap

dan dipanaskan sampai titik didihnya, menguap, dan kemudian uap

superheated, semua proses ini berlangsung isobarically.

Proses isotermal - proses isotermal perubahan sistem perlahan-lahan

sehingga ada cukup waktu untuk aliran panas untuk mempertahankan

suhu konstan. Perubahan yang lambat adalah proses reversibel, karena

pada setiap instan sistem dalam konfigurasi yang paling mungkin. Secara

umum, proses akan reversibel jika:

1. itu dilakukan quasistatically (lambat);

2. tidak disertai dengan efek disipatif, seperti turbulensi, gesekan,

atau hambatan listrik.

Proses isentropik - Jika perubahan lambat dicapai dalam wadah terisolasi,

tidak ada aliran panas. Menurut

Eq. (4) juga tidak ada perubahan entropi. Dengan demikian, proses

adiabatik reversibel adalah isentropik.

Proses ireversibel - Proses ini tidak dapat diubah karena efek disipatif

(seperti turbulensi, gesekan, atau hambatan listrik), untuk kemudian

bekerja ekstra harus disediakan untuk mengatasi disipasi.

Kerja dan Mesin

Fitur mendominasi masyarakat industri adalah kemampuannya untuk

memanfaatkan sumber energi lain selain otot-otot manusia atau binatang.

Kebanyakan pasokan energi dalam bentuk bahan bakar seperti batubara atau

minyak, di mana energi disimpan sebagai energi internal. Proses pembakaran

melepaskan erergy internal dan mengkonversi ke panas. Dalam bentuk ini energi

dapat digunakan untuk pemanasan, memasak, ... dll Tapi untuk mengoperasikan

mesin, atau untuk menggerakkan kendaraan atau proyektil, panas harus

dikonversi ke energi mekanik, dan salah satu masalah insinyur mekanik untuk

melaksanakan konversi ini dengan efisiensi maksimal.

Transformasi energi dalam mesin panas mudah diwakili oleh diagram skematik

aliran dalam Gambar 07. Mesin sendiri diwakili oleh lingkaran. Panas Q 2 dipasok

ke mesin adalah sebanding dengan penampang dari "pipa" yang masuk di bagian

atas diagram. Penampang pipa keluar di bagian bawah adalah proporsional

dengan bagian panas, Q 1, yang ditolak sebagai panas di knalpot.Garis cabang ke

kanan menyatakan bahwa sebagian dari panas yang disediakan, yang

mengkonversi mesin untuk bekerja mekanik. Para Eff efisiensi termal (%)

dinyatakan dengan rumus:

Eff (%) = W / Q2 = (Q2 - Q1) / T2 ---------- (6)

Siklus mesin panas

yang paling efisien

adalah siklus

Carnot, yang terdiri

dari dua proses

isotermal dan dua

proses adiabatik

(lihat Gambar 08).

Siklus Carnot dapat

dianggap sebagai

siklus mesin panas

yang paling efisien

diperbolehkan oleh

hukum fisik. Ketika

hukum kedua

termodinamika

menyatakan

bahwa panas tidak

semua disediakan

dalam mesin panas

dapat digunakan

untuk melakukan

pekerjaan, efisiensi

Carnot set nilai

membatasi pada

sebagian kecil dari

panas yang bisa

begitu digunakan.

Dalam rangka

pendekatan

efisiensi Carnot,

proses yang

terlibat dalam

siklus mesin panas

Gambar 07 Mesin

Panas

Gambar 08 Siklus Carnot Mesin

harus reversibel

dan tidak

melibatkan

perubahan entropi.

Ini berarti bahwa

siklus Carnot

adalah sebuah

idealisasi, karena

tidak ada proses

mesin sebenarnya

adalah reversibel

dan semua proses

fisik yang nyata

melibatkan

beberapa

peningkatan

entropi.

Diagram pV

untuk kasus-

kasus yang lebih

realistis

diperlihatkan

pada Gambar

09, 10, dan 11

untuk bensin,

solar, dan mesin

uap masing-

masing.

Sementara

mesin bensin

dan diesel

beroperasi pada

sekitar 50%

efisiensi, mesin

uap berjalan

pada hanya

sekitar 30%.

Sebuah

deskripsi singkat

dari proses

dapat

ditemukan

dalam masing-

masing diagram.

Gambar 09 Mesin

Bensi

Gambar 10

Mesin Diesel

Koneksi ke View mikroskopis

Cabang fisika yang dikenal sebagai mekanika statistik (atau teori kinetik gas)

mencoba untuk berhubungan dengan sifat makroskopik dari perakitan partikel

terhadap sifat mikroskopik dari partikel itu sendiri.Mekanika statistik, seperti

namanya tidak peduli dengan gerakan aktual atau interaksi dari partikel individu,

tetapi perilaku mereka menyelidiki bukannya yang paling mungkin.Keadaan

sistem partikel klasik sepenuhnya ditentukan pada suatu saat tertentu jika r

posisi dan kecepatan v dari masing-masing partikel penyusunnya dikenal.Jumlah

partikel menempati sel yang sangat kecil dalam ruang faser dan v ditentukan

oleh fungsi distribusi f (r, v, t), dimana t adalah waktu.Fungsi distribusi biasanya

dilestarikan kecuali dari efek tabrakan. Dengan demikian, rumus paling umum

untuk evolusi dari fungsi distribusi dapat dinyatakan sebagai:

di mana indeks pasangan (dalam subscript dan superscript) menunjukkan jumlah

lebih dari i = 1, 2, 3, sebuahi adalah percepatan berkaitan dengan gaya pada

partikel, dan sisi kanan persamaan merupakan efek dari tabrakan.Ini dikenal

sebagai persamaan Boltzmann. Hal ini sangat berguna sebagai alat matematika

dalam mengobati proses aliran fluida. Dengan mengalikan fungsi distribusi

dengan kekuatan dari kecepatan, misalnya, v 0, v 1, dan v 2,persamaan kontinuitas,

persamaan Navier-Stokes, dan konservasi energimasing-masing dalam dinamika

fluida dapat diturunkan langsung dari Persamaan. (7 ) dengan mengambil rata-

rata dalam ruang kecepatan. Dengan demikian, kepadatan didefinisikan oleh:

(X i, t) = f (x i, v i, t) d 3 vi

dan setiap jumlah rata-rata seperti kecepatan fluida u i adalah diberikan oleh:

ui (x i, t) = ( f (x i, v i, t) v i v i d 3) /

Solusi analitis dari persamaan Boltzmann yang

mungkin hanya di bawah asumsi yang sangat

ketat. Metode numerik untuk simulasi komputer

langsung telah dibatasi oleh kompleksitas dari

persamaan, yang dalam 3-D yang lengkap

tergantung waktu membutuhkan tujuh variabel

bentuk independen untuk waktu, ruang dan

kecepatan. Sebuah animasi 2-dimensi dari proses

aliran disajikan dengan mengklik Gambar 12. Ini

menunjukkan perkembangan gumpalan molekul

gas awalnya dirilis dari kiri. Aliran partikel ke

kanan, yang dicerminkan oleh dinding di ujung

yang lain, kemudian mendirikan konfigurasi

ekuilibrium setelah beberapa 4000 tabrakan

antara partikel.

Gambar 12 Simulasi

Persamaan Boltzmann

Mengingat kasus yang paling sederhana ketika gaya pada partikel dimatikan

seketika. . Jika distribusi adalah ruang-independen, maka Persamaan (7)

dikurangi menjadi:

---------- (8)

Istilah benturan pada sisi kanan dari Pers. (7) diganti dengan istilah

fenomenologis dalam Persamaan (8),.Mana adalah waktu relaksasi - sebuah

peluruhan karakteristik konstan untuk kembali ke keadaan ekuilibrium, dan f 0

adalah distribusi kesetimbangan. Solusi untuk persamaan ini adalah:

f = f ie-t / + F 0 (1 - e-t / ) ---------- (9)

dimana f i adalah distribusi awal. Hal ini menunjukkan bahwa pendekatan f f 0,

dan istilah tabrakan menghilang untuk waktu t>> .

Dalam kesetimbangan termodinamika fungsi distribusi f 0 tidak berubah dengan

waktu, hal itu dapat dinyatakan dalam bentuk:

---------- (10)

di mana kepadatan dan suhu dapat menjadi fungsi dari r pada umumnya, dan v 0

adalah kecepatan gas bergerak secara keseluruhan.

Dalam kasus khusus ketika tidak ada kekuatan eksternal seperti gravitasi atau

interaksi elektrostatik, kepadatan dan temperatur yang konstan, dengan v 0 = 0,

dan dengan menjumlahkan seluruh ruang 3-D, Persamaan (10) menjadi:

---------- (11)

yang disebut distribusi Maxwell-Boltzmann, di mana N adalah jumlah total

partikel. Hal ini sebenarnya formula tentang distribusi energi kinetik E = mv 2 / 2

di antara partikel.

Ada tiga macam fungsi distribusi energi tergantung pada apakah diperlakukan

sebagai partikel klasik atau kuantum.Dalam teori kuantum, paket gelombang

tumpang tindih ketika partikel datang bersama-sama, adalah mustahil untuk

membedakan identitas mereka.Dengan demikian, hasil dalam perilaku yang

berbeda dalam statistik kuantum.Modifikasi lebih lanjut disebabkan oleh prinsip

pengecualian , yang memungkinkan hanya satu fermion dalam keadaan tertentu.

Hal ini berkaitan dengan fakta bahwa fungsi gelombang dua-partikel adalah anti-

simetris untuk fermion, misalnya, , Di mana a dan

b menunjukkan dua keadaan kuantum yang berbeda. Mereka tidak bisa sama,

karena fungsi gelombang dan karenanya probabilitas kejadian tersebut menjadi

nol. Di sisi lain dua boson fungsi gelombang adalah simetris, misalnya,

; Fungsi gelombang tidak hilang ketika b. = Jadi

boson dapat menempati negara yang sama. Gambar 13 menunjukkan formula

dan grafik untuk setiap distribusi, di mana A = e adalah konstanta normalisasi.

Distribusi klasik dan Bose-Einstein adalah serupa kecuali bila kT>> E. Dekat nol

mutlak

suhu, sebagian besar boson menempati

keadaan yang sama dengan E ~ 0. Ini adalah

Bose-Einstein kondensat pertama kali

ditemukan pada tahun 1995. Contoh lain dari

Bose-Einstein distribusi adalah radiasi benda

hitam .Dalam distribusi Fermi-Dirac,

normalisasi konstanta A dapat didefinisikan

ulang sebagai A = e-E f, di mana E f adalah

dikenal sebagai energi Fermi, yang memiliki

nilai dari beberapa ev untuk gas elektron

dalam logam banyak. Perhatikan bahwa f (E) =

1 / 2 di E = E f untuk semua suhu. Pada suhu

rendah sebagian besar negara energi rendah

dengan

E <E f diisi. Pada suhu tinggi dengan kT>> (E - E

f), distribusi fungsi

Gambar 13 Fungsi Distribusi

menjadi f (E) ~ (1 / 2) (1 - (E - E f) / 2kT). Jadi

dalam hal ini, negara-negara energi dengan

E <E f lebih dari setengah-pengisi, sedangkan

untuk E> E f mereka kurang dari setengah

penuh.

Dalam statistik klasik, distribusi kecepatan dari

gas ideal adalah diberikan oleh distribusi

Maxwell seperti yang ditunjukkan pada Gambar

14. Sebuah hubungan antara v akar-mean-

kuadrat kecepatan rms dan suhu T dapat

diturunkan dari fungsi distribusi seperti:

rms mv 2 = 3 k T atau M v rms2 = 3 RT ---------- (12)

di mana m menunjukkan massa molekul, M =

mN 0 adalah berat molekul / mol, N 0 adalah

angka Avogadro, dan k = R / N 0 = 1.38x10 -16

ERG / K o adalah konstanta Boltzmann.

Gambar 14 Distribusi

Maxwell

Rumus dalam Pers. (12) menyediakan link

antara akar-mean-kuadrat kecepatan v rms

mikroskopis partikel dan properti T.

makroskopik

Kriteria untuk mengadopsi statistik kuantum atau klasik untuk sistem tergantung

pada nilai dari "Broglie panjang gelombang de Termal". Awalnya, panjang

gelombang de Broglie = H / p didefinisikan untuk satu partikel dengan

momentum p = mv (h adalah konstanta Planck). Ini telah umum untuk suatu

agregat dari partikel gas dalam gas ideal pada suhu tertentu T. The "Thermal

panjang gelombang de Broglie" berasal dengan menggantikan Pers. (12) untuk

panjang gelombang de Broglie (dengan v = v rms), yang menghasilkan :

= H / (3mkT) 1 / 2 ---------- (13)

Sekarang kita dapat mengambil jarak antar-partikel rata-rata dalam gas menjadi

sekitar (V / N) 1 / 3 di mana V adalah volume dan N adalah jumlah partikel.Ketika

panjang gelombang de Broglie termal jauh lebih kecil dari jarak antar-partikel,

gas dapat dianggap sebagai gas klasik atau Maxwell-Boltzmann. Di sisi lain, ketika

de Broglie panjang gelombang termal pada urutan, atau lebih besar dari jarak

antar-partikel, efek kuantum akan mendominasi dan gas harus diperlakukan

sebagai gas Fermi atau gas Bose, tergantung pada sifat partikel gas. Ini mengikuti

sebagai konsekuensi bahwa partikel masif dalam sistem panas tidak harus

berperilaku kuantum mekanis.

Kriteria lain adalah untuk menentukan apakah akan menggunakan

termodinamika (deskripsi makroskopik) atau mekanika statistik (dengan

pertimbangan mikroskopis). K Nomor Knudsen digunakan untuk membuat

seleksi. Ini adalah rasio dari molekul Maksudku jalan panjang bebas untuk L

panjang skala perwakilan fisik, yaitu, K = l / L. Masalah dengan angka Knudsen

pada atau di atas kesatuan, yakni, panjang berarti jalan bebas; harus dievaluasi

menggunakan mekanika statistik untuk solusi handal. Sistem padat dengan K <1

dapat diperlakukan sebagai kontinum.

Mean free path (Gambar 15) dapat dinyatakan

secara matematis sebagai:

l = 1 / nA = (l1 + l2 + 3 + ... l + lN) / N ---------- (14)

dimana n adalah jumlah kepadatan, A adalah

penampang tabrakan, li adalah panjang jalur antara

tabrakan, yaitu, panjang jalan bebas, dan N adalah

jumlah total dari tabrakan. Konsep mean free path

dapat digambarkan dengan memikirkan seorang pria

menembak senapan tanpa tujuan ke hutan.

Sebagian besar peluru akan memukul pohon, tetapi

beberapa peluru akan perjalanan lebih jauh

daripada yang lain.Pada

Gambar 15 Rata-rata

Jalan Gratis

jarak rata-rata yang ditempuh oleh peluru akan

tergantung terbalik di kedua padatnya dari hutan

dan ukuran pohon.

PENUTUP

Demikian makalah yang kami buat, semoga makalah ini bermanfaat bagi

semua orang khususnya yang membaca.Apabila ada kekurangan dan kesalahan

kami mohon maaf.

Terima kasih.