Pembuktian Rumus Usaha dan Kecepatan Sudut

W =F.s
agar  berkaitan dengan usaha dapat diinterpresikan dengan
K = ½ mV²
maka
W =∫ F.dr =∫ m dv/di.dr
= ∫ mdv.V = ∫ ½ md(V²)
= ½ mV² - ½ mV²
= Kb - Ka (Usaha A - B)
Pada persamaan tersebut, F adalah gaya resultan yang bekerja pada benda, seperti Hukum Newton II, F = mdv/dt persamaan di atas menunjukan bahwa usaha gaya resultan (dari lingkungan pada benda) sama dengan perubahan Energi kinektik benda.

Maaf kalau ada kesalahan dalam penulisan nya.

Mohon di komentari untuk bertujuan membangun agar lebih baik..

Konsep-Konsep Dasar

1. Kalor, Kerja, Energi

Kerja adalah suatu bentuk energi yang menghasilkan gerakan yang melawan gaya penahan.

Dari mekanika: kerja = gaya x perpindahan

Contoh lain:

·        kerja = tegangan permukaan x perubahan luas

·        kerja = beda potensial x muatan yang dipindahkan

·        kerja = tekanan x perubahan volume

·        kerja = …

Kalor (q) adalah suatu bentuk energi yang dipindahkan akibat perbedaan suhu.

Energi adalah kemampuan untuk melakukan kerja.

Jika kalor didefinisikan sebelum kerja, maka kerja dapat didefinisikan sebagai: suatu bentuk energi yang berpindah selain kalor.

Tafsiran molekul terhadap kalor dan kerja:

Energi dalam bentuk kalor dipindahkan dalam bentuk transfer energi dari partikel ke partikel. Benda bersuhu tinggi akan memiliki partikel-partikel yang bergerak dengan energi yang tinggi.

Energi dalam bentuk kerja dipindahkan dalam bentuk “gerak berjamaah”.

2. Sistem, Lingkungan, dan Dinding

Sistem: bagian dari alam yang merupakan pusat perhatian kita.

Lingkungan: bagian dari alam yang berada di luar sistem.

Dinding: pembatas (nyata atau khayal) antara sistem dan lingkungan.

Perubahan eksoterm dan endoterm: …

Macam-macam sistem: sistem tertutup, terbuka, tersekat, terisolasi

·        Sistem tertutup:  tak ada perpindahan materi antara sistem dan ..

·        Sistem terbuka: ada …

·        Sistem tersekat: sistem tertutup yang tak memungkinkan perpindahan kalor (tapi masih memungkinkan terjadinya kerja)

·        Sistem terisolasi: sistem tertutup yang tak memungkinkan perpindahan energi (kalor dan kerja).

Macam-macam dinding: dinding diatermal, dinding adiatermal

Konvensi: q > 0 jika kalor berpindah dari lingkungan ke sistem

w >0 jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem

3. Energi Dalam (U)

Energi dalam adalah energi total yang dimiliki sistem. Energi dalam bisa berubah dengan pemanasan/pendinginan, keluar-masuknya kerja, keluar-masuknya materi.

Dalam termodinamika, seringkali dianggap tak penting untuk mengetahui energi dalam suatu sistem. Lebih penting untuk mengetahui perubahan energi dalam (DU).

Tafsiran molekul terhadap energi dalam sistem:

Energi dalam tersusun atas energi kinetik (translasi, rotasi, vibrasi) molekul/atom dan energi potensial (vibrasi, gravitasi, interaksi partikel [ikatan kimia, gaya dispersi London, gaya tarik elektrostatik, dll.]).

Terdapat prinsip ekipartisi energi, yang menjelaskan sumbangan setiap komponen dalam energi molekul terhadap energi keseluruhan. Setiap komponen menyumbang sebesar ½ kT secara rata-rata terhadap energi keseluruhan.

Contoh (pada suhu tinggi):

He      sumbangan terhadap energi dalam = 3/2 NkT

          (dari gerak translasi arah X Y dan Z)

H₂      sumbangan terhadap energi dalam = 3/2 NkT + N kT + N kT

          (translasi + rotasi + vibrasi)

CO₂    sumbangan terhadap energi dalam = 3/2 NkT + N kT + 4 N kT

H₂O    sumbangan terhadap energi dalam = 3/2 NkT + 3/2 NkT + 3 N kT

4. Kesetimbangan, Kestabilan dan Keadaan Mantap

Sistem disebut berada dalam keadaan setimbang jika tak ada (lagi) perubahan besaran makroskopik yang terjadi dan tak ada aliran netto energi atau materi. 

Besaran-besaran makroskopik: suhu, volume, tekanan, konsentrasi, laju gerak sistem, energi dalam, massa, dll.

Kalau tak terpenuhi syarat kedua, bisa dikatakan sistem berada dalam keadaan mantap (steady state).

Sistem disebut berada dalam keadaan stabil jika sistem cenderung untuk kembali ke keadaan setimbang semula jika diberi gangguan sesaat terhadap sistem. Lawannya stabil: labil. Jadi bisa dikatakan terdapat keadaan setimbang stabil dan setimbang labil.

Macam-macam kesetimbangan: (1) setimbang termal, (2) setimbang mekanik, (3) setimbang materi: (3.1) setimbang fase, (3.2) setimbang kimia.

5. Besaran Intensif, Besaran Ekstensif, dan Fungsi Keadaan

Besaran intensif: besaran yang tak bergantung pada ukuran sistem ATAU: besaran yang nilainya sama untuk sistem homogen dan sub-sistemnya.

Contoh: rapat massa atau massa jenis, suhu, kalor jenis, tekanan, konsentrasi

Besaran ekstensif:

Contoh: massa, volume, jumlah zat, energi dalam

6. Keadaan, Perubahan, Persamaan Keadaan, dan Derajat Bebas

Keadaan. Dua sistem dikatakan berada pada keadaan yang sama jika keduanya dapat digambarkan dengan seperangkat nilai besaran makroskopik (intensif) yang sama.

Persamaan keadaan: persamaan yang menghubungkan besaran-besaran intensif yang menggambarkan keadaan sistem

Perubahan ..

Macam-macam perubahan:

·        Perubahan isoterm

·        Perubahan isokhor

·        Perubahan isobar

·        Perubahan adiabatik: perubahan yang tak menyebabkan terjadinya aliran kalor dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya

·        Perubahan reversibel: perubahan yang setiap tahap (kecil)nya dapat dianggap berada dalam keadaan setimbang ATAU perubahan yang dapat dibalikkan arahnya dengan perubahan lingkungan yang (amat) kecil

·        Perubahan ireversibel: sebaliknya  

Beberapa tafsiran molekul terhadap perubahan terhadap gas

a)       Ekspansi adiabatik: Dengan nalar makroskopik, sistem melakukan kerja, sehingga energi sistem berkurang. Pengurangan energi sistem  teramati dalam bentuk turunnya suhu. Dengan nalar dunia atom, ekspansi menyebabkan terjadinya pantulan partikel pada bidang yang menjauh, sehingga energi kinetik setelah memantul akan turun, yang menyebabkan turunnya suhu.

b)       Kompresi adiabatik: Dengan nalar makroskopik, sistem menerima kerja, sehingga energi sistem bertambah. Penambahan energi sistem  teramati dalam bentuk naiknya suhu. Dengan nalar dunia atom, kompresi menyebabkan terjadinya pantulan partikel pada bidang yang mendekat, sehingga energi kinetik setelah memantul akan naik, yang menyebabkan naiknya suhu.

c)       Ekspansi isoterm: Penjelasan lihat pada ekspansi adiabatik, tapi penurunan suhu tak terjadi karena adanya kalor yang masuk dari lingkungan. 

d)       Kompresi isoterm: Penjelasan lihat pada kompresi adiabatik, tapi kenaikan suhu tak terjadi karena adanya kesetimbangan termal dengan lingkungannya yang menyebabkan kalor keluar 

Derajat bebas: jumlah besaran (intensif) makroskopik yang dapat diatur nilainya secara bebas untuk mengatur keadaan sistem

Jumlah besaran intensif minimum yang diperlukan untuk menggambarkan keadaan sistem

7. Gas Ideal dan Gas Nyata

Gas ideal adalah gas yang memenuhi: 

Gas ideal adalah gas yang tak berubah energi dalamnya akibat perubahan volume asalkan suhunya dipertahankan tetap.

® energi dalam gas ideal (pada sistem tertutup) hanya bergantung pada  suhu.

Gas nyata adalah …

Tafsiran dunia atom terhadap gas ideal:

Sebelum kita menafsirkan gas ideal berdasarkan perilaku molekul atau atom, kita ingat kembali teori kinetik gas ideal:

·        Partikel-partikel gas ideal bergerak lurus di antara 2 tumbukan, dengan kecepatan tetap

·        Tumbukan antar partikel dan antara partikel dengan dinding wadah bersifat lenting sempurna

·        Volume partikel dianggap nol

·        Tak ada gaya tarik (atau gaya tolak) antar partikel gas (kecuali saat tumbukan)

·        Gerak partikel gas memenuhi hukum mekanika klasik

Untuk menyederhanakan, kita bayangkan sistem gas helium. Energi dalam sistem dari sudut pandang atom, terdiri atas energi kinetik total atom-atom helium dan energi potensial interaksi antar atom-atom helium. Prinsip yang kita gunakan: energi kinetik (translasi) rata-rata partikel gas = .

Dengan asumsi ada-tidaknya gaya tarik antar atom-atom helium, bisa kita bahas dua “skenario”:

a)       Ada gaya tarik antar atom-atom helium. Jika volume diperbesar pada suhu tetap, maka energi kinetik partikel secara rata-rata tetap dan energi potensial interaksi antar-partikel secara rata-rata naik  ® energi dalam sistem naik

b)       Tidak ada gaya tarik antar-atom helium. Jika volume diperbesar pada suhu tetap, maka energi kinetik partikel secara rata-rata tetap dan energi potensial interaksi antar-partikel secara rata-rata tetap ® energi dalam tetap