Termodinamika

AP Fisika 2 · Topik 9

Lihat Salindia Latih

Pelajaran video untuk topik ini Buka halaman video

9.1

Teori Kinetik Suhu dan Tekanan

Silabus

Tujuan Pembelajaran 9.1.A: Jelaskan tekanan yang diberikan gas pada wadahnya berdasarkan gerakan atom di dalam gas tersebut.

9.1.A.1 Atom-atom dalam gas bertumbukan dengan dan memberikan gaya pada atom lain dalam gas serta pada wadah tempat gas berada.
- 9.1.A.1.i Tumbukan yang melibatkan pasangan atom atau satu atom dengan objek tetap dapat dideskripsikan dan dianalisis menggunakan prinsip kekekalan momentum.
- 9.1.A.1.ii Tekanan yang diberikan gas pada suatu permukaan adalah rasio dari jumlah besar komponen tegak lurus dari gaya-gaya yang diberikan atom-atom gas pada permukaan terhadap luas permukaan tersebut.
  - Persamaan: $P = \dfrac{F_{\perp}}{A}$
- 9.1.A.1.iii Tekanan ada di seluruh gas itu sendiri, bukan hanya di batas antara gas dan wadah.

Tujuan Pembelajaran 9.1.B: Jelaskan suhu suatu sistem berdasarkan gerakan atom di dalam sistem tersebut.

9.1.B.1 Suhu suatu sistem dikarakterisasi oleh energi kinetik rata-rata atom-atom di dalam sistem tersebut.
- 9.1.B.1.i Distribusi Maxwell–Boltzmann menyediakan representasi grafis dari energi dan kecepatan atom pada suhu tertentu.
- 9.1.B.1.ii Kecepatan kuadrat-tengah-kuadrat (root-mean-square speed) yang sesuai dengan energi kinetik rata-rata untuk gas ideal terkait dengan suhu gas melalui
  - Persamaan: $K_{\text{avg}} = \dfrac{3}{2} k_B T = \dfrac{1}{2} m v_{\text{rms}}^2$

Pernyataan Batasan: AP Fisika 2 hanya mengharapkan siswa melakukan analisis kualitatif dan kuantitatif tumbukan dalam satu dan dua dimensi. Siswa tidak diharapkan mengetahui bentuk fungsi distribusi Maxwell-Boltzmann, tetapi diharapkan memahami bagaimana fitur-fitur distribusi tersebut berkaitan dengan suhu gas.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Teori kinetik: tekanan gas

Termodinamika mempelajari panas dan energi dalam kumpulan partikel yang besar. Teori kinetik menjelaskan perilaku gas dari gerakan acak molekul-molekulnya:

Asumsi kunci teori kinetik gas ideal — Anggapan utama teori kinetik gas ideal

Suhu adalah ukuran energi kinetik rata-rata molekul: $K_{\text{avg}}=\tfrac{3}{2}k_B T$ (dengan $T$ dalam kelvin). Lebih panas berarti molekul bergerak lebih cepat.
Tekanan berasal dari molekul yang bertabrakan dengan dinding wadah – tabrakan yang lebih sering atau lebih keras menghasilkan tekanan lebih tinggi.

Distribusi kecepatan Maxwell-Boltzmann bergeser ke kanan dan memipih pada suhu lebih tinggi — Distribusi kecepatan Maxwell-Boltzmann bergeser ke kanan dan meluas pada suhu yang lebih tinggi

Contoh terpecahkan. Temukan energi kinetik rata-rata molekul gas pada $300\ \text{K}$, menggunakan $k_B=1.38\times10^{-23}\ \text{J/K}$:

$$K_{\text{avg}}=\tfrac32 k_B T=1.5\times1.38\times10^{-23}\times300=6.2\times10^{-21}\ \text{J}.$$

Ini hanya bergantung pada suhu, bukan jenis gas – pada $T$ yang sama, molekul ringan dan berat memiliki energi kinetik rata-rata yang sama (sehingga yang ringan bergerak lebih cepat).

Jelajahi

Jelajahi penyebaran kecepatan molekul

Naikkan suhu dan saksikan seluruh distribusi kecepatan bergeser ke kanan dan memipih — partikel bergerak lebih cepat rata-rata, yang persis seperti yang dimaksud oleh $\bar K = \tfrac{3}{2} k_B T$.

Tonton pelajaran

9.2

Hukum Gas Ideal

Silabus

Tujuan Pembelajaran 9.2.A: Jelaskan sifat-sifat gas ideal.

9.2.A.1 Model klasik gas ideal mengasumsikan bahwa kecepatan sesaat atom bersifat acak, volume atom dapat diabaikan dibandingkan dengan total volume yang ditempati gas, atom bertumbukan secara elastis, dan satu-satunya gaya yang signifikan pada atom adalah gaya yang terjadi selama tumbukan.
9.2.A.2 Gas ideal adalah gas di mana hubungan antara tekanan, volume, jumlah mol atau jumlah atom, dan suhu gas dapat dimodelkan menggunakan persamaan
- Persamaan: $PV = nRT = N k_B T$
9.2.A.3 Grafik yang memodelkan tekanan, suhu, dan volume gas dapat digunakan untuk mendeskripsikan atau menentukan sifat gas tersebut.
9.2.A.4 Suhu pada mana gas ideal memiliki nol tekanan dapat diekstrapolasikan dari grafik tekanan sebagai fungsi suhu.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Es batu: panas, kepadatan, dan perubahan fasa menghubungkan termodinamika dengan fluida dan daya apung — Es batu: panas, densitas, dan perubahan fase menghubungkan termodinamika dengan fluida dan gaya apung

Sebuah gas ideal mematuhi

$$PV=nRT \qquad(\text{or } PV=Nk_B T),$$

menghubungkan tekanan $P$, volume $V$, jumlah ($n$ mol atau $N$ molekul), dan suhu mutlak $T$. Gunakan untuk memprediksi bagaimana gas merespons ketika Anda mengubah satu kuantitas sambil menahan yang lain tetap (misalnya, pemanasan pada volume konstan meningkatkan tekanan).

Hukum Boyle: pada suhu konstan, hasil kali tekanan dan volume adalah konstan — Hukum Boyle: pada suhu tetap, tekanan dikali volume adalah konstan

Contoh terpecahkan. Wadah gas kaku tertutup berada pada $1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$ dan $300\ \text{K}$. Dipanaskan hingga $450\ \text{K}$. Karena volume dan jumlah tetap, $P/T$ adalah konstan:

$$P_2=P_1\frac{T_2}{T_1}=1.0\times10^{5}\times\frac{450}{300}=1.5\times10^{5}\ \text{Pa}.$$

Selalu ubah suhu ke kelvin sebelum menggunakan hukum gas – menggunakan Celcius di sini akan menghasilkan jawaban yang tidak masuk akal.

Balon udara panas naik ke langit — Memanaskan gas di dalam balon menurunkan densitasnya, sehingga balon naik – penerapan hukum gas ideal

Jelajahi

Jelajahi pemampatan gas

Geser piston masuk untuk mengecilkan volume. Partikel yang sama terjepit dalam ruang yang lebih kecil, sehingga mereka menabrak dinding lebih sering dan tekanan meningkat — sementara $PV$ tetap konstan pada suhu tetap.

Tonton pelajaran

9.3

Perpindahan Energi Termal dan Kesetimbangan

Silabus

Tujuan Pembelajaran 9.3.A: Jelaskan perpindahan energi antara dua sistem yang bersentuhan termal akibat perbedaan suhu kedua sistem tersebut.

9.3.A.1 Dua sistem berada dalam kontak termal jika sistem tersebut dapat mentransfer energi melalui proses-termal.
- 9.3.A.1.i Pemanasan adalah perpindahan energi masuk ke dalam sistem melalui proses-termal.
- 9.3.A.1.ii Pendinginan adalah perpindahan energi keluar dari sistem melalui proses-termal.
9.3.A.2 Proses-termal melalui mana energi dapat dipindahkan antara sistem dengan suhu berbeda adalah konduksi, konveksi, dan radiasi.
9.3.A.3 Energi dipindahkan melalui proses-termal secara spontan dari sistem ber suhu tinggi ke sistem ber suhu rendah.
- 9.3.A.3.i Dalam tumbukan antara atom dari sistem yang berbeda, energi paling mungkin dipindahkan dari atom ber energi tinggi ke atom ber energi rendah.
- 9.3.A.3.ii Setelah banyak tumbukan atom dari sistem yang berbeda, keadaan yang paling mungkin adalah keadaan di mana kedua sistem memiliki suhu yang sama.
9.3.A.4 Kesetimbangan termal terjadi ketika tidak ada transfer energi bersih melalui proses-termal antara dua sistem yang saling bersentuhan termal.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Panas $Q$ adalah energi yang ditransfer karena perbedaan suhu; panas mengalir dari panas ke dingin. Dua benda yang bersentuhan mencapai kesetimbangan termal ketika mereka memiliki suhu yang sama, dan aliran panas bersih berhenti. Tiga metode transfer adalah konduksi, konveksi, dan radiasi.

Jelajahi

Tambahkan panas dan saksikan suhu

Menambahkan panas biasanya menaikkan suhu, tetapi selama perubahan fase suhu tetap datar sementara energi memutus ikatan. Dua tubuh yang bersentuhan mencapai satu suhu — keseimbangan termal.

Tonton pelajaran

9.4

Hukum Pertama Termodinamika

Silabus

Tujuan Pembelajaran 9.4.A: Jelaskan energi dalam suatu sistem.

9.4.A.1 Energi dalam suatu sistem adalah jumlah dari energi kinetik objek-objek yang membentuk sistem dan energi potensial dari konfigurasi objek-objek tersebut.
- 9.4.A.1.i Atom-atom dalam gas ideal tidak berinteraksi satu sama lain melalui gaya konservatif, dan struktur internalnya tidak dipertimbangkan. Oleh karena itu, gas ideal tidak memiliki energi potensial internal.
- 9.4.A.1.ii Energi dalam gas monoatomik ideal adalah jumlah dari energi kinetik atom-atom penyusun di dalam gas tersebut.
  - Persamaan: $U = \dfrac{3}{2} nRT = \dfrac{3}{2} N k_B T$
9.4.A.2 Perubahan pada energi dalam suatu sistem dapat menyebabkan perubahan pada struktur internal dan perilaku internal sistem tersebut tanpa mengubah gerakan pusat massa sistem.

Tujuan Pembelajaran 9.4.B: Jelaskan perilaku sistem menggunakan proses termodinamika.

9.4.B.1 Hukum pertama termodinamika merupakan ungkapan ulang dari kekekalan energi yang memperhitungkan energi yang ditransfer masuk atau keluar dari sistem melalui usaha, pemanasan, atau pendinginan.
- 9.4.B.1.i Untuk sistem terisolasi, total energi bersifat konstan.
- 9.4.B.1.ii Untuk sistem tertutup, perubahan energi dalam adalah jumlah dari energi yang ditransfer masuk atau keluar dari sistem melalui pemanasan, atau usaha yang dilakukan pada sistem.
  - Persamaan: $\Delta U = Q + W$
- 9.4.B.1.iii Usaha yang dilakukan pada sistem oleh tekanan eksternal konstan atau rata-rata yang mengubah volume sistem tersebut (misalnya, piston yang memampatkan gas dalam wadah) didefinisikan sebagai
  - Persamaan: $W = -P \Delta V$
9.4.B.2 Grafik tekanan-volume (juga dikenal sebagai diagram PV) adalah representasi yang digunakan untuk menggambarkan proses termodinamika.
- 9.4.B.2.i Garis suhu tetap pada diagram PV disebut isoterma.
- 9.4.B.2.ii Nilai mutlak dari usaha yang dilakukan pada gas saat gas mengembang atau terkompresi sama dengan luas di bawah kurva plot tekanan terhadap volume untuk gas tersebut.
9.4.B.3 Kasus khusus dari proses termal bergantung pada hubungan antara konfigurasi sistem, sifat usaha yang dilakukan pada sistem, dan lingkungan sistem. Ini termasuk volume tetap (isovolumetrik), suhu tetap (isotermal), dan tekanan tetap (isobarik), serta proses di mana tidak ada energi yang ditransfer masuk atau keluar dari sistem melalui proses termal (adiabatik).

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Hukum pertama adalah kekekalan energi untuk gas:

$$\Delta U = Q + W,$$

di mana $\Delta U$ adalah perubahan energi dalam (terkait suhu), $Q$ adalah panas yang ditambahkan ke gas, dan $W$ adalah usaha yang dilakukan pada gas. Pada diagram tekanan–volume, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas di bawah kurva proses. Perhatikan tanda: memampatkan gas melakukan usaha positif pada gas tersebut.

Gas mendorong piston keluar sejauh kecil melakukan usaha sama dengan p dikali perubahan volume

Empat proses termodinamika digambar dari keadaan awal yang sama pada diagram PV

Usaha yang dilakukan selama perubahan volume sama dengan luas di bawah kurva P-V

Contoh kerja. Sebuah gas menyerap $500\ \text{J}$ panas dan, saat mengembang, melakukan $200\ \text{J}$ usaha kepada lingkungannya. Temukan perubahan energi dalamnya. Usaha dilakukan pada gas adalah $W=-200\ \text{J}$ (gas tersebut melakukan usaha, sehingga kehilangan energi itu):

$$\Delta U=Q+W=500+(-200)=300\ \text{J}.$$

Energi dalam meningkat sebesar $300\ \text{J}$, sehingga gas berakhir lebih panas. Mendapatkan tanda $W$ yang benar adalah kunci utama dalam masalah hukum pertama.

Tonton pelajaran

9.5

Kalor Jenis dan Konduktivitas Termal

Silabus

Tujuan Pembelajaran 9.5.A: Jelaskan energi yang diperlukan untuk mengubah suhu benda sejumlah tertentu.

9.5.A.1 Jumlah energi yang diperlukan untuk mengubah suhu suatu bahan berkaitan dengan kalor jenis bahan tersebut.
- Persamaan: $Q = mc\Delta T$
9.5.A.2 Kalor jenis suatu bahan adalah sifat intrinsik dari bahan tersebut yang bergantung pada susunan dan interaksi atom-atom yang menyusun bahan.

Tujuan Pembelajaran 9.5.B: Jelaskan laju perpindahan energi melalui konduksi melalui suatu bahan tertentu.

9.5.B.1 Laju perpindahan energi melalui konduksi melalui suatu bahan tertentu berkaitan dengan konduktivitas termal, dimensi fisik bahan, dan perbedaan suhu melintasi bahan tersebut.
- Persamaan: $\dfrac{Q}{\Delta t} = \dfrac{kA\Delta T}{L}$
9.5.B.2 Konduktivitas termal suatu bahan adalah sifat intrinsik dari bahan tersebut yang bergantung pada susunan dan interaksi atom-atom yang menyusun bahan.

Pernyataan Batas: AP Physics 2 akan memodelkan kalor jenis sebagai independen terhadap suhu.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Kalor jenis $c$ adalah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan satu kilogram sebesar satu derajat: $Q=mc\,\Delta T$. Kalor jenis yang tinggi (seperti air) berarti suatu zat menahan perubahan suhu.
Konduktivitas termal mengukur seberapa cepat panas merambat melalui material; laju konduksi meningkat seiring area dan perbedaan suhu, serta menurun seiring ketebalan.

Konduksi: partikel bergetar meneruskan energi sepanjang batang logam

Contoh terpecahkan. Berapa banyak panas yang menaikkan suhu $2.0\ \text{kg}$ air dari $20\,{}^{\circ}\text{C}$ ke $80\,{}^{\circ}\text{C}$? Kalor jenis air adalah $c=4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$:

$$Q=mc\,\Delta T=2.0\times4200\times(80-20)=5.0\times10^{5}\ \text{J}.$$

Kalor jenis air yang besar adalah alasannya digunakan sebagai pendingin dan mengapa iklim pesisir moderat.

Jelajahi

Jelajahi berapa banyak energi memanaskan suatu material

Pilih material, tetapkan massa dan kenaikan suhu, lalu baca energi dari $Q = mc\,\Delta T$. Air membutuhkan jauh lebih banyak energi daripada logam untuk dipanaskan sebesar jumlah yang sama.

Kosa kata Latih

English	Bahasa Indonesia
Thermodynamics/ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/	Termodinamika
kinetic theory/kɪˈnetɪk ˈθɪəri/	teori kinetik
Temperature/ˈtemprɪtʃə/	Suhu
Pressure/ˈpreʃə/	Tekanan
ideal gas/aɪˈdɪəl ɡæs/	gas ideal
Heat/hiːt/	Kalor
thermal equilibrium/ˈθɜːml ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/	kesetimbangan termal
conduction/kənˈdʌkʃn/	konduksi
convection/kənˈvekʃn/	konveksi
radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/	radiasi
first law/fɜːst lɔː/	hukum pertama
internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/	energi dalam
Specific heat/spəˈsɪfɪk hiːt/	Kalor spesifik
Thermal conductivity/ˈθɜːml kɒndəkˈtɪvɪti/	Konduktivitas termal
Entropy/ˈentrəpi/	Entropi
second law/ˈsekənd lɔː/	hukum kedua

Tonton pelajaran

9.6

Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

Silabus

Tujuan Pembelajaran 9.6.A: Jelaskan perubahan entropi untuk suatu sistem tertentu sepanjang waktu.

9.6.A.1 Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa total entropi sistem terisolasi tidak pernah berkurang dan hanya konstan ketika semua proses yang dilalui sistem bersifat reversibel.
9.6.A.2 Entropi dapat dijelaskan secara kualitatif sebagai kecenderungan energi untuk menyebar atau ketidaktersediaan sebagian energi sistem untuk melakukan kerja.
- 9.6.A.2.i Energi terlokalisasi cenderung untuk tersebar dan menyebarkan diri.
- 9.6.A.2.ii Entropi adalah fungsi keadaan sehingga hanya bergantung pada keadaan atau konfigurasi saat ini dari suatu sistem, bukan bagaimana sistem mencapai keadaan tersebut.
- 9.6.A.2.iii Entropi maksimum terjadi ketika sistem berada dalam kesetimbangan termodinamika.
9.6.A.3 Perubahan entropi sistem ditentukan oleh interaksi sistem dengan lingkungannya.
- 9.6.A.3.i Sistem terisolasi bergerak menuju kesetimbangan termodinamika secara spontan.
- 9.6.A.3.ii Entropi sistem terisolasi tidak pernah berkurang, tetapi entropi sistem tertutup dapat berkurang karena energi dapat ditransfer masuk atau keluar dari sistem.

Pernyataan Batas: Hanya perlakuan kualitatif dari hukum kedua termodinamika yang berada dalam cakupan AP Physics 2.

Sumber: Deskripsi Kursus dan Ujian College Board AP

Entropi mengukur ketidakaturan, atau jumlah cara mengatur sistem. Hukum kedua: total entropi sistem terisolasi tidak pernah berkurang – energi secara alami menyebar. Ini menetapkan arah proses: panas mengalir dari panas→dingin secara mandiri, tidak sebaliknya, dan tidak ada mesin yang dapat mengubah panas sepenuhnya menjadi usaha.

Tonton pelajaran

9.6

Tips ujian

Selalu ubah suhu ke kelvin ($T_{\text{K}}=T_{\text{C}}+273$) sebelum menggunakan hukum gas apa pun.
Dalam hukum pertama $\Delta U = Q + W$, dapatkan tanda $W$ yang benar: usaha yang dilakukan pada gas adalah positif; ketika gas mengembang dan melakukan usaha ke lingkungannya, $W$ bernilai negatif.
Suhu mengukur energi kinetik rata-rata partikel, sehingga pada $T$ yang sama molekul ringan bergerak lebih cepat.
Pada diagram PV, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas di bawah kurva proses.
Gunakan $Q=mc\,\Delta T$ untuk perubahan suhu; hukum kedua menentukan arah – panas mengalir panas→dingin dan total entropi tidak pernah berkurang.

Pelajaran interaktif untuk topik ini

Kerjakan langkah demi langkah, dengan latihan pengecekan instan.

Soal-Soil Masa Lalu

Topik lain dalam AP Fisika 2