SLIDE TENTANG TERMOFISIKA

Biofisika

BIW-1103

TERMOFISIKA

Pertemuan 7

Biofisika

BIW-1103

Capaian pembelajaran

1. Memahami konsep suhu, kalor dan perpindahannya

2. Mengkonversi temperature dari satu besaran ke besaran lain 3. Menggunakan hukum kekekalan kalor dalam memecahkan

persoalan sehari-hari

4. Menerapkan hukum 0 dan 1 termodinamika dalam

mekanisme tubuh

Biofisika

BIW-1103

Temperatur &

Pengukurannya

Suhu

Termometer

Konversi antar satuan suhu

Biofisika

BIW-1103

BESARAN yang menyatakan

Sifat Termal Benda/Sistem Suhu

Ukuran panas/dingin itu kita rasakan sebagai sensasi pada tubuh kita melalui indra peraba

Suhu menyatakan seberapa panas/dingin sebuah benda

Indra, tubuh kita hanya “tahu”:

Selain itu, indra peraba bersifat

Subjektif. Bisa saja yang dirasakan

Biofisika

BIW-1103

* SECARA MIKROSKOPIS

Suhu adalah ukuran

energi kinetik rata-

rata dari atom-atom

penyusun gas

Biofisika

BIW-1103

sebagai BESARAN objekif dan eksak

Suhu

Suhu dapat dinyatakan secara objektif karena ternyata benda akan mengalami perubahan ukuran bila suhunya naik

 Pemuaian

*Akan kita bahas lebih lanjut nanti

Panjang kolom alkohol di dalam tabung bertambah ketika

mengalami pemanasan

Galileo Galilei (1596) pertama kali membuat Termoskop , alat yang menunjukkan adanya

perubahan suhu tetapi belum dapat mengukur suhu.

Alat ukur suhu:

Termometer

Biofisika

BIW-1103

Acuan skala pada termometer adalah nilai titik beku & nilai titik didih air

Pembakuan/

Kalibrasi Termometer

Untuk standardisasi termometer, perlu ada referensi (acuan) yang universal.

Upaya standarisasi sendiri pertama kali dilakukan oleh Daniel Gabriel

Fahrenheit (1714). Yang dijadikannya titik 0 adalah suhu terendah yang dapat dicapai di kota tempat ia tinggal.

Fahrenheit juga merupakan penemu termometer air raksa.

Yang pertama kali menggunakan acuan ini adalah Anders Celsius (1742)

Biofisika

BIW-1103

t_C t_F T

100 180 100

(t_C^{0) (}t_F32) (T273)

Hubungan antarskala:

Skala termometer yang lain adalah Kelvin, yang disebut juga suhu mutlak.

Dalam kajian ilmiah fisika skala ini yang lazim digunakan.

Konversi antarskala termometer

Biofisika

BIW-1103

For

reference use, room temperature is set to be 25^oC

Latihan

Menurut satuan internasional (SI), suhu ruang ideal ditetapkan pada skala 25°C.

Ungkapkan nilai suhu ruang ini dalam satuan derajat Fahrenheit

1

Bila dirancang sebuah termometer X yang memiliki skala penunjukkan titik beku air 30^o dan titik didih air 90^o, carilah faktor konversi

termometer X terhadap skala termometer Celcius.

2

Dalam ruang dengan suhu berapa, skala termometer fahrenheit dan celcius

akan menunjukkan pembacaan angka yang sama?

3

Biofisika

BIW-1103

Perubahan Panas

Pemuaian

Asas Black

Prinsip Joule

Biofisika

BIW-1103

EFEK PERUBAHAN SUHU: PEMUAIAN

EFEK & KONSEKUENSI TERJADINYA PEMUAIAN

Biofisika

BIW-1103

Pemuaian Linear/Panjang

Biofisika

BIW-1103

Latihan

Batang besi, panjangnya 5 meter di dalam rumah (T₀ = 25 C) dikeluarkan terkena sinar matahari hingga suhunya T = 55 C. berapa pertambahan panjang yang dialami besi tersebut

--- T = 55 C - 25 C

= 30 C

-besi = 12 x 10^-6 C^-1

= (12 x 10^-6 C^-1) (5 m)(30 C)

Biofisika

BIW-1103

Perpindahan

Panas

Biofisika

BIW-1103

Penyebab perubahan suhu

: Panas/Kalor

Suhu benda naik karena mengalami pemanasan

Pemanasan merupakan proses transfer panas (kalor) dari benda yang suhunya tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah

Panas/Kalor

Menyatakan keadaan termal sebuah

Menyatakan interaksi yang mengubah suhu karena

Suhu vs

!

Biofisika

BIW-1103

Q = m c  t

being heating up

- object’s temperature rising - heat is absorbed by the

object

being cooling down

- object’s temperature droping

- heat is released by the object

Panas Q yang diperlukan untuk menaikan suhu benda:

• Sebanding dengan kenaikan suhu : t

• Sebanding dengan massa benda : m

• Bergantung pada jenis benda (panas jenis) : c

Air memiliki panas jenis terbesar: 1 kal/(gC)

Jangan mengatakan bahwa benda yang suhunya lebih

!

Hubungan eksak kalor dan kenaikan suhu

Biofisika

BIW-1103

KALOR JENIS (SPECIFIC HEAT)

- jumlah kalor yang harus diterima untuk menaikkan suhu per satuan massa benda sebesar satu satuan suhu (^oC atau K)

(laju memanaskan benda?)

- jumlah kalori yang harus dilepas untuk menurunkan suhu per satuan massa benda sebesar satu satuan suhu

(laju mendinginkan benda?)

Biofisika

BIW-1103

Berapa jumlah kalor yang diserap 1 liter air dalam panci yang dimasak hingga mendidih, t = 80 ^oC.

(-air = 1 kg/m³, c-air = 4180 J/kg. ^oC, t_o air = 20 ^oC)

Latihan

₄

5

Biofisika

BIW-1103

HUKUM KEKEKALAN KALOR: ASAS BLACK

Bila dua benda berlainan suhu dicampur, kalor yang dilepas oleh benda suhu tinggi sama dengan kalor yang diterima oleh benda suhu rendah

6

Biofisika

BIW-1103

Air di dalam wadah yang terus menerus diaduk (diberikan energi mekanik/gerak) lama kelamaan akan naik suhunya.

KETERKAITAN KERJA ~ KALOR: PRINSIP JOULE

Biofisika

BIW-1103

Latihan

Seorang wanita (m = 60 kg) menyantap kue dan ice cream secara berlebihan. Ia sadar kelebihan kalori sebesar 500 kkal.

Karenanya, ia ingin membuang kelebihan kalori tersebut dengan cara jogging menaiki tangga.

Berapa tinggi tangga yang harus ia naiki untuk mengkompensasi (mengurangi) kelebihan kalorinya tersebut?

7

Biofisika

BIW-1103

Perpindahan Panas

Konduksi, Konveksi & Radiasi

Biofisika

BIW-1103

MEKANISME PERPINDAHAN KALOR

Transfer kalor berlangsung dari suhu tinggi ke suhu rendah

Konduksi Konduksi

• Perpindahan panas tanpa disertai

perpindahan zat sistem.

Konveksi Konveksi

• Perpindahan panas melalui aliran zat sistem.

Radiasi Radiasi

• Perpindahan panas sebagai pancaran

gelombang

elektromagnetik.

Mekanismenya:

Biofisika

BIW-1103

MEKANISME PERPINDAHAN KALOR: KONDUKSI

Perpindahan energi termal (kalor) di bagian dalam benda tanpa disertai perpindahan molekul-molekulnya

(1) transfer through free electrons

(2) transfer through inter- particles collision

k = thermal conductivity (J/s.m.C^o) A = cross sectional area (m²)

L = distance between two ends of object (m)

T = temperature difference (^oC)

Biofisika

BIW-1103

Latihan

Sebuah lampu pijar memancarkan energi panas dan menembus dinding kaca sebuah inkubator. Hitung laju aliran panas yang menembus kaca jika ukuran (1,0 x 0,75) m² dan tebalnya 3,0 mm. Suhu di dalam inkubator 20^oC dan di luar 25^oC (k-_kaca

= 0,84 J/m.s.^oC)

Luas kaca, A = 1,0 x 0,75  0,7 m²

Panjang lintasan penjalaran panas, l = 3,0 . 10^3 m

Seseorang berjalan membangkitkan kalor 0,07 kkal/s. Jika permukaan tubuhnya 1,5 m² dan kalor dibangkitkan 0,003 m dibawah kulitnya, berapa selisih suhu antara permukaan kulit dengan bagian dalam kulit. Termal konduksi yang dibangkitkan otot 5 x 10^5 kkal/s.K

8

9

Biofisika

BIW-1103

MEKANISME PERPINDAHAN KALOR: KONVEKSI

(1) natural convection

(2) forced convection

 latin : com (together) + vehere (to carry)

is the process whereby heat is transferred by the mass movement of their molecules collectively

H = heat transfer

h = thermal convectivity (J/s.m².C^o)

A = cross sectional area (m²)

T = temperature difference (^oC)

Biofisika

BIW-1103

MEKANISME PERPINDAHAN KALOR: RADIASI

is the process of heat transnfer in the form of electromagnetic wave

Stefan-Boltzmann's Law on Radiation

Normally, every objects (as it has certain temperature) are source of heat and emit radiation. This was stated by Stefan and Boltzmann.

H = heat transfer

e = emissivity ; where 0 < e < 1

 = Stefan-Boltzmann constant = 5.67 . 10^8 W/m².K⁴

A = cross sectional area (m²)

T = absolute temperature (K)

Biofisika

BIW-1103 Example: How much does the human body radiate?

--- Body temperature = 37oC = 37 +273 = 310 K, Estimate surface area A = 1.5 m2 e = 0.70

H =e A T⁴

= (0.70)(5.67 x 10^-8)(1.5 m²)(310)⁴

= 550 watts (5 light bulbs)

---

The sun provides  1000 W/m2 at the Earth's surface. 30 % is reflected by human skin. 700 W is absorbed per square meter.

Latihan

Dalam laboratorium, seseorang dengan luas permukaan badan 1,4 m² dan emisivitas 0,85 mempunyai suhu kulit 37^oC. Jika ia berdiri di tengah ruangan tertutup bersuhu 20^oC, berapa banyak kalor yang hilang dari orang tersebut per menitnya?

10

11

Biofisika

BIW-1103

Latihan

¹²

Biofisika

BIW-1103

Hukum ke-1

Termodinamika

Energi dalam

Penerapan

Biofisika

BIW-1103

Energi Dalam & Perubahannya

 Jika energi (kerja atau kalor) ditambahkan pada system, maka energi dalam akan bertambah.

 Perubahan energi dalam sama dengan kerja/kalor dikurangi jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem

Hukum ke-1 Termodinamika

∆ � = � − �

 Ketika kita mengkonsumsi sepiring

makanan, maka energi ditambahkan pada tubuh kita dan diubah menjadi energi dalam.

 Setelah makan, kita beraktivitas (. Maka energi internal tadi diubah menjadi kerja.

Maka, jumlah energi dalam yang tersisa () di dalam tubuh adalah

Biofisika

BIW-1103

Pertukaran energi: panas & kerja

• Kalor [Q] yang ditambahkan ke sistem dan kerja [W] yang

dilakukan oleh sistem.

• Q

• + : Kalor masuk ke sistem

• - : Kalor keluar sistem

• W

• + : kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungan

• - : kerja yang diberikan oleh lingkungan

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q=0 W>0

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q<0 W<0

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q>0 W>0

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q=0 W<0

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q<0 W=0

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q>0 W=0

Biofisika

BIW-1103

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q=150 J W=100 J

∆�=�−�=+50 �

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q=-150 J W=-100 J

∆�=�−�=−50 �

Sistem Sekeliling (Lingkungan)

Q=150 J W=150 J

∆�=�−�=0

U=Q-W

Biofisika

BIW-1103

Penerapan

Biofisika

BIW-1103

Penerapan

Makan Pagi (1 jam)

Q= 5,0J W= 0,7J Kerja Pagi

(4 jam)

W= 4,3J Makan Siang

(1 jam)

Q= 5,0J W= 0,7J

Kerja sore (4 jam)

W= 4,3J

Makan Malam (1 jam)

Q= 6,5J W= 0,7J

Olah Raga (1 jam)

W= 2,1J

Belajar, Menonton TV

(4 jam) W= 1,7J

Tidur (8 jam)

W= 2,J

Total Q= 16,5J

Biofisika

BIW-1103

Latihan

A hot plate is used to transfer 400 cal of heat to a beaker containing ice and water. 500 J of work are also done on the contents of the beaker by stirring.

a. What is the increase in internal energy of the ice-water mixture?

b. How much ice melts in this process?

13

Biofisika

BIW-1103

Tugas 7 : Individu

 Susunlah semua aktivitasmu dalam 24 jam.

 Timbanglah semua jenis makananmu, ubahlah kedalam satuan energi (joule atau kalori) (sertai foto makananmu)

 Hitung pula energi dari semua

aktivitasmu. (Sertai foto pendukung;

misalkan olahraga, gunakan aplikasi untuk menghitung kalorinya)

 Buatlah dalam bagan seperti di samping.

Dengan menggunakan hukum 1

termodinamika, tentukan perubahan energi dalammu. Positif, negative atau nol?

Analisalah!

Laporan dibuat dalam bentuk laporan yang diketik dengan Ms. Word., lalu dijadikan file

*.pdf.