Entalpi

Termodinamika Atmosfer: Menyelami Fisika Pada Proses di Atmosfer

Daftar Isi

1. Hukum Tentang Gas

2. Persamaan Hidrostatik

3. Hukum Pertama Termodinamika - Panas dan Kerja Sistem

4. Proses Adiabatik

5. Uap Air dalam Udara

6. Stabilitas Statis

7. Hukum Kedua Termodinamika

Referensi:

Diterjemahkan dan dikembangkan dari: Atmospheric Thermodynamics, Jeremy A. Gibbs, https://gibbs.science/ teaching/efd/handouts /wallace_hobbs_ch3.pdf.

I. Hukum Tentang Gas

3.3 Entalpi

Pengertian
Entalpi adalah sifat atau fungsi keadaan yang mirip energi, memiliki dimensi energi dan nilainya ditentukan seluruhnya oleh suhu, tekanan, dan komposisi sistem.

Entalpi merupakan jumlah energi dalam dan produk tekanan dan volume pada sistem termodinamika. alert-info

Jika panas ditambahkan ke suatu bahan pada tekanan konstan sehingga volume spesifik bahan mengalami peningkatan dari \(𝛼_1\)  menjadi \(𝛼_2\) , kerja yang dilakukan oleh massa satuan bahan adalah p(\(𝛼_2\) - \(𝛼_1\)).

Oleh karena itu, berdasarkan persamaan (38), jumlah panas Δ\(q\) yang ditambahkan ke massa satuan bahan pada tekanan konstan diberikan oleh:

\[ \Delta q = (u_2 - u_1) + p(\alpha_2 - \alpha_1) \]

\[ \Delta q = (u_2 + p\alpha_2) - (u_1 + p\alpha_1) \]

di mana \(u_1\) dan \(u_2\) masing-masing adalah energi internal awal dan akhir untuk massa satuan bahan. Oleh karena itu, pada tekanan konstan berlaku:

\[ \Delta q = h_2 - h_1 \]

di mana \(h\) adalah entalpi dari massa satuan bahan, yang didefinisikan sebagai:

\[ h \equiv u + p\alpha \tag{47}\]

Karena \(u\), \(p\), dan \(𝛼\) adalah fungsi keadaan, maka \(h\)adalah fungsi keadaan juga. Diferensial persamaan (47), didapatkan:

\[ dh = du + d(p\alpha) \]

Dengan menggantikan \(du\) dari persamaan (40) dan menggabungkan dengan persamaan (43), kita dapatkan:

\[ \Delta q = dh - \alpha \, dp \tag {48}\]

Ini merupakan bentuk lain dari hukum pertama termodinamika. Dengan membandingkan persamaan (46) dan persamaan (48) di atas kita lihat bahwa:

\[ dh = c_p \, dT \tag{49}\]

atau, dalam bentuk terintegral,

\[ h = c_p T \tag{50} \]

di mana \(h\) dinyatakan nol ketika \(T\) = 0. Dengan memperhatikan persamaan (50) tersebut, \(h\) sesuai dengan panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu bahan dari 0 menjadi \(T\) K pada tekanan konstan.

Ketika lapisan udara yang diam dan seimbang hidrostatik dipanaskan, misalnya, melalui transfer radiasi, berat udara yang menekannya tetap konstan. Oleh karena itu, pemanasan ini terjadi pada tekanan konstan.

Energi yang ditambahkan ke udara direalisasikan dalam bentuk peningkatan entalpi (atau panas yang dapat dirasakan, sebagaimana yang umumnya disebut oleh ilmuwan atmosfer) berupa:

\[ \Delta q = dh = c_p \, dT \]

Udara dalam lapisan tersebut mengembang saat memanas, melakukan kerja pada udara yang menekannya dengan mengangkatnya melawan daya tarik gravitasi Bumi.

Dari energi per unit massa yang diberikan ke udara oleh pemanasan, kita lihat dari persamaan (40) dan (41) bahwa \(du = c_v \, dT\) tercermin dalam peningkatan energi internal dan \(p\, d\alpha = R\, dT\) digunakan untuk melakukan kerja pada udara yang menekannya.

Karena atmosfer Bumi dominan terdiri dari gas diatomik N\(_2\) dan O\(_2\), energi yang ditambahkan oleh pemanasan \(dq\) terbagi antara peningkatan energi internal \(du\) dan kerja ekspansi \(p\, d\alpha\) dalam rasio 5:2.

Kita dapat menuliskan persamaan yang lebih umum yang berlaku untuk sebuah paket udara yang bergerak, tekanannya berubah saat naik atau turun relatif terhadap udara sekitar.

Dengan menggabungkan persamaan (20), (48), dan (50) di atas, kita dapatkan:

\begin{align*} \Delta q &= d(h + \Phi)  \\ \Delta q &= d(c_p \, T + \Phi) \tag{51} \end{align*}

Oleh karena itu, jika bahan itu adalah sebuah paket udara dengan massa tetap yang bergerak dalam atmosfer hidrostatik, kuantitasnya adalah \(h + \Phi\). 

Ini disebut sebagai energi statis kering yang konstan asalkan paket udara tersebut tidak mendapatkan atau kehilangan panas, yaitu: \(dq \approx \)0.

Persamaan (51) hanya berlaku untuk atmosfer di mana tidak ada gerakan fluida. Persamaan ini dapat digunakan dalam batas beberapa persen untuk atmosfer Bumi di mana energi kinetik dari gerakan fluida hanya menyumbang sebagian kecil dari total energi.

Dukung Kami

Climate4life.info mendapat sedikit keuntungan dari penayangan iklan yang ada dan digunakan untuk operasional blog ini.
Jika menurut anda artikel pada blog ini bermanfaat, maukah mentraktir kami secangkir kopi melalu "trakteer id"?