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.
III. Hukum Pertama Termodinamika - Panas dan Kerja Sistem
3.1 Panas Spesifik
Misalkan sejumlah kecil panas \(dq\) diberikan kepada massa satuan suatu bahan dan, sebagai akibatnya, suhu bahan tersebut meningkat dari \(T\) menjadi \(T + dT\) tanpa adanya perubahan fase dalam bahan.
Simbol \(dq\) kadang-kadang disebut sebagai pemanasan atau pendinginan diabatik (atau nonadiabatik), di mana "diabatik" berarti melibatkan transfer panas.
Istilah "diabatik" akan menjadi berlebihan jika "pemanasan" dan "pendinginan" selalu diartikan sebagai "penambahan atau penghilangan panas."
Namun, "pemanasan" dan "pendinginan" sering digunakan dalam arti "menaikkan atau menurunkan suhu," dalam hal ini bermakna untuk membedakan antara bagian dari perubahan suhu \(dT\) yang disebabkan oleh efek diabatik (\(dq\)) dan bagian yang disebabkan oleh efek adiabatik (\(p\ dα\)). alert-info
Rasio \(dq/dT\) disebut panas spesifik bahan tersebut. Panas spesifik yang didefinisikan dengan cara ini bisa memiliki berbagai nilai, tergantung pada bagaimana bahan berubah saat menerima panas.
Jika volume bahan tetap konstan, didefinisikan panas spesifik pada volume konstan \(c_v\) adalah:
\[ c_v = \left ( \frac{dq}{dT}) \right )_{v\ const} \tag{39} \]
Namun, jika volume bahan tetap maka persamaan (38) menjadi \(dq = du\). Oleh karena itu:
\[ c_v = \left ( \frac{du}{dT}) \right )_{v\ const} \]
Untuk gas ideal, berlaku hukum Joule dan oleh karena itu \(u\) hanya bergantung pada suhu. Maka, tanpa memandang apakah volume gas berubah, kita dapat menuliskan:
\[ c_v = \left ( \frac{du}{dT}) \right ) \tag{40} \]
Dari persamaan (38) dan (40), hukum pertama termodinamika untuk gas ideal dapat dituliskan dalam bentuk:
\[ dq= c_{v}dT+p\ d\alpha \tag{41} \]
Karena \(u\) adalah fungsi keadaan, tidak peduli bagaimana bahan berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2, perubahan energi internalnya adalah, berdasarkan persamaan (40):
\[u_{2}-u _{1}=\int_{T_{1}}^{T_{2}}c_{v}\ dT\]
Kita juga dapat mendefinisikan panas spesifik pada tekanan konstan \(c_p\) yaitu:
\[ c_p = \left ( \frac{dq}{dT}\right )_{p\ const} \tag{42}\]
di mana bahan dapat mengembang saat panas ditambahkan pada bahan tersebut sehingga suhunya naik, tetapi tekanannya tetap konstan.
Dalam hal ini, sejumlah panas yang ditambahkan ke bahan tersebut digunakan untuk melakukan kerja saat sistem mengembang melawan tekanan konstan dari lingkungannya.
Oleh karena itu, panas yang lebih besar dalam jumlah tertentu harus ditambahkan ke bahan untuk meningkatkan suhunya daripada jika volume bahan tetap konstan.
Untuk kasus gas ideal, ketidaksetaraan ini dapat dilihat secara matematis sebagai berikut. Persamaan (41) dapat ditulis ulang dalam bentuk:
\(dq= c_{v}\ dT+d(p\alpha) - \alpha\ dp \)
(43)
Dari persamaan gas ideal (3), \(d(p𝛼) = R \, dT\). Oleh karena itu, persamaan (43) menjadi:
\( dq= (c_{v}+R)\ dT - \alpha\ dp \)
(44)
Pada tekanan konstan, suku terakhir dalam (44) ditiadakan, sehingga, dari persamaan (42) dan (44) diperoleh:
\[ c_{p}= c_{v}+R \tag{45} \]
Panas spesifik pada volume konstan dan tekanan konstan untuk udara kering masing-masing adalah 717 dan 1004 J.K⁻¹.kg⁻¹, dan selisihnya = 287 J.K⁻¹.kg⁻¹, merupakan konstanta gas untuk udara kering.
Dapat ditunjukkan bahwa untuk gas monatom ideal,
\(c_p:c_v:R = 5:3:2\), dan untuk gas diatom ideal,
\(c_p:c_v:R = 7:5:2\).
Dengan menggabungkan (44) dan (45), kita mendapatkan bentuk alternatif dari hukum pertama termodinamika:
\[ dq = c_p \, dT - \alpha \, dp \tag{46}\]
.gif)
0 Comments
Terima kasih atas komentarnya. Mohon tidak meletakkan link hidup yah.