BAHAN AJAR KIMIA FISIKA PDF

Preview

Summary

Bahan Ajar KIMIA FISIKA Disusun oleh : Salfauqi Nurman, M.Si Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Serambi Mekkah Kata Pengantar Alhamdulillahirabbil'aalamin, segala puji atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan Rahmat, Taufik dan Hidayah-Nya kepada kita semua serta berkat Rahmat, Tauf...

Description

Bahan Ajar

KIMIA FISIKA Disusun oleh :

Salfauqi Nurman, M.Si Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Serambi Mekkah

Kata Pengantar Alhamdulillahirabbil'aalamin, segala puji atas kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan Rahmat, Taufik dan Hidayah-Nya kepada kita semua serta berkat Rahmat, Taufik dan Hidayah-Nya kami dapat menyelesaikan penyusunan bahan ajar Kimia Fisika ini. Salawat beserta salam tidak lupa pula kami haturkan kehadirat Nabi Muhammad SAW yang telah memberikan pencerahan kepada kita semua. Dalam kesempatan ini kami juga menyampaikan ucapan terima kasih kepada Dekan Fakultas Teknologi Pertanian serta Ketua prodi Teknologi Industri pertanian dan Ketua Prodi Teknologi Pangan yang selalu mendukung kami dalam penyusunan bahan ajar Kimia Fisika ini. Kami merasa bahwa penyusunan bahan ajar Kimia Fisika ini merupakan suatu tugas yang mulia sebagai media menyalurkan ilmu pengetahuan dan penyebaran informasi di bidang kimia fisika khususnya bagi mahasiwa Fakultas Teknologi Pertanian Universitas Serambi Mekkah. Bahan ajar ini disusun berdasarkan kondisi mahasiswa Fakultas Teknologi Pertanian yang membutuhkan bahan ajar yang mudah dipahami dan sistematik. Kami berharap bahan ajar Kimia Fisika ini dapat memberikan pengetahuan dan informasi tentang kimia fisika dengan lebih mudah dipahami dan lebih sederhana. Kami menyadari bahwa bahan ajar ini masih memiliki kekurangan. Karena itu, kami berharap agar pembaca berkenan menyampaikan kritikan dan masukan. Akhir kata, kami berharap agar bahan ajar ini dapat bermanfaat bagi pembaca. Banda Aceh, 27 Februari 2018 Penyusun


vst s 



 u t  
  t



Daftar Isi  &'(' )*+,'+'t  Daftar Isi  Pengantar kimia fisika  Materi  Sifat fisik zat cair  Zat padat  Hukum-hukum gas  Sistem dan lingkungan  Termodinamika ke-0  Termodinamika ke-1  Termodinamika ke-2  Termodinamika ke-3  Daftar Pustaka

vst s 

ut ! "# #$ %t 

04/04/2018

KIMIA FISIKA Pengantar Kimia Fisika

Salfauqi Nurman, M.Si Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Tujuan Instruksional khusus • Setelah menyelesaikan modull ini mahasiswa mampu mengenali dan memahami tentang pengertian, sejarah dan bidang-bidang dalam kimia fisika, keterkaitan kimia fisika dengan ilmu yang lain serta aplikasi kimia fisika dalam kehidupan sehari-hari.

1

04/04/2018

Kimia fisik adalah ilmu yang mempelajari fenomena makroskopik, mikroskopik, atom, subatom dan partikel dalam sistem dan proses kimia berdasarkan prinsip-prinsip dan konsep-konsep fisika. Bidang khusus antara lain : - Termodinamika kimia, - Kimia kuantum, - Kinetika, - dll

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Kimia Fisik banyak menggunakan konsep-konsep dan prinsip - Fisika Klasik (seperti energi, entropi, suhu, tekanan, tegangan permukaan, viskositas, hukum Coulomb, interaksi dipol), - Fisika Kuantum (seperti foton, bilangan kuantum, spin, kebolehjadian, prinsip ketakpastian), - Mekanika Statistik (seperti fungsi partisi, distribusi Boltzmann). Bagian penting dari ilmu ini termasuk termodinamika kimia, kinetika kimia, kimia kuantum, elektrokimia, kimia permukaan dan kimia padatan, dan spektroskopi. Kimia fisik juga penting bagi ilmu material modern.

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

2

04/04/2018

Istilah "kimia fisik" mungkin pertama kali digunakan oleh Mikhail Lomonosov pada tahun 1752, Landasan Kimia Fisik modern diletakkan pertama kali pada tahun 1876 oleh Josiah Willard Gibbs dalam makalahnya, On the Equilibrium of Heterogeneous Substances, yang memuat beberapa konsep dan prinsip penting kimia fisik, seperti energi Gibbs, potensial kimia, aturan fase Gibbs.

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

3

04/04/2018

KIMIA FISIKA Materi

Salfauqi Nurman, M.Si Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

1

04/04/2018

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

2

04/04/2018

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

3

04/04/2018

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

4

04/04/2018

2. Mengelompokkan perubahan materi Perubahan fisika Es

Air

Uap air

Perubahan kimia kayu/kertas dibakar berubah menjadi abu

Lilin meleleh

Besi berkarat

Pelarutan garam

Nasi menjadi basi

Perubahan Fisika, yaitu perubahan yang tidak menghasilkan materi baru, yang berubah hanya bentuk dan wujud materi

Perubahan Kimia atau reaksi kimia yaitu perubahan yang menghasilkan materi baru

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

3. Mengklasifikasi materi a. Unsur adalah zat tunggal yang tidak dapat diuraikan lagi menjadi zat lain dengan reaksi kimia biasa.

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

5

04/04/2018

b. Senyawa adalah gabungan dari beberapa unsur yang terbentuk melalui reaksi kimia. Misal, dua atom hidrogen dengan satu atom oksigen dapat bergabung membentuk molekul air (H2O).

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

c. Campuran adalah gabungan beberapa zat dengan perbandingan tidak tetap tanpa melalui reaksi kimia. Misal, air sungai, tanah, udara, makanan, minuman, larutan garam, larutan gula, dll.

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

6

04/04/2018

Bagan klasifikasi materi

Logam

Non Logam

Metaloid

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

7

04/04/2018

fluida • Definisi Fluida Suatu zat yang mempunyai kemampuan ber-ubah secara kontinu apabila mengalami geseran atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser sekecil apapun.

Sifat fisik zat cair

• Fluida : zat yang dapat mengalir ( zat alir)

Salfauqi nurman, M.si

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

1

04/04/2018

Zat cair

parameter fisik

Cairan : mempunyai permukaan bebas dan massa nya akan mengisi ruangan sesuai dengan volumenya serta tidak termampatkan. Fluida : Suatu zat yang mempunyai kemampuan berubah secara kontinu apabila mengalami geseran atau mempunyai reaksi terhadap tegangan geser sekecil apapun.

1. Density 2. Tekanan 3. Aliran Fluida 4. Viskositas 5. Tegangan Permukaan 6. Kapilaritas

• Fluida : zat yang dapat mengalir ( zat alir) Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

2

04/04/2018

1. Density

1. Density

density (berat jenis) adalah berat suatu cairan tiap satuan volume. dengan,

= berat jenis (kg/m3) m = massa (kg) V = volume (m3)

satuan : gr/ml, kg/lt, kg/m3 Alat yang dapat digunakan untuk mengukur density : picnometer, hidrometer. Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

3

04/04/2018

1. Density

2. tekanan

Specific gravity (sg) adalah perbandingan density suatu zat dengan density air pada temperatur yang sama. specific gravity tak bersatuan. misal sg20/20 : density suatu zat dibagi dengan density air pada temperatur 20 ⁰C.

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Tekanan cairan didefinisikan sebagai gaya yang bekerja tegak lurus pada suatu permukaan bidang dan dibagi luas permukaan bidang tersebut dimana ; p = tekanan (N/m2) F = Gaya (N) A = Luas (m2)

Tekanan  P  P

F A

h

mg Vg V   g  gh A A A

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

4

04/04/2018

2. tekanan

2. tekanan

Volume fluida yang berada di atas titik B adalah: V=A h; dengan A = luas penampang wadah = massa jenis fluida

Tekanan Hidrostatis

Massa fluida di atas B adalah: m= V = Ah Sedangkan gaya (berat) yang diberikan fluida itu: F = m.g = A h g apabila, besarnya tekanan fluida di titik B, adalah: P =F /A, maka = massa jenis fluida (kg/m2) g = percepatan gravitasi (m /s-2) h = kedalaman (m) Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

I

II

III

MANAKAH YANG PALING BERAT? Gelas yang tidak terisi air terasa ringan, sedangkan gelas yang terisi air terasa berat. Peristiwa tersebut menunjukan bahwa air (zat cair) memberikan gaya tekan yang arahnya kebawah kepada telapak tangan. Pada fluida diam, tekanan pada suatu titik disebabkan oleh gaya berat fluida yang di atas titik tersebut. Tekanan yang disebabkan oleh fluida tak bergerak disebut tekanan hidrostatis. Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

5

04/04/2018

2. tekanan

2. tekanan TEKANAN TOTAL Jika tekanan udara luar ikut diperhitungkan seperti pada gambar, besarnya tekanan total atau tekanan mutlak pada satu titik di dalam fluida adalah

Mengapa bagian bawah yang jarak pancurannya paling jauh? p0 = tekanan udara luar = 1,013 × 105 N/m2, dan pA = tekanan total di titik A (tekanan mutlak). Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

6

04/04/2018

2. TEKANAN

2. TEKANAN

Hukum Pokok Hidrostatika

Tekanan hidrostatik di semua titik yang terletak pada satu bidang mendatar di dalam satu jenis zat cair besarnya sama

pA = pB = pC Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Hukum Utama Hidrostatis menyatakan bahwa semua titik yang berada pada bidang datar yang sama dalam fluida homogen, memiliki tekanan total yang sama. Jadi, walaupun bentuk penampang tabung berbeda, besarnya tekanan total di titik A, B, C, dan D adalah sama.

pA = pB p0 + ρ1gh1 = p0 + ρ2gh2 ρ1h1 = ρ2h2 Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

7

04/04/2018

2. TEKANAN

2. TEKANAN

HUKUM PASCAL

HUKUM PASCAL

MENGAPA KETIKA KITA memompa sebuah ban sepeda, ternyata ban menggelembung secara merata?

Jadi, dalam Hukum Pascal dinyatakan berikut ini. “Tekanan yang diberikan pada zat cair dalam ruang tertutup akan diteruskan ke segala arah dengan sama besar .

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

8

04/04/2018

2. TEKANAN

2. TEKANAN

Hukum Archimedes

Hukum Archimedes  Kenapa kayu-kayu yang besar dan banyak lebih mudah diangkat dalam air daripada di darat?  Mengapa balon gas bisa naik ke atas ?  Mengapa kapal yang terbuat dari besi bisa terapung?

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Benda-benda yang dimasukkan pada fluida seakan akan mempunyai berat yang lebih kecil daripada saat berada di luar fluida. Misalnya, batu terasa lebih ringan ketika berada di dalam air dibandingkan ketika berada di udara. Berat di dalam air sesungguhnya tetap, tetapi air melakukan gaya yang arahnya ke atas. Hal ini menyebabkan berat batu akan berkurang, sehingga batu terasa lebih ringan. Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

9

04/04/2018

2. TEKANAN

2. TEKANAN

PENERAPAN HUKUM ARCHIMEDES Terapung

PENERAPAN HUKUM ARCHIMEDES Melayang

Mengapung (Vfb = Vbf) W benda = FA W benda = FA ρb .g.Vb = ρfl g.Vbf ρb = massa jenis benda (kg/m3) ρf = massa jenis fluida (kg/m3) Vbf = volume benda yang tercelup di dalam zat cair (m3) Vb = volume benda (m3) Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Mengapung (Vfb = Vbf) W benda = FA W benda = FA ρb .g.Vb = ρf g.Vbf ρb = ρ f

Jadi pada kasus ini massa jenis benda sama dengan massa jenis zat cair Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

10

04/04/2018

2. TEKANAN

2. TEKANAN

PENERAPAN HUKUM ARCHIMEDES

Konversi satuan tekanan

Tenggelam

Tenggelam (W b > Fa) W benda > FA W benda > FA ρb .g.Vb > ρf g.Vbf ρb > ρf

Jadi pada kasus ini massa jenis benda lebih besar daripada massa jenis zat cair Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

11

04/04/2018

3. ALIRAN FLUIDA

3. ALIRAN FLUIDA

Aliran Fluida dinyatakan sebagai aliran massa tiap satuan waktu :

Universitas Serambi Mekkah

Persamaan kontinuitas : Pada berbagai diameter aliran massa adalah tetap.

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

12

04/04/2018

3. ALIRAN FLUIDA

3. ALIRAN FLUIDA

Persamaan Bernoulli Jika density cairan tetap maka persamaan menjadi ; Q1 = Q2 A1v1 = A2v2 Q = Av = V/t = laju alir volumetris

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Jika kecepatan fluida tinggi, maka tekanannya rendah dan sebaliknya jika kecepatan fuida rendah maka tekanannya tinggi

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

13

04/04/2018

3. ALIRAN FLUIDA

3. ALIRAN FLUIDA Aplikasi pada persamaan bernoulli di terapkan untuk mengalirkan air ke lantai atas, iluastrasinya seperti berikut

Azas Bernoulli

Fluida diam memiliki tekanan yang dinamakan tekanan hidrostatis, P = ρgh. Bagaimana dengan tekanan oleh fluida dinamis? Besarnya sesuai dengan energi kinetik, P = ρ v2. Pada suatu fluida ternyata berlaku kekekalan tekanan. Kekekalan tekanan ini pertama kali dijelaskan oleh Bernoulli sehingga dikenal sebagai azas Bernoulli. Azas ini dapat dirumuskan sebagai berikut

P + ρgh + ½ ρv2 = kekal Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

14

04/04/2018

3. ALIRAN FLUIDA

4. VISKOSITAS Hukum Stokes

Teorema Terricolli

Teori Torricelli menyatakan bahwa kecepatan aliran zat cair pada lubang sama dengan kecepatan benda yang jatuh bebas dari ketinggian yang sama.

Viskositas (kekentalan) berasal dari perkataan Viscous. Suatu bahan apabila dipanaskan sebelum menjadi cair terlebih dulu menjadi viscous yaitu menjadi lunak dan dapat mengalir pelan-pelan. Viskositas dapat dianggap sebagai gerakan di bagian dalam (internal) suatu fluida.

V= kecepatan aliran fluida pada lubang (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2 ) h = tinggi fluida dari permukaan ( m ) Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

15

04/04/2018

4. VISKOSITAS

4. VISKOSITAS Persamaan :

Satuan viskositas fluida dalam sistem cgs adalah dyne det cm-2, yang biasa disebut dengan istilah poise di mana 1 poise = 1 dyne det cm-2.

FA + Fs = w Fs : gaya gesekan stokes (N) η : koefisien viskositas fluida (Pa s) r : jari-jari bola (m) v : kelajuan bola (m/s)

W = b.Vb.g FA = f .Vb.g FS = Vb.g ( b - f) Fs = 6 ηrv

Viskositas dipengaruhi oleh perubahan suhu. Apabila suhu naik maka viskositas menjadi turun atau sebaliknya. Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

16

04/04/2018

4. VISKOSITAS

4. VISKOSITAS

Kecepatan Terminal Jika sebuah benda yang dijatuhkan ke dalam sebuah fluida kental, kecepatannya makin membesar sampai mencapai kecepatan maksimum yang tetap. Kecepatan ini di namakan kecepatan terminal

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Untuk viskositas beberapa fluida dapat kita lihat pada tabel berikut!

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

17

04/04/2018

4. VISKOSITAS

5. TEGANGAN PERMUKAAN

Dalam peristiwa sehari-hari dapat diamati seperti • serangga dapat berjalan diatas permukaan air • jarum atau silet dapat diletakkan di atas permukaan air dengan hati-hati • kecenderungan tetes air berbentuk bola, dsb

t = waktu tempuh batas atas – bawah d = jarak batas atas - bawah Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Fenomena ini menunjukkan permukaan air mempunyai semacam stress tekan atau tegang muka zat cair. Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

18

04/04/2018

5. TEGANGAN PERMUKAAN

5. TEGANGAN PERMUKAAN



F Tegangan permukaan timbul karena gaya tarik-menarik molekul-molekul zat cair yang sejajar permukaan

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

Gaya ini berkurang dengan meningkatnya temperatur dan berubah jika ada larutan-larutan lain. Umumnya gaya per satuan panjang diukur pada suhu 20◦C.

Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertanian

19

04/04/2018

6. KAPILARITAS

6. KAPILARITAS Gejala kapiler pada meniscus cekung (air) akan naik di dalam pipa kapiler, makin kecil lubang pipa kapiler makin tinggi naiknya zat cair. Pada meniskus cembung (raksa) akan turun di dalam pipa kapiler, Makin kecil lubang pipa kapiler, maka makin rendah penurunan zat cair.Gejala kapiler tergantung pada kohesi dan adhesi.

Gejala kapiler atau kapilaritas adalah peristiwa naik atau turunnya zat cair di dalam pipa kapiler disebabkan oleh interaksi molekul-molekul di dalam zat cair (adhesi dan kohesi) Gaya kohesi adalah tarik-menarik molekul-molekul di dalam suatu zat cair.

antara

Gaya adhesi adalah tarik menarik antara molekul dengan molekul lain yang tidak sejenis, yaitu bahan wadah di mana zat cair berada. Universitas Serambi Mekkah

Fakultas Teknologi Pertan...