FISIKA LINGKUNGAN

TERMODINAMIKA

Termodinamika terdiri dari dua suku kata, yaitu termal dan dinamika. Termal dapat diartikan dengan panas, sedangkan dinamika adalah ilmu yang berkaitan dengan gerak langkah/sepak terjang. Dengan demikian termodinamika dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari tentang tingkah laku panas, hakekat panas, penyebab panas, penggunaan panas dan sebagainya. Atau dapat juga diartikan bahwa termodinamika merupakan suatu ilmu pengetahuan yang membahas hubungan antara panas dan kerja yang menyebabkan perubahan suatu zat. Dalam pembahasan ilmu termodinamika perlu batasan istilah panas agar mempunyai gambaran sehingga dapat mengambil suatu kesimpulan.

Panas sebagai bentuk energi

Panas didefinisikan sebagai bentuk energi dalam keadaan transit. Adanya energi transit ini oleh karena adanya perbedaaan temperatur antara sumber datang dengan energu yang energi. Energi itu tidak dapat dikatakan apabila ia belum mulai mengalir atau pergi/menghilang. Alat yang dipakai untuk mengukur kualitas panas dan kuantitas panas disebut dengan kalorimeter(Bomb Calorimeter)

Panas sebagai Derajat

Suatu objek dikatakan panas berarti temperatur objek tersebut dibandingkan dengan temperatur dari objek yang sama jenisnya. Alat ukurnya disebut dengan termometer, termometer ini dapat dibedakan menjadi termometer air raksa, termometer alkohol, termometer pentana, termometer termokoupel, termometer optik, termometer gas bervolume tetap.

Hubungan Termodinamika dengan Disiplin Ilmu Lainnya

Termodinamika membahas tentang sepak terjang panas. Sedangkan disiplin ilmu lainnya membahas tentang panas yang ditimbulkan oleh objek. Oleh karena itu hubungan termodinamika dengan disiplin ilmu lainnya sangat erat.

Sumber Panas

1. Panas dari Alam: cahaya matahari, panas bumi,

2. Panas buatan manusia: dari proses mekanik, dari magnet, dari bunyi, gelombnagn mikro, listrik, radiasi nuklir, cahaya lampu.

HUKUM TERMODINAMIKA

I. HUKUM KE-NOL TERMODINAMIKA (oleh R.H Fowler)

Membahas tentang dua buah substansi dengan dua keadaan berbeda(substansi I dengan keadaan I dan substansi II dengan keadaan II)

II. HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA (Joule Thompson)

- konsep energi dalam dan menghasilkan prinsip kekekalan energi.

- menegaskan ke ekivalenan perpindahan kalor dan perpindahan kerja.

III. HUKUM KE-DUA TERMODINAMIKA (oleh Carnot)

Membahas tentang masalah efisiensi suatu mesin yaitu suatu mesin bekerja hanya 70% saja, sdangkan 30% berupa panas terbuang. Hal ini memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energi dan memperkenalkan prinsip peningkatan entropi.

IV. HUKUM KE-TIGA TERMODINAMIKA (oleh Nerzt)

Membahas tentang kaitan antar gerakan-gerakan molekul dengan penurunan temperatur benda tersebut.

TRANSFER PANAS

• METODE KONDUKSI

Mengalirnya energi termal (suatu substansi) dari s\daerah yang temperaturnya tinggi ke temperature rendah dengan jalan sentuhan. Hal ini terjadi karena adany interaksi antara atom atau molekul.

• METODE KONVEKSI

Pemindahan energi termal melalui geraikan fisik dari suatu lokasi ke lokasi yang lain dari suatu substansi dimana energi termal tersebut disimpan. Diman energi panas ditrasfer/dipindahkan melalui aliran fluida/zat alir.

• METODE RADIASI

Energi panas diradiasi/dipancarkan oleh zat cair, padat, dan gas sebagai hasil dari temperatur mereka sendiri. Pancaran dapat berupa :

Gelombang elektromagnetik/seluruh spektrum elektromagnetik

Spektrum gelombang radio, infarmerah, cahaya tampak, ultraviolet.

Bagian dari sinar X(X-ray) dan sinar g(g-ray).

Benda panas dari bumi.

• METODE EVAPORASI

Merupakan proses dimana suatu substansi dalam keadaan cair berubah menjadi keadaan uap (penguapan). Alat ukur evaporasi ada 3 golongan :

Atmometer : alat untuk mengukur daya penguapan atmosfer.

Evaporimeter : alat untuk mengukur penguapan pada permukaan air.

Evapotranspirometer : mengukur evapotranspirasi.

PERTUKARAN PANAS/HEAT EXCHANGE

Ada dua pengertian dalam pertukaran panas yaitu:

· Suatu proses terjadi pemindahan panas melalui zat alir (fluida) yang mengalir dari suatu tempat ke tempat lain (melalui pompa) dengan akibat benda/tempat yang dilewati menjadi dingin oleh panasnya ikut serta dalam aliran zat alir.

· Suatu proses pemberian panas kepada suatu benda yang tadinya mempunyai suhu yang lebih rendah.

Berdasarkan pengertian diatas maka pertukaran panas digolongkan dalam 2 golongan besar, yaitu:

Proses Pemindahan Panas.

Suatu proses dimana suatu material menjadi dingin disebabkan adanya aliran zat alir (fluida) melalui suatu pipa.zat alir yang dipakai adalah Freon.

Proses Pemberian Panas.

Suatu yang dingin, bisa menjadi panas dengan memanggang 9pemanasan di atas perapian). Contohnya pemanasan kapur over.

PENERAPAN STATISTIK

STATISTIK KUANTUM

PENDAHULUAN

Fungsi distribusi bagi sistem partikel tidak terbedahkan dalam ranah fisika kuantum berbeda dari yang dalam ranah fisika klasik. Mengigat sistem kuatum berprilaku tidak lazim,fungsi distribusi bagi sistem partikel yang mematuhi azas larangan pauli (elektron misalnya) haruslah kita bedakan dari sistem partikel yang tidak mematuhi azas ini.
Partikel-partikel iyabg tidak mematuhi asas larangan pauli adalah yang memiliki spin bulat (0,1,2, … dalam satuan ħ) yang secara kolektif disebut boson. Fungsi distribusi bagi sistem boson disebut distribusi Bose-Einstein. Bentuknya adalah sebagai berikut :



partikel-partikel berspin pecahan setengah (1/2,3/2, … ) yang mematuhi asas larangan pauli,seperti elektron,atau nukleon disebut fermion, dan fungsi distribusi yang berlaku bagi sistem fermion ini adalah distribusi Fermi-Dirac :



Untuk distribusi Bose-Einstein, bagi sebagian besar kasus yang menarik perhatian, A tidak bergantung pada T atau ketergantungannya pada T adalah sedemukian lemahnya sehingga suku eksponensialnya eE/kT yang dominan. Sebaliknya untuk distribusi Fermi-Dirac, A sangat tergantung pada T, dan ketergantungan biasanya menghampiri bentuk eksponensial sehingga dapat ditulis sebagai berikut :

A = e-E/kT

Dengan demikian,fungsi distribusi Fermi-Dirac menjadi :



EF disebut energi Fermi

Marilah kita lihat secara kualitatif perbedaan antara fBD dan fFD pada suhu rendah. Untuk distribusi Bose-Einstein, pada limit T rendah, dengan menganggap sementara A =1, faktor eksponensial menjadi besar untuk energi yang besar,karena itu, fBD 0 untuk keadaan energi besar. Satu-satunya tingkat energi yang memiliki pe;uang besar untuk ditempati adalah keadaan yang memiliki E = 0; karena faktor eksponensial menghampiri 1, sehingga penyebut f menjadi sangat kecil dengan demikian fBD ~. Efek ini dikenal sebagai “pengembunan”.
Efek “penegmbunan” ini tidak mungkin terjadi pada sistem fermion,seperti sistem elektron,karena elektron-elektron dalam sebuah atom,misalnaya tidak senuanya menempati keadaan energi terendah,berapun pun rendahnya suhu.


PENERAPAN STATISTIK BOSE-EINSTEIN

Laser dan Maser
Maser adalah singkatan dari Microwave by stimulated emmision of radiation ( penguatan gelombang mikro melalui pemancaran radiasi yang distimulasi). Sedangkan laser merupakan singkatan dari light amplification by stimulated emmision of radiation (penguatan cahaya melalui pemancaran radiasi yang distimulasi). Maser dan Laser dua-duanya merupakan gejala penguatan,perbedaannya terletak pada jenis penguatannya saja. Maser untuk gelombang mikro (biasnya berupa gelombang elektromagnetik) sedangkan laser lebih khusus berupa penguatan cahaya.
Laser menimbulkan berkas cahaya yang semuanya memiliki frekwensi yang sama dan sefase satu sama lainya. Berkas ini juga terkolimasi dengan baik sehingga hanya menyebar sedikit walaupun pada jarak yang cukup jauh.
Kunci timbulnya laser ialah kehadiran atom yang memiliki satia atau lebih tingkat eksitasi dengan umur 10-3 s lebih lama dibandigkan dengan umur yang biasa yaitu sekitar 10-8 s. keadaan dimana tingkat eksitasi berumur relatif panjang ini disebut keadaan metastabil

Ada 3 jenis transisi yang menghasilkan laser yaitu :
Emisi spontan (transisi radiasi)
Emisi testimulasi
Adsorbsi tertimulasi

Transisi antara tingkatan energi dalam molekul atau atom dapat dibagi menjadi tiga bentuk yaitu :
Transisi antara dua tingkatan rotasi vibrasi dan tingkat keadaan elektronik yang berbeda,transisi ini disebut transisi vibrionik yang berasal dari kata ultra violet.
Transisi antara dua tingkat rotaasi-vibrasi yang memiliki tinghkat keadaan elektronik yang sama.
Transisi dari tingkat elektronik rotasi yang memiliki tingkat vibrasi yang sama, n=0, dari tingkat elektronik dasar.

Sistem dalam keadaan setimbang termal memiliki rasio perbandingan antara jumlah rata-rata Nj dari atom dengan tingkat emnergi Ej dan jumlah rata-rata Ni dari tingkat energi lebih rendah yaitu :


salah satu sistem Bose-Einstein adalah foton.Menurut teori kuantum radiasi, foton adalah Boson tak bermassa (massa diamnya nol) yang memiliki spin ħ. Foton memiliki massa karena selalu bergerak dengan kecepatan cahaya c didalam ruang vakum.

Zat Panas Jenis Padat
Dalam zat padat biasanya sebagian besar sifat fisiknya bersumber dari elektron valensi atau gerak kisi atomnya. Konduktivitas elektrik,misalnya bersumber dari lektron valensi sedangkan perambatan gelombang mekanik disebabkan oleh kisi atom.
Apabila suatu zat padat kita panaskan,gerak termal atom-atomnya kita perbesar;perbedaan antara zat padat dan gas adalah bahwa dalam zat padat atom-atom terpaku pada kedudukan setimbang itu. Untuk geraknya adalah gerakgerak sekitar kedudukan setimbang itu. Untuk osilator satu dimensi,terdapat dua derajat kebebasan. Menurut teorema ekuipartisi,bagi setiap derajat kebebasan terkait energi sebesar ½ kt, energi total zat padat 3 dimensi adalah 3kT(1/2kT setiap derajat kebabasan x 2 derajat kebebasan per satu dimensi x 3 dimensi) bagi setiap atom. Karena itu mol zat memiliki jumlah atom sebanyak bilangan avogadro, maka energi total zat padat per mol haruslah

E= 3NAkT

=3RT

Pemecahan terhadap kegagalan ramalan fisika klasik ini pertama kali diberikan oleh Einstein, yang menganggap bahwa getaran kisi atom zat padat (bukan atomnya)mematuhi statistik Bose-Einstein. Seperti halnya dengan gelombang elektromagnetik yang dianalisis sebagai partikel,yang disebut foton yang mematuhi statistik Bose-Einstein, gelombang mekanik aatau akustik juga dianalisis sebagai partikel (yang disebut fonon) yang mematuhi statistik Bose-Einstein. Persoalnya disederhanakan Einstein dengan menggangap semua fofon(getaran) memiliki frekwensi yang sama sehingga masalah faktor kerapatan keadaannya tidak perlu dihiraukan. Tiap foton memiliki frekwensi v dan peluang fonon untuk memiliki frekwensi v adalah :



Oleh karenma itu energi rata-rata osilator yang frekwensi getarnya v adalah :



Energi satu kilomol zat padat adalah :



Maka panas jenis mol pada volume tetap adalah :




Radiasi Benda Hitam
Dalam bahasan berikut,radiasinya akan kita pandang dalam bentuk foton,jadi kotaknya kita anggap berisi gas foton.karena spin foton adalah 1,maka foton tergolong kelompok boson dan dengan demikian sistem foton mematuhi statistik Bose-Einstein.
Contoh yang mendekati benda hitam ideal adalah suatu rongga yang berlobang kecil. Jika rongga berada pada suhu konstan T,dinding bagian dalam menyerap dan mengeemisikan foton pada jumlah yang sama. Radiasi gelombang elektronagnetik dalam hali ini berada pada kesetimbanbgan termal. Kesetimbangan ini dapat dipandang sebagai kesetimbangan gellombang atau kesetimbangn foton.
Jika radiasi dipandang sebagai kumpulan gelombang elektromagnetik. Gelombang tersebut dipantulkan oleh dinding berkali-kali sehingga menghasilkan gelombang berdiri. Jka dipandang sebagai kumpulan foton,interaksi hanya terjadi antara foton dengasn dinding rongga dan dalam kesetimbangan termal dengan rongga.
Jumlah keadaan energi foton yang diperkenankan adalah

g(n)dn = 2 x 1/8 x4пn2 dn
dan karena

kita dapati bahwa

jadi,jumlah foton memiliki energi dalam rentang E dan E + dE, menurut distribusi Bose-Einstein adalah :
p(E)dE = g(E)fBE dE




Helium Cair
Berikut adalah daftar beberapa sifat Helium cair :
gas helium adalah das yang paling lembam dari semua gas mulia. Ia sulit sekali sekali membentuk senyawa kimia dengan unsur lain. Titik didihnya adalah yang terendah dari semua zat padat,yakni 4,18 K.
Dibawah sushu 4,18 Khelium berprilaku sebagai zat cair biasa. Begitu mendidih,uap gas helium yang keluar membentuk gelembung-gelembung,seperti gelembung air yang mendidih,bila helium cair terus dididihkan, maka pada suhu 2,18 K terjadi transisi mendadak yang menhentikan gejolak pendidihan dan seluruh helium cair akan tenang.
Tepat dibawah suhu 2,18 K, kapasitas panas dan konduktivitas panasanya mendadak meningkat sevara tidak kontinu.
Apabila suatu zat cair mengalir melalui sebuah pipa sempit,viskositasnya menimbulkan hambatan pada aliran helium cair melalui sebuah pipa kapiler,viskositasnya turun sekitar 10 kali. Hal ini menyebabkan helium cair,dibawah titik lambda,mengalir dengan mudah melalui piopa kapiler yang pada suhu diatas titik lambda tidak dapat dilaluinya.
Dibawah titik lambda,helium cair tampaknya mampu melawan tarikan gravitasi bumi, dengan mengalir keatas dan tumpah kelura tabung penampungannya. Caranya, helium cair membentuk lapisan tipis yang merangkat keatas sepanjang dinding tabung yang kemudian menarik keatas helium cair sisa dan akhirnya menetes dari dasar tabung.

Semua sifat aneh ini terjadi karena helium cair tunduk pada statistik Bose-Einstein. Sebuah atom helium memiliki dua elektron yang mengisi kulit 1s;jadi momentum sudut total kedua elektronnya adalah nol.kedua proton dan kedua neutron dalam intinya juga berpasangan,jadi spin inti atom helium juga nol. Dengan demikian,spin total atom helium (spin elektron + spin inti) adalah nol, dan atom helium berprilaku sebagai boson.
Pada suhu 2,18 K,terjadi suatu perubahan fase dalam helium cair. Dititik lambda,helium berprilaku sebagai cairan biasa,fase terakhir ini disebut He I,. Fase yang terjadi dibawah titik lambda disebut He II, dan semua sifat istimewa nya itu disebabkan oleh komponen superfluida nya. Penyebab semua sifat tidak lazim helium cair ini adalah komponen superfluida ini,yang disebut juga sebagai cairan kuantum. Karena sistem atom helium mematuhi statistik Bose-Einstein,maka azas larangan pauli tidak berlaku sehigga semua atom helium dengan demikian bebas menempati keadaan kuatum yang sama.


PENERAPAN STATISTIK FERMI-DIRAC

Penerapan Statistik Fermi-Dirac Pada Elektron Dalam Logam

Mengingat semua elektron valensi dalam logam tidak tidak terlalu kuat terikat pada atom-atomnya,maka mereka dapat bergerak lebih bebas dalam logam. Sistem elektron ini dapat diperlakukan sebagai suatu gas yang mematuhi distribusi Fermi-Dirac. Fungsi kerapatan keadaannya dfapat diturunkan dengan cara seperti pada gas foto. Perbedaannnya adalah bahwa kita bukannya menggunkan hubungan E = pc,melainkan rumus energi kinetik tidak relavistik elektron E = p2/2m. dengan melakukan yang sam kita peroleh :


jadi jumlah elektron dengan energi E, anatara E dan E + dE adalah :



Nilai Ef dapat kita hitung , anggaplah logam mengandung N buah elektron bebas, ini berarti :


pada T = 0, fungsi distribusi Fermi-Dirac sama dengan 1 untuk E <> Ef. Jadi,integral tersederhananya menjadi :



yang setelah dihitung memberikan hasil :



V = L3 adalah volume logam
Kita dapat pula menghitung energi rata-rata elektron yakni :



Meskipun distribusi Fermi-Dirac adalah suatu deskripsi yang tepat dan wajar mengenai prilaku fermion,tinjauan kita dengan menggunakan teori elektron bebas diatas adalah suatu peneyerhanaan yang berlebihan. Elektron-elektron sebernanya tidaklah sama sekali bebas,bahkan pula dalam keadaan konduktror. Walau[pun elktron-elktron valensi bergerak relatif bebas, mereka tretap mengalami pengaruh potensial periodik yang ditimbulksan atom-atom pada kisi kristal,yang memberi perubahn berarti pada kerapatan keadaan g(E). perubahan ini, serta akibatnya pada prilaku logam,isolator dan semikonduktor.

Konduktivitas Listrik dalam Logam
Statistik Fermi-Dirac dapat menjelaskan elektron dalam logam pada sifat gelombangnya. Sekarang kita tunjukan pemahanman sifat elektron dalam logam yang dapat dijelaskan statistik Fermi-Dirac. Salah satu contoh sifat yang cukup sedeerhana adalah hukum Ohm. Jika pada seutas tali klawat yang panjangnya l bila ujung-ujungnya diberi potensial v maka menunjukan bahwa pada kawat itu akann mengalir arus listrik. Yang besarnya.

besarnya hambatan kawat :


Besarnya kerapatan arus J pada kawat :



Besarnya energi medan listrik E pada seutas kawat yang lebarnya l adalah :



Contoh Soal :
Alam semesta kita dipenuhi oleh radiasi benda hitam bertemperatur 3 K yang berasal dari sisa-sias saat ledakan besar (the big bang). Perkirakan
jumlah foton jika jari-jari alam semesta 1028cm
Energi foton tersebut

Penyelesaian :
jumlah foton dialam semesta



=2,4





energi total foton






Hitung energi Fermi dari logam natrium?
Pemecahan
Karena setiap atom natrium menyumbang satu elektron valensi,maka jumlah elektron per satuan volume, N/V sama dengan jumlah atom per volume. Nilai ini dapat ditentukan dari kerapatan atom na2trium dan massa atom natrium :











Setiap atom natrium pada logam natrium dapat mel;epaskan satu elektron bebas. Berat atom natrium 323 sedangkan berat jenis logam ini 0,97 x 103 kg/m3. Hitung
Energi Fermi logam natrium tersebut
Prosentase jumlah elektron yang mempunyai energi diataas. Energi fermi pada temperatur 300 K
Penyelesaian :
berat atom Na adalah 23 berarti 23 gram/mol
berat jenis logam Na


maka terdapat


dengan demikian,energi Fermi adalah :





= 4,9946x10-12 erg
=3,1177 eV
Temperatur Fermi bersangkutan


maka elektron yang mempunyai energi diatas energi Fermi pada temperatur 300K adalah








DAFTAR PUSTAKA


Krane,Kenneth.1992.Fisika Modern.Jakarta:Penerbit Universitas Indonesia

Purwanto,Agus.2007.Fisika Statistik.Yogyakarta:Gava Media

Kusminarto.1994.Pokok-Pokok Fisika Modern.Yogyakarta:Universitas Gajah Mada