HUKUM 1 NEWTON

Hukum 1. sebuah benda terus berada pada keadaan awalnya yang diam atau bergerak dengan kecepatan konstan kecuali benda itu dipengaruhi oleh gaya yang tak seimbang, atau gaya luar neto.

Hukum 2. percepatan sebuah benda berbanding terbalik dengan massanya dan sbanding dengan gaya neto yang bekerja padanya :

Atau

Hukum 3. Gaya-gaya selalu terjadi berpasangan. Jika benda A,mengerjakan sebuah gaya pada benda B, gaya yang sama besar dan berlawanan arah dikerjakan oleh benda B pada benda A.

• Sebuah kerangka acuan dimana hukum-hukum Newton berlaku dinamakan kerangka acuan inersia. Setiap kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan konstan relative terhadap kerangka acuan inersia merupakan kerangka acuan inersia juga. Sebuah kerangka acuan yang dipercepat relative terhadap kerangka inersia bukan kerangka acuan inersia. Sebuah kerangka acuan yang diikatkan ke bumi hampir berperilaku sebagai kerangka acuan inersia.
• Gaya didefinisikan dengan percepatan yang dihasilkannya pada sebuah benda tertentu. Gaya 1 newton (N) adalah gaya yang menghasilkan percepatan 1 m/s² pada benda standar dengan mass 1 kilogram (kg).
• Massa adalah sifat intrinsic dari sebuah benda yang menyatakan resistensinya terhadap percepatan. Massa sebuah benda dapat dibandingkan dengan massa benda lain dengan menggunakan gaya yang sama pada masing-masing benda dan dengan mengukur percepatannya. Dengan demikian rasio massa benda-benda itu sama dengan kebalikan rasio percepatan benda-benda itu yang dihasilkan oleh gaya yang sama :

Massa sebuah benda tidak tergantung pada lokasi benda.

• Berat   sebuah benda adalah gaya tarikan gravitasi antara benda danbumi. Gaya ini sebanding dengan massa m benda itu dan medan gravitasi   , yang juga sama dengan percepatan gravitasi jatuh bebas :

Berat benda sifat intrinsic benda. Berat bergantung pada lokasi benda, karena g bergantung pada lokasi.

• Semua gaya yang diamati di alam dapat dijelaskan lewat empat interaksi dasar :

1. Gaya gravitasi
2. Gaya elaktromagnetik
3. Gaya nuklir kuat (juga dinamakan gaya hadronik)
4. Gaya nuklir lemah

Gaya sehari-hari yang kiat amati di antara benda-benda makroskopis, seperti gaya kontak penopang dan gesekan dan gaya kontak yang dikerjakan oleh pegas dan tali, disebabkan oleh gaya-gaya molekuler yang muncul dari gaya elektromagnetik dasar.

• Metode pemecahan persoalan umum untuk memecahkan soal dengan menggunakan hukum-hukum Newton mencakup langkah-langkah berikut ini :

1. Gambarlah diagram dengan rapi
2. Isolasi benda (partikel) yang dinyatakan dan gambarlah diagram benda bebas, yang menunjukkan tiap gaya eksternal yang bekerja pada benda. Gambarlah diagram benda terpisah untuk tiap benda yang dinyatakan.
3. Pilihlah system koordinat yang mudah untuk tiap benda, dan terapkan hukum kedua Newton dalam bentuk komponen.
4. Periksa hasil Anda untuk melihat apakah hasil tersebut masuk akal. Periksalah jawaban Anda jika variable-variabel diberi nilai-nilai ekstrim.

PENGUKURAN

Besar suatu besaran fisik (misalnya panjang, waktu, gaya, dan energi) dinyatakan sebagai suatu bilangan yang diikuti dengan suatu satuan.

Satuan-satuan pokok Sistem Intemasional (SI) adalah meter (m), sekon (s), kilogram (kg), kelvin (K), ampere (A), mole (mol), dan kandela (cd). Setiap besaran fisik dapat dinyatakan dalam satuan-­satuan pokok ini.

Satuan-satuan dalam persamaan diperlukan seperti besaran aljabar lainnya.

Faktor konversi, yang selalu sama dengan 1, memberikan suatu metode yang praktis untuk mengubah satuan yang satu ke yang lain.

Bilangan yang sangat kecil dan sangat besar paling mudah ditulis dengan bilangan antara 1 dan 10 dikalikan dengan bilangan berpangkat dari 10. Cara penulisan ini disebut dengan notasi ilmiah. Jika mengalikan dua bilangan, maka eksponennya ditambahkan jika membagi, eksponennya dikurangkan. Jika suatu bilangan yang mengandung eksponen dipangkatkan lagi oleh suatu eksponen, maka eksponen-eksponennya dikalikan.

Jumlah angka signifikan dalam hasil pengalian atau pembagian tidak lebih besar dari jumlah angka signifikan terkecil dan faktor­-faktornya. Hasil penjumlahan atau pengurangan dua bilangan tidak akan mempunyai angka signifikan di luar tempat desimal terakhir di mana kedua bilangan asalnya mempunyai angka signifikan.

Suatu bilangan yang dibulatkan ke pangkat terdekat dari bilangan pokok 10 disebut orde magnitudo. Orde magnitudo suatu besaran seringkali dapat diperkirakan dengan menggunakan asumsi yang masuk akal dan dengan perhitungan sederhana.

HUKUM 1 TERMODINAMIKA DAN PANAS

PANAS DAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

• Panas adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lain karena beda temperatur. Kapasitas panas suatu zat adalah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur zat dengan satu derajat. Panas jenis adalah kapasitas panas per satuan massa. Kalori, yang pada mulanya didefinisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur satu gram air dengan satu derajat Celcius, sekarang didefinisikan sebagai 4,184 joule. Panas jenis air adalah 4,184 kJ/kg.K.
• Panas yang dibutuhkan untuk mencairkan suatu zat adalah hasil kali massa zat itu dan panas laten peleburan L_f :

Q=mL_f

Panas yang dibutuhkan untuk menguapkan cairan adalah hasil kali massa cairan dan panas laten penguapan L_v :

Q = mL_v

Pencairan dan penguapan terjadi pada temperatur konstan. Untuk air,L_f=333,5 kJ/kg dan L_v=2257 kJ/kg. Panas yang dibutuhkan untuk mencairkan 1 g es atau untuk menguapkan 1 g air adalah besar dibandingkan dengan panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 g air sebanyak satu derajat.

• Ketiga mekanisme transfer energi termis adatah konduksi, konveksi, dan radiasi.
• Laju konduksi energi termis diberikan oleh

dengan 1 adalah arus termis dan k adalah koefisien konduktivitas termis. Persamaan ini dapat ditulis

∆T=IR

dengan R adalah resistansi termis:

Resistansi termis untuk satuan luasan bahan lempengan dinamakan factor R yaitu R_f :

Resistansi termis ekivalen dari deretan resistansi terrnis yang dihubungkan secara seri sama dengan jumlah masing-masing resistansi :

R_ek =R₁ +R₂ + ….. resistansi seri

Resistansi termis ekivalen untuk resistansi termis yang dihubungkan secara paralel dibenkan oleh :

• Laju radiasi termis satu benda diberikan oleh

P=eσAT⁴

dengan σ = 5,6703x10^-8 W/m².K⁴ adalah konstanta Stefan, dan eadalah emisivitas, yang bervariasi antara 0 dan 1 tergantung pada komposisi permukaan benda. Bahan-bahan yang merupakan absorber panas yang baik adalah radiator panas yang baik. Sebuah benda hitam mempunyai emisivitas 1. Benda ini merupakan radiator yang sempuma, dan menyerap semua radiasi yang datang padanya. Daya termis neto yang diradiasi oleh sebuah benda pada temperatur Tdalam suatu Iingkungan pada temperatur T₀ diberikan oleh

Spektrum energi elektromagnetik yang diradiasikan oleh benda hitam mempunyai maksimum pada panjang gelombang λ_maks, yang berubah secara terbalik dengan temperatur absolut benda :

Ini dikenal sebagai hukum pergeseran Wien.

• Untuk semua mekanisme transfer panas, jika beda temperatur antara benda dan sekitarnya adalah kecil, maka laju pendinginan sebuah benda hampir sebanding dengan beda temperatur. Hasil ini dikenal sebagai hukum pendinginan Newton.
• Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan kekekalan energi. Pernyataan ini mengatakan bahwa panas neto yang ditabahkan pada suatu system sama dengan perubahan energi internal system ditambah usaha yang dilakukan oleh system :

Q = ∆U + W

Energi internal system adalah sifat keadaan system, seperti halnya tekanan, volume, dan temperatur, tetapi tidak demikian halnya dengan panas dan usaha.

• Energi internal gas ideal hanya tergantung pada temperatur absolut T
• Proses kuasi static adatah proses yang terjadi secara Iambat agar system berubah lewat serangkaian keadaan setimbang. Sebuah proses adalah isobaric jika tekanan tetap konstan, isotermis jika temperatur tetap konstan, dan adiabatic jika tidak ada panas yang ditransfer. Untuk ekspansi gas ideal secara adiabatic kuasi static, tekanan, dan volume dihubungkan oleh

PV ^γ = konstan

dengan γ adalah rasio kapasitas panas pada tekanan konstan terhadap kapasitas panas pada volume konstan :

• Bila sebuah system berekspansi secara kuasi static, usaha yang dilakukan oleh system diberikan oleh

Usaha yang dilakukan oleh gas dapat dinyatakan secara grafis sebagai luasan di bawah kurva P versus V. Usaha ini dapat dihitung jika P diketahui sebagai fungsi V untuk ekspansi tersebut. Untuk ekspansi isotermis gas ideal, usaha yang dilakukan oleh gas adalah

Untuk ekspansi adiabatic gas ideal, usaha yang dilakukan oleh gas adalah

• Kapasitas panas pada volume konstan dihubungkan dengan perubahan energi internal oleh

Untuk gas ideal, kapasitas panas pada tekanan konstan lebih besar daripada kapasitas panas pada volume konstan dengan jumlah nR :

Kapasitas panas pada tekanan konstan lebih besar karena gas yang dipanaskan pada tekanan konstan berekspansi dan melakukan usaha, sehingga mengambil jumlah panas yang lebih banyak untuk mencapai perubahan temperatur yang sama.

Kapasitas panas pada volume konstan untuk gas monoatomik adalah

Untuk gas diatomik, besamya adalah

• Teorema ekipartisi menyatakan bahwa bila sebuah system ada dalam keadaan setimbang, maka terdapat energi rata-rata sebesar         per molekul atau        per mole yang dikaitkan dengan tiap derajat kebebasan. Gas monoatomik mempunyai tiga derajat kebebasan, yang dikaitkan dengan energi kinetik translasi dalam tiga dimensi. Gas diatomic mempunyai dua derajat kebebasan tambahan, yang dikaitkan dengan rotasi terhadap sumbu-sumbu yang tegak lurus dengan garis yang menghubungkan atom-atom itu.
• Kapasitas panas molar kebanyakan padatan adalah 3R, sebagai hasil yang dikenal sebagai hukum Dulong — Petit. Hasil ini dapat dimengerti dengan menerapkan teorema ekipartisi pada model padatan di mana tiap atom dalam padatan dapat bervibrasi dalam tiga dimensi, dan karena itu mempunyai enam derajat kebebasan total, tiga dikaitkan dengan energi kinetik vibrasi dan tiga dengan energi potensial vibrasi.

ASAL - USUL MEKANIKA KUANTUM

• Energi dalam radiasi elektromagnetik bukanlah hal yang kontinu tetapi datang dalam bentuk kuanta dengan energi yang diberikan oleh

dengan f merupakan frekuensi, λ merupakan panjang gelombang, danh merupakan konstanta Planck, yang memiliki

Besaran hc sering muncul dalam perhitungan dan memiliki nilai

hc= 1240 eV.nm

Ciri kuantum cahaya dipertunjukkan dalam efek fotolistrik, yang dalam efek tersebut foton diserap oleh atom dengan pemancaran electron, dan hamburan Compton, yang dalam hamburan itu foton bertumbukan dengan electron bebas dan muncul dengan energi yang berkurang dan dengan panjang gelombang yang lebih panjang.

• Sinar-x dipancarkan apabila electron diperlambat dengan menabrakkannya pada sasaran dalam tabung sinar-x. Spektrum sinar-x terdiri atas sederetan garis tajam yang disebut spectrum karakteristik yang ditimpakan pada spectrum bremsstrahlung yang kontinu. Panjang gelombang minimum datam spectrum bremsstrahlung λ_m bersesuaian dengan energi maksimum foton yang dipancarkan, yang sama dengan energi kinetik maksimum electron eV, dengan V merupakan tegangan tabung sinar-x. Panjang gelombang minimum diberikan oleh

• Panjang gelombang sinar-x biasanya berada dalam orde nanometer, yang juga hampir sama dengan jarak-pisah atom dalam suatu kristal. Maksima difraksi diamati apabila sinar-x berpencar dari kristal, yang menandakan bahwa sinar-x merupakan gelombang elektromagnetik dan bahwa atom-atom dalam kristal tersusun dalam jajaran teratur.
• Untuk menjabarkan rumus Balmer pada spectrum atom hydrogen, Bohr mengusulkan postulat berikut ;

Postulat 1  : Elektron dalam atom hydrogen hanya dapat bergerak dalam orbit melingkar yang tak meradiasi yang disebut keadaan stasioner.

Postulat 2 : Atom meradiasikan foton apabila electron melakukan peralihan dari suatu orbit stasioner ke orbit lainnya. Frekuensi foton ini diberikan oleh

dengan E_i dan E_f merupakan energi awal dan akhir atomnya.

Postulat 3 : Jari-jari (dan energi) orbit keadaan stationer ditentukan dengan fisika klasik beserta keadaan kuantum yang momentum sudut electron harus sama dengan bilangan bulat dikalikan dengan konstanta Planck dibagi dengan 2π.

dengan h = h/2π = 1,05 x 10^-34 J.detik

Postulat ini menghasilkan tingkat energi yang diizinkan dalam atom hydrogen yang diberikan oleh

dengan n suatu bilangan bulat dan

Jari-jari orbit stationer diberikan oleh

Dengan

merupakan jari-jari pertama Bohr.

• Ciri gelombang electron pertama kali disarankan oleh de Broglie, yang mempostulatkan persamaan

untuk frekuensi dan panjang gelombang electron. Dengan persamaan ini, keadaan kuantum Bohr dapat dipahami sebagai keadaan gelombang berdiri. Sifat gelombang electron pertama kali diamati secara percobaan oleh Davisson dan Germer dan kemudian oleh G.P. Thomson, yang mengukur difraksi dan interferensi electron.

• Teori matematis sifat gelombang materi dikenal sebagai teori kuantum. Dalam teori ini, electron diuraikan oleh fungsi gelombang yang mematuhi persamaan gelombang. Kuantisasi energi dari keadaan gelombang berdiri digunakan untuk electron dalam berbagai system. Teori kuantum merupakan dasar untuk pemahaman kita atas ciri fisis dunia modern.