Laporan Praktikum Kimia Fisika Termodinamika Karet

I. TUJUAN Menentukan nilai F pada setiap penambahan volume. Menentukan faktor yang mempengaruhi panjang renggangan karet gelang. Menentukan faktor yang mempengaruhi sifat regangan karet gelang.

II. PENDAHULUAN Karet adalah polimer alam. Karet yang tervulkanisasi mempunyai sifat elastic yang baik. Karet gelang dapat diregangkan oleh gaya tertentu, tetapi akan mencapai  panjang awal kembali kalau gaya tidak bekerja lagi. Ini disebabkab adanya ikatan silang yang berada di antara polimer-polimer. Kalau tidak ada gaya yang dikerjakan,  bentuk dari molekul polimer menjadi lebih teratur atau entropi dari karet berkurang. Karena itu, sifat elastisitas dari karet tergantung dari suhu dan dapat dianalisa secara termodinamis.

Gb. 1. Alat ukur regangan karet

Menurut hokum pertama untuk proses diferensial : δU = δQ + δW = TdS.PdV + Fdl Dimana : F

= gaya regang

l

= panjang karet gelang

Pada proses regangan dalam praktek, volume boleh dianggap tetap (mengapa?), ini berarti dV = 0. Karena itu untuk regangan pada suhu tetap berlaku : F=

 Ul    Sl ……………………………………………………………….(1) δ

δ

δ

δ

Suku-suku

pada

ruas

kanan

sukar

diukur

langsung,

tetapi

dengan

menggunakan hubungan Maxwell untuk regangan karet menjadi :

 Sl  =  TF……………………………………………………………..…(2) δ

δ

δ

δ

(1) dapat ditulis sebagai :

 Ul    TF……………………………………………………………….(3) F U S F dan   dapat diukur, dari ini      dapat dihitung. T l l F=

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

δ

Kalau suhu naik, keadaan dakil zat akan cenderung lebih acak. Karena itu dapat diduga bahwa F yang diperlukan untuk perpanjangan tertentu akan menjadi lebih besar pula.Dengan menggunakan statistik, nilai entropi dapat dihitung sebagai fungsi regangan untuk karet gelang yang dibuat dari zat polimer yang terdiri dari kumparam acak. Dari ini dapat diturunkan bahwa untuk regangan terbatas Hukum Hooke berlaku dan betul bahwa: F=kΔl, dengan k= pT (p=tetapan)………………………………..….(4) Atau F = kl + c ……………………………………………………………………(5a) = pTl + c …………………………………………………………………..(5b)

Menurut model ini, F berbanding lurus dengan T untuk regangan tertentu. Dengan pengukuran F pada beberapa variasi suhu, dapat ditentukan sejauh mana model kumparan acak dapat digunakan untuk karet yang tervulkanisasi

III. BAHAN DAN METODA Bahan : -

Kaleng

-

 Neraca

-

Kawat pengait

-

Karet Gelang

-

Termometer

-

Termostat

-

Sumbat karet

-

Batang kaca

-

Statif

-

Penggaris

-

Air

Metoda 1) Dirangkai alat seperti pada gambar

2) Ditimbang kaleng, dicatat juga suhu ruangan (diukur F sebgai fungsi l  pada suhu laboratorium) 3) Diperiksa regangan maksimal yang dapat digunakan pada peralatan. 4) Ditentukan berapa volume air yang harus dimasukkan dalam kaleng untuk mencapai regangan maksimum. 5) Dibagi volume air menjadi lima untuk mengukur l sebagai fungsi F ( ada 6 kali pengukuran dengan volume yang berbeda ) 6) Ditunggu sampai kesetimbangan tercapai pada setiap pengukurandicatat l ,  F ,dan T 7) Dibuat 4 seri pengukuran, pertama dari regangan maksimal ke regangan minimal dan yang kedua sebaliknya

8) Diulang kedua seri pengukuran, dengan dibalik urutannya. (volume air yang digunakan untuk setiap seri pengukuran diusahakan selalu sama sehingga memudahkan perhitungan) 9) Dibuat 4 seri pengukuran seperti langkah sebelumnya untuk T2 dengan mengalirkan air panas kedalam thermostat. 10) Ditunggu sampai kesetimbangan termal tercapai pada setiap pengukuran l, F dan T (T2) dicatat. 11) Diusahakan volume air yang digunakan selalu sama sehingga memudahkan  perhitungan

IV. HASIL Massa kaleng = 60,49 gram Suhu ruang

= 20˚C

a. Pengukuran pada T 1 = 20˚C Minimal-Maksimal V air (ml)

20

40

60

80

100

120

L1 (cm)

9,3

9,8

10,2

10,5

10,9

11,1

L2 (cm)

9,5

9,8

10,2

10,6

10,9

11,1

Rata-rata

9,4

9,8

10,2

10,55

10,9

11,1

Maksimal-Minimal V air (ml)

120

100

80

60

40

20

L1 (cm)

11,7

11,2

10,8

10,4

10,2

9,8

L2 (cm)

11,8

11,4

10,8

10,4

10,1

9,8

11,75 11,3

10,8

10,4

10,15

9,8

Rata-rata

 b. Pengukuran pada T 2 = 54˚C Minimal-Maksimal

V air (ml)

20

40

60

80

100

120

L1 (cm)

9,8

10,1

10,3

10,7

11,1

11,6

L2 (cm)

9,8

10,1

10,4

10,7

11,2

11,8

Rata-rata

9,8

10,1

10,35

10,7

11,15

11,7

Maksimal-Minimal V air (ml)

120

100

80

60

40

20

L1 (cm)

11,7

11,4

11,3

10,9

10,5

9,8

L2 (cm)

11,7

11,5

11,1

10,9

10,4

9,8

Rata-rata

11,7

11,45 11,2

10,9

11,45

9,8

V. JAWAB PERTANYAAN 1.  Nilai rata-rata untuk hasil percobaan : a.1 Nilai rata-rata 1 

Pengukuran pada T 1 = 20˚C Minimal-Maksimal V air (ml)

20

40

60

80

100

120

L1 (cm)

9,3

9,8

10,2

10,5

10,9

11,1

L2 (cm)

9,5

9,8

10,2

10,6

10,9

11,1

Rata-rata

9,4

9,8

10,2

10,55

10,9

11,1

Maksimal-Minimal V air (ml)

120

100

80

60

40

20

L1 (cm)

11,7

11,2

10,8

10,4

10,2

9,8

L2 (cm)

11,8

11,4

10,8

10,4

10,1

9,8

11,75 11,3

10,8

10,4

10,15

9,8

Rata-rata



Pengukuran pada T 2 = 54˚C Minimal-maksimal V air (ml)

20

40

60

80

100

120

L1 (cm)

9,8

10,1

10,3

10,7

11,1

11,6

L2 (cm)

9,8

10,1

10,4

10,7

11,2

11,8

Rata-rata

9,8

10,1

10,35

10,7

11,15

11,7

Maksimal-minimal V air (ml)

120

100

80

60

40

20

L1 (cm)

11,7

11,4

11,3

10,9

10,5

9,8

L2 (cm)

11,7

11,5

11,1

10,9

10,4

9,8

Rata-rata

11,7

11,45 11,2

10,9

11,45

9,8

a.2 Ralat dalam l

l = ± 0,1 cm =

, ×100% = 10% 

 Notasi ralat : (1 ± 0,1) cm = (1 ± 10%) a.3. Gaya regang F

 = 1 ⁄ g = 9,8 ⁄ F = [massa kaleng + (massa air x   )] x g

massa kaleng = 60,49 g

-

Volume = 20 ml F = [60,49 g + (20 x1

-

Volume = 40 ml F = [60,49 g + (40 x 1

⁄)] x 10  x 9,8 ⁄  = 0,7888 N  -3

⁄)] x 10  x 9,8 ⁄ = 0,9848 N  -3

-

Volume = 60 ml

⁄)] x 10  x 9,8 ⁄ = 1,1808 N  -3

F = [60,49 g + (60 x 1 -

Volume = 80 ml F = [60,49 g + (80 x1

-

⁄)] x 10  x 9,8 ⁄ = 1,3768 N 

Volume = 100 ml F = [60,49 g + (100x1

-

Volume = 120 ml F = [60,49 g + (120 x1

-3

⁄)] x 10  x 9,8 ⁄ = 1,5728 N  -3

⁄)] x 10  x 9,8 ⁄ = 1,7688 N  -3

a.4. Ralat dalam F

Ralat dalam F tergantung pada ralat volume = Ralat F =

± 1 ml

  x 100% = 0,1% 

 Notasi ralat F = (1

± 0,001) = 1(1 ± 0,1%)

b. Gambarkan sebuah grafik dari F sebagai fungsi l pada masing  –  masing T1 dan T2 (termasuk persegi panjang ralat)

Grafik Gabungan 15

11.7

 

  11.3 10.29   10.625   10.95

9.6

 

  11.425   10.675   11.1 9.975   10.3

10

    )    N     (    F

 

9.8

Suhu 20 C

5

Suhu 54 C 0 0.7888

0.9848 1.1808

1.3768

1.5728

1.7688

l (cm)

2. Dari grafik-grafik ini hitunglah (kalau perlu gunakan bagian grafik yang linier saj a) : a.  Nilai dari k (persamaan 5a), pada T1 dan T2

i. Pada T1 = 20 °C = 293,15 K

 = ,−, = ,  = 57,6470 N  (,−,)× ,×  = ,−, = ,  = 50,2564 N Grafik landai =  (,−,)× ,× ,+, = 53,9517 N K rata-rata =  Grafik curam =

ii. Pada T2 = 54 °C = 327,15 K

 = ,−, = ,  = 51,5789 N  (,−,)× ,×  = ,−, = , = 51,5789 N Grafik landai =  (,−,)× ,× ,+, = 51,5759 N K rata-rata =  Grafik curam =

 b.  Nilai dari F sebagai fungsi panjang l  pada T1 (=F1) dan T2 (=F2),  persamaan (5a) i. Pada T1 = 20 °C = 293,15 K Grafik curam K T1 = 53,9517 Misal : F = 1,7688 l = 11,1 cm = 0,111 m F = k l + c ; c = F –  k l = 1,7688 –  (53,9517 x 0,111) = -4,2198

Grafik landai K T1 = 53,9517 Misal : F = 0,7888 l = 9,8 cm = 0,098 m F = k l + c ; c = F –  k l = 0,7888 –  (53,9517 x 0,098) = -4,4984 ii. Pada T1 = 54 °C = 327,15 K Grafik curam K T1 = 51,5759 Misal : F = 1,7688 l = 11,7 cm = 0,117 m F = k l + c ; c = F –  k l = 1,7688 –  (51,5759 x 0,117) = -4,2655

Grafik landai K T1 = 51,5759

Misal : F = 0,7888 l = 9,8 cm = 0,098 m F = k l + c ; c = F –  k l = 0,7888 –  (51,5759 x 0,098 = -4,2656

 = −− sebagai fungsi panjang l   ] = 51,57594,265553,9517 4,2198 [ ] = [      327,15293,15 = −, + , = (-0,0698 l  + 0,2495) N/K = 0,1797 N/K

c.  Nilai dari

 dan   pada suhu T  !  =  = (-0,0698 l  + 0,2495) N/K = 0,1797 N/K ] [ ] =    [    

3. Hitung nilai dari

1

= (53,9517 l –  4,2198) –  293,15 (0,2495 + 0,0698 l ) = 53,9517 l  –  4,2198 –   73,1409 –  20,4618 l  = (33,4899 l –  77,3607)

4. a. Perkirakanlah ralat dalam nilai k dan c persamaan (5a) yang ditentukan dari grafik. Beri penjelasan ! T1 = 20 °C = 293,15 K

,  x 100% = 5,98% ,,  − , (, − ,). ,  ,  x 100% = 5,23% Grafik landai : Ralat k =  ,−, (, − ,). Grafik curam : Ralat k =

Ralat k rata-rata = 5,605% Ralat dalam nilai c = ralat F dalam grafik =

± 0,05 N

T2 = 54 °C = 327,15 K

,  x 100% = 5,36% ,,  − , (, − ,). ,  ,  x 100% = 5,36% Grafik landai : Ralat k =  , − , (, − ,). Grafik curam : Ralat k =

Ralat k rata-rata = 5,36%

, ×100%  = −,,   + , , – , = ± 0,06980,001   0,2495 0,0029% Ralat dalam nilai c = ralat F dalam grafik = ± 0,05 N Ralat

Ralat nilai k pada suhu ruang (T 1) lebih tinggi dibandingkan ralat k pada suhu ruang (T2). Hal ini disebabkan oleh perbedaan suhu yang dapat mempengaruhi ralat.

 b. Gunakanlah ralat ini untuk memperkirakan ralat dari perhitungan pertanyaan 6  pada Δl = ½ Δl yang maksimal ! 

T1 = 20 °C = 293,15 K

] [ ] =    [     Ralat maksimum yang mungkin terjadi : = ralat F + ralat T + ralat



 ×100% , , −,  + ,  0,0029% , = (0,1 + 0,3411 + 0,0029  −,  + ,)% , = ± 0,444  −,  + , % = 0,1% +

[] = [ ]  , Ralat yang mungkin terjadi = ralat    =   −,  + ,  0,0029% 

T2 = 54 °C = 327,16 K Ralat maksimum yang mungkin terjadi :

  ×100% , = 0,1% + , −,  + ,  0,0029% = ralat F + ralat T + ralat

= (0,1 + 0,3056 + 0,0029 +

, −,  + ,) %

± 0,4085 + −,, + , % [] = [ ]  , Ralat yang mungkin terjadi = ralat    =   −,  + ,  0,0029% =

  U  

   S  

5. Dalam perhitungan dianggap bahwa nilai dari  dan  tidak tergantung     l    l    T    T  dari T . Rencana percobaan untuk meneliti apakah anggapan ini berlaku: Rencana percobaan : 

Peralatan yang digunakan sama namun dengan perlakuan yang berbada yaitu dengan menjaga panjang karet agar sama pada setiap seri pengukuran.



Penambahan gaya F dengan penambahan/pengurangan volume air pada kaleng diganti dengan menaikkan atau menurunkkan suhu secara teratur.



   S  

    F  

Dibuat grafik F sebagai fungsi T, jika grafik linier, maka  =-     l    T     T   l  tidak tergantung oleh T.



  U  

    F  

Kemudian dihitung  = F  –  T  , bila nilai yang didapat sama     T    l    T    l 

  U  

maka   tidak tergantung pada P.    l   T 

6. a. Periksalah apakah k = a T berlaku !

 = 1 = 53,9517 293,15 = 0,1840 =1,1675   51,5759 0,1576 2 327,15      × 100% = ± 0,64% Ralat yang mungkin terjadi pada nilai  =   , , Ralat nyata

 = 0,64% × 1,1675 = ± 7,472 .10− =0,74% 

Tidak dapat dibuktikan bahwa k = aT  berlaku walaupun penyimpangan kecil, hal ini karena a1 tidak sama dengan a2 padahal untuk persamaan k = a T  maka a dianggap konstan untuk semua keadaan sehingga pada perubahan ini k = a T   tidak dapat dibutikan.  b. model kumparan acak dapat digunakan pada karet dengan melihat rumus F = kl + c dimana k = At dan nilai a dianggap sama untuk setiap seri pengukuran sehingga dapat diliaht bahwa seharusnya pada persamaan suhu a 1 sama dengan a 2 . Namun ternyata hasil yang terjadi antara perbandingan

 

menyimpang dari nilai

semestinya. Namun dari grafik yang telah ditemukan bahwa

nilai F tetap

 berbanding lurus dengan nilai T melalui fungsi linier sehingga penyimpangan tersebut tidak berarti dan model kumparan acak dapat digunakan pada karet. 7. Pada suhu T 1 dan l = ½ l yang maksimal.  perubahan energi dalam (U) menentukan sifat regangan karet karena

U

dapat

terjadi pada suhu yang rendah (T 1) . Sedangkan untuk S terjadi pada suhu tinggi (T 2).

  U  

   S  

Maka diperoleh      l   dimana keduanya tidak bergantung pada T karena    l    T  T  dianggap konstan, karena suhu disini hanya sebagai tanda saja, yakni T 1 untuk suhu

  U  

awal dan T2  untuk suhu akhir. Sehingga perubahan  yang akan menentukan    l    T  sifat dari regangan karet yang diuji. Jika yang terjadi pada kedua nilai tersebut adalah  perubahan, maka perubahan U tetap yang menentukan sifat dari regangan karet itu sendiri.

VI. PEMBAHASAN Pada percobaan ini dilakukan pengukuran untuk regangan karet dengan suhu dan gaya yang berbeda beda. Pada pengukuran yang pertama dilakukan pada suhu ruangan yaitu 20 . Pada pengukuran ini dilakukan dengan 2 perlakuan yaitu volume air dari minimal ke maksimal dan maksimal ke minimal. Ternyata hasil yang didapatkan dari 2 perlakuan ini berbeda walaupun tidak terlalu jauh. Secara teori hasil yang didapat seharusnya sama, namun perbedaan ini dapat dipengaruhi oleh ketelitian alat ukur yang digunakan yaitu penggaris, dan perbedaan volume air yang digunakan melalui gelas ukur.

℃

℃

Pada pengukuran yang kedua dilakukan pada suhu 54 . Pada pengukuran ini ditemui juga hasil dari perlakuan dari minimal ke maksimal dan maksimal ke minimal  berbeda. Hal ini juga dipengaruhi oleh ketelitian alat ukur yaitu penggaris dan ketelitian pada saat memasukkan air ke dalam kaleng. Setelah dibandingkan pengukuran pertama dengan kedua, didapati bahwa nilai regangan karet lebih besar pada saat suhu 54 . Hal ini dapat terjadi dikarenakan pada  percobaan ke dua suhunya lebih tinggi, walaupun beban yang sama karena suhu yang tinggi maka karet merenggang lebih panjang. Pengukuran panjang karet pada perbedaan suhu ini menunjukkan bahwa bentuk elastisitas karet dipengaruhi oleh suhu. Dimana semakin tinggi suhu maka sifat elastisitas karet akan semakin besar (Manual on PHYWE).

℃

Jika dilihat pada setiap pengukuran, semakin besar volume air yang dituang dalam kaleng akan membuat karet menjadi bertambah panjang. Hal ini terjadi karena gaya yang  bekerja pada karet pun juga semakin besar pula, sehingga karet gelang yang berada di dalam mampu meregang. .

VII.KESIMPULAN Dari percobaan yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa : 1)  Nilai F pada setiap penambahan volume : -

-

-

Volume 20 ml

- Volume 80 ml

F = 0,7888 N

F = 1,3768 N

Volume 40 ml

- Volume 100 ml

F = 0,9848 N

F = 1,5728 N

Volume 60 ml

- Volume 120 ml

F = 1,1808

F = 1,7688 N

2) Faktor yang mempengaruhi panjang regangan karet adalah suhu dan gaya yang  bekerja. 3) Faktor yang mempengaruhi sifat regangan karet adalah energi dalam (δU) dan  perubahan entropi (δS).

VIII.DAFTAR PUSTAKA Manual on PHYWE : Physics Laboratory Experiment. J erman: PHYWE Systeme GmbH & Co. KG · D-37070 Gottingen J.P.Byrne.1994.Rubber Elasticity.J.Chem.Ed.71.Pg.531-533

IX. LAMPIRAN -

Tugas Awal Laporan sementara

LAPORAN PRAKTIKUM TERMODINAMIKA DAN KESETIMBANGAN Termodinamika Karet dan Kesetimbangan

Disusun Oleh: Fransiskus Tri Wahyu Hananto (652016021)

PROGDI KIMIA FAKULTAS SAINS DAN MATEMATIKA UNIVERSITAS KRISTEN SATYA WACANA