Docstoc

Seminar Literatur Fisika

Document Sample
Seminar Literatur Fisika Powered By Docstoc
					www.hendrayoh.blogspot.com       Say No to Plagiarism!




           SEMINAR LITERATUR


   DENSITAS KESETIMBANGAN PLASMA
      NITROGEN TEKANAN RENDAH




                    Oleh :

                Hendra Yohanes

                    NIM :




               JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

               UNIVERSITAS RIAU

                 PEKANBARU

                     2012


                      3
www.hendrayoh.blogspot.com                         Say No to Plagiarism!




                                    BAB I
                              PENDAHULUAN



1.1.Latar Belakang


   Di dalam Fisika, Plasma merupakan wujud materi yang ke empat, selain padat,
   cair, dan gas. Hampir 99 % bahan penyusun alam semesta ini merupakan
   plasma. Contoh plasma alamiah adalah matahari, cahaya kilat, ionosfer, aurora,
   dan lain sebagainya. Sedangkan, plasma buatan seringkali dijumpai di dalam
   industri dan di dalam eksperimen laboratorium. Keberadaan plasma yang
   sangat mendominasi alam semesta ini, ternyata seringkali tidak disadari
   maupun diketahui oleh khalayak ramai pada umumnya, dan khalayak
   intelektual pada khususnya. Ketertarikan penulis akan Fisika Plasma,
   membawa penulis untuk mengenal plasma lebih jauh.


   Makalah ini membahas tentang plasma nitrogen. Plasma nitrogen terdiri dari
   kumpulan partikel bermuatan, seperti elektron, N2, N, ion N2+, N4+, dan N+.
   Plasma nitrogen ini dapat dibangkitkan dengan dua jenis metode, yaitu metode
   lucutan tekanan rendah dan metode lucutan tekanan atmosfer. Pada makalah
   ini, penulis ingin mengetahui nilai densitas masing-masing spesies nitrogen
   ketika plasma nitrogen ini telah mencapai kesetimbangan termodinamik,
   dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB.


   Suatu sistem plasma nitrogen terdiri dari beberapa spesies dengan densitas
   awal pada temperatur tertentu, yang akan saling berinteraksi atau
   bertumbukkan satu sama lain, sesuai dengan teori kinetik. Reaksi atau
   tumbukan antar spesies nitrogen ini akan terus menerus berlangsung hingga
   plasma mencapai keadaan kesetimbangan termal. Densitas kesetimbangan
   yang dimaksudkan adalah densitas masing-masing spesies pada saat telah
   mencapai kesetimbangan termodinamik.



                                       4
www.hendrayoh.blogspot.com                        Say No to Plagiarism!




1.2.Rumusan Masalah


   Makalah tinjauan literatur ini membahas masalah :


   1.2.1. Densitas kesetimbangan masing-masing spesies plasma nitrogen pada
             tekanan rendah dengan menggunakan perangkat lunak MATLAB.
   1.2.2. Pengaruh tekanan terhadap waktu yang diperlukan plasma nitrogen
             untuk mencapai kesetimbangan termodinamik.
   1.2.3. Laju reaksi spesies nitrogen untuk mencapai kesetimbangan
             termodinamik.


1.3.Tujuan


   Makalah tinjauan literatur ini bertujuan :


   1.3.1. Untuk mencari nilai densitas kesetimbangan masing-masing spesies
             plasma nitrogen pada tekanan rendah dengan menggunakan perangkat
             lunak MATLAB.
   1.3.2. Untuk mengetahui pengaruh tekanan terhadap waktu yang diperlukan
             plasma nitrogen untuk mencapai kesetimbangan termodinamik.
   1.3.3. Untuk mengetahui       laju reaksi spesies nitrogen untuk mencapai
             kesetimbangan termodinamik.




                                        5
www.hendrayoh.blogspot.com                           Say No to Plagiarism!




                                     BAB II
                             LANDASAN TEORI


2.1. Definisi dan Karakteristik Plasma
    Plasma adalah kumpulan partikel bermuatan dari suatu atom yang terionisasi
    sehingga dapat bergerak bebas dan sangat dipengaruhi oleh medan
    elektromagnet yang ditimbulkan oleh partikel-partikel bermuatan tersebut.
    Kompleksitas dalam plasma berbeda dengan kompleksitas pada struktur statis.
    Hal ini dikarenakan kompleksitas dalam plasma dinyatakan sebagai fungsi
    terhadap waktu (temporal) maupun terhadap ruang (spasial). Kompleksitas ini
    ditentukan oleh karakteristik plasma sebagai suatu kumpulan partikel
    bermuatan. Karena pemanasan dapat memutuskan ikatan antar atom sebelum
    ionisasi terjadi, kebanyakan plasma bumi awalnya berwujud gas. Karena itu,
    plasma juga didefinisikan sebagai gas yang cukup terionisasi untuk
    menunjukkan tingkah laku seperti plasma. Perlu diketahui tingkah laku
    seperti plasma, hanya dapat ditunjukkan oleh gas yang telah mengalami
    ionisasi.
    Plasma yang dihasilkan dari ionisasi gas netral umumnya mengandung
    jumlah pembawa muatan positif dan negatif yang sama banyak. Dalam kasus
    ini, fluida bermuatan berbeda saling berpasangan dengan kuat dan cenderung
    saling menetralkan secara elektrik pada skala makroskopis. Keadaan ini
    diistilahkan dengan kuasi-netral (quasi-neutral). Plasma non-netral adalah
    plasma yang hanya terdiri dari satu jenis muatan dan biasanya dapat
    ditemukan dalam eksperimen di laboratorium.
    Tinjau sebuah plasma ideal yang terdiri dari sejumlah elektron dengan massa
    me dan muatan –e, dan ion dengan massa mi dan muatan +e, dimana e
    merupakan nilai muatan listrik elektron. Temperatur kinetik sistem dapat
                               1
    dirumuskan sebagai Ts ≡        ms v2 , yang diukur dalam satuan energi.
                                       s
                               3

    Dimana, v adalah kecepatan partikel dan tanda kurung siku menunjukkan
    rata-rata kumpulan. Pada dasarnya, suhu kinetik spesies s merupakan energi
    kinetik rata-rata partikel-partikel spesies tersebut. Dalam Fisika Plasma, suhu


                                        6
www.hendrayoh.blogspot.com                            Say No to Plagiarism!




   kinetik biasanya diukur dalam elektron-volt (1 Joule ekuivalen dengan 6,24 ×
   1018 eV).
   Kuasi-netralitas menyatakan bahwa ni ≈ ne ≡ n, dimana ns adalah jumlah
   densitas, yakni jumlah partikel spesies s per meter kubik. Asumsikan bahwa
   baik ion maupun elektron dikarakterisasi pada T yang sama, maka
   memperkirakan kecepatan termal dengan rumus : vts ≡ 2T ms .
   Plasma umumnya dipandang sebagai medium netral yang terdiri dari partikel-
   partikel bermuatan positif dan negatif, dimana muatan totalnya bernilai
   mendekati atau sama dengan nol. Meskipun partikel-partikel bermuatan ini
   tidak terikat dalam suatu sistem atom, namun partikel-partikel ini tidak benar-
   benar bebas. Hal ini dikarenakan, ketika muatan listrik bergerak, maka akan
   menghasilkan arus listrik dan medan magnet, sehingga medan yang
   ditimbulkan oleh tiap-tiap partikel bermuatan saling mempengaruhi. Dengan
   demikian, perilaku kolektif plasma memiliki beberapa derajat kebebasan.


2.2. Metode Pembangkitan Plasma
   Kebanyakan plasma buatan dibangkitkan dengan menggunakan medan listrik
   atau medan magnet. Plasma buatan dapat dibangkitkan di laboratorium dan
   untuk penggunaan dalam industri, plasma dapat dikategorikan berdasarkan:
   a.   Tipe sumber daya yang digunakan untuk membangkitkan plasma : arus
        searah (DC), frekuensi radio (RF) dan gelombang mikro (microwave).
   b.   Tekanan untuk beroperasi : tekanan vakum (< 10 mTorr atau 1 Pa),
        tekanan moderat (~ 1 Torr atau 100 Pa), tekanan atmosfer (760 Torr atau
        100 kPa)
   c.   Derajat ionisasi di dalam: terionisasi penuh, sebagian, atau lemah.
   d.   Hubungan suhu dengan plasma : plasma termal (Te = Tion = Tgas), plasma
        non-termal atau plasma dingin (Te >> Tion = Tgas)
   e.   Magnetisasi partikel dalam plasma : termagnetisasi (baik ion dan elektron
        terjebak dalam orbit Larmor oleh medan magnet), termagnetisasi sebagian
        (hanya     electron   yang   terperangkap   oleh   medan   magnet),   tidak




                                          7
www.hendrayoh.blogspot.com                       Say No to Plagiarism!




    termagnetisasi (medan magnet terlalu lemah untuk memerangkap partikel
    dalam orbit tapi dapat membangkitkan gaya Lorentz)
  Ada beragam cara untuk membangkitkan plasma, namun ada suatu prinsip
  umum yang berlaku, yakni harus ada energi masukan untuk menghasilkan
  dan mempertahankan keadaan plasma. Suatu plasma dapat dibangkitkan
  dengan arus listrik yang dialirkan melewati gas dielektrik atau fluida non-
  konduktor, seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 1, yang menggambarkan
  sebuah tabung lucutan.




                   Gambar 1. Tabung Lucutan Plasma



  Beda potensial dan medan listrik menarik elektron terikat ke arah anoda
  (elektroda positif), sedangkan katoda (elektroda negatif) menarik inti atom.
  Seiring dengan tegangan yang meningkat, maka arus listrik menekan material
  dengan polarisasi listrik untuk melampaui batas dielektriknya sehingga
  mencapai keadaan dadalan listrik (electrical breakdown), ditandai oleh
  lucutan listrik, dimana material berubah dari isolator menjadi konduktor
  karena semakin terionisasi. Ini adalah keadaan ionisasi longsoran (avalance
  ionization), dimana tumbukan antara elektron dan atom gas netral
  menciptakan lebih banyak ion dan elektron. Dengan densitas arus dan ionisasi
  yang cukup besar, maka akan membentuk busur listrik (electric arc) di antara
  elektroda. Hambatan listrik sepanjang busur listrik menghasilkan panas, yang
  mengionisasi lebih banyak molekul gas, dimana derajat ionisasi dipengaruhi


                                     8
www.hendrayoh.blogspot.com                          Say No to Plagiarism!




  oleh suhu, dan gas berangsur berubah menjadi plasma termal. Sebuah plasma
  termal berada dalam kesetimbangan termal, dimana suhu relatif homogen
  melalui partikel berat (seperti atom, molekul dan ion) dan elektron. Ini terjadi
  karena saat plasma termal dibangkitkan, energi listrik diberikan kepada
  elektron, yang karena memiliki mobilitas dan jumlah yang besar, maka dapat
  menguraikannya dengan cepat dan oleh tumbukan elastik menjadi partikel
  berat.
  Karena rentang suhu dan densitas yang cukup besar, plasma dapat diterapkan
  dalam banyak bidang riset, teknologi dan industri. Contohnya dalam industri
  metalurgi, perlakuan permukaan seperti pelapisan (thermal spraying),
  pemunaran (etching) dalam mikroelektronika, pemotongan logam, pengelasan,
  lampu fluoresens/luminesens, mesin pembakaran supersonik untuk teknik
  luar angkasa, dan lain-lain.



  Berdasarkan tekanan operasinya, metode pembangkitan plasma umumnya
  digolongkan menjadi lucutan tekanan rendah dan lucutan tekanan atmosfer.
  a. Lucutan tekanan rendah (Low-pressure discharges)
     Lucutan tekanan rendah dikelompokkan menjadi :
     1) Plasma lucutan pijar (Glow discharge plasmas) : plasma non-termal
           yang dibangkitkan oleh arus listrik DC atau medan listrik frekuensi
           rendah radio (<100 kHz) antara dua elektroda logam. Ini adalah jenis
           plasma yang dibangkitkan dalam tabung cahaya fluoresens (fluorescent
           light tubes). Skema tabung lucutan pijar ditunjukkan oleh gambar 2.3.2.
           berikut.




                         Gambar 2. Tabung Lucutan




                                        9
www.hendrayoh.blogspot.com                       Say No to Plagiarism!




    2) Plasma pasangan kapasitif (Capacitively coupled plasma : CCP):
        plasma ini mirip dengan plasma lucutan pijar, hanya saja dibangkitkan
        oleh medan listrik frekuensi tinggi radio (~13,56 MHz). Ini sering
        digunakan dalam mikrofabrikasi dan industri pembuatan IC (Integrated
        Circuit) dengan pemunaran plasma (plasma etching) dan deposisi
        penguapan kimiawi dengan plasma (PECVD).
    3) Plasma pasangan induktif (Inductively coupled plasma : ICP): plasma
        ini mirip dengan CCP, tetapi elektrodanya mengandung kumparan
        yang membungkus di sekitar volume lucutan, yang secara induktif
        mengeksitasi plasma.
    4) Plasma yang dipanasi gelombang (Wave heated plasma) : plasma ini
        mirip dengan CCP dan ICP, yang menggunakan frekuensi radio atau
        gelombang mikro, dan dipanasi baik secara elektrostatik maupun
        elektromagnetik. Contohnya: lucutan heliks, resonansi siklotron
        electron (electron cyclotron resonance : ECR), dan resonansi siklotron
        ion (ion cyclotron resonance : ICR).



  b. Lucutan Tekanan atmosfer (Atmospheric pressure Discharges)
     Lucutan tekanan atmosfer dikelompokkan menjadi :
    1) Lucutan busur (Arc discharge) : lucutan termal pada suhu sangat
        tinggi (~10000 K). Biasanya banyak digunakan dalam proses
        metalurgi. Misalnya, plasma ini digunakan untuk melebur batu yang
        mengandung Al2O3 untuk menghasilkan aluminium.
    2) Lucutan korona (Corona discharge) : lucutan non-termal yang
        dibangkitkan dengan tegangan tinggi untuk mempertajam ujung-ujung
        elektroda. Biasanya digunakan dalam pembangkitan ozon dan
        pembentukan hujan buatan.
    3) Lucutan penghalang dielektrik (Dielectric barrier discharge : DBD) :
        lucutan non-termal yang dibangkitkan dengan memberikan tegangan
        tinggi pada celah kecil dimana pelapisan non-konduktif mencegah



                                    10
www.hendrayoh.blogspot.com                          Say No to Plagiarism!




           transisi lucutan plasma menjadi busur. Metode ini diterapkan dalam
           pembuatan kain dan plastik sintetik, dan juga agar cat dan lem dapat
           melekat.
      4) Lucutan kapasitif (Capacitive discharge) : plasma non-termal yang
           dibangkitkan dengan daya frekuensi radio pada salah satu elektroda,
           dengan sebuah elektroda yang ditanahkan pada jarak yang kecil
           sekitar 1 cm. Lucutan seperti ini biasanya distabilisasi menggunakan
           gas mulia, seperti Helium dan Argon.




2.3. Teori Kinetik Plasma
    Teori kinetik gas menggambarkan suatu gas sebagai sekumpulan besar
    partikel-partikel kecil, yang seluruhnya bergerak secara acak dan konstan.
    Partikel-partikel bergerak dengan cepat dan konstan sehingga saling
    menumbuk satu sama lain dan dengan dinding wadah. Teori kinetik
    menjelaskan sifat-sifat makroskopis gas, seperti tekanan, suhu ataupun
    volume.
    Tinjau dua buah benda dengan suhu yang berbeda, yang satu bersuhu lebih
    tinggi, dan yang lain bersuhu lebih rendah. Ketika kedua benda ini
    mengalami kontak fisik satu sama lain, maka suhu masing-masing akan
    berubah. Suhu benda yang lebih panas akan cenderung menurun dan suhu
    benda yang lebih dingin akan cenderung meningkat. Ketika kedua benda
    mencapai temperatur yang sama, maka kesetimbangan termodinamik telah
    tercapai. Ketika tidak ada perubahan sifat makroskopis dari sistem, maka
    sistem telah berada dalam keadaan kesetimbangan termodinamik. Ketika
    sistem telah mencapai kesetimbangan termodinamik, sistem cenderung untuk
    mempertahankan keadaan tersebut dan tidak berubah secara tiba-tiba. Wujud
    zat dalam keadaan kesetimbangan termodinamik ditentukan oleh parameter,
    seperti suhu, tekanan, volume, dan lain sebagainya.
    Kesetimbangan termodinamika didefinisikan sebagai keadaan dimana sistem
    telah mencapai kesetimbangan mekanik, kesetimbangan termal, dan


                                       11
www.hendrayoh.blogspot.com                       Say No to Plagiarism!




  kesetimbangan kimia. Ketika keseluruhan sistem akhirnya memiliki suhu
  yang sama, maka kesetimbangan termal telah tercapai. Ketika keseluruhan
  sistem akhirnya memiliki tekanan yang sama, maka kesetimbangan mekanik
  telah tercapai. Ketika keseluruhan sistem akhirnya memiliki potensial kimia
  yang sama dan tidak ada reaksi terjadi dalam sistem atau tidak ada aliran
  materi karena difusi, maka kesetimbangan kimia telah tercapai.
  Persamaan umum gas ideal dirumuskan sebagai : P.V = n.R.T ; dimana
  n=N/NA dengan NA adalah bilangan Avogadro, dan R adalah konstanta gas
  umum (8,314472 J K−1mol−1).
  Tinjau suatu wadah dengan volume V menampung N buah atom gas ideal
  yang masing-masing bergerak dalam ruang 3 dimensi dengan kecepatan v,
  dimana v2 = vx 2+ vy 2 + vz2 . Sementara itu, tekanan pada masing-masing
  dinding yang terdapat pada arah sumbu x, y, dan z sama besar. Misalkan pada
  suatu saat tertentu, N buah atom tersebut menumbuk dinding yang terdapat
  pada ketiga sumbu: x, y, dan z, maka akan terjadi tekanan pada dinding itu
  sesuai dengan kecepatan yang dimiliki atom-atom pada arah masing-masing
  sumbu (yaitu vx, vy, vz). Karena tekanan pada setiap dinding adalah sama
  (Px=Py=Pz=P), maka diperoleh hubungan:
                        m N v2
                             x   m N v2 m N v2
                                      y      z
                               =        =
                           V        V      V
  Berdasarkan hubungan tersebut, maka dapat diperoleh bahwa <v2> = 3 <vx2>,
  sehingga hubungan antara kecepatan dan tekanan pada dinding wadah dapat
  dituliskan menjadi:
                                       m N v2
                                 P =
                                          3
  Dengan mensubtitusikan konstanta Boltzmann k=R/NA ke dalam persamaan
  gas ideal, maka diperoleh bahwa :
                                  m v2
                                       =kT
                                   3
  Sehingga hubungan antara energi kinetik dan suhu atom gas dapat dinyatakan
  sebagai :



                                      12
www.hendrayoh.blogspot.com                                  Say No to Plagiarism!



                                        1              3
                               EK =         m v2 =         k T.
                                        2              2



   Densitas (density) adalah kuantitas fisika yang menyatakan jumlah partikel
   per satuan volume, umumnya disimbolkan dengan n (densitas jumlah).
   Satuan dari densitas adalah m-3. Gerak partikel dalam kesetimbangan
   termodinamik ditentukan oleh temperatur (T) gas. Dalam wujud plasma, ada
   dua jenis partikel bermuatan, yakni elektron ringan dan ion berat. Karena itu,
   untuk membedakannya, disimbolkan ne untuk jumlah densitas elektron dan ni
   untuk jumlah densitas ion. Sedangkan pada keadaan tidak setimbang, plasma
   memiliki suhu yang berbeda, yakni Te untuk suhu elektron dan Ti untuk suhu
   ion. Namun, pada kasus plasma isotermal, berlaku Te = Ti.


2.4. Persamaan Kontinuitas

   Persamaan     kontinuitas    dalam        fisika     merupakan   persamaan   yang
   menggambarkan transportasi suatu kuantitas yang kekal nilainya. Karena
   massa, energi, momentum dan kuantitas alamiah lainnya bersifat kekal
   nilainya (conserved), maka banyak pula fenomena fisika yang menggunakan
   persamaan kontinuitas. Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa jumlah
   total suatu kuantitas yang kekal dalam suatu daerah hanya dapat diubah oleh
   jumlah yang masuk atau keluar melalui daerah yang dibatasi. Kuantitas yang
   kekal nilainya, tidak dapat bertambah atau menurun jumlahnya, melainkan
   hanya dapat bergerak dari satu tempat ke tempat lain.
   Tinjau suatu elemen diferensial volume dalam bentuk kubus yang sisinya
   paralel terhadap permukaan koordinat; dengan label koordinat x1, x2, dan x3.
   Sejumlah partikel mengalir melalui elemen volume ini dengan kecepatan rata-
   rata v1 pada arah x1. Karena d3x= dx1 dx2 dx3, maka diperoleh persamaan
   kontinuitas sebagai berikut :
                               ���� ����              ���� ���� ��������
                                     = −
                               ���� ����                 ���� ��������
                                              i




                                            13
www.hendrayoh.blogspot.com                        Say No to Plagiarism!




  Secara umum, persamaan kontinuitas dirumuskan sebagai berikut:
                             ���� ����
                                   + ∇ ∙ ���� ���� = ����
                             ���� ����


  Dimana u adalah besaran vektor dan S adalah laju sumber volume partikel.




                                    14
www.hendrayoh.blogspot.com                Say No to Plagiarism!




                             BAB III
                    HASIL DAN PEMBAHASAN



3.1. Diagram Alir Algoritma Penggunaan MATLAB




                                15
www.hendrayoh.blogspot.com                                Say No to Plagiarism!




3.2.Analisis Densitas dan Gambar

   Densitas kesetimbangan plasma nitrogen tekanan rendah dapat diperoleh
   dengan memasukkan nilai awal untuk densitas, temperatur, tekanan, dan
   waktu dt.

      Nilai awal densitas spesies e ; N2 ; N ; N2+ ; N4+ ; dan N+ dalam satuan
       m-3; secara berturut-turut adalah 1×1020; 8 ×1024; 1,8 ×1020; 8 ×1020; 2
       ×1020; 1,8 ×1020 .
      Waktu dt= 1×10-8 detik. (waktu iterasi dimana nitrogen mencari
       kesetimbangan dalam waktu 10 nanodetik.)
      Tekanan = 0,1 × 105 N/m2 = 0,1 × 105 Pa = 0,1 bar.
      Temperatur awal spesies e ; N2 ; N ; N2+ ; N4+ ; dan N+ secara berturut-
       turut dalam satuan eV adalah 0,2 ; 0,3 ; 0,2; 0,1; 0,2; 0,3.


   Berikut ini Gambar-Gambar yang diperoleh dengan pengodean menggunakan
   MATLAB beserta penjelasannya.




Gambar    3.    Evolusi     densitas   nitrogen   untuk    mencapai   kesetimbangan
termodinamik.




                                          16
www.hendrayoh.blogspot.com                           Say No to Plagiarism!




Pada Gambar 3, terlihat bahwa sumbu x menunjukkan waktu dalam skala 10-8
sekon dan sumbu y menunjukkan densitas dalam skala log(n)/m3. Pada Gambar 3,
                                                               23,3181
nilai densitas tertinggi dimiliki oleh spesies N2 sebesar 10             m-3. Sedangkan,
                                                                         7,2623
nilai densitas terendah dimiliki oleh spesies elektron sebesar 10                 m-3. Nilai
densitas spesies N2+; N; dan N4+ berturut-turut dalam satuan m-3 adalah 1019,3514 ;
1018,8462 ; dan 10 18,7694.




                 Gambar 4. Gambar jumlah iterasi spesies nitrogen.
Pada Gambar 4, sumbu x menyatakan banyaknya iterasi untuk mencapai
kesetimbangan pada tekanan rendah dengan densitas awal yang ditetapkan,
sedangkan sumbu y menyatakan n, yakni perubahan densitas akhir terhadap
densitas awal spesies nitrogen untuk mencapai kesetimbangan. Dapat dilihat pada
Gambar, bahwa pada awalnya nilai n cukup tinggi, dan semakin banyak iterasi
yang dilakukan, maka nilai n       juga semakin kecil, karena semakin menuju
kondisi kesetimbangan.




                                        17
www.hendrayoh.blogspot.com                             Say No to Plagiarism!




Gambar    5.   Evolusi   densitas   elektron   untuk    mencapai   kesetimbangan
termodinamik


Pada Gambar 5, sumbu x menyatakan banyaknya iterasi untuk mencapai
kesetimbangan pada tekanan rendah dengan densitas awal yang ditetapkan.
Sedangkan, sumbu y menyatakan n elektron, yakni perubahan densitas akhir
terhadap densitas awal elektron untuk mencapai kesetimbangan. Dapat dilihat
pada Gambar 5, bahwa pada awalnya nilai n cukup tinggi, dan seiring semakin
banyak iterasi yang dilakukan, maka nilai n semakin menurun nilainya. Namun
kurva ini lebih curam dibandingkan dengan kurva pada Gambar 4.




                                       18
www.hendrayoh.blogspot.com                        Say No to Plagiarism!




  Gambar 6. Evolusi densitas N untuk mencapai kesetimbangan termodinamik


Pada Gambar 6, sumbu x menyatakan banyaknya iterasi untuk mencapai
kesetimbangan pada tekanan rendah dengan densitas awal N yang telah ditetapkan.
Sedangkan, sumbu y menyatakan n untuk N, yakni perubahan densitas akhir
terhadap densitas awal atom nitrogen untuk mencapai kesetimbangan. Dapat
dilihat pada Gambar 6, bahwa nilai n semakin meningkat seiring semakin
banyak iterasi yang dilakukan. Grafik pada Gambar 6 meningkat secara
eksponensial.




  Gambar 7. Evolusi densitas N2+ untuk mencapai kesetimbangan termodinamik


                                      19
www.hendrayoh.blogspot.com                        Say No to Plagiarism!




Pada Gambar 7, sumbu x menunjukkan jumlah iterasi untuk mencapai
kesetimbangan pada tekanan rendah dari densitas awal N2+ yang telah ditentukan.
Sedangkan, sumbu y menyatakan n, yakni perubahan densitas akhir terhadap
densitas awal spesies N2+ untuk mencapai kesetimbangan. Dapat dilihat pada
Gambar 7, bahwa nilai n semakin meningkat seiring semakin banyak iterasi
yang dilakukan. Grafik pada Gambar 7 meningkat secara eksponensial.




  Gambar 8. Evolusi densitas N4+ untuk mencapai kesetimbangan termodinamik


Pada Gambar 8, sumbu x mewakili banyaknya iterasi untuk mencapai
kesetimbangan pada tekanan rendah dengan densitas awal N4+ yang telah
ditetapkan. Sedangkan, sumbu y mewakili n untuk N4+, yakni perubahan
densitas akhir terhadap densitas awal ion nitrogen N4+ untuk mencapai
kesetimbangan. Dapat dilihat pada Gambar, bahwa nilai n semakin meningkat
seiring semakin banyak iterasi yang dilakukan. Grafik pada Gambar 8 meningkat
secara linear.




                                      20
www.hendrayoh.blogspot.com                        Say No to Plagiarism!




  Gambar 9. Evolusi densitas N+ untuk mencapai kesetimbangan termodinamik


Pada Gambar 9, sumbu x menunjukkan jumlah iterasi untuk mencapai
kesetimbangan pada tekanan rendah dari densitas awal N+ yang telah ditentukan.
Sedangkan, sumbu y menyatakan n, yakni perubahan densitas akhir terhadap
densitas awal pada spesies ion N+ untuk mencapai kesetimbangan. Dapat dilihat
pada Gambar, bahwa nilai n semakin mengecil seiring semakin banyak iterasi
yang dilakukan. Grafik pada Gambar 9 menurun secara linear.




   Gambar 10. Densitas terakhir spesies yang telah mencapai kesetimbangan.


                                     21
www.hendrayoh.blogspot.com                                 Say No to Plagiarism!




Pada Gambar 10, sumbu x mewakili waktu yang diperlukan spesies nitrogen
untuk mencapai kesetimbangan (dalam satuan s). sementara itu, sumbu y
menyatakan densitas terakhir spesies nitrogen (dalam bentuk log(n)/m3). Secara
berturut-turut nilai densitas terakhir spesies nitrogen setelah mencapai
kesetimbangan untuk elektron; N2 ; N ; N2+ ; N4+ ; dan N+ dalam bentuk
log(n)/m3 adalah 7,26; 23,32; 18,85; 19,35; 18,77; dan 18,37. Dengan demikian,
densitas tertinggi dimiliki oleh N2 dan densitas paling rendah dimiliki oleh
elektron. Perlu diketahui bahwa, spesies molekul nitrogen (N2) tidak mengalami
perubahan densitas.



3.3. Analisis Laju Reaksi

     Selain diperoleh Gambar, pengkodean dengan menggunakan MATLAB juga
     memperoleh nilai laju reaksi, seperti yang ditunjukkan oleh tabel berikut ini.


           Tabel 1. Daftar Reaksi dan Nilai Laju Reaksi Spesies Nitrogen


No         Reaksi / Tumbukan             Laju Reaksi Maju             Laju Reaksi Balik
1     e + N2          = N2+ +2 e               2,880 ×1010                     0
2     e + N           = N+ +2 e                9,715 ×105                      0
3     N2+ +2 N2       = N2 + N4+               6,256 ×1023                     0
               +                                           13
4     e + N2          =    +2 N                1,778 ×10                 9,415 ×107
5     N2 +2 N         =    +2 N2               2,677 ×1016              4,336 ×1018
6     N + N2+         = N2 + N+                1,576 ×1021              1,448 ×1024
7     e + N+          =    + N                 1,690 ×107                      0
8     e + N4+         =    +2 N2               3,364 ×1013               4,498 ×108
9     N2 + N          =    +3 N                4,275 ×108               3,795 ×1012
10    e + N2          = e +2 N                 3,438 ×1014                     0


     Di dalam pengodean menggunakan MATLAB, digunakan besaran “str”, yang
     berarti   kecepatan   tumbukan     tiap     reaksi    nitrogen    untuk       mencapai


                                         22
www.hendrayoh.blogspot.com                       Say No to Plagiarism!




  kesetimbangan. Contohnya, pada reaksi nomor 10, yakni e + N2        = e +
                       14
  2N , angka 3,438 ×10 adalah laju reaksi untuk menghasilkan elektron dan 2
  buah atom nitrogen, sedangkan laju reaksi baliknya untuk menghasilkan
  sebuah elektron dan sebuah molekul nitrogen diatomik adalah 0 (karena tidak
  ada data dan belum ada referensi mengenai hal ini). Demikian juga dengan
  reaksi lainnya. Ada 10 reaksi yang memiliki laju reaksi maju dan laju reaksi
  balik untuk mencapai kesetimbangan plasma. Hasil str terakhir adalah hasil
  reaksi yang telah mencapai kesetimbangan. Laju reaksi terbesar adalah 6,256
  ×1023 yang dimiliki oleh reaksi nomor 3, dimana menghasilkan N2 dan N4+.
  Sedangkan, laju reaksi yang paling rendah adalah 9,715 ×105, yang dimiliki
  oleh reaksi nomor 2, dimana menghasilkan sebuah ion N+ dan 2 buah elektron.


  Kesetimbangan termodinamik dalam makalah ini, hanya ditinjau bergantung
  kepada waktu saja atau tidak bergantung kepada posisi. Karena tekanan yang
  dipergunakan adalah tekanan rendah, maka waktu mencapai kesetimbangan
  termodinamik adalah lambat. Di samping itu, laju reaksi tiap spesies akan
  sangat berbeda-beda nilainya, karena suhu spesies akan berubah selama
  reaksi. Walaupun demikian, dengan temperatur awal dan tekanan rendah yang
  ditentukan, sistem plasma nitrogen tetap mencapai kesetimbangan. Hal ini
  dapat dilihat pada Gambar 8, yang menunjukkan bahwa kesetimbangan
  tercapai pada waktu 1,12 × 10-6 detik. Kesetimbangan yang dimaksud di sini
  adalah kesetimbangan termodinamik, yaitu kesetimbangan termal pada
  partikel dimana panas dapat berubah, namun jumlah densitas, muatan dan
  spesies partikel sebelum dan sesudah reaksi atau tumbukan adalah setimbang.
  Hal ini dapat diperhatikan pada reaksi-reaksi atau tumbukan-tumbukan yang
  tercantum di dalam Tabel 1.




                                    23
www.hendrayoh.blogspot.com                         Say No to Plagiarism!




                                   BAB IV
                                   PENUTUP



1.4.Kesimpulan



   Plasma nitrogen terdiri dari beberapa spesies, yakni elektron; N2 ; N ; ion
   N2+ ; N4+ ; dan N+. Dengan menggunakan MATLAB, penulis dapat mencari
   nilai densitas masing-masing spesies nitrogen setelah plasma mencapai
   kesetimbangan termodinamik. Pada tekanan 0,1 × 105 Pa, nilai densitas
   kesetimbangan dalam bentuk log(n)/m3 untuk masing-masing spesies secara
   berurutan adalah 7,26; 23,32; 18,85; 19,35; 18,77; dan 18,37.



   Kesetimbangan termodinamik yang ditinjau dalam makalah ini hanya
   bergantung kepada waktu. Karena tekanan yang dipergunakan adalah tekanan
   rendah, maka waktu mencapai kesetimbangan termodinamik adalah lambat.
   Meskipun demikian, sistem plasma nitrogen tetap mencapai kesetimbangan
   pada waktu 1,12 × 10-6 detik.



   Untuk mencapai kesetimbangan termodinamik, antar spesies plasma nitrogen
   mengadakan 10 jenis reaksi yang berbeda (tumbukan). Reaksi dengan
   kelajuan paling rendah adalah e +        N = N+ + 2e , dengan kelajuan
   9,715×105. Sedangkan, reaksi dengan kelajuan tertinggi adalah N2+ +2 N2 =
   N2 + N4+, dengan kelajuan 6,256 ×1023. Reaksi terakhir yang mencapai
   kesetimbangan termodinamik adalah e + N2 = e +2 N, dengan laju reaksi
   sebesar 3,438 ×1014.




                                      24
www.hendrayoh.blogspot.com                         Say No to Plagiarism!




1.5.Saran


   Saran yang dapat diberikan oleh penulis adalah sebagai berikut :


   1.2.4. Pembahasan di dalam makalah ini hanya meliputi plasma nitrogen.
            Untuk penelitian berikutnya, dapat menggunakan sampel lain, seperti
            hidrogen, oksigen, dan lain-lain.
   1.2.5. Pembahasan di        dalam makalah ini meninjau kesetimbangan
            termodinamik terhadap waktu saja. Untuk penelitian berikutnya, dapat
            meninjau peran variabel posisi dalam kesetimbangan termodinamik.
   1.2.6. Karena cakupan Fisika Plasma sangat luas, sehingga masih banyak
            topik-topik yang dapat ditinjau terhadap plasma, seperti respons
            plasma terhadap medan elektromagnetik, penerapan Fisika Inti
            terhadap plasma, dan lain sebagainya. Oleh karena itu, penulis
            menyarankan pembaca yang berminat untuk dapat meneliti lebih jauh
            lagi tentang Fisika Plasma.




                                          25
www.hendrayoh.blogspot.com                                       Say No to Plagiarism!




                                    DAFTAR PUSTAKA


Fitzpatrick,        Richard.       2008.      The       Physics      of    Plasmas,      [pdf],
           (http://farside.ph.utexas.edu/teaching/plasma/lectures/node1.html,
           diakses April 2012).
Goldston, Robert J. dan Paul H. Rutherford. 1997. Introduction to Plasma Physics.
           Princeton: Institute of Physics Publishing.
Khemani,         H.         2011.          Thermodynamic            Equilibrium,      [online],
           (http://www.brighthub.com/engineering/mechanical/articles/4720.aspx,
           diakses tanggal 7 Mei 2012).
Lieberman,          M.     2003.      Plasma          Discharge       Fundamentals,      [pdf],
           (http://faculty.ksu.edu.sa/Kayed/eBooksLectureNotes/Principles_of_Plas
           ma_Discharges_By_Michael_A_Lieberman.pdf, diakses tanggal 30 April
           2012).
Phatak, O. 2010. Thermodynamic Equilibrium, [online], (http://www.buzzle.com
           /articles/thermodynamic-equilibrium.html, diakses tanggal 7 Mei 2012).
Piel, Alexander. 2009. Plasma Physics (An Introduction to Laboratory, Space,and
           Fusion Plasmas). Kiel : Springer Science+Business Media.
Raharjo,       Purwadi.        2010.        Kecepatan           Partikel    Plasma,      [pdf],
           (http://www.infometrik.com/wp-content/uploads/2010/01/kecepatan_
           partikel_plasma_1.pdf , diakses tanggal 7 Mei 2012).
Saktioto, et al. 2009. Thermodynamic Equilibrium for Nitrogen Species Discharge:
           Comparison with Global Model. World Academy of Science,
           Engineering and Technology 36.
______.     ____.        Plasma     (Physics),      [online],    (http://en.wikipedia.org/wiki/
           Plasma_(physics), diakses tanggal 24 April 2012).
______. ____. Continuity Equation, [online], (http://en.wikipedia.org/wiki/
           Continuity_equation, diakses tanggal 4 Mei 2012).




                                                 26

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Stats:
views:1
posted:5/2/2013
language:
pages:24
Description: Makalah Seminar Literatur: Densitas Kesetimbangan Plasma Nitrogen Tekanan Rendah