Soal dan Pembahasan Bab Kerja dan energi

1.Sebuah peluru 10 g mempunyai kelajuan 1,2 km/s. (a) Berapakah energy kinetiknya dalam joule? (b) Berapakah energy kinetic peluru bila kelajuannya dijadikan separonya? (c) Bila kelajuannya digandakan?

Jawab:

2. Carilah energy kinetic dalam joule untuk

a) bola bisbol bermassa 0.145 kg yang bergerak dengan kelajuan 40 m/s

b) seorang pelari bermassa 60 kg yang berlari dengan langkah yang  tetap 9 menit tiap mil.

3. Sebuah kotak 5kg dinaikkan dari keadaan diam sejauh 4m oleh gaya vertical 80 N. Carilah

a.  Usaha yang dilakukan oleh gaya itu

b. Usaha yang dilakukan oleh gravitasi

c.  Energi kinetic akhir kotak

Jawab:

a.  W_luar = F_luar cos 0^o Δy  = (80 N)(1)(4m)

 = 320 J

            b.   Gaya gravitasi berlawanan dengan arah gerak, sehingga kerja yang dilakukan oleh gaya gravitasi adalah negative

W_g = mg cos 180^o Δy = (5kg)(9,81N/kg)(-1)(4m)

                                    = -196 J

c    c.   Wtotal = ΔK = 320 J – 196 J = 194 J

4.     sebuah partikel 2kg bergerak dengan kelajuan 3 m/s ketika berada di x=0. Benda ini dipengaruhi gaya tunggal Fx yang berubah dengan posisi seperti ditunjukan pada gambar.

a. berapakah energy kinetic partikel ketika di x=0?

b.  berapakah kerja yang dilakukan oleh gaya jika partikel bergerak dari x=0 ke x=4m?

c.  berapakah kelajuan partikel ketika berada di x=4m? 

Jawab:

5. Sebuah partikel 4 kg mula-mula diam di x=0. Partikel ini dipengaruhi gaya tunggal F_x yang berubah dengan posisi seperti ditunjukkan dalam Gambar 6-28. Carilah usaha yang dilakukan oleh gaya tersebut jika partikel bergerak (a) dari x=0 ke x=3m dan (b) dari x=3m ke x=6m. Carilah energi kinetik partikel ketika berada di (c) x=3m dan (d) x=6m.

Jawab;

Material Nano

Makalah

MATERIAL NANO

Mata kuliah          : Fisika Zat Padat

Rombel                 :

Dosen                    : Ibu Budi Astuti

Disusun oleh:

Kelompok 12

1.     Dias Meilinda Arista         4201411100

2.     Maliasih                             4201411101

3.     Endah Sriyati Ningsih       4201411105

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN  ILMU PENGETAHUAN ALAM

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2013

BAB I

PENDAHULUAN

A.    LATAR BELAKANG

Ukuran dewasa ini menjadi teramat penting. Semakin maju peradaban manusia maka permasalahan yang dihadapi menjadi sangat kompleks dan menantang. Tak jarang solusi yang harus dimunculkan memerlukan perhatian sampai pada ukuran yang sangat kecil yang sebelumnya belum pernah terpikirkan oleh manusia. Misalkan manusia ingin mendapatkan air murni dari air laut dengan cara memisahkan kandungan garamnya. Metode lama yang bisa dipakai adalah dengan menguapkan air laut sehingga garam akan tertinggal kemudian uap bisa diembunkan kembali dan didapatkan air suling. Namun metode ini sangat menguras energi yang sudah tidak layak lagi diterapkan dimasa depan karena biaya energi yang menjadi semakin mahal. Salah satu solusi yang dimunculkan adalah bagaimana kita bisa menyaring ion – ion garam dalam air laut sehingga kita dapatkan air murni tanpa perlu menaikkan suhu. Maka orang mulai merekayasa saringan molekuler untuk memisahkan air dari ion – ionnya. Saringan molekuler membutuhkan perhatian sampai dengan skala nanometer yang 1nm = 0,000000001 m.

Sesuai dengan namanya, nanoteknologi atau nanosains adalah ilmu pengetahuan dan teknologi pada skala nanometer, atau sepermilyar meter. Nano teknologi merupakan  suatau teknologi yang dihasilkan dari pemanfaatan sifat-sifat molekul atau struktur atom apabila berukuran  nanometer. Jadi apabila molekul atau struktur dapat dibuat dalam ukuran nanometer maka akan dihasilakan sifat-sifat baru yang luar biasa. Sifat-sifat baru inilah yang dimanfaatkan untuk keperluan teknologi, sehingga teknologi ini disebut nano teknologi.

Pada perkuliahan Fisika Zat Padat kali ini akan dibahas mengenai material nano, aplikasinya serta teknologi nano.

A.    RUMUSAN MASALAH

Rumusan masalah yang diajukan dalam makalah ini:

1.   Apa itu material nano?

2. Apa saja klasifikasi material nano?

3. Apa saja sifat dari material nano?

4.  Apa yang dimaksud dengan teknologi nano dan sains nano?

5. Apa saja pengaplikasian dari material nano?

B.     TUJUAN

Tujuan dalam pembuatan makalah ini:

1. Untuk mengetahui pengertian material nano.

2. Untuk mengetahui apa saja klasifikasi dari material nano.

3.  Untuk mengetahui apa saja sifat dari material nano.

4.  Untuk mengetahui apa saja pengaplikasian dari material nano.

5.  Untuk mengetahui  pengertian teknologi nano dan nano sains.

BAB II

PEMBAHASAN

A.    PENGERTIAN MATERIAL NANO

Karena semua benda kecil atau besar bahkan makhluk hidup tersusun dari atom atom berukuran nano. Karakteristik benda sangat bergantung pada susunan atomnya. Perbedaan struktur/ susunan atom dapat mengubah sifat molekul yang dihasilkannya. Jika atom-atom yang sama disusun ulang membentuk stuktur yang berbeda, molekul atau materi akan membentuk sifat yang berbeda pula.

Atom-atom yang terdapat dalam grafit sama persis dengan atom-atom sejenis yang terdapat dalam berlian (diamond) yang indah. Yang berbeda adalah susunan strukturnya saja. Atom-atom dalam partikel pasir sangat mirip dengan atom-atom dalam chip komputer yang canggih. Bahkan atom-atom penyusun air, udara, dan partikel debu sebenarnya sama dengan atom-atom dalam sebuah kentang. Sedikit saja susunan struktur atomnya diubah, karakteristik suatu benda bisa berubah drastis. Inilah konsep utama dalam nanomaterial.

Nanomaterial merupakan material yang mempunyai ukuran dalam skala nanometer yaitu berkisar antara 1-100 nm. Banyak orang tertarik dengan nanomaterial, karena dengan ukuran nano, sifat material lebih menguntungkan dari pada ukuran besar. Rekayasa material nanopartikel pada dasarnya adalah rekayasa pengendalian ukuran, bentuk, dan morfologi, serta penataan material pada ukuran nanometer, yang akan menentukan karakteristik nanopartikel hasil sintesis.

Secara geometris, nanomaterial dapat dimasukkan dalam material berdimensi rendah (dibawah 3). Karena ukuran yang sangat kecil maka secara umum karakteristik dari material nano adalah: kecil, ringan, properti unggul, dan cerdas.

Mengapa nanomaterials menjadi penting?

1.     Menawarkan kemampuan untuk memanipulasi, mengontrol dan mensintesa material pada level atom dan molekul.

2.     Mampu menyediakan afinitas, kapasitas dan selektifitas tingkat tinggi dari suatu material dikarenakan sifat kimia, fisika dan bilogi yang unik.

Karakteristik material dapat menjadi berbeda setelah menjadi nanomaterial ,

1.      Nanomaterial memiliki surface area yang besar daripada material awalnya. Hal ini dapat meningkatkan reaktifitas kimia dan meningkatkan kekuatan sifat elektronik,

2.      Efek kuantum yang mendominasi bahan nanoscale terutama pada pengaruh optikal dan sifat magnetik material. Terdapat berbagai fenomena quantum atraktif yang timbul sebagai akibat pengecilan ukuran material hingga ke dimensi nano. Logam platina meruah yang dikenal sebagai material inert dapat berubah menjadi material katalitik jika ukurannya diperkecil mencapai skala nano. Material stabil, seperti aluminium, menjadi mudah terbakar, bahan-bahan isolator berubah menjadi konduktor.

Proses pembentukan

Banyak nanoteknologi dan nanoscience yang dilakukan untuk memproduksi nanomaterial. Nanometerial dapat dibuat dengan tekhnik top down dan bottom up, dimana top down merupakan pembuatan struktur yang kecil dari material yang berukuran besar, sedangkan tekhnik bottom up penggabungan atom-atom atau molekul-molekul menjadi partikel yang berukuran lebih besar.

B.   KLASIFIKASI MATERIAL NANO

Density of electronic states (DOS) and their energy distribution (E) are of very important in solid state physic determining electronic and optical properties. Let us calculate the general law for (E) and its dependence on dimensionality. We must calculate a total number of states with energy less then G(E) and then find the DOS and X(E) by differentiation of G(E).

We must consider two states as different states if they differ on the minimal value defined from Heisenberg relation in which accordance this 

Berdasarkan derajat kebebasannya material nano dibagi menjadi empat jenis, yaitu:

1.      Tiga dimensi

excample: Nanokomposit, nanograined, mikroporous, mesoporous, interkalasi, organik-anorganik hybrids.

Let us consider the 3D body of

 in volume. In a reciprocal k-space it relates to the volume kx ky kz while in an impulse p-space to the total volume Vp = PxPyPz. To find number of states it is requested to divide the total volume Vp on the volume of one state V1.

The electrons occupy the energy levels in accordance with Hund rule, i.e., from bottom to top forming therefore a Fermi sphere in impulse space

Figure Peculiar distinguish ion of electron density of states for the systems 3D dimention

C. SIFAT MATERIAL NANO

Adapun beberapa sifat keunggulan dari material berukuran nano, antara lain :

1.      Sifat elektrik

Nanomaterial dapat mempunyai energi lebih besar dari pada material ukuran biasa karena memiliki surface area yang besar. Energy band secara bertahap berubah terhadap orbital molekul. Logam ukuran besar mengikuti hokum Ohm. Pada logam ukuran nano harus memiliki masukan elektrostatik (menggambarkan jumlah energi elektron) Eel = e2/2C. Resistivitas elektrik mengalami kenaikan dengan berkurangnya ukuran partikel.

Contoh aplikasi : energi densitas yang tinggi dari baterai, nanokristalin merupakan material yang bagus untuk lapisan pemisah pada baterai karena dia dapat menyimpan energi yang lebih banyak. Baterai logam nikel-hidrida terbuat dari nanokristalin nikel dan logam hidrida yang membutuhkan sedikit recharging dan memiliki masa hidupa yang lama.

2.      Sifat magnetik

Kekuatan magnetik adalah ukuran tingkat kemagnetan. Tingkat kemagnetan akan meningkat dengan penurunan ukuran butiran patikel dan kenaikan spesifik surface area per satuan volume partikel. Sehingga nanopmeterial memiliki sifat yang bagus dalam peningkatan sifat magnet.

Contoh aplikasi : magnet nanokristalin yttrium-samarium-cobalt memiliki sifat magnet yang luar biasa dengan luas permukaan yang besar. Aplikasinya pada mesin kapal, instrumen ultra sensitiv danmagnetic resonance imaging (MRI) pada alat diagnostik.

3.      Sifat mekanik

Nanomaterial memiliki kekerasan dan tahan gores yang lebih besar bila dibandingkan dengan material dengan ukuran biasa.

Contoh aplikasi : automobil dengan efisiensi greater fuel. Nanomaterial diterapkan pada automobil sejak diketahui sifat kuat, keras dan sangat tahan terhadap erosi, diharapkan dapat diterapkan pada busi.

4.      Sifat optik

Sistem nanokristalin memiliki sifat optikal yang menarik, yang mana berbeda dengan sifat kristal konvensional. Kunci peyumbang faktor masuknya quantum tertutup dari pembawa elektrikal pada nanopartikel, energi yang efisien dan memungkinkan terjadinya pertukaran karena jaraknya dalam skala nano serta memiliki sistem dengan interface yang tinggi. Dengan perkembangan teknologi dari material mendukung perkembangan sifat nanofotonik. Dengan sifat optik linear dan non linear material nano dapat dibuat dengan mengontrol dimensi kristal dan surface kimia, teknologi pembuatan menjadi faktor kunci untuk mengaplikasikan.

Contoh aplikasi : pada optoelektronik., electrochromik untuk liquid crystal display (LCD).

5.      Sifat kimia

Merupakan faktor yang penting untuk aplikasi kimia nanomaterial yaitu penambahan surface area yang mana akan meningkatkan aktivitas kimia dari material tersebut.

Contoh aplikasi : teknologi fuel cell merupakan aplikasi yang penting dari penggunaan logam nanopartikel. Dimana dalam fuel cell digunakan logam Pt dan Pt-Ru.

Besi oksida nanopartikel merupakan oksida logam yang mendapat perhatian yang besar dalam rekayasa material nanopartikel, mengingat potensi penerapan teknologi yang dimungkinkan. Pemanfaatan oksida logam yang memiliki beberapa spesies oksida berkarakteristik khas ini telah banyak dilaporkan yaitu sebagai : fotokatalis pada fotooksidasi fenol sebagai katalis autooksidasi bahan bakar jet-A, komponen aktif pada media rekam padat informasi, sebagai penghantaran obat paramagnetik dengan mengubahnya menjadi senyawa magnetic-gels, sensor alkohol pada temperatur ruang dan sebagai fotokatalis untuk menguraikan air menjadi hidrogen dan oksigen dlam bentuk elektroda lapis tipis, selain itu besi oksida nanopartikel dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan CaO sebagi sensor gas SO_2.

B.     APLIKASI MATERIAL NANO

Aplikasi dari material nano:

1.      Kesehatan

·         Contrast agent untuk pencitraan sel dan terapi untuk mengobati kanker

·         Nanoteknologi-on-a-chip

·         Drug delivery vehicles

·         Kosmetik yang dapat melindungi diri dari bahaya sinar  ultraviolet

2.      Lingkungan hidup

Nanofiltration terutama digunakan untuk menghilangkan ion atau pemisahan fluida yang berbeda.

3.      Elektronika

salah satu aplikasi dalam elektronika adalah sebagai Memori Storage.

Kelebihan:

·         Dengan ukuran partikel yang sangat kecil namun efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding pada saat partikel berukuran normal.

·         Fenomena unik sifat-sifat mekanik , fisika , kimia, biologi, listrik, termal dan elektrik pada skala nano membuka peluang aplikasi bahan dan teknologi nano diberbagai bidang.

·         Dengan adanya fenomena-fenomena unik diatas maka banyak inovasi-inovasi baru contohnya : mengubah polusi panas menjadi energi listrik, mobil berbahan baku nanas.

·         Penerapan material nano bukan hanya pada bidang teknik, melainkan juga pada produk makanan , obat-obatan , dan kosmetik.

·         Produk yang dihasilkan jauh lebih berkualitas, yaitu tidak mudah aus, hemat enrgi karena tahan panas, dan tidak memerlukan pendinginan, dengan demikian , akan menghemat biaya oprasional dan pemeliharaan serta ramah lingkungan.

Kekurangan:

·         Nanopartikel berbahaya bagi kesehatan karena Nanopartikel dapat mengganggu jalannya transportasi substansi vital masuk dan keluar sel ,sehingga mengakibatkan kerusakan fisiologis sel dan mengganggu fungsi sel normal.

·         Bioavailability, didefinisikan sebagai kemampuan bahan untuk menembus membran/lapisan jaringan tubuh melalui berbagai cara paparan (kulit, pernafasan, dan pencernaan).

·         Bioaccumulation, didefinisikan sebagai kemampuan partikel yang terabsorpsi untuk terakumulasi didalam jaringan tubuh organisme dengan berbagai jalur paparan.

·         Toxic Potential, efek dari toksisitas nanomaterial dimungkinkan melalui berbagai sebab yaitu kemampuan oksidasi, inflamasi dari iritasi fisis, pelepasan dari radikal yang terkandung dan dari pengotor (impurities) dari pembuatan nanomaterial misalkan sisa katalis, pengotor bahan baku yang kurang murni.

C.    TEKNOLOGI NANO DAN SAINS NANO

Sesuai dengan namanya, nanoteknologi atau nanosains adalah ilmu pengetahuan dan teknologi pada skala nanometer, atau sepermilyar meter. Nano teknologi merupakan  suatau teknologi yang dihasilkan dari pemanfaatan sifat-sifat molekul atau struktur atom apabila berukuran  nanometer. Jadi apabila molekul atau struktur dapat dibuat dalam ukuran nanometer maka akan dihasilakan sifat-sifat baru yang luar biasa. Sifat-sifat baru inilah yang dimanfaatkan untuk keperluan teknologi, sehingga teknologi ini disebut nano teknologi.

Nanoteknologi atau teknologi rekayasa zat  adalah pembuatan / penggunaan materi / devais pada ukuran sangat kecil, yakni 1-100 nm . devinisi kedua adalah memahami dan mengontrol sesuatu pada dimensi 1-100 nm, dimana fenomena-fenomena unik menghasilkan aplikasi baru. Teknologi nano meliputi pencitraan , pemodelaan , pengukuran, fabrikasi dan memanipulasi sesuatu pada skala nano. Fenomena-fenomena unik yang dapat diamati pada sifat-sifat magnetik , mekanik , listrik, termal , optik , kimia dan biologi. Ketika ukuran butir bahan magnetik diperkecil hingga skala nano , bahan feromagnetik berubah menjadi bahan superparamagnetik. Salah satu sifat mekanik bahan adalah kekuatan luluh yaitu batas maksimum kekuatan suatu bahan sebelum mengalami deformasi plastis (berubah bentuk). Jika ukuran butir suatu logam atau keramik lebih kecil dari ukuran butir kritis (<100 nm) , sifat mekanik bahan berubah dari keras menjadi lunak.efek termoelektrik adalah konversi langsung perbedaan temperatur menjadi beda tegangan atau sebaliknya. Efisiensi efek termoelektrik akan meningkat pada bahan beskala nano. Partikel logam/semikonduktor berukuran nano memiliki warna emisi berbeda dibandingkan partikel tersebut dengan ukuran skla mikro.

Jadi intinya dengan nanoteknolgi maka setiap bahan / material akan memungkinkan pengurangan berat disertai dengan peningkatan stabilitas dan meningkatkan fungsionalitas.

Soal dan Pembahasan Hukum II Newton

           1. Sebuah kotak yang beratnya 600 N didorong sepanjang lantai horizontal dengan kecepatan dan gaya 250 N sejajar oleh lantai. Berapakah koefisien gesekan kinetic antara kotak dan lantai?

Jawab:

2. Koefisien gesekan statik antara ban mobil dan jalan horisontal adalah u=0,6. Jika gaya neto pada mobil adalah gaya gesekan statik yang dikerjakan oleh jalan,

     (a) berapakah percepatan maksimum mobil?

     (b) dalam jarak paling sedikit berapakah mobil dapat berhenti jika mobil mula-mula bergerak dengan kelajuan 30 m/s?

Jawab:

3. Sebuah kursi bergeser melintasi lantai yang dipoles dengan kelajuan awal 3 m/s. setelah bergeser sejauh 2 m kursi berhenti. Berapakah koefisien gesekan kinetik antara lantai dan kursi?

Jawab  :

Berat kursi m g diimbangi oleh gaya normal lantai F_n = mg. satu-satunya gaya horizontal yang bekerja pada kursi adalah gaya gesekan kinetic, yang bekerja berlawanan dengan arah gerakan. Jika kita memisalkan kecepatan dalam arah positif, maka gaya gesekan adalah

4. Sebuah kotak 800 N diam pada permukaan bidang yang dimiringkan 30° terhadap horizontal . seorang mahasiswa fisika berpendapat bahwa ia dapat mencegah kotak untuk menggelincir jika ia mendorongnya dengan gaya paling sedikit 200 N sejajar permukaan. (a) berapakah koefisien gesekan statis antara kotak dan permukaan? (b) berapakah gaya terbesar yang dapat diberikan pada kotak sejajar bidang miring sebelum kotak meluncur menaiki bidang miring?

Jawab:

5. Sebuah balok 5 kg diatur agar diam pada dinding vertical oleh gaya horizontal 100 N.

a.      Berapakah gaya gesekan yang dikerjakan oleh dinding pada balok?

b.      Berapakah gaya horizontal minimum yang diperlukan untuk mencegah balok jatuh jika koefifien antara dinding dan balok adalah m_s = 0,40?

     Jawab:

6. Pada suatu hari yang bersalju dengan temperatur dekat titik beku, koefisien gesekan statik antara ban dan jalan bersalju adalah 0,008. Berapakah  kemiringan maksimum yang dapat didaki kendaraan yang digerakkan 4 roda dengan percepatan nol?

Jawab: