redesain-navbar Portlet

BelajarPintarV3

Pengertian Termodinamika

Tahukah Sobat apa yang dimaksud dengan termodinamika ??

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika adalah suatu ilmu yang menggambarkan usaha  untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya.

Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan.

Aplikasi dan penerapan termodinamika bisa terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.

Prinsip Termodinamika

Prinsip termodinamika sebenarnya yaitu hal alami yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, termodinamika direkayasa sedemikian rupa sehingga menjadi suatu bentuk mekanisme yang bisa membantu manusia dalam kegiatannya.

Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena adanya perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17.

Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik yakni perilaku umum partikel zat yang menjadi media pembawa energi.

Latihan 1

Apa yang dimaksud dengan termodinamika?

A. Ilmu yang menggambarkan usaha untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya.

B. Ilmu pengetahuan yang membahas gerak benda dan sistem benda tanpa mempersoalkan gaya penyebab gerakan.

C. Ilmu pengetahuan yang mempelajari gerakan suatu benda serta efek gaya dalam gerakan itu

D. Ilmu pengetahuan yang menggambarkan hubungan antara gaya yang bekerja pada suatu benda dan gerak yang disebabkannya

E. Ilmu pengetahuan yang mempelajari gerakan suatu benda serta efek gaya dalam gerakan

Latihan 2

Berikut ini merupakan proses dalam Termodinamika, kecuali...

A. isobarik

B. isokorik

C. isolasi

D. isotermis

E. adiabatik

Latihan 3

Dalam termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya, terdapat sistem terbuka, sisterm tertutup dan sistem terisolasi. Apa yang dimaksud dengan sistem tertutup?

A. sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya

B. sistem yang menyebabkan massa maupun energi bisa melintasi batas sistem yang sifatnya permeabel

C. suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan

D. sistem yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya

E. sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan

Latihan 4

Berikut ini merupakan penerapan proses isobarik, yakni...

A. pemanasan air di dalam ketel mesin uap

B. sebuah kipas dan baterai dalam sebuah wadah tertutup

C. Air Conditioner (AC)

D. prinsip kerja mesin diesel

E. siklus otto

Latihan 5

Pada gas ideal, energi kinetik merupakan fungsi dari ....

A. volume

B. tekanan

C. suhu

D. tekanan dan suhu

E. volume dan tekanan

Sistem terbuka

Sobat Pintar, dalam Termodinamika terdapat tiga sistem yaitu sistem terbuka, sistem tertutup dan sistem terisolasi. Nah untuk pertama, kita akan bahas sistem terbuka !

Sobat Pintar, klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya. Diantaranya yakni sistem terbuka, sistem tertutup dan sistem terisolasi. Untuk pertama adalah sistem terbuka.

Sistem yang menyebabkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya suatu aliran masa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar yaitu ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem.

Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi bisa melintasi batas sistem yang sifatnya permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume.

Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem yaitu :

a. Untuk panas (Q) bernilai positif jika diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem

b. Untuk usaha (W) bernilai positif jika keluar dari sistem dan bernilai negatif jika diberikan (masuk) kedalam sistem.

Sistem tertutup

Nah Sobat Pintar, tadi kita sudah membahas sistem tertutup. Sekarang kuy kita lanjut ke sistem tertutup !

Yuk kita lanjut ke sistem berikutnya, Sobat Pintar!

Sistem tertutup merupakan sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak bisa melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) bisa melintasi lapis batas sistem tersebut.

Dalam sistem tertutup, walaupun massa tidak bisa berubah selama proses berlangsung, tapi volume bisa saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang bisa bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut.

Contoh sistem tertutup yaitu suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.

Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, jika panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan mengakibatkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa dalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut dengan control mass.

Suatu sistem bisa mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

  • Pembatas adiabatik : tidak memperbolehkan pertukaran panas.
  • Pembatas rigid : tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik yaitu dinding yang menyebabkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya suatu pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik yaitu dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).

Sistem Terisolasi

Oke sekarang kita lanjut ke sistem terakhir dalam Termodinamika yakni sistem terisolasi.

Sobat Pintar, lanjut ke topik berikutnya...

Sistem terisolasi ialah sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak bisa terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, walaupun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut dengan property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain.

Suatu sistem bisa berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, jika masing-masing jenis koordinat sistem tersebut bisa diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem memiliki nilai koordinat yang tetap.

Jika koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).

Latihan 1

Jika reaksi antara logam Barium dengan Asam Klorida encer dicampurkan ke dalam tabung reaksi yang tersumbat dengan rapat, gas Hidrogen di dalam sistem tidak dapat meninggalkan sistem. Akan tetapi perambatan kalor meninggalkan sistem tetap terjadi melalui dinding pada tabung reaksi. Pada percobaan ini termasuk ke dalam…

A. sistem terbuka

B. perubahan entalpi

C. sistem tertutup

D. perubahan energi dalam

E. sistem terisolasi

Latihan 2

Pernyataan di bawah ini yang termasuk ke dalam reaksi Endoterm adalah…..

A. besi berkarat

B. pembuatan es batu dan air

C. air mengalir

D. ledakan bom

E. pembakaran kayu

Latihan 3

Perhatikan contoh berikut ini :

  1. Besi berkarat
  2. Ledakan bom
  3. Pembakaran kayu
  4. Mencairnya es batu
  5. Perubahan embun beku menjadi uap

Reaksi eksoterm ditunjukkan oleh nomor....

A. 1, 2, 3, dan 4

B. 2, 3, 4 dan 5

C.

1, 2 dan 3

D. 2, 3 dan 4

E. 3, 4 dan 5

Latihan 4

Berikut ini merupakan hukum-hukum dalam Termodinamika kecuali :

A. hukum Boyle

B. hukum Charles

C. hukum Gay-Lussac

D. hukum Boyle-Gay Lussac

E. hukum Archimedes

Latihan 5

Perhatikan beberapa pernyataan-pernyataan berikut ini :

  1. Pada proses isobarik, gas selalu melakukan usaha.
  2. Pada proses isotermik, energi dalam gas berubah.
  3. Pada proses isokhorik, gas tidak melakukan usaha.
  4. Pada proses isobarik, gas melakukan/menerima usaha.

Pernyataan yang berkaitan dengan proses termodinamika ditunjukan oleh nomor...

A. 1 dan 2

B. 3 dan 4

C. 1,2 dan 3

D. 2, 3 dan 4

E. semuanya benar

Hukum I termodinamika (Kekekalan Energi dalam Sistem)

Yuk kita bahas topik selanjutnya ...

Termodinamika mempunyai hukum-hukum pendukungnya. Hukum-hukum ini menerangkan bagaimana dan apa saja konsep yang harus diperhatikan seperti peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika.

Sejak perumusannya, hukum-hukum ini sudah menjadi hukum penting dalam dunia fisika yang berhubungan dengan termodinamika. Penerapan hukum-hukum ini juga digunakan dalam berbagai bidang seperti bidang ilmu lingkungan, otomotif, ilmu pangan, ilmu kimia dan lain-lain. 

Energi tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan. Manusia hanya bisa mengubah bentuk energi dari bentuk energi satu ke energi lainnya. Dalam termodinamika, jika sesuatu diberikan kalor, maka kalor tersebut akan berguna untuk usaha luar dan mengubah energi dalam.

Bunyi Hukum I Termodinamika

“Untuk setiap proses apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ”.

U = Q - W

Dimana U menunjukkan sifat dari sebuah sistem, sedangkan W dan Q tidak. W dan Q bukan fungsi variabel keadaan, tetapi termasuk dalam proses termodinamika yang bisa merubah keadaan. U merupakan fungsi variabel keadaan (P, V, T, n).
W bertanda positif bila sistem melakukan usaha terhadap lingkungan dan negatif jika menerima usaha lingkungan.

Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan dan negatif jika melepas kalor pada lingkungan.

Perubahan energi dari sebuah sistem hanya tergantung pada transfer panas ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem dan tidak bergantung pada proses yang terjadi. Pada hukum ini tidak ada petunjuk adanya arah perubahan dan batasan-batasan lain.

1. Rumus Hukum Termodinamika I

Secara matematis hukum I termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut:

Dengan ketentuan, jika:

Q(+) -> sistem menerima kalor
OR -> sistem melepas kalor
W(+) -> sistem melakukan usaha
W(-) -> sistem dikenai usaha
U(+) -> terjadi penambahan energi dalam
U(-) -> terjadi penurunan energi dalam

2. Proses-proses

Isobaris -> tekanan tetap
Isotermis -> suhu tetap -> U= 0
Isokhoris -> volume tetap (atau isovolumis atau isometric) -> W = 0
Adiabatis -> tidak terjadi pertukaran kalor -> Q = 0

Siklus -> daur -> U = 0

3. Persamaan Keadaan Gas

a. Hukum Gay-Lussac

Tekanan tetap -> V/T = Konstan -> V1/T1 = V2/T2

b. Hukum Charles

Volume tetap -> P/T = Konstan -> P1/T1 = P2/T2

c. Hukum Boyle

Suhu tetap -> PV = Konstan -> P1V1 = P2V2

P, V, T Berubah (non adiabatis)

(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)

d. Adiabatis

y = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap

e. Usaha

W=PV -> Isobaris
W = 0 -> Isokhoris
W = nRT ln (V2 / V1) -> Isotermis
W = -3/2 nRT-> Adiabatis ( gas monoatomik)

Keterangan :

T = suhu (Kelvin, jangan Celcius)
P = tekanan (Pa = N/m2)
V = volume (m3)
n = jumlah mol
1 liter = 10-3m3
1 atm = 105 Pa

f. Mesin Carnot

Hukum II termodinamika (Arah reaksi sistem dan batasan)

Nah Sobat Pintar, sekarang kita lanjut yuk ke Hukum II Termodinamika!

Hukum kedua ini membatasi perubahan energi mana yang bisa terjadi dan yang tidak. Pembatasan ini dinyatakan dengan berbagai cara, yaitu :

“Hukum II termodinamika dalam menyatakan aliran kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”

a. Hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor :

Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.

b. Hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi (besaran termodinamika yang menyertai suatu perubahan setiap keadaan dari awal sampai akhir sistem dan menyatakan ketidakteraturan suatu sistem) :

Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses irreversible terjadi.

Hukum III termodinamika

Nah yang terakhir, kita akan membahas hukum ketiga termodinamika.

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut.

Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut (temperatur Kelvin) semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.

Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Latihan 1

Jawablah pertanyaan berikut!

1,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar....

A. 20 kJ

B. 40 kJ

C. 60 kJ

D. 80 kJ

E. 100 kJ

Latihan 2

2000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

A. 3678,4 joule

B. 4988,4 joule

C. 5788,2 joule

D. 6954,2 joule

E. 7896,4 joule

Latihan 3

Terdapat 5 liter gas bertekanan 3 atm sehingga volumenya mengembang dengan tekanan konstan sampai mencapai 10 liter. Berapakah usaha yang dilakukan oleh gas ?

A. 3 atm.liter

B. 5 atm.liter

C. 7 atm.liter

D. 10 atm.liter

E. 12 atm.liter

Latihan 4

Pada sebuah sistem yang terdiri atas 4 kg air dengan suhu 73oC, 30 kJ usaha dilakukan dengan cara mengaduknya dan 10 kkal pans dibuang. Berapakah perubahan tenaga internal sistem ?

A. -11,8 kJ

B. -15,8 kJ

C. -20,4 kJ

D. -22,8 kJ

E. -25,3 kJ

Latihan 5

Terdapat sebuah mesin panas yang menyerap panas 400 J dari tandon panas, kemudian melakukan usaha dan membuang 200 J panas ketandon dingin. Besar efisiensi mesin tersebut?

A. 25 %

B. 50 %

C. 60 %

D. 75 %

E. 90 %

Termos

Selain pada proses termodinamika dan manusia, penerapan termodinamika juga dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari salah satunya pada termos. Apa saja? yuk simak berikut ini...

Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.

Mesin kendaraan bermotor

Sobat Pitar, yuk kita lanjut ke topik berikutnya!

Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka.

Dimana ruang di dalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.

Refrigerator (Lemari Es)

Refrigerator adalah suatu unit mesin pendingin dipergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. Panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya.

Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor dan beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk ke lingkungan yang hangat. 

Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperatur tinggi Th (ruangan).

Pendingin Ruangan (AC)

Air Conditioner (AC) alias Pengkondisian Udara merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan ruangan yang kita inginkan, terutama mengkondisikan ruangan menjadi lebih rendah suhunya dibanding suhu lingkungan sekitarnya.

Filter (penyaring) tambahan digunakan untuk menghilangkan polutan dari udara. AC yang digunakan dalam sebuah gedung biasanya menggunakan AC sentral. Selain itu, jenis AC lainnya yang umum adalah AC ruangan yang terpasang di sebuah jendela.

Kunci utama dari AC adalah refrigerant, yang umumnya adalah fluorocarbon, yang mengalir dalam sistem, menjadi cair dan melepaskan panas saat dipompa (diberi tekanan), dan menjadi gas dan menyerap panas ketika tekanan dikurangi.

Mekanisme berubahnya refrigerant menjadi cairan lalu gas dengan memberi atau mengurangi tekanan terbagi mejadi dua area. Sebuah penyaring udara, kipas, dan cooling coil (kumparan pendingin) yang ada pada sisi ruangan dan sebuah kompresor (pompa), condenser coil (kumparan penukar panas), dan kipas pada jendela luar.

Udara panas dari ruangan melewati filter, menuju ke cooling coil yang berisi cairan refrigerant yang dingin, sehingga udara menjadi dingin, lalu melalui teralis/kisi-kisi kembali ke dalam ruangan.

Pada kompresor, gas refrigerant dari cooling coil lalu dipanaskan dengan cara pengompresan. Pada condenser coil, refrigerant melepaskan panas dan menjadi cairan, yang tersirkulasi kembali ke cooling coil. Sebuah thermostat mengontrol motor kompresor untuk mengatur suhu ruangan.

Latihan 1

Jawablah pertanyaan berikut!

Suatu gas mempunyai volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Bila tekanan gas yaitu 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut ?? (1 atm = 1,01 x 105 Pa)

A. 5,05 x 105 joule

B. 7,05 x 105 joule

C. 9,05 x 105 joule

D. 12,05 x 105 joule

E. 13,05 x 105 joule

Latihan 2

Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya.....%

A. 5, 25 %

B. 15, 35 %

C. 43, 25 %

D. 62,5 %

E. 70,2 %

Latihan 3

Syarat gas ideal dikatakan melakukan proses isotermal yakni ....

A. Q = W

B. Q > W

C. Q < W

D. Q = U

E. W = U

Latihan 4

Prinsip Kerja Mesin Diesel merupakan penerapan pada proses ....

A. proses isobarik

B. proses isokhorik

C. proses isotermal

D. proses adiabatik

E. proses dinamika

Latihan 5

Terdapat dua bejana A dan B volumenya sama berisi udara yang suhu dan massanya sama. bejana A dipanaskan secara isobaris sedangkan udara di dalam bejana B dipanaskan pada proses isokhoris. Jika besar kalor yang diberikan pada bejana A dan B sama maka ....

A. kenaikan suhu udara di A dan di B sama

B. perubahan energi dalam di A dan di B sama

C. kenaikan suhu udara di A lebih kecil dari di B

D. kenaikan suhu udara di A lebih besar dari di B

E. salah semua

redesain-navbar Portlet