Kerja, Suhu, Kalor, Sistem, Lingkungan, Energi dalam
Pengantar
Sebelum melangkah lebih jauh, alangkah baiknya jika kita pahami kembali beberapa istilah dan konsep dasar yang sering digunakan dalam pokok bahasan termodinamika. Konsep usaha alias kerja (W) sudah dikupas tuntas dalam pokok bahasan usaha dan energi. Konsep suhu dan kalor sudah diobok-obok dalam pokok bahasan Suhu dan Kalor. Konsep energi dalam (energi dalam gas ideal) sudah dioprek dalam pokok bahasan Teori Kinetik Gas.
USAHA alias KERJA (W)
Sejauh ini kita sudah berkenalan dengan dua jenis gerakan, yakni gerak translasi (gerak lurus, gerak parabola dkk) dan gerak rotasi. Dengan demikian, kita bisa mengelompokkan kerja menjadi dua bagian, yakni kerja dalam gerak translasi dan kerja dalam gerak rotasi.
Kerja dalam gerak translasi
Dalam gerak translasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara perpindahan dengan komponen gaya yang searah dengan perpindahan. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Keterangan :
W = Usaha alias kerja
F = gaya
s = perpindahan = perpindahan linear
Apabila benda yang dikenai gaya tidak mengalami perpindahan (s = 0), maka usaha alias kerja = 0. Demikian juga, apabila arah gaya tegak lurus arah perpindahan (teta = 90o. Cos 90o = 0), maka usaha alias kerja = 0.
Usaha hanya memiliki besar dan tidak mempunyai arah, karenanya termasuk besaran skalar. Walaupun gaya dan perpindahan termasuk besaran vektor tetapi usaha merupakan besaran skalar karena diperoleh dari perkalian skalar. Pelajari lagi materi vektor dan skalar kalau dirimu bingung…
Kerja dalam gerak rotasi
Dalam gerak rotasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara torsi dengan perpindahan sudut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Satuan Sistem Internasional (SI) untuk usaha alias kerja adalah newton meter (Nm). Satuan newton meter dikenal dengan julukan Joule ( 1 Joule = 1 N.m).
Hubungan antara usaha dengan energi
Usaha alias kerja berkaitan erat dengan energi. Untuk memahami hal ini, gurumuda menggunakan contoh saja… Misalnya dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok… Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi potensial kimia dalam tubuhmu berkurang. Sebagian energi potensial kimia dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv2. m = massa motor, v = kecepatan motor). Kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha alias kerja pada motor, energi dalam tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor.
Berdasarkan uraian singkat ini, bisa disimpulkan bahwa usaha alias kerja merupakan proses perpindahan energi melalui cara-cara mekanis (mekanis berhubungan dengan gerak menggerak).
SUHU (T)
Konsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kita. Berdasarkan apa yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda lebih panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain. Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini dikenal dengan julukan suhu alias temperatur. Benda yang terasa panas biasanya memiliki suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah suhunya. Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya. Btw, ukuran panas atau dinginnya suatu benda yang hanya didasarkan pada sentuhan (indera peraba) ini sebenarnya tidak terlalu jelas. Panas yang dirasakan oleh setiap orang bisa saja berbeda. Demikian juga, walaupun menyentuh benda yang sama, panas yang dirasakan oleh bagian tubuh yang berbeda bisa saja berbeda.
Dalam pokok bahasan teori kinetik gas kita sudah mendefinisikan kembali makna suhu. Berdasarkan sudut pandang mikroskopis, suhu sebenarnya merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata molekul.
Satuan Sistem Internasional untuk suhu adalah Kelvin (K).
KALOR alias PANAS (Q)
Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung menyamakan suhu benda yang bersentuhan.
Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakan Caloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.
Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.
Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil, maka kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.
Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).
Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena ada aliran kalor dari api menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat).
Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu). Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.
Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar). Btw, kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule (J).
Berdasarkan penjelasan di atas, tampak bahwa kalor (Q) memiliki kemiripan dengan usaha alias kerja (W). Kalor bisa diartikan sebagai perpindahan energi yang disebabkan oleh adanya perbedaan suhu, sedangkan usaha alias kerja bisa diartikan sebagai perpindahan energi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak)
SISTEM dan LINGKUNGAN
Dalam termodinamika, kita selalu menganalisis proses perpindahan energi dengan mengacu pada suatu sistem. Sistem adalah sebuah benda atau sekumpulan benda yang hendak diteliti… Benda-benda lainnya di alam semesta dinamakan lingkungan… Biasanya sistem dipisahkan dengan lingkungan menggunakan “penyekat/pembatas/pemisah”. Untuk memudahkan pemahamanmu, gurumuda menggunakan ilustrasi saja… tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…
Misalnya kita hendak menyelidiki air yang berada di dalam termos. Air yang ada di dalam termos merupakan sistem, sedangkan udara dan benda-benda lainnya yang berada diluar termos merupakan lingkungan… dinding termos, baik dinding kaca pada bagian dalam termos maupun dinding plastik pada bagian luar termos berfungsi sebagai penyekat alias pemisah.
Terdapat beberapa jenis sistem, yakni sistem terbuka dan sistem tertutup. Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan… Contoh sistem terbuka adalah tumbuh-tumbuhan, hewan dkk… Tumbuh-tumbuhan biasanya menyerap air dan karbondioksida dari lingkungan (terjadi pertukaran materi). Tumbuhan juga membutuhkan kalor yang dipancarkan matahari (terjadi pertukaran energi). Dirimu dan diriku juga termasuk sistem terbuka… Masih banyak contoh lain.
Sebaliknya, sistem tertutup merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran materi antara sistem tersebut dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak adanya kemungkinan terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan tidak terisolasi jika bisa terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan… Contoh sistem tertutup yang terisolasi adalah termos air panas. Dinding bagian dalam dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas). Btw, dalam kenyataannya memang banyak sistem terisolasi buatan yang tidak sangat ideal. Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya sangat kecil.
ENERGI DALAM (U)
Energi dalam merupakan salah satu konsep paling penting dalam termodinamika. Kita bisa mendefinisikan energi dalam dengan mengacu pada teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom atau molekul, di mana atom atau molekul tersebut bergerak terus menerus secara sembarangan… Ketika bergerak, atom atau molekul pasti punya kecepatan. Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul mempunyai energi kinetik (EK). Kita bisa mengatakan bahwa energi dalam merupakan jumlah seluruh energi kinetik atom atau molekul, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara atom atau molekul…
Referensi
Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Hukum pertama termodinamika
Pengantar
Pernah memanaskan air ? Kalau kita panaskan air menggunakan wadah seperti panci, misalnya, biasanya setelah air mendidih, tutup panci bisa bergerak sendiri. Tutup panci bisa bergerak karena ditendang oleh uap yang lagi kepanasan dalam panic. Ingin bebas, katanya. Sudah bosan hidup di penjara… Ada lagi contoh yang mirip. Dirimu pernah ngemil popcorn ? Mudah2an sudah. Kalau belum, minta saja di toko terdekat. Ssttt… jangan lupa bawa uang receh secukupnya, biar dirimu tidak diomelin. Btw, tahu cara membuat popcorn ? Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah lalu dipanaskan. Setelah kepanasan, biji popcorn berdisco ria dengan teman-temannya dan mendorong penutup wadah. Aneh ya, cuma dipanasi dengan nyala api, biji popcorn dalam wadah meletup dan loncat-loncat sendiri. Saking senangnya, penutup wadah jadi korban kenakalan mereka mengapa bisa terjadi seperti itu ?
Proses Termodinamika
Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju sistem.
Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak). Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.
Salah satu contoh sederhana berkaitan dengan perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja adalah proses pembuatan popcorn. Dirimu ngerti popcorn tidak ? biji jagung yang ada bunganya. Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah tertutup (panci atau alat masak lainnya). Selanjutnya, wadah tertutup tersebut dipanasi dengan nyala api kompor. Adanya tambahan kalor dari nyala api membuat biji popcorn dalam panci kepanasan dan meletup. Ketika meletup, biasanya biji popcorn berjingkrak-jingkrak dalam panci dan mendorong penutup panci. Gaya dorong biji popcorn cukup besar sehingga kadang tutup panci bisa berguling ria… Untuk kasus ini, kita bisa menganggap popcorn sebagai sistem, panci sebagai pembatas dan udara luar, nyala api dkk sebagai lingkungan. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari lingkungan (nyala api) menuju sistem (biji popcorn). Adanya tambahan kalor menyebabkan sistem (biji popcorn) memuai dan meletup sehingga mendorong penutup panci (si biji popcorn tadi melakukan kerja terhadap lingkungan). Dalam proses ini, keadaan popcorn berubah. Keadaan popcorn berubah karena suhu, tekanan dan volume popcorn berubah saat memuai dan meletup. Meletupnya popcorn hanya merupakan salah satu contoh perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Masih sangat banyak contoh lain, sebagiannya sudah diulas pada bagian pengantar… Perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja, disebut sebagai proses termodinamika.
Energi dalam dan Hukum Pertama Termodinamika
Energi dalam sistem merupakan jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul sistem. Kita berharap bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam sistem akan bertambah… Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan (sistem melepaskan energi), energi dalam sistem akan berkurang…
Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – Kerja yang dilakukan oleh sistem (sistem melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini :
Keterangan :
delta U = Perubahan energi dalam
Q = Kalor
W = Kerja
Persamaan ini berlaku untuk sistem tertutup (Sistem tertutup merupakan sistem yang hanya memungkinkan pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan). Untuk sistem tertutup yang terisolasi, tidak ada energi yang masuk atau keluar dari sistem, karenanya, perubahan energi dalam = 0. Persamaan ini juga berlaku untuk sistem terbuka jika kita memperhitungkan perubahan energi dalam sistem akibat adanya penambahan dan pengurangan jumlah zat (Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan). Mengenai sistem terbuka dan tertutup telah gurumuda jelaskan pada postingan sebelumnya…
Hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan Hukum Kekekalan Energi dan ketepatannya telah dibuktikan melalui banyak percobaan (seperti percobaan om Jimi Joule). Perlu diketahui bahwa hukum ini dirumuskan pada abad kesembilan belas, setelah kalor dipahami sebagai energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu.
Energi dalam merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara langsung. Yang kita analisis dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika hanya perubahan energi dalam saja. Perubahan energi dalam bisa diketahui akibat adanya energi yang ditambahkan pada sistem dan energi yang dilepaskan sistem dalam bentuk kalor dan kerja. Jika besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara langsung, maka besaran yang menyatakan keadaan makroskopis bisa diketahui secara langsung. Besaran yang menyatakan keadaan makroskopis adalah suhu (T), tekanan (p), volume (V) dan massa (m) atau jumlah mol (n). Ingat ya, Kalor dan Kerja hanya terlibat dalam proses perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Kalor dan Kerja bukan merupakan besaran yang menyatakan keadaan sistem.
Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan Kerja (W)
Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan Hukum Pertama Termodinamika. Kalor (Q) dalam persamaan di atas merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif), sedangkan Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada sistem, maka W bernilai negatif. Pahami perlahan-lahan….
Contoh soal 1 :
Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem, sedangkan sistem melakukan kerja 1000 Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?
Panduan jawaban :
Sistem mendapat tambahan kalor (sistem menerima energi) sebanyak 2000 Joule. Sistem juga melakukan kerja (sistem melepaskan energi) 1000 Joule. Dengan demikian, perubahan energi sistem = 1000 Joule.
Contoh soal 2 :
Jika kalor sebanyak 2000 Joule meninggalkan sistem dan sistem melakukan kerja 1000 Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?
Panduan jawaban :
Ingat ya, jika kalor meninggalkan sistem, berarti Q bernilai negatif
Kalor meninggalkan sistem (sistem melepaskan energi) sebanyak 2000 Joule. Sistem juga melakukan kerja (sistem melepaskan energi) sebesar 1000 Joule. Dengan demikian, energi dalam sistem berkurang sebanyak 3000 J.
Contoh soal 3 :
Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem dan kerja 1000 Joule dilakukan pada sistem, berapakah perubahan energi dalam sistem ?
Panduan jawaban :
Ingat ya, jika kerja dilakukan pada sistem, berarti W bernilai negatif
Sistem mendapat tambahan kalor (sistem menerima energi) sebanyak 2000 Joule dan kerja dilakukan pada sistem (sistem menerima energi) 1000 Joule. Dengan demikian, energi dalam sistem bertambah sebanyak = 3000 Joule.
Pahami perlahan-lahan ya. Jangan pake hafal, nanti dirimu cepat lupa…
Catatan :
Pertama, kebanyakan sistem yang kita analisis secara teoritis dalam pokok bahasan ini adalah gas. Kita menggunakan gas, karena keadaan makroskopis gas (suhu, tekanan dan volume) lebih mudah diketahui. Dalam menganalisis gas, kita tetap menganggap gas sebagai gas ideal. Tujuannya hanya untuk mempermudah analisis saja. Kita tidak menggunakan gas riil karena pada tekanan yang cukup besar, biasanya gas riil berperilaku menyimpang. Karenanya analisis kita menjadi lebih sulit…
Kedua, jika sistem yang kita analisis adalah gas ideal, maka energi dalam bisa dihitung menggunakan persamaan yang menyatakan hubungan antara energi dalam gas ideal dengan suhu gas ideal : U = 3/2 nRT (persamaan energi dalam gas ideal monoatomik). Persamaan ini kita turunkan dari teori kinetik. Penurunannya telah dibahas dalam materi Teori Kinetik Gas.
Sebaiknya pahami terlebih dahulu konsep-konsep dasar yang telah dijelaskan dalam Teori Kinetik Gas, biar dirimu tidak kebingungan.
Kerja yang dilakukan sistem selama perubahan volume
Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita tinjau kerja yang dilakukan sistem terhadap lingkungan. Untuk menghitung besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem, kita tinjau gas ideal yang berada dalam sebuah wadah yang ditutup dengan sebuah penghisap/piston. Penghisap bisa digerakkan naik dan turun. Gambar ini disederhanakan menjad dua dimensi. Anggap saja gambar ini tiga dimensi. Volume = panjang x lebar x tinggi…
Gas ideal diwakili oleh titik-titik yang terletak di dalam wadah. Alas wadah bersentuhan dengan sebuah benda yang memiliki suhu yang lebih tinggi (mirip seperti air dalam panci yang dipanaskan di atas nyala api). Benda bersuhu tinggi tidak disertakan dalam gambar, bayangkan saja dalam pikiran ya. Gas ideal dalam wadah merupakan sistem, sedangkan benda-benda lainnya yang berada di luar wadah, termasuk benda bersuhu tinggi yang bersentuhan dengan alas wadah, merupakan lingkungan. Karena suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor dengan sendirinya mengalir dari lingkungan menuju sistem. Adanya sumbangan energi dari lingkungan menyebabkan energi dalam sistem (gas ideal) bertambah. Energi dalam gas ideal berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya ketika energi dalam gas ideal bertambah, suhu gas ideal juga meningkat. Peningkatan suhu gas ideal menyebabkan gas ideal memuai dan mendorong piston sejauh s. Ketika mendorong piston sejauh s, sistem (gas ideal) melakukan kerja terhadap lingkungan (udara luar).
Pada mulanya tekanan sistem besar (P1) dan volume sistem kecil (V1). Tekanan berbanding terbalik dengan volume (ingat lagi materi teori kinetik gas). Setelah kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem dan sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem bertambah (V2) dan tekanan sistem berkurang (P2).
Besarnya kerja yang dilakukan sistem pada proses di atas adalah :
Kerja (W) = Gaya dorong (F) x perpindahan (s). Karena gaya dorong (F) = tekanan (P) x luas permukaan (A) piston, maka persamaan Kerja bisa ditulis menjadi :
W = Fs —– F = PA
W = PAs —– As = V
W = PV
Perlu diketahui bahwa kerja yang dilakukan sistem terjadi selama perubahan volume. Karenanya, kerja total yang dilakukan sistem bisa diperoleh dengan mengalikan perubahan tekanan dan perubahan volume. Secara matematis ditulis seperti ini :
W = (tekanan akhir – tekanan awal)(volume akhir – volume awal)
W = (P2-P1)(V2-V1)
Catatan :
Pertama, perubahan volume sistem (gas ideal) pada proses di atas bisa diketahui dengan mudah. Volume awal dan volume akhir sistem bisa diketahui dengan menghitung volume wadah. Dengan demikian, untuk menghitung besarnya kerja (W) yang dilakukan oleh sistem, kita perlu mengetahui bagaimana perubahan tekanan selama berlangsungnya proses.
Apabila tekanan (p) sistem berubah secara tidak teratur seiring terjadinya perubahan volume (V), maka besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung menggunakan kalkulus. Kalau dirimu belum terbiasa dengan kalkulus, ada alternatif lain yang bisa digunakan. Terlebih dahulu kita gambarkan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan volume. Besarnya kerja yang dilakukan oleh sistem = luasan yang diarsir di bawah kurva p-V.
Grafik tekanan vs volume untuk perubahan tekanan yang terjadi secara tidak teratur
Mula-mula tekanan sistem = p1 (tekanan besar) dan volume sistem = V1 (volume kecil). Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, tekanan sistem berubah menjadi p2 (tekanan kecil) dan volume sistem berubah menjadi V2 (volume besar). Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir. Bentuk kurva melengkung karena tekanan sistem (gas ideal) berubah secara tidak teratur selama proses.
Apabila tekanan (p) sistem tidak berubah alias selalu konstan seiring terjadinya perubahan volume (V), maka besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung dengan mudah. Besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung menggunakan persamaan atau bisa diketahui melalui luasan yang diarsir di bawah kurva P-V. Untuk kasus ini, persamaan kerja di atas bisa dimodifikasi seperti ini :
W = (P2-P1)(V2-V1)
Karena tekanan (p) selalu konstan, maka P2 = P1 = P
W = P(V2-V1)
Grafik tekanan vs volume untuk proses di mana tekanan selalu konstan alias tidak berubah :
Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil). Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume besar). Tekanan sistem selalu konstan alias tidak berubah. Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.
Kedua, sistem melakukan kerja terhadap lingkungan apabila volume sistem bertambah. Demikian juga sebaliknya, lingkungan melakukan kerja terhadap sistem apabila volume sistem berkurang. Jika volume sistem tidak berubah selama proses maka sistem tidak bisa melakukan kerja terhadap lingkungan dan lingkungan juga tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem. Dalam hal ini, kerja (W) = 0.
Penerapan Hukum Pertama Termodinamika
pada beberapa proses Termodinamika
Sebelumnya kita sudah membahas Hukum Pertama Termodinamika dan menganalisis usaha yang dilakukan oleh sistem. Kali ini kita mencoba meninjau beberapa penerapan Hukum Pertama Termodinamika dalam empat proses termodinamika. Keempat proses termodinamika yang dimaksud adalah proses isotermal, isokorik, isobarik dan adiabatik. Istilah aneh ini berasal dari bahasa yunani. Isotermal = suhu yang sama atau suhu selalu konstan, isokorik = volume yang sama atau volume selalu konstan, isobarik = tekanan yang sama atau tekanan selalu konstan. Jangan pake hafal… 
Proses Isotermal (suhu selalu konstan)
Terlebih dahulu kita tinjau penerapan hukum pertama termodinamika pada proses isotermal. Dalam proses Isotermal, suhu sistem dijaga agar selalu konstan… Sistem yang kita analisis secara teoritis adalah gas ideal. Suhu gas ideal berbanding lurus dengan energi dalam gas ideal (U = 3/2 nRT). Karena T tidak berubah maka U juga tidak berubah. Dengan demikian, jika diterapkan pada proses isotermal, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :
Dari hasil ini, kita bisa menyimpulkan bahwa pada proses isotermal (suhu konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan sistem untuk melakukan kerja (W).
Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isotermal digambarkan melalui grafik di bawah :
Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil) dan tekanan sistem = P1 (tekanan besar). Agar suhu sistem selalu konstan maka setelah kalor ditambahkan pada sistem, sistem memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan. Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume sistem bertambah) dan tekanan sistem berubah menjadi P2 (tekanan sistem berkurang). Bentuk grafik melengkung karena tekanan sistem tidak berubah secara teratur selama proses. Besarnya kerja yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.
Proses Adiabatik
Dalam proses adiabatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q = 0). Proses adiabatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir ke dalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adiabatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi. Untuk kasus ini, proses harus dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem.
Jika diterapkan pada proses adiabatik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :
Apabila sistem ditekan dengan cepat (kerja dilakukan terhadap sistem), maka kerja bernilai negatif. Karena W negatif, maka U bernilai positif (energi dalam sistem bertambah). Sebaliknya jika sistem berekspansi atau memuai dengan cepat (sistem melakukan kerja), maka W bernilai positif. Karena W positif, maka U bernilai negatif (energi dalam sistem berkurang).
Energi dalam sistem (gas ideal) berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya jika energi dalam sistem bertambah maka sistem juga bertambah. Sebaliknya, jika energi dalam sistem berkurang maka suhu sistem berkurang.
Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses adiabatik digambarkan melalui grafik di bawah :
Kurva adiabatik pada grafik ini (kurva 1-2) lebih curam daripada kurva isotermal (kurva 1-3). Perbedaan kecuraman ini menunjukkan bahwa untuk kenaikan volume yang sama, tekanan sistem berkurang lebih banyak pada proses adiabatik dibandingkan dengan proses isotermal. Tekanan sistem berkurang lebih banyak pada proses adiabatik karena ketika terjadi pemuaian adiabatik, suhu sistem juga berkurang. Suhu berbanding lurus dengan tekanan, karenanya apabila suhu sistem berkurang, maka tekanan sistem juga berkurang. Sebaliknya pada proses isotermal, suhu sistem selalu konstan. Dengan demikian pada proses isotermal suhu tidak ikut mempengaruhi penurunan tekanan.
Salah satu contoh proses yang mendekati adiabatik terjadi pada mesin pembakaran dalam, misalnya mesin diesel dan mesin motor yang pakai bensin. Pada mesin diesel, udara dimasukan ke dalam silinder dan udara yang berada di dalam silinder ditekan dengan cepat menggunakan piston (kerja dilakukan pada udara). Proses penekanan adiabatik (pengurangan volume sistem) digambarkan melalui kurva 2-1. Karena ditekan dengan cepat secara adiabatik maka suhu udara naik dengan cepat. Pada saat yang sama, solar disemprotkan ke dalam silinder lewat injektor dan campuran terpicu seketika (terjadi proses pembakaran)… Pada mesin motor yang pakai bensin, campuran udara dan bensin dimasukkan ke dalam silinder kemudian ditekan dengan cepat menggunakan piston. Karena ditekan dengan cepat secara adiabatik maka suhunya naik dengan cepat. Pada saat yang sama, busi memercikan bunga api sehingga terjadi proses pembakaran. Selengkapnya akan dibahas pada episode berikutnya…
Proses Isokorik (volume selalu konstan)
Dalam proses Isokorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume sistem selalu konstan, maka sistem tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem.
Jika diterapkan pada proses isokorik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :
Dari hasil ini, kita bisa menyimpulkan bahwa pada proses isokorik (volume konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan untuk menaikkan energi dalam sistem.
Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isokorik digambarkan melalui grafik di bawah :
Mula-mula tekanan sistem = p1 (tekanan kecil). Adanya tambahan kalor pada sistem menyebabkan energi dalam sistem bertambah. Karena energi dalam sistem bertambah maka suhu sistem (gas ideal) meningkat (U = 3/2 nRT). Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Karenanya, jika suhu sistem meningkat, maka tekanan sistem bertambah (p2). Karena volume sistem selalu konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan (tidak ada luasan yang diarsir).
Catatan :
Sebelumnya dikatakan bahwa dalam proses isokorik, sistem tidak bisa melakukan kerja terhadap lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem. Hal ini disebabkan karena pada proses isokorik, volume sistem selalu konstan alias tidak berubah. Btw, terdapat jenis kerja tertentu yang tidak melibatkan perubahan volume. Jadi walaupun volume sistem konstan alias tidak berubah, kerja masih bisa dilakukan terhadap sistem. Misalnya terdapat sebuah kipas + baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang disumbangkan baterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai dan udara yang berada di dalam wadah dianggap sebagai sistem. Ketika kipas berputar, kipas melakukan kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energi kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada baterai tentu saja berkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi dalam udara. Contoh ini hanya mau menunjukkan bahwa pada proses isokorik (volume selalu konstan), kerja masih bisa dilakukan terhadap sistem (kerja yang tidak melibatkan perubahan volume).
Proses Isobarik (tekanan selalu konstan)
Dalam proses Isobarik, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan, maka perubahan energi dalam (delta U), kalor (Q) dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada yang bernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum pertama termodinamika tetap utuh seperti semula :
Perubahan tekanan dan volume gas pada proses isobarik digambarkan melalui grafik di bawah :
Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil). Karena tekanan dijaga agar selalu konstan maka setelah kalor ditambahkan pada sistem, sistem memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan. Setelah melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume sistem bertambah). Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.Contoh soal 1 :
Kurva 1-2 pada dua diagram di bawah menunjukkan pemuaian gas (pertambahan volume gas) yang terjadi secara adiabatik dan isotermal. Pada proses manakah kerja yang dilakukan oleh gas lebih kecil ?
Gampang sekali kali Kerja yang dilakukan gas pada proses adiabatik lebih kecil daripada kerja yang dilakukan gas pada proses isotermal. Luasan yang diarsir = kerja yang dilakukan gas selama proses pemuaian (pertambahan volume gas). Luasan yang diarsir pada proses adiabatik lebih sedikit dibandingkan dengan luasan yang diarsir pada proses isotermal.
Contoh soal 2 :
Serangkaian proses termodinamika ditunjukkan pada diagram di bawah… kurva a-b dan d-c = proses isokorik (volume konstan). Kurva b-c dan a-d = proses isobarik (tekanan konstan). Pada proses a-b, Kalor (Q) sebanyak 600 Joule ditambahkan ke sistem. Pada proses b-c, Kalor (Q) sebanyak 800 Joule ditambahkan ke sistem. Tentukan :
a) Perubahan energi dalam pada proses a-b
b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c
c) Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N/m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N/m2
V1 = 2 liter = 2 dm3 = 2 x 10-3 m3
V2 = 4 liter = 2 dm3 = 4 x 10-3 m3
Panduan jawaban :
Sambil lihat diagram ya…
a) Perubahan energi dalam pada proses a-b
Pada proses a-b, kalor sebanyak 600 J ditambahkan ke sistem. Proses a-b = proses isokorik (volume konstan). Pada proses isokorik, penambahan kalor pada sistem hanya menaikkan energi dalam sistem. Dengan demikian, perubahan energi dalam sistem setelah menerima sumbangan kalor :
b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c
Proses a-b = proses isokorik (volume konstan). Pada proses a-b, kalor sebanyak 600 J ditambahkan ke sistem. Karena volume konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem.
Proses b-c = proses isobarik (tekanan konstan). Pada proses b-c, kalor (Q) sebanyak 800 Joule ditambahkan ke sistem. Pada proses isobarik, sistem bisa melakukan kerja. Besarnya kerja yang dilakukan sistem pada proses b-c (proses isobarik) adalah :
W = P(V2-V1) — tekanan konstan
W = P2 (V2-V1)
W = 4 x 105 N/m2 (4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3)
W = 4 x 105 N/m2 (2 x 10-3 m3)
W = 8 x 102 Joule
W = 800 Joule
Kalor total yang ditambahkan ke sistem pada proses a-b-c adalah :
Q total = Qab + Qbc
Q total = 600 J + 800 J
Q total = 1400 Joule
Kerja total yang dilakukan oleh sistem pada proses a-b-c adalah :
W total = Wab + Wbc
W total = 0 + Wbc
W total = 0 + 800 Joule
W total = 800 Joule
Perubahan energi dalam sistem pada proses a-b-c adalah :
Perubahan energi dalam pada proses a-b-c = 600 J
c) Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c
Kalor total yang ditambahkan pada sistem bisa diketahui melalui persamaan di bawah :
Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c = perubahan energi dalam pada proses a-d-c + kerja total yang dilakukan pada proses a-d-c
Sebelum melanjutkan acara pengoprekan, baca terlebih dahulu pesan-pesan berikut ini
Kalor dan kerja terlibat dalam perpindahan energi antara sistem dengan lingkungan, sedangkan perubahan energi dalam merupakan korban dari adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Karenanya perubahan energi dalam tidak bergantung pada proses perpindahan energi. Sebaliknya, kalor dan kerja sangat bergantung pada proses. Pada proses isokorik (volume sistem konstan), perpindahan energi hanya dalam bentuk kalor saja, sedangkan kerja tidak. Pada proses isobarik (tekanan konstan), perpindahan energi melibatkan kalor dan kerja…
Walaupun tidak bergantung pada proses, perubahan energi dalam bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem. Apabila keadaan awal dan keadaan akhir sama maka perubahan energi dalam juga selalu sama, walaupun proses yang ditempuh berbeda-beda. Keadaan awal dan keadaan akhir untuk proses a-b-c pada grafik di atas = keadaan awal dan keadaan akhir proses a-d-c. Sambil lihat grafik ya Dengan demikian, perubahan energi dalam pada proses a-d-c = 600 J
Perubahan energi dalam sudah beres. Sekarang giliran kerja yang dilakukan sistem…
Kerja (W) total yang dilakukan pada proses a-d-c = W pada proses a-d + W pada proses d-c
Proses a-d merupakan proses isobarik (tekanan konstan), sedangkan proses d-c merupakan proses isokorik (volume konstan). Karena volume konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan pada proses d-c. Terlebih dahulu kita hitung kerja yang dilakukan pada proses a-d. Sambil lihat grafik ya, biar dirimu tidak pake bingung….
Wad = P(V2-V1) — tekanan konstan
Wad = P1 (V2-V1)
Wad = 2 x 105 N/m2 (4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3)
Wad = 2 x 105 N/m2 (2 x 10-3 m3)
Wad = 4 x 102 Joule
Wad = 400 Joule
W total = W pada proses a-d + W pada proses d-c
W total = 400 Joule + 0
W total = 400 Joule
Dengan demikian, banyaknya kalor yang ditambahkan pada proses a-d-c adalah :
Contoh soal 3 :
1 liter air berubah menjadi 1671 liter uap ketika dididihkan pada tekanan 1 atm. Tentukan perubahan energi dalam dan besarnya kerja yang dilakukan air ketika menguap… (Kalor penguapan air = LV = 22,6 x 105 J/Kg)
Panduan jawaban :
Massa jenis air = 1000 Kg/m3
LV = 22,6 x 105 J/Kg
P = 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 105 N/m2
V1 = 1 liter = 1 dm3 = 1 x 10-3 m3 (Volume air)
V2 = 1671 liter = 1671 dm3 = 1671 x 10-3 m3 (Volume uap)
a) Perubahan energi dalam
Perubahan energi dalam = Kalor yang ditambahkan pada air – Kerja yang dilakukan air ketika menguap.
Terlebih dahulu kita hitung Kalor (Q) yang ditambahkan pada air…
Q = mLV
Massa (m) air berapa ?
Massa jenis air = massa air / volume air
Massa air (m) = (massa jenis air)(volume air)
Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(1 x 10-3 m3)
Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(0,001 m3)
Massa air (m) = 1 Kg
Q = (1 Kg)(22,6 x 105 J/Kg)
Q = 22,6 x 105 J
Sekarang kita hitung Kerja (W) yang dilakukan oleh air ketika menguap. Ingat ya, pendidihan air terjadi pada tekanan tetap (proses isobarik).
W = p (V2 – V1)
W = 1,013 x 105 N/m2 (1671 x 10-3 m3 – 1 x 10-3 m3)
W = 1,013 x 105 N/m2 (1670 x 10-3 m3)
W = 1691,71 x 102 Joule
W = 1,7 x 105 Joule
Perubahan energi dalam air :
21 x 105 J kalor yang ditambahkan pada air digunakan untuk menaikkan energi dalam (mengatasi gaya tarik antara molekul yang menjaga agar air tetap cair). Dengan kata lain, 21 x 105 J digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Ketika air suah menjadi uap, 1,7 x 105 J yang tersisa dipakai untuk melakukan kerja…
Hukum Pertama Termodinamika pada manusia
Kita bisa menerapkan hukum pertama termodinamika pada manusia :
Agar bisa bertahan hidup, setiap makhluk hidup, baik manusia, hewan atau tumbuhan tentu saja membutuhkan energi. Kita tidak bisa belajar, jalan-jalan atau pacaran kalau tubuh kita lemas tak berdaya karena kekurangan energi. Biasanya tubuh memperoleh energi dari makanan. Ketika menyantap makanan, kita membawa energi potensial kimia yang terkandung dalam makanan ke dalam tubuh. Adanya tambahan energi dari makanan menyebabkan energi potensial kimia dalam tubuh kita bertambah (delta U bertambah)…
Selanjutnya energi tersebut dipakai untuk melakukan Kerja (W). Banyak sekali bentuk kerja yang kita lakukan…, jalan-jalan, berlari mengejar tikus dkk…. Energi yang kita peroleh dari makanan juga digunakan tubuh untuk menghasilkan sel-sel yang baru, menggantikan sel-sel lama yang rusak… Adanya sel-sel yang baru membuat dirimu bisa bertambah panjang, gendut.
Selain dipakai untuk melakukan kerja, sebagian energi dibuang ke luar tubuh (udara dan sekitarnya) dalam bentuk kalor alias panas. Setiap proses metabolisme dalam tubuh biasanya menghasilkan kalor atau panas. Demikian juga ketika dirimu dan diriku melakukan kerja, tubuh pun terasa panas… Panas alias kalor tersebut dibuang melalui keringat (melalui poses penguapan) dkk…
Setelah melakukan kerja dan membuang-buang kalor ke luar tubuh, dirimu dan diriku pun merasa lapar lagi. Ketika merasa lapar, tubuh memberi tahu kita bahwa stok energi dalam berkurang. Segera ditambahkan secepatnya… Makanan dan minuman pun langsung disikat… energi dalam tubuh bertambah lagi.
Referensi
Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
Tidak ada komentar:
Posting Komentar