AhmadDahlan.NET – Semua benda yang tercelupkan sebagian atau seluruh ke dalam suatu fluida akan mengalami sejumlah gaya apung oleh suatu fluida. Gaya ini disebut sebagai gaya hidrostatis atau gaya apung yang disebabkan oleh zat cair yang diam.
Misalkan saja sebuah bola yang ditenggelamkan ke dalam sebuah kolam renang akan mengalami gaya apung yang mendorong balik bola tersebut ke atas. Dalam kasus ini akan berlaku hukum Newton tentang gerak. Jika gaya apung lebih besar dari gaya yang dikeluarkan oleh tangan untuk mendorong bola tersebut, maka benda tidak akan tenggelam, begitu pula sebaliknya.
Gaya apung juga bekerja pada benda yang tenggelam sekalipun benda tersebut sudah berada di bawah air. Gaya apung akan selalu dialami oleh benda yang ada di dalam fluida hanya saja pada kasus benda tenggelam gaya apung lebih kecil di bandingkan dengan gaya berat benda.
A. Tekanan dan Gaya Apung
Gaya Apung disebabkan oleh tekanan yang diberikan oleh fluida terhadap benda yang ada di dalamnya. Perhatikan benda yang berada dalam keadaan melayang di dialam sebuah fluida.
Pada benda di atas berlaku dua gaya yakni
FB = F2 – F1
Masukkan persamaan Tekanan Fluida yakni P = F/A
FB = P2A – P1A
FB = ρgh2 A – ρgh1A
FB = ρgA(h2-h1)
A(h2-h1) tidak lain adalah volume dari benda sehingga
FB = ρgV
B. Hukum Archimedes
Raja Hieron II yang hidup sekitar abad 2 SM curiga bahwa mahkota yang ia miliki ini tidak terbuat dari emas yang klaim terbuat dari emas murni oleh sang empunya. Heiron pun meminta bantuan dari Archiemedes untuk membuktikan bahwa dugannya tentang mahkota bukanlah emas.
Data tentang emas dan alat ukur emas pada zaman tersebut tentu saja tidak secanggih sekarang sehingga akhirnya Archimedes memutar otak untuk memenuhi permintaan raja, sampai suatu ketika Archimedes masuk ke dalam bak mandi yang berisi penuh air. Setiap kali ia mencelupkan lebih banyak bagian tubuhnya di dalam bak mandi, air yang tertumpah semakin banyak. Ia kemudian menyadari bahwa jumlah zat cair yang tertumpah itu sebanding dengan volume tubuhnya yang masuk dan akhirnya ia berlari keluar dari kamar mandi sambil berteriak Eureka!!!, Eureka!!!, Eureka!!!.
Eureka berarti saya temukan dan teriakan itu menandakan ia telah menemukan solusi dari permasalahan raja. Archimedes kemudian mengambil sebongkah emas murni yang massanya sama dengan massa dari mahkota. Archimedes mengklaim jika jumlah volume air yang dipindahkan saat mencelupkan emas murni ke dalam bejana sama dengan mahkota raja, maka mahkota tersebut adalah emas, jika tidak maka mahkota tersebut tidak terbuat dari emas murni.
Hasilnya Volume air yang pindahkan jauh lebih sedikit dari emas murni yang dibawa Archimedes, jadilah sang empu pembuat mahkota di hukum Gantung. Peristiwa tersebut tercatat dalam sejarah dan nama Archimedes pun diabadikan sebagai hukum Archimedes untuk gaya Apung Fluida.
Contoh Kasus
Sebuah mahkota seberat 147 N di udara, jika ditimbang didalam air, beratnya berkurang menjadi 134 N. Jika gaya gravitasi ditemapt tersebut adalah 10 m/s2, apakah mahkora tersebut terbuat dari emas?
Solusi :
Konsep : Emas memiliki massa jenis sekitar 19.300 kg/m3, jika tidak sesaui dengan massa jenis maka Mahkota tersebut tidak terbuat dari emas murni.
Gaya yang dialami oleh Fluida adalah
Σ F = 0
WB – FT – Ff = 0
WB – FT = Ff
Jika
w = mg = ρ0Vg
WB – FT = Ff = ρoVg
Bagikan ke dua ruas dari persamaan tersebut maka :
Hasil ini menunjukkan bahwa densiti dari mahkota tersebut hanya 11.300 kg/m3.
Soal Latihan
Sebuah gelas ukur diletakkan di atas neraca elektronik. Sebuah bola tembaga dengan jari-jari 2,6 cm digantung dengan seutas tali kemudian dicelupkan ke dalam gelas tapi dijaga tidak menyentuh lantai dasar. Berapakah besar tegangan tali dari penggantung tersebut, jika massa bola tersebut sebesar 975 g?
AhmadDahlan.NET – Meskipun tidak begitu dirasakan, namun udara di sekitar kita memiliki tekanan yang cukup besar ke semua benda yang di dalamnya termasuk tubuh manusia. Tekanan udara ini besarnya sebesar 1 atmosfer atau sekitar 760 mmHG.
A. Tekanan pada Fluida
Tekanan dapat didefenisikan sebagai besarnya gaya tegak lurus yang bekerja terhadap luas bidang sentuh dari gaya. Secara matematis dapat dituliskan :
P = \frac{F}{A}
dimana
P : Tekanan (N/m2)
F : Gaya (N)
A : Luas Permukaan (m2)
Tekanan adalah gaya non-Vektor atau hanya memiliki besar tanpa ada arahnya. Dalam sistem internasional, tekanan diberi satuan Pa singkatan dari Pascal yang diambil dari nama Blaise Pascal. 1 Pa didefenisikan sebagai 1 N/m2. Namun satuan tekanan sangatlah banyak, terkadang tekanan akan dinyatakan dalam Torr, Bar, lb/in2, mmHG dan sejenisnya. Hubungan antara satuan tekanan ini ditunjukkan pad atabel berikut :
N/m2
Bar
Torr
Atm
psi
1
1 x 10-5
7,50×10−3
9.87×10−6
1,45 x 10−8
Misalkan tekanan didefenisikan
P = \frac{F}{A}
Asumsikan gaya yang bekerja pada fluida adalah berat fluida itu sendiri maka maka F = w = m.g
P = \frac{mg}{A}
massa dimaksud adalah massa dari fluida yang menekan sehingga m = ρV = ρAh , maka persamaan ini bisa ditulis
P = \frac{\rho A hg}{A}
Dengan demikian tekanan hidrostatik dapat dinyatakan dalam bentuk :
P =\rho gh
dimana
P = Tekanan(Pa)
g = grafitasi (m/s2)
ρ = massa jenis (kg/m3)
h = kedalam (m)
Persamaan ini berlaku untuk fluida statis dimana besar tekanan adalah fungsi dari kedalaman, semakin dalam benda di dalam air maka semakin besar tekanan hidrostatik yang diterima.
Hal ini bisa dirasakan padasaat kita menyelam, dimana tekanan yang dialami telinga kita akan semakin besar seiring dengan semakin dalamnya kita menyelam.
Tekanan Pada Pipa U
Persamaan ini bisa digunakan untuk menyelesaikan masalah tekanan pada fluida yang saling berhubungan, dimana tekanan yang dialami di dalam fluida dengan ketinggian akan selalu sama.
Misalkan ada sebuah pipa U yang diisi dengan dua cairan yang berbeda dna memiliki massa jenis berbeda.Dua carian tersebut tidak membentuk ikatan polar sehingga keduanya terpisah dengan batas yang jelas seperti yang ada pada gambar di bawah ini !
Perhatikan gara datar yang menjadi batas antara zat cair 1 dan zat cair 2. Pada posisi tersebut tekanan akan bernilai sama sehinga
P0 + P1 = P0 + P2
ρ1 g h1 = ρ2 g h2
ρ1 h1 = ρ2 h2
B. Tekanan Atmosfer
Udara yang ada di seluruh permukaan bumi atau di sebut atsmofer merupakan fluida. Fluida terdiri dari banyak jenis gas namun mayoritas berisi banyak NItrogen, sedikit oksigen dan gas-gas lain sekitar 1 %. Karena Udara Fluida yang sama dengan air, maka berada dalam udara juga akan mengalami gaya hidrostatis. Hanya saja gaya yang ada pada udara di sekitar sangatlah lemah sheingga tekanan yang dihasilkan tidak begitu terasa oleh tubuh kita, disamping tubuh manusia yang sudah beradaptasi dengan tekanan udara di tempat mereka beraktifitas.
Toricelli kemudian mengamati fenomena tersebut dan mencoba membuat standar pengukuran untuk nenetukan besar tekanan dari udara di atmosfer. Sebatang pipa kaca sepanjang satu meter kemudian di isi penuh raksa oleh Toricelli. Pipa ini kemudian ditutup dengan kaca dan dibalikkan secara cepat. Air raksa dalam tabung terus turun sampai akhirnya berhenti setelah mencapai 760 mm, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah ini !
Tekanan udara yang pada bagian atas di dalam tabung membuat air raksa turun yang semula 1 meter. Pada saat tekanan udara di dalam dan di luar tabung sama maka air raksa akan berhenti mengalir. Hasilnya ketinggian yang ditemukan Toricelli adalah 760 mm. Tekanan ini kemudian dijadikan standar untuk nilai dari 1 atm dan karena menggunakan air raksa maka tekanan ini dikenal dengan sebutan 760 mmHg, dimana Hg adalah Hydragyrum atau nama latin dari raksa.
Besar tekanan udara 1 atm ini kemudian dikonversi ke dalam sistem metrik
P = ρ g h
P = (13 600 kg/m3) (9,80 m/s2) (0,76 m) = 1,013 x 105 N/m2
Nilai tekanan ini, 1,013 x 105 N/m2 di setarakan dengan 1 atm.
Ketinggian dan tekanan Atmosfer
Sebagai mana yang kita ketahui bahwa medan gravitasi bumi berbanding terbalik dengan kudrat jari-jari bumi. Partikel-partikel udara yang ada di muka bumi akan menumpuk di bagian bawah samapi mencapai kepadatan jenuh. Kepadatan ini terus berkurang sebanding dengan naiknya ketinggian dari permukaan bumi, hasilnya tekanan udara pada daerah kurang pada akan semakin rendah. Dengan demikian tekanan udara di permukaan di atas gunung akan lebih rendah dari permukaan laut.
Tentu saja parameter gravitasi yang bekerja pada tekanan udara dipermukaan bumi bukanlah satu-satunya besaran fisika yang berpengaruh ke tekanan udara. Terdapat banyak faktor yang akan berpengaruh terhadap tekanan atmosfer suatu tempat sepeti suhu udara, kondisi lingkungan, jenis-jenis zat, kelembaban, aktifitas mayor manusia di daerah tersebut, namun pada umumnya ketinggian akan menjadi faktor paling besar menentukan tekanan udara di suatu daerah.
Soal Latihan
Jelaskan mengapa suhu udara di atas gunung bisa lebih rendah dibandingkan dengan dataran rendah?
Mengapa tekanan Hidrostatis di dalam air jauh lebih tinggi dibandingkan di udara?
Jika paru-paru manusia mampu menahan tekanan 85 mmHg, berapakah ke dalaman maksimun seseroang dapat berenang tanpa alat bantu?
Ahmaddahlan.NET – Pesawat dan burung yang terbang di udara adalah benda yang berkerja sangat baik melawan gaya gravitasi yang menarik mereka ke permukaan bumi. Dua benda ini berkerja sama sangat baik dengan fluida sehingga mereka mendapatkan gaya apung yang cukup besar membuat mereka melayang di udara meskipun tanpa tali penggantung.
Fluida dan Wujud Materi
Materi adalah segala benda yang memiliki massa dan menampati ruang, wujudnya pada umumnya terdiri dari tigas fase yang kita kenal sebagai padat (solid), cair (liquid), dan gas. Tiga dase ini dijadikan patokan paling sederhana dalam membedakan fase materi. Misalnya (1) padat adalah fase dimana materi akan memiliki bentuk yang independent selama tidak ada gaya yang cukup besar untuk mengubah bentukknya, (2) cair adalah fase dimana zat akan memiliki kecenderungan berbetuk sesuai dengan wadahnya dan selali berada di bagian dasar wadah, dan (3) gas adalah fase dimana zat memiliki bentuk sangat bebas dan mengikuti volume dari wadah penampunya.
Dua fase dari zat memiliki kriteria yang sama yakni sama-sama tidak memiliki bentuknya sendiri karena selalu mengikuti wadah yang menampungnya. Zat menyusun dari benda dalam bentuk cair dan gas akan sangat mudah diipsahkan karena gaya ikat antar partikelnya yang lemah, jika beri ganguan partikel-partikel akan dengan mudah mengalir, seperti pada saat kita meniup balon atau menumpahkan air dari sebuah ember. Hal ini membuat dua zat tersebut dimasukkan dalam bagian kajian Fluida yang secara harifah berarti mengalir.
Wujud Materi Lain
Dalam kajian fisika materi dan larutan, wujud zat secara detail tidak hanya dibedakan ke dalam tiga wujud saja, tapi ada banyak jenis wujud zat tergantung dari karakteristik yang ingin dikaji. Misalnya dalam larutan, zat cair masih dibagi ke dalam beberapa fase seperti darah yang sifatnya koloid dimana materimateri penyusunnya terpisah sangat jelas tidak laurt seperti ketika melaurtkan gula ke dalam air.
Pada kondisi tertentu misalnya temperature yang sangat tinggi, atom-atom dari zat tertenti dapat terionisasi sehingga membentuk plasma. Kristal Cair juga dikenal sebagai fase antara padat dan cair yang banyak digunakan pada perangkat elektronik seperti televisi, smartphone, dan komputer. Padat sendiri memiliki banyak fase yang kadang kita kenal dengan sebutan cristal, amorf dan lain sejenisnya. Hanya saja dalam kajian fluida kita hanya mengkaji zat mengalir (fluida) berdasarkan fase gas dan cair.
a. Jenis-Jenis Fluida
Sebagaimana yang telah dijelaskan sebelumnya, Fluida merupakan zat-zat yang tergabung dalam dua fase yakni fase liquid dan gas. Lebih khusus lagi, fluida mengkaji zat-zat tersebut berdasarkan sifatnya yang dapat dialirkan dengan mudah.
Dalam kajian fisika, Fluida di bagi atas dua jenis yakni (1) Fluida statis atau hidrostatis yakni kajian fluida yang dalam keadaan diam seperti massa jenis, berat jenis, tekanan, dan gaya hidrostati. Kajian kedua menyangkut (2) Fluida dinamis dimana Fluida dikaji pada saat bergerak. Kajian ini meliputi hukum paskal, hukum kontinuitas, asas bernoulli dan sejenisnya.
Selain penggolangan dua ini, Fluida dibagi ke dalam dua jenis berdasarkan kemampuannya menahan tegangan permukaan. Adapun dua fluida tersebut adalah fluida Newton dan Fluida non-Newton.
Fluida Newtonian merujuk pada fluida yang memiliki kurva tegangan/regangannya linier atau τ ∼ μ, seperti Air. Fluida Newton juga memiliki viskositas yang tetap dan tidak berubah meskipun terdapat gaya di dalam fluida ini. Viskostas dari fluida Newton hanya dipengaruhi temperature dan tekanan. Fluida non-Newton adalah fluida yang kecepatnnya akan berpengaruh terdahap viskositasnya dengan kata lain kurva tegangannya tidak linier.
b. Densitas
Kelakar anak muda di tongkrongan yang paling saintis yang pernah saya dengar mungkin pertanyaan “manakah yang lebih berat antara 1 kilogram kapas, kayu ataupun besi?” Mayoritas jawaban singkat yang dapatkan akan memilih besi, karena besi 1 kg akan jauh lebih sakit ketika menimpa kepala dibandingkan dengan kapas dan kayu.
Sejatinya 1 kg besi tidaklah lebih berat dari 1 kg kapas dan kayu karena masing-masing sama-sama memiliki berat 1 Newton dengan persamaan w=mg. Akan tetap rasa sakit yang membuat seperti lebih berat dari lainnya ketika menimpa kepala karena besi jauh lebih padat dari dua zat lainnya. Tingkat kepadatan dari suatu zat disebut sebagai densiti atau massa jenis, dimana benda padat akan memiliki lebih banyak partikel dalam satuan ruang dibandingkan dengan benda lain.
Secara matematis, kepadatan ditulis dalam bentuk
\rho=\frac{m}{V}
dimana
ρ : massa jenis (kg/m3)
m : massa (kg)
V : volume (m3)
Massa jenis mewakili kriteria dari sebuah zat murni atau zat tanpa campuran misalnya tembaga (Cu). Tembaga bisa saja memiliki bentuk yang sangat kecil seperti cincin atau berbentuk kubah pada masjid-masjid klasik di daerah Rusia, namun dimanapun tembaga berad, massa jenis akan selalu sama 8960 kg/m3.
Misalkan konsep Densitas ini dimasukkan ke dalam gaya berat maka kita akan dapatkan persamaan
m = ρV
jika ke dua ruas dikali dengan g maka kita akan dapatkan
mg = ρvg
pada ruas mg ini tidak lain adalah gaya berat sedangkan pada ruas ρvg adalah gaya yang dihasilkan oleh sebuah fluida.
Berikut ini beberapa tabel densitas (massa jenis) dari beberapa unsur dan senyawa yang diukur pada tekanan 1 atm dan suhu 0oC
Zat
Densitas (kg/m3)
Baja
7850
Tembaga
8960
Aluminium
2712
Emas
19320
Es (air solid)
917
Air 4oC
1000
Air Laut
1015
Raksa (Merkuri)
13600
Etil Alkohol
0,79
Udara
1,29
Uap Air
0,598
Helium
0,179
Massa jenis suatu unusr dan senyawa memiliki nilai tetap namun nilanya pada kondisi sama, namun nilainya tetap dipengaruhi banyak variable fisis lainnya meskipun tidka begitu besar. Misalnya saja air pada suhu 4oC akan memiliki massa jenis 1000 kg / m3, namun tidak demikian jika diukur pad asuhu lebih rendah atau tinggi.
Sola Latihan :
Mengapa Iceberg dapat mengapung di lautan?
Salah satu cara mengetahui buah yang masih segar atau tidak dengan cara melihat posisinya ketika diletakkan di dalam air, buah yang lebih segar akan tenggelam, mengapa hal tersebut dapat terjadi?
Misalkan sebuah wadah berlabel 5 liter, berisi penuh cairan raksa. Berapakah massa dari raksa yang ada di dalam wadah tersebut?
AhmadDahlan.NET – Mandi dengan air hangat memang menjadi salah satu hal yang bisa membuat tubuh kembali segar, sayangnya bagi mereka yang tidak memiliki heater otomatis, mandi air hangat akan sedikit merepotkan. Pasalnya kita harus mencapurkan sejumlah besar air dingin dan sedikit air panas agar mendapatkan air hangat yang diinginkan. Secara tidak langsung yang kita lakukan untuk mendapatkan air hangat ini adalah implementasi dari Hukum II termodinamika terutama untuk Asas Black.
Asas Black
Panas memiliki karakteristik dapat saling bertukar secara alami dari benda yang bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah. Kalor dari benda bersuhu tinggi akan terus menerus mengalir ke benda bersuhu rendah sampai akhirnya ke dua suhu benda tersebut sama. Jumlah kalor yang hilang dair benda bersuhu tinggi akan sama dengan jumlah kalor yang diterima benda dingin. Hal ini selanjutnya dikenal dengan asaz Black.
Secara matematis, Asaz Black dapat ditulis :
Qlepas = Qterima
Menurut Black, Panas akan mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah sampai akhirnya ke dua benda tersebut mencapai kesetimbangan termal. Oleh karena itu hal ini tidak akan terjadi sebaliknya dimana panas pindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi. Dibutuhkan usaha dari luar untuk membalik kondisi tersebut dan hal ini selanjutnya diimplementasikan dalam bentuk refrigrator.
Contoh Kasus Asas Black
Misalkan dua zat cair masing berkalor jenis c1 dan c2 bermassa m1 dan m2. Jika keduanya dicampurkan lalu dianggap tidak ada kalor yang hilang ke lingkungan dam c2 memiliki suhu yang lebih tinggi dibandingkan c1, maka suhu akhirnya campuran dari kedua zat adalah …
Qlepas = Qterima
m2C2(TT-TM) = m1C1(TM-TR)
m2C2TT – m2C2TM = m1C1TM – m1C1TR
m1C1TM + m2C2TM = m2C2TT + m1C1TR
TM = (m2C2TT + m1C1TR) / (m1C1+ m2C2)
Dimana TM adalah suhu akhir campuran kedua zat cari tersebut. Jika kedua zat cari tersebut berasal dari zat yang sama (C1 = C2) maka suhu akhir keduanya adalah
TM = (m2TT + m1TR) / (m1+ m2)
untuk kasus dua benda dengan massa sama dan jenis yang sama hanya berbeda dari suhunya, maka suhu akhir campurannya adalah :
TM = (TT + TR) / (2)
Latihan Soal
Misalkan suhu udara saat dingin sehingga kamu ingin mandi dengan air hangat bersuhu 40oC. Berapakah banyakkah air yang akan kalian panasakan hingga mendidih jika jumlah air yang kamu gunakan mandi adalah 80 L?
AhmadDahlan.NET – Pada zaman dahulu kala, sebelum mesin-mesin canggih ditemukan berdaya tinggi, manusia menggunakan hewan sebagai alat bantu mereka dalam melakukan kerja-kerja berat seperti menarik gerobak yang berat, seperti delman, kereta penumpang bertenaga kuda. Usaha yang dilakukan kuda merupakan konversi dari energi yang didapatkan dari makanan kuda.
Hanya seekor kuda ini akan efektif menarik gerobak pada kondisi jalan yang datar. Tidak perduli seberapa besar usaha yang ingin dihasilkan dari kuda, makanan yang diberikan setiap hari akan mampu membuat kuda berjalan puluhan hingga ratusan kilometer dalam waktu berhari-hari.
Masalah seekor kuda menarik pedati baru akan muncul jika ban dari delman tersebut tenggelam di lumpur dan kuda tersebut tidak mampu membuat delman keluar dari lumpur tersebut. JIka sudah demikian, seberapa pun besarnya energi yang diberikan ke kuda, kondisi ini tidak akan membuat delman keluar, karena yang dibutuhkan untuk menarik delmam tidak hanya energi yang besar tapi juga tenaga yang besar pula.
Solusi dari masalah ini adalah menambahkan tenaga penarik delman dengan cepat. Dalam hal ini besar tenaga yang dibutuhkan diwakili oleh jumlah kuda yang digunakan untuk menarik delman keluar dari lumpur. Semakin banyak jumlah kuda yang digunakan semakin mudah pula menarik delman keluar dari lumpur.
Kembali ke jalan datar, jika seekor kuda dapat digunakan untuk menarik delman hingga bergerak dengan kecepatan 10 km/jam, maka 2 ekor kuda mungkin saja akan cukup membuat delman bergerak hingga 20 km/jam. Namun hal ini memiliki batas kritis dimana penambahan tenaga mungkin saja tidak lagi membuat perubahan siginifikan terhadpa kondisi fisi, seperti membuat 100 ekor kuda menarik delman tidak akan membuat kecepatannya bertambah sebesar 1000 km/jam, karena kuda itu sendiri memiliki batas berlari sendiri.
Daya
Dalam fisika Tenaga adalah adalah daya yang didefenisikan sebagai laju perubahan energi. Semakin besar nilai laju perubahan energi dikonversi menjadi kerja maka semakin besar daya yang dihasilkan. Secara matematis :
P = W/t
dimana
P : Daya (Watt atau J/s)
W : usaha (J)
t : Waktu (s)
Tenaga ini dijadikan sebagai rating atau kualitas dari sebuah mesin. Semakin besar perubahan energi yang bisa dilakukan dalam satuan waktu makan semakin baik pula mesin tersebut. Istilah daya ini sangat banyak akrab digunakan untuk menunjukkan seberapa terang lampu yang digunakan dirumah. Lampu 10 watt tentu saja akan lebih terang dari lampu 5 watt, meskipun lampu 5 watt dinyalakan dua kali lebih lama dari lampu 10 wat, dua lampu tersebut hanya menghabiskan jumlah energi yang sama namun dayanya tetap sama.
Sebelum mesin uap ditemukan, sumber tenaga utama manusia dalam menarik mesin mekanik seperti penggiling gandum dan alat transportasi disimbolkan dengan satuan kuda, meskipun belum baku. Setelah mesin uap di temukan, setiap tenaga mesin uap diukur secara presisi kemudian digunakan sebagai pembanidng dari tenaga kuda yang digunakan kala itu dan jadilah Horse Power menjadi satuan baku untuk daya mesin. 1 HP setara dengan dengan 746 watt atau 1 kW ≈ 1,33 HP.
Efisiensi Daya
Sebagaimana yang disebutkan di awal, Daya kerja dari suatu mesin sangatlah mustahil untuk digunakan sepenuhnya. Mesin-mesin yang disusun dengan sistem mekanik komplek akan membuat sebagaian daya hilang sebelum akhirnya bisa dimanfaatkan. Energi tersebut sebagaian terbuang menjadi entropi sebagaimaan hukum II termodinamika dan sisanya menjadi energi yang tidak bisa dimanfaatkan dalam bentuk lain selain panas seperti suara, getaran dan deformasi.
Kemampuan mesin mengubah daya masukan menjadi daya yang bisadimanfaatkan disebut dengan efisiensi mesin. Efisiensi dari suatu mesin adalah
e = Pout/Pin
Secara matematis, nilai dari e berkisar dari 0 sampai dengan 1, namun faktanya efisiensi dari mesin selalu kurang dari 1. Pada mobil-mobil modern yang kita gunakan sekarang, efisiensi mesin hanya sekitar 15 % dari total bahan bakar yang dibakar. Sisanya terbuang jadi energi yang bisa dimanfaatkan.
AhmadDahlan.NET – Pada kajian seputar hukum-hukum Newton tentang gerak, Gaya menjadi faktor sentral yang mempengaruhi semua objek yang ada di alam semesta baik yang diam maupun bergerak. Interaksi antar faktor fisis ini tidak serta muncul begitu saja, melainkan memiliki sumber yang membuat gaya bisa bekerja pada objek gaya. Faktor ini disebut energi.
Usaha dan Energi
Energi merupakan sebuah faktor yang menjaga semua entitas yang ada di alam semesta bahkan yang membentuk alam semesta itu sendiri, baik cahaya matahari yang menyinari, lagu yang yang kita dengarkan, buah-buahan yang kita makan setiap hari, panas tubuh, energi listrik di cel-cel baterai yang ada di smartphone bahkan alam semesta ini sendiri terbentuk karena energi.
Energi ini berkaitan dengan momentum yang jumlah akan selalu sama setelah dan sebelum reaksi, sehingga menurut pandangan klasik energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, hanya bisa di konversi ke dalam bentuk energi lain. Hukum ini selajuntya dikenal dengan sebutan hukum kekekalan energi dan momentum.
Energi listrik yang kita nikmati tidaklah diciptakan oleh Perusahaan Listrik begitu saja, mereka hanya mengkonversi energi yang ada di alam seperti membakar batu bara untuk memanaskan air sehingga menghasilkan upa air cukup kuat untuk memutar turbin pembangkit listrik. Jika tidak dengan batu bara, Perusahaan listrik memanfaatkan energi potensial dari air yang dibendung kemudian dialirkan melalui jalur sempur sehingga sebagian energi potensial tersebut berubah menjadi energi mekanik turbin dan begitu seterusnya. Tanpa adanya energi, sangat mustahil membuat melakukan upaya sekecil apapun.
A. Usaha
Usaha dalam kehidupan sehari-hari memiliki banyak makna yang menggabarkan upaya yang dilakukan manusia untuk mengubah sesuatu, namun dalam fisika, Usaha hanya dapat diimplementasikan pada gaya yang bekerja pada sebuah benda sehingga membuat benda tersebut mengalami perubahan posisi. Usaha dapat didefenisikan sebagai hasil kali magnitude perpindahan dan kompenen gaya yang sejajar dengan arah geraknya. Dalam bentuk persamaan matematis dapat ditulis
W = F \int ds \ \ \ \ \ ..._{(1)}
Misalkan sebuah balok ditarik oleh seseorang dengan arah tertentu seperti pada gambar di bawah ini :
Besar usaha yag dilakukan oleh gaya F berdasarkan gambar di atas dapat ditulis :
W = F \cos θ. Δs \ \ \ \ \ ..._{(2)}
Dimana
W : Usaha (Joule)
F : Gaya (Newton)
S : Perpindahan (meter)
Arah ΔS yang menjadi tinjauan seberapa besar usaha yang berhasil dikonversi oleh gaya F. Misalkan seorang mendorong sebuah balok mengelilingi suatu lintasan hingga kembali ke tempat semula, maka orang tersebut tidak mendapatkan usaha sama sekali karena besar ΔS = 0, namun dalam proses pemindahan balok tersebut, besar gaya yang diberikan oleh oleh tersebut tetap ada.
B. Energi Kinetik dan Prinsip Usaha
Misalkan kita mendorong dua buah meja dengan ukuran yang berbeda, Meja A memiliki massa yang jauh lebih besar dibandingkan dengan meja B. Untuk mendorong Meja A agar bisa berpindah dengan kecepatan yang sama dengan meja B dibutuhkan energi yang lebih besar. Energi dari dalam tubuh yang digunakan untuk mendorong meja tersebut kemudian diubah menjadi menjadi energi kinetik.
Energi Kinetik adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda bermassa m dengan kecepatan v. Pada benda-benda titik, atau benda yang massanya terpusat pada satu titik, besar energi kinetik yang dapat dituliskan secara matematis sebagi berikut :
Ek = 1/2 mv2
Dimana
EK : Energi Kinetik (J)
m : Massa (Kg)
v : kecepatan (m/s2)
1. Hubungan energi kinetik dan Usaha
Misalkan sebuah benda bermassa m berada di atas bidang licin didorong dengan gaya F. Berdasarkan hukum II Newton, benda ini akan mengalami gerak dipercepatan dengan persamaan sebagai berikut
F = ma
a = F/m
Percepatan ini akan membuat benda bergerak sejauh
vt2 = v02 + 2as
karena mobil dari keadaan diam maka v0 = 0, sehingga energi kinetik dari benda tersebut adalah
EKt – EK0= 1/2 m vt2 – 0
EK = 1/2 m vt2
EK = 1/2 m (2 as)
EK= m a s
(ma) itu sendiri tidak lain gaya net yang diberikan kepada benda sehingga :
EK = F . s
karena F.s adalah maka persamaan ini dapat ditulis
EK = W
Hal ini menunjukkan Usaha netto yang diberikan pada benda diawal benda bergerak diubah oleh benda menjadi energi kinetik yang begerak diatas bidang licin.
Prinsip ini membuktikan bahwa gerak benda pada kajian dinamika dapat ditinjau dari dua metode yakni menggunakan analisis Hukum Newton atau dengan Hukum Kekekalan Energi. Hukum kekekalan Newton sendiri berbicara tentang momentum dna impuls suatu benda.
2. Energi Potensial
Energi potensial adalah energi yang dimiliki oleh suatu materi atau sistem yang dapat dimanfaatkan oleh manusia menjadi usaha. Energi potensial ini memiliki banyak bentuk bergantuk dari konfigurasi dari gaya-gaya yang dihasilkan. Misalnya sebuah mainan yang didorong oleh pegas, maka pegas tersebut memiliki energi potensial pegas yang diubah oleh mobil mainan menjadi energi gerak.
Dalam termodinamika, Pemanasan sejumlah gas pada sebuah sistem piston membuat gas tersebut bisa melakukan ekspansi yang dapat dimanfaatkan menjadi kerja mesin. Energi ini disebut energi potensial termodinamika yang direpresentasikan oleh Fungsi Gibbs dan Fungsi Helmholtz.
Energi Potensial Gravitasi
Sebuah air terjun mengalirkan air dari posisi tinggi ke posisi rendah. Air ini membawa sejumlah energi yang dapat dikonversi oleh manusia menjadi usaha dan energi lain seperti pengairan dan energi listrik jika dihubungkan dengan turbin. Energi yang dimiliki oleh air terjun disebut sebagai energi potensial, meskipun sebagain lainnya adalah energi kinetik akibat dari kecepatan awal air pada saat terjun merupakan kecepatan aliran sungai di bagian atas air terjun.
Energi Potensial Gravitasi adalah adalah energi yang dimiliki oleh sebuah materi berdasarkan posisi terhadap pusat gravitasi dalam hal ini bumi. Semakin jauh benda dari pusat gravitasi semakin besar energi potensial gravitasi yang dimiliki namun jika benda terlalu jauh, maka energi potensial tersebut jadi tidak bisa dimanfaatkan lagi. Seperti pada kasus benda yang keluar dari orbit bumi.
Besar energi potensial dari sebuah benda dapat dituliskan
EP = mg (h2-h1)
Dimana
EP : Energi Potensial (J)
m : massa (kg)
g : Percepatan gravitasi (m/s2)
h : ketinggian (m)
Perhatikan simbol h2 dan h1, simbol tersebut memberi makna bahwa energi potensial dari sebuah materi tidak dimiliki oleh materi itu sendiri, sehingga mustahil untuk menghitung besar Ep dari suatu materi. Misalkan energi potensial dari sebuah benda yang ada di atas meja. Meskipun meja tersebut memiliki ketinggian namun Energi potensi dari benda tidak dapat dihitung kecuali jika sudah memasukkan acuan pada saat meninjau benda, misalnya permukaan lantai.
3. Hubungan Energi Potensial, Kinetik dan Mekanik
Energi mekanik adalah energi yang dimiliki oleh sebuah benda berdasarkan geraknyanya yakni energi potensial dan energi mekanin benda.
EM = EK + EP
Energi mekanik dari sebuah benda juga mengikuti keberlakuan hukum kekekalan energi dimana energi akan selalu sama baik sebelum dan sesudah kejadian.
Agar lebih jelas mari kita tinjau sebuah benda bermassa m yang jatuh bebas dari ketinggian h di atas permukaan bumi. Energi yang yang dimiliki benda ini hanya energi Potensial tanpa energi kinetik karena posisinya yang diam seperti persamaan berikut :
EM = Ep + Ek
EMi = m g hi + 1/2 m vi2
karena vi = 0 maka total energi mekaniknya adalah
EMi = m g h
Karena benda jatuh bebas dari keadaan diam maka kecepatan benda pada saat tempat samapi di tanah dapat ditulis :
vt2 = v02 + 2gh
vt2 = 0 + 2gh
Kondisi energi yang dimiliki benda pada saat berada di tanah tidak lain adalah
EM = Ep + Ek
EMt = 0+ 1/2 m vt2
MAsukkan nilai dari kecepatan benda tepat saat mencapai tanah L
EMt = 0+ 1/2 m (2gh)
EMt = m g h
Dengan demikian dapat disimpulkan jika EMi = EMt. Persamaan matematis ini juga menunjukkan bahwa energi potensial dari benda saat berda di ketinggian h yang diubah menjadi energi kinetik, namun energi mekaniknya akan selalu sama di posisi manapun kelapa tersebut berada.
Latihan Soal
Sebuah balok bermassa m tergelincir dari keadaan diam di atas sebuah bidang miring dengan kemiringan 30o. Tentukan kecepatan balok pada saat bergerak t = 5 sekon dengan menggunakan metode :
Kinematika
Hukum Kekekalan Energi Mekanik
Budi memanaskan segelas air 200 mL dengan kumparan kawat pemanas berlabel 220 V dan 0,1 A. Berapa lamakah waktu yang dibutuhkan budi membuat air mendidih dari suhu 300 K? (Asumsikan efektifitas ketel 60%)
Sebuah logam bermassa 20 Kg jatuh bebas dari ketinggian 10 meter menempati sebuah logam plat besi bermassa 500 gram. Jika 20 % dari energi total dari logam yang jatuh berubah menjadi panas, berapa kenaikan suhu yang dialami plat besi? (kalor jenis besi = 460 J/(kg °C))
Dua buah benda masing masing bermassa 5 kg dan 2 kg saling bertumbukan satu sama lain dari arah yang sama. Jika terjadi lenting sama sekali dengan benda A berkecepatan 5 m/s dan benda B berkecepatan 1 m/s. Tentukanlah kecepatan ke dua benda tersebut setelah bertumbukan dengan menggunakan metode :
Kekekalan Energi
Kekekalan Momentum
Sebuah bola pejal dengan jari-jari r berada pada lintasan berbentuk melingkar ke atas dengan jari-jari R+r. Tentukan kecepatan bola minimum di titik terendah agar bola tidak terjatuh ketika berada di puncak lingkaran!
AhmadDahlan.NET – Energi bebas Helmholtz dan Gibbs adalah energi penting dalam kajian termodinamika dan turunan dari Hukum II termodinamika. Dua fungsi Energi Bebas terssebut selanjutnya disebut sebagai potensial termodinamika.
A. Energi Bebas Helmholtz
Energi bebas Helmholtz adalah besar potensial termodinamika yang digunakan untuk mengukur kerja yang dapat dimanfaatkan pada sebuah sistem termodinamika tertutup dengan kondisi Tekanan (P) dan Suhu (T) yang konstan.
Energi bebas Helmholtz dinyatakan dalam simbol A dari kata Arbeit yang berarti kerja dalam bahasa Jerman. Besar nilai A ini adalah selisih dari besar energi dalam dan panas yang terbuang setelah proses atau
A = U – TS
Dimana :
A : Energi bebas Helmhozt
U = Energy Dalam
T = Suhu
S = Entropi
Selanjutnya, Energi dalam untuk sistem tertutup pada hukum Termodinamika I tidak lain adalah :
dU = δQ + δW
Pada sistem tertutup dengan proses reservisble berlaku δQ = TdS dan δW = -p dV. Maka persamaan dU dapat ditulis
dU = T dS – dV
dimana
d(TS) = T dS + S dT
maka
dU = d (TS) – S dT – p dV
dengan demikian maka
dATV = -S dT – p dV
B. Energy Gibbs
Energi bebas Gibbs adalah fungsi kunatitas termodinamika yang menyatakan hubungan antara entalpi, entropi dan suhu dari sebuah sistem. Fungsi Gibbs dinyatakan sebagai
G = H – TS
dimana
G : Energi bebas Gibbs
H : Entalpi
T : Suhu
S : Entropi
Entalpi dan Entropi dari persamaan di atas adalah fungsi keadaan, dengan demikian, Energi bebas Gibs juga fungsi keadaan yakni dari keadaan awal samapi akhir proses berlangsung. Entalpi adalah proses yang terjadi pada kondisi isotermis sehingga G juga berada pada tekanan yang tetap. Kondisi selanjutnya disebut dengan dengan konisi bebas dari suatu sistem atau energi Gibbs.
Kondisi ini selanjutnya dapat ditulis dengan persamaan
– [dU + d(pV) – d(TS)] ≥ dWa
– d(U + pV – TS) ≥ dWa
menjadi
dG ≥ dWa
integralkan kedua ruas,
Ga-Go ≥ dWa
Jika digunakan tanda sama dengan maka akan menjadi
– ∆G = dWa
Indikator energi Gibbs menunjukkan anda -∆G sebagai fungsi dari T dan P. Setiap kerja nyata yang dihasilkan oleh sistem terjadi pada proses ekspansi dimana
T ds ≥ dU
(V tetap, tak ada kerja bukan-pemuaian), dimana
dS U,V ≥ 0 & dUS,V ≥ 0
kedua bentuk ini adalah perubahan alami yang menunjukkan perubahan volume pada sistem terisolasi.
Dari kedua persamaan 1 dan 2 mempunyai bentuk dU – T dS ≤ 0 dan dH – T dS ≤ 0, persamaan tersebut dapat dinyatakan lebih sederhana dengan memperkenalkan dua fungsi termodinamika, yaitu fungsi Helmholtz A dan fungsi Gibbs G. dengan A = U – TS
G = H – TS
Fungsi persamaan fundamental termodinamika
Selain sifat mekanis p dan V, sisitem juga memiliki 3 sifat fundamental T, U dan S yang didefinisikan oleh hokum termodinamika dan 3 sifat komposit H, A dan G yang juga penting. Sehingg sistem yang dihasilkan hanya kerja ekspansi sehingga dWa = 0. Dengan kondisi ini persamaan umum komdisi kesetimbangan adalah
dU = TdS – PdV
kombinasi hokum pertama dan kedua termodinamika adalah fundamental persamaa termodinamika. Dengan menggunakan definisi fungsi komposit
H = U + pV
A = U – TS
G = U + pV – TS
Dengan mendeferensiasikan maka akan diperoleh
dH = dU + pdV + Vdp
dA = dU – tdS – SdT
dG = dU + pdV +Vdp – TdS – SdT
Pada masing-masing persamaan diatas, dU disubstitusi dengan persamaan (dU = TdS – PdV) sehingga diperoleh :
menghubungkan perubahan energy terhadap perubahan entropi dan volume
dU = TdS – pdV
menghubungkan perubahan entalpi terhadap perubahan entropi dan tekanan
dH = TdS + Vdp
menghubungkan perubahan energy Helmholtz dA terhadap perubahan temperature dan volume
dA = – SdT – pdV
menghubungkan perubahan energy Gibbs terhadap prubahan temperature dan tekanan, S dan V disebut juga variable alami untuk energy.
dG = -SdT + Vdp
keempat persamaan tersebut sering disebut persamaan fundamental termodinamika, walaupun sebetulnya ini hanya 4 sudut pandang untuk melihat satu persamaan fundamental (dU = TdS – PdV). S dan p adalah variable alami untuk entalpi, T dan V adalah variable alamai untuk energi gibbs.
AhmadDahlan.NET – Contoh kasus dan soal Olimpiade Sains Nasional Perguruan Tinggi Bidang Fisika untuk Materi Mekanika. Soal-soal dikumpulkan berdasarkan tingkat kesulitan dan dimulai dari kasus dengan solusi paling mudah.
Mudah
Sebuah balok kayu bermassa 30 kg dalam kondisi diam di atas sebuah meja dengan koefisien gesek statis (μs) sebesar 0,2. Jika andi mendorong balok tersebut dengan gaya 3 N, tentukan
keadaan balok
gaya gesek yang dialami oleh balok
Sebuah kereta api melaju di atas lintasan lurus dengan kecepatan konstan 72 km/h. Jika ia membunyikan terompet di depan sebuah gunung dan mendengar suara gema pertama dari terompetnya 5 detik kemudian. Berapakah jarak gunung tersebut dari kereta saat mendengar gema? (vu = 340 m/s).
Sebuah kapal laut bergerak lurus dengan kecepatan 140 m/s menembakkan sinyal suara di ke dasar laut. Jika sinyal tersebut kembali ditangkap oleh kapal 2 detik kemudian, berapakah kedelaman laut tersebut? (va=1700 m/s)
Sebuah batu jatuh bebas dari ketinggian h sebuah gedung. Jelaskan kondisi yang harus dipenuhi agar jika ada batu ke dua yang jatuh 1 detik kemudian akan tiba bersamaan dengan batu pertama di atas tanah!
Sebuah balok dengan massa m tergelincir dari sebuah bidang miring yang licin dengan kemiringan θ dan ketinggian h. Jika pada bidang datar terdapat permukaan kasar dengan koefisien gesek kinetis (μk) balok-bidang adalah 0,2. Seberapa jauhkah balok akan berhenti bergerak?
Menengah
Sebuah bola pejal dengan jari-jari r berada pada lintasan berbentuk melinkar ke atas dengan jari-jari R+r. Tentukan kecepatan bola minimum di titik terendah agar bola tidak terjatuh ketika berada di puncak lingkaran!
Advance
Sebongkah batu kecil bermassa 𝑚 = 2,7 kg dilepaskan dari suatu tempat yang sangat tinggi dan jatuh secara vertikal menembus atmosfer. Berdasarkan eksperimen, gaya hambat yang dirasakan oleh batu tersebut diberikan oleh Fv=kv2. dimana 𝑘 adalah suatu konstanta dan 𝑣 adalah kecepatan sesaat batu. Setelah diukur, kecepatan terminal batu ini adalah 𝑣𝑡 = 51 m/s. Batu dijatuhkan dari ketinggian h = 1,5 km dan dia mencapai kecepatan terminalnya ketika sampai di permukaan laut. Kalor jenis batu tersebut adalah 𝑐 = 0,80 kJ/kgK. Gunakan percepatan gravitasi 𝑔 = 9,8 m/s2.
Gambarkan diagram gaya yang bekerja pada batu!
Hitung nilai konstanta 𝑘!
Hitung kerja yang dilakukan gaya berat pada batu ketika dia jatuh sejauh 1,5 km!
Jika seluruh kerja yang diberikan gaya berat diubah menjadi kalor, hitung pertambahan suhu batu setelah menempuh jarak sejauh 1,5 km! Asumsikan tidak ada kalor yang hilang ke udara.
Hitung kalor persatuan waktu yang diubah oleh batu ketika jatuh sejauh 1,5 km!
Sebuah bola dengan massa 𝑀 dan jari-jari 𝑅 digerakkan di dalam gas dengan massa 1 partikel 𝑚 dan jumlah partikel per satuan volume adalah 𝑛. Massa partikel gas jauh lebih kecil dari daripada massa bola dan kecepatan termal partikel juga jauh lebih kecil dari kecepatan bola. Jika diasumsikan partikel gas tidak saling berinteraksi dan tumbukan antara partikel gas dengan bola dianggap lenting sempurna, berapakah gaya hambat dari gas saat kecepatan bola adalah 𝑣? Massa jenis gas adalah 𝜌.
AhmadDahlan.NET – Berikut ini beberapa contoh kasus Dinamika dengan Solusi menggunakan Hukum Newton tentang gerak.
1. Hukum I Newton
a. Kasus Benda Diam di Atas Meja Datar
Sebuah benda diam di atas sebuah meja saat diberi gaya sebesar 2 N. Jika massa benda adalah 10 Kg, berapa gaya gesek statis benda tersebut?
Gambar benda di atas meja
Solusi :
Karena benda dalam keadaan dia setelah diberi gaya sebesar 2 N, maka solusinya hukum Newton I.
ΣF=0 F – fgs = 0 fgs = F fgs = 2 N
b. Kasus Benda Diam di Atas Bidang Miring
Sebuah balok bermassa m dalam keadaan diam di atas sebuah bidang miring dengan sudut θ. Berapakah Gaya gesek yang statis yang bergerak pada benda?
Solusi :
Langkah pertama adalah skestalah kondisi yang disebutkan dalam soal
Selanjutnya buatlah sumbu koordinat sesuai dengan arah gerak dari sistem sehingga sumbu x searah dengan bidang dan sumbu y tegak lurus budang
Selanjunya proyeksikan gaya-gaya yang ada sesuai dengan arah gerak dari benda yakni di sumbu y dan sumbu x. Seperti pada gambar di bawah ini.
Pisahkan gaya-gaya yang bekerja berdasarkan sumbu-nya masing-masing. Kita pisahkan arah Sumbu X yang searah dengan papan dan sumbu y yang tegak lurus dengan papan.
Sumbu Y :
ΣFy=0 N – wy = 0 N – mg cos θ = 0 N = mg cos θ
Sumbu X :
ΣFx=0 wx – fgs = 0 fgs = wx fgs = mg sin θ
Kasus Khusus
Pada kasus besar sudut θ tepat saat benda tepat bergerak, maka kondisi ini dapat digunakan untuk menghitung koefisien gesek statis bisa ditentunkan dengan menghitung persamaan di sumbu x
ΣFx=0 wx – fgs = 0 wx – Nμs= 0 mg sin θ – mg cos θ μs= 0 μs = sin θ / cos θ μs = tan θ
AhmadDahlan.NET – Pada hukum I Termodinamika menjelaskan bahwa energi bersifat kekal dan tidak bisa diciptakan dan tidak dimusnahkan hanya bisa dikonversi ke dalam bentuk lain. Misalnya saja energi listrik yang dialirkan pada kipas angin diubah menjadi energi mekanik atau pada kendaraan bermotor dimana energi ikat kimia dari bahan bakar diubah menjadi energi panas yang selanjutnya menekan piston yang memutar roda-roda gigi agar motor bisa bergerak. Dari semua perubahan itu selalu menghasilkan panas seperti pada mesin motor dan kumparan yang ada pada kipas angin.
Bentuk hukum II Termodinamika
Hukum-Hukum yang menjelaskan tentang fenomena tentang energi dikaji dalam kajian Termodinamika, meninaju panas yang mengalir atau berpindah dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya. Pada kenyataannya sangat sulit melekukan perubahan bentuk energi tanpa melibatkan energi panas di dalamnnya.
Sebuah motor memiliki prinsip kerja mengubah energi kimia menjadi energi gerak melalui proses pembakaran gas yang ada di dalam piston. Hanya saja tidak semua energi kimia dari pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak. Sebagaian berubah menjadi energi panas yang tidak dapat dimanfaatkan.
Energi panas yang tidak dapat dimanfaatkan sebagai usaha selanjutnya disebut sebagai Entropi. Karena panas selalu dilibatkan dalam perubahan energi, maka nilai entropi dari suatu sistem ini akan selalu bertambah. Energi panas dalam entropi sangat mudah didapatkan bahkan hanya dengan menggosokkan ke dua telapak tangan maka kita akan mendapatkan panas yang tidak dapat dimanfaatkan menjadi usaha.
Jika sebuah sistem diisolasi maka nilai entropi dalam sistem tersebut juga akan ikut meningkat, sehingga hukum II Termodinamika dinyatakan :
“Besar Entropi yang ada pada suatu sistem terisolasi tidak akan turun, nilai Entropi ini hanya bisa bertambah atau tidak berubah”
Implikasi dari hukum ini adalah Entropi dapat diciptakan tapi tidak dapat dimusnahkan. Hukum II termodinamika adalah hukum yang dapat dinyatakan dalam banyak bentuk tergantung sisi mana kita meninjau fenomena termodinamika. Misalnya saja kesimpulan Hukum II termodinamika versi Clausius :
Kalor dapat mengalir secara spontan dari benda panas ke beda dingin secara spontan namun tidak terjadi sebaliknya. Dibutuhkan usaha untuk memindahkan panas dari benda panas ke benda dingin.
Bentuk-bentuk Hukum II termodinamika ini dinyatakan benar selama bisa ditemukan fenomenanya dan tidak melanggar hukum I termodinamika.
A. Mesin Kalor
Kajian hukum II termodinamika berkembang pesat sejak mesin uap ditemukan pada tahun 1700 sekaligus menandai revolusi industri 1.0. Mesin uap ini membuka pemahaman manusia bahwa panas dapat dimanfaatkanmenjadi usaha dengan mesin, namun tidak semua energi panas yang dihasilkan dapat dimanfaatkan.
Prinsip kerja mesin uap adalah memanaskan sejumlah besar air dalam sebuah ruang tertutup yang salah satu ujungnya dapat bergerak. Ujung yang bergerak ini kemudian dihubungkan dengan tuas panjang yang dapat mengerakkan roda gerigi sehingga menghasilkan energi mekanis. Mesin ini upa selanjutnya dijadikan dasar pada kajian mesin kalor atau mesin yang bekerja dengan prinsip energi panas.
Pada mesin kalor, sejumlah kalor dimanfaatkan untuk mengerakkan sifat-sifat makrokopis dari partikel yang ada pada udara di dalam sistem sehingga sebagian dari gerak ini dimanfaatkan menjadi usaha mekanis. Proses ini terjadi transfer kalor mengalir dari tempat bersuhu tinggi ke suhu rendah. Sebagian Kalor yang dari suhu panas dirubah oleh mesin menjadi usaha seperti pada bagan mesin kalor di bawah ini.
Mesin kalor berkerja dengan siklus berulang dan kontinu. Dalam keadaan ideal, Setiap siklus yang tidak terjadi perubahan energi dalam atau ΔU=0 karena sistem kembali ke keadaan awal. Sebagian Kalor masuk QH pada temperatur tinggi TH diubah menjadi Usaha W dan sisanya berubah menjadi panas QL yang terbuang pada suhu rendah TL. Berdasarkan hukum konservasi energi maka :
QH = W + QL
Besar suhu yang ada pada daerah tinggi rendah disebut sebagai temperature operasi mesin.
Efisiensi Mesin Kalor
Karena tidak semua Energi panas diubah menjadi usaha oleh karena efisiensi dari energi yang digunakan akan selalu lebih kecil dari 100 %. Efesiensi yang dihasilkan dapat dihitung dari perbandingan usaha yang dihasilkan dan energi panas pada daerah termperatur tinggi atau
e = W / QH
Persamaan energi pada mesin panas selanjtunya dapat ditulis W = QH – QL, maka efisiensi mesin panas dapat ditulis :
e= \frac{W}{Q_H}=\frac{Q_H-Q_L}{Q_H}
e=1-\frac{Q_L}{Q_H}
Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa akan selalu energi panas yang terbuang.
B. Mesin Carnot
Mesin Carnot adalah gagasan dari ilmuwan perancis Sadi Carnot (1796-1832) yang membuat mesin ideal secara teoretik. Tujuannya untuk menciptkan mesin yang ideal untuk mengkorvesi panas menjadi usaha namun mesin ini tidak nyata atau mesin carnot tidak akan bisa diciptakan namun mesin ini digunakan untuk mengkaji fenomena perubahan kalor ideal pada kajian termodinamika.
Satu siklus pad amesin Carnot ideal terdiri dari empat proses yakni dua proses Adiabatik (Q= 0) dan dua proses isotermal (ΔT=0). Untuk lebih jelasnya adapada diagram di bawah ini!
Proses dari A ke B terjadi ekspansi isotermal atau pemuaian yang terjadi di dalam ruangan mendorong piston dan menghasilkan energi mekanik. Proses ini idelanya terjadi secara lambat sehingga kejadian ini dianggap sederet keadaan seimbang dimana semua proses terjadi berlawanan arah tanpa merubah magnitude usaha dari kalor yang dipertukarkan. Proses selanjutnya terjadi sebaliknya dengan proses terbalik sehingga kembali ke posis awal.
Faktanya, proses pembakaran yang terjadi di dalam ruang pembakaran terjadi sangat cepat sehingga terjadi turbelensi di dalam ruang. Turbelensi ini memicu banyak hal diluar keadaan ideal seperti gesekan udara di dalamanya. Hasilnya proses ini terjadi tidak reversible sesuai teori Carnot, namun mari kita kaji kejadian mesin Carnot secara teoretik.
Efisiensi Mesin Carnot
Proses-Proses Isotermal dalam mesin Carnot, Kalor QH yang dipindahkan ke QL terjadi pada temperatur konstan di TH dan TL. Perpindahan kalor dari QH ke QL tidak menyebabkan perubahan suhu baik di TH dan di TL. Dalam hal ini Teori Carnot menunjukkan jika mesin reversible yang idela QH dan QL sebanding dengan TH dan TL, oleh karena itu efisiensi mesin carnot dapat dihitung dengan persamaan :
e=\frac{T_H-T_L}{T_H}
e=1 - \frac{T_L}{T_H}
Efisiensi mesin maksimal dimiliki sebuah mesin dibatasi oleh mesin Carnot, jika ada mesin yang memiliki efisiensi lebih tinggi dari mesin Carnot, maka mesin tersebut sudah melanggar hukum Termodinamika karena efisiensi sebuah selalu lebih rendah dari efisiensi mesin Carnot akibat dari energi yang terbukan akbitan dari gaya gesek dan sejenisnya. Mesin-mesin yang ada di dunia pada umumnya hanya memiliki efisiensi sekitar 40 sampai 80 % dari efisiensi mesin Carnot.
C. Refrigerator
Pada dasarnya ketika kita menyentuhkan dua buah benda yang berbeda suhu, maka akan terjadi trnasfer panas secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu renda sampai suhu ke dua benda tersebut sama. Karena hal tersebut terjadi spontan, implikasinya Panas tidak mungkin berpindah dari daerah bersuhu rendah sampai ke benda bersuhu tinggi secara spontan. Akan selalu dibutuhkan usaha untuk memiksakan panas dari bersuhu rendah ke daerah bersuhu tinggi.
Mesin yang digunakan untuk memindahkan panas dari daerah bersuhu rendah ke daerah bersuhu tinggi disebut Reffrigeratir. Mesin ini mengkonsumsi energi listrik yang diubah menjadi usaha yang memindakan panas. Mesin-mesin ini diimplementasikan pada Kulkas dan Air Conditioner.
“Calor berpindah secara spontan dari daerah bersuhu panas ke daerah bersuhu dingin dan tidak mungkin terjadi sebaliknya. Dibutuhkan kerja tambahan untuk memindahkan kalor dari daerah bersuhu rendah ke daerah bersuhu dingin”
Clausius – Black
Refrigerator
Refrigerator (mesin pendingin) bekerja dengan prinsip yang terbalik dengan mesin Kalor, dimana Usaha W digunakan untuk memindahkan kalor QL dari daerah Tempertature rendah TL ke daerah suhu panas TH.
Refrigerator bekerja untuk memindahkan panas yang ada pada daerah dalam kulkas yang temperaturenya lebih dingin ke daerah luar yang yang temperaturenya lebih rendah. Panas dipindahkan tanpa melibatkan perpindahan partikel.
Evaporator dalam kulkas memiliki suhu yang rendah sehingga oanas dari dalam kulkas secara spontan masuk ke dalam evaporator. Panas ini kemudian dibawa oleh zat di dalam evaporator yang disebut Freon. Freon ini kemudin berpindah kearah bawah karena tekana di daerah dekat Valpe bertekanan rendah akibat di pompoa oleh mesin kompresor. Kompresor ini kemudian menekan udar ke arah conderser sehingga udara di daerah tersebut lebih tinggi. Tekanan ini secara otomatis mendorong udara ke arah atas yang tekanan lebih rendah ke daerah Katup pemuaian.
Selama perjalanan menuju katup Pemuaian, udara melewati selang panjang yang terbuat dari logam dengan tingkat penghantar panas yang baik. Panas kemudian keluar kelingkungan secara spontan ke melalui raditor. Radiator kemudian memindahkan panas secara konveksi dan konduksi ke udara luar sehingga suhu cairan yang sampai di katup pemuaian lebih dingin. Udara dingin kemudian masuk ke dalam kulkas dan terjadi satu siklus.
Usaha dalam kasus ini dilakukan oleh mesin compresor yang mengambil daya dari listrik
Kerja dari mesin ini digambarkan pada bagan berikut :
Refrigerator sempurna harusnya tidak membutuhkan usaha untuk memidahkan kalor QL dari daerah berterampur rendah TL ke daerah bertemperatur tinggi TH, namun hal ini tidak mungkin terjadi. Clasius menjelaskan bahwa :
Tidak ada mesin yang dapat memindahkan kalor dari satu sistem pada temperatur rendah ke temperature tinggi. Untuk mengalirkan kalor tersebut dibutuhkan usaha.
Koefisien kinerja (COP) dari Refrigerator adalah kebalikan dari mesin kalor sesuai dengan prinsip kerjanya.
COP = QL/W
Energi yang mengalir bersifat konservatif seperti pada hukum Termodinamika Pertama sehingga QL + W = QH atau W = QH – QL.dengan demikian :
