Ahmaddahlan.NET – Pada sejumlah air dimasukkan ke dalam panci kemudian dipanaskan, Air dalam panci yang keadaan awalnya berada dalam suhu kamar, mungkin 27oC sampai 33oC, perlahan-perlahan akan memanas. Pemanasan ini dilakukan dengan pemberian kalor dari luar sistem melalui nyala api ke dalam panci.
Perubahan panas dalam panci (dQ) tentu saja tidak dapat diamati oleh mata manusia, namun kita dapat melihat indikator perubahan kalor di dalam panci melalui perubahan suhu yang terjadi (dT). Selain dari perubahan suhu, perubahan kalor juga menimbulkan dampak lain seperti perubahan tekanan (dP) dan perubahan Volume (dV).
Hukum I Thermodinamika
Dalam proses pemanasan air yang dilakukan, panas hanya dipindahkan dari lingkungan, api dari kompor gas, ke dalam sistem yakni air yang ada di dalam panci. Seketika ketika api dipadamkan, Panci adalah sebuah sistem tertutup maka kalor dalam panas akan segera keluar ke lingkungan kembali ketika suhu lingkungan lebih rendah dari suhu sistem.
Hal ini menunjukkan bahwa tidak akan pernah ada energi yang hilang jika tinjaun dilakukan secara menyeluruh karena energi hanya meninggalkan sistem ke lingkungan. Dengan demikian Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnakan hanya dapat dipindahkan dari sistem ke sistem lain atau diubah dalam bentuk energi lain. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum I Termodinamika atau hukum kekekalan Energi.
Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa setiap pemberikan kalor pada sistem akan membuat sistem memiliki energi untuk melakukan usaha (W) dan perubahan energi dalam
Hukum I termodinamika menyatakan bahwa untuk setiap proses apabila kalor (Q) diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha (W), maka akan terjadi perubahan energi dalam Δu.
Δu = Q – W atau Q = Δu – W
Δu = Perubahan Energi dalam (J) Q = Jumlah Kalor (J) W = Usaha Sistem (J)
AhmadDahlan.NET – Due to the Covid-19 Pandemics, Thermodynamics ESM are not allowed to be conducted in physical classroom, so that all of activities will be conducted online. Our class will be conduct on two models, those are asynchronous and online meeting.
ESM Objectives :
Student are expected to translate Indonesia Article about Thermodynamics topics into English Article
Student are expected to be able explaining Thermodynamics Subject
Student are expected to make summary of Thermodynamics article
In order to achieve the ESM Objectives, you are order to
Translating the article Bellow
Hukum Gas dan Temperature Mutlak (1st – 2nd week) – one week for making and collecting the translation and one week for revising
Hukum II Termodinamika (3rd – 4th week) – one week for making and collecting the translation and one week for revising
Record your self explaining about Thermodynamics topic.
Choose one of these topics : Global Warming, Heat Transfer, or the History of Fahrenheit Scale
Make a transcript of your video content (5th – 6th week) – one week for making and collecting the transcript and one week for revising
Make the Video and upload it on youtube, than collect the link. (7th – 8th week)
AhmadDahlan.NET – Pemuaian akan terjadi pada materi yang dipanaskan tidak peduli pada wujudnya yakni padat, cair maupun gas. Hanya saja pada gas, persamaan pemuaian volume gas menjadi tidak begitu bermanfaat karena pemuaian yang begitu besar sehingga sulit diamati. Jika gas yang dipanaskan berada dalam sebuah wadah kaku, maka pemanasan gas akan berdampakn pada dua hal yakni ekspansi volume (pemuaian) dan atau peningkatan tekanan.
Hukum dan Persamaan Keadaan Gas
Besar volume dari sebuah gas sangat bergantung dengan tekanan dan suhu dari gas tersebut. Hal ini secera ringkas dapat dilihat pada percobaan sederhana yang banyak dilakukan di tingkat sekolah menengah yakni ketika sebuah balon yang menutup tutup botol akan mengembang ketika bagian bawah botol dipanaskan akan membuat balon mengembang seperti yang ditunjukkan pada ilustrasi di bawah ini!
Pada saat udara di dalam botol dan balon dipanaskan, energi kinetik dari partikel-partikel gas akan meningkat membuat gerakannya semakin cepat. Gerakan ini akan merubah variable yakni tekanannya naik shingga bisa mendorong dingding balon menjadi lebih besar dan secera otomatis volume dari balon juga meningkat.
Hukum Boyle, Charless, Gay Lussac.
Hubungan antara Volume, Suhu dan Temperature ini disebut sebagai persamaan keadaan gas dalam hal ini keadaan merujuk pada sistem yang sedang ditinjau. Ketika sebuah gas dalam wadah dipanaskan sehingga suhu naiknya, nilai antara Volume dan Tekanan akan berubah secara perlahan sampai ketiganya mencapai kesetimbangan.
Robert Boyle (1627-1691) membuat percobaan untuk mengetahui hubungan antara variable ini melalui sebuah tabung berbentuk J. Tabung ini diisi dengan raksa sampai pada bagian ujung tabung tertekan. Ketinggian di awal ini kemudian dicatat oleh boleh sebagai wakil dari Volume udara di dalam tabung.
Setelah itu Boyle kemudian menambahkan tekanan pada gas yang ada di sisi tabung tertutup dengan menambahkan jumlah raksa pada tabung dan hasilnya Volume udara disisi tabung tertutup semakin berkurang seiring dengan peningkatan jumlah raksa yang dimasukkan. Hasilnya Boyle berkesimpulan jika
V ∝ 1/P
pada suhu konstan. Hukum kemudian dikenal dengan nama hukum Boyle dimana :
PV = Konstan
Dimana
P : Tekanan (Pa)
V : Volume (m3)
Pada gas-gas dengan tekanan yang tidak terlalu besar, terdapat hubungan liner antara perubahan temperature dan volume gas. Hubungan ini dapat ditulis
V ∝ T
Persamaan ini disebut sebagau Hukum Charles. Hukum ke Tiga dari gas ideal adalah hukum Gay Lussac. Gay Lussac menyatakan bahwa pada Volume yang konstan tekanan gas berbanding lurus dengan temperature mutlak dari sebuah gas.
P ∝ T
Ketiga hukum gas ini yakni Byle, Charels dan Gay Lussac, bukanlah hukum-hukum riil karena hanya digunakan untuk mendeskripsikan karakteritik gas pada suhu dan tekanan yang tidak terlalu tinggi dan juga terlalu rendah. Rentang nilai tinggi dan rendahnya besaran tersebut bergantung dari banyak aspek sehingga sulit untuk membuat suatu acuan yang dapat mewakili seluruh variabel dari kondisi-kondisi gas.
AhmadDahlan.NET – Secara sederhana suhu (temperatur) dapat diartikan sebagai derajat panas dan dingin dari suatu zat. Manusia bisa dengan mudah mengesan suhu dari lingkngan dan benda seperti Ice Cream itu dingin, soto ayam itu hangat atau air mendidih itu panas.
Hanya saja, kesan yang dirasakan manusia itu relatif dan sifatnya subjektif. Misalkan saja pada saat kita berwisata di daerah pegunungan yang lumayan dingin. Mungkin saja kita butuh jaket yang tebal agar bisa menyesuaikan diri dengan suanan lingkungan sekitar namun bagi penduduk lokal, suhu yang mereka alami ini biasa saja.
A. Pengertian Suhu
Derajat panas dan dingin suatu benda tidaklah cukup dijadikan defenisi baku dari suhu karena hal ini bersifat subjektif. Agar defenisi lebih operasional, suhu dapat didefenisikan sebagai besaran yang diukur dengan termometer sebagaimana banyak besaran fisika lainnya yang bisa dengan mudah didefenisikan dari cara besaran tersebut diukur.
Indera Manusia memiliki sensitifitas yang sangat terbetas dalam mengesan suhu. Misalkan kita baru saja mengambil dua buah es batu dari kulkas yang berbeda yakni dari kulkas industri yang bisa menurunkan suhu di dalam frezenya sampai -15oC dan kulkas rumahan yang hanya mampu menurunkan suhu sekitar -5oC.
Kita tentu saja tidak membedakan es mana yang keluar dari kulkas rumahan dan kulkas insutri hanya dengan memanfaatkan tangan kita, lebih tepatnya lapisan kulit yang berperan sebagai indera peraba manusia. Praktis manusia hanay bisa merasakan rasa sakit selian rasa dingin ketika terlalu lama memegang ke dua es tersebut.
Kedua benda tersebut berada pada suhu di bawah 0oC dan kita sama-sama sepakat suhu ini sama-sama dingin. Hanya saja dari sudut pandang energi, kita bisa saja dengan mudah menyebutkan bahwa suhu salah satu es jauh lebih panas dibandingkan dengan es yang lainnya.
Perbedaan 10oC pada kedua es tersebut ternyata berasal dari perbedaan energi panas masing-masing es. Jika saja massa dari kedua es tersebut sama-sama 1 kilogram, maka terdapat perbedaan energi panas sebesar 21.000 Joule dari kedua es ini.
Lantas apa yang dimasuk dengan temperatur?
Suh adalah indikator energi kinetik tingkat partikel yang dimiliki dari suatu benda. Selama sebuah benda masih bergetar maka akan selalu memiliki energi panas pada benda tersebut, sekalipun suhunya -100oC.
Atom-atom penyusuan dari sebuah materi akan terus meneur bergetar. Getaran ini dalam bentuk energi kinetik dan setiap benda yang bergetar akan menghasilkan gesekan yang membentuk energi panas.
Semua atom-atom benda bergetar, tidak hanya zat cair dan udara. Benda padat yang terlihat kaku dan diam saja juga memiliki atom-atom yang bergetar. Kecepatan getar dari atom-atom tersebut bergantung dari suhunya. Semakin tinggi suhu dari benda tersebut, semakin besar getarannya.
Pada zat mengalir (Fluida), partikel fluida, baik dalam bentuk atom maupun senyawa, bergetar dengan tingkat energi yang relatif lebih tinggi dibandingkan dengan benda padat. Selain energi kinetik, ada gaya yang menghubungkan antar satu partikel dengan partikel lainnya. Gaya tarik antar partikel pada fluida lebih rendah dibandingkan dengan zat padat.
Gaya tarik yang lemah ini membuat partikel bergetar dengan lebih cepat yang secara otomatis membuat energi kinetiknya lebih tinggi. Ketika sejumlah kalor diberikan lagi ke dalam fluida maka energi tersebut akan diserap oleh partikel. Akibatnya getaran dan gerakannya semakin cepat. Ketika gerakan sudah cukup cepat, maka partikel sudah punya cukup energi untuk lepas dari ikatan antar partikel dalam wujud cair membuat partikel terlepas dan terpisah. Partikel ini selanjutnya disebut wujud gas.
Demikian pula sebaliknya, jika sejumlah energi panas keluar dari benda tersebut, maka gerakan partikel penyusun benda akan lebih sedikit, sampai akhirnya akan lebih lemah dari gaya ikat antar partikel. Dalam kondisi benda akan memiliki wujud padat. Meskipun dalam wujud padat bukat berarti partikel-partikel penyusun benda tersebut diam. Pada tingkat mikroskopik, partikel ini tetap bergetar dan getaran menghasilkan panas yang diindikasi sebagai suhu benda.
Penambahan energi pada suatu materi akan menunjukkan berbagai macam perubahan fisis. Pada metal misalnya, penambahan panas akan membuat jarak antar satu atom dan atom lainnya menjadi lebih renggang. Jika total tari renggangan ini dijumlahkan, maka dimensi panjang dari zat padat ini akan mengalami pertambahan panjang dan hal ini disebut pemuaian. Namun tidak semua panas akan membuat logam memuai, sebagaian dari panas tersebut jika cukup panas akan dipancarkan dalam bentuk radiasi, sebagaimana logam tungsen ketika dipanaskan atau baja yang sedang ditempa akan terlihat berpendar.
B. Termometer
Termometer adalah istilah yang merujuk pada alat yang digunakan untuk mengukur suhu suatu benda. Bentuknya berbagai macam, tergantung dari suhu dan objek yang akan diukur.
Setiap zat memiliki perubahan yang unik ketika mengalami perubahan suhu. Perubahan ini berbeda-beda tergantung dari karakteristik zat itu sendiri. Misalkan saja Aluminium dan Baja, ketika dipanaskan dan menhalami perubahan suhu yang sama, perubahan panjang (pemuaian) dari kedua logam ini berbeda. Aluminium memuai lebih panjang dibandingkan dengan baja.
Jika dua logam ini ditempelkan satu sama lain maka perubahan panjang tidak akan lurus ke satu arah saja tapi lebih cenderung melengkung ke arah baja karena koefisien muai panjang baja lebih rendah dibandingkan dengan aluminium. Konsep ini selanjutnya digunakan untuk menunjukkan perubahan suhu dengan meletakan jarum di bagian ujung logam campuran.
Berdasarkan hasil percobaan di laboratorium, koefisien muai panjang dari Aluminium adalah 0,000024/K sedangkan baja adalah 0,000012/K Hal ini berarti jika sebatang Aluminium sepanjang 1 meter ketika dipanaskan sekitar 1oC hanya akan mengalami perubahan sebesar 0,000024 meter atau 0,0024 cm. Perubahan ini tentu saja sangat sulit diamati oleh mata telanjang manusia dengan demikian Bimetal tidak begitu baik digunakan sebagai bahan termometer yang mengukur perubahan suhu-suhu kecil.
Dalam upaya membuat termometer yang digunakan untuk menunjukkan perubahan suhu yang kecil maka dicari benda dengan karakteristik koefisien muai panjang lebih besar dibandingkan logam. Sebagaimana yang kita kenal sekarang zat termometer yang digunakan pada pengukuran suhu-suhu sekitar suhu kamar sampai air mendidih ada dua yakni Raksa dan Alkohol.
Kedua zat tersebut mampu menunjukkan perubahan yang signifikan dengan sedikit perubahan suhu. Karakteristik ini yang dijadikan alasan menjadikan dua zat ini sebagai bahan termometer. Cara pembuatan terbiang sederhana yakni hanya dengan membuat pipa kapiler yang sangat tipis sehingga pemuaian zat luas dan voluem zat dapat diabaikan dan hanya pemuaian panjang yang dapat diperhitungkan.
Demikian pula halnya untuk mengukur suhu-suhu yang sangat tinggi seperti pada saat logam sudah mencari karena pasannya, maka logam tidak lagi digunakan sebagai bahan pembuat termometer. Dibutuhkan konsep baru dalam pembuatan termometer seperti radiasi benda bersuhu tinggi. Besar Radiasi yang dipancarkan benda ternyata berbanding lurus dengan suhu pangkat 4, maka hal ini bisa dijadikan indikator pengukuran suhu.
Tentu saja saja tidak mungkin mengukur suhu matahari dengan termometer batang, karena kita akan kesulitan mencelupkan termometer tersebut dipermukaan matahari dan yang kedua suhu permukaan matahari yang mencapai 6000 oC sangat tinggi dan bisa melelehkan benda pada saja yang dibawa dari bumi ketika menyentuh permukaannya.
C. Skala Pada Termometer
Skala pada termometer dibuat berdasarkan dua hal yakni berdasarkan penemunya dan berdasarkan nilai mutlak. Pada skala termometer yang dimabil dari penemunya, skalanya berlaku secara umum namun konsep yang digunakan dalam membuat desain termometer sifanya lebih subjektif. Contoh skala-skala ini adalah Celcius, Fahrenheit dan Reamur.
Konsep skala termometer lainnya diambil berdasarkan nilai mutlak yakni dengan asumsi panas yang diindikasi oleh suhu adalah bentuk energi yang nilainya selalu ada maka tidak akan pernah ada keadaan dimana energi suatu objek bernilai negatif. Bentuk energi paling minimal adalah 0 sedangkan simbol negatif energi hanya dapat berarti bahwa sejumlah energi keluar sebuah kerangka acuan. Kerangka acuan boleh jadi sistem, lingkungan ataupun semesta.
Skala yang diambil berdasarkan nilai mutlak ini ada dua yakni Kelvin dalam sistem Metrik dan Rankine dalam sistem BTU atau British Termal Units.
Fakta Unik – Skala suhu dalam sistem British Thermal Units (BTU) adalah Fahrenheit dan sistem ini digunakan oleh Amerika Serikat, sedangkan Inggris sendiri menggunakan skala Celcius.
1. Termometer Celcius
Derajat Celcius (oC) merupakan satuan suhu yang dijadikan standar pengukuran untuk skala Centigrade atau SI. Skala ini diperkanalkan oleh Anders Celcius (1701-1744) namun nama Celcius baru dijadikan skala pada termometer pada tahun 1948 untuk menghormati atas penemuannya.
Konsep yang digunakan Celcius dalam mendesain termometernya adalah air tepat membeku dan air tempat akan mendidih. Sebatang Termometer berisi raksa dicelupkan pada es yang tepat mencair kemudian ditandai sebagai batas atas termometer. Titik ini ditandai dengan nilai 100oC. Selanjutnya air dipanasakan sampai akhirnya mendidih. Titik didih air ini ditandai sebatas batas bawah termometernya dengan nilai 0oC. Pengukuran tersebut dilakukan pada tekana satu 1 atm.
Jarak yang terpisah 100 nilai ini dipilih karena pada masa itu semua alat ukurn standari disusun dengan skala kelipatan 10, seperti 1 meter yang tidak lain adalah 100 cm atau 1 kg yang tidak lain 1000 g.
Jeans-Pierre Christin menganggap bahwa skala tersebut tidak praktis karena energi yang bertambah pada air justru menunjukkan penurunan suhu. Tahun 1743, Christin kemudian membalik skala ini dimana air tepat membeku pada suhu 0oC dan tepat mendidik pada suhu 100oC.
2. Termometer Fahrenheit
Derajat Fahrenheit (oF) adalah satuan suhu yang digunakan di Amerika Serikat. Skala ini diperkenalkan oleh Daniel Gabriel Fahrenheit (1686–1736). Suhu ini dianggap tidak lazim karena keluar dari kebiasaan umum dimana alat ukur kebanyakan menggunakan angka 0o sebagai batas bawahnya termasuk untuk dua skala lainnya yakni Reamur dan Celcius. Es mulai mencair sendiri berada pada titik 32oF dan mendidih pada suhu 212oF. Padahal Fahrenheit sebenarnya tetap menggunakan konsep 0o dan 100o pada pembuatan skalanya hanya saja acuannya berbeda.
Fahrenheit memilih titik bawah (0oF) pada skalanya dengan mengambil suhu paling rendah pada musim dingin di daerah Danzig, Polandia sekitar tahun 1708 sampai 1709. Danzig sendiri adalah daerah asal Fahrenheit dan tempat dia membuat skala termometernya. Suhu 100oF diambil dari suhu tubuh rata-rata orang sehat. Titik ini kemudian dijadikan standarisasi skala Fahrenhit.
Beberapa tahun berikutnya Skala ini dikoreksi sedikit mengingat suhu terdingin di Danzig setiap tahun mengalami peningkatan karena pemasan Global. Koreksi ini dilakukan dengan cara membuat batas bawah dari campuran Air, Es, garam laut dan Amonium Clorida yang nilainya lebih rendah 2oF hal ini membuat batas atasnya juga berubah yang tadinya orang sehat ada pada skala 100oF kini menjadi 98oF. Pada tahun 2021 saja suhu terendah di Danzig yang tercatat hanya berada pada 24,8 oF, sudah tidak sedinging ketiak Fahrenheit masih hidup 3 abad yang lalu.
Setelah tulisan dari Andres Celcius populer tentang Titik Acuan Termometer, Skala pada termometer Fahrenheit kemudian dikaliberasi dengan skala Celcius dan hasilnya didapatkan bahwa titik Air tepat mencari pada tekanakn satu atmosfer (0oC) setara dengan titik 32oF sedangkan air mendidih (100oC) setara dengan 212oF. Dengan demikian 100 celcius derajat serara dengan 180 fahrenheit derajat.
Catatan : Penyebutan skala yang dimulai dari derajat, seperti derajat Celcius menunjukkan titik, misalnya 15 derajat Celcius berarti berada diantara 14 derajat Celcius dan 16 derajat Celcius sedangkan Celcius Derajat menunjukan interval skala misalnya 3 celcius derajat itu bisa jadi dari 7 derajat celcius ke 10 derajat celcius ataupun dari 121 derajat celcius ke 124 celicus derajat.
Konversi Satuan Fahrenheit-Celcius
Kaliberasi skala ini kemudian bisa dijadikan acuan konversi skala Fahrenheit ke Celcius yakni dengan ilustrasi sebagai berikut :
Ahmaddahlan.NET – Pada dasarnya terdapat delapan besaran fisis dalam termodinamika yakni :
Energi bebas Gibbs (G)
Tekanan (p)
Entalpi (H)
Entropi (S)
Energi Dalam (U)
Volume (V)
Energi bebas Helmholtz (F)
Temperature (T)
A. Konsep Potensial Termodinamika
Untuk memudahkan mengingat delapan besaran ini dibuat jembatan keledai yakni :
Good Physicians Have Studied Under Very Fine Teacher
Kalimat tersebut singkatan dari GPHSUVFT yang diambil dari simbol besaran-besaran fisis dalam termodinamika. Secara harfiah artinya Fisikawan yang baik pernah belajar dibawah bimbingan Guru yang sangat bijaksana. Tidak maksud apa-apa dalam kalimat tersebut, tujuannya hanya untuk memudahkan mengingat besaran-besaran yang ada di dalam termodinamika.
Posisinya sama dengan Heboh Negara Arab Karena Xerangan Ranjau yang diambil digunakan untuk memudahkan mengetahui unsur-unsur yang ada di golongan Gas Mulia atau VIIIa.
Kembali ke jembatan keledai Good Physicians Have Studied Under Very Fine Teacher. Kalimat ini menyimbolkan segi delapan ajaib termodinamika yang ada pada gambar di bawah ini!
Sebagaimana yang telah dijelaskan pada hukum II termodinamika bahwa Potensial Termodinamika terbagi atas 4 yakni Perubahan Energi Bebas Gibbs (dG), perubahan entalpi (dH), perubahan energi dalam (dU) dan perubahan energi bebas Helmholtz (dF).
Hubungan ke empat potensial termodinamika tersebut akan lebih mudah dipahami dengan segi delapan diatas. Aturan mainnya sederhana yakni
Jika kita bergerak ke arah atas atau ke kanan maka akan diberi tanda positif. Misalnya dari T ke G, atau dari V ke U. Begitu pula sebaliknya jika bergerak ke kiri dan ke bawah maka diberi tanda negatif.
Sebagai contoh : Perubahan Energi Bebas Gibbs (dG) memiliki sudut terdekat tekanan p, sehingga dp diberi tanda postif, sedangkan temperature berada di bawahnya maka perubahan temperaturnya adalah dT. Dengan demikin dapat dituliskan persamaan awalnya adalah …
dG = … dp – … dT
Sekarang kita hanya harus tau besaran yang ada didepannya, cara termudahnya adalah menganalisis satuan dari besaran yang ada disisi kiri dan sisi kanan.
G adalah besaran energi sehingga satuannya dinyatakan dalam Joule atau Nm, dp yang bersatuan Nm-2, harus dikalikan dengan sesuatu yang ada di segi depalan tersebut agar besaran sama, oleh karena itu dp dikalikan dengan Volume (m3) agar besaran sama.
Nm = m3 Nm-2
maka dari sini kita akan temukan satu bagian V. dp.
Untuk unsur dT dalam satuan Kelvin (K) harus dikalikan dengan JK-1 agar menghasilkan satuan Joule. JK-1 tidak lain adalah satuan dari besaran entropi (S) sehingga persamaan dG adalah :
dG = V dp – s dT
Persamaan ini disebut sebagai konsep Potensial Termodinamis I.
Selanjutnya mari melangkah untuk Perubahan energi Entropi (dH). dengan cara yang sama kita akan menemukan persamaan awal
dH = … dP + … dS
Agar sisi kiri dan kanan setara maka dP dikalikan dengan suhu (T) dan dP dikalikan dengan V, sehingga persamaan ini ditulis dalam bentuk :
dH = V dp + T dS
Berdasarkan jembatan keledai ini maka didapatkan hubungan dari besaran konsep fisis termodinamis ini sebagai berikut :
dG = V dp – S dT
dH = V dp + T dS
dU = T dS – p dV
dF = – p dV – S dT
B. Definisi Potensial Termodinamis
Fungsi Gibbs – mari kita tinjau konsep termodinamis di persamaan pertama dG = V dp – S dT, kemudian untuk persamaan dH = V dp + T dS. Dari persamaan ini bisa kita subtitusian nilai V dp pada persamaan dG dengan
V dp = dH – T dS
sehingga dG bisa ditulis
dG = dH – T dS – S dT
dG = dH – (T dS + S dT)
unsur (T dS + S dT) ini tidak lain hasil dari turunan parsial dari d(TS), dengan demikian
G = H – TS
Persamaan ini tidak lain adalah fungsi GIBBS, yang pada beberapa buku di tulis A = U – TS, bergantung dari rujukan penulisan.
Entalpi – Untuk Entalpi, kita menggunakan konsep potensial termodinamis dH = V dP + T dS, dimana T dS bisa didapatkan dari dU = T dS – p dV, oleh karena itu
T dS = dU + p dV
sehingga
dH = V dp + dU + p dV
dH = dU + (V dp + p dV)
unsur (V dp + p dV) adalah turunan parsial dari d(pV) maka Entalpi H adalah
H = U + pV
Energi Dalam – Untuk energi dalam kita perhatikan persamaan dU = T dS – p dVm dimana T dS = dQ dan – p dV = dW maka Energi dalam adalah :
U = Q + W
Energi Bebas Helhomzt – perhatikan persamaan dF = – p dV – S dT, dimana dU = T dS – p dV, sehingga
– p dV = dU – T dS
sehingga
dF = dU – T dS – S dT
dF = U – ( T dS + S dT)
unsur ( T dS + S dT) tidak lain dalah turunan parsial dari d(TS) sehingga
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 – 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 – 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 :
AhmadDahlan.Net – Ketika kita mendiamkan secangkir kopi panas yang diletakkan di atas meja, maka secara perlahan, suhu kopi akan dingin. Proses ini akan terhenti sampai suhu kopi dan suhu ruangan sama sehingga tidak ada lagi pertukuaran kalor antara kopi dan ruangan.
Sebagaimana yang dijelaskan pada hukum I termodinamika, panas mengalir secara spontan dari zat bersuhu panas ke zat bersuhu dingin. Hanya faktor lingkungan sekitar Kopi memiliki ukuran cukup besar sehingga hampir mustahil untuk mengamati perubahan suhu yang terjadi pada lingkungan.
Menurut kekekalan energi di hukum I Termodinamika, kita bisa dengan mudah menghitung jumlah energi yang hilang dengan menghitung penurunan suhu air di dalam kopi menggunakan persamaan :
Q = m.C.\Delta T
Begitupun sebaliknya jika sendainya kalor yang hilang karena terserap oleh lingkungan tadi dapat dikembalikan ke dalam kopi kita, maka kita akan dengan mudah mendidihkan air di dalam gelas tanpa membuat suhu udara di sekitar dingin. Hal ini tidak melanggar hukum I Termodinamika tapi menurut Hukum II ini hal yang mustahil dilakukan. Sehingga cara yang paling membuat kopi hangat kembali dengan cara dipanaskan di atas api.
A. Hukum II Termodinamika
Menurut Black dan Clasius, Energi panas akan secara spontan mengalir dari zat bersuhu tinggi ke zat bersuhu lebih rendah. Hal ini tidak bisa berlaku sebaliknya, akan dibutuhkan usaha luar untuk memindahkan panas dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi. Pernyataan ini dikenal sebagai hukum II Termodinamika Clasius-Black.
Mesin Konversi Energi Mekanik ke Kalor
Perhatikan gambar di atas secara seksama, jika beban dengena energi potensial tersebut dijatuhkan maka, tali akan memutar pedal yang berhubungan dengan fluida yang ada di dalam ruangan. Jika sistem dibentuk sedemikian sempurna, maka besar pengurangan energi potensial beban akan meningkat suhu fluida di dalam ruangan.
Hanya saja hal tersebut tidak terjadi sebaliknya, mengembalikan energi potensial beban dengan cara manaikkan kembali posisinya tidak akan membuat suhu fluida di dalam ruangan turun, malah proses ini akan tetap membuat pedal terputar dan membuat energi di dalam ruangan menjadi lebih panas. Agar hukum I Termodinamika terpenuhi, maka dibutuhkan usaha luar untuk menaikkan enegri Potensial beban dan menaikkan suhu yang ada di dalam ruangan secara bersamaan.
Berdasarkan fenomena tersebut, sangat jelas jika panas akan bergerak ke arah tertentu namun tidak akan bergerak ke arah sebaliknya, meskipun hal tersebut tidak melanggar hukum I Termodinamika. Hukum I Termodinamika hanya berbicara tentang jumlah energi yang terlibat dalam sebuah proses namun tidak memnjelaskna mengenai arah perubahan energi di dalamnya.
Kekurangan jumlah energi yang tidak dapat diamati pada proses yang terjadi pada Mesin Konversi Panas ketika terjadi sebaliknya dapat dijelaskan menggunakan kriteria dari Energi dalam dari sebuah sistem atau Entropi.
Hukum Kedua Termodinamika tidak terbatas menjelaskan arah dari perubahan energi saja tapi juga membahas mengenai kualitas dan kuantitas perubahan energi dimana hukum I termodinamika hanya menjelaskan mengenai kuatitas perubahan energi semata.
B. Reservoir Energi Panas
Kajian hukum Termodinamika II banyak mengkaji panas pada sistem dan zat-zat hipotetik atau sulit diadakan dalam kehidupan nyata. Salah satu Zat Hipotetik itu adalah zat yang bisa menyerap panas secara sempurna dalam jumlah besar dan menyimpannya. Zat ini dapat menyerap panas dalam jumlah besar namun tidak menaikkan suhunya sehingga total penyimpanan panasnya dapat dihitung (massa) x (kapasitas kalornya).
Zat penyerap panas ini selanjutnya disebut sebagai Reservoir Energi namun kadang kala disebut reservoir saja. Air adalah salah satu zat di dunia nyata yang karakteristik hampir sama dengan reservoir panas hipotetik. Hal ini dikarenakan jumlahnya yang cukup besar di bumi. Perannya sangat vital dalam menjaga kehidupan di bumi tidak hanya sebagai sumber kehidupan tapi sebagai penjaga kestabilan suhu layak hidup di bumi.
Sebagai contoh, Semua Air yang ada dibumi membantu menjaga bumi di musim panas agar tidak terlalu panas. Panas disimpan serap oleh air yang ada di lautan dan dirubah ke dalam banyak bentuk energi seperti gelombang, arus dan uap air yang menguap. Jumlah air yang diperkirakan mencapai 1,3 Milliar Km3 menyerap banyak panas setiap harinya agar suhu siang hari tidak terlalu panas, kemudian dilepaskan dnegan pelan-pelan pada malam hari agar suhu bumi tidak terlalu dingin.
Panas yang Terbuang
Aktifitas manusia yang selalu melibatkan mesin didalamnya adalah aktifitas membuang panas. Menurut hukum II Termodinamika, setiap proses perubahan energi akan selalu menghasilkan panas yang tidak dapat diubah menjadi kerja, panas ini jika dalam mesin kalor disebut sebagai Entalpi sedangkan selain mesin panas akan terbuang percuma.
Panas yang terbuang dari mesin-mesin yang digunakan oleh manusia tidak akan hilang begitu saja sama ketika panas dari motor yang hilang ketika didinginkan. Menurut hukum Termodinamika I, energi panas ini tidak hilang tapi diserap oleh benda lain. Semakin baik benda tersebut menyimpan panas maka semakin lama panas diradiasikan pada saat suhu sedang turun seperti pada malam hari. Hal ini membuat orang-orang diperkotaan akan tetap merasa gerak ketika malam atau hujan barus saja turun.
Setelah malam hari lewat, panas yang ada belum sepenuhnya diradiasikan sehingga secara akumulatif nilai dan jumlah panas ini akan selalu bertambah. Cara agar pans ini dapat terbuang dari air tanpa menaikkan suhu adalah dikonversi ke bentuk energi lain. Sayangnya belum ditemukan cara efektif untuk memanfaatkan panas tersebut. Hanya tanaman yang dapat menggunakan panas tersebut untuk berfotosintesis, sehingga pasanya sedikit berkuran. Namun sisa panas yang tidak terserap tetap terakumulasi.
Atmosfer menjadi salah satu alternatif bumi memancarkan panas melalui radiasi keluar angkasa, sayangnya penggunaan bahan bakar mesin menghasilkan zat sisa seperti Carbon dioksida dalam jumlah besar. Zat ini adalah bersifat seperti cermin untuk panas dan sinar infra merah. Hasilnya zat ini menjadi selimut bagi bagi bumi dimana panas akan terperangkap di atmosfer sama seperti panas yang terperangkap di rumah kaca. Fenomena ini disebut sebagai efek rumah kaca dan menjadi penyebab pemanasan global
Kalor merupakan bentuk energi yang paling banyak dijumpai. Hampir seluruh aspek kehidupan manusia melibatkan energi kalor. Menurut Campbel (2003) matahari sebagai sumber energi utama di bumi memberikan sumbangsih energi kalor terbesar yang dimanfaatkan manusia secara langsung dan tidak langsung sebagai contoh tumbuhan memanfaatkan cahaya dalam fotosintesis dan manusia memanfaatkan tumbuhan. Selain dari pemanfaatan energi pada makhluk hidup, kehidupan manusia tidak jauh dari pemanfaatan bentuk energi panas seperti pada mesin motor, penguapan oleh matahari dan pemanfaatan energi nuklir untuk menggerakkan uap panas pada turbin PLTN.
Pada proses pemanfaatan energi panas, fluida dalam bentuk zat cair adalah zat yang paling banyak dimanfaatkan. Dahlan (2015) menjelaskan bahwa pemanfaatan fluida digunakan sebagai aspek utama seperti pada penggerak turbin pada pembangkit listrik tenaga nuklir dan pembangkit listrik tenaga panas bumi ataupun sebagai alat bantu pendikit yang menyerap panas berlebih dengan baik. Dalam upaya penggunaan zat cair, tentunya dibutuhkan informasi mengenai karakteristik air serta kaitannya terhadap seluruh aspek yang bersentuhan langsung pada saat proses pemanfaatannya seperti sifat korosif, titik didih, titik beku dan kalor jenis.
Sebuah fluida dalam bentuk zat cair menyerap kalor secara spesifik bergantung dari jenis dan susunan partikelnya. Air sebagai zat yang paling banyak dimanfaatkan dalam bentuk pemanfaatan energi panas memiliki spesifikasi kalor jenis yang spesifik. Giancoli (2005) menuliskan bahwa air sebanyak 1 kg pada suhu 14.5oC membutuhkan 4.180 joule untuk naik ke 15.5oC. berdasarkan informasi tersebut dapat disimpulkan bahwa air memiliki kalor jenis rata-rata sebesar 4.180 J/kgK. Lantas bagaimana cara mengukur besar kalor jenis tersebut? Percobaan ini bertujuan untuk mengukur kalor jenis air dengan cara sederhana.
Persamaan energi kalor yaitu :
Q = m cair ∆T
Keterangan : Q = banyaknya kalor (J) cair = kalor jenis ( J / kg °C) m = massa zat (kg) ∆T = perubahan suhu (°C)
Jika energi panas yang diberikan berasal dari energi listrik maka energi panas dapat disubtitusi dengan persamaan:
Elistrik = V i t
Dengan : V = tegangan listrik (V) i = kuat arus (A) T = lama pemberian energi (t).
B. Hipotesis Percobaan
Semakin lama pemanasan maka semakin tinggi pula kenaikan suhu dari zat cair.
C. Rumusan Masalah
Bagaimanakah hubungan antara suhu air terhadap lama pemanasan air?
Berapakan kalor jenis zat cair yang digunakan dalam percobaan?
D. Tujuan Percobaan
Untuk mengetahui hubungan antara suhu air terhadap lama pemanasan air.
Untuk mengetahui kalor jenis air.
E. Alat Dan Bahan
Pemanas Air (Kalori meter)
Termometer
Stopwatch
Air
Multimeter
F. Prosedur Percobaan
Siapkan alat dan bahan
Ukurlah kuat arus dan tegangan listrik dari sumber energi listrik yang digunakan. Berhati-hati dalam penggunaan sumber listrik
Ukuran massa air sebanyak 1 liter.
Panaskan air dengan cara menghubungkan rangkaian pada sumber arus. Tunggu beberapa saat sampai suhu air mulai naik
Nyalakan stopwatch bersamaan dengan penentuan suhu awal perhitungan, kemudian catat waktu yang dibutuhkan untuk setiap kenaikan 2 °C.
Catat hasil pengamatan anda dengan pada table pengamatan
G. Tabel Data Hasil Pengamatan
Tabel hubungan anatar lama pemanasan terhadap kenaikan suhu.
∆T(◦C)
T (s)
2
13,1
4
18,6
6
28,6
8
42,9
10
60,0
H. Grafik
Grafik Hubungan Antara Lama Pemanasan terhadap kenaikan suhu
Berdasarkan analisis grafik yang menggunakan software Excel didapatkan kalor jenis dari persamaan maka gradient dari grafik akan mengandung variabel tegangan, kuat arus, massa dan kalor jenis. Jadi :
c = \frac{mvi}{0.4 m_{air}}
Dari persamaan diatas maka didapatkan kalor jenis air sebesar 4250.10 J/KgoC.
I. Analisis Data Dan Pembahasan
Percobaan pengukuran kalor jenis air dengan menggunakan bantuan energi listrik sebagai sumber pemanas dipilih karena tersedianya alat untuk mengukur sumber panas dari energi listrik dibandingkan dengan menggunakan energi lain. Pada percobaan energi panas yang digunakan berasal dari energi listrik dengan tingkat efisiensi alat merubah energi listrik ke energi panas sebesar 40%.
Berdasarkan data hasil percobaan maka digunakan rumus untuk analisis data sebagai berikut:
c = \frac{mvi}{0.4 m_{air}}
Dari rumus yang digunakan maka didapatkan kalor jenis zat cair sebesar 3935.4 J/KgoC. yang didapatkan dari lima kali pengukuruan yakni berturut sebesar 4716.0 J/KgoC, 3348.0 J/KgoC, 3432.0 J/KgoC, 3861.0 J/KgoC dan 3420.0 J/KgoC.
Data dari lima percobaan menunjukkan perbedaan yang cukup signifikan dengan nilai kalor jenis secara teoritis yakni sebesar 0.69 % dari angka 4180 J/KgoC. Perbedaan ini kemungkinan muncul dari kurang presisinya alat dalam mengukur seperti termometer dan pengukuran sumber tegangan yang diukur dengan menggunakan angka pendekatan.Namun dari percobaan sangat jelas terlihat bahwa hipotesis percobaan dapat diterima.
J. Kesimpulan
Terdapat hubungan yang berbanding lurus antara suhu air terhadap lama pemanasan air.
Kalor jenis zat cair yang digunakan dalam percobaan berdasarkan hasil percobaan adalah 3935.4 J/KgoC
Daftar Pustaka
Campbell. J,W. 2003. Biologi Edisi 5. Jilid 1. Erlangga: Jakarta.
Dahlan, A (2015). Eureka Pendidikan. Diakses melalui www.eurekapendidikan.com pada tanggal 3 Januari 2016.
