ANALISIS CONTOH SISTEM TERMODINAMIKA

DAN HUKUM I TERMODINAMIKA

Mata Kuliah :

Termodinamika

Dosen Pengampu :

Dr. Ayi Syaeful Bahri, S.Si, M.T.

Disusun Oleh :

Ahmad Qomaruddin Arsyadi

3713100019

JURUSAN TEKNIK GEOFISIKA

FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2015 / 2016

ANALISIS CONTOH SISTEM TERMODINAMIKA

Termodinamika berasal dari dua kata yakni Thermal yang berarti berkaitan

dengan panas dan Dinamika yang berarti berkaitan dengan pergerakan. Termodinamika

adalah kajian mengenai hubungan panas, kerja, dan energy dan secara khusus

perubahan panas menjadi kerja serta segala perubahan-perubahan yang diakibatkannya

terhadap sistem yang ada. Kalor atau panas disebabkan karena adanya perbedaan suhu

yang mana akan berpindah dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat yang bersuhu

rendah. Dengan kata lain, kalor merupakan salah satu bentuk perpindahan (transfer)

energi. Usaha merupakan perpindahan energi. Dalam termodinamika, sistem

didefinisikan sebagai segala sesuatu atau kumpulan benda yang ditinjau dan

diperhatikan. Sementara segala sesuatu di luar sistem disebut lingkungan. Serta yang

memisahkan sistem dan lingkungan disebut dengan batas.

Berdasarkan sifat interaksi antara sistem dan lingkungan, sistem dibedakan

menjadi :

a) Sistem Terbuka, sistem yang dinding pembatasnya dapat dilewati oleh partikel

dan energi. Sebagai contoh, air dalam gelas terbuka. Ketika terjadi kesetimbangan

jumlah energy yang masuk dan keluar serta kesetimbangan jumlah partikelyang

masuk dan keluar, maka sistem dan lingkungan memiliki nilai temperatur T dan

potensial kimia µ yang sama. Variabel keadaan untuk sistem ini adalah (T; V; µ).

b) Sistem Tertutup, adalah sistem yang dinding pembatasnya tidak dapat dilewati

oleh partikel tetapi masih dapat dilewati energi panas. Sistem semacam ini

memiliki nilai jumlah partikel N dan volume yang tetap V, tetapi energi tidak lagi

menjadi variabel keadaan yang konstan. Sebagai gantinya, ketika terdapat

kesetimbangan jumlah energi yang keluar dan masuk sistem, sistem dan

lingkungan memiliki nilai temperatur yang sama T. Variabel keadaan untuk

sistem ini adalah (N; V; T).

c) Sistem Terisolasi, adalah sistem yang dinding pembatasnya tidak dapat dilewati

oleh partikel dan energi. Tidak ada pertukaran partikel maupun energi antara

sistem dan lingkungan. Sistem semacam ini dicirikan dengan nilai total energi E,

jumlah partikel N dan volume V yang tetap. Dalam realitanya sistem semacam ini

tidak ada, tetapi sembarang sistem yang dindingnya sulit ditembus energi maupun

partikel (seperti termos) dapat didekati sebagai sistem terisolasi. Variabel keadaan

untuk sistem ini adalah (E; V; N).

Tugas yang pertama yakni membuat sebuah contoh sistem termodinamika dan

kemudian ditentukan termasuk dalam jenis sistem apa, memiliki batas sistem apa dan

bagaimana interaksi sistem dengan lingkungan.

Salah satu peralatan dalam kehidupan sehari – hari yang memanfaatkan ilmu

termodinamika ini adalah Rice cooker. Rice cooker merupakan peralatan rumah tangga

yang digunakan untuk memasak dan menghangatkan nasi. Rice cooker mengubah

energi listrik menjadi energi panas. Rice cooker bekerja dengan memanipulasi tekanan.

Ketika menanak nasi dengan cara biasa air akan mendidih pada suhu 100⁰C, tetapi tidak

demikian dengan rice cooker.

Seperti yang telah disebutkan di atas bahwa rice cooker memanipulasi tekanan,

hal ini karena rice cooker mempunyai suatu lubang dan jika lubang tersebut dibuka

tekanan eksternal rice cooker akan sama dengan tekanan udara di luar. Jika lubang

ditutup menggunakan katup tekanan udara di dalam rice cooker akan berbeda dengan

titik didih cairan. Kondisi ini menyebabkan uap air hanya berada di dalam rice cooker.

Massa katup menyebabkan tekanan semakin tinggi sehingga kesetimbangan antar fase

juga akan berubah yang menyebabkan terbantuknya titik didih baru. Massa tutup katup

menentukan tekanan di dalam ruang pressure cooker, karena lubang katup akan

membiarkan uap air keluar ketika tekanannya telah mencapai titik tertentu. Untuk

mengurangi kelebihan tekanan pada rice cooker katup akan mengeluarkan uap air.

Ketika dipahami lebih lanjut, proses yang terjadi pada rice cooker ini merupakan

massa atur atau Sistem Tertutup. Jumlah partikel dan volume dalam sistem ini tetap,

atau bisa dikatakan massanya tetap. Perubahan hanya diberikan pada tekanan di dalam

sistem sehingga terdapat kesetimbangan jumlah energy yang masuk dan keluar dari

sistem ke lingkungan. Batas dalam sistem rice cooker dengan lingkungan ialah satu

wadah rice cooker dengan katup tekanan udara. Interaksi antara sistem di dalam rice

cooker dengan lingkungan terjadi ketika katup tekanan udara terjadi buka-tutup.

Interaksi yang terjadi yakni penyetabilan tekanan di dalam rice cooker dengan tekanan

udara di luar. Penyetabilan ini berfungsi untuk menjaga agar massa di dalam rice cooker

tetap sama karena jumlah partikel dan volumenya harus dijaga.

HUKUM I TERMODINAMIKA

Jika suatu gas dengan volume tetap dipanaskan, maka suhu gas bertambah.

Akibat kenaikan suhu ini, molekul-molekul gas bergerak lebih cepat yang

mengakibatkan tumbukan antara molekul dengan dinding lebih banyak. Tumbukan ini

menyebabkan tekanan gas bertambah. Selain tekanan yang bertambah besar, energi

kinetik gas juga meningkat. Dengan pertambahan energi kinetik berarti energi dalam

gas juga bertambah. Untuk menaikkan suhu gas, sehingga mempunyai suhu tertentu,

diperlukan sejumlah kalor (Q). Jika sejumlah kalor ditambahkan pada sistem, maka

energi kalor akan digunakan untuk melakukan usaha. Namun, tidak semua energi kalor

digunakan untuk usaha. Jadi, jumlah kalor yang diterima sistem digunakan untuk

menambah energi dalam sistem dan untuk melakukan usaha. Pemberian kalor pada

suatu sistem, akan menambah energi dalam sistem (U). Banyaknya kalor yang

diperlukan untuk menaikkan energi dalam sebesar ∆U dan melakukan usaha sebesar W

dapat dicari dengan persamaan :

Q=∆ U +W

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa besarnya kalor yang masuk sistem

akan digunakan untuk meningkatkan energi dalam sistem dan sisanya lagi digunakan

untuk melakukan usaha.

Namun ada batasan untuk rumus ini yakni jika sejumlah kalor ditambahkan pada

sistem (kalor memasuki sistem), maka Q bernilai positif (+Q). Sementara, jika sejumlah

kalor dikurangi (kalor keluar dari sistem), maka Q bernilai negatif (-Q). Dan jika sistem

melakukan usaha, W bernilai positif (+W). Sementara jika pada sistem dilakukan usaha

(sistem menerima usaha), W bernilai negatif (-W).

Dalam kehidupan sehari-hari, banyak peristiwa yang berhubungan dengan

Hukum I Termodinamika, sebagai contoh adalah peristiwa di dalam mesin. Sebelum

dapat melakukan usaha, sistem tersebut harus dipanaskan terlebih dahulu. Hal inilah

yang menjadi salah satu alasan orang-orang memanaskan motornya terlebih dahulu

sebelum digunakan. Dengan adanya pemanasan terlebih dahulu, maka energi dalam gas

akan meningkat dan stabil, sehingga usaha yang dihasilkan lebih besar dan lancar.

Secara garis besar, proses-proses termodinamika dibagi menjadi 4 macam, yaitu

isotermik,

isokhorik,

isobarik, dan

adiabatik.

a. Isothermik

Hukum Boyle menyatakan bahwa pada suhu konstan, tekanan gas berbanding

terbalik dengan volumenya. Keadaan yang sesuai dengan Hukum Boyle disebut

isotermik. (Isotermal). Jadi, proses isotermik adalah proses perubahan keadaan sistem

pada suhu tetap. Menurut Hukum Boyle, pada proses ini berlaku persamaan berikut.

PV = konstan

Suhu pada proses isotermik dipertahankan tetap, sehingga ∆T = 0. Berdasarkan

persamaan perubahan energi dalam (∆U = Q - W ), diperoleh bahwa usaha yang

dilakukan sama dengan jumlah kalor yang diberikan. Jadi, pada proses isotermik

berlaku persamaan berikut.

(∆U = 0) dan Q = W

b. Isokhorik

Setelah membahas proses termodinamika pada suhu tetap, sekarang kita akan

membahas proses pada volume tetap. Hukum yang menjelaskan perilaku gas pada

volume tetap adalah Hukum Gay Lussac. Menurut hukum Gay Lussac, jika volume

dijaga konstan, maka tekanan gas akan berbanding lurus dengan suhu gas. Keadaan gas

jika volumenya dibuat tetap disebut keadaan isokhorik. Sementara proses perubahan

sistem pada volume tetap disebut proses isokhorik.

Pada proses isokhorik, sistem tidak mengalami perubahan volume, walaupun

sejumlah kalor memasuki atau keluar sistem. Ini memberikan pengertian bahwa sistem

tidak melakukan atau menerima usaha. Dengan kata lain, usaha yang dilakukan sistem

atau yang dilakukan lingkungan pada sistem sama dengan nol (W = 0). Jadi, pada

proses isokhorik berlaku persamaan:

W = 0 dan (∆U = Q)

c. Isobaric

Proses isobarik merupakan proses perubahan sistem pada tekanan tetap.

Jika sejumlah kalor diberikan kepada sistem dengan tekanan tetap, volumenya akan

bertambah seiring pertambaham kalor yang masuk. Ini berarti sistem melakukan usaha.

Berdasarkan uraian tersebut, pada proses isobarik berlaku persamaan:

W = P AV

W = P (V2 – V1)

Perubahan energi dalam sistem dinyatakan dengan persamaan berikut.

∆U = Q – W

d. Adiabatic

Proses adiabatik adalah proses perubahan sistem tanpa ada kalor yang

masuk atau keluar dari sistem. Walaupun tidak ada kalor yang masuk atau keluar,

tetapi suhunya tidak tetap. Proses adiabatik dapat dilakukan dengan cara menutup

sistem serapat-rapatnya, sehingga tidak ada pertukaran kalor dengan lingkungan.

Contoh alat yang dapat menjelaskan proses adiabatik adalah termos. Bagian dalam

termos terbuat dari selubung kaca yang bagian dalamnya hampa udara. Selubung kaca

ini dilapisi dengan lapisan logam yang tipis dengan tujuan untuk memantulkan panas.

Dengan kontruksi seperti ini, tidak terjadi pertukaran kalor dengan lingkungan.

Pada proses adiabatik berlaku persamaan:

P.V = konstan P1.V1 = P2.V2

Pada proses adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar. Jadi, pada proses

adiabatik berlaku persamaan berikut :

Q = 0

∆U = -W

(sistem melakukan usaha)

Penerapan Konsep Hukum I Termodinamika salah satunya pada Balon Udara.

Balon Udara merupakan salah satu alat transportasi udara yang digunakan sebelum

ditemukannya pesawat terbang. Balon udara diterbangkan ke udara salah satunya

dengan dilakukan pemanasan. Secara garis besar, balon udara terdiri atas tiga bagian

yakni (1) Envelope, (2) Burner dan (3) Basket.

Envelope yang bentuknya berupa kantong kantong balon tempat udara

dipanaskan atau gas hidrogen yang berfungsi mengangkat balon udara dari ladasannya.

Biasanya terbuat dari bahan nilon atau yang lebih sederhana dari kertas minyak. Untuk

memperkuatnya balon bisa di beri panel- panel anyaman dan bahan sebaiknya dilapisi

anti api (skirt). Burner merupakan alat yang yang berfungsi untuk memanaskan udara

yang ada dalam balon. Alat ini juga berfungsi sebagai pengatur tekanan udara agar

dapat terbang dengan ketinggian yang diinginkan. Basket atau keranjang merupakan

tempat penumpang mengendalikan balon udara atau penumpang yang menikmati

penerbangan balon udara. Basket dibuat dari bahan yang ringan dan lentur dan terletak

di bawah kantung udara.

Pada dasarnya

prinsip kerja balon udara

sangat sederhana yaitu

“dengan cara

memanaskan udara di

dalam balon agar lebih

panas dari udara diluar”

(Howstuff. 2008).

Dilakukan pemanasan

bertujuan untuk membuat

berat balon udara

menjadi ringan dan bisa

terangkat. Selanjutnya

dilakukan terus

pemanasan untuk

menjaga kestabilan

tekanan atau dalam hal

ini dijaga agar

tekanannya tetap sama

sesuai dengan proses Isokhorik.

Dalam tekanan yang sama, ketika udara dipanaskan maka udara akan memuai

dan membuat partikelnya lebih renggang sehingga envelope bisa terisi dengan penuh.

Renggangnya partikel udara di dalam envelope ini mengakibatkan berat di dalamnya

menjadi lebih ringan daripada udara di luar. Sehingga balon udara bisa terbang ke

angkasa. Pada balon udara yang diisi dengan udara panas, agar balon udara dapat

terbang maka di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan temperatur sekitar

100oC. Udara panas ini akan terperangkap di dalam envelope. Karena udara panas

memiliki massa jenis yang lebih kecil daripada udara biasa, maka membuatnya lebih

ringan sehingga balon udara pun akan bergerak naik di dorong oleh udara yang

bertekanan lebih kuat.

Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara

yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun. Untuk

mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve) sehingga udara

di dalam envelope lebih cepat dingin.