MATERI WEBSITE PEMBELAJARAN FISIKA

TERMODINAMIKA

(http//:www.fisedukasi.com)

Oleh

I Gusti Ngurah Hari Yuda

Jurusan Pendidikan Fisika

Program Pascasarjana

Universitas Pendidikan Ganesha

Singaraja

1. Mind Maping

2. Peta Konsep

3. Usaha Termodinamika

Usaha yang dilakukan sistem pada lingkungannya merupakan ukuran energi yang dipindahkan

dari sistem ke lingkungan. Gambar berikut menunjukkan suatu gas di dalam silinder tertutup

dengan piston (penghisap) yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan. Pada saat gas memuai,

piston akan bergerak naik sejauh Δs . Apabila luas piston A, maka usaha yang dilakukan gas

untuk menaikkan piston adalah gaya F dikalikan jarak Δs . Gaya yang dilakukan oleh gas

merupakan hasil kali tekanan P dengan luas piston A, sehingga:

4. Usaha pada Mesin

Perhatikanlah mesin berikut. Gambar tersebut memperlihatkan pembekaran yang terjadi secara

terus menerus pada ruang mesin (mesin diesel). Dalam hal ini yang berperan sebagai sistem

adalah udara di dalam ruang mesin. Mula-mula udara masuk ke ruang mesin (intake), sehingga

volume ruang mesin membesar. Saat volume udara sudah cukup, piston terdorong ke dalam dan

saat itu juga bahan bakar (fuel) bertekanan tinggi diinjeksikan, sehingga terjadi pembekaran.

Saat terjadi pembakaran, udara dalam mesin menjadi panas, sehingga tekanannya meningkat.

Tekanan yang meningkat menyebabkan piston terdorong keluar dari ruang mesin. Beberapa saat

kemudian piston terdorong ke dalam lagi bersamaan dengan membukanya katup pembuangan,

sehingga sisa pembakaran akan terdorong keluar. Piston dihubungkan dengan sebuah roda,

sehingga setiap gerakan piston menyebabkan roda berputar. Saat piston terdorong keluar, sistem

dikatakan melakukan usaha, karena volume sistem membesar. Saat piston terdorong ke dalam,

lingkungan dikatakan melakukan usaha karena volume sistem berkurang (usaha sistem negatif).

5. Proses Proses Termodinamika

a) Proses Isotermal

b) Proses Isokhorik

c) Proses Isobarik

d) Proses Adiabatik

6. Contoh Soal

Sebuah mesin kalor melakukan seperti gambar berikut

Jika dalam sistem tersebut terdapat 64 gram gas oksigen (Ar = 8) dan R = 0,034

Tentukanlah:

a) Jenis proses tersebut

b) Usaha yang dilakukan mesin pada proses tersebut

Solusi:

a) Untuk menentukan jenis proses yang terjadi apakah itu isotermal, isobarik, isokhorik,

maupun adiabatik, maka langkah pertama adalah menentukan variabel yang konstan.

Berdasarkan grafik V-P di atas terlihat bahwa besaran P dan V berbeda di keadaan a dan

keadaan. Oleh karena itu, dapat dipastikan proses yang terjadi bukanlah isobarik dan juga

bukan isokhorik. Selanjutnya variabel yang konstan didapat dari persamaan berikut

Jadi T1 = T2 (temperatur di keadaan a dan b sama besar)

b) Untuk menentukan besarnya usaha pada proses isotermal, dapat digunakan persamaan

berikut

n merupakan jumlah mol gas yang dapat dihitung dengan persamaan

Jadi besarnya usaha yang dilakukan

7. Hukum I Termodinamika

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa besarnya kalor yang masuk sistem akan digunakan

untuk meningkatkan energi dalam sistem dan sisanya lagi digunakan untuk melakukan usaha.

Secara matematis, persamaan Hukum I Termodinamika dinyatakan sebagai berikut

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.

a) Penerapan Hukum I Termodinamika Untuk Setiap Proses Termodinamika

Pada suatu sistem yang mengalami perubahan temperatur, besarnya perubahan energi

dalam sistem dinyatakan dengan persamaan

1) Proses Isotermal

2) Proses Isobarik

Pada persamaan tersebut x merupakan konstanta yang bergantung pada jenis gas,

apakah gas tersebut monoatomik atau diatomik. Untuk gas monoatomik, nilai x

adalah 3/2, untuk gas diatomik temperatur rendah x=5/2, dan untuk gas diatomik

temperatur tinggi x = 7/2

3) Proses Isokhorik

Proses isokhorik merupakan proses yang terjadi pada volume konstan (. Oleh karena

usaha pada suatu proses mengisyaratkan adanya perubahan volume, jadi dapat

disimpulkan bahwa pada proses isokhorik, suatu sistem tidak melakukan usaha.

4) Proses Adiabatik

Proses adiabatik merupakan suatu proses, dimana tidak ada kalor yang masuk

maupun kalor yang keluar sistem. Jadi syarat terjadinya proses adiabatik adalah

sistem harus terisolasi secara sempurna, sehingga tidak ada kebocoran kalor

sedikitpun.

8. Hukum II Termodinamika

Hukum II Termodinamikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi

dengan beberapa perumusan sebagai berikut

1) Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari

sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin

Planck).

2) Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari

sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa

memerlukan usaha dari luar (Clausius).

3) Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika

terjadi proses irreversibel (Clausius).

Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas para ilmuwan merumuskan prinsip baru, yaitu

Hukum II Termodinamika, dengan pernyataan: “kalor mengalir secara alami dari benda yang

panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke

benda panas”.

a) Penerapan Hukum II Termodinamika

Salah satu penerapan Hukum II Termodinamika adalah munculnya konsep mesin

pendingin. Mesin pendingin merupakan mesin yang dapat mengambil sejumlah kalor dari

suatu benda, selanjutnya memindahkan kalor tersebut ke lingkungan sehingga benda

yang telah diambil kalornya akan mengalami penurunan temperatur. Besarnya kalor yang

dipindahkan sama dengan energi yang dikonsumsi oleh mesin pendingin tersebut. Energi

yang dikonsumsi dapat berupa energi listrik.

Proses Perpindahan Kalor pada Mesin Pendingin

b) Pembahasan

Suatu mesin pendingin bekerja dengan memindahkan sejumlah kalor dari reservoir

bertemperatur rendah (benda yang didinginkan) ke reservoir bertemperatur tinggi

(tinggi). Kalor tidak mengalir secara spontan dari temperatur rendah ke temperatur tinggi.

Untuk mewujudkan hal tersebut, maka diperlukan sejumlah usaha untuk memindahkan

kalor tersebut. Usaha inilah berasal dari energi listrik yang dikonsumsi oleh mesin

pendingin.

Proses Pendinginan Ruangan Menggunakan Mesin Pendingin

9. Siklus pada Termodinamika

Suatu sistem dapat menyerap kalor dari lingkungan untuk melakukan usaha. Untuk dapat

melakukan usaha terus-menerus tidak mungkin dilakukan hanya dengan satu proses

termodinamika tertentu, karena suatu proses akan berhenti ketika tekanan, volume, atau suhu

mencapai nilai maksimum. Oleh karena itu, sistem harus dikembalikan ke keadaan awal agar

kalor dapat berubah menjadi usaha. Rangkaian proses sedemikian rupa sehingga akhirnya

kembali pada keadaan semula disebut siklus.

a) Usaha pada proses siklus

Usaha yang dilakukan sistem pada suatu proses yang bersiklus merupakan luas daerah

yang dilingkupi oleh siklus tersebut. Sebagai contoh siklus seperti pada grafik di atas.

Siklus tersebut terdiri dari 3 proses, yaitu proses a-b, proses b-c, dan proses c-d.

b) Contoh Soal 1

Suatu sistem bekerja secara bersiklus seperti grafik berikut

Tentukanlah besarnya usaha yang dilakukan sistem dalam satu kali siklus!

c) Contoh Soal 2

Jika pada contoh 1 sistem melakukan 100 kali siklus, tentukan usaha yang dilakukan oleh

sistem tersebut!

d) Siklus Carnot

Pada tahun 1824 seorang ilmuwan Prancis, Sadi Carnot (1796 - 1832), mengemukakan

model mesin ideal yang dapat meningkatkan efisiensi melalui suatu siklus, yang dikenal

dengan siklus Carnot. Mesin ideal Carnot bekerja berdasarkan mesin kalor yang dapat

bekerja bolakbalik (reversibel), yang terdiri atas empat proses, yaitu dua proses isotermal

dan dua proses adiabatik

10. Entropi

Termodinamika menyatakan bahwa proses alami cenderung bergerak menuju ke keadaan

ketidakteraturan yang lebih besar. Ukuran ketidakteraturan ini dikenal dengan sistem entropi.

Entropi merupakan besaran termodinamika yang menyerupai perubahan setiap keadaan, dari

keadaan awal hingga keadaan akhir sistem. Semakin tinggi entropi suatu sistem menunjukkan

sistem semakin tidak teratur. Entropi sama seperti halnya tekanan dan temperatur, yang

merupakan salah satu sifat dari sifat fisis yang dapat diukur dari sebuah sistem. Apabila

sejumlah kalor Q diberikan pada suatu sistem dengan proses reversibel pada suhu konstan,

maka besarnya perubahan entropi sistem adalah:

11. Mesin Kalor

Mesin kalor merupakan suatu perangkat yang mampu mengubah kalor menjadi usaha.

Munculnya ide mesin kalor berawal dari siklus carnot. Siklus carnot bersifat reversible, yang

merupakan kajian mesin kalor secara teoritis. Pada kenyatannya suatu mesin kalor bersifat

irreversible, contohnya adalah mesin otto yang dipakai untuk kendaraan berbahan bakar

bensin dan siklus diesel yang dipakai peda kendaraan berbahan bakar solar. Mesin Uap buatan

James Watt merupakan mesin kalor pertama yang digunakan untuk industri.

James Watt

Mesin Uap

Salah satu hal yang harus diperhatikan dalam pembuatan mesin adalah efisiensi. Efisiensi

suatu mesin kalor merupakan perbandingan antara usaha yang dihasilkan terhadap kalor

masukan dikalikan 100%. Secara matematis, efisiensi mesin kalor dinyatakan sebagai berikut

12. Mesin Pendingin

Mesin pendingin merupakan suatu perangkat yang digunakan untuk memindahkan sejumlah

kalor dari suatu benda, dengan tujuan menurunkan temperatur benda tersebut. Prinsip kerja

mesin pendingin berkebalikan dengan prinsip kerja mesin kalor

Mesin pendingin diaplikasikan untuk membuat berbagai jenis pendingin, seperti kulkas dan

AC (Air Conditioner)

13. Pengayaan Materi

a) Mesin Otto

Mesin Otto yang disebut juga dengan mesin bensin, ditemukan oleh Nicolaus Otto.

Merupakan mesin kalor dengan pembekaran menggunakan percikan bunga api tegangan

tinggi dengan bahan bakar berupa bensin dan udara.

Mesin Otto

Keunggulan

Berikut adalah beberapa kelebihan mesin otto, antara lain:

1) Getaran mesin tidak terlalu tinggi, sehingga cukup nyaman untuk

pengendara

2) Emisi gas buangan tidak terlalu tinggi, sehingga resiko terhadap adanya

polusi udara lebih rendah

3) Oleh karena tidak bekerja pada tekanan tinggi, maka suku cadang mesin

otto lebih murah

Kelemahan

Berikut adalah beberapa kelemahan mesin otto, antara lain:

1) Tingkat efisiensi mesin terhadap panas rendah, sehingga mesin otto boros

dalam hal penggunaan bahan bakar

2) Memerlukan sistem tegangan tinggi dalam pengapian, sehingga struktur

pengapiannya cukup rumit. Selain itu juga berbahaya, karena adanya

tegangan tinggi

3) Tidak terlalu kuat digunakan untuk jarak jauh, karena komponen mesin

cepat aus

Sistem Pengapian pada Mesin Bensin

Aplikasi

Mesin otto banyak diaplikaskan pada kendaraan bermotor roda dua dan sejumlah

besar mobil yang memerlukan tingkat kenyamanan tinggi seperti gambar berikut.

Penerapan Mesin Otto pada Mobil

b) Mesin Diesel

Mesin diesel merupakan mesin kalor yang menggunakan tekanan (kompresi) untuk

mencitakan temperatur tinggi dalam ruang mesin, sehingga dapat membakar bahan bakar

yang diinjeksikan ke dalam ruang mesin tersebut secara spontan. Oleh karena itu kompresi

yang dihasilkan pada ruang mesin jauh lebih tinggi dibandingkan dengan kompresi pada

mesin bensin. Kompresi yang tinggi ini memerlukan tingkat kekuatan alat yang tinggi

pula.

Mesin Diesel

Mesin diesel memiliki tingkat efisiensi termal terbaik dibandingkan mesin-mesin kalor

lainnya karena memiliki rasio kompresi yang sangat tinggi. Mesin diesel kecepatan

rendah, seperti mesin kapal mampu menghasilkan efisiensi lebih dari 50%.

Keunggulan

Berikut adalah beberapa keunggulan mesin diesel, antara lain:

1) Memiliki tingkat efisiensi tinggi dibandingkan mesin kalor lainnya,

sehingga irit bahan bakar

2) Memerlukan bahan bakar dengan bilangan oktan yang tidak terlalu tinggi,

sehingga bahan bakar diesel lebih murah dibandingkan bahan bakar mesin

kalor lainnya.

3) Tahan lama pada temperatur tinggi, karena komponen mesin dirancang

untuk temperatur tinggi, sehingga tahan untuk digunakan dalam jangka

waktu lama

Kelemahan

Berikut adalah kelemahan mesin diesel, antara lain:

1) Komponen-komponen mesin memiliki harga yang cukup mahal karena

dedesain untuk dapat bekerja dengan bagus pada tekanan tinggi

2) Adanya emisi gas buangan yang tinggi akibat pengaruh mutu bahan bakar,

di mana mutu bahan bakar diesel (solar) lebih rendah daripada bensin

3) Tingkat kenyamanan kurang jika digunakan dalam kendaraan bermotor.

Hal ini disebabkan karena getaran mesin yang terlalu tinggi

Aplikasi

Dalam aplikasinya, mesin diesel banyak digunakan pada kendaraan-kendaraan

besar yang menempuh jarak jauh, karena mesin diesel tahan terhadap temperatur

tinggi dalam jangka waktu yang lama.

Penerapan Mesin Diesel pada Mobil