1

HUKUM I TERMODINAMIKA

Mata Kuliah : Fisika Dasar II

Dosen : Muhammad Azkia, S.Si, M.Pd

Disusun Oleh :

Miftakhul Suci (20158300175)

Putri Eka Sakti (20158300004)

Siti Jumriah (20158300176)

PENDIDIKAN MATEMATIKA

KELAS II G

SEKOLAH TINGGI KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

KUSUMA NEGARA JAKARTA

2016

2

KATA PENGANTAR

Bismillahirrahmanirrahim,

Alhamdulillah puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, berkat rahmat

dan karunia-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini dengan judul “Hukum

I Termodinamika”.

Pada kesempatan ini dengan segala kerendahan hati kami ingin mengucapkan

terima kasih kepada pihak-pihak yang telah memberi dorongan dan semangat

khususnya kepada bapak Muhammad Azkia, S.Si, M.Pd selaku dosen mata kuliah

Fisika Dasar II.

Kami menyadari bahwa pengetahuan dan kemampuan kami sangat terbatas

sehingga penyusunan makalah ini sangat jauh dari kesempurnaan. Untuk itu kami

selaku penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun demi kesempurnaan

makalah ini. Semoga makalah ini bermanfaat bagi kita khususnya pembaca pada

umumnya.

Jakarta, 9 Maret 2016

Penulis

3

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR………………………………………………………………. 2

DAFTAR ISI………………………………………………………………………… 3

BAB I PENDAHULUAN…………………………………………………... 4

A. Latar Belakang…………………………………………………. 4

B. Rumusan Masalah……………………………………………... 4

C. Tujuan……………………………………………………………. 4

BAB II PEMBAHASAN……………………………………………………... 5

A. Keadaan Kesetimbangan Sistem……………………………. 5

B. Persamaan Keadaan Sistem…………………………………. 6

C. Koefisien Muai .dan Komprestabilitas………………………. 15

D. Proses proses Kuasistatik…………………………………….. 27

E. Diagram Termodinamika……………………………………… 27

F. Interaksi Sistem Dengan Lingkungan……………………….. 32

G. Hukum I Termodinamika………………………………………. 34

H. Proses Adiabatik……………………………………………….. 36

BAB III PENUTUP…………………………………………………………... 40

A. Kesimpulan……………………………………………………… 40

B. Saran…………………………………………………………….. 41

DAFTAR PUSTAKA………………………………………………………………. 42

4

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan

dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan).

Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan, panas, kerja, dan energi dan

secara khusus perubahan panas menjadi kerja. Hukum termodinamika pertama

dan kedua dirumuskan pada abad ke-19. Oleh para ilmuan mengenai

peningkatan efisiensi mesin uap. Bagaimanapun hukum ini merupakan dasar

seperti hukum fisika lainnya

B. Rumusan Masalah

1. Keadaan Kesetimbangan Sistem?

2. Persamaan Keadaan Sistem?

3. Koefisien Muai dan Komprestabilitas?

4. Proses-proses Kuasistatik?

5. Diagram Termodinamika?

6. Interaksi Sistem dengan Lingkungan?

7. Hukum I Termodinamika?

8. Proses Adiabatik?

C. Tujuan

Adapun tujuan dari penulisan makalah ini untuk membantu memahami

kepada pembaca khususnya mahasiswa apa itu Hukum I Termodinamika, dan

apa saja yang ada di dalam Hukum I Termodinamika. Selain itu juga penulisan

ini bertujuan untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Dasar II.

5

BAB II

PEMBAHASAN

A. Keadaan Kesetimbangan Sistem

Dalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam

kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan

setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia. Dalam

kesetimbangan termodinamik, tidak ada kecenderungan untuk terjadi perubahan

keadaan, baik untuk sistem maupun untuk lingkungannya.

Kesetimbangan mekanik terjadi apabila tidak ada gaya yang tak

berimbang di bagian dalam sistem, dan juga antara sistem dan lingkungannya.

Dalam kesetimbangan termal, semua bagian sistem bertemperatur sama, dan

sistem juga memiliki suhu yang sama dengan lingkungannya.

Dalam kesetimbangan kimia, suatu sistem tidak mengalami perubahan

spontan dalam struktur internalnya, seperti reaksi kimia. Sistem dalam

kesetimbangan kimia juga tidak mengalami perpindahan materi dari satu bagian

sistem ke bagian sistem lainnya, seperti difusi atau pelarutan.

Bila ketiga syarat kesetimbangan tersebut tidak dipenuhi, maka sistem

termodinamika disebut berada dalam keadaan tidak setimbang.

Kesetimbangan termodinamika menjelaskan sistem yang propertinya tidak

akan berubah tanpa beberapa jenis campur tangan dari luar. Dengan kata lain,

sebuah sistem dalam kesetimbangan termodinamika tidak akan berubah kecuali

ada sesuatu yang ditambahkan atau dikurangi dari itu. Bagi objek untuk

mencapai kesetimbangan termodinamika, ada tiga kondisi yang harus dipenuhi,

yaitu : kesetimbangan mekanik, keseimbangan kimia, dan keseimbangan termal.

Kesetimbangan Mekanik Menjelaskan apa yang terjadi ketika tidak ada

gaya yang tidak seimbang dalam sistem atau dengan sistem dan sekitarnya. Ini

berarti bahwa gaya harus sama dalam suatu sistem dan dalam sistem dan

sekitarnya. Salah satu gaya tersebut adalah tekanan. Jika tekanan adalah sama

dalam sistem dan dengan sistem dan sekitarnya, keseimbangan mekanik

6

tercapai. Jika tidak ada keseimbangan mekanik, sistem akan berusaha untuk

mencapai keseimbangan.

Keseimbangan Kimia Suatu objek akan mencapai keseimbangan kimia,

dimana semua reaksi kimia dalam sistem seperti difusi maupun pelarutan sudah

berlangsung atau terjadi, walau dalam kecepatan yang lambat sekalipun.

Keseimbangan Termal Keseimbangan ini akan terjadi jika tidak ada

perpindahan kalor dalam sistem atau antara sistem dengan lingkungannya.

Artinya semua temperatur dalam sistem harus sama.

Jenis lain dari kesetimbangan yang dicapai adalah sebagai berikut:

a) Dua sistem dalam kesetimbangan termal saat suhu sama.

b) Dua sistem dalam kesetimbangan mekanik saat tekanan mereka

sama.

c) Dua sistem dalam kesetimbangan difusi saat potensial kimia mereka

sama.

Difusi adalah peristiwa mengalirnya/berpindahnya suatu zat dalam pelarut

dari bagian berkonsentrasi tinggi ke bagian yang berkonsentrasi rendah.

Perbedaan konsentrasi yang ada pada dua larutan disebut gradien konsentrasi.

Difusi akan terus terjadi hingga seluruh partikel tersebar luas secara merata atau

mencapai keadaan kesetimbangan di mana perpindahan molekul tetap terjadi

walaupun tidak ada perbedaan konsentrasi. Contoh yang sederhana adalah

pemberian gula pada cairan teh tawar. Lambat laun cairan menjadi manis.

Contoh lain adalah uap air dari cerek yang berdifusi dalam udara.Difusi yang

paling sering terjadi adalah difusi molekuler. Difusi ini terjadi jika terbentuk

perpindahan dari sebuah lapisan (layer) molekul yang diam dari solid atau fluida.

B. Persamaan Keadaan Sistem

Di dalam fisika dan termodinamika, persamaan keadaan adalah

persamaan termodinamika yang menggambarkan keadaan materi di bawah

seperangkat kondisi fisika. Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan

konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi

keadaan yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume

7

dan energi dalam. Persamaan keadaan berguna dalam menggambarkan sifat-

sifat fluida, campuran fluida, padatan, dan bahkan bagian dalam bintang.

Penggunaan paling umum dari sebuah persamaan keadaan adalah dalam

memprediksi keadaan gas dan cairan. Salah satu persamaan keadaan paling

sederhana dalam penggunaan ini adalah hukum gas ideal, yang cukup akurat

dalam memprediksi keadaan gas pada tekanan rendah dan temperatur tinggi.

Tetapi persamaan ini menjadi semakin tidak akurat pada tekanan yang makin

tinggi dan temperatur yang makin rendah, dan gagal dalam memprediksi

kondensasi dari gas menjadi cairan. Namun, sejumlah persamaan keadaan yang

lebih akurat telah dikembangkan untuk berbagai macam gas dan cairan. Saat ini,

tidak ada persamaan keadaan tunggal yang dapat dengan akurat

memperkirakan sifat-sifat semua zat pada semua kondisi.

Selain memprediksi kelakuan gas dan cairan, terdapat juga beberapa

persamaan keadaan dalam memperkirakan volume padatan, termasuk transisi

padatan dari satu keadaan kristal ke keadaan kristal lainnya. Terdapat juga

persamaan-persamaan yang memodelkan bagian dalam bintang, termasuk

bintang netron. Konsep yang juga berhubungan adalah mengenai fluida

sempurna di dalam persamaan keadaan yang digunakan di dalam kosmologi.

Ada beberapa sistem termodinamis (suatu sistem yang berada dalam

keadaan setimbang termodinamis), yaitu:

1. 1.Sistem Hidrostatis (Hidrostatik) atau Sistem Kemis (Kimiawi)

2. Sistem Paramagnetis (Paramagnetik).

3. Sistem Dielektris (Dielektrik).

4. Sistem Dawai yang Teregang.

5. Sistem Selaput Tipis.

6. Sistem Sel Listrik.

1. Sistem Hidrostatis

Sistem hidrostatis merupakan zat kimia yang tidak diperhatikan sifat

kelistrikannya, kemagnetannya, elastisitasnya, dan sifat tegangan

permukaannnya. Sistem hidrostatis ada dua, yaitu: zat murni dan zat tak murni.

Contoh sistem hidrostatis adalah: gas, cairan, atau padatan.

8

Sistem hidrostatis disebut zat murni apabila terdiri atas satu senyawa

kimia saja dan berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: Es

(H2O), Air (H2O), Uap Air (H2O), Karbondioksida (CO2), Hidrogen (H2), Nitrogen

(N2), atau Oksigen (O2). Karbondioksida, hidrogen, nitrogen, dan oksigen dapat

berada dalam wujud padatan, gas, maupun cairan.

Sistem hidrostatis disebut zat tak murni apabila terdiri atas campuran zat

murni yang berada dalam keadaan setimbang termodinamis. Misalnya: udara

yang terdiri dari campuran oksigen, nitrogen, uap air, dan karbondioksida. Dalam

udara masih ada beberapa jenis gas lagi, namun jumlahnya sedikit sekali,

misalnya gas argon, helium, neon, dan gas kripton.

Persamaan keadaan sistem hidrostatis dinyatakan dalam fungsi

f(p,V.T) = 0

a. Gas Ideal, dengan persamaan keadaan: p V = n R T

b. Gas Clausius, dengan persamaan kedaan: p (v – b) = R T

c. Gas van der Waals, dengan persamaan keadaan

Dalam bentuk lain persamaan keadaan gas van der Waals dapat ditulis

sebagai berikut.

p v2

– (p b + R T) v2

+ a v – a b = 0

9

d. Persamaan keadaan gas real sebagai berikut.

A, B, C, dan seterusnya disebut sebagai koefisien virial yang merupakan

fungsi temperatur. Karena persamaan 3.8.b sama dengan persamaan 3.9, maka

diperoleh:

A = R T, B = R T b, C = R T b2

, demikian selanjutnya

2. Sistem Paramagnetik

Sistem paramagnetik merupakan gas, cairan, padatan, atau campuran

dari dua atau tiga wujud tersebut yang memiliki kuat medan magnet luar yang

disebut induksi magnetik (B) yang mempengaruhi kemagnetan atom-atom atau

magnetisasi (M). Sedangkan temperatur sistem paramagnetik mempengaruhi

orientasi atom-atom sistem paramagnetik dan orientasi atom-atom ini akhirnya

mempengaruhi magnetisasi.

Jadi sistem paramagnetik minimal mempunyai tiga koordinat sistem, yaitu:

induksi magnetik luar (B), Magnetisasi (M), dan temperatur sistem paramagnetik

(T). Sedangkan contoh sistem paramagnetik misalnya: Aluminum (Al), Calcium

(Ca), Magnesium (Mg), dan Chromium (Cr).

Untuk jelasnya, ditinjau sebuah kristal Mg yang memiliki banyak atom,

misalnya sebanyak m buah atom. Andaikan kristal ini dibiarkan begitu saja, maka

kristal tetap dalam kondisi netral. Jika dipandang dari segi kemagnetannya,

atom-atom Mg merupakan momen atau dipol magnetik (μi)) yang tertentu,

sehingga dipol magnetik totalnya adalah:

10

Namun, karena arah dipol magnetik berbeda-beda (berorientasi secara

acak) sedemikian rupa, sehingga magnetisasinya tidak ada atau sama dengan

nol. Atom-atom tidak terlihat mata, maka atom-atom yang bersifat magnet atau

dipol magnetik ini merupakan magnet-magnet kecil sekali yang disebut magnet

elementer. Karena arah magnet elementer berbeda-beda sedemikian rupa,

sehingga kemagnetan kristal Mg juga tidak tampak atau kemagnetannya sama

dengan nol, sehingga magnetisasinya juga sama dengan nol.

Pada hakikatnya momen magnetik atau dipol magnetik bersumber pada

elektron yang mengelilingi inti dalam kulit atau sub kulit yang tidak penuh

seluruhnya. Momen magnetik atom dinyatakan dalam satuan yang disebut

sebagai magneton Bohr, yaitu:

μB ≈ 9 x 10 – 24

A m2

Andaikan sistem paramagnetik yang berupa kristal Mg diperlakukan,

misalnya diberi medan magnet luar yang kuat dengan induksi magnetik B, maka

dipol magnetik atau magnet elementer arahnya akan terorientasi searah dengan

medan magnet luar. Dengan demikian, sistem paramagnetik memiliki suatu

besaran atau koordinat yang menyatakan kuat medan magnet luar yang disebut

induksi magnetik B.

Tanpa medan magnet luar, sepotong kristal paramagnetik tidak memiliki

apa yang dinamakan kemagnetan atau magnetisasi M, karena masing-masing

magnet elementer atau dipol magnetik berorientasi acak. Karena ada medan

magnet luar, maka magnet elementer atau dipol magnetik terorientasi searah

dengan arah medan magnet luar. Boleh dinyatakan, magnet-magnet elementer

atau dipol magnetik akan berusaha menyejajarkan (menjajarkan) diri dengan

medan magnet luar. Dengan demikian magnetisasi M merupakan koordinat

kedua sistem paramagnetik.

Koordinat ketiga sistem paramagnetik adalah temperatur (T). Mengapa

demikian ? Karena penyejajaran (penjajaran) magnet elementer atau dipol

magnetik (μi) oleh kuat medan magnet luar dengan induksi magnetik B ditentang

oleh temperatur (T). Maksudnya, karena atom-atom dalam suatu kristal

11

senantiasa bergetar, sedangkan kenaikan temperatur menyebabkan getaran

semakin hebat, maka semakin tinggi temperatur semakin acak orientasi magnet

elementer atau dipol magnetiknya, sehingga magnetisasinya (M) semakin kecil.

3. Sistem Dielektris

Dielektrik adalah sejenis bahan Isolator listrik yang dapat dikutubkan

(polarized) dengan cara menempatkan bahan dielektrik dalam medan listrik.

Ketika bahan ini berada dalam medan listrik, muatan listrik yang terkandung di

dalamnya tidak akan mengalir, sehingga tidak timbul arus seperti

bahankonduktor, tapi hanya sedikit bergeser dari posisi setimbangnya

mengakibatkan terciptanya pengutuban dielektrik. Oleh karena pengutuban

dielektrik, muatan positif bergerak menuju kutub negatif medan listrik, sedang

muatan negatif bergerak pada arah berlawanan (yaitu menuju kutub positif

medan listrik) Hal ini menimbulkan medan listrik internal (di dalam bahan

dielektrik) yang menyebabkan jumlah keseluruhan medan listrik yang melingkupi

bahan dielektrik menurun. Jika bahan dielektrik terdiri dari molekul-molekul yang

memiliki ikatan lemah, molekul-molekul ini tidak hanya menjadi terkutub, namun

juga sampai bisa tertata ulang sehingga sumbu simetrinya mengikuti arah medan

listrik.

Walaupun istilah "isolator" juga mengandung arti konduksi listriknyarendah,

seperti "dielektrik", namun istilah "dielektrik" biasanya digunakan untuk bahan-

bahan isolator yang memiliki tingkat kemampuan pengutuban tinggi yang

besarannya diwakili oleh konstanta dielektrik. Contoh umum tentang dielektrik

adalah sekat isolator di antara plat konduktor yang terdapat dalam kapasitor.

Pengutuban bahan dielektrik dengan memaparkan medan listrik padanya

mengubah muatan listrik pada kutub-kutub kapasitor

4. Sistem Dawai Teregang

Semua bahan berubah bentuk karena pengaruh gaya. Ada bahan yang

kembali ke bentuk aslinya bila gaya yang mempengaruhi dihilangkan, bahan

yang seperti ini disebut bahan yang lenting sempurna. Ada pula bahan yang

tetap berubah bentuknya walaupun gaya yang mempengaruhi dihilangkan,

12

bahan yang seperti ini disebut bahan tidak lenting sempurna. Namun tidak boleh

ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan.

Jika ada gaya yang melebihi kekuatan maksimum bahan, maka bahan

akan putus, patah, atau retak. Batas ini disebut sebagai batas kelentingan

bahan. Sifat-sifat kelentingan bahan dijelaskan dengan dua pengertian dasar,

yaitu: stres dan strain.

Gambar a melukiskan sebuah batang baja A yang ditarik oleh dua gaya

yang sama, ke kanan dan kekiri, yaitu: F. Karena kuatnya gaya tarik tersebut,

maka batang baja akan mengecil dan berubah bentuknya menjadi batang B.

Perubahan bentuk ini tetap, walaupun kedua gaya tarik dihilangkan.

Gambar b melukiskan sebuah batang baja A yang ditekan dengan gaya

yang berlawanan sebesar F. Akibatnya batang baja A membesar dan memendek

serta berubah bentuknya menjadi B. Perubahan bentuk ini tetap, walaupun gaya

tekan dihilangkan.

5. Sistem Selaput Tipis

Selaput tipis (Thin Layer) juga merupakan sistem termodinamis. Contoh

konkret selaput tipis antara lain:

a. bagian atas permukaan cairan dalam kesetimbangan dengan uapnya,

b. gelembung sabun atau selaput sabun yang teregang pada suatu

kerangka yang terjadi dari dua permukaan selaput sabun dengan sedikit

cairannya, dan

c. lapisan minyak di atas permukaan air.

Lapisan minyak di atas air mirip dengan membran yang teregang seperti

gambar berikut.

13

Lapisan minyak menarik garis batas antara minyak dan air ke atas dengan

gaya F yang tegak lurus garis batas serta lapisan air menarik garis batas antara

minyak dan air ke bawah dengan gaya F’yang tegak lurus garis batas. Dua gaya

ini sama harganya hanya berlawanan arah. Gaya yang bekerja tegak lurus garis

batas per satuan panjang disebut tegangan permukaan.

Keadaan selaput tipis ini diwakili oleh tiga koordinat sistem, yaitu:

a. tegangan permukaan (γ) dengan satuan N m – 1

b. luas selaput (A) dengan satuan m2, dan

c. temperatur selasput tipis (T) dengan satuan kelvin (K).

Eksperimen menunjukkan, bahwa tegangan permukaan hanya fungsi

temperatur saja. Oleh sebab itu, persamaan keadaan selaput tipis antara minyak

(eka lapis) dan air dapat ditulis sebagai berikut.

dengan a = tetapan, γ = tegangan permukaan air yang diselimuti minyak

eka lapis, γw = tegangan permukaan air bersih (murni), dan T = temperatur

lapisan tipis. Perbedaan (γ – γw) sering disebut tekanan permukaan. Selaput tipis

seperti ini dapat dimampatkan dan dapat dimuaikan; sehingga sangat menarik

jika dibahas dalam termodinamika. Selaput tipis antara minyak dan air jika

diendapkan akan mempunyai sifat optis yang menarik; sehingga jika dibahas

dalam optika fisis sangat menarik.

6. Sistem Sel Terbalikkan

Sel terbalikkan Daniell terdiri atas dua elektrode (tembaga / Cu dan seng /

Zn) yang masing-masing dibenamkan dalam elektrolit yang berbeda (larutan Cu

14

SO4 jenuh dan larutan Zn SO4 jenuh) yang dibatasi oleh dinding berpori-pori

seperti gambar berikut :

Eksperimen menunjukkan, bahwa elektrode Cu lebih positif dibanding

dengan elektrode Zn; sehingga Cu disebut kutub positif dan Zn disebut kutub

negatif. Jika sel Daniell tersebut dihubungkan dengan suatu potensiometer yang

beda potensialnya lebih rendah sedikit dengan gaya gerak listrik (ggl) sel, maka

arus listrik (pemindahan muatan positif) akan terjadi dari Cu ke Zn. Apabila hal ini

terjadi, seng melarut, seng sulfat terbentuk, tembaga diendapkan, dan tembaga

sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia berikut :

Jika pemindahan muatan positif dibalik, dalam arti dari Zn ke Cu, maka

akan terjadi: tembaga melarut, tembaga sulfat terbentuk, seng diendapkan, dan

seng sulfatnya terpakai. Perubahan ini diungkapkan dengan reaksi kimia

kebalikan dari reaksi diatas.

Eksperimen menunjukkan, bahwa reaksi berlangsung dalam arah

sebaliknya; sehingga sel Daniell disebut sel terbalikkan. Jika sel terbalikkan tidak

menghasilkan gas dan bekerja pada tekanan udara luar yang tetap, maka

variabel keadaan sistemnya hanya tiga, yaitu:

1. gaya gerak listriknya (ε) dengan satuan volt (V)

2. muatannya (Z) dengan satuan coulomb ( C), dan

3. temperaturnya (T) dengan satuan kelvin (K).

15

Sifat penting sel terbalikkan ialah perubahan kimia yang menyertai

pemindahan muatan listrik dalam satu arah terjadi dengan harga yang sama

dalam arah sebaliknya ketika jumlah muatan listrik yang sama dipindahkan

dalam arah sebaliknya. Jadi, jika Δn mol seng lenyap dan Δn mol tembaga

diendapkan, muatan sel berubah dari Zi ke Zf, dengan

Perlu diketahui, bahwa Zi = muatan awal sel, Zf = muatan akhir sel, j =

valensi seng atau tembaga (dalam hal ini valensi seng = valensi tembaga = 2),

dan NF = tetapan Faraday = 96 500 C.

Namun eksperimen juga menunjukkan, bahwa ggl sel terbalikkan hanya

fungsi temperatur saja. Dengan demikian, persamaan keadaan sistem sel

terbalikkan adalah:

dengan ε = ggl sembarang temperatur, ε20 = ggl pada temperatur 200C, t =

temperatur dalam celcius, serta α, β, dan γ adalah tetapan yang bergantung

pada bahan.

C. Koefisien Muai dan Komprestabilitasnya

Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh

perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena menerima

kalor. Pemuaian terjadi pada 3 zat yaitu pemuaian pada zat padat, pada zat cair,

dan pada zat gas. Pemuaian pada zat padat ada 3 jenis yaitu pemuaian panjang

(untuk satu demensi), pemuaian luas (dua dimensi) dan pemuaian volume (untuk

tiga dimensi). Sedangkan pada zat cair dan zat gas hanya terjadi pemuaian

volume saja, khusus pada zat gas biasanya diambil nilai koefisien muai

volumenya sama dengan 1/273.

a) Pemuaian Zat Padat

Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat padat

disebut muschen broek.

16

Dalam eksperimen yang dilakukan menunjukkan bahwa hampir semua benda

padat apabila dipanaskan mengalami perubahan panjang, luas dan volume.

a) Muai panjang

Muai panjang adalah bertambahnya ukuran panjang suatu benda

karena menerima kalor. Pada pemuaian panjang nilai lebar dan tebal sangat

kecil dibandingkan dengan nilai panjang benda tersebut. Sehingga lebar dan

tebal dianggap tidak ada. Contoh benda yang hanya mengalami pemuaian

panjang saja adalah kawat kecil yang panjang sekali.

Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh beberapa faktor yaitu

panjang awal benda, koefisien muai panjang dan besar perubahan suhu.

Koefisien muai panjang suatu benda sendiri dipengaruhi oleh jenis benda

atau jenis bahan. Berikut beberapa koefisien muai panjang benda padat.

Koefisien muai panjang berbagai jenis zat padat

No. Jenis zat Koefisin muai panjang ( /°C )

1. Aluminium 0,000024/°C

2. Perunggu 0,000019/°C

3. Baja 0,000011/°C

4. Tembaga 0,000017/°C

5. Kaca 0,000009/°C

17

6. Pirek 0,000003/°C

7. Berlian 0,000001/°C

8. Grafit 0,000008/°C

Secara matematis persamaan yang digunakan untuk menentukan

pertambahan panjang benda setelah dipanaskan pada suhu tertentu

adalah

L = Lo { 1 + α ( t2 – t1 ) }

Keterangan : L = panjang setelah pemanasan atau pendinginan (m)

atau (cm)

Lo = panjang awal (m) atau (cm)

α = koefisien muai panjang (/°C)

t1 = suhu mula-mula (°C)

t2 = suhu akhir (°C)

Contoh Soal:

1. Panjang sebatang alumunium pada suhu 0° C adalah 100 cm. Berapa panjang

pada suhu 100° C, bila angka koefisien muai panjangnya 0,000024/° C ?

Pembahasan :

Diketahui :

L0= 100 cm

t1 = 0°C

t2 = 100°C

α = 0,000024/°C

Ditanya : L ?

Jawab :

L = Lo { 1 + α ( t2 – t1 ) }

L = 100 { 1 + 0,000024 (100 - 0)

=100{ 1 + 0,000024 x 100}

= 100 {1,0024)

= 100,24

Jadi, panjang sebatang alumunium = 100,24 cm

2. Pada suhu 25°C panjang suatu bantang adalah 8 meter. Jika suhu dinaikkan

menjadi 3 kali suhu semula dan koefisien muai panjang batang adalah 14 x 10-6

/oC, maka panjang batang tersebut akan menjadi .... A. 8,0024 m D. 8,0058 m B.

8,0042 m E. 8,0064 m C. 8,0056 m

18

b) Muai luas

Muai luas adalah pertambahan ukuran luas suatu benda karena

menerima kalor. Pemuaian luas terjadi pada benda yang mempunyai ukuran

panjang dan lebar, sedangkan tebalnya sangat kecil dan dianggap tidak ada.

Contoh benda yang mempunyai pemuaian luas adalah lempeng besi yang

lebar sekali dan tipis. Seperti halnya pada pemuian luas faktor yang

mempengaruhi pemuaian luas adalah luas awal, koefisien muai luas, dan

perubahan suhu. Karena sebenarnya pemuaian luas itu merupakan pemuian

panjang yang ditinjau dari dua dimensi maka koefisien muai luas besarnya

sama dengan 2 kali koefisien muai panjang. Untuk menentukan

pertambahan luas dan volume akhir digunakan persamaan sebagai berikut :

A = Ao { 1 + β ( t2 – t1 ) }

Keterangan : A = luas setelah pemanasan atau pendinginan (m2) atau (cm2)

Ao = luas awal (m²) atau (cm²)

β = koefisien muai luas (/°C)

t1 = suhu mula-mula (°C)

t2 = suhu akhir (°C)

Catatan : β = 2α

Pembahasan :

Dik : To = 25 oC; lo = 8 m, T = 3(25 oC) = 75 oC; ΔT = 50 oC.

Berdasarkan rumus pemuaian :

⇒ Δl = lo α ΔT

⇒ Δl = 8.(14 x 10-6) (50)

⇒ Δl = 56 x 10-4

⇒ Δl = 0,0056 m

Maka panjang batang menjadi : ⇒ l = lo + Δl

⇒ l = 8 + 0,0056 ⇒ l = 8,0056 m.

19

Contoh Soal :

Suatu plat aluminium berbentuk persegi dengan panjang sisi 20 cm pada

suhu 25°C. Koefisien muai panjang aluminium 0,000024/°C. Tentukan

pertambahan luas plat tersebut jika dipanasi hingga suhu 125°C !

Pembahasan:

Diketahui :

A0= 20 x 20 =400 cm²

t1 = 25°C

t2 = 125°C

β = 2 α =2 x 0,000024/°C

= 0,000048

Ditanya : A ?

Jawab :

A = Ao { 1 + β ( t2 – t1 ) }

A = 400 { 1 + 0,000048 (125 - 25)

= 400{ 1 + 0,000048 x 100}

= 400 {1,0048)

= 101,92

Jadi, luas plat alumunium = 101,92 cm

c) Muai volume

Muai volume dalah pertambahan ukuran volume suatu benda karena

menerima kalor. Pemuaian volume terjadi benda yang mempunyai ukuran

panjang, lebar dan tebal. Contoh benda yang mempunyai pemuaian volume

adalah kubus, air dan udara. Volume merupakan bentuk lain dari panjang

dalam 3 dimensi karena itu untuk menentukan koefisien muai volume sama

dengan 3 kali koefisien muai panjang.

Persamaan yang digunakan untuk menentukan pertambahan volume

dan volume akhir suatu benda tidak jauh beda pada perumusan sebelum.

Hanya saja beda pada lambangnya saja. Perumusannya adalah

V = Vo { 1 + γ ( t2 – t1 ) }

20

Keterangan : V = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m3) atau

(cm3)

Vo = volume awal (m3) atau (cm3)

γ = koefisien muai volume (/°C)

t1 = suhu mula-mula (°C)

Catatan : γ = 3α

Contoh Soal :

Sebuah bola tembaga pada suhu 15°C volumenya 1 m³. Berapakah volume

tembaga itu pada suhu 100°C ? Koefisien muai ruang tembaga = 0,000017 /°C.

Pembahasan:

Diketahui :

V0= 1 m³

t1 = 15°C

t2 = 100°C

γ = 3α = 3 x

0,000017

=

0,000051 /°C

Ditanya : V?

Jawab :

V = Vo { 1 + γ ( t2 – t1 ) }

V = 1 { 1 + 0,000051 (100 - 15)

= 1 { 1 + 0,000051 x 85 }

= 1 {1,004335)

= 1, 004335

Jadi, ruang tembaga setelah memuai = 1, 004335 m³

2) Pemuaian Zat Cair

Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian zat cair disebut labu

didih. Sifat utama zat cair adalah menyesuaikan dengan bentuk wadahnya. Oleh

karena itu zat cair hanya memiliki muai volume saja. Secara matematis rumus

pemuaian zat cair sebagai berikut

V2 = V1( 1 + γ x Δt)

Keterangan : V2 = volume setelah pemanasan atau pendinginan (m³) atau (cm³)

V1 = volume awal (m³) atau (cm³)

γ = koefisien muai volume ( /°C)

t1 = suhu mula-mula (°C)

21

t2 = suhu akhir (°C)

Δt = t2 - t1

Berikut beberapa koefisien muai volume zat cair.

Koefisien muai volume zat cair

No. Jenis zat Koefisin muai volume ( /°C )

1. Air raksa 0,00018/°C

2. Aseton 0,00150/°C

3. Air 0,00021/°C

4. Bensin 0,00095/°C

Contoh soal :

1. Roni memanasi air sebanyak 10 liter dari suhu 10°C menjadi 60°C. Jika

koefisien muai ruang air 0,00021/°C, hitung volume air setelah dipanaskan !

3) Pemuaian Zat Gas

Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian gas disebut dilatometer.

Salah satu perbedaan antara zat gas dengan zat padat dan cair adalah volume

zat gas dapat diubah-ubah dengan mudah. Misal, sebuah tabung gas elpiji. Di

dalam tabung gas tentu akan mengadakan tekanan pada dinding tabung.

Tekanan ini disebabkan oleh gerakan partikel gas. Gas akan mengalami

Pembahasan :

Diketahui :

V1= 10 liter

t1 = 10°C

t2 = 60°C

Δt = t2 - t1 = 60 - 50 =

10

γ = 0,00021/°C

Ditanya : V2?

Jawab :

V2 = V1( 1 + γ x Δt)

= 10 ( 1 + 0,00021 x 50 )

= 10 ( 1 + 0,0045 )

= 10 x 1,045

= 10, 45

Jadi, volume air setelah dipanaskan = 10,45 liter

22

pemuaian apabila dipanaskan. Peristiwa pemuaian pada zat gas mudah

diamati daripada pemuaian pada zat padat. Pemuaian pada zat gas

ditunjukkan oleh gelembung-gelembung udara yang keluar dari dalam pipa

kapiler yang ada pada labu didih. Gas juga megalamai pemuaian layaknya pada

pemuaian zat cair dan zat padat. Khusus untuk pemuaian zat ini agak berbeda

dengan pemuaian zat padat dan pemuaian zat cair. Ada satu variabel yang

sangat menentukan pemuaia zat gas yaitu tekanan. Sobat muengkin pernah

melihat balon yang kepanasan tiba-tiba meletus, itu salah satu contoh sederhana

pemuaian gas. Tiga hal yang perlu diperhatikan pada zat gas adalah

volume, tekanan dan suhu.

a. Untuk volume terhadap perubahan suhu pada tekanan tetap

V = Vo { 1 + γp ( t2 – t1 ) }

Keterangan : V = volume gas pada suhu t ( m³ )

Vo = volume gas mula-mula ( m³ )

Γp = koefisien muai gas pada tekanan tetap ( /°C)

t1 = suhu mula-mula ( °C )

t2 = suhu akhir ( °C )

b. Tekanan terhadap perubahan suhu pada volume tetap

P = Po { 1 + γv ( t2 – t1 ) }

Keterangan : P = tekanan gas pada suhu t ( m³ )

Po = tekanan gas mula-mula ( m³ )

γv = koefisien muai gas pada volume tetap ( /°C)

t1 = suhu mula-mula ( °C )

t2 = suhu akhir ( °C )

c. Muai volume gas

V = Vo ( 1 + t/273 )

Dari hasil eksperimen yang dilakukan ternyata koefisien muai untuk semua jenis

gas adalah sama yaitu 1/273 /K atau 0,00367 /K.

23

Hukum yang menjelaskan tentang pemuaian zat gas

a. Hukum Gay Lussac

PV = nRT

P = tekanan (atm)

V = volume (L)

n = mol zat

R = 0,0082

T = suhu (0K), x0C = (x + 273)0K

Hukum Gay Lussac menyatakan bahwa pada tekanan tetap volume gas

sebanding dengan suhu gas mutlak tersebut sehingga

V/T = nR/T = tetap

karena perbandingan volume dan suhu tetap, maka perbandingan volume

dan suhu sebelum dan sesudah pemuaian juga akan tetap. Sehingga

persamaannya menjadi

Vo/T1 = V1/T2

Pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar). Dengan T = suhu dalam

satuan kelvin.

b. Hukum Boyle

Hukum boyle menyatakan bahwa pada batas-bats tertentu suhu rendah

yangp, berlaku bbahwa hasil perkaian antara tekanan dan volume selalu tetap.

Secara matematis rumusnya :

PV = nR = tetap

karena perkalian tekanan dan volume selalu tetap, maka perkalian volume dan

volume sebelum dan sesudah pemuaian juga tetap. jadi persamaan rumusnya

P1.V1 =P2.V2 –> pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal)

c. Hukum Boyle-Gay Lussac

Sesuai namanya hukum ini merupakan perpaduan antara hukum boyle

dengan hukum lussac. Hukum ini menyatakan bahwa dalam pemuaian zat gas

perkalian volume dengan tekanan dibagi suhu selalu tetap.

24

P1.V.1 P2.V2

——– = ———=tetap

T1 T2

Contoh soal pemuaian gas :

1) Pada tekanan tetap, sebuah gas memiliki volume 200 cm3 pada suhu 27, pada

sushu 127 berapakah volume gas tersebut?

Pembahasan

Kita bisa menggunakan rumus hukum boyle

Vo/T1 = V1/T2

200/(27+273) = V1/(127+273)

200/300 = V1/400

V1 = 2/3 x 400

= 266, 67 cm3

25

Contoh Pemuaian :

Jenis

Pemuaian Zat

Contoh

Pemuaian Zat

Pemuaian

Zat padat

1. Rel Kereta Api yang bengkok karena panas

2. Kabel listrik/telepon yang lebih kendur ketika siang

hari

3. Bimetal pada alat-alat listrik seperti pada setrika

yang akan mati sendiri ketika sudah terlalu panas.

4. Pemuaian pada kaca rumah.

5. Mengeling Pelat Logam Umumnya dilakukan

pada pembuatan container dan badan kapal besar.

6. Pemasangan Ban Baja pada Roda Lokomotif

Dilakukan dengan cara memanaskan ban baja

hingga memuai kemudian dipasangkan pada

poros roda,setelah dingin akan menyusut dan

mengikat

kuat.

Pemuaian

Zat Cair

1. Termometer Memanfaatkan pemuaian zat cair

(raksa atau alkohol) pada tabung thermometer.

2. Air dalam panci akan meluap ketika

dipanaskan. (selain dipengaruhi oleh konveksi kalor

peristiwa ini juga dipengaruhi oleh pemuaian air)

Pemuaian

(zat) Gas

1. Balon yang meletus terkena panas.

2. Roda kendaraan yang meletus terkena panas

26

4) Kompresibilitas

Komprestabilitas adalah penyimpangan gas ideal . Faktor komprestabilitas

adalah rasio molar volume gas terhadap volume gas ideal pada tekanan dan

temperatur sama. Faktor kompresibilitas merupakan salah satu properti

termodinamika yang berguna untuk memodifikasi hukum gas ideal untuk melihat

perilaku gas nyata.Secara umum, penyimpangan dari keadaann ideal menjadi

semakin besar ketika gas semakin mendekati perubahan fasa, suhu yang semakin

rendah atau tekanan makin tinggi. Faktor kompresibilitas biasanya didapatkan dari

perhitungan persamaan keadaan (EOS), seperti persamaan virial yang

membutuhkan konstanta empiris spesifik senyawa untuk menghitungnya. Untuk gas

yang merupakan campuran 2 gas murni atau lebih, komposisi gas harus diketahui

sebelum kompresibilitasnya dapat dihitung.

Faktor kompresibilitas didefinisikan sebagai

dengan adalah volume molar, adalah volume molar

gas ideal

adalah tekanan, adalah temperatur, dan adalah konstanta gas. Untuk

aplikasi teknik, biasanya dituliskan sebagai

Dengan adalah densitas gas dan adalah konstanta gas

spesifik,

adalah massa molar.

Untuk gas ideal, faktor kompresibilitas adalah .

27

Contoh Soal

1. Hitunglah nilai penyimpangan dari kompresibilitas darisuatu gas apabilasuatu gas dengan volume 1 dm dengan tekanan 1 atm/bar ?

Jawab : Diketahui :

P= 1 atm V= 1 dm3= 1 liter

T= 60 oC= 60+273= 330 K

R= 0,813

Jawab :

Z =

=

=

= 0,0034

= 3,4 10-3

D. Proses Proses Kuasistatik

Proses kuasi-statik adalah proses dalam keadaan ideal dengan hanya

mengubah sedikit saja gaya eksternal yang beraksi pada sistem sehingga gaya

takberimbangnya sangat kecil. Proses kuasi-statik merupakan suatu pengidealan

yang dapat diterapkan untuk segala sistem termodinamika, termasuk sistem

listrik dan magnetik.

E. Diagram Termodinamika

Diagram p-v-T dan Diagram p-T , p-v ,T-v

Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor

utama yang mempengaruhi sifat kimia fisika suatu materi yaitu tekanan (p),

volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berperan penting untuk

menentukan wujud atau fasa suatu materi. Secara umum, kita mengetahui

terdapat tiga jenis fasa materi, yaitu padat, cair, gas. Namun, dalam kajian

termodinamika fasa materi tidak hanya itu, masih ada beberapa jenis fasa

28

lainnya bergantung pada kondisi. Pada kondisi tertentu, dapat dimungkinkan

muncul lebih dari satu jenis fasa yang berbeda sekaligus. Hubungan kondisi

tersebut dapat dipelajari lebih mudah melalui suatu penggambaran diagram yang

mencakup tekanan (p), volum (V) dan suhu (T). Ketiga faktor tersebut berpadu

membentuk sebuah diagram tiga dimensi (3D) yang sering disebut diagram p-v-T

yang ditunjukkan pada gambar 1 . Diagram tersebut dibentuk dengan

meletakkan masing-masing faktor (p-v-T) pada sumbu koordinat kartesius (x,y,z).

Hasil visualisasi tersebut diperoleh dari serangkaian percobaan atau eksperimen

para ahli. Dari hasil percobaan tersebut diperoleh suatu hubungan-hubungan

kuantitatif yang kemudian dapat ditafsirkan secara kualitatif.

F. Gambar 1. diagram p-v-T

Pada gambar di atas terlihat ada daerah-daerah di mana zat tersebut

memiliki satu fase (single phase), dua fase (two phase) dan ketiga wujud zat

berada dalam kesetimbangan. Daerah single-phase adalah daerah di mana

hanya terdapat satu fase yaitu : solid (padat), liquid (cair), dan vapor (uap). Pada

daerah tersebut dipengaruhi oleh dua kombinasi faktor, yakni tekanan,

temperature atau volume spesifik dan pada kondisi ini ketiganya independent .

Sementara daerah di antara satu fasa atau fasa tunggal adalah daerah dua fasa.

Daerah dua fasa (two phase) adalah daerah di mana terdapat kesetimbangan

29

antara dua fasa : cair-uap, cair-padat, dan padat-uap. Daerah dua fasa muncul

karena adanya perubahan fasa seperti : penguapan (cair ke uap), peleburan

(padat ke cair) dan penyubliman (padat-gas). Pada daerah dua fasa tekanan dan

temperature saling bergantung (dependent) artinya salah satu tidak akan

berubah jika yang lainya tidak berubah. Oleh karena itu, bentuk fasa tidak hanya

ditentukan oleh temperature dan tekanan saja, melainkan ditentukan juga oleh

volume spesifik. Garis di mana terdapat kesetimbangan tiga fasa disebut triple

line.

Seringkali sulit untuk memahami diagram p-v-T secara langsung yang

merupakan penggambaran secara tiga dimensi. Oleh karena itu, untuk

memudahkan pembacaan diagram tersebut maka diagram tersebut dikonversi

menjadi diagram dua dimensi (2D) melalui proyeksi pada bidang. Proyeksinya

tersebut menghasilkan diagram p-T, diagram p-v dan diagram T- v. Simulasi

proses konversi tersebut dijelaskan oleh gambar 2.

G. Gambar 2. Proyeksi p-v-T pada permukaan p-T dan p-v

Dari gambar di atas dapat diketahui bahwa ketika gambar permukaan p-v-

T diproyeksikan pada bidang tekanan-suhu maka akan didapat diagram p-

T (gambar 4). Sementara proyeksi gambar permukaan p-v-T pada bidang

tekanan-volum spesifik menghasilkan diagram p-T (gambar 3). Dan proyeksi

gambar permukaan p-v-T pada bidang suhu-volume spesifik menghasilkan

30

diagram T-v. Selain itu, akibat dari proyeksi ini adalah reduksi cakupan operasi

kondisi fasa yakni daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerah

cairan-uap menjadi garis penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garis

sublimasi. Garis tripel diproyeksikan menjadi titik tripel.

Untuk pemahanan lebih lanjut mengenai diagram diagram p-T dan

diagram p-T maka akan dijelaskan beberapa keadaan tambahan yang terbentuk

pada kondisi tertentu. Keadaan jenuh (saturation state) adalah keadaan di mana

perubahan fasa dimulai dan berakhir. Kurva uap (vapor dome) adalah kurva

yang terdiri atas dua fase cair dan uap. Garis yang membatasi kurva uap

tersebut disebut garis cairan jenuh (saturated liquid lines) dan garis uap jenuh

(saturated vapor lines). Titik di mana garis jenuh cairan dan uap bertemu di sebut

titik kritis (critical point).Titik kritis tersebut juga adalah titik di mana gas di atas

tekanan dan temperatur kritis tidak dapat dicairkan hanya dengan mengecilkan

volumenya. Suhu pada terjadinya titik kitis disebut Temperature kritis (Tc) yang

menunjukkan batas maksimum agar kesetimbangan fasa cairan dan uap

terbentuk. Sementara tekanan pada suhu kritis disebut tekanan kritis (pc).

Sedangkan volume spesifik pada kondisi tersebut disebut volume spesifik kritis.

Diagram p-v

Proyeksi diagram tiga dimensi p-v-T ke dalam diagram p-v diperlihatkan

pada gambar 4. Pada diagram tersebut tampak garis-garis isotermal (suhu

tetap). Pada grafik di bawah, dapat dilihat bahwa pada suhu di bawah titik kritis,

maka tekanan akan konstan ketika melalui daerah dua fasa cair-uap, tetapi pada

daerah satu fasa ( cair atau gas) maka tekanan akan turun pada temperature

tetap dan volume spesifik naik (kurva ditunjukkan tanda panah merah).

Sedangkan saat temperature sama atau lebih dari temperature kritis (Tc), maka

tekanan akan menurun secara terus menerus pada temperature tetap dan

volume spesifik meningkat (kurva ditunjukkan oleh tanda panah biru). Hal ini

terjadi karena kurva tersebut tidak memotong pada daerah dua fasa cair-uap.

H. I. Gambar 3. Diagram p-v

31

Diagram p-T

Ketika gambar permukaan p-v-T diproyeksikan pada diagram p-T (gambar

4), daerah padatan-cairan menjadi garis peleburan, daerah cairan-uap menjadi

garis penguapan dan daerah padatan-uap menjadi garis sublimasi. Garis tripel

diproyeksikan menjadi titik tripel.

Diagram p-T adalah jalan untuk menunjukkan suatu fase zat karena pada

diagram tersebut , tiga fase dari zat dipisahkan secara jelas melalui garis, yaitu

garis peleburan ( kesetimbangan fase padat dan cair), garis penguapan (

kesetimbangan fase cair dan uap), garis penyubliman (kesetimbangan fsae

padat dan uap). Ketiga garis tersebut bertemu di titik tripel. Titik tripel adalah

ketika suatu zat berada pada kesetimbangan fase padat, cair dan uap.

Gambar di bawah juga memperjelas bidang cair dari 2 jenis zat, yakni:

Bidang a – b – d merupakan bidang cair dari zat yang memuai saat beku.

Artinya, semua kombinasi Tekanan dan Suhu dari zat yang berada di bidang ini

berada pada keadaan cair.

Bidang c – b – d merupakan bidang cair dari zat yang menyusut saat beku.

Gambar tersebut juga menerangkan proses perubahan wujud zat dari beku

menjadi uap melalui dua mekanisme. Pada proses yang ditandai dengan panah

merah, mula-mula zat dari keadaan beku (fasa padat) berubah menjadi cair

(pencairan) kemudian berubah menjadi uap (penguapan). Sementara pada

proses yang ditandai dengan panah biru, perubahan dari bentuk beku (padat)

menjadi uap terjadi tanpa melalui proses pelelehan (mencair). Proses ini disebut

dengan menyublim. Dan proses tersebut hanya dapat terjadi pada tekanan dan

suhu dibawah tekanan dan suhu triple point.

Diagram T-v

Ketika permukaan diagram p-v-T diproyeksikan pada bidang temperature-

volume spesifik maka akan menghasilkan diagram T-v. Gambar di atas

merupakan sketsa dari diagram T-v dari air pada fase cair, dua fasa cair-uap dan

32

uap. Untuk kondisi tekanan dibawah tekanan kritis (kurva ditunjukkan oleh panah

merah), sepert 10 MPa, maka tekanan akan konstan ketika melintasi daerah

dua fasa. Sementara pada daerah satu fasa ( cair atau uap ) maka tekanan

akan meningkat seiring kenaikan suhu maupun volume spesifik. Sedangakan

pada kondisi tekanan sama dengan atau lebih dari tekanan kritis (kurva

ditunjukkan oleh panah biru), seperti 30 MPa, maka tekanan akan secara

kontinu/terus menerus meningkat seiring kenaikan suhu maupun volume

spesifik. Hal ini disebabkan pada tekana sebesar itu, kurva tersebut tidak melalui

daerah dua fasa.

Gambar 5. Diagram T-v dari air

J. Interaksi Sistem Dengan Lingkungan

Sistem. Adalah sesuatu yang menjadi pusat perhatian kita, Sistem

termodinamika adalah suatu sistem yang keadaannya didiskripsikan oleh

besaran-besaran termodinamika. Segala sesuatu di luar sistem (yang dapat

mempengaruhi keadaan sistem) disebut lingkungan. Suatu permukaan yang

membatasi sistem dengan lingkungannya di sebut permukaan batas, yang dapat

berupa permukaan nyata (real surface) atau berupa khayal (imaginary surface).

Permukaan batas dapat tetap atau berubah bentuknya.

Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi

tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka. Sistem

terisolasi adalah suatu sistem yang keadaannya tidak dapat dipengaruhi oleh

lingkungannya. Sistem tertutup adalah suatu sistem yang tidak terjadi

perpindahan materi dari sistem ke lingkungannya atau sebaliknya, tetapi dapat

33

terjadi pertukaran (interaksi) energi antara sistem dengan lingkungannya. Sistem

terbuka adalah suatu sistem yang dapat terjadi perpindahan materi dan/atau

energi antara sistem dan lingkungannya.

Sistem A (Gambar 9.1a) adalah suatu sistem yang dilingkupi dengan

dinding yang berupa isolator panas (dinding adiabat) sehingga tidak terjadi

interaksi materi dan energi antara sistem A dan lingkungannya, sehingga

keadaan sistem A tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungan. Sistem A merupakan

sistem terisolasi.

Sistem B (Gambar 9.1b) merupakan suatu sistem yang dilingkupi dinding

yang berupa konduktor panas ( dinding diaterm) sehingga dapat terjadi interaksi

antara sistem B dengan lingkungannya meskipun disini tak terjadi perpindahan

materi. Sistem B disebut sistem tertutup.

Sistem C dan sistem D pada Gambar 9.1c adalah sistem-sistem yang

terbuka, di mana dapat terjadi perpindahan materi dari sistem C ke sistem D atau

sebaliknya. Sistem C dilingkupi oleh dinding adiabatik sehingga hanya dapat

berinteraksi dengan sistem D saja, sedangkan sistem D dilingkupi dengan

dinding diaterm sehingga dapat berinteraksi dengan sistem C dan dengan

lingkungannya.

Besaran-besaran makroskopis yang dapat diukur pada sistem mencirikan

keadaan sistem. Besaran makroskopis sistem menunjukkan sifat (properties)

sistem. Besaran makroskopis sistem disebut juga koordinat termodinamika

sistem. Koordinat termodinamika sistem cukup dinyatakan oleh tiga variabel dan

34

baisanya salah salah satunya adalah temperature. Temperatur secara umum

diberi simbol dan khusus untuk temperatur Kelvin diberi simbol T.

K. Hukum I Termodinamika

Hukum I termodinamika merupakan salah satu dari hukum fisika yang

berhubungan dengan kekekalan. Di dalam fisika kita mengenal bermacam –

macam hukum kekekalan seperti hukum kekekalan energi, hukum kekekalan

massa,hukum kekekalan momentum dll.

a) Pengertian Termodinamika

Sebelum membahas hukum–hukum Termodinamika terlebih dahulu

kita harus tahu apa itu termodinamika. Termodinamika merupakan ilmu yang

mempelajari hubungan antara usaha dan kalor. Di dalam termodinamika kita

mengenal adanya sistem dan lingkungan. Dalam termodinamika sistem

diarttikan sebagai kumpulan dari benda – benda atau objek yang diteliti atau

menjadi pusat perhatian kita sedangkan lingkungan diartikan sebagai benda

atau objek yang berada di luar sistem. Batas ialah perantara antara siitem

dan lingkungan. Daerah tempat Sistem dan lingkungan berada disebut

semesta.

b) Hukum I Termodinamika

Seperti yang telah disebutkan di atas, Hukum – hukum Termodinamika

membahas tentang kekekalan energi antara sistem dan lingkungan. Hukum I

termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu sistem adalah

sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan

usaha yang dilakukan oleh sistem”. Energi dalam sistem adalah jumlah total

semua energi molekul yang ada di dalam sistem. Apabila sistem melakukan

usaha atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam

sistem akan naik. Sebaliknya energi dalam sistem akan berkurang jika sistem

melakukan usaha terhadap lingkungan atau sistem memberi kalor pada

lingkungan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa perubahan energi

dalam pada sistem tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan

usaha yang dilakukan sistem.

35

c) Rumus Hukum I Termodinamika

Dari bunyi hukum I Termodinamika, maka rumus hukum I

Termodinamika dapat dituliskan sebagai berikut :

Q = ∆U + W atau ∆U = Q – W atau

Dimana :

∆U : Perubahan energi dalam sistem (J)

Q : Kalor yang diterima/dilepas sistem (J)

W : Usaha (J)

d) Perjanjian pada hukum I Termodinamika

Rumus hukum I Termodinamika digunakan dengan perjanjian sebagai

berikut :

1. Usaha (W) bernilai positif (+) jika sistem melakukan usaha

2. Usaha (W) bernilai negatif (-) jika sistem menerima usaha

3. Q bernilai negatif (-) jika sistem melepas kalor

4. Q bernilai positif (+) jika sistem menerima kalor

e) Contoh Soal dan Pembahasannya

1. Kalor sebanyak 3000 Joule ditambahkan pada sistem dan sistem

melakukan usaha 2500 Joule pada lingkungan. Perubahan energi

dalam sistem adalah…

Pembahasan

Diketahui :

Kalor (Q) = +3000 Joule

Usaha (W) = +2500 Joule

Ditanya : perubahan energi dalam sistem?

Jawab :

Hukum I Termodinamika :

Aturan tanda :

Q positif jika kalor ditambahkan pada sistem

36

W positif jika sistem melakukan usaha pada lingkungan

Q negatif jika kalor dilepaskan sistem

W negatif jika lingkungan melakukan usaha pada sistem

Perubahan energi dalam sistem :

Energi dalam sistem bertambah 500 Joule.

L. Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah sistem yang tidak melakukan pertukaran panas

dengan lingkungannya. Ini berarti ketika sistem melakukan usaha - apakah

gerakan atau kerja mekanik - itu idealnya tidak menjadikan lingkungan sekitarnya

hangat atau dingin. Untuk sistem yang melibatkan gas, proses adiabatik

biasanya membutuhkan perubahan tekanan untuk menggeser suhu tanpa

mempengaruhi lingkungan sekitarnya. Dalam atmosfer bumi, massa udara akan

menjalani ekspansi adiabatik dan mendingin, atau mereka akan mengalami

kompresi adiabatik, dan memanas. Insinyur telah merancang berbagai mesin

dengan proses yang setidaknya sebagian adiabatik.

Sebuah proses adiabatik adalah proses termodinamika sistem tidak

mendapatkan atau kehilangan panas ke lingkungan sekitarnya. Sebuah proses

termodinamika dapat dipahami sebagai pengukuran perubahan energi dalam

sebuah sistem, yang diambil dari keadaan awal ke keadaan akhir. Dalam aplikasi

termodinamika, sistem mungkin setiap ruang yang jelas dengan satu set properti

seragam, apakah planet, massa udara, mesin diesel, atau alam semesta.

Sementara sistem memiliki banyak sifat termodinamika, yang penting di sini

adalah perubahan suhu, diukur penambahan atau penurunan panas. Sebuah

perubahan energi internal sistem akan terjadi setiap kali sistem yang melakukan

usaha, seperti ketika sebuah mesin pembakaran internal yang disebabkan oleh

pergerakan bagian-bagiannya. Dalam proses adiabatik dengan melibatkan gas

atmosfer, seperti udara, kompresi gas dalam sistem menyebabkan gas untuk

37

melakukan pemanasan, sementara perluasan mendinginkan itu. Beberapa mesin

uap telah mengambil keuntungan dari proses ini untuk meningkatkan tekanan

dan dengan demikian suhu, dan dianggap mesin adiabatik. Para ilmuwan

mengklasifikasikan proses adiabatik – dari mesin ke sistem cuaca – adalah

menurut apakah mereka reversibel atau tidak suhu aslinya.

Dalam proses adiabatik, perubahan suhu akan terjadi hanya karena

usaha yang melakukan, tapi bukan karena kehilangan panas terhadap

lingkungannya. Meningkatnya udara dingin tanpa kehilangan panas ke massa

udara disekitarnya. Mendingin karena tekanan atmosfer, yang memampatkan

dan memanaskan udara dekat dengan permukaan bumi, menurun sesuai

dengan ketinggian. Ketika tekanan pada gas berkurang, akan mengembang, dan

hukum termodinamika menganggap ekspansi menjadi usaha. Ketika massa

udara mengembang dan melakukan kerja, tidak kehilangan panas ke massa

udara lain yang mungkin memiliki suhu yang sangat berbeda, dan dengan

demikian mengalami proses adiabatik.

Hal ini hampir mustahil untuk sistem adiabatik sempurna untuk ada,

karena beberapa panas biasanya hilang. Ada persamaan matematika yang

digunakan para ilmuwan untuk model proses adiabatik yang mengasumsikan

sistem yang sempurna untuk kenyamanan. Ini harus disesuaikan ketika

merencanakan mesin aktual atau perangkat. Kebalikan dari proses adiabatik

adalah proses isotermal, dimana panas ditransfer di luar sistem untuk lingkungan

sekitarnya. Jika gas mengembang bebas di luar sistem dengan tekanan diatur,

itu mengalami proses isotermal.

38

Persamaan keadaan adiabatik:

Tetapan Laplace:

karena , maka persamaan diatas dapat juga ditulis:

Usaha yang dilakukan pada proses adiabatik:

Contoh soal

1. Sejumlah udara berekspansi secara adiabatik dari tekanan awal 2 atm dan

volume awal 2 liter pada temperatur 200C menjdai dua kali volume awalnya γ =

1,4. Hitunglah:

a. Tekanan akhir

b. Temperatur akhir

c. Usaha yang dilakukan oleh gas

Penyelesaian:

Diketahui:

γ = 1,4

V1 = 2 liter

V2 = 4 liter

P1 = 2 atm

T1 = 20 + 273 = 293 K

Ditanya:

a. P2 ?

b. T2 ?

c. W ?

Jawab:

39

40

BAB III

PENUTUP

A. SIMPULAN

1) Dalam termodinamika, suatu sistem termodinamik disebut berada dalam

kesetimbangan termodinamik bila sistem tersebut berada dalam keadaan

setimbang mekanis, setimbang termal dan setimbang secara kimia.

2) Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang

menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan

yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume

dan energi dalam.

3) Pemuaian adalah bertambahnya ukuran suatu benda karena pengaruh

perubahan suhu atau bertambahnya ukuran suatu benda karena

menerima kalor.

4) Proses kuasi-statik adalah proses dalam keadaan ideal dengan hanya

mengubah sedikit saja gaya eksternal yang beraksi pada sistem sehingga

gaya takberimbangnya sangat kecil.

5) Dalam mempelajari ilmu termodinamika erat kaitannya dengan tiga faktor

utama yang mempengaruhi sifat kimia fisika suatu materi yaitu tekanan

(p), volum (V) dan suhu (T).

6) Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan menjadi

tiga macam, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup, dan sistem terbuka.

7) Hukum I termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu

sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut

ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem”.

8) Proses adiabatik adalah sistem yang tidak melakukan pertukaran panas

dengan lingkungannya.

41

B. SARAN

Makalah ini masih belum sempurna dan masih banyak kekurangan yang

ada di makalah ini, oleh karena itu kami berharap kepada para penulis-penulis

yang lain agar memberikan yang lebih baik lagi untuk penulisan penulisan yang

selanjutnya demi kemajuan bangsa dan negara. Kritik dan saran yang bersifat

membangun selalu kami harapkan demi perbaikan dan kesempurnaan

rangkuman kami. Apabila ada kesalahan kami meminta maaf dan terima kasih.

42

DAFTAR PUSTAKA

HAMID, AHMAD ABU.2007.DIKTAT PERKULIAHAN TERMODINAMIKA.KALOR DAN

TERMODINAMIKA.YOGYAKARTA:FMIPA UNY

https://gurumuda.net/contoh-soal-hukum-i-termodinamika.htm [8 Maret 2016 pukul

11.30 WIB]

https://djukarna.wordpress.com/2014/05/07/proses-proses-termodinamika/ [9 Maret

2016 pukul 14.00 WIB]

https://id.wikipedia.org/wiki/Kesetimbangan_termodinamik [7 Maret 2016 pukul 20.00

WIB]

https://id.m.wikipedia.org/wiki/Termodinamika #Keadaan_termodinamika [7 Maret 2016

pukul 12.00 WIB]

http://temodinamikarizkykhusnulhasanah.blogspot.co.id/2015/03/keadaan-

kesetimbangan-sistem-dan.html?m=1 [8 Maret 2016 pukul 13.25 WIB]

https://id.wikipedia.org/wiki/Persamaan_keadaan [9 Maret 2016 pukul 15.00 WIB]

thermodynamicsproject.blogspot.co.id/2015/03/sistem-dan-persamaankeadaan-sistem-

a.html [8 Maret 2016 pukul 21.00 WIB]

http://indonesiaindonesia.com/f/94967-bab-6-pemuaian-zat/ [9 Maret 2016 pukul 10.00

WIB]

http://bahanbelajarsekolah.blogspot.co.id/2015/05/contoh-soal-dan-jawaban-pemuaian-

zat.html [9 Maret 2016 pukul 20.30 WIB]

http://rumushitung.com/2013/01/24/pemuaian-zat-padat-cair-gas/ [8 Maret 2016 pukul

21.00 WIB]

http://sonyaljazary.blogspot.co.id/2013/02/diagram-p-v-t-dan-diagram-p-t-p-v-t-v.html [9

Maret 2016 pukul 21.00]