MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pengetahuan akan fisika dasar sangatlah dibutuhkan dalam

rangka membangun konsep pemahaman terhadap penggunaan fisika

dalam kehidupan sehari-hari. Mengingat fisika sebagai fondasi dari

ilmu alam, maka sudah sewajarnya bila ilmu fisika menjadi ilmu

wajib bagi para ilmuwan, peneliti dan para mahasiswa. Seiring

berjalannya waktu, ilmu fisikapun menjadi semakin kompleks.

Aspek penting dalam pembahasan energi adalah hukum

termodinamika. Termodinamika adalah cabang ilmu yang mempelajari energi

dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya. Untuk dapat memahami teori

termodinamika dengan lebih baik, diantaranya diperlukan pemahaman tentang

prinsip, sifat dan hukum termodinamika, dan penerapannya dalam kehidupan

sehari-hari.

Gas dan uap secara alami berkaitan dengan pangan dan sistem

pengolahan pangan. Diantaranya adlah penggunaan uap air (steam) sebagai

media pemanasan, dimana diperlukan pengetahuan tentang sifat-sifat gas

tersebut. Demikian juga dalam proses evaporasi atau penguapan air dari bahan

pangan akan terjadi perubahan fase dari air menjadi uap, dimana sifat-sifat

dari fase cair dan fase uap akan berbeda. Demikian juga, gas yang terlarut

dalam bahan pangan, seperti oksigen dan uap air mempengaruhi umur simpan

produk. Prinsip-prinsip sifat gas ini sangat penting diketahui dalam

perhitungan-perhitungan termodinamika.

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 1

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

B. Rumusan Masalah

Dalam makalah ini rumusan masalahnya adalah sebagai berikut:

1. Bagaimana aplikasi penggunaan termodinamika dalam kehidupan

sehari-hari?

2. Apa maksud dari masing-masing hukum termodinamika?

C. Tujuan

Penyusunan makalah yang berjudul “Termodinamika sehari-hari” ini

bertujuan sebagai berikut:

1. Menjelaskan kegunaan dan aplikasi pemakaian teori termodinamika

dalam kehidupan sehari-hari.

2. Mendeskribsikan pengertian dari masing-masing hukum

termodinamika.

D. Manfaat

Manfaat dari penyusunan makalah ini adalah sebagai berikut:

1. Mempermudah pengenalan terhadap prinsip-prinsip termodinamika

dengan menghubungkanya di kehidupan sehari-hari.

2. Memperjelas pengetahuan tentang hukum-hukum termodinamika.

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 2

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

BAB II

PEMBAHASAN

A. PENGERTIAN TERMODINAMIKA

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic =

'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan

proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana

banyak hubungan termodinamika berasal.

Termodinamika merupakan suatu cabang ilmu yang mempelajari

tentang energi. Membahas kaitan antara energi panas dan kerja yang

dihasilkan dari energi tersebut. Sebagaimana kita ketahui bahwa di alam ini

energi terdiri dari berbagai macam bentuk selain energi panas ada energi

kimia, kinetik, potensial, nuklir, listrik dan masih banyak lagi. Energi itu dapat

berubah menjadi bentuk lain yang terjadi secara alami ataupun melalui

rekayasa teknologi. Selain itu energi juga tidak dapat diciptakan dan

dimusnahkan.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran

energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi

(kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan

istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang.

Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses

kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika

bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.

B. PRINSIP-PRINSIP TERMODINAMIKA

Sebelum memecahkan masalah-masalah termodinamika, penting

untuk mengetahui istilah-istilah tertentu. Pada gambar menyajikan kotak kaca

yang tertutup rapat yang berisi sebuah bola besi padat. Kita bisa menyebut

bahwa Bagian dalam kotak sebagai “sistem” yang dipelajari. Oleh sebab itu,

sistem terdiri dari (1) udara yang berada di dalam kotak, dan (2) bola logam

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 3

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

itu sendiri. Daerah di luar sistem, atau di luar kotak dalam contoh ini, disebut

“lingkungan sekitar”.

Lingkungan sekitar

Sistem dapat dibagi menjadi tiga berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi:

1. sistem terisolasi pada sistem ini tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja

dengan lingkungan. Jika tidak ada energi dalam bentuk kalor yang dapat

masuk atau keluar dari sistem, perubahan energi secara keseluruhan dalam

sistem dan kandungan kalor adalah nol. Contoh dari sistem terisolasi adalah

wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

2. Sistem tertutup pada sistem ini terjadi pertukaran energi (panas dan kerja)

tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah

contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi

pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran

panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat

pembatasnya:

pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

3. Sistem ini terbuka sistem dan lingkungan sekitar menjadi bebas berinteraksi

dan berganti bentuk energi.

Kesetimbangan termodinamika ada jika parameter fisik dari suatu

sistem ( misalnya: suhu, volume dan tekanan) adalah konstan sepanjang

waktu. Kesetimbangan termal ada jika dua sistem berada dalam kontak termal

dan terjadi aliran kalor di antara keduanya ( temperature keduanya adalah

sama ).

Termodinamika dibagi menjadi tiga berdasarkan perubahan dalam

kandungan kalor:

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 4

sistem

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

1. Q = 0 Jika tidak terjadi perubahan atau perubahan bersih dalam perubahan

kalor.

2. Q adalah positif (+) Jika suatu sistem memperoleh energi dalam bentuk kalor,

maka kandungan kalor meningkat.

3. Q adalah negatif (-) jika suatu sistem melepaskan kalor.

Maka di dapatlah hubungan :

Q adalah positif (+) jika T akhir ¿ T awal dan negatif (-) jika T akhir ¿ T

awal.

Prinsip perubahan fase wujud suatu benda:

Benda terdiri dari 3 wujud yaitu; cair, gas, dan padat. Banyak

substansi mempunyai kemampuan berada dalam 3 status atau fase : padat,

cair, dan gas. Fase suatu substansi pada sembarang waktu (t) berkaitan

semata-mata dengan status energi pada waktu itu. Pada suatu percobaan

dilakukan suatu penelitian tentang perubahan fase yang dialami oleh air

(H₂O), saat dipanaskan. H₂O yang dipakai adalah air murni (distilasi) dan

ditempatkan disuatu ruangan bertekanan 1 atmosfer. Suatu alat pembakar

Bunsen ditempatkan dibawah es balok seberat 5 gram (H₂O padat) dengan

suhu awal -20 C (titik A pada grafik). saat kalor dialirkan pada es batu, energi⁰

kinetik acak rata-rata molekul H₂O meningkat, dan molekul H₂O bergerak

makin lama makin cepat.

Es dihangatkan hingga mencapai 0 C (titik B), titik lebur tekanan⁰

murni pada 1 atm. Walaupun suhu seluruh es batu meningkat, tidak terjadi

perubahan fase (yakni,es tidak mencair sama sekali), baru pada saat seluruh

bagian es batu mencapai titik lebur 0 C maka perubahan fase terjadi.⁰

Selanjutnya, energi yang diberikan hanya melelehkan es batu tanpa adanya

∆ T selama proses mencair. Baru setelah setiap molekul mengalami perubahan

fase (padat → cair) temperature kembali mulai meningkat.

Titik C mewakili air yang baru terbentuk pada 0 C. Panas api⁰

kemudian memanaskan air namun tidak terjadi perubahan fase air sampai

setiap bagian air yang mengalir mencapai 100 C (titik D), titik didih resmi air⁰

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 5

Q= mc∆T

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

mulai pada tekanan 1 atm. Saat kalor diserap oleh air, tingkat energi molekul

air meningkat menyebabkan terjadinya penguapan.

Grafik ini menunjukan temperatur selalu tetap konstan selama

perubahan fase. Setelah semua molekul telah berubah fase menjadi gas

barulah mulai terjadi perubahan suhu gas.

Dari data diatas dapat diketahui macam-macam perubahan fase:

1. Dari B → C adalah mencair atau melebur

2. Dari D→ E adalah penguapan

3. Dari E→ D adalah kondensasi

4. Dari C→ B adalah membeku

5. Dari B→ E atau E→ B adalah sublimasi

A B C D E F

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

PERUBAHAN FASE H₂O

waktu

Suhu

( ⁰C

)

Ahli fisika mendefenisikan kalor peleburan (Hf) suatu zat sebagai

jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah bentuk 1 gram zat dari zat

padat menjadi zat cair. Hf es adalah 80 kal/gr. Kalor penguapan (Hᵥ) adalah

jumlah kalor yang diperlukan untuk mengubah 1 gram zat cair menjadi gas. Hᵥ

air adalah 540 kal/gr. Jelasnya, diperlukan energi yang lebih banyak per gram

zat untuk menguap dari pada untuk mencair.

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 6

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

C. HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem

termodinamika, yaitu:

Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang

dengan sistem ketiga, maka ketiganya dapat saling setimbang satu dengan

lainnya. Hal ini dikarenakan kalor yang terdapat pada sistem berupa partikel

yang bervibrasi, partikel tersebut berpindah dan mengalirkan energinya ke

partikel disebelahnya. Contohnya seperti ini :

anggap terdapat tiga buah benda, A,B dan C. Kondisi awal benda sebelum

bersentuhan diasumsikan tidak sama / belum terjadi kesetimbangan. Dimana

T 1≠ T 2≠T 3. setelah ketiga benda bersentuhan, dimana terjadi kesetimbangan

antara benda A=B, maka benda C juga akan setimbang dengan benda A /B.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan

perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama

dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja

yang dilakukan terhadap sistem.

Hukum pertama ini juga menyatakan bahwa energi suatu sistem yang

terisolasi adalah konstan. Aliran kalor atau kerja (usaha) yang dialami oleh

suatu sistem dapat menyebabkan sistem tersebut memperoleh atau kehilangan

energi, tetapi secara keseluruhan energi itu tidak ada yang hilang, energi

tersebut hanya mengalami perubahan.

Berdasarkan hukum kekekalan energi tersebut, hukum I

termodinamika dirumuskan sebagai berikut:

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 7

Qlebur = mHf Qpenguapan = mHᵥ

( persamaan kalor “ antar- fase”)

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem

melakukan usaha W, maka selisih energi, Q – W, sama dengan perubahan

energi dalam ∆U dari sistem :

Perjanjian tanda untuk Q dan W (Gambar 14.7) adalah sebagai berikut :

- Jika sistem melakukan usaha, nilai W bertanda positif,

- Jika sistem menerima usaha, nilai W bertanda negatif

∆ U dan ∆ Q merupakan fungsi status; nilainya tidak tergantung dari

lintasan spesifik. Fakta penting yaitu dari mana ∆ U dan ∆ Q berasal pada

mulanya dan ada dimana sekarang. Istilah-istilah termodinamika yang umum

meliputi:

Isotermal : temperature adalah konstan, ∆ U = 0

Adiabatik : tak ada perubahan dalam kandunganm kalor, ∆ Q = 0

Isobarik : tekanan tetap konstan, ∆ P = 0

Isovolumetrik : volume tetap konstan dan dengan demikian W = 0

Dalam suatu proses isothermal, perubahan dalam kandungan kalor

sama dengan usaha yang dilakukan. Dalam suatu proses adiabatik, perubahan

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 8

∆U = U2 – U1 = Q –W atau Q = ∆U + W

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

dalam status energi internal sama dengan usaha yang dilakukan. Dalam suatu

proses isovolumetrik, perubahan dalam energi internal sama dengan usaha

yang dilakukan. Dalam suatu proses isovolumetrik perubahan dalam energi

internal sama dengan perubahan dalam kandungan kalor.

Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini

menyatakan bahwa total entropi (S)dari suatu sistem termodinamika terisolasi

cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati

nilai maksimumnya. Perubahan entropi (perubahan dalam jumlah keadaan

yang tidak teratur) disingkat dengan huruf ∆ S.

Ingat entropi dari suatu gas ¿ zat cair ¿ zat padat, atau keadaan yang

kacau dalam kehidupan sehari-hari yang tidak pernah tampak menurun.

Hukum kedua memungkinkan terjadinya hal sebagai berikut:

1. ∆ S>0, yang melukiskan proses-proses spontan dan tidak dapat kembali

(irreversible) yang terjadi di alam ( misalnya, bola yang mula-mula

diam,berrgulir menuruni lereng bukit yang curam ke arah pusat grativasi;

sekelompok semut menyebar di seluruh tempat; kalor mengalir dari sesuatu

yang lebih panas ke sesuatu yang lebih dingin). Dalam kasus-kasus ini ∆ S

adalah positif ( + ).

2. ∆ S=0, yang menyatakan bahwa keadaan yang kacau (disorder) tidak berubah

sekarang, tetapi akan berubah dengan segera. Proses-proses seperti ini dapat

kembali (reversible), sebab setiap waktu dapat menjadi spontan dan

irreversible:

(misalnya, sebuah bola yang diam pada puncak gunung yang seterusnya

tinggal diam hingga “suatu fenomena alam” seperti angin rebut atau gempa

bumi menyebabkan bola bergulir).

Hubungan yang terdapat diantara kandungan kalor (Q), entropi (S),

dan energi gas pada suatu sistem (G) : ∆ G=∆ Q−T ∆ S. Jika suatu proses

spontan ¿ terjadi dalam suatu sistem tertutup ((∆Q=0), maka energi bebas

dari sistem tersebut (∆G) pasti (-). oleh sebab itu, ∆ G adalah negatif dan ∆ S

adalah positif, jika suatu proses berlangsung secara spontan.

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 9

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut.

Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol

absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai

minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur

kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

D. APLIKASI TERMODINAMIKA DALAM KEHIDUPAN SEHARI-

HARI

Prinsip dari ilmu termodinamika banyak terjadi dialam ini. Bumi

yang menerima energi radiasi dari matahari, dimana energi tersebut berubah

menjadi bentuk lain seperti angin, gelombang laut dan sebagainya. Tidak

terkecuali manusia, prinsip termodinamika berupa konversi energi sangat

kompleks terjadi di dalam diri manusia. Mulai dari bahan makanan yang

dikonsumsi kemudian berubah menjadi tenaga merupakan konsep

termodinamika.

Prinsip termodinamika juga digunakan untuk mempermudah

manusia dalam bekerja. Didukung dengan teknologi yang semakin

berkembang, prinsip termodinamika digunakan dibarbagai dunia industri,

automotif, pembangkit listrik dan sebagainya.

Termodinamika telah merubah sistem industri didunia, dari yang

mulanya menggunakan kayu bakar untuk memasak sampai menggunakan

listrik untuk memasak. Hal ini karena termodinamika merupakan hukum-

hukum yang menyangkut banyak hal dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu

contoh yang paling sederhana adalah es didalam gelas yang menyebabkan

terjadi pengembunan diluar gelas, padahal terpisahkan oleh medium gelas

(glass) yang memisahkan permukaan luar dan permukaan dalam.

Proses timbulnya air pada permukaan gelas itu menandakan adanya

suatu sistem yang terjadi pada perstiwa ini, sistem yang terjadi adalah bahwa

udara yang ada di sekeliling gelas mengandung uap air. Ketika gelas diisi es,

gelas menjadi dingin. Udara yang bersentuhan dengan gelas dingin ini akan

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 10

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

turun suhunya. Uap air yang ada di udara pun ikut mendingin. Jika suhunya

sudah cukup dingin, uap air ini akan mengembun membentuk tetes-tetes air di

bagian luar gelas.

Hal ini merupakan peristiwa termodinamika yang sesuai dengan

hukum termodinamika yang ke dua yang berbunyi Berikut “Hukum kedua

termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total

entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat

seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”. Dari

hukum ini proses yang terjadi didalam gelas merupakan proses penyerapan

panas dengan kata lain udara akan berubah menjadi dingin, sementar udara

mengandung kadar air yang tinggi pda kelembaban yang tinggi, sehingga

ketika udara dingin akan membuatnya mengembun sehingga timbul air pada

permukaan luar pada gelas..

Dari contoh es pada gelas diatas merupakan sistem pertukaran secara

tertutup karena terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran benda

dengan menggunakan media pembatas rigid (tidak boleh mempertukarkan

kerja) dengan mempertukarkan panas melalui medium gelas.

BAB III

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 11

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

PENUTUP

A. Kesimpulan

1. Termodinamika merupakan suatu cabang ilmu yang mempelajari tentang

energi. Membahas kaitan antara energi panas dan kerja yang dihasilkan dari

energi tersebut.

2. Energi itu dapat berubah menjadi bentuk lain yang terjadi secara alami

ataupun melalui rekayasa teknologi. Selain itu energi juga tidak dapat

diciptakan dan dimusnahkan.

3. Kesetimbangan energi pada suatu sistem didasarkan pada prinsip/hukum.

Kekekalan energi akan berkesinambungan dengan prinsip kesetimbangan

massa, sehingga prinsip perhitungan yang digunakan kesetimbangan energi

mirip dengan kesetimbangan massa, yaitu :

energi yangmasuk=energikeluar+akumulasi didalam sistem

B. Saran

1. Meningkatkan penerapan dari teori termodinamika untuk kehidupan sehari-

hari.

2. Memperbanyak pengetahuan tentang termodinamika.

Daftar Pustaka

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 12

MAKALAH FISIKA LINGKUNGANPOLTEKKES KEMENKES YOGYAKARTA

Jl. Tatabumi No. 3, Banyuraden, Gamping, Sleman, Yogyakarta 55293

Bresnick, Stephen. 2002. Intisari Fisika. Jakarta. Penerbit Hipokrates

http://id.wikipedia.org/wiki/termodinamika diakses tanggal 8 Desember 2012

http://www.file-edu.com/2011/10/prinsip-dasar-teori-termodinamika-1.html

diakses tanggal 8 Desember 2012

http://atophysics.wordpress.com materi 17 termodinamika diakses tanggal 8

Desember 2012

“Pendeskribsian tentang Termodinamika, prinsip dan hukumnya, serta aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari” 13