perubahan fasa air akibat efek termodinamika
TRANSCRIPT
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Termodinamika merupakan suatu bidang ilmu pengetahuan tentang/ yang
berurusan dengan kalor, kerja dan sifat substansi yang berkaitan dengan kerja atau
kalor.[1] Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik
membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. [2] Energi
termal/kalor adalah energi kinetik yang melintas dari satu sistem ke sistem lain
akibat adanya perbedaan temperatur (Joules). Sedangkan Temperatur adalah rata-
rata energi kinetik partikel di dalam suatu sistem, bukan jumlah total energi
kinetik kinetik partikel partikel (Derajat).[3]
Seperti telah diketahui bahwa energi di dalam alam dapat terwujud dalam
berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi listrik,
energi nuklir, energi gelombang elektromagnik, energi akibat gaya magnit, dan
lain-lain. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami
maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal,
tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi
dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan.
Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi. [2]
Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami
dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang
elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut berubah menjadi energi
panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-
tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses di dalam diri manusia juga
merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam
makanan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi
yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. [2]
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 1
Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip
alamiah dalam berbagai proses termodinamika direkayasa menjadi berbagai
bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya.
Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang
sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam
bahan bakar atau sumber energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak
atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Pabrik-
pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin
pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi panas dan
kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air conditioning,
mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar
termodinamika. [2]
Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena
perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan
penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan termodinamika
seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin pada abad ke 19.
Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik,
yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum partikel-partikel zat yang
menjadi media pembawa energi, yang disebut pendekatan termodinamika klasik.
Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan
partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan
ilmu termodinamika modern, atau disebut termodinamika statistik. Pendekatan
termodinamika statistik dimungkinkan karena perkembangan teknologi komputer,
yang sangat membantu dalam menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar. [2]
1.2 Tujuan
Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini adalah:
1. Untuk mengetahui apa itu termodinamika dan parameter apa saja yang ada
dalam termodinamika.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 2
2. Untuk mengetahui sejauh apa efek yang ditimbulkan termodinamika dalam
perubahan fasa air ketika diberikan termodinamika.
1.3 Manfaat
Adapun manfaat dari penyusunan makalah ini adalah untuk memberikan
pengetahuan dan litelatur baru mengenai termodinamika dan efeknya terhadap
perubahan fasa air.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 3
BAB II
TEORI DASAR
2.1 Definisi Termodinamika
Semua mahluk hidup melakukan pekerjaan. Tumbuh-tumbuhan
melakukan pekerjaan ketika mengangkat air dari akar ke cabang-cabang, hewan
melakukan melakukan pekerjaan ketika berenang ,merayap, dan terbang. Kerja
juga terjadi ketika pemompaan darah melalui pembuluh darah dalam tubuh dan
pada pemompaan ion-ion melewati dinding sel. Semua kerja ini diperoleh dari
pengeluaran energi kimia yang disimpan dalam makanan yang dikonsumsi oleh
mahluk hidup. [4]
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.[4] Jadi kesimpulannya termodinamika adalah kajian tentang kalor
(panas) yang berpindah.[5]
2.2 Sistem, Proses dan Siklus Termodinamika[2]
Suatu sistem termodinamika adalah sustu masa atau daerah yang dipilih,
untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai
lingkungan. Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem
(boundary), seperti terlihat pada Gambar 2.1. Dalam aplikasinya batas sistem
merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat
berubah posisi atau bergerak.
Dalam termodinamika ada dua jenis sistem, yaitu sistem tertutup dan
sistem terbuka. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan
tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya
bisa berubah. Yang dapat-keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 4
bentuk panas atau kerja. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang
dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah,
dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.
Gambar 2.1 Skema Sistem Termodinamika
(sumber: http://staff.phys.unpad.ac.id/sahrul/)
Gambar 2.2 Contoh Skema Sistem Termodinamika
Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau masuk ke
dalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesin-mesin konversi energi
adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang di dalam silinder
mesin, dimana campuran bahan-bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder,
dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet
dan lain-lain adalah merupakan sistem termodinamika terbuka, karena secara
simultan ada energi dan masa keluar-masuk sistem tersebut.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 5
Gambar 2.3 Skema Sistem Terbuka dan Tertutup
Pada sistem tertutup yang melintasi garis batas (boundary layer) hanyalah
aliran kalor dan kerja saja, sedangkan pada sistem terbuka, fluida kerja juga
melintasi batas dari sistem. Dalam analisis termodinamika pada sistem tertutup
biasanya digunakan massa atur (control mass) dan pada siklur terbuka digunakan
volume atur (control volume). Perubahan keadaan pada substansi kerja (fluida
kerja), menunjukkan proses termodinamika. Proses termodinamika pada sistem
tertutup disebut proses tanpa aliran (non-flow Processes), dan persamaan pokok
yang berlaku adalah hukum termodinamika pertama. Untuk proses sistem terbuka,
atau disebut proses dengan aliran (flow-processes)’, ketentuan pokok yang
berlaku adalah persamaan energi aliran mantap (steady flow energy equation). [1]
Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property dari
sistem, seperti tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas, konduksi
panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang disefinisikan dari property
yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain. [1]
Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila
masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya
dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state)
tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai property yang tetap. Apabila
property nya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami
perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan
disebut sistem dalam keadaan setimbang (equilibrium). [1]
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 6
Perubahan sistem termodinamika dari keadaan seimbang satu menjadi
keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkaian keadaan diantara keadaan
awal dan akhir disebut linasan proses seperti terlihat pada Gambar 2.4.
Gambar 2.4 Proses dari keadaan satu ke keadaan dua
Tergantung dari jenis prosesnya, maka keadaan 2 dapat dicapai dari
keadaan 1 melalui berbagai lintasan yang berbeda. Proses termodinamika
biasanya digambarkan dalam sistem koordinat 2 property, yaitu P-V diagram, P-v
diagram, atau T-S diagram. Proses yang berjalan pada satu jenis property tetap,
disebut proses iso- diikuti nama property nya, misalnya proses isobaris (tekanan
konstan), proses isochoris (volume konstan), proses isothermis (temperatur
konstan) dan la in-lain. [1]
Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut
menjalani rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke
keadaan awalnya. Pada Gambar 2.5 (a) terlihat suatu siklus terdiri dari 2 jenis
proses, dan Gambar 2.5 (b) siklus lain dengan 4 jenis proses. [1]
Gambar 2.5 Diagram Siklus Termodinamika
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 7
2.3 Sistem Satuan, Tekanan dan Temperatur[2]
2.3.1 Sistem Satuan
Suatu sistem satuan adalah sistem besaran atau unit untuk
mengkuantifikasikan dimensi dari satu property. Sistem satuan yang sekarang
dipergunakan di seluruh dunia, termasuk Indonesia, adalah sistem SI (Sistem
Internasional. Sistem ini menggantikan 2 sistem yang dipergunakan
sebelumnya, yaitu sistem British dan sistem Metris.
Dalam sistem SI ada 7 macam dimensi dasar, yaitu panjang (m), masa
(kg), waktu (detik), temperatur (K), arus listrik (A), satuan sinar (candela-c),
dan satuan molekul (mol). Satuan gaya merupakan kombinasi dari masa dan
percepatan, dan mempunyai besaran N (Newton), yang didefinisikan menurut
Hukum Newton,
F=ma 2.1
Dan 1 N adalah gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan
sebesar 1 m/s2 pada suatu masa sebesar 1 kg sehingga.
1 N = 1 kg. m/s2 2.2
Ukuran berat (W) adalah gaya yang ditimbulkan oleh masa m kg,
dengan percepatan sebesar medan gravitasi yang terjadi (g), sebagai berikut.
W=mg 2.3
Satuan W adalah Newton, sedang besar gravitasi di bumi adalah 9,807
m/s2 di permukaan laut dan semakin kecil dengan bertambahnya elevasi.
Kerja yang merupakan salah satu bentuk energi, adalah gaya kali jarak
dengan satuan N.m, dan disebut pula J (Joule) yaitu,
1 J = 1 N.m 2.4
Satuan Joule juga digunakan dalam dimensi energi panas, dan biasanya
ukurannya dalam kJ (kilojoule) atau MJ (Mega Joule).
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 8
2.3.2 Tekanan
Tekanan merupakan salah satu property yang terpenting dalam
termodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair atau
gas) pada satu satuan unit luas area. Istilah tekanan pada benda padat disebut
tegangan (stress). Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan
sebagai,
1 Pa = 1 N/m2 2.5
Karena satuan Pascal terlalu kecil, maka dalam analisis termodinamika
seringdigunakan satua kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1 MPa
= 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar (barometric),
atau atm (standard atmosphere), sebagai berikut.
1 bar = 105Pa = 0,1 Mpa = 100kPa
1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa = 1, 01325 bar
Pengukuran tekanan dengan menggunakan referensi tekanan nol absolut
disebut tekanan absolut (ata), sedang tekanan manometer (ato) adalah tekanan
relatif terhadap tekanan atmosfir. Tekanan vakum adalah tekanan dibawah 1
atm, yaitu perbedaan antara tekanan atmosfir dengan tekanan absolut, seperti
ditunjukkan dalam Gambar 2.6. sebagai berikut,
Gambar 2.6 Hubungan pengukuran beberapa jenis tekanan
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 9
Alat pengukar tekanan diatas atmosfir adalah manometer, alat pengukur
tekanan vakum disebut manometer vakum, sedang alat pengukur tekanan
atmosfir disebut barometer. Terdapat banyak jenis metode pengukuran
tekanan seperti pipa U, manometer pegas, atau transduser elektronik.
2.3.3 Temperatur
Ukuran temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanya energi
panas pada suatu benda padat, cair, atau gas. Metodenya biasanya
menggunakan perubahan salah satu property suatu material karena panas,
seperti pemuaian, dan sifat listrik.
Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada
benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas
ke alat ukur sampai terjadi keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur
yang terterapada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang
diukur temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Termodinamika
Zeroth (Zeroth Law of Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam
keadaan seimbang thermal dengan benda ketiga maka dua benda tersebut juga
dalam keadaan seimbang thermal walaupuntidak saling bersentuhan.
Dalam sistem SI satuan temperatur adalah Kelvin (K) tanpa derajad.
Skala dari ukuran temperatur dalam derajad Celcius adalah sama dengan
skala ukuran Kelvin, tetapi titik nol oC sama dengan 273,15 K. Titik nol oC
adalah kondisi es mencair pada keadaan standard atmosfir, sedang kondisi 0
K adalah kondisi nol mutlak dimana semua gerakan yang menghasilkan
energi pada semua materi berhenti.
Dalam analisis termodinamika, apabila yang dimaksudkan adalah
ukuran temperatur maka yang digunakan adalah ukuran dalam K, sedang
apabila analisis berhubungan dengan perbedaan temperatur maka baik ukuran oC maupu K dapat digunakan.
2.4 Hukum Termodinamika
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 10
2.4.1 Hukum ke nol Termodinamika
“ Jika dua benda berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga,
maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.”
Sejauh ini kita baru meninjau kesetimbangan termal yang dialami oleh dua
benda yang bersentuhan. Untuk memahami konsep kesetimbangan termal secara
lebih mendalam, mari kita tinjau tiga benda (sebut saja benda A, benda B dan
benda C). Misalnya benda B dan benda C tidak saling bersentuhan, tetapi benda A
bersentuhan dengan benda B dan benda A bersentuhan dengan benda C. Amati
gambar di bawah.[6]
Gambar 2.7 Ilustrasi Hukum ke nol Termodinamika
Karena saling bersentuhan maka benda A dan benda B berada dalam
kesetimbangan termal, demikian juga benda A dan benda C berada dalam
kesetimbangan termal. Jika hanya menggunakan logika, kita bisa mengatakan
bahwa benda B dan benda C juga berada dalam kesetimbangan termal, sekalipun
keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda B berada dalam kesetimbangan
termal, berarti suhu benda A = suhu benda B. Benda A dan benda C juga berada
dalam kesetimbangan termal, suhu benda A = suhu benda C. Karena TA = TB dan
TA = TC, maka TB = TC. [6]
Hukum ke nol termodinamika menjelaskan prinsip kerja termometer, alat
pengukur suhu. Tinjau sebuah termometer raksa atau termometer alkohol.
Alkohol atau raksa bersentuhan dengan kaca dan kaca bersentuhan dengan benda
yang diukur suhunya, misalnya udara, air atau tubuh manusia. Walaupun raksa
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 11
tidak bersentuhan dengan udara atau air atau tubuh manusia, tetapi karena raksa
bersentuhan dengan kaca maka ketika kaca dan udara atau air atau tubuh manusia
berada dalam kesetimbangan termal, maka raksa dan udara atau air atau tubuh
manusia juga berada dalam kesetimbangan termal. [6]
Gambar 2.8 Kesetimbangan Termal Benda A dan B
Hukum-hukum fisika biasanya dimulai dari 1, jarang dimulai dari nol.
Disebut hukum ke-0 termodinamika karena setelah hukum ke-1 termodinamika,
hukum ke-2 termodinamika dan hukum ke-3 termodinamika dirumuskan, para
ilmuwan menyadari bahwa ada sebuah hukum yang lebih mendasar yang belum
dirumuskan. Karenanya para ilmuwan menyebut hukum ini sebagai hukum ke-0
termodinamika.[6]
2.4.2 Hukum Pertama Termodinamika
Hukum pertama termodinamika membahas tentang macam energi,
konversi dan relasi satu sama lain. Sehingga secara umum merupakan pernyataan
tentang prinsip kekekalan energi. Energi dapat dibedakan antara energi sistem
(besaran sistem) dan energi transfer/proses (besaran proses). Energi Sistem
menyatakan keadaan dari sistem sehingga disebut pula sebagai besaran keadaan.
Energi total sistem merupakan jumlah dari keseluruhan bentuk energi.[7]
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
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 12
termodinamika adalah konservasi energi. Secara singkat, hukum tersebut
menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan
tetapi hanya dapat berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya.Untuk
tujuan termodinamik, perlu lebih spesifik dan menguraikan hukum tersebut secara
lebih kuantitatif. Termodinamika memperhitungkan hubungan antara system S,
dan lingkungan ε di sekelilingnya. [4]
Energi sestem (Es) adalah jumlah energi kinetik molekul-molekul system (
energi termal) dan energi potensial atom-atom dalam molekul (energi kimia).
Energi Es bergantung pada keadaan system, berubah ketika keadaan berubah.
Misalnya, perubahan isobaric, sumber panas meningkatkan energi termal system.
Jika sumber panas adalah bagian dari lingkungan, energi Eε lingkungan juga
berubah. Hukum pertama termodinamika mengatakan bahwa energi Eu semesta.
Eu = Es+ Eε 2.6
Tidak berubah.Ini berarti, jika Es dan Eε adalah energi sistem dan
lingkungan ketika sistem berada pada satu keadaan dan E’s dan E’εadalah energi
ketika sistem berada pada keadaan lain, maka
E’s + E’ε = Es + Eε atau (E’s – Es) + ( E’ε – Eε) 2.7
Seperti sebelumnya, delta digunakan sebagai awalan yang berati
“perbedaan dalam“ atau „perubahan dari“.Secara spesifik ∆ES adalah energi dari
keadaan akhir sistem dikurangi energi dari keadaan awal,
∆ES = E’S – ES 2.8
Dan ∆ES adalah energi akhir lingkungan dikurangi energi awal
∆Eε = E’ε – Eε 2.9
Maka:
∆ES + ∆Eε = 0 atau
∆ES = -∆Eε hukum pertama 2.10
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 13
Ini adalah ungkapan matematika yang sesuai untuk hukum pertama
termodinamika.Persamaan tersebut digunakan untuk menghitung perubahan
energi sistem jika perubahan energi lingkungan diketahui, dan serbaliknya.[4]
Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan
sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam.
Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan
usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum
kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika.
Secara matematis, hukum I termodinamika dituliskan sebagai. [5]
Q = W + ∆U 2.11
Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi
dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika juga dapat dinyatakan sebagai
berikut.
Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti
diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya
yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas
(coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi
dalam ∆U. [5]
Proses Isotermik[5]
Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi
perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi
berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena
berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0)
dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha
yang dilakukan sistem (Q = W).
Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini.
Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 14
2.12
Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.
Gambar 2.9 Grafik Isotermik
Proses Isokhorik[5]
Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan,
gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume
konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan
sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai
kalor gas pada volume konstan QV.
QV = ∆U 2.13
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 15
Gambar 2.10 Grafik Isokhorik
Proses Isobarik[5]
Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap
konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam
tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan
sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Berdasarkan hukum I termodinamika,
pada proses isobarik berlaku
2.14
Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan
kalor yang diserap gas pada volume konstan
QV =∆U 2.15
Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai
W = Qp − QV 2.15
Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih
energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor)
yang diserap gas pada volume konstan (QV).
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 16
Gambar 2.11 Grafik Isobarik
Proses Adiabatik[5]
Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun
keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan
gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).
Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan
volume masing-masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan
dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat
dinyatakan sebagai.
2.16
Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor
molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih
besar dari 1 (γ > 1).
Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk
kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan
kelengkungan yang lebih curam.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 17
Gambar 2.12 Grafik Adiabatik
2.4.3 Hukum Ke dua Termodinamika
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. [4]
Sebuah benda dengan massa m dilepaskan dari ketinggian h secara
spontan jatuh ke tanah, kemudian diam.Pada situasi ini energi semesta adalah
jumlah energi termal benda, energi termal tanah dan energi mekanik
benda.Sebelum dilepaskan, benda mempunyai energi mekanik yang sama dengan
energi potensialnya U = mgh, dan setelah benda tersebut diam di tanah, energi
mekaniknya nol.Pada proses ini, dengan gemikian energi mekanik semesta
berkurang dari mgh menjadi nol.Jika energi total semesta tidak berubah (hukum
pertama termodinamika), energi termal semesta dapat meningkat dengan
mgh.Peningkatan energi termal menunjukan peningkatan yang kecil pada
temperatur benda dan tanah. [4]
Sebagaimana diketahui dari pengalaman sehari-hari bahwa suatu benda
yang awalnya diam di tanah tidak akan pernah secara spontan meloncat ke udara.
Hal tersebut tidak mungkin terjadi karena melanggar hukum pertama.Jika sebuah
benda meloncat ke udara, akan terjadi peningkatan energi mekanik semesta. Hal
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 18
ini tidak akan melanggar hukum pertama, bagaimanapun jika terdapat hubungan
penurunan energi termal semesta. Hukum pertama tidak menjelaskan mengapa
benda tidak pernah meloncat ke udara secara spontan. [4]
Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah
proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di
dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang
menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar". [8]
Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum
kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah
ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung
semakin besar. [8]
Proses benda meloncat ke udara secara spontan adalah kebalikan dari
proses benda jatuh ke tanah secara spontan.Satu proses terjadi dengan mudah.
Sedangkan 11 proses kebalikannya tidak akan pernah terjadi sama sekali.Banyak
proses irreversibel yang lain yang dapat terjadi hanya dalam satu arah.Sebagai
contoh, ketika benda yang dingin dan benda panas bersentuhan, kalor selalu
mengalir dari benda panas kebenda yang dingin, dan tidak pernah dari benda
dingin ke benda yang panas. Akibatnya suhu benda yang panas menurun,
sedangkan suhu benda yang dingin meningkat. Jika proses kebalikan yang terjadi,
benda yang dingin akan menjadi lebih dingin sedangkan benda yang panas akan
lebih panas.Contoh lain, tinta diteteskan kedalam segelas air, menyebar hingga
tinta tersebut dalam air.proses kebalikannya, dimana campuran air dan tinta secara
spontan memisah menjadi air murni dan tinta murni, tidak akan pernah terjadi. [4]
Formulasi Kelvin-Planck atau hukum termodinamika kedua menyebutkan
bahwa adalah tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja
dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari
suatu reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik. Hukum
kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata
lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 19
arahnya). Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka
salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut.
Akan tetapi beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut
untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki
arah, yaitu dari panas ke dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah
studi tentang mesin kalor. [4]
2.4.3 Hukum Ke tiga 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. [4]
2.5 Zat Murni (Pure Substance)[9]
Merupakan zat yang mempunyai komposisi kimia yang tetap (stabil),
misalnya : air (water) , nitrogen, helium, dan CO2.
Zat murni bisa terdiri dari satu elemen kimia (N2 ) maupun campuran
(udara).Campuran dari beberapa fase zat murni adalah zat murni, contohnya
campuran air dan uap air. Tetapi campuran dari udara cair dan gas bukan zat murn
karena susunan kimianya berubah atau berbeda.
Gambar 2.13 Zat Murni dan Bukan Zat Murni
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 20
2.5.1 Fase dari Zat Murni
Diidentifikasi berdasarkan susunan molekulnya.
Solid (padat) : jarak antar molekul sangat dekat sehingga gaya tarik antar
molekul sangat kuat, maka bentuknya tetap. Gaya tarik antara molekul-
molekul cenderung untuk mempertahankannya pada jarak yang relatif
konstan.Pada temperatur tinggi molekul melawan gaya antar molekul dan
terpencar.
Liquid (cair) : Susunan molekul mirip dengan zat padat , tetapi terhadap
yang lain sudah tidak tetap lagi. Sekumpulan molekul akan mengambang
satu sama lain.
Gas : Jarak antar molekul berjauhan dan susunannya acak. Molekul
bergerak secara acak.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 21
BAB III
PEMBAHANSAN
Sebelumnya telah dilakukan kajian teori mengenai termodinamika dan zat
murni. Sebagaimana kita ketahui, termodinamika biasa diartikan sebagai faktor
pengganggu yang sering memberikan efek terhadap lingkungan sekitarnya.
Termasuk ketika suatu zat murni (dalam hal ini air) diberikan suhu secara terus
menerus maka akan mengalami efek. Efek yang ditimbulkan adalah perubahan
wujud atau fasa dari air tersebut.
3.1 Perubahan Fasa dari Zat Murni[9]
State 1 : Pada state ini disebut compressed liquid atau subcooled liquid. Pada state
ini penambahan panas hanya akan menaikkan temperatur tetapi belum
menyebabkan terjadi penguapan (not about to vaporize)
State 2 : Disebut saturated liquid (cairan jenuh). Pada state ini fluida tepat akan
berubah fasenya. Penambahan panas sedikit saja akan menyebabkan terjadi
penguapan (about to vaporize). Akan mengalami sedikit penambahan volume.
State 3 : Disebut “Saturated liquid - vapor mixture” (campuran uap - cairan
jenuh). Pada keadaan ini uap dan cairan jenuh berada dalam kesetimbangan.
Penambahan panas tidak akan menaikkan temperatur tetapi hanya menambah
jumlah penguapan.
State 4 : Campuran tepat berubah jadi uap seluruhnya, disebut “saturated vapor”
(uap jenuh). Pada keadaan ini pengurangan panas akan menyebabkan terjadi
pengembunan (“about to condense”).
State 5 : Disebut “superheated vapor” (uap panas lanjut). Penambahan panas akan
menyebabkan kenaikkan suhu dan volume.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 22
Gambar 2.14 Pemanasan Air pada tekanan konstan
Proses-proses tersebut di atas dapat digambarkan dalam diagram T - v.
Diagram ini menggambarkan perubahan-perubahan temperatur dan volume jenis.
Gambar 2.15 Diagram T-v proses perubahan fase air pada tekanan konstan
Proses 1-2-3-4-5 adalah pemanasan pada tekanan konstan
Proses 5-4-3-2-1 adalah pendinginan pada tekanan konstan
3.1.1 Sifat Diagram (Property Diagram)
Dari gambar 3.1 dapat dilihat bahwa semakin tinggi tekanan air maka
semakin tinggi pula titik didihnya. Tsat merupakan fungsi dari Psat ,(Tsat = f Psat)
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 23
Diagram T-v
Gambar 3.1 Diagram T- v perubahan fase zat murni (air) pada berbagai variasi
tekanan
Tsat = Saturation temperature , temperatur saat zat murni berubah phase pada
tekanan tertentu.
Psat = Saturation pressure , tekanan saat zat murni berubah phase pada
temperatur tertentu.
Garis yang menghubungkan keadaan cair jenuh dan uap jenuh akan semakin
pendek jika tekanannya makin besar. Pada tekanan tertentu (22,09 MPa) keadaan
cair jenuh dan uap jenuh berada pada satu titik. Titik ini disebut titik kritis
(critical point). Untuk air (water) : T cr = 374,14oC ; Pcr = 22,09 MPa. ; vcr =
0,003155 m3/kg. Jika titik-titik pada keadaan cair jenuh dihubungkan maka
diperoleh garis cair jenuh. Jika titik-titik pada keadaan uap jenuh dihubungkan
maka diperoleh garis uap jenuh. Kedua garis ini bertemu di titik kritis.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 24
Gambar 3.2 Diagram T- v zat murni
Di atas titik tekanan kritis proses perubahan dari cair menjadi uap tidak lagi
terlihat jelas/nyata. Terjadi perubahan secara spontan dari cair menjadi uap.
Diagram P-v
Gambar 3.3 Diagram P- v zat murni
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 25
Bentuk dari diagram P-v mirip dengan diagram T- v. Pada diagram P-v
garis temperatur konstan mempunyai trend menurun sedangkan pada diagram T-v
garis tekanan konstan mempunyai trend menaik.
3.1.2 Diagram P - v dan P-T fase padat, cair dan gas
Mengecil Sewaktu Membeku
Kebanyakan zat murni akan menyusut saat membeku.
Gambar 3.3 Diagram P- v zat murni yang menyusut saat membeku
Mengembang sewaktu membeku
Gambar 3.4 Diagram P- v zat murni yang mengembang saat membeku
(contohnya adalah air)
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 26
Pada kondisi tertentu fase padat, cair dan gas berada dalam
kesetimbangan. Pada diagram P-v dan T-v keadaan ini akan membentuk
suatu garis yang disebut Triple line. Dalam diagram P-T keadaan ini
nampak sebagai suatu titik dan disebut Triple point. Triple point air adalah
T TR= 0,01 oC dan PTR = 0,06113 kPa.
Gambar 3.5 Diagram P- T zat murni (diagram fase)
Diagram P-T sering disebut sebagai diagram fase karena dalam
diagram P-T, antar tiga fase dipisahkan secara jelas, masing-masing
dengan sebuah garis. Ketiga garis bertemu di triple point. Garis penguapan
(vaporisation) berakhir di titik kritis karena tidak ada batas yang jelas
antara fase cair dan fase uap. Tidak ada zat yang berada pada fase cair jika
tekanannya berada di bawah tekanan Triple point. Ada dua cara zat padat
berubah menjadi uap Pertama melalui proses mencair kemudian menguap
dan kedua fase padat berubah langsung menjadi fase gas (disebut
menyublim). Menyublim hanya dapat terjadi pada tekanan di bawah
tekanan Triple point.
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 27
Diagram P-v-T
Gambar 3.6 Diagram P- T zat murni (diagram fase)
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 28
BAB IV
KESIMPULAN
Fase didefinisikan sebagai sistem yang homogen yang mempunyai sifat
kimia dan sifat fisika yang seragam/uniform. Fasa suatu zat dipengaruhi oleh
termodinamika. Semakin panas suhu yang diberikan, semakin renggang jarak
antar partikelnya. Hal ini disebabkan karena energi dari suhu memecah energi
ikatan antar partikel zat yang dipanaskan tersebut.
Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan.
Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang
melampaui batas kelarutan).
Sistem fase tunggal : homogen
Sistem 2 atau lebih fase : campuran atau sistem heterogen.
Berikut pemodelan fasa zat padat, cair dan gas:
Gambar 4.1 Partikel setiap masa akibat pengaruh suhu
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 29
DAFTAR PUSTAKA
[1] Wirakusuma, Windi Hermawan. Termodinamika dan Perpindahan Panas:
http://reocities.com
[2] Sudjito, Ir. PhD. Dkk. Diktat Termodinamika Dasar: http://mesin.ub.ac.id
[3] Hidayat, Sahrul. Termodinamika Dasar: http://staff.phys.unpad.ac.id
[4] Windartun. Termo Makalah-1: http://file.upi.edu
[5] Hari, Bayu Sapta. Termodinamika: http://aktifisika.wordpress.com
[6] http://gurumuda.net/hukum-ke-nol-termodinamika.htm
[7] http://sihana.staff.ugm.ac.id/s1/than/than-ch01.htm
[8] http://www.fisikanet.lipi.go.id/
[9] Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
Tresna Mustikasari (140310100040) Page 30