1

TERMODINAMIKA 1

Sejauh ini kita sudah berkenalan dengan dua jenis gerakan, yakni

gerak translasi (gerak lurus, gerak parabola dkk) dan gerak rotasi. Dengan

demikian, kita bisa mengelompokkan kerja menjadi dua bagian, yakni kerja

dalam gerak translasi dan kerja dalam gerak rotasi.

1. Kerja dalam gerak translasi

Dalam gerak translasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali

antara perpindahan

dengan komponen gaya yang searah dengan perpindahan. Secara matematis

bias ditulis seperti ini :

Keterangan :

W = Usaha alias kerja

F = gaya

s = perpindahan = perpindahan linear

Apabila benda yang dikenai gaya tidak mengalami perpindahan (s = 0),

maka usaha

alias kerja = 0. Demikian juga, apabila arah gaya tegak lurus arah perpindahan

(teta =

90o. Cos 90

o = 0), maka usaha alias kerja = 0.

Usaha hanya memiliki besar dan tidak mempunyai arah, karenanya

termasuk besaran skalar. Walaupun gaya dan perpindahan termasuk besaran

vektor tetapi usaha merupakan besaran skalar karena diperoleh dari

perkalian skalar.

2. Kerja dalam gerak rotasi

Dalam gerak rotasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali

antara torsi dengan perpindahan sudut. Secara matematis bisa ditulis

seperti ini : Satuan Sistem Internasional (SI) untuk usaha alias kerja adalah

2

newton meter (Nm). Satuan newton meter dikenal dengan julukan Joule ( 1

Joule = 1 N.m).

3. SUHU (T)

Konsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa

panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kita. Berdasarkan apa

yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda lebih

panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain.

Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini dikenaldengan

julukan suhu alias temperatur. Benda yang terasa panas biasanya memiliki

suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki

suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah

suhunya.

Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya.

Btw, ukuran panas ataudinginnya suatu benda yang hanya didasarkan

pada sentuhan (indera peraba) ini sebenarnya tidak terlalu jelas. Panas

yang dirasakan oleh setiap orang bisa saja berbeda.

Demikian juga, walaupun menyentuh benda yang sama, panas

yang dirasakan oleh bagian tubuh yang berbeda bisa saja berbeda. Dalam

pokok bahasan teori kinetik gas kita sudah mendefinisikan kembali

makna suhu.

Berdasarkan sudut pandang mikroskopis, suhu sebenarnya

merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata molekul. Satuan

Sistem Internasional untuk suhu adalah Kelvin (K).

4. KALOR alias PANAS (Q

Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling

bersentuhan, akan ada alirankalor dari benda yang bersuhu tinggi

menuju benda yang bersuhu rendah. Alirankalor akan terhenti setelah

kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama.

Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin,

biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti

mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi

3

air hangat. Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang

bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung

menyamakan suhu benda yang bersentuhan.

Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor

merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan

(fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair

dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara…

Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakanCaloric. Teori

mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena

berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa

dibuktikan.

Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang

bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar

air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda

pengaduk. Berikut ini kilasansingkat percobaan yang dilakukan oleh om

Jimi.

Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja

pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air

sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya

gravitasi terhadap beban hingga bebanjatuh sejauh h.

Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x

perpindahan(s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa

beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan

kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha

dan energi).

Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air

disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air.

Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang

dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar

kenaikan suhu air (air semakin panas).

Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat

perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur,

wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur

4

dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan,

kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah), aliran kalor

mampir sebentar di wadah. Karena ada aliran kalor dari api menuju air,

maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air

meningkat).

Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air

karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat

adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan

bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah. Ingat ya, kalor

bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu).

Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi

menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah

dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses

perpindahan energi akan terhenti ketika benda-benda yang bersentuhan

mencapai suhu yang sama.

Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas,

kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah

dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Satuan kalor yang

sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan

adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. 1 kkal = 1 Kalori (huruf

K besar). Btw, kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem

Internasional untuk kalor adalah Joule (J).

Berdasarkan penjelasan di atas, tampak bahwa kalor (Q) memiliki

kemiripan dengan usaha alias kerja (W). Kalor bisa diartikan sebagai

perpindahan energi yang disebabkan oleh adanya perbedaan suhu,

sedangkan usaha alias kerja bisa diartikan sebagai perpindahan energi

melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak).

5

5. SISTEM dan LINGKUNGAN

Dalam termodinamika, kita selalu menganalisis proses

perpindahan energi dengan mengacu pada suatu sistem. Sistem adalah

sebuah benda atau sekumpulan benda yang hendak diteliti. Benda-benda

lainnya di alam semesta dinamakanLingkungan. Biasanya sistem

dipisahkan dengan lingkungan menggunakan penyekat/pembatas/pemisah.

Misalnya kita hendak menyelidiki air yang berada di dalam termos.

Air yang ada didalam termos merupakan sistem, sedangkan udara dan

benda-benda lainnya yang berada diluar termos merupakan lingkungan,

dinding termos, baik dinding kaca pada bagian dalam termos maupun

dinding plastik pada bagian luar termos berfungsi sebagai penyekat alias

pemisah.

Terdapat beberapa jenis sistem, yakni sistem terbuka dan sistem

tertutup. Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan

terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan

lingkungan. Contoh sistem terbuka adalah tumbuh-tumbuhan, hewan.

Tumbuh-tumbuhan biasanya menyerap air dan karbondioksida dari

lingkungan (terjadi pertukaran materi). Tumbuhan juga membutuhkan kalor

yang dipancarkan matahari (terjadi pertukaran energi).

Sebaliknya, sistem tertutup merupakan sistem yang tidak

memungkinkan terjadinya pertukaran materi antara sistem tersebut

dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak

adanya kemungkinan terjadi pertukaran energi antara sistem dengan

lingkungan. Sistem tertutup dikatakan tidak terisolasi jika bisa terjadi

pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan… Contoh sistem

tertutup yang terisolasi adalah termos air panas. Dinding bagian dalam

dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk

kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas), buatan

yang tidak sangat ideal.

Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya

sangat kecil.

6

6. ENERGI DALAM (U)

Energi dalam merupakan salah satu konsep paling penting dalam

termodinamika. Kita bisa mendefinisikan energi dalam dengan

mengacu pada teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat

terdiri dari atom atau molekul, di mana atom atau molekul tersebut

bergerak terus menerus secara sembarangan. Ketika bergerak, atom atau

molekul pasti punya kecepatan.

Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa

(m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul.

mempunyai energi kinetik (EK). Kita bisa mengatakan bahwa energi

dalam merupakan jumlah seluruh energi kinetik atom atau molekul,

ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya

interaksi antara atom atau molekul.

7. Proses Termodinamika

Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda

ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem

dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor merupakan energi yang

berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari

lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu.

Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor

akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu

lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari

lingkungan menuju sistem. Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan

energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan

perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh

berkaitan dengan gerak)… Misalnya jika sistem melakukan kerja

terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem

menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja

terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju

sistem.

7

Salah satu contoh sederhana berkaitan dengan perpindahan energi

antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja adalah

proses pembuatan popcorn.

8. Energi dalam dan Hukum Pertama Termodinamika

Pada postingan sebelumnya, gurumuda sudah menjelaskan

secara singkat mengenai energi dalam (U). Energi dalam sistem merupakan

jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah seluruh

energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul

sistem. Kita berharap bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan

menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam sistem akan

bertambah. Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja terhadap

lingkungan (sistem melepaskan energi), energi dalam sistem akan

berkurang.

Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan

bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem

(sistem menerima energi). Kerja yang dilakukan oleh sistem (sistem

melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini : Energi

dalam merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis system.

Jika besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi

dalam) tidak bisa diketahui secara langsung, maka besaran yang menyatakan

keadaan makroskopis bisa diketahui secara langsung. Besaran yang

menyatakan keadaan makroskopis adalah suhu (T), tekanan (p), volume (V)

dan massa (m) atau jumlah mol (n). Ingat ya, Kalor dan Kerja hanya terlibat

dalam proses perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Kalor

dan Kerja bukan merupakan besaran yang menyatakan keadaan sistem.

9. Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan Kerja (W)

Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan

Hukum Pertama Termodinamika. Kalor (Q) dalam persamaan di atas

merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif), sedangkan

Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan oleh

sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q

8

bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada sistem, maka W

bernilai negatif.

10. SOAL DAN PENYELESAIANNYA

1. liter air berubah menjadi 1671 liter uap ketika dididihkan pada tekanan 1

atm. Tentukan perubahan energi dalam dan besarnya kerja yang dilakukan

air ketika menguap, (Kalor penguapan air = LV = 22,6 x 105 J/Kg)

jawaban :

Massa jenis air = 1000 Kg/m3

LV = 22,6 x 105 J/Kg

P = 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 10

5 N/m

2

V1 = 1 liter = 1 dm3 = 1 x 10

-3 m

3(Volume air)

V2 = 1671 liter = 1671 dm3 = 1671 x 10

-3 m

3(Volume uap)

a) Perubahan energi dalam

Perubahan energi dalam = Kalor yang ditambahkan pada air – Kerja

yang dilakukan air ketika menguap.

Terlebih dahulu kita hitung Kalor (Q) yang ditambahkan pada air…

Q = mLV

Massa (m) air berapa ?

Massa jenis air = massa air / volume air

Massa air (m) = (massa jenis air)(volume air)

Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(1 x 10

-3 m

3)

Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(0,001 m

3)

Massa air (m) = 1 Kg

Q = (1 Kg)(22,6 x 105 J/Kg)

9

Q = 22,6 x 105 J

Sekarang kita hitung Kerja (W) yang dilakukan oleh air ketika

menguap. Ingat ya, pendidihan air terjadi pada tekanan tetap (proses

isobarik).

W = p (V2 – V1)

W = 1,013 x 105 N/m

2 (1671 x 10

-3 m

3 – 1 x 10

-3 m

3)

W = 1,013 x 105 N/m

2 (1670 x 10

-3 m

3)

W = 1691,71 x 102 Joule

W = 1,7 x 105 Joule

10

Hukum kedua termodinamika

Menurut hukum pertama termodinamika, dalam suatu sistem tertutup

(alam semesta kita termasuk sistem tertutup), jumlah energi total selalu

kekal. Energi dapat berubah bentuk dan berpindah dari satu benda ke benda

yang lain, tetapi jumlah energi total selalu tetap. Benar bahwa hukum pertama

termodinamika mengatakan bahwa energi selalu kekal. Walaupun demikian,

hukum pertama termodinamika tidak menjelaskan bahwa ada bentuk energi

yang berguna, sedangkan ada bentuk energi yang tidak berguna.

Energi potensial kimia dalam minyak bumi merupakan salah satu bentuk

energi yang berguna. Energi potensial kimia dalam minyak bumi (bensi, solar,

minyak tanah, etc) bisa digunakan untuk menggerakkan kendaraan, memasak

makanan atau bisa juga digunakan untuk membangkitkan listrik.

Energi potensial gravitasi air di waduk gunakan untuk membangkitkan

listrik. Energi panas bumi juga digunakan untuk membangkitkan listrik. Energi

kinetic angin, energi panas matahari, energi nuklir, dan lain – lain. Pada

sebuah benda yang suhunya T1 bersinggungan dengan benda lain (reservoir)

yang suhunya T2 lebih tinggi daripada T1 maka sesuai dengan hukum alam,

sejumlah panas akan mengalir dari reservoir masuk ke dalam benda pertama,

sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang, suhu benda pertama menjadi sama

dengan suhu reservoir. Seperti diketahui reservoir adalah benda yang karena

ukurannya besar atau karena mendapat masukkan energi panas dari sistem lain,

maka walaupun sejumlah panas mengalir ke luar atau masuk ke dalamnya,

suhunya tidak berubah.

Untuk menjelaskan proses termodinamika yang hanya terjadi pada satu arah

(proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika.

Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di

alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang

ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822-1888) membuat sebuah

pernyataan berikut :

Proses suatu sistem terisolasi yang disertai dengan penurunan entropi tidak

mungkin terjadi. Dalam setiap proses yang terjadi pada sistem terisolasi, maka

11

entropi sistem tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah (Hukum kedua

termodinamika – pernyataan Clausius).

SOAL DAN PENYELESAIANNYA

1. Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan

usaha alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 2500 Joule (QL).

Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?

Jawaban :

2. Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan

usaha alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 2000 Joule (QL).

Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?

Jawaban :

12

3. Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha

alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 1500 Joule (QL). Berapakah

efisiensi mesin kalor tersebut ?

Jawaban :

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23