MAKALAH FISIKA DASAR
PROSES TERMODINAMIKA
Diajukan untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika Dasar I yang dibimbing oleh Rianita Puspasari, ST.,
Disusun oleh :
Diana Astuti Kismaningrum 1510631140033
PROGRAM STUDI TEKNIK INDUSTRI
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS SINGAPERBANGSA KARAWANG
ABSTRAK
Termodinamika mempelajari bagiamana kalor atau biasa disebut panas yang menimbulkan perubahan dan dapat diubah menjadi beberapa bentuk seperti halnya mekanika. Pemanfaatan energi yang dihasilkan akibat adanya proses dalam gas untuk menghasilkan kerja.
Banyak sekali contoh penerapan termodinamika dalam kehidupan sehari-hari, seperti halnya Air Conditioner (AC), Dispenser, dll.
KATA PENGANTAR
Puji syukur kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan hidayah-Nya Penulis dapat menyelesaikan makalah yang berjudul Makalah Fisika Proses Termodinamika. Makalah ini disusun dalam rangka memenuhi Tugas Fisika Dasar I.
Melalui kesempatan yang sangat berharga ini Penulis menyampaikan terimakasih kepada semua pihak yang telah membantu menyelesaikan makalah ini, terutama kepada yang Terhormat:
1. Rianita Puspasari, ST. Selaku dosen Fisika Dasar I
2. Rekan-rekan program studi teknik industri angkatan 2015
3. Semua pihak yang tidak dapat disebut satu persatu dalam kesempatan ini, yang telah memberikan bantuan moral dan materil dalam proses penyelesaian makalah ini.
Semoga Tuhan Yang Maha Esa memberikan imbalan yang setimpal atas segala bantuan yang diberikan. Penulis berharap semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak yang membacanya.
Bekasi, 04 Januari 2016
DAFTAR ISI
COVER ABSTRAK
KATA PENGANTAR DAFTAR ISI
BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang 1.2 Rumusan Masalah 1.3 Tujuan Penulisan
BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Definisi Hukum Termodinamika
2.2 Proses Termodinamika
2.2.1 Hukum I Termodinamika
2.2.2 Hukum II Termodinamika
BAB III PEMBAHASAN
3.1 Hasil dan Pengaplikasian Hukum Termodinamika
BAB III PENUTUP 4.1 Kesimpulan
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Semua mahluk hidup melakukan pekerjaan. Tumbuh-tumbuhan melakukan pekerjaan ketika mengangkat air dari akar ke cabang-cabang, hewan 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. 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. Mereka membatasi efisiensi amuba atau ikan paus seperti mereka membatasi efisiensi mobil atau tenaga nuklir tumbuhan.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang tersebut di atas, maka yang menjadi rumusan masalah dalam makalah ini adalah :
1. Apa definisi Hukum Termodinamika 2. Bagaimana proses Hukum Termodinamika
3. Apa hasil dan pengapikasian Hukum Termodinamika
1.3 Tujuan Penulisan
Berdasarkan rumusan masalah tersebut di atas, maka yang menjadi rumusan masalah dalam makalah ini adalah:
1. Mengetahui definisi Hukum Termodinamika 2. Mengetahui proses Hukum Termodinamika
3. Mengetahui hasil dan pengaplikasian Hukum Termodinamika
BAB II
2.1 Definisi Hukum Termodinamika Hukum Termodinamika I adalah :
- Menetapkan adanya suatu ekivalensi antara panas dan kerja (panas ↔ kerja)
- Digunakan untuk menghubungkan dan menentukan type – type energi yang terlibat dalam suatu proses.
- Atau menyatakan bahwa sewaktu proses berlangsung terdapat suatu keseimbangan energi. Hukum termodinamika I merupakan pernyataan dari hukum kekekalan energy dan tidak menyatakan sesuatu apapun mengenai arah dari proses yang berlangsung.
Proses termodinamika itu dapat berlangsung kedua arah yaitu : - Diekspansikan (pengembangan)
- Dikompresikan (penekanan)
Hukum Termodinamika I juga belum menjelaskan kearah mana suatu perubahan keadaan itu berjalan dan apakah perubahan itu reversible atau irreversible.
Dalam pengembangannya diterangkan dan dibahas dalam Hukum Termodinamika II. Jadi : Hukum Termodinamika II, memberikan batasan-batasan tentang arah yang dijalani suatu proses, dan memberikan kriteria apakah proses itu reversible atau irreversible dan salah satu akibat dari hukum termodinamika II ialah perkembangan dari suatu sifat phisik alam yang disebut entropi.
Perubahan entropi → menentukan arah yang dijalani suatu proses. Hukum Termodinamika II menyatakan :
* Tidak mungkin panas dapat dirubah menjadi kerja seluruhnya, tetapi sebaliknya kerja dapat dirubah menjadi panas.
atau : Q ≠ Wseluruhnya W → Q (sama besarnya)
atau untuk mendapatkan sejumlah kerja (W) dari suatu siklus, maka kalor (Q) yang harus diberikan kepada sistem selalu lebih besar.
→ Q diserap > W sehingga, η siklus < 100 %.
* Suatu yang bekerja sebagai sebagai suatu siklus tidak dapat memindahkan kalor (Q) dari bagian yang bertemperatur rendah ke bagian yang bertemperatur lebih tinggi, tanpa menimbulkan perubahan keadaan pada sistem yang lain.
Dari kedua hal tersebut diatas, menyatakan tentang arah proses perubahan energi dalam dalam bentuk panas ke bentuk kerja → yang menyatakan adanya pembatasan transformasi energi.
2.2 Proses Termodinamika
Beberapa proses dalam termodinamika antara lain, proses isotermal, proses isokhorik, proses isobarik, dan proses adiabatik.
a. Proses isotermal
PV = konstan. Hal ini dilakukan dengan menempatkan silinder yang dihubungkan dengan sumber air pada suhu yang di inginkan. Silinder mempunyai dinding yang tipis yang
terbuat dari bahan yang dapat menghantarkan panas,misalnya tembaga, sehingga panas dengan mudah mengalir secara bolak-balik antara sumber air dan gas. Sumber air cukup besar dengan suhu yang tidak dapat dipengaruhi oleh jumlah perubahan panas dan gas. Selama ekspansi isothermal, panas mengalir ke gas untuk menjaga suhu agar konstan (ingat, suhu gas menurun jika panas terhalangi untuk mengalir ke gas selama ekspansi terjadi). Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh sistem, P2 kita tentukan dahulu persamaan tekanan sebagai fungsi volume berdasarkan persamaan keadaan V1 V2 V gas ideal, yaitu: P = nRT
Dengan menggunakan rumus umum usaha yang dilakukan oleh gas diperoleh.
b. Proses Isokhorik
Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada P1 volume tetap. Karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha P2 yang dilakukan oleh gas sama dengan nol.
c. Proses Isobarik
Proses isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap . Usaha yang dilakukan oleh gas adalah sesuai dengan persamaan.
d. Proses Adiabatik
Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa
adanya kalor yang masuk ke atau keluar dari sistem (gas), yaitu Q = 0.
Hali ini karena dikelilingi oleh silinder dengan bahan-bahan penyekat seperti asbes atau streafoam jika gas ideal di kembangkan secara adiabatic, 8 suhu dan tekanan menurun. Sistem tersebut ditunjukan oleh garis penuh AB pada Kurva adiabatik lebih curam dibanding kurva isotermal. Usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) hanya mengubah energi dalam, sebab sistem tidak menerima ataupun melepas kalor. Besarnya usaha yang dilakukan oleh sistem dapat ditentukan dengan menerapkan persamaan sehingga menghasilkan hubungan. Selain itu, dengan menggunakan hukum termodinamika I (akan dibahas kemudian), usaha yang dilakukan oleh gas pada proses adiabatik.
Apabila keadaan awal dan keadaan akhir dari suatu proses adiabatik diketahui, usaha yang dilakukan oleh gas pada proses adiabatik tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan. Proses adiabatik sangat penting dalam bidang rekayasa. Beberapa contoh proses adiabatic adalah pemuaian gas panas dalam suatu mesin diesel, pemuaian gas cair dalam sistem pendingin, dan langkah kompresi dalam mesin diesel.
2.2.1 Hukum I Termodinamika
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 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, misalnya gas dalam silinder dan lingkungan ε di sekelilingnya. Lingkungan adalah segala sesuatu yang ada di luar system yang dapat mempengaruhi system, dimana pada banyak kasus termasuk pada sekeliling system. Sistem dan lingkungan merupakan semesta U. 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. 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
Tidak berubah. Ini berarti, jika Es dan Eε adalah energi sistem dan lingkungan
ketika sistem berada pada satu keadaan dan E’s dan E’ε adalah energi ketika system berada pada keadaan lain, maka
E’s + E’ε = Es + Eε atau (E’s – Es ) + ( E’ε - E ε )
Seperti sebelumnya, delta digunakan sebagai awalan yang berati “perbedaan dalam” atau “perubahan dari”. Secara spesifik ΔES adalah energi dari keadaan akhir, sistem dikurangi energi dari keadaan awal,
ΔES = E’S – ES
Dan ΔES adalah energi akhir lingkungan dikurangi energi awal ΔEε = E’ε – Eε
Hubungan simbol-simbol persamaan 11.2 dapat dituliskan ΔES + ΔEε = 0 atau
ΔES = - ΔEε hukum pertama
Ini adalah ungkapan matematika yang sesuai untuk hukum pertama termodinamika. Persamaan tersebut digunakan untuk menghitung perubahan energi sistem jika perubahan energi lingkungan diketahui, dan sebaliknya.
Untuk Lebih Jelasnya:
Aliran kalor atau kerja (usaha) yang dialami oleh suatu sistem dapat menyebabkan system 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:
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 system.
- Jikasistem menerima kalor, nilai Q bertanda positif, - Jika sistem melepas kalor, nilai Q bertanda negatif.
Perubahan energi dalam
Energi dalam suatu gas merupakan ukuran langsung dari suhu. Karena itu perubahan energy dalam ΔU hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir, tidak tergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah.
2.2.2 Hukum II 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. 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 demikian 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.
tinta murni, tidak akan pernah terjadi 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 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.
Kapasitas Kalor
Kapasitas kalor C suatu zat adalah banyaknya kalor Q yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1 kelvin. Secara matematis ditulis :
Q = m C ΔT
Kapasitas kalor untuk gas ada dua macam, yaitu untuk volume tetap (CV) dan untuk tekanan tetap (CP).
Kapasitas kalor untuk proses isokhorik diperoleh dari persamaan sebagai berikut. Q = nR(ΔT)
Kapasitas kalor untuk proses isobarik diperoleh dari persamaan sebagai berikut. Q = ΔU +P(Δ V )= nR(ΔT) = nR( ΔT)
Dari persamaan diperoleh bahwa : Cp – Cv = nR
Kapasitas kalor yang diperoleh pada persamaan adalah untuk gas monoatomik. Untuk gas diatomik, besar CV dan CP tergantung pada derajat kebebasan gas. Sebagai acuan praktis dapat digunakan pembagian suhu sebagai berikut:
BAB III
PEMBAHASAN
3.1 Hasil dan Pengaplikasian Hukum Termodinamika
Hukum termodinamika telah berhasil diterapkan dalam penelitian tentang proses kimia dan fisika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika berkenaan dengan proses alami atau proses spontan dimana fungsi yang memprediksi kespontanan reaksi ialah entropi, yang merupakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Hukum kedua ini menyatakan bahwa untuk proses spontan, perubahan entropi semesta haruslah positif. Sedangkan hukum ketiga termodinamika memungkinkan untuk menentukan nilai entropi mutlak (Chang, 2002: 165).
Berikut beberapa contoh aplikasi termodinamika yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari :
1. Air Conditioner (AC)
Sistem kerja AC terdiri dari bagian yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tekanan supaya penguapan dan penyerapan panas dapat berlangsung.
Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke kondenser yang kemudian dimampatkan di kondenser.
Pada kondensor, tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondensor relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator.
Setelah refrigent lewat kondensor dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun.
Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.
Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada didalam substansi yang akan didinginkan.
Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka entalpi, substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya entalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan.
Berikut rangkaian gambar skema kerja dari AC : 2. Dispenser
Prinsip kerja pemanas air
Proses pemanasan air terjadi pada saat air masuk kedalam tabung pemanas. Tabung pemanas merupakan tabung yang terbuat dari logam yang disekitar tabung tersebut dikelilingi oleh elemen pemanas, sehingga ketika air mengalir dari tampungan menuju tabung pemanas sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memicu elemen pemanas untuk bekerja, suhu tinggi yang dihasilkan elemen pemanas diserap oleh air yang suhunya lebih rendah, setelah suhu air dalam tabung pemanas tinggi maksimal sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memutuskan arus listrik pada elemen pemanas, pada saat elemen pemanas menyala lampu indikator pemanas menyala dan pada saat elemen pemanas mati lampu indikator pemanas mati.
Pada tabung dispenser dipasang Heater/pemanas serta sensor suhu atau thermostat yang berfungsi untuk membatasi kerja heater agar tidak bekerja terus-menerus yang akan menimbulkan suhu air dalam tabung dispenser berlebihan, karena apabila heater berkerja berlebih, heater akan panas dan bahkan heater tersebut akan terjadi kerusakan didalamnya. Untuk mengurangi terjadinya resiko tersebut, di heater dipasang thermostat yang berguna untuk mengatur suhu.
hijau. Heater akan bekerja kembali manakala suhu air pada tabung menurun sampai suhunya berada dibawah suhu kerja sensor, sensor dipasang seri dengan heater, dengan demikian fungsi dari sensor ini mirip seperti saklar, hanya saja bekerjanya secara otomatis berdasarkan perubahan suhu.
Prinsip kerja pendingin air
Proses pendinginan air pada dispenser pada umumnya dibedakan menjadi 2 yaitu: 1. Pendinginan Air dengan Fan
Proses pendinginan air menggunakan fan dilakukan dengan cara menghisap suhu tinggi pada air ketika air berada pada tampungan air kedua yang letaknya berada dibawah tampungan air pertama, namun pada kenyataannya fan hanya alat bantu untuk mempercepat pembuangan panas pada air, sehingga temperatur air hanya akan turun sedikit saja. Setelah melewati tampungan air kedua air akan dikeluarkan melalui keran dan siap untuk diminum.
2. Pendinginan Air dengan Sistem Refrigran
Pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran sama seperti sistem refrigran pada kulkas hanya saja evaporatornya dimasukkan kedalam tampungan air kedua yang berada dibawah tampungan air pertama, sehingga air disekitar evapurator akan menjadi air dingin. Hasil pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran lebih maksimal dibandingkan pendinginan air menggunakan fan. Setelah air melalui proses pendinginan pada tampungan air kedua, air akan mengalir dan keluar memalui keran.
Nama komponen pada dispenser: menguap bila tekanan uap gas yang berasal dari cairan adalah sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (Puap = Pcair). Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal). Pada penanak nasi biasa, air akan dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa, dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K).
bekerja seperti penanak nasi biasa, karena tekanan eksternalnya sama dengan tekanan udara luar.
Namun, jika tutup lubang uapnya (biasanya berupa katup) ditutup, akan ada perubahan pada tekanan udara di ruang dalam pressure cooker dan titik didih cairan akan berubah. Ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker.
Karena ada tambahan massa (tutup katup), tekanan makin tinggi dan titik kesetimbangan antar fase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.
BAB III
PENUTUP
4.1 Kesimpulan
Hukum pertama termodinamika (first law of thermodynamics). ”Jika energi panas yang diberikan sistem dikurangi dengan usaha yang dilakukan oleh sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem”. Dengan demikian, hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa “sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha (W) yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi dalam”.
Usaha pada berbagai proses termodinamika, meliputi isobarik (tekanan konstan), isokhorik (volume konstan), isotermik (suhu konstan), dan adiabatik (tanpa panas). Keempat proses ini memiliki aplikasi masing-masing dalam kehidupan sehari-hari, proses ini merupakan salah satu penerapan termodinamika yang dapat dilihat secara jelas.
DAFTAR PUSTAKA
Bambang Ruwanto.(2002).Matematika untuk fisiks dan tehnik.1.yogyakarta: Adicipta Bambang Ruwanto.(2002).Matematika untuk fisiks dan tehnik 2.yogyakarta: Adicipta Beiser,A.1990.Konsep Fisika Modern.Jakarta: Erlangga
