Kata Pengantar
Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa atas limpahan rahmat dan karunia-Nya, penyusunan makalah ini dapat terselesaikan dalam waktu yang ditentukan. Makalah yang berjudul “Termofisika” ini, disusun sebagai salah satu tugas kelompok mata kuliah Fisika Biologi. Ucapan terima kasih penulis sampaikan kepada berbagai pihak yang ikut membantu baik langsung maupun tidak langsung.
Setelah mempelajari makalah ini, diharapkan mahasiswa keperawatan dan masyarakat umum dapat memahaminya. Penulis menyadari bahwa penulisan makalah ini masih jauh dari kesempurnaan. Penulis juga menyadari makalah ini terdapat kekurangan baik secara materi maupun penyajian.
Oleh karena itu, segala saran dan kritik dari semua pihak ataupun pembaca sangat kami harapkan demi kesempurnaan makalah ini. Semoga makalah ini dapat memberikan wawasan lebih dan bermanfaat bagi semuanya.
Banjarbaru, 3 November 2015
DAFTAR ISI
Halaman HALAMAN JUDUL...1 KATA PENGANTAR...1 DAFTAR ISI...2 BAB I PENDAHULUAN...3 1.1...Latar Belakang...3 1.2...Rumusan Masalah...4 1.3...Tujuan Penulisan...4 1.4...Manfaat Penulisan...4 BAB II PEMBAHASAN...5
2.1...Kekalan energi yang berlaku di tubuh...5
2.2...Proses perubahan energi di tubuh...6
2.3...Kerja dan daya...8
2.4...Transfer panas atau alih panas...10
2.5...Proses pengeluaran panas dari tubuh...11
BAB III PENUTUP...15
.1...Kesimpulan...15
BAB I PENDAHULUAN
.1 Latar Belakang
Termofisika adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Termofisika juga dikenal dengan istilah termodinmika. Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan). Jadi, termodinamika adalah ilmu mengenai fenomena-fenomena tentang energi yang berubah-ubah karena pengaliran panas dan usaha yang dilakukan. Misalnya suatu benda dinaikkan suhunya maka timbul pemuaian atau penyusutan; pada termo elemen akan membangkitkan gaya gerak listrik. Pada proses ini terdapat suatu pemindahan panas dan juga bekerja sesuatu gaya yang mengalami perpindahan yang mengakibatkan terlaksananya suatu usaha. Dengan demikian termodinamika merupakan akar dari beberapa cabang ilmu fisika. Dalam mempelajari termodinamika bukan hanya fenomena suhu tetapi juga tuntunan logika, sifat-sifat gas, larutan zat padat dan reaksi kimia.
Setiap kali kita mengendarai kendaraan bermotor, menghidupkan AC atau pendingin ruangan ataupun menggunakan peralatan elektronik lainnya, sebenarnya kita telah memanfaatkan penerapan termodinamika. Kalor diartikan sebagai perpindahan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu, sedangkan usaha merupakan perubahan energi melalui cara-cara mekanis yang tidak disebabkan oleh perubahan suhu. Proses perpindahan energi pada termodinamika berdasarkan atas dua hukum, yaitu Hukum 1 Termodinamika yang merupakan persyaratan hukum kekekalan energi, dan Hukum 2 Termodinamika yang memberikan batasan tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.
Aplikasi termodinamika dalam kehidupan sehari-hari sangat banyak dan setiap saat selalu berkembang. Secara alamiah dapat dilihat bagaimana energi dapat diubah menjadi kerja yang bermanfaat bagi manusia. Kemampuan manusia menciptakan mesin-mesin yang mampu mengubah kalor menjadi kerja sangat membantu dalam memenuhi kebutuhan energi. Di dalam tubuh manusia juga berlaku hukum-hukum termodinamika karena manusia menghasilkan energi. Energi adalah suatu konsep dasar dalam fisika. Dalam fisika tubuh manusia, energi merupakan hal yang sangat penting karena energi merubah aktivitas tubuh menjadi kerja, seperti mengangkat suatu beban. Energi dihasilkan oleh tubuh melalui makanan, yang merupakan sumber utama energi bagi tubuh. Tubuh menggunakan energi dari makanan untuk mengoperasikan berbagai organnya, menghasilkan panas agar suhu tubuh konstan, melakukan pekerjaan eksternal, dan menghasilkan pasokan energi simpanan untuk kebutuhan mendatang. Energi yang digunakan untuk menjalankan organ akhirnya muncul sebagai panas tubuh. Sebagian panas ini bermanfaat untuk mempertahankan suhu tubuh normal, tetapi sisanya harus dibuang.
1.2 Rumusan Masalah
Apa saja kekekalan energi di tubuh?
Bagaimana proses perubahan energi di tubuh?
Apa yang dimaksud dengan kerja dan daya di tubuh?
Bagaimana proses transfer panas atau alih panas pada tubuh? Bagaimana proses pengeluaran panas dari tubuh?
1.3 Tujuan Penulisan
Tujuan penulisan dari makalah ini adalah:
Untuk mengetahui kekekalan energi yang berlaku di tubuh Untuk mengetahui proses perubahan energi di tubuh
Untuk mengetahui maksud dari kerja dan daya di tubuh
Untuk mengetahui proses transfer panas atau alih panas pada tubuh
Untuk mengetahui proses pengeluaran panas dari tubuh
1.2 Manfaat Penulisan
Manfaat penulisan ini adalah:
Untuk memahami kekekalan energi yang berlaku di tubuh Untuk memahami proses perubahan energi di tubuh Untuk memahami maksud dari kerja dan daya di tubuh
Untuk memahami proses transfer panas atau alih panas pada tubuh
BAB II PEMBAHASAN
.1 Kekekalan Energi di Tubuh
Kekekalan energi di tubuh dapat ditulis sebagai suatu persamaan sederhana, yaitu:
[
perubahan simpanan energiditubuh ( yaitu ,) makanan, energi , lemak ,
tubuh, dan panas tubuh
]
=
[
pengeluaranpanastubuh
]
+
[
kerja yangdilakukan]
Persamaan di atas merupakan pernyataan dari hukum pertama termodinamika, menganggap bahwa tidak ada makanan atau minuman yang masuk dan tidak ada feses atau urine yang dikeluarkan selama interval waktu bersangkutan. Saat tubuh melakukan kerja atau tidak melakukan kerja, terjadi perubahan energi yang terus-menerus. Hukum pertama termodinamika dapat dituliskan sebagai berikut:
∆U = ∆Q - ∆W
(2.1) dengan ∆U adalah perubahan simpanan simpanan energi, ∆Q adalah panas yang hilang atau diperoleh, dan ∆W adalah kerja yang dilakukan oleh tubuh. (Berdasaran perjanjian, ∆Q adalah positif apabila tubuh mendapat panas, dan ∆W adalah positif apabila tubuh melakukan kerja). Tubuh yang tidak melakukan kerja (∆W = 0) dan pada suhu konstan secara umum akan kehilangan panas ke lingkungannya apabila suhu lingkungan lebih rendah sehingga ∆Q negatif. Oleh karena itu, ∆U juga negatif, yang menunjukkan penurunan simpanan energi. Perubahan ∆U, ∆Q, dan ∆W ini dalam interval waktu singkat yaitu ∆t. Perubahan persamaan 2.1 kemudian menjadi persamaan sebagai berikut: ∆ U ∆ t = ∆ Q ∆ t − ∆ W ∆ t (2.2)
dengan ∆ U /∆ t adalah kecepatan perubahan simpanan energi, ∆ Q/∆ t adalahkecepatan kehilangan atau penambahan panas, dan ∆ W /∆ t adalah kecepatan melakukan pekerjaan, yaitu daya mekanis. Ketiga besaran tersebut harus memiliki satuan energi/waktu atau daya.
Persamaan 2.2 dalam hal ini, adalah bentuk lain dari hukum pertama termodinamika. Persamaan ini menyatakan bahwa kecepatan perubahan energi adalah tetap di semua proses, tetapi tidak menyatakan apakah suatu proses dapat terjadi atau tidak. Sebagai contoh, hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa apabila kita memberikan panas kepada tubuh dengan kecepatan tertentu, ∆ Q/∆ t , kita dapat mengharapkan tubuh menghasilkan atau menyimpan energi kimia dengan kecepatan tersebut, atau menghasilkan kerja dengan kecepatan tertentu. Hal ini tidak terjadi; hukum fisika yang menjelaskan arah proses perubahan atau konversi energi dikenal sebagai hukum kedua termodinamika. Hukum kedua juga membatasi fraksi energi simpanan ∆U, yang dapat diubah menjadi kerja bermanfaat, ∆W.
2.2 Proses Perubahan Energi di Tubuh
Satuan SI untu k energi adalah newton-meter (Nm) atau joule (J); daya dinyatakan dalam joule per detik (J/dtk) atau watt (W). Ahli fisiologi dan ahli gizi menggunakan kilokalori (kkal) untuk energi makanan dan kkal/menit untuk kecepatan produksi panas. Pada kemasan produk makanan dan artikel tentang gizi kkal sama dengan Kalori makanan. Oleh karena itu, asupan makanan sebesar 2400 Kalori/hari sama dengan 2400 kkal/hari. Karena 1 kal = 4,184 J, maka 2400 kkal/hari ~1 x 107 J/hari. Terdapat
86.400 detik/hari sehingga daya rerata P~115W.
Hubungan antara beberapa satuan di atas diringkas sebagai berikut:
1 kkal = 4184 J (= 1 Kalori) 1 kkal/menit = 69,7 W
100 W = 1,43 kkal/menit
1 kkal/jam = 1,162 W
Lavoiser adalah orang pertama yang menyatakan (pada tahun 1784) bahwa makanan mengalami oksidasi setelah dikonsumsi. Ia mendasarkan argumentasinya pada pengukuran terhadap hewan percobaan yang memperlihatkan bahwa konsumsi oksigen meningkat selama proses pencernaan. Tetapi, penjelasan Lavoisier ini kurang tepat; penjelasan yang tepat adalah oksidasi terjadi di sel-sel tubuh.
Pada proses oksidasi melalui pembakaran (kombustio), terjadi pembebasan panas. Pada proses oksidasi di dalam tubuh, panas dibebaskan sebagai energi metabolisme. Kecepatan pembentukan energi disebut laju metabolisme (metabolic rate).
Suatu bentuk umum dari gula ̶̶̶̅ (C6H12O6) yang digunakan
untuk pemberian makan intravena, dan sumber utama energi bagi otak. Persamaan oksidasi untuk glukosa dalam mol adalah:
C6H12O6 + 6 O2 6H2O + 2,87 x 106 J (2.3)
Yaitu, 1 mol glukosa (0,18 kg) berikatan dengan 6 mol O2
(0,192 kg) menghasilkan 6 mol H2O (0,180 kg) dan CO2 (0,264
kg), serta membebaskan energi panas 2,87 x 106 J dalam reaksi
ini. Dengan menggunakan ini, kita dapat menghitung sejumlah kuantitas yang bermanfaat untuk metabolisme glukosa (Satu mol adalah jumlah zat yang mengandung atom atau molekul, ion, atau unit elementer lain yang sama banyaknya dengan atom 0012 kg karbon 12.1 mol gas pada suhu dan tekanan normal memiliki volume V = 22,4 x 10-3 m3 = 22,4 L).
Perhitungan serupa dapat dilakukan untuk lemak, protein, dan karbohidrat lain. Dengan mengukur oksigen yang dikonsumsi oleh tubuh, kita dapat memperoleh perkiraan energi yang dihasilkan. Nilai-nilai kalori standar untuk berbagai jenis makan ini dan bahan umum lainya tercantum di tabel berikut ini:
Hubungan Energi Standar pada Beberapa Makanan dan Bahan Bakar
Makanan atau Bahan Bakar Energi yang dibebaskan
per satuan volume O2 yang dikonsumsi (J/m3) Energi yang dibebaskan per kilogram yang dikonsumsi (J/kg) Energi yang dibebaskan per gram
(kkal/g)
Karbohid rat 22,2 x 10 6 1,72 x 107 4,1 Protein 18,0 x 106 1,72 x 107 4,1 Lemak 19,7 x 106 3,89 x 107 9,3 Makanan sehari-hari 20,1 – 20,9 x 106 - -Bensin - 4,77 x 107 11,4 Batubara - 3,35 x 107 8,0 Kayu (pinus) - 1,88 x 10 7 4,5
Pada tabel di atas, nilai-nilai yang dituliskan untuk makanan adalah nilai maksimum yang dapat diharapkan. Tidak semua energi tersebut tersedia bagi tubuh karena sebagian hilang melalui pembakaran yang tidak sempurna. Produ-produk yang “tidak terbakar” dikeluarkan dalam bentuk feses, urine, dan flatus (gas usus). Yang tersisa adalah energi yang dapat dimetabolisasi. Tubuh biasanya cukup efisien dalam mengekstraksi energi dari makanan. Sebagai contoh, energi yang tersisa di feses normal hanyalah sekitar 5% dari energi total yan terkandung dalam makanan yang masuk. Karena tubuh memiliki suhu konstan, maka energi dalam makanan plus lemak tubuh membentuk energi yang dapat digunakan oleh tubuh.
Saat dalam keadaan istirahat total, orang normal akan mengonsumsi energi dengan kecepatan sekitar 92 kkal/jam, atau sekitar 100 W. Tingkat konsumsi energi ini, yang disebut laju metabolisme basal (basal metabolic rate, BMR), adalah jumlah energi yang diperlukan tubuh untuk melakukan fungsi tubuh minimal (misalnya bernapas dan memompa darah ke arteri) dalam keadaan istirahat. Secara klinis, BMR seseorang dibandingkan dengan nilai normal untuk orang dengan jenis kelamin, usia, tinggi, dan berat yang sama, BMR bergantung terutama pada fungsi tiroid. Seseorang yang aktivitas tiroidnya berlebihan (hipertiroid) memiliki BMR yang lebih tinggi daripada orang dengan fungsi tiroid yang normal.
Karena energi yang digunakan untuk metabolisme basal berubah menjadi panas yang terutama dikeluarkan melalui kulit, maka dapat diperkirakan bahwa laju basal berkaitan dengan luas permukaan atau massa tubuh. Laju metabolisme juga bergantung pada suhu. Proses-proses kimiawi sangat bergantung pada suhu, perubahan kecil pada suhu dapat menimbulkan
perubahan besar dalam kecepatan reaksi kimia. Agar berat seseorang konstan, maka harus mengkonsumsi makanan yang yang hanya cukup untuk menghasilkan basal plus aktivitas fisik. Ketika seseorang makan terlalu sedikit, maka menyebabkan penurunan berat. Apabila berlanjut dalam jangka panjang, makan terlalu sedikit menyebabkan kelaparan. Tetapi, ketika seseorang makan yang melebihi kebutuhan tubuh akan menyebabkan peningkatan lemak tubuh (berat).
2.3 Kerja dan Daya
Energi kimiawi yang disimpan di tubuh digunakan untuk menunjang fungsi-fungsi yang mempertahankan kehidupan dan diubah menjadi kerja eksternal. Saat seseorang mendaki bukit atau naik tangga maka ia mengeluarkan kerja eksternal. Dalam hal ini, dapat dihitung kerja yang dilakukan dengan mengalikan berat orang tersebut dalam N (W = mg) dengan jarak vertikal (h) yang dijalani dalam m. Saat seseorang berjalan atau berlari dengan kecepatan konstan di permukaan datar, maka sebagian besar gaya bekerja dalam arah yang tegak lurus terhadap gerakan. Kerja eksternal yang dilakukan sama dengan nol (karena W = Fx, dengan F adalah komponen gaya yang sejajar dengan pergeseran, x). Namun, otot di tungkai melakukan kerja internal yang muncul sebagai panas di otot dan menyebabkan peningkatan suhunya. Panas tambahan di otot ini dihilangkan oleh darah yang mengalir melaui otot, oleh konduksi ke kulit, dan oleh keringat.
Efisiensi tubuh manusia diibaratkan sebagai sebuah mesin untuk melakukan kerja eksternal. Sebagai contoh, kita dapat mengukur kerja eksternal yang dilakukan dan daya yang dihasilkan oleh seorang subjek yang mengendarai ergometer, yaitu sepeda statik dengan tingkat resistensi terhadap kayuhan yang dapat diubah-ubah. Dan juga dapat mengukur oksigen yang dikonsumsi selama aktivitas ini. Energi makanan total yang dikonsumsi dapat dihitung karena untuk setiap m3 oksigen yang
Ergometer, suatu sepeda stasioner dengan gesekan yang dapat diseuaikan sehingga dapat dipelajari konsumsi oksigen pada berbagai beban kerja. Salah satu meter menunjukkan daya yang dhasilkan.
Efisiensi ϵ tubuh manusia sebagai mesin adalah:
ϵ =
energi yang dikonsumsikerja yang dilakukanEfisiensi biasanya paling rendah pada daya rendah, tetapi dapat meningkat hingga 20% pada orang yang terlatih dalam aktivitas misalkan bersepeda dan mendayung.
Kapasitas kerja maksimum tubuh bervariasi. Untuk jangka waktu pendek, tubuh dapat melakukan kerja dengan daya yang tinggi, tetapi untuk jangka waktu panjang kemampuannya lebih terbatas. Secara eksperimental telah dibuktikan bahwa pada otot yang bekerja, daya jangka-panjang sebanding dengan laju maksimum konsumsi oksigen. Untuk seorang pria sehat pada keadaan istirahat, konsumsi oksigen biasanya adalah 4 x 10-6
m3/kg berat badan setiap menit. Pada aktivitas maksimum,
konsumsi oksigen biasanya adalah 4 x 10-5 m3/kg (4 ml/kg) berat
badan setiap menit.
Tubuh dapat menyediakan energi untuk daya jangka-pendek dengan mencegah fosfat berenergi tinggi dan glikogen yang menyebabkan defisit oksigen di tubuh. Proses ini hanya dapat berlangsung sekitar satu menit dan disebut fase anaerobik (tanpa oksigen) dan aktivitas jangka-panjang yang memerlukan oksigen (kerja aerobik).
2.4 Transfer Panas atau Alih Panas
Energi panas yang hilang atau masuk ke dalam tubuh melalui kulit ada empat cara, yaitu:
a. Konduksi
Konduksi adalah pemaparan panas dari suatu objek yang suhunya lebih tinggi ke objek lain dengan jalan kontak langsung. Berdasarkan teori kinetis di mana energi kinetis dihantarkan dari satu molekul ke molekul yang lain dengan jalan tabrak sehingga terbentuk panas.
Metode Konduksi
Metode ini merupakan dasar dari sifat fisik kedua benda. Apabila terdapat perbedaan temperatur antara kedua benda maka panas akan ditransfer secara konduksi yaitu dari benda yang lebih panas ke benda yang lebih dingin.
Pemindahan energi panas total tergantung kepada: - Luas daerah kontak
- Perbedaan temperatur - Lama melakukan kontak - Material konduksi panas
Melalui metode konduksi ini dapat berupa: 1) Kantong air panas/botol berisi air panas
Cara ini sangat efisien dalam pengobatan penderita nyeri. Misalnya nyeri daerah abdomen (perut).
2) Handuk panas
Cara ini sangat berhasil apabila pengobatan dilakukan pada daerah otot yang sakit. Misalnya spasme otot, fase akut poliomyelitis.
3) Turkish batsh (mandi uap)
Mandi uap ini sangat populer di masyarakat.Tetapi manfaat dari metode ini belum diketahui dengan pasti. Hanya dikatakan sebagai penyegar atau dikatakan sebagai relaksasi otot.
4) Mud packs (lumpur panas)
Lumpur panas dapat mengkonduksi panas ke dalam jaringan serta dapat pula mencegah kehilangan panas (heat loss).
5) Wax bath (parafin bath)
Dengan cara ini sangat efisien untuk mentransfer panas pada tungkai bawah terutama pada orang tua.
6) Electric pads
Caranya dengan melingkari kawat elemen panas yang dibungkus asbes atau plastik. Untuk amannya dilengkapi dengan termostat.
Dengan metode konduksi ini dapat melakukan pengobatan terhadap penyakit:
- Neuritis - Sprains - Strain - Contusio - Siausitis
- Low back pain b. Konveksi
Aliran konveksi dapat terjadi dikarenakan massa jenis udara panas sangat dingin dibandingkan udara dingin. Konveksi secara alam dapat terjadi oleh karena pemanasan asymetris. Gaya konveksi ini bisa terjadi apabila angin secukupnya mengalir melalui tubuh.
c. Radiasi
Radiasi adalah suatu transfer energi panas dari suatu permukaan objek ke objek lain tanpa mengalami kontak dari kedua objek tersebut. Benda hitam merupakan penyerap radiasi yang baik sehingga disebut radiator. Oleh Planck dikatakan radiasi mempunyai energi.
Metode Radiasi
Metode ini dipergunakan untuk pemanasan tubuh serupa dengan pemanasan dengan sinar matahari atau nyala api.
Sumber radiasi berasal dari: 1) Electric fire, ada dua tipe:
a) Old type fire
Mempunyai daya 750 Watt dengan range radiasi antara merah dan mendekati infra red serta panjang gelombang lebih pendek dari 15.000 A˚. Ini sering dipergunakan pada home treatment. b) Pensil bar tipe
Ini mempergunakan reflektor rektangular dan “shape like acoustic type”.
d. Evavorasi
Evavorasi adalah peralihan panas dari bentuk cairan menjadi uap.
Kehilangan panas lewat evavorasi dapat terjadi apabila: - Perbedaan tekanan uap air
- Temperatur
- Adanya gerakan angin - Adanya kelembapan
2.5 Pengeluaran Panas dari Tubuh
Unggas dan mamalia bersifat homeotermik (berdarah panas), sedangkan hewan lain bersifat poikilotermik (berdarah dingin). Istilah “berdarah panas” dan “berdarah dingin” menyesatkan karena hewan poikilotermik, misalnya kodok atau ular akan memiliki suhu tubuh yang lebih tinggi daripada mamalia pada cuaca panas. Unggas dan mamalia memiliki mekanisme untuk mempertahankan suhu mereka walaupun terjadi fluktuasi dalam suhu lingkungan. Suhu tubuh yang konstan memungkinkan proses-proses metabolisme berjalan dengan kecepatan tetap dan memungkinkan hewan ini tetap aktif walaupun dalam cuaca dingin. Unggas memiliki suhu tubuh yang lebih tinggi daripada manusia, yang membantu mereka meradiasikan panas karena unggas tidak dapat berkeringat.
Karena memiliki suhu konstan, tubuh akan mengandung energi panas simpanan yang pada dasarnya konstan selama kita hidup. Namun, saat aktivitas metabolik terhenti pada kematian, panas simpanan akan menurun dengan kecepatan tertentu sampai tubuh sama dinginnya dengan suhu lingkungan. Oleh karena itu, suhu tubuh pada seseorang yang baru meninggal dapat digunakan untuk memperkirakan saat kematian.
Panas dihasilkan di berbagai organ dan jaringan tubuh; sebagian besar panas dibebaskan melalui permukaan kulit. Hampir semua pengeluaran panas terjadi melaui radiasi, konveksi, dan penguapan (evaporasi) keringat. Selain itu, tubuh juga mengalami pendinginan saat udara inspirasi yang dingin dihangatkan dan udara ekspirasi dilembabkan. Makan makanan dingin atau panas juga dapat mendinginkan atau memanaskan tubuh. Agar dapat mempertahankan suhu mendekati nilai normal, maka tubuh harus memiliki termostat yang lebih baik daripada termostat rumah. Hipotalamus otak memiliki tersmostat tubuh. Apabila suhu ini meningkat, misalnya akibat olahraga berat, hipotalmus akan memicu vasodilatasi, yaitu pembuluh darah di dekat permukaan melebar dan menyalurkan lebih banyak darah dan panas ke kulit. Hal ini meningkatkan suhu kulit sehingga memicu pengeluaran keringat dan pengeluaran panas melalui radiasi. Kedua reaksi ini meningkatkan pengeluaran panas turun di bawah normal, seperti berenang di air dingin, termoreseptor di kulit “memberi tahu” hipotalamus sehingga menyebabkan tubuh menggigil; peningkatan aktivitas otot involunter ini adalah upaya untuk meningkatkan suhu inti.
Apabila ingin mempertahankan suhu tubuh yang konstan, tubuh perlu mengeluarkan panas dengan kecepatan yang setara. Jumlah sebenarnya dari panas yang dikeluarkan melalui radiasi, konveksi, evaporasi keringat, dan bernapas bergantung pada faktor suhu lingkungan, kelembaban, dan gerakan udara. Faktor lainnya adalah aktivitas tubuh, luas tubuh yang terbuka, dan jumlah insulator pada tubuh (busana dan lemak).
Pengeluaran Panas Melalui Radiasi
Semua benda mengeluarkan energi dalam bentuk radiasi elektromagnetik. Secara umum, jumlah energi yang dipancarkan oleh tubuh setara dengan suhu mutlak pangkat empat.
Er =
ϵ A σ T
4E adalah kecepatan energi yang dipancarkan; ϵ adalah emisivitas; A adalah luas, σ adalah konstanta Stefan-Boltzmann, dan T adalah suhu mutlak.Tubuh juga menerima energi radiasi yang diradiasikan oleh tubuh dan energi yang diserap dari radiasi dari sekeliling dapat dihitung dengan mengunakan persamaan sebagai berikut:
Hr = Kr Ar
ϵ (T
s
- T
w
)
Hr adalah kecepatan tubuh kehilangan (atau menerima)
energi akibat radiasi. Ar adalah luas permukaan tubuh
efektif yang memancarkan radiasi,
ϵ
adalah emisivitas permukaan, Ts adalah suhu kulit (C), dan Tw adalah suhudinding sekitar (C). (C) dapat digunakan untuk menggantikan K, karena menghitung ∆T.Kr adalah suatu
konstanta yang bergantung pada berbagai parameter fisik dan besarnya sekitar 2,1 x 104 J(m2 jam C). Emisivitas
ϵ
diregio inframerah tidak bergantung pada warna kulit dan hampir mendekati 1, yang menunjukkan bahwa kulit di panjang gelombang ini merupakan penyerap dan pemancar radiasi yang hampir sempurna.
Pada kondisi normal sekitar separuh energi kita lenyap melaui radiasi, bahkan saat suhu dingin sekitar tidak jauh lebih rendah daripada suhu tubuh.
Pengeluaran Panas Melalui Konveksi
Pengeluaran panas melalui konvenksi (Hr) dapat
diperkirakan dari persamaan berikut: Hc = Kc Ac (Ts - Ta)
dengan Kc adalah parameter yang bergantung pada
gerakan udara, Ac adalah luas permukaan efektif, Ts adalah
suhu kulit, dan Ta adalah suhu udara. Saat tubuh dalam
keadaan istirahat dan tampanya tida terjadi angin, Kc
adalah sekitar 2,3 kkal/(m2 jam C)
Kehilangan panas melalui konveksi lebih besar apabila udara bergerak dibandingkan dengan udara diam. Hal ini mendorong timbulnya konsep wind chill. Suhu yang seseorang “rasakan” pada suatu hari berangin lebih dingin daripada suhu yang terukur. Ramalan cuaca pada musim dingin sering mengutip dua suhu, satu mencerminkan suhu aktual sementara yang lain mencerminkan efek udara disebut suhu wind chill. Sebagai contoh, pada suhu aktual sebesar -20˚C dan kecepatan angi 10 m/dtk (angin kencang), efek pendingingan pada tubuh sama seperti suhu -40˚C tanpa angin.
Faktor Wind Chill Suhu Aktual (C)
30 20 10 0
-10 -20 -30 Kecepatan Suhu wind chill (C) Angin (m/detik) 2 5 10 15 20 30 29 29 29 28 20 17 15 14 13 10 5 1 -1 -2 0 7 -13 -16 -17 -10 -19 -27 -30 -32 -20 -31 -40 45 -48 -30 -43 -54 -60 -63
Pengeluaran Panas Melalui Evavorasi
Metode pengeluaran panas yang paling kita ketahui adalah dengan evavorasi (penguapan). Pada kondisi suhu tubuh normal dan tanpa kerja berat atau olahraga, metode pendinginan ini agak kurang penting dibandingkan dengan pendinginan melalui radiasi dan konveksi.
Sebenarnya, hanya sedikit terjadi pengeluaran panas melalui keringat walaupun tubuh tidak terasa berkeringat. Jumlahnya sekitar 7 kkal/jam, atau 7% dari pengeluaran panas tubuh. Keringat harus keluar dari kulit agar terjadi efek pendinginan; keringat yang menetes pada dasarnya tidak menyebabkan pendinginan. Jumlah yang menguap bergantung pada gerakan udara dan kelembapan relatif.
Pengeluaran panas serupa terjadi karena penguapan butiran air di jalan napas dan paru. Saat kita menghirup udara, udara menjadi jenuh oleh air di paru. Air tambahan yang terdapat di udara ekspirasi membawa keluar panas dalam jumlah yang sama, seperti apabila air tersebut menguap dari kulit. Juga, saat kita menghirup udara dingin, kita menghangatkan udara tersebut sehingga suhunya mencapai suhu tubuh dan kita kehilangan panas. Pada keadaan biasa, pengeluaran panas total melalui pernapasan dalah sekitar 14% dari pengeluaran panas tubuh.
Aliran Darah Vena Membantu Mengendalikan Suhu Kulit Karena radiasi panas dari tubuh dan pemindahan panas ke udara bergantung pada suhu kulit, setiap faktor yang akan memengaruhi suhu kulit juga memengaruhi pengeluaran panas. Tubuh memiliki kemampuan memilih jalur untuk kembalinya darah dari tangan ke kaki. Pada cuaca dingin, darah dikembalikan ke jantung melalui vena-vena internal yang berkontak dengan arteri yang mengangkut darah ke ekstremitas. Dengan cara ini, sebagian panas dari darah yang mengalir ke ekstremitas digunakan untuk menghangatkan darah yang kembali ke jantung. Pertukaran panas counter-current ini menurunkan suhu ekstremitas dan mengurangi pengeluaran panas ke lingkungan. Pada umumnya, panas atau di lingkungan yang hangat, darah vena yang kembali ke jantung mengalir dekat ke permukaan kulit sehingga suhu kulit meningkat dan terjadi peningkatan pengeluaran panas dari tubuh.
Efek Busana ̶̶̶̅─Clo
Suhu kulit normal yang terasa nyaman adalah 34˚C. Suhu ini dapat dipertahankan dengan menyesuaikan busana dengan, clo, yang menyatakan nilai insulatif busana yang dibutuhkan agar subjek merasa nyaman duduk diruangan bersuhu 21˚C (70˚F) dengan kecepatan angin 0,1 m/dtk dan kelembapan kurang dari 50%. Busana dengan nilai insulati satu clo setara dengan busana biasa atau ringan untuk kerja. Dibandingkan dengan busana 1 clo, busana 2 clo menyebabkan seseorang lebih mampu bertahan pada suhu yang lebih dingin.
Seseorang akan memerlukan nilai clo uang lebih besar agar tetap merasa nyaman saat inaktif dibandingkan saat aktif. Kita dapat menentukan busana yang secara optimal menyebabkan rasa nyaman pada beragam suhu, kecepatan angin, dan kelembapan lingkungan untuk berbagai aktivitas fisik.
BAB III PENUTUP
3.4 Kesimpulan
Dari paparan di atas dapat disimpulkan bahwa:
Termofisika adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Proses perpindahan energi pada termodinamika berdasarkan atas dua hukum, yaitu Hukum 1 Termofisika yang merupakan persyaratan hukum kekekalan energi, dan Hukum 2 Termofisika yang memberikan batasan tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.
Energi merupakan hal yang sangat penting, karena dengan adanya energi manusia bisa melakukan berbagai aktivitas. Energi merupakan hal yang sangat penting karena energi merubah aktivitas tubuh menjadi kerja, seperti mengangkat suatu beban.
Transfer panas atau alih panas melalui empat cara, yaitu konduksi, konveksi, evavorasi, dan radiasi. Sedangkan, pengeluaran panas dari tubuh dapat terjadi dalam empat tahap, yaitu radiasi, konveksi, evavorasi, aliran darah vena membantu mengendalikan mengendalikan suhu kulit, dan efek busana─clo.
DAFTAR PUSTAKA
Cameron, John.R, dkk. 2006. Fisika Tubuh Manusia. EGC: Jakarta
