Perubahan Fasa Air Akibat Efek Termodinamika

(1)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

Tresna Mustikasari (140310100040) Page 1

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]

(2)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(3)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(4)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(5)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(6)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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]

(7)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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]

(8)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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).

(9)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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,

(10)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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 o

C maupu K dapat digunakan. 2.4 Hukum Termodinamika

(11)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(12)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(13)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(14)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(15)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(16)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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)

(17)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(18)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(19)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(20)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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 CO

2.

Zat murni bisa terdiri dari satu elemen kimia (N

2 ) 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.

(21)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(22)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(23)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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. T

(24)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

 Diagram T-v

Gambar 3.1 Diagram T- v perubahan fase zat murni (air) pada berbagai variasi tekanan

T

sat = Saturation temperature , temperatur saat zat murni berubah phase pada tekanan tertentu.

P

sat = 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 = 374,14 o C ; P cr = 22,09 MPa. ; vcr = 0,003155 m 3

/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.

(25)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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

(26)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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)

(27)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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.

(28)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

 Diagram P-v-T

(29)

Perubahan Fasa Air Sebagai Efek dari Termodinamika

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:

(30)