TERMODINAMIKA FISIKA DASAR 1



KATA PENGANTAR


Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan penyusunan makalah ini.
kami telah menyusun makalah ini dengan sebaik-baiknya dan semaksimal mungkin. Namun tentunya sebagai manusia biasa tidak akan luput dari kesalahan dan kekurangan. Harapan kami semoga bisa menjadi koreksi di masa mendatang agar lebih baik dari sebelumnya. Tak lupa kami ucapkan terimakasih kepada bapak dosen fisika dasar 1 DR. Paulus  Lobo Gareso.,M.Sc dan kepada teman-teman sehingga dapat menyusun dan menyelesaikan makalah ini tepat pada waktunya dan insyaAllah sesuai dengan yang diharapkan. Pada dasarnya makalah ini kami sajikan untuk membahas tentang  “TERMODINAMIKA”. Untuk lebih jelas simak pembahasan dalam makalah ini.Mudah-mudahan makalah ini bisa memberikan pengetahuan yang mendalam tentang termodinamika kepada kita semua.
Makalah ini masih banyak memiliki kekurangan.Tak ada gading yang tak retak. Oleh karena itu, kami mengharapkan kritik dan saran dari teman-teman  terutama bapak DR. Paulus Lobo Gareso.,M.Sc untuk memperbaiki makalah kami selanjutnya. Sebelum dan sesudahnya kami ucapkan terimakasih.

                                                                                                            Gowa, 1 november 2015


                                                                                                            Kelompok 6



DAFTAR ISI

 












BAB I

PENDAHULUAN

I.1 Latar Belakang

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani : thermos = panas dan dynamic = perubahan, dengan kata lain termodinamika adalah fisika energy, panas, kerja, entropi, dan kespontanan proses. Secara kompleks termodinamika adalah ilmu tentang energy yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energy panas dan kerja.
Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Baik secara alamimaupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu, energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dimusnahkan atau dihilangkan yang terjadi adalah perubahanenergi dari satu bentuk ke bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya dengan hokum-hukum pertama termodinamikadan kapasitas kalor gas.Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau system yang diteliti.
Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari- hari.Bumi setiap hari menerima energigelombang elektromagnetik dari matahari, dan bumi tersebut berubah menjadi energy panas, energi angin, gelombng laut. Selain itu proses didalam diri  manusia juga merupakan proses konversi energy yang kompleks, dari input energy kimiadalam, maka akan menjadi energy gerak berupa segala kegiatan fisik manusia dan enegrgi yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita.
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 energy yang merubah energy kimia dalam bahan bakar atau sumber energy lain menjadi energy mekanik dalam bentuk gerak ataupun perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa, Pabtik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang  digerakkan oleh mesin pembangkit energy listrik yang menggunakan prinsip kinversi energy panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup , kita memanfaatkan mesin air conditioning, mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prnsip dasar proses termodinamika.



I.2  Ruang lingkup

1.      Pengertian termodinamika ?
2.      Proses-proses termodinamika
3.      Jenis-jenis proses termodinamika.
4.      Hukum termodinamika 1
5.      Hukum termodinamika II

I.3 Tujuan penulisan

Berdasarkan rumusan masalah diatas maka tujuan kami adalah sebagai berikut:
1.      Mengetahui pengertian termodinamika
2.      Mengetahui proses-proses termodinamik
3.      Mengetahui jenis-jenis proses termodinamika.
4.      Mengetahui hukum termodinamika 1
5.      Mengetahui hukum termodinamika II
6.      Mengembangkan materi perkuliahan termodinamika di Fakultas Teknik Prodi Teknik Industri.












BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Pengertian Termodinamika
Termodinamika ( bahasa Yunani : thermos = panas dan dynamic = perubahan ) adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik dimana hubungan termodinamika berasal. Termodinamika merupakan cabang imu fisika yang berkaitan dengan hukum-hukum umum yang berhubungan dengan perubahan kalor menjadi energy bentuk lain dan tentang  penerapan hukum kekalan energy. Ilmu termodinamika adalah ilmu yang menjelaskan hubungan antara panas , kerja mekanik, dan aspek-aspek lain dari energy dan perpindahan energi
Proses termodinamika adalah  jika kita tinjau sebuah gas nitrogen yang dicairkan, dengan melakukan kompresi  terhadap gas tersebut sampai pada tekanan yang sangat tinggi sambil tetap menjaga agar suhu konstan kemudian mengisolasi gas tersebut danmembiarkannya berekspansi. Pada saat berekspansi ke suhu yang lebih dingin itulah gas akan mulai mencair. Proses termodinamika didasarkan pada hukum-hukum termodinamika antara  lain hukumke-nol, hukumpertama dan hukum kedua. Beberapa variable termodinamika yang penting kita kenal sebelum dirumuskannya hukum-hukum termodinamika antara lain adalah :  tekanan (P), Volume (V), suhu (T), Entropi (S), kalor/ panas (Q), kerja (W), dan energy dalam (U). Beberapa konstanta yang lain adalah : kalor jenis ( c ), tetapan gas ( R ) dan lain-lain.
Proses termodinamika yang terjadi pada gas terdiri dari proses isobaric, proses isokorik, proses Isotermal, dan proses adiabatic. Energi selalu berkaitan dengan usaha merupakan hasil perkalian gaya dengan perpindahan
Pada gambar diatas memperlihatkan  penampang air silinder yang di dalamnya terdapat gas piston ( pengisap ). Pistondapat bergerak bebas naik turun. Jika luas piston A dan tekanan gas P, maka gas akan mendorong piston dengan gaya . Oleh karena itu, usaha yang dilakukan adalah . Jika , maka . Dan jika, maka persamaannya menjadi seperti berikut :
atau
Keterangan :
W  = Usaha ( joule )
P   = Tekanan ( N/m2)
V1 = Volume Awal ( m3)
V2 = Volume Akhir ( m3)
1.      Proses Isobarik
Proses yang berlangsung pada tekanan tetap dinamakan proses isobarik. Bila volume gas bertambah, berarti gas melakukan usaha atau usaha gas positif ( proses ekspansi ). Jika volume gas berkurang berarti pada gas dilakukan usaha atau usaha gas negative ( proses kompresi ). Usaha yang dilakukan oleh gas pada proses isobaric besarnya sebagai berikut :
Kita juga dapat menyatakan dW dalam bentuk  persamaan keadaan gas ideal dimana
Kalau dalam proses ini berlangsung secara infitesimal, maka untuk gas yang sedang berekspansi secara isobar itu kita dapatkan sehingga :
                                               
Dengan cvadalah kalor jenis pada volume yang tetap.

2.      Proses Isotermal
Proses isothermal adalah proses yang dialami gas pada suhu tetap. Usaha yang dilakukan gas pada proses ini tidak dapat dihitung dengan persamaan
Hal ini karena tekanannya tidak konstan.Namun , dapat diselesaikan dengan melakukan pengintegralan sebagai berikut:
Ingat 
Karena n, R, dan T konstan, maka persamaannya menjadi sebagai berikut :
3.      Proses Isokhorik
Proses isokhorik adalah proses yang dialami  oleh gas di mana gas tidak mengalamu perubahan volume atau volume tetap (  Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gas pada prosesisokhorik  adalah nol (  )
Jadi pada proses isokhorik system tidak melakukan / menerima kerja terhadap sekelilingnya
4.      Proses Adiabatik
Pada proses isobaric, isothermal, dan isokhorik dipengaruhi oleh lingkungan yaitu menerima atau melepaskan kalor. Proses Adiabatik merupakan proses yang tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari system ( gas ) ke lingkungan ( . Hal ini terjadi apabila terdapat sekat yang tidak menghantarkan kalor atau prosesnya berlangsung cepat. Pada proses adiabatic berlaku rumus poison.
Dengan  merupakan perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap  dan kalor jenis gas pada volume tetap . Selanjutnya,perbandingan ini dinamakan tetapan Laplace
untuk gas ideal, sehingga persamaan adiabatic di atas dapat ditulis dalam bentuk :


 =
Adapun usaha pada proses adiabatic dapat dicari dengan cara sebagai berikut :
Karena , maka
Karena , maka
 (
)
Dalam membahas termodinamika diperlukan suatu batasan agar kajianlebih jelas yaitudengan memisahkan antara sistem dan lingkungan. Sistem merupakan suatu batasan yang dipakiuntuk menunjukkan suatu benda ( benda kerja) dan merupakan pusat perhatian kita dalam suatu permukaan tertutup sedangkan lingkungan merupakan segala sesuatu di luar sistem yang mempengaruhi kelakuan sistem secara langsung
Pada prinsipnya, energy tidak dapat diciptakan atau dimusnakan. Kita hanya dapat mengubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi yang lain. Contoh perubahan bentuk energi adalah energi listrik diubah menjadi energikalor, energi angin diubah menjadi energi mekanik, dan energi mekanik diubah menjadi kalor. Kita telah mendefinisikan bahwa energy dalam merupakan jumlah total semua energy molekul pada system. Energi dalam sistem akan naikjika usaha dilakukan padanya atau kalor ditambahkan pada sistem. . Energi  dalam akan menurun jika kalor keluar dari sistem atau usaha dilakukan oleh sistem pada yang lainnya. Dalam hal ini, berarti hukum kekekalan energi sangat masuk akal untuk mengemukakan hukum pada perubahan energi.Hukum-hukum termodinamika membahas tentang hukum kekekalan energy antara sistem ke lingkungan.
Hubungan antara kalor yang diterima atau dilepaskan suatu sistem, usaha yang dilakukan pada sistem, serta perubahan energi dalam sistem yang ditimbulkan oleh kalor dan usaha tersebut dijelaskan dalam hukum pertama termodinamika.
Hukum termodinamika Imenyatakan bahwa “ jumalah kalor pada suatu sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut dtiambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem.”
Energi dalam sistem adalah jumlah total semua energi molekul yang ada di dalam sistem. Apabila sistem melakukan usaha atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan maka energi dalam sistem akanberkurang jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan atau sistem member kalor pada lingkungan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa perubahan energi dalam pada sistem tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan sistem.
Adapun rumus Hukum Termodinamika I
Dari bunyi hukum termodinamika I, maka rumus hukum Termodinamika I dapat dituliskan sebagai berikut :

Dimana :
 = Perubahan energi dalam sistem ( Joule )
Q   = Kaloryang diterima / dilepas sistem ( Joule )
W  = Usaha ( Joule )
Perjanjian tanda yang berlaku untuk rumus di atas dan gambar Hukum Termodinamika I tersebut adalah sebagai berikut :
1.      Usaha (W) bernilai positif (+) jika sistem melakukan usaha
2.      Usaha (W) bernilai negatif (-)  jika sistem menerima usaha
3.      Q bernilai negatif jika sistem melepas kalor
4.      Q bernilai positif jika sistem menerima kalor
Hukum Termodinamika II diilhami oleh hukum Termodinamika I. Hukum  TermodinamikaI merupakan hukum kekekalan energy, yang menyatakan energy bersifat kekal energy tidak dapat diciptakan dan energy tidak dapat dimusnakan. Menurut hukum kekekalan energy kita boleh mengubah energy panas menjadi bentuk energy lain sesuka hati kita dengan syarat memenuhi hukum kekekalan energy tersebut. Tetapi pada kenyataannya tidak demikian, kita tidak dapat mengubah satu bentuk energi menjadi  bentuk energi yang lain. Sebagai contoh jika kita menjatuhkan sebuah bola dari ketinggian tertentu. Sesaat sebelum bola dijatuhkan , bola mempunyai energy potensial  ketika bola bergerak ke bawah energy potensialnya berkurang dan energy kinetik bola bertambah. Ketika bola menyentuh permukaan tanah energi potensial bola bernilai nol, energy kinetik bola berubah menjadi energi panas dan energi bunyi. Sekarang jika proses tersebut kita balik bola tersebut kita panaskan sehingga bola mempunyai energy panas.
Apakah energy panas tersebut dapat berubah menjadi energi kinetik yang menyebabkan bola bergerak ke atas sampai pada ketinggian tertentu sehingga boal mempunyai energy potensial ?hal tersebut tentu tidak akan menjadi walau kita sudah memanaskan besi hingga suhu maksimum. Peristiwa tersebut menunjukkan kepada kita bahwa proses perubahan bentuk energy bersifat Irreversibel. Artinya proses perubahan tersebut hanya terjadi dalam satu arah saja.
Hukum Termodinamika II berbunyi “ panas mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, dan panas tidak dapat mengalir secara spontan dari benda yang bersuhu rendah menuju benda yang bersuhu tinggi”.
Dalam pengertian yang abstrak maka hukum termodinamika II menurut versi Planck Kelvin “, tidakmungkin membangun suatu mesin yang bekerja dalam satu siklus denga mengambil panas dari satu reservoir dan menghasilkan kerja sebesar panas yang diambil”.Pernyataan menurut versi Clausisus “, Tidak mungkin membangun suatu mesin yang beroperasi dalam satu siklus dengan hanya melalui transfer panas dari benda dingin ke benda yang panas”.
Dengan demikian kesimpulan kedua pernyataan hukum Termodinamika II di atas menjadi “ mustahil mebuat sebuat mesin kalor yang mengubah panasnya seluruhnya menjadi kerja (tanpa ada kalor yang terbuang), yaitu mesin dengan efisiensi termal 100 %”.
1.      Mesin Kalor
Mesin kalor adalah alat yang mengubah energy termal menjadi usaha mekanik, seperti mesin uap dan mesin mobil.Prinsip kerja suatu mesin kalor adalah bagaimana mengambil kalor dari sebuah sumber dan mengubahnya sebanya mungkin mejadi kerja atau energy mekanik.Seluruh mesin kalor menyerap panas dari sumber pada suhu yang relative tinggi, melakukan sejumlah mekanik, dan membuang atau mengeluarkan sejumlah panas pada suhu yang lebih rendah.
Semua mesin kalor yang bekerja menghasilkan kerja (W) dengan mengkonversi kalor dari sumber kalor yang lebih tinggi (Qh) pasti akan membuang sebagian kalor ke reservoir kalor yang lebih rendah temperaturenya  Artinya tidak semua kalor dapat diubah menjadi kerja, pasti ada kebocoran dan kerugian yang disebut efisiensi.
Contoh : Sebuah motor bakar bensin membakar campuran udara dan bahan bakar dan menghasilkan kalor. Energi kalor ini tidak semuanya dapat diubah oleh mesin  menjadikerja ( putaran poros ), tetapi pasti ada sebagian yang dibuang ke lingkungan sekitar melalui mesin dan sisa gas buang. Proses konversi energy pada motor bakar menurut hukum kedua termodinamika dapat digambarkan sebagai berikut.
Efisiensi sistem dapat dihitung dengan membandingkan kerja yang dihasilkan dengan kalor yang diberikan atau dapat ditulis secara matematis :
2.      Efisiensi Mesin Menurut Daur Carnot
 

Terdapat dua reservoir yangdihubungkan oleh mesin, dimana reservoir atas adalah suhu panas yang bersuhu T1fungsinya mengalirkan panas Q1 menuju mesin (saat panas masuk ke dalam mesin, suhu mesin harus juga T1), panas yang diterima oleh mesin tidak sepenuhnya  dirubah dalam bentuk kerja (W), tetapi terdapat sejumlah panas yang terbuang Q2 dan diserap oleh reservoir dingin (saat panas keluar dari mesin suhu , mesin juga harus T2) Dari skema diatas maka efisiensi mesin carnot dapat dirumuskan sebagai berikut :
=  =
3.      Entropi
Konsep entropi digunakan untuk mengimbangi konsep ketidakteraturan molekul benda baik terhadap kecepatan rata-ratanya maupun keacakan gerakannya akibat aliran panas irreversible. Jika ditambahkan panas  dQ pada gas yang berekspansi pada suhu konstan sehingga energy didalamnya juga konstan, maka dari hukum termodinamika pertama kerja yang terjadi adalah :
Fraksi perubahan volume dari  merupakan ukuran naiknya ketidakteraturan , dimana konsep ketidakteraturan tidak lain didefinisikan sebagai entropi (S) satuannya J/K sehingga perubahanentropi sangat kecil (dS) selama proses reversible yang sangat kecil pada suhu T dituliskan sebagai :
Secara umum , define perubahan entropi mencakup proses reversible apapun dari satu keadaan ke keadaan yang lainnya. Sehingga bila dilakukan integrasi terhadap proses perubahan keadaan, maka perubahan entropi sistem ( untuk gas ideal ) adalah :
Maka bila sistem berubah dari keadaan 1 ke 2 dapat ditulis :



1.      Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!
(1 atm = 1,01 x 105 Pa)

Pembahasan
diketahui:
V2 = 4,5 m3
V1 = 2,0 m3
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Isobaris → Tekanan Tetap
ditanya :
W=……?
Penyelesaian:
W = P (ΔV)
W = P(V2 − V1)
W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule

2.       1,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar....

Pembahasan
diketahui:
V1 = 1,5 m3
T1 = 27oC = 300 K
T2 = 87oC = 360 K
P = 2 x 105 N/m2
ditanyakan:
W=…..?
Penyelesaian :
W = PΔV
Mencari V2 :
V2/T2 = V1/T1
V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3
W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ

3.      2000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

Pembahasan
diketahui:
n = 2000/693 mol
V2 = 5 L
V1 = 2,5 L
T = 27oC = 300 K
ditanyakan :
W=……?
Penyelesaian:
Usaha yang dilakukan gas
W = nRT ln (V2 / V1)
W = (2000/693 mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( 5 L / 2,5 L )
W = (2000/693) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule



4.      Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah....

Pembahasan
Diketahui :
Tr = 400k
Tt = 600 k
Q1 =600k
Ditanyakan :
W =……?
Penyelesaian:
η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %
Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan
η = ( 1 − 400/600) = 1/3
η = ( W / Q1 )
1/3 = W/600
W = 200 J
5.      Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya.....%


Pembahasan
diketahui:
η = 40% = 4 / 10
Tt = 400 K
ditanyakan:
η =…..?
penyelesaian:
Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:
η = 1 − (Tr/Tt)
4 / 10 = 1 − (Tr/400)
(Tr/400) = 6 / 10
Tr = 240 K

Data kedua :
Tt = 640 K
Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama)
η = ( 1 − Tr/Tt) x 100%
η = ( 1 − 240/640) x 100%
η = ( 5 / 8 ) x 100% = 62,5%






Berdasarkan pembahasan sebelumnya, kita dapat menyimpulkan bahwa  :
Termodinamika adalah  cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. 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. Adapun proses termodinamika antara lain proses isobaric, isochoric,isothermal dan adiabatic.
Hukum termodinamika I merupakan hukum yang terkait dengan kekekalan energy. Hukum ini menyatakan perubahan dari suatu system termodinamika tertutup sama dengan jumlah total jumlah energy kalor yang disuplai ke dalam system dan yang dilakukan terhadap system
Hukum termodinamika II berbunyi “ panas mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, dan panas tidak dapat mengalir secara spontan dari benda yang bersuhu rendah menuju benda yang bersuhu tinggi”.




http://fisikazone.com/proses-termodinamika.html,Diakses Minggu, 1 November 2015 Pukul 10.00 WITA
http://www.informasi-pendidikan.com/2015/02/hukum-I-termodinamika.html,Diakses Minggu, 1 November 2015 Pukul 10.00 WITA
http://seputarpendidikan.blogspot.com/2015/02/hukum-II-termodinamika.html,Diakses Minggu, 1 November 2015 Pukul 10.15 WITA
Tim Penyusun Fisika Dasar. 2003 .Fisika Dasar 1. Makasar : UNHAS

Komentar

Postingan populer dari blog ini

20 USUL DAKWAH

4 PIKIR NABI

KEHIDUPAN DAN TAMSILAN RAJA