ANALISIS CONTOH SISTEM TERMODINAMIKA
DAN HUKUM I TERMODINAMIKA
Mata Kuliah :
Termodinamika
Dosen Pengampu :
Dr. Ayi Syaeful Bahri, S.Si, M.T.
Disusun Oleh :
Ahmad Qomaruddin Arsyadi
3713100019
JURUSAN TEKNIK GEOFISIKA
FAKULTAS TEKNIK SIPIL DAN PERENCANAAN
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA
2015 / 2016
ANALISIS CONTOH SISTEM TERMODINAMIKA
Termodinamika berasal dari dua kata yakni Thermal yang berarti berkaitan
dengan panas dan Dinamika yang berarti berkaitan dengan pergerakan. Termodinamika
adalah kajian mengenai hubungan panas, kerja, dan energy dan secara khusus
perubahan panas menjadi kerja serta segala perubahan-perubahan yang diakibatkannya
terhadap sistem yang ada. Kalor atau panas disebabkan karena adanya perbedaan suhu
yang mana akan berpindah dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat yang bersuhu
rendah. Dengan kata lain, kalor merupakan salah satu bentuk perpindahan (transfer)
energi. Usaha merupakan perpindahan energi. Dalam termodinamika, sistem
didefinisikan sebagai segala sesuatu atau kumpulan benda yang ditinjau dan
diperhatikan. Sementara segala sesuatu di luar sistem disebut lingkungan. Serta yang
memisahkan sistem dan lingkungan disebut dengan batas.
Berdasarkan sifat interaksi antara sistem dan lingkungan, sistem dibedakan
menjadi :
a) Sistem Terbuka, sistem yang dinding pembatasnya dapat dilewati oleh partikel
dan energi. Sebagai contoh, air dalam gelas terbuka. Ketika terjadi kesetimbangan
jumlah energy yang masuk dan keluar serta kesetimbangan jumlah partikelyang
masuk dan keluar, maka sistem dan lingkungan memiliki nilai temperatur T dan
potensial kimia µ yang sama. Variabel keadaan untuk sistem ini adalah (T; V; µ).
b) Sistem Tertutup, adalah sistem yang dinding pembatasnya tidak dapat dilewati
oleh partikel tetapi masih dapat dilewati energi panas. Sistem semacam ini
memiliki nilai jumlah partikel N dan volume yang tetap V, tetapi energi tidak lagi
menjadi variabel keadaan yang konstan. Sebagai gantinya, ketika terdapat
kesetimbangan jumlah energi yang keluar dan masuk sistem, sistem dan
lingkungan memiliki nilai temperatur yang sama T. Variabel keadaan untuk
sistem ini adalah (N; V; T).
c) Sistem Terisolasi, adalah sistem yang dinding pembatasnya tidak dapat dilewati
oleh partikel dan energi. Tidak ada pertukaran partikel maupun energi antara
sistem dan lingkungan. Sistem semacam ini dicirikan dengan nilai total energi E,
jumlah partikel N dan volume V yang tetap. Dalam realitanya sistem semacam ini
tidak ada, tetapi sembarang sistem yang dindingnya sulit ditembus energi maupun
partikel (seperti termos) dapat didekati sebagai sistem terisolasi. Variabel keadaan
untuk sistem ini adalah (E; V; N).
Tugas yang pertama yakni membuat sebuah contoh sistem termodinamika dan
kemudian ditentukan termasuk dalam jenis sistem apa, memiliki batas sistem apa dan
bagaimana interaksi sistem dengan lingkungan.
Salah satu peralatan dalam kehidupan sehari – hari yang memanfaatkan ilmu
termodinamika ini adalah Rice cooker. Rice cooker merupakan peralatan rumah tangga
yang digunakan untuk memasak dan menghangatkan nasi. Rice cooker mengubah
energi listrik menjadi energi panas. Rice cooker bekerja dengan memanipulasi tekanan.
Ketika menanak nasi dengan cara biasa air akan mendidih pada suhu 100⁰C, tetapi tidak
demikian dengan rice cooker.
Seperti yang telah disebutkan di atas bahwa rice cooker memanipulasi tekanan,
hal ini karena rice cooker mempunyai suatu lubang dan jika lubang tersebut dibuka
tekanan eksternal rice cooker akan sama dengan tekanan udara di luar. Jika lubang
ditutup menggunakan katup tekanan udara di dalam rice cooker akan berbeda dengan
titik didih cairan. Kondisi ini menyebabkan uap air hanya berada di dalam rice cooker.
Massa katup menyebabkan tekanan semakin tinggi sehingga kesetimbangan antar fase
juga akan berubah yang menyebabkan terbantuknya titik didih baru. Massa tutup katup
menentukan tekanan di dalam ruang pressure cooker, karena lubang katup akan
membiarkan uap air keluar ketika tekanannya telah mencapai titik tertentu. Untuk
mengurangi kelebihan tekanan pada rice cooker katup akan mengeluarkan uap air.
Ketika dipahami lebih lanjut, proses yang terjadi pada rice cooker ini merupakan
massa atur atau Sistem Tertutup. Jumlah partikel dan volume dalam sistem ini tetap,
atau bisa dikatakan massanya tetap. Perubahan hanya diberikan pada tekanan di dalam
sistem sehingga terdapat kesetimbangan jumlah energy yang masuk dan keluar dari
sistem ke lingkungan. Batas dalam sistem rice cooker dengan lingkungan ialah satu
wadah rice cooker dengan katup tekanan udara. Interaksi antara sistem di dalam rice
cooker dengan lingkungan terjadi ketika katup tekanan udara terjadi buka-tutup.
Interaksi yang terjadi yakni penyetabilan tekanan di dalam rice cooker dengan tekanan
udara di luar. Penyetabilan ini berfungsi untuk menjaga agar massa di dalam rice cooker
tetap sama karena jumlah partikel dan volumenya harus dijaga.
HUKUM I TERMODINAMIKA
Jika suatu gas dengan volume tetap dipanaskan, maka suhu gas bertambah.
Akibat kenaikan suhu ini, molekul-molekul gas bergerak lebih cepat yang
mengakibatkan tumbukan antara molekul dengan dinding lebih banyak. Tumbukan ini
menyebabkan tekanan gas bertambah. Selain tekanan yang bertambah besar, energi
kinetik gas juga meningkat. Dengan pertambahan energi kinetik berarti energi dalam
gas juga bertambah. Untuk menaikkan suhu gas, sehingga mempunyai suhu tertentu,
diperlukan sejumlah kalor (Q). Jika sejumlah kalor ditambahkan pada sistem, maka
energi kalor akan digunakan untuk melakukan usaha. Namun, tidak semua energi kalor
digunakan untuk usaha. Jadi, jumlah kalor yang diterima sistem digunakan untuk
menambah energi dalam sistem dan untuk melakukan usaha. Pemberian kalor pada
suatu sistem, akan menambah energi dalam sistem (U). Banyaknya kalor yang
diperlukan untuk menaikkan energi dalam sebesar ∆U dan melakukan usaha sebesar W
dapat dicari dengan persamaan :
Q=∆ U +W
Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa besarnya kalor yang masuk sistem
akan digunakan untuk meningkatkan energi dalam sistem dan sisanya lagi digunakan
untuk melakukan usaha.
Namun ada batasan untuk rumus ini yakni jika sejumlah kalor ditambahkan pada
sistem (kalor memasuki sistem), maka Q bernilai positif (+Q). Sementara, jika sejumlah
kalor dikurangi (kalor keluar dari sistem), maka Q bernilai negatif (-Q). Dan jika sistem
melakukan usaha, W bernilai positif (+W). Sementara jika pada sistem dilakukan usaha
(sistem menerima usaha), W bernilai negatif (-W).
Dalam kehidupan sehari-hari, banyak peristiwa yang berhubungan dengan
Hukum I Termodinamika, sebagai contoh adalah peristiwa di dalam mesin. Sebelum
dapat melakukan usaha, sistem tersebut harus dipanaskan terlebih dahulu. Hal inilah
yang menjadi salah satu alasan orang-orang memanaskan motornya terlebih dahulu
sebelum digunakan. Dengan adanya pemanasan terlebih dahulu, maka energi dalam gas
akan meningkat dan stabil, sehingga usaha yang dihasilkan lebih besar dan lancar.
Secara garis besar, proses-proses termodinamika dibagi menjadi 4 macam, yaitu
isotermik,
isokhorik,
isobarik, dan
adiabatik.
a. Isothermik
Hukum Boyle menyatakan bahwa pada suhu konstan, tekanan gas berbanding
terbalik dengan volumenya. Keadaan yang sesuai dengan Hukum Boyle disebut
isotermik. (Isotermal). Jadi, proses isotermik adalah proses perubahan keadaan sistem
pada suhu tetap. Menurut Hukum Boyle, pada proses ini berlaku persamaan berikut.
PV = konstan
Suhu pada proses isotermik dipertahankan tetap, sehingga ∆T = 0. Berdasarkan
persamaan perubahan energi dalam (∆U = Q - W ), diperoleh bahwa usaha yang
dilakukan sama dengan jumlah kalor yang diberikan. Jadi, pada proses isotermik
berlaku persamaan berikut.
(∆U = 0) dan Q = W
b. Isokhorik
Setelah membahas proses termodinamika pada suhu tetap, sekarang kita akan
membahas proses pada volume tetap. Hukum yang menjelaskan perilaku gas pada
volume tetap adalah Hukum Gay Lussac. Menurut hukum Gay Lussac, jika volume
dijaga konstan, maka tekanan gas akan berbanding lurus dengan suhu gas. Keadaan gas
jika volumenya dibuat tetap disebut keadaan isokhorik. Sementara proses perubahan
sistem pada volume tetap disebut proses isokhorik.
Pada proses isokhorik, sistem tidak mengalami perubahan volume, walaupun
sejumlah kalor memasuki atau keluar sistem. Ini memberikan pengertian bahwa sistem
tidak melakukan atau menerima usaha. Dengan kata lain, usaha yang dilakukan sistem
atau yang dilakukan lingkungan pada sistem sama dengan nol (W = 0). Jadi, pada
proses isokhorik berlaku persamaan:
W = 0 dan (∆U = Q)
c. Isobaric
Proses isobarik merupakan proses perubahan sistem pada tekanan tetap.
Jika sejumlah kalor diberikan kepada sistem dengan tekanan tetap, volumenya akan
bertambah seiring pertambaham kalor yang masuk. Ini berarti sistem melakukan usaha.
Berdasarkan uraian tersebut, pada proses isobarik berlaku persamaan:
W = P AV
W = P (V2 – V1)
Perubahan energi dalam sistem dinyatakan dengan persamaan berikut.
∆U = Q – W
d. Adiabatic
Proses adiabatik adalah proses perubahan sistem tanpa ada kalor yang
masuk atau keluar dari sistem. Walaupun tidak ada kalor yang masuk atau keluar,
tetapi suhunya tidak tetap. Proses adiabatik dapat dilakukan dengan cara menutup
sistem serapat-rapatnya, sehingga tidak ada pertukaran kalor dengan lingkungan.
Contoh alat yang dapat menjelaskan proses adiabatik adalah termos. Bagian dalam
termos terbuat dari selubung kaca yang bagian dalamnya hampa udara. Selubung kaca
ini dilapisi dengan lapisan logam yang tipis dengan tujuan untuk memantulkan panas.
Dengan kontruksi seperti ini, tidak terjadi pertukaran kalor dengan lingkungan.
Pada proses adiabatik berlaku persamaan:
P.V = konstan P1.V1 = P2.V2
Pada proses adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar. Jadi, pada proses
adiabatik berlaku persamaan berikut :
Q = 0
∆U = -W
(sistem melakukan usaha)
Penerapan Konsep Hukum I Termodinamika salah satunya pada Balon Udara.
Balon Udara merupakan salah satu alat transportasi udara yang digunakan sebelum
ditemukannya pesawat terbang. Balon udara diterbangkan ke udara salah satunya
dengan dilakukan pemanasan. Secara garis besar, balon udara terdiri atas tiga bagian
yakni (1) Envelope, (2) Burner dan (3) Basket.
Envelope yang bentuknya berupa kantong kantong balon tempat udara
dipanaskan atau gas hidrogen yang berfungsi mengangkat balon udara dari ladasannya.
Biasanya terbuat dari bahan nilon atau yang lebih sederhana dari kertas minyak. Untuk
memperkuatnya balon bisa di beri panel- panel anyaman dan bahan sebaiknya dilapisi
anti api (skirt). Burner merupakan alat yang yang berfungsi untuk memanaskan udara
yang ada dalam balon. Alat ini juga berfungsi sebagai pengatur tekanan udara agar
dapat terbang dengan ketinggian yang diinginkan. Basket atau keranjang merupakan
tempat penumpang mengendalikan balon udara atau penumpang yang menikmati
penerbangan balon udara. Basket dibuat dari bahan yang ringan dan lentur dan terletak
di bawah kantung udara.
Pada dasarnya
prinsip kerja balon udara
sangat sederhana yaitu
“dengan cara
memanaskan udara di
dalam balon agar lebih
panas dari udara diluar”
(Howstuff. 2008).
Dilakukan pemanasan
bertujuan untuk membuat
berat balon udara
menjadi ringan dan bisa
terangkat. Selanjutnya
dilakukan terus
pemanasan untuk
menjaga kestabilan
tekanan atau dalam hal
ini dijaga agar
tekanannya tetap sama
sesuai dengan proses Isokhorik.
Dalam tekanan yang sama, ketika udara dipanaskan maka udara akan memuai
dan membuat partikelnya lebih renggang sehingga envelope bisa terisi dengan penuh.
Renggangnya partikel udara di dalam envelope ini mengakibatkan berat di dalamnya
menjadi lebih ringan daripada udara di luar. Sehingga balon udara bisa terbang ke
angkasa. Pada balon udara yang diisi dengan udara panas, agar balon udara dapat
terbang maka di dalam envelope dipanaskan dengan burner dengan temperatur sekitar
100oC. Udara panas ini akan terperangkap di dalam envelope. Karena udara panas
memiliki massa jenis yang lebih kecil daripada udara biasa, maka membuatnya lebih
ringan sehingga balon udara pun akan bergerak naik di dorong oleh udara yang
bertekanan lebih kuat.
Untuk mendarat, udara didinginkan dengan cara mengecilkan burner. Udara
yang mulai mendingin di dalam envelope membuat balon bergerak turun. Untuk
mempercepatnya, pilot akan membuka katup parasut (parachute valve) sehingga udara
di dalam envelope lebih cepat dingin.