Modul 3 - FISIKA [PDF]

Citation preview

DAR2/Profesional/184/3/2019



PENDALAMAN MATERI FISIKA



MODUL 3: FLUIDA DAN TERMODINAMIKA Penulis: Prof. Dr. Paul Suparno, S.J., M.S.T.



KEMENTRIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019



KATA PENGANTAR Kami ucapkan puji syukur kepada Tuhan yang Maha Kuasa dan Maha Kasih, yang telah memberkati kita semua sehingga Modul Fisika ini dapat diselesaikan dengan baik dan dapat digunakan oleh peserta PPG untuk mendalami bidang fisika. Secara keseluruhan Modul Fisika ini terdiri dari 6 Modul yaitu: (1) Kinematika, (2) Dinamika, (3) Fluida dan Termodinamika, (4) Gelombang dan Optik, (5) Listrik dan Magnet, serta (6) Fisika Modern. Modul yang sekarang ini kita pegang adalah Modul Ke 3 tentang Fluida dan Termodinamika. Modul ini terdiri dari 4 KB yaitu: 1) Fluida, 2) Suhu dan Kalor, 3) Gas Ideal, dan 4) Hukum Termodinamika. Modul ini diperuntukkan bagi para peserta PPG yang mempelajari bidang fisika untuk mendapatkan sertifikasi sebagai guru fisika di SMA/SMK. Harapan kami bahwa para peserta PPG dapat sungguh menguasai materi modul ini sehingga nantinya dapat membantu siswa-siswi SMA/SMK menguasai bahan fisika yang dipelajari dengan benar. Dengan bantuan yang tepat itu diharapkan nantinya akan banyak siswa yang tertarik dan senang untuk menekuni bidang fisika lebih lanjut. Semoga modul ini dapat membantu kemajuan guru fisika di Indonesia dan akhirnya juga ikut membantu perkembangan pendidikan di Indonesia terutama dalam bidang fisika. Akhirnya kami mengucapkan banyak terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu terselesainya penyusunan modul dan pirantinya ini. Kepada para penyusun modul, para pengembang media, dan staf yang ikut bekerja keras kami haturkan terima kasih. Kepada Prodi Pendidikan Fisika, FKIP, USD kami ucapan terima kasih karena telah memberikan kesempatan dan waktu untuk mengerjakan modul ini. Khususnya kepada Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan yang telah mensponsori dan mempercayai kami untuk menyusun modul ini, kami ucapkan banyak terima kasih. Semoga berkat dan karunia Allah menyertai Anda semua. Jakarta, 1 November 2019 Penyusun



ii



DAFTAR ISI KATA PENGANTAR ................................................................................... ii Daftar Isi ....................................................................................................... iii Daftar Gambar .............................................................................................. vi Modul 3 KB 1. ............................................................................................... 1 A. Pendahuluan ........................................................................................... 2 B. Inti ........................................................................................................... 2 1. Capaian Pembelajaran ..................................................................... 2 2. Pokok-pokok Materi ........................................................................ 2 3. Uraian Materi................................................................................... 2 3.1. Massa Jenis .......................................................................... 3 3.2. Tekanan pada Fluida Diam .................................................. 5 3.3. Hukum Pascal .................................................................... 11 3.4. Terapung, Melayang, dan Tenggelam ............................... 14 3.5. Tegangan Permukaan......................................................... 18 3.6. Aliran Fluida ...................................................................... 20 4. Forum Diskusi ............................................................................... 25 C. Penutup ................................................................................................. 25 1. Rangkuman .................................................................................... 25 2. Tes Formatif .................................................................................. 26 Daftar Pustaka .............................................................................................. 29 Modul 3 KB 2. ............................................................................................. 31 A. Pendahuluan ......................................................................................... 32 B. Inti ......................................................................................................... 32 1. Capaian Pembelajaran ................................................................... 32 2. Pokok Materi ................................................................................. 33 3. Uraian Materi................................................................................. 33 3.1. Suhu dan Kalor .................................................................. 33 3.2. Pengaruh Kalor pada Zat ................................................... 40 3.3. Perpindahan Panas (Transfer Panas) ................................. 49



iii



4. Forum Diskusi ................................................................................ 55 C. Penutup ................................................................................................. 56 1. Rangkuman .................................................................................... 56 2. Tes Formatif ................................................................................... 56 Daftar Pustaka .............................................................................................. 60 Modul 3 KB 3. ............................................................................................. 63 A. Pendahuluan .......................................................................................... 64 B. Inti ......................................................................................................... 64 1. Capaian Pembelajaran .................................................................... 64 2. Pokok Materi .................................................................................. 65 3. Uraian Materi ................................................................................. 65 3.1. Gas Ideal dan Gas Sejati .................................................... 65 3.2. Persamaan keadaan Gas Ideal ............................................ 66 3.3. Laju rata-rata molekul gas ideal (Teori Kinetik Gas) ........ 71 3.4. Usaha, Energi Dalam, dan Azas bagi rata-rata energi gas ideal .................................................................................... 74 4. Forum Diskusi ................................................................................ 79 C. Penutup ................................................................................................. 79 1. Rangkuman .................................................................................... 79 2. Tes Formatif ................................................................................... 80 Daftar Pustaka .............................................................................................. 83 Modul 3 KB 4. ............................................................................................. 85 A. Pendahuluan .......................................................................................... 86 B. Inti ......................................................................................................... 87 1. Capaian Pembelajaran .................................................................... 87 2. Pokok Materi .................................................................................. 87 3. Uraian Materi ................................................................................. 87 3.1. Hukum Termodinamika Nol .............................................. 87 3.2. Hukum Termodinamika I ................................................... 89 3.3. Mesin Carnot ...................................................................... 93



iv



3.4. Mesin Pendingin, Pemanas, dan Koefisien Performa Mesin 98 3.5. Hukum Termodinamika II ............................................... 101 3.6. Penggunaan Hukum Termodinamika Dalam Kehidupan Sehari-hari........................................................................ 103 4. Forum Diskusi ............................................................................. 104 C. Penutup ............................................................................................... 105 1. Rangkuman .................................................................................. 105 2. Tes Formatif ................................................................................ 106 Daftar Pustaka ............................................................................................ 110 Tugas Akhir ............................................................................................... 110 Tes Sumatif ................................................................................................ 111 Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 1 ............................................. 119 Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 2 ............................................. 119 Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 3 ............................................. 120 Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 4 ............................................. 120 Kunci Jawaban Tes Sumatif ...................................................................... 120



v



DAFTAR GAMBAR Gambar 1.1. Kolom air dengan luas penampang pada ketinggian ℎ. .................. 6 Gambar 1.2. Kolom air dengan luas penampang 𝐴 setinggi ℎ𝐴 dan luas penampang 𝐵 setinggi ℎ𝐵. ............................................................... 7 Gambar 1.3. Bendungan Gajah Mungkur, Wonogiri, Jawa Tengah (sumber: Nativeindonesia.com) .................................................................... 10 Gambar 1.4. Fluida di dalam bejana tertutup. Bila salah satu lengan bejana diberi gaya sebesar F sehingga mengalami pertambahan tekanan, maka pertambahan tekanan ini akan diteruskan ke segala arah. ............. 11 Gambar 1.5. Silinder yang tercelup seluruhnya ke dalam fluida ........................ 14 Gambar 1.6. Keadaan benda yang tercelup ke dalam fluida, terapung, melayang, dan tenggelam. ............................................................................... 16 Gambar 1.7. Gambar daun yang tidak tenggelam ke dalam air dan gambar embun ........................................................................................................ 18 Gambar 1.8. (a) Gambar partikel-partikel air (perbandingan gaya yang dialami partikel permukaan (merah) dengan partikel lainnya (biru)) dan (b) partikel air di dalam bejana (anak panah merah merupakan gaya tarik molekul air dengan bejana) ............................................................ 19 Gambar 1.9. (a) permukaan cairan yang adhesinya lebih kuat dibanding kohesi. (b) permukaan cairan yang kohesinya lebih kuat dibanding adhesi. ........................................................................................................ 20 Gambar 1.10. Air di atas daun talas (saintif.com) dan gambar air di atas permukaan kaca (pixabay.com). ....................................................................... 20 Gambar 1.11. Fluida yang bergerak melalui pipa dengan luas penampang yang berbeda ........................................................................................... 21 Gambar 1.12. Fluida yang mengalir ..................................................................... 23 Gambar 2.1. Termometer Celcius (Serway, hal. 508; dan Google.com) ............ 34 Gambar 2.2. Perbandingan skala termometer (Google.com).............................. 35 Gambar 2.3. Beberapa bentuk termometer air raksa (Google.com) ................... 35 Gambar 2.4. Pengertian 1 kalori (Suparno, 2009: 33) ........................................ 37 Gambar 2.5. Percobaan Joule ............................................................................. 38



vi



Gambar 2.6. Wujud benda (Google.com) .......................................................... 45 Gambar 2.7. Perubahan wujud 3 zat (google.com) ............................................ 46 Gambar 2.8. Perubahan wujud 4 zat (google.com) ............................................ 46 Gambar 2.9. Grafik hubungan kalor, suhu, dan wujud zat pada air (Google.com). ....................................................................................................... 47 Gambar 2.10. (kiri) peristiwa konduksi; (kanan) peristiwa konduksi secara mikro (google.com) .................................................................................. 50 Gambar 2.11. (kiri) Konveksi air; (kanan) Konveksi udara (google.com) .......... 52 Gambar 2.12. Radiasi dari matahari ke bumi (google.com) ................................ 54 Gambar 3.1. Hukum Boyle................................................................................. 68 Gambar 3.2. Hukum Charles .............................................................................. 69 Gambar 3.3. molekul gas ideal ........................................................................... 72 Gambar 3.4. Usaha dilakukan gas ideal ............................................................. 74 Gambar 3.5. Proses siklis ................................................................................... 75 Gambar 3.6. Grafik proses isobarik.................................................................... 76 Gambar 3.7. Proses kerja isotermal .................................................................... 76 Gambar 3.8. Proses isokhorik/isovolume ........................................................... 77 Gambar 3.9. Molekul A bergerak ke arah sumbu x, y, dan z ............................. 78 Gambar 4.1. Hukum Termodinamika nol .......................................................... 88 Gambar 4.2. kurva mesin siklis dari A → B → A kembali. ............................. 94 Gambar 4.3



Kurva Mesin Carnot ...................................................................... 95



Gambar 4.4. Siklus Carnot digambarkan dalam dua model ............................... 96 Gambar 4.5. Skema kurva mesin Carnot ............................................................ 97 Gambar 4.6. Skema Refrigerator ........................................................................ 99 Gambar 4.7. Heater ............................................................................................ 99



vii



DAR2/Profesional/184/3/2019



PENDALAMAN MATERI FISIKA



Modul 3 KB 1. Fluida



KEMENTRIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019



A. Pendahuluan Modul fluida ini disusun untuk membantu teman-teman mempelajari tentang fluida. Hal-hal yang dipelajari dalam modul ini meliputi sifat-sifat fluida statis dan fluida dinamis. Fluida merupakan zat yang tidak pernah lepas dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi-teknologi yang sering digunakan, misalnya bak tampungan air yang diletakan di ketinggian, pompa air, teknologi ban, dll. Oleh karena itu, penting bagi kita untuk mempelajari sifat-sifatnya agar dapat lebih memanfaatkan fluida ini dalam kehidupan. Agar dapat memahami sifat-sifat fluida ini teman-teman perlu melakukan beberapa kegiatan antara lain: a) Membaca dan memahami materi yang diuraikan dalam modul ini. b) Mengerjakan tugas secara mandiri. c) Mengerjakan tes formatif. B. Inti 1. Capaian Pembelajaran Menganalisis materi mekanika fluida dan termodinamika dan penerapannya untuk menyelesaikan permasalahan fisika dalam kehidupan sehari-hari. Setelah mempelajari modul ini diharapkan dapat mencapai Sub Capaian Pembelajaran sebagai berikut: a) Menerapkan sifat-sifat fluida diam dengan kehidupan sehari-hari. b) Mendeteksi pengaruh massa jenis terhadap posisi benda dalam fluida. c) Menerapkan sifat-sifat fluida bergerak dengan kehidupan sehari-hari. 2. Pokok-pokok Materi a) Sifat-sifat fluida diam dalam kehidupan sehari-hari. b) Pengaruh massa jenis terhadap posisi benda dalam fluida. c) Sifat-sifat fluida bergerak dalam kehidupan sehari-hari. 3. Uraian Materi Fluida merupakan zat yang sering kita temui dalam kehidupan sehari-hari, misalnya pada saat mandi, mencuci, menyiram tanaman, ban bocor, dan masih banyak lagi aktivitas yang melibatkan fluida. Fluida merupakan zat yang dapat mengalir, jadi zat cair dan gas merupakan fluida. Fluida memang zat yang dapat 2



mengalir, tetapi tidak setiap saat fluida itu mengalir terkadang fluida itu diam. Oleh karena itu pada modul ini akan kita akan mempelajari sifat-sifat fluida yang diam (statis) dan sifat-sifat fluida yang bergerak (dinamis). Saat fluida diam kita akan mempelajari bagaimana tekanannya, lalu bila fluida terletak di dalam bejana berhubungan bagaimana tekanannya, apakah masih sama? Kemudian bila kita memasukkan benda ke dalam fluida diam, apa yang terjadi? Lalu kita juga akan mempelajari sifat dari permukaan fluida yaitu tegangan permukaan dan fenomena-fenomena yang diakibatkan olehnya. Untuk fluida bergerak kita akan melihat bagaimana fluida mengalir pada pipa yang diameternya berbeda apakah ada sesuatu dari fluida ini yang berubah? Kemudian bila kita mengalirkan fluida pada ketinggian yang berbeda, bagaimana fluida ini akan mengalir? Mari kita lihat bersama apakah ketika fluida diam sifatnya sama dengan fluida bergerak. 3.1. Massa Jenis Massa jenis (densitas) merupakan sifat yang dimiliki oleh bahan. Massa jenis didefinisikan sebagai perbandingan massa per satuan volume. Simbol dari massa jenis ini adalah  (“rho”). Sebuah benda dikatakan homogen bila massa jenisnya sama pada setiap bagiannya. Maka bila sebuah benda homogen memiliki massa m dan volume V, massa jenisnya mengikuti persamaan 1.1: 𝜌=



𝑚 𝑉



(1.1)



Terkadang suatu bahan memiliki massa jenis yang tidak sama persis pada setiap bagiannya maka massa jenisnya dinyatakan sebagai rata-rata dari massa jenis pada setiap bagiannya. Satuan dari massa jenis ini adalah



𝑘𝑔⁄ 𝑚3 . Satuan lain yang



𝑔 sering digunakan untuk massa jenis adalah ⁄𝑐𝑚3 . 𝑔 𝑘𝑔 1 ⁄𝑐𝑚3 = 1000 ⁄𝑚3 Massa jenis cairan dapat diukur salah satunya dengan menggunakan hidrometer. Cara mengukur massa jenis menggunakan hidrometer adalah dengan mencelupkannya ke dalam cairan yang akan diukur massa jenisnya kemudian di baca permukaan cairan tepat di garis skala ke berapa pada tangkai hidrometer. Nilai



3



massa jenis cairan ditunjukkan oleh skala yang segaris dengan permukaan cairan. Prinsip hidrometer ini menggunakan hukum Archimedes yang akan kita pelajari nanti. Contoh: Sebuah uang logam yang berdiameter 2 cm dengan tebal 3 mm ditimbang dan diperoleh hasil 2 gram. Tentukan massa jenis uang logam ini! Diketahui: 𝑑 = 2 cm 𝑡 = 3 mm = 0,3 cm 𝑚 = 2g Ditanyakan: 𝜌 = ⋯? Jawab: Persamaan yang dapat digunakan untuk menentukan besarnya massa jenis: 𝑚 𝜌= 𝑉 Dari persamaan terlihat bahwa dibutuhkan besaran 𝑚 dan 𝑉. Besaran 𝑚 telah diketahui dari soal, tetapi 𝑉 belum, sehingga perlu ditentukan terlebih dahulu. Dari soal diketahui bahwa benda merupakan uang logam, sehingga bentuknya adalah tabung, maka volume uang logam adalah: 1 𝑉 = π𝑑 2 𝑡 4 1 = ⋅ 3,14 ∙ 22 ⋅ 0,3 4 = 0,942 cm3 Setelah 𝑉 diketahui maka massa jenis uang logam adalah: 𝑚 𝜌= 𝑉 2 g = = 2,12 ⁄cm3 0,942 𝑔 Sehingga massa jenis uang logam adalah 2,12 ⁄𝑐𝑚3 .



4



3.2.



Tekanan pada Fluida Diam Pernahkah anda menyelam? Apa yang anda rasakan ketika menyelam



semakin dalam? Biasanya saat menyelam semakin dalam akan merasakan tekanan dari air yang mengenai tubuh akan semakin besar. Pernahkah kalian mendengar berita tentang penyelam yang gendang telinganya pecah saat menyelam? Gendang telinga merupakan suatu lapisan tipis, bila menyelam terlalu dalam maka tekanannya pun semakin besar sehingga selaput tipis ini tidak mampu menahan tekanan yang diberikan lalu akhirnya pecah, dan mengakibatkan si penyelam kehilangan pendengarannya. Mengapa semakin dalam tekanannya semakin besar? Untuk menjawabnya pertama kita akan belajar tentang apa itu tekanan terlebih dahulu. Fluida (baik cair maupun gas) dalam keadaan diam akan memberikan gaya tegak lurus ke seluruh permukaan kontaknya. Bila ada sebuah benda tercelup ke dalam fluida maka seluruh bagian benda yang bersentuhan dengan fluida akan mengalami gaya tegak lurus yang diberikan oleh fluida. Misalnya air yang dimasukkan ke dalam gelas, dinding-dinding gelas yang bersentuhan dengan air ini seluruhnya akan mengalami gaya tegak lurus yang diberikan oleh air. Bila kita melihat sedikit luasan (bagian dari dinding gelas) yang besarnya 𝑑𝐴 dan mengalami gaya tegak lurus 𝑑𝐹 maka perbandingan antara 𝑑𝐹 dan 𝑑𝐴 ini kita definisikan sebagai tekanan. Jadi tekanan adalah gaya tegak lurus per satuan luas, seperti yang ditunjukkan pada persamaan 1.2. 𝑑𝐹



𝑃 = 𝑑𝐴



(1.2)



Bila setiap luasan mengalami tekanan yang sama, maka persamaan 1.2 menjadi persamaan 1.3. 𝐹



𝑃=𝐴



(1.3)



Satuan untuk 𝐹 adalah N dan satuan untuk 𝐴 adalah m2 , sehingga satuan untuk 𝑃 adalah: 𝑃=



N = pascal m2



5



Satuan SI untuk tekanan ini adalah pascal. Namun, terkadang ada yang menggunakan satuan lain misalnya bar atau atm (atmosfer). Berikut ini adalah konversi dari satuan-satuan tekanan. 1 pascal = 1 Pa = 1 Nm-2 1 bar = 105 Pa 1 milibar = 100 Pa 1 atm = 1,013x105 Pa = 1,013 bar = 1013 milibar Setelah kita mengetahui apa itu tekanan dan satuan-satuannya, lalu bagaimana hubungan antara tekanan fluida dengan ketinggian (atau kedalaman)? Mari kita tinjau suatu cairan yang berada di dalam suatu wadah berbentuk tabung pada Gambar 1.1 berikut ini.



Gambar 1.1. Kolom air dengan luas penampang 𝐴 pada ketinggian ℎ.



Gambar 1.1 menunjukkan fluida dengan massa jenis  yang mengisi penuh suatu wadah berbentuk tabung. Kemudian, mari kita tinjau suatu luasan A yang berjarak h dari permukaan fluida tersebut, maka tekanan yang dialami oleh luasan 𝐹



A dengan menggunakan persamaan 𝑃 = 𝐴



(1.3).



Pada kasus ini, siapa yang menekan luasan A tersebut? Ya, benar! Yang menekan luasan A adalah fluida yang ada di atas luasan A, atau lebih tepatnya gaya berat dari fluida tersebut. Sehingga, gaya F merupakan gaya berat fluida, maka



6



𝐹



persamaan 𝑃 = 𝐴



(1.3) menjadi persamaan 𝑃 =



𝜌𝑔ℎ



(1.4) sebagai berikut: 𝑃=



𝑚𝑔 𝜌𝑉𝑔 𝜌(𝐴ℎ)𝑔 = = 𝐴 𝐴 𝐴 𝑃 = 𝜌𝑔ℎ



(1.4)



Dengan 𝜌 adalah massa jenis fluida, 𝑔 merupakan percepatan gravitasi, dan ℎ adalah ketinggian fluida yang diukur dari permukaan fluida sampai pada titik tinjau. Jadi berdasarkan persamaan 𝑃 = 𝜌𝑔ℎ



(1.4), untuk



semua titik yang berada pada ketinggian sama akan mengalami tekanan yang sama tidak peduli apa pun bentuk bejananya. Coba perhatikan Gambar 1.2, penampang mana yang mengalami tekanan lebih besar? Jelaskan mengapa!



Gambar 1.2. Kolom air dengan luas penampang 𝐴 setinggi ℎ𝐴 dan luas penampang 𝐵 setinggi ℎ𝐵 .



Tentu saja luasan B mengalami tekanan yang lebih besar dibanding penampang A. Dari gambar terlihat bahwa ℎ𝐵 lebih besar dari ℎ𝐴 . Oleh karena itu, tekanan yang dialami penampang B akan lebih besar dari pada tekanan yang dialami penampang A. Nah, berikut ini terdapat contoh soal yang cara mengerjakannya dengan menggunakan prinsip tekanan ini. Contoh 1:



7



Sejumlah air dimasukkan ke dalam pipa U,



kemudian



ditambahkan



minyak



melalui pipa U sisi kanan sehingga diperoleh kesetimbangan seperti yang ditunjukkan gambar, dengan ℎ1 = 8 cm dan ℎ2 = 10 cm. Tentukan massa jenis minyak bila massa jenis air adalah 1000 kg/m3! Diketahui: ℎ1 = 8 cm ℎ2 = 10 cm 𝜌𝑎𝑖𝑟 = 1000 kg/m3 Ditanyakan: 𝜌𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 = ⋯ ? Jawab: Untuk menjawab model soal seperti ini, kita dapat menggunakan prinsip tekanan. Sesuai dengan konsep yang kita pelajari, pada ketinggian yang sama, tekanannya sama. Pada gambar terlihat bahwa di titik A dan titik B memiliki ketinggian yang sama. Ketinggian ini dihitung dari dasar pipa U bukan dari permukaan, karena tinggi permukaan air dan minyak berbeda. Sehingga: 𝑃𝐴 = 𝑃𝐵 Pada titik A fluida yang menekan adalah air setinggi h1, sedangkan pada titik B fluida yang menekan adalah minyak setinggi h2, maka persamaannya menjadi: 𝜌𝑎𝑖𝑟 𝑔ℎ1 = 𝜌𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 𝑔ℎ2 Kedua ruas kemudian dibagi dengan percepatan gravitasi g, karena percepatan gravitasi di kedua titik sama. 𝜌𝑎𝑖𝑟 ℎ1 = 𝜌𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 ℎ2



8



𝜌𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 = 𝜌𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 =



ℎ1 𝜌 ℎ2 𝑎𝑖𝑟



8 cm 1000 kg/m3 10 cm



𝜌𝑚𝑖𝑛𝑦𝑎𝑘 = 800 kg/m3 Dari persamaan ini kita dapat melihat bahwa tekanan yang diberikan air dan minyak ternyata berbeda. Kita membutuhkan air sedalam 8 cm untuk menghasilkan tekanan yang sama dengan yang tekanan yang dihasilkan oleh 10 cm minyak. Hal ini dipengaruhi oleh massa jenis dari fluidanya. Dari sini kita dapat melihat, bahwa tidak hanya ketinggian fluida yang memengaruhi tekanan tetapi juga massa jenis fluidanya, seperti yang ditujukan oleh persamaan 1.4. Contoh 2:



Manakah pernyataan yang tepat? Bila di dalam bejana tersebut diisi oleh fluida yang sama. 1. Tekanan di A, D, E, dan F besarnya sama. 2. Tekanan di C lebih besar dibanding tekanan di G. 3. Tekanan di A lebih besar dibanding tekanan di E. 4. Tekanan di B lebih kecil dibanding tekanan di H. Jawab: 1. Tekanan di A, D, E, dan F besarnya sama. Pernyataan ini benar karena A, D, E, dan F berada pada ketinggian yang sama. 2. Tekanan di C lebih besar dibandingkan tekanan di G.



9



Pernyataan ini salah karena C dan G berada pada ketinggian yang sama, sehingga seharusnya tekanan di C dan G besarnya sama. 3. Tekanan di A lebih besar dibandingkan tekanan di E. Pernyataan ini salah karena A dan E berada pada ketinggian yang sama, sehingga seharusnya tekanan di A dan E besarnya sama. 4. Tekanan di B lebih kecil dibandingkan tekanan di H. Pernyataan ini salah karena B dan H berada pada ketinggian yang sama, sehingga seharusnya tekanan di B dan H besarnya sama. Dalam kehidupan sehari-hari, konsep tekanan fluida diam ini banyak digunakan. Coba sebutkan apa saja! Ya, salah satunya adalah konstruksi bangunan bendungan. Gambar 1.3 merupakan gambar bendungan Gajah Mungkur yang berada di Wonogiri, Jawa Tengah. Perhatikan bagian yang ditunjuk anak panah merah.



Gambar 1.3. Bendungan Gajah Mungkur, Wonogiri, Jawa Tengah (sumber: Nativeindonesia.com)



Berdasar konsep tekanan fluida yang telah dipelajari, jelaskan mengapa konstruksi bendungan dibuat seperti pada Gambar 1.3. Terlihat bahwa semakin ke bawah, konstruksi bangunannya dibuat semakin lebar, apa tujuannya dibentuk demikian? Mengapa tidak dibuat dari atas sampai bawah sama saja lebarnya? Bila lebarnya sama apa yang terjadi? Perhatikan slide presentasi berikut ini.



10



Slide Presentasi Modul 3 KB 1 – Tekanan Hidrostatis 3.3.



Hukum Pascal Pernahkah teman-teman pergi ke pencucian motor atau mobil? Lalu di sana



kendaraan diletakkan di atas permukaan dongkrak hidrolik dan kendaraan yang berat pun dapat diangkat sehingga mudah untuk dibersihkan? Pernahkah bertanya bagaimana cara kerja dongkrak hidrolik tersebut sehingga begitu kuat? Jawabannya akan ditemukan dari konsep Hukum Pascal yang akan kita pelajari berikut ini, maka simak baik-baik. Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada fluida tertutup akan diteruskan tanpa mengalami pengurangan ke setiap bagian fluida dan dinding bejana. Perhatikan Gambar 1.4 yang menggambarkan hukum Pascal. Pada permukaan A1 diberi gaya sebesar F1 maka pada fluida yang akan memberikan tekanan sebesar 𝑃. Kemudian perhatikan permukaan lainnya yang memiliki luas penampang lebih besar, pada ketinggian yang sama, fluida juga memberikan tekanan yang sama.



Gambar 1.4. Fluida di dalam bejana tertutup. Bila salah satu lengan bejana diberi gaya sebesar F sehingga mengalami pertambahan tekanan, maka pertambahan tekanan ini akan diteruskan ke segala arah.



Berdasarkan, tekanan pada permukaan kecil dan besar, untuk ketinggian yang sama, adalah sama. Dapat ditulis sebagai berikut, 𝑃1 = 𝑃2



11



𝐹1 𝐴1



𝐹



𝐹



= 𝐴2



(1.5)



2



𝐹



Melalui persamaan𝐴1 = 𝐴2 1



(1.5),



2



terlihat



bahwa bila kita memberikan gaya yang kecil kepada luas permukaan kecil, maka luas permukaan besar harus mengimbanginya dengan memberikan gaya 𝐹2 yang besar. Prinsip ini banyak digunakan dalam prinsip-prinsip hidrolik. Dengan memberikan gaya yang kecil, dapat mengangkat benda-benda yang besar. Bayangkan bila prinsip ini tidak ada, bagaimana anda seorang akan mengangkat mobil? Contoh 1: Bila fluida dimasukkan ke dalam bejana berhubungan seperti yang terlihat pada gambar. Bila pada salah satu



penampang



masukkan



sebuah



bejana



kita



bahan



yang



menekan fluida, maka bagaimanakah tekanan di A dan B? A. Tekanan di A bertambah, tekanan di B tetap. B. Tekanan di A bertambah, tekanan di B berkurang. C. Tekanan di A lebih besar dibandingkan tekanan di B. D. Tekanan di A lebih kecil dibandingkan tekanan di B. E. Tekanan di A dan B bertambah sama banyak sehingga tekanan keduanya sama. Jawab: Pernyataan yang benar adalah pernyataan E, karena ketika pada salah satu penampang diberi tekanan, maka tekanan tersebut akan diteruskan oleh fluida ke segala arah. Titik A dan titik B berada pada ketinggian yang sama, sehingga tekanan keduanya sama. Bila titik A mengalami pertambahan tekanan sebesar 𝑃 maka titik di B juga mengalami pertambahan tekanan sebesar 𝑃.



Contoh 2:



12



Sebuah



pompa



hidrolik



akan



digunakan untuk mengangkat mobil seberat 1500 N, berapakah diameter penampang besar agar hanya dengan memberikan



gaya



15



N



pada



penampang kecil berdiameter 10 cm dapat mengangkat mobil tersebut? Diketahui: 𝐹1 = 15 N 𝐷1 = 10 cm 𝐹2 = 1500 𝑁 Ditanyakan: 𝐷2 = ⋯ ? Jawab: Persamaan yang digunakan untuk menyelesaikan contoh soal ini adalah: 𝐹1 𝐹2 = 𝐴1 𝐴2 Dari soal diketahui besarnya diameter, hal ini berarti penampang pompa hidrolik berbentuk lingkaran, sehingga: 𝐹1



=



𝐹2



1 2 1 2 4 𝜋𝐷1 4 𝜋𝐷2 𝐹1 𝐹2 = 𝐷12 𝐷22 𝐷22 = 𝐷22 =



𝐹2 2 𝐷 𝐹1 1



1500 (102 ) 15



𝐷22 = 104 𝐷2 = 100 cm = 1 m Diameter penampang besar yang dibutuhkan untuk dapat mengangkat mobil adalah 1 m.



13



3.4.



Terapung, Melayang, dan Tenggelam Terapung, melayang atau tenggelam merupakan fenomena yang biasa kita



lihat. Pernahkah anda memancing? Pada saat memancing dan umpan dimakan ikan, maka ikan akan tersangkut pada kail. Saat itulah anda akan menarik ikan ke permukaan. Coba perhatikan, bila di dalam air ikan tidak memberikan perlawanan maka pasti terasa lebih ringan dibanding ketika ikan sudah keluar dari air. Bahkan ketika memancing dan ikan belum keluar dari air, kita sulit memprediksi besarnya ikan yang diperoleh. Sebuah benda yang dicelupkan ke dalam air akan memiliki berat yang sama seperti saat berada di udara, tetapi lebih ringan karena adanya gaya ke atas yang disebut gaya apung. Fenomena ini diamati oleh ilmuwan bernama Archimedes, sehingga menghasilkan hukum Archimedes, seperti pada persamaan 𝑔𝑎𝑦𝑎 𝑎𝑝𝑢𝑛𝑔 = 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑏𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑖 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 − 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑏𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑧𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑖𝑟 (1.6). 𝑔𝑎𝑦𝑎 𝑎𝑝𝑢𝑛𝑔 = 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑏𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑖 𝑢𝑑𝑎𝑟𝑎 − 𝑏𝑒𝑟𝑎𝑡 𝑏𝑒𝑛𝑑𝑎 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑧𝑎𝑡 𝑐𝑎𝑖𝑟



(1.6)



Perhatikan sebuah silinder yang tingginya ℎ, luas permukaannya 𝐴, yang tercelup seluruhnya ke dalam zat cair dengan massa jenis 𝜌𝑓 .



Gambar 1.5. Silinder yang tercelup seluruhnya ke dalam fluida



Fluida melakukan tekanan hidrostatis sebesar: 𝑝1 = 𝜌𝑓 𝑔ℎ1



Pada bagian atas silinder. Gaya yang berhubungan dengan tekanan ini adalah:



14



(1.7)



𝐹1 = 𝑝1 𝐴 = 𝜌𝑓 𝑔ℎ1 𝐴 yang arahnya ke bawah. Dengan cara yang sama fluida melakukan tekanan hidrostatis: 𝐹2 = 𝑝2 𝐴 = 𝜌𝑓 ℎ2 𝐴 yang arahnya ke atas. Resultan kedua gaya ini adalah gaya apung 𝐹𝑎 . 𝐹𝑎 = 𝐹2 − 𝐹1 = 𝜌𝑓 𝑔ℎ2 𝐴 − 𝜌𝑓 𝑔ℎ1 𝐴 = 𝜌𝑓 𝑔𝐴(ℎ2 − ℎ1 ) = 𝜌𝑓 𝑔𝐴ℎ = 𝜌𝑓 𝑔𝑉𝑏𝑓



(1.8)



Perhatikan, 𝜌𝑓 𝑉𝑏𝑓 = 𝑀𝑓 adalah massa zat cair yang dipindahkan oleh benda dan 𝜌𝑓 𝑉𝑏𝑓 𝑔 = 𝑀𝑓 𝑔 adalah berat zat cair yang dipindahkan oleh benda. Jadi gaya apung dapat dinyatakan: 𝐹𝐴 = 𝑀𝑓 𝑔 𝐹𝐴 = 𝜌𝑓 𝑉𝑏𝑓 𝑔



Persamaan



𝐹𝐴 = 𝜌𝑓 𝑉𝑏𝑓 𝑔



(1.9)



(1.9)



merupakan



persamaan untuk hukum Archimedes. Prinsip Archimedes menyatakan “Ketika sebuah benda seluruhnya atau sebagian dimasukkan ke dalam zat cair, cairan akan memberikan gaya dorong ke atas pada benda setara dengan berat cairan yang dipindahkan benda.” Gaya dorong ke atas ini biasa di sebut sebagai gaya apung. Persamaan ini berlaku untuk sembarang bentuk benda. Bila kita memasukkan sterofoam ke dalam air maka apa yang terjadi? Apakah sterofoam ini akan tenggelam? Melayang? Atau terapung? Mengapa demikian? Perhatikan Gambar 1.6 berikut ini.



15



Gambar 1.6. Keadaan benda yang tercelup ke dalam fluida, terapung, melayang, dan tenggelam.



Saat benda terapung, melayang, tenggelam, coba perhatikan apakah benda ini diam atau bergerak? Biasanya benda-benda ini dalam keadaan diam, maka bila benda ini diam gaya-gaya yang bekerja pada sistem resultannya harus bernilai nol (Σ𝐹 = 0). Oleh karena itu besarnya gaya apung yang diberikan oleh fluida besarnya sama dengan gaya berat benda. Lalu apa yang memengaruhi sehingga benda dapat terapung, melayang, dan tenggelam? Mari kita lihat secara matematis. Σ𝐹 = 0 𝐹𝐴 − 𝑤𝑏 = 0 𝐹𝐴 = 𝑤𝑏 𝜌𝑓 𝑉𝑏𝑓 𝑔 = 𝑚𝑏 𝑔 𝜌𝑓 𝑉𝑏𝑓 = 𝜌𝑏 𝑉𝑏 𝜌𝑏 =



𝑉𝑏𝑓 𝑉𝑏



𝜌𝑓



(1.10)



Coba perhatikan persamaan 𝐹𝐴 = 𝜌𝑓 𝑉𝑏𝑓 𝑔 dan𝜌𝑏 =



𝑉𝑏𝑓 𝑉𝑏



𝜌𝑓



(1.9)



(1.10)! Pada saat benda terapung



apakah seluruh benda masuk ke dalam fluida? Terlihat dari Gambar 1.6 bahwa hanya sebagian yang tercelup ke dalam fluida 𝑉𝑏𝑓 < 𝑉𝑏 oleh karena itu perbandingan 𝑉𝑏𝑓 dengan 𝑉𝑏 nilainya kurang dari satu. Persamaan 1.6 menjadi persamaan 𝜌𝑏 < 𝜌𝑓



(1.11). 𝜌𝑏 < 𝜌𝑓



16



(1.11)



Sehingga bila nilai 𝜌𝑏 lebih kecil dari 𝜌𝑓 maka benda akan terapung. Lalu bagaimana saat benda melayang? Pada saat benda melayang, seluruh volume benda masuk ke dalam fluida 𝑉𝑏𝑓 = 𝑉𝑏 sehingga perbandingan 𝑉𝑏𝑓 dengan 𝑉𝑏 nilainya sama dengan satu. Persamaan 𝜌𝑏 < 𝜌𝑓



(1.11)



menjadi persamaan𝜌𝑏 = 𝜌𝑓



(1.12) 𝜌𝑏 = 𝜌𝑓



(1.12)



Sehingga bila nilai 𝜌𝑏 sama dengan 𝜌𝑓 maka benda akan melayang. Kemudian saat benda tenggelam dan menyentuh dasar, terdapat gaya normal yang diberikan oleh permukaan dasar kepada benda sehingga persamaannya menjadi: 𝜌𝑏 =



𝑉𝑏𝑓 𝜌 +𝑁 𝑉𝑏 𝑓



Karena 𝑉𝑏𝑓 = 𝑉𝑏 maka: 𝜌𝑏 = 𝜌𝑓 + 𝑁 dan 𝑁 pasti benilai sesuatu, sehingga: 𝜌𝑏 > 𝜌𝑓



(1.13)



Pada saat 𝜌𝑏 kurang dari 𝜌𝑓 benda akan tenggelam.



Contoh 1: Andi sedang bermain-main dengan gabus bekas, lalu ia celupkan ke dalam air. Berapa bagiankah gabus yang tercelup ke dalam air, bila massa jenis gabus adalah 250 kg/m3? Diketahui: 𝜌𝑔𝑎𝑏𝑢𝑠 = 250 kg/m3 𝜌𝑎𝑖𝑟 = 1000 kg/m3 Ditanyakan: Bagian gabus yang tercelup? Jawab: Untuk menyelesaikan persoalan ini, dapat digunakan persamaan 1.6, yaitu: 𝜌𝑏 =



𝑉𝑏𝑓 𝜌 𝑉𝑏 𝑓



17



𝑉𝑏𝑓 𝜌𝑏 250 1 = = = 𝑉𝑏 𝜌𝑓 1000 4 1



Jadi, 4 bagian gabus akan tenggelam ke dalam air.



3.5.



Tegangan Permukaan Pernahkah Anda pergi ke sungai atau kolam dan melihat daun seperti yang



ditunjukkan Gambar 1.7?, bagaimana daun bisa tenang di atas air dan tidak tenggelam? Seolah-olah ada sesuatu yang menahan daun agar tidak tenggelam ke air. Lalu perhatikan pula tetesan embun yang berada di ujung daun, apakah yang menahan air sehingga air tidak mengalir tetapi justru berbentuk bulat?



Gambar 1.7. Gambar daun yang tidak tenggelam ke dalam air dan gambar embun



Fenomena-fenomena ini terjadi akibat adanya tegangan permukaan. Molekulmolekul penyusun fluida tersusun rapi sehingga setiap molekul akan dikelilingi (kiri-kanan, depan-belakang, atas-bawah) oleh molekul-molekul tetangganya. Tetapi untuk molekul yang terletak di permukaan, molekul ini tidak memiliki tetangga molekul di atasnya. Untuk menjaga molekul ini tidak lepas dari ikatannya maka molekul tetangga lainnya cenderung mengikat lebih kuat. Oleh karena itu, bila pada permukaan ini diberi gangguan misalnya dengan meletakkan daun di atas permukaan yang akan menekan permukaan ini. Molekul-molekul yang ada di permukaan akan memberikan tolakan kepada tekanan yang diberikan daun. Hal ini pula yang menyebabkan embun membentuk seperti bola karena molekul-molekul di permukaan air berikatan sangat kuat untuk menjaga agar molekul pada permukaan tidak lepas dari ikatannya.



18



Gambar 1.8. (a) Gambar partikel-partikel air (perbandingan gaya yang dialami partikel permukaan (merah) dengan partikel lainnya (biru)) dan (b) partikel air di dalam bejana (anak panah merah merupakan gaya tarik molekul air dengan bejana)



Untuk mengukur besarnya gaya tolakan untuk menopang benda-benda yang menekan permukaan cairan dapat dilakukan dengan meletakkan sebuah jarum di atas permukaan cairan dengan hati-hati sehingga jarum tidak tenggelam. Kemudian angkat jarum perlahan hingga lepas dari permukaan cairan. Gaya yang dibutuhkan untuk melepaskan jarum ini sebanding dengan panjang permukaan yang pecah (dua kali panjang jarum karena bagian jarum yang bersentuhan dengan cairan adalah kedua sisinya). Bila jarum memiliki massa 𝑚 dan panjang 𝐿, gaya 𝐹 yang dibutuhkan untuk mengangkat jarum lepas dari permukaan mengikuti persamaan 1.10. 𝐹 = 𝛾2𝐿 + 𝑚𝑔



(1.14)



dengan 𝛾 adalah koefisien tegangan permukaan, yaitu gaya per satuan panjang yang diberikan oleh selaput. Gaya-gaya tarik antar molekul ini juga menyebabkan adanya peristiwa adhesi dan kohesi. Perhatikan Gambar 1.9 cairan dimasukkan ke dalam tabung reaksi dan ternyata permukaan kedua zat cair terlihat berbeda. Zat cair yang sebelah kiri (Gambar 1.9 (a)) terlihat cekung dengan tepi-tepi yang bersentuhan dengan dinding tabung tertarik lebih kuat dibanding di bagian tengah. Sedangkan cairan sebelah kanan (Gambar 1.9Error! Reference source not found. (b)) terlihat melengkung dengan bagian tengah lebih tinggi dibanding tepi-tepi yang bersentuhan dengan dinding.



19



Gambar 1.9. (a) permukaan cairan yang adhesinya lebih kuat dibanding kohesi. (b) permukaan cairan yang kohesinya lebih kuat dibanding adhesi.



Hal ini terjadi karena adanya gaya kohesi dan gaya adhesi. Gaya kohesi adalah gaya tarik menarik antar molekul cairan sedangkan gaya adhesi adalah gaya tarik antara molekul cairan dengan bahan lain. Bila adhesi lebih besar dari kohesi akibatnya bagian cairan yang bersentuhan dengan bahan lain akan tertarik lebih kuat sehingga permukaannya terlihat cekung seperti gambar kiri. Sedangkan bila kohesi lebih besar dari adhesi maka gaya tarik antar molekul cairan lebih besar dibanding gaya tarik dengan bahan lain akibatnya permukaan terlihat cembung.



Gambar 1.10. Air di atas daun talas (saintif.com) dan gambar air di atas permukaan kaca (pixabay.com).



3.6.



Aliran Fluida Pada suatu sore, Anda menyiram tanaman menggunakan bantuan selang



panjang. Kemudian saat akan menyiramkan air ke tanaman maka biasanya Anda akan menekan ujung selang. Apa tujuan Anda menekan ujung selang? Untuk



20



membuat air yang keluar dari selang lebih jauh jangkauannya bukan? Benar! Tetapi bagaimana hal itu dapat terjadi? Mari kita pelajari sifat-sifat dari fluida yang bergerak ditunjukkan pada Gambar 1.11.



Gambar 1.11. Fluida yang bergerak melalui pipa dengan luas penampang yang berbeda



3.6.1. Persamaan Kontinuitas PerhatikanGambar 1.11, terlihat bahwa ada air yang mengalir melalui pipa dengan luas penampang yang berbeda. Apakah perbedaan luas penampang ini memengaruhi aliran air? Kita andaikan volume air mengalir dari 𝐴1 ke 𝐴2 selama selang waktu Δ𝑡 menempuh jarak 𝑆1. Bila laju alir air pada luas penampang pipa adalah 𝐴1 adalah 𝑣1 dan, maka volume air yang mengalir ke dalam pipa melalui 𝐴1 adalah sebesar: Δ𝑉 = 𝐴1 𝑆1



(1.15)



Δ𝑉 = 𝐴1 𝑣1 Δ𝑡



(1.16)



karena 𝑆1 = 𝑣1 Δ𝑡, maka Bila ada sejumlah Δ𝑉 air mengalir dari 𝐴1 maka berapa volume air yang keluar melalui 𝐴2 selama Δ𝑡? Tentu saja volume yang keluar dari pipa melalui 𝐴2 besarnya sama dengan volume yang melalui 𝐴1 karena pipa tidak bocor sehingga volume berkurang atau kondisi lain yang memungkinkan air di dalam pipa bertambah. Sehingga volume air yang melalui 𝐴2 dinyatakan Δ𝑉 = 𝐴2 𝑣2 Δ𝑡 Karena volume-volume ini sama, maka: 𝐴1 𝑣1 Δ𝑡 = 𝐴2 𝑣2 Δ𝑡 𝐴1 𝑣1 = 𝐴2 𝑣2



(1.17)



Besaran 𝐴𝑣 dinamakan laju aliran volume 𝐼𝑉 . Dimensi 𝐼𝑉 adalah volume per waktu. Dalam aliran fluida yang tidak dapat dimampatkan dan stabil, laju aliran volume adalah sama di setiap titik dalam fluida 𝐼𝑉 = 𝑣𝐴 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛



(1.18)



21



Persamaan ini dikenal sebagai persamaan kontinuitas. Contoh 1: Pak Toni mengaliri sawah dengan menyedot air dari sungai ke sawahnya menggunakan selang plastik yang diameternya 10 cm. Sawah pak Toni ini luasnya 100 m2. Berapa waktu yang dibutuhkan untuk mengisi sawahnya hingga tinggi air di dalam sawah mencapai 20 cm bila kecepatan air adalah 50 cm/s?



Diketahui: 𝑑 = 10 cm 𝐴 = 100 cm2 ℎ = 20 cm 𝑣 = 50 cm/s Ditanyakan: 𝑡 = ⋯? Jawab: Volume air yang dibutuhkan untuk mengisi sawah setinggi 20 cm: 𝑉 = 𝐴ℎ = 100 ⋅ 10 = 103 cm3 103 cm3 𝑡= = 20 s 50 cm/𝑠 Jadi waktu yang dibutuhkan pak Toni untuk mengisi sawahnya hingga air setinggi 20 cm adalah selama 20 detik.



3.6.2. Persamaan Bernoulli Setelah kita mempelajari fluida yang mengalir melalui luas penampang yang berbeda, maka sekarang kita akan mempelajari fluida yang mengalir melalui pipa berbeda dan ketinggian yang berbeda pula. Apa pengaruh ketinggian terhadap aliran fluida? Mari kita pelajari bersama. Perhatikan Gambar 1.12!



22



Gambar 1.12. Fluida yang mengalir



Perhatikan fluida pada Gambar 1.12 yang mengalir dari ketinggian ℎ1 ke ℎ2 yang lebih tinggi. Pada ketinggian ℎ1 energi potensial lebih rendah daripada di ketinggian ℎ2 (ingat persamaan energi potensial 𝐸𝑝 = 𝑚𝑔ℎ). Dari Gambar 1.12 juga terlihat bahwa luas penampang 𝐴1 lebih besar dari luas penampang 𝐴2 , sesuai dengan persamaan kontinuitas maka kecepatan fluida yang melalui 𝐴1 lebih kecil dibanding kecepatan fluida yang melewati 𝐴2 . Oleh karena itu, energi kinetik di 𝐴1 1



lebih kecil dibanding di 𝐴2 (ingat persamaan energi kinetik 𝐸𝑘 = 2 𝑚𝑣 2 ). Perubahan energi potensial: Δ𝐸𝑝 = 𝐸𝑝ℎ2 − 𝐸𝑝ℎ1 = 𝑚𝑔ℎ2 − 𝑚𝑔ℎ1 Bila 𝑚 = 𝜌𝑉, maka: = 𝜌𝑉𝑔ℎ2 − 𝜌𝑉𝑔ℎ1 = 𝜌𝑉𝑔(ℎ2 − ℎ1 )



(1.19)



Dan perubahan energi kinetiknya adalah: Δ𝐸𝑘 = 𝐸𝑘ℎ2 − 𝐸𝑘ℎ1 1 1 = 𝑚𝑣22 − 𝑚𝑣12 2 2 1



= 2 𝜌𝑉(𝑣22 − 𝑣12 )



(1.20)



Jumlah energi kinetik dan energi potensial adalah energi mekanik, sehingga energi mekanik di ℎ1 lebih kecil dibanding energi mekanik di ℎ2 . Δ𝐸𝑚𝑒𝑘𝑎𝑛𝑖𝑘 = Δ𝐸𝑝 + Δ𝐸𝑘 1



Δ𝐸𝑚𝑒𝑘𝑎𝑛𝑖𝑘 = 𝜌𝑉𝑔(ℎ2 − ℎ1 ) + 2 𝜌𝑉(𝑣22 − 𝑣12 )



(1.21)



23



Lalu bagaimana bisa fluida mengalir dari ℎ1 ke ℎ2 ? Tentunya diperlukan gaya yang mendorong fluida ini. Besarnya gaya yang mendorong adalah 𝐹1 = 𝑃1 𝐴1 dengan 𝑃1 adalah tekanan di ℎ1 . Maka gaya ini melakukan kerja sebesar: 𝑊1 = 𝐹1 Δ𝑥1 = 𝑃1 𝐴1 Δ𝑥1 = 𝑃1 𝑉 Sedangkan pada saat yang sama fluida pada ℎ2 juga memberikan gaya arahnya ke kiri yang besarnya 𝐹2 = 𝑃2 𝐴2 , maka usaha yang dilakukan adalah 𝑊2 = −𝐹2 Δ𝑥2 = −𝑃2 𝐴2 Δ𝑥2 = −𝑃2 𝑉 Kerja total yang dilakukan gaya-gaya ini adalah 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑊1 + 𝑊2 = 𝑃! 𝑉 − 𝑃2 𝑉 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = (𝑃1 − 𝑃2 )𝑉



(1.22)



Menurut teorema kerja energi, kerja yang dilakukan pada sistem sama dengan perubahan energi mekaniknya, maka 𝑊𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = Δ𝐸𝑚𝑒𝑘𝑎𝑛𝑖𝑘 1 (𝑃1 − 𝑃2 )𝑉 = 𝜌𝑉𝑔(ℎ2 − ℎ1 ) + 𝜌𝑉(𝑣22 − 𝑣12 ) 2 Bila persamaan dibagi dengan 𝑉 maka 1 1 𝑃1 − 𝑃2 = 𝜌𝑔ℎ2 − 𝜌𝑔ℎ1 + 𝜌𝑣22 − 𝜌𝑣12 2 2 Simbol yang berindeks sama dikumpulkan dalam satu ruas, maka 1 1 𝑃1 + 𝜌𝑔ℎ1 + 𝜌𝑣12 = 𝑃2 + 𝜌𝑔ℎ2 + 𝜌𝑣22 2 2 Persamaan tersebut dapat dinyatakan 1 2



𝑃 + 𝜌𝑔ℎ + 𝜌𝑣 2 = 𝑘𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛



(1.23)



Persamaan ini dikenal sebagai Persamaan Bernoulli. Contoh 1: Sebuah bak penampungan air yang besar mengalami kebocoran di salah satu sisinya. Kebocoran ini berada ℎ cm dari permukaan air. Tentukan kelajuan air yang mengalir melalui lubang kebocoran!



24



Kita gunakan prinsip Bernoulli untuk menyelesaikan



persoalan



ini.



Karena



lubang kebocoran memiliki diameter yang jauh lebih kecil dibandingkan diameter bak, maka kecepatan penurunan ketinggian air dalam bak dapat diabaikan, sehingga: 1 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑚𝑘 + 𝜌𝑔𝑦𝑎 = 𝑃𝑏𝑐𝑟 + 𝜌𝑣𝑏2 + 𝜌𝑔𝑦𝑏 2 Karena bak air terbuka maka 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑚𝑘 adalah tekanan udara dan lubang juga terbuka ke udara, sehingga 𝑃𝑝𝑒𝑟𝑚𝑘 = 𝑃𝑏𝑐𝑟 . Selain itu massa jenis juga sama karena bak berisi air dan yang mengalir dari lubang bocor adalah air, maka 𝜌dari persamaan dapat dihilangkan. Sehingga persamaan menjadi: 1 𝑔𝑦𝑎 = 𝑣𝑏2 + 𝑔𝑦𝑏 2 1 2 𝑣 = 𝑔𝑦𝑎 − 𝑔𝑦𝑏 2 𝑏 𝑣𝑏2 = 2𝑔(𝑦𝑎 − 𝑦𝑏 ) Karena 𝑦𝑎 − 𝑦𝑏 = ℎ maka: 𝑣𝑏 = √2𝑔ℎ 4. Forum Diskusi Perhatikan slide presentasi berikut ini, kemudian diskusikan persoalan yang disajikan di dalamnya.



Forum Diskusi Modul 3 KB 1 C. Penutup 1. Rangkuman •



Kerapatan suatu zat adalah rasio massa terhadap volumenya 𝑚 𝜌= 𝑉



25



•



Tekanan fluida adalah gaya per satuan luas yang dikerjakan oleh fluida. 𝑃=



•



𝐹 𝐴



Prinsip Pascal menyatakan bahwa tekanan yang bekerja pada cairan tertutup akan diteruskan ke segala arah.



•



Dalam cairan, tekanan sebanding dengan kedalaman. 𝑃 = 𝜌𝑔ℎ



•



Prinsip Archimedes menyatakan bahwa sebuah benda yang tercelup ke dalam fluida akan mengalami gaya angkat ke atas.



•



Benda-benda dapat ditopang di permukaan oleh fluida karena tegangan permukaan.



•



Laju aliran volume fluida yang inkompresibel adalah sama di seluruh fluida 𝐼𝑉 = 𝑣𝐴 = konstan



•



Persamaan Bernoulli. 1 𝑃 + 𝜌𝑔𝑦 + 𝜌𝑣 2 = konstan 2



2. Tes Formatif 1. Andi mengukur komponen motornya yang berbentuk silinder panjangnya 10 cm berjari-jari 2 cm. Tentukan massanya bila massa jenis silinder adalah 8,93 g/cm3. A. 1102 g B. 1,12 kg C. 0,112 kg D. 0,1102 kg E. 11,2 kg 2. Sebuah botol diisi dengan air sebanyak 200 ml pada suhu 4C. Kemudian air dipanaskan sampai suhu 87C sehingga 10 ml air tumpah. Dengan mengabaikan pemuaian botol, tentukan massa jenis air pada suhu 87C. A. 0,8 g/cm3 B. 0,9 g/cm3



26



C. 0,95 g/cm3 D. 1 g/cm3 E. 1,05 g/cm3 3. Pengisap P mempunyai luas penampang 0,75 cm2 yang bergerak bebas tanpa gesekan sehingga dapat menekan pegas sejauh x. jika konstanta pegas 75 N/m dan massa jenis zat cair adalah 500 kg/m3, maka x adalah … cm A. 0,4 B. 0,5 C. 0,6 D. 0,7 E. 1 4. Sepotong uang logam jika dicelupkan dalam fluida A dengan 𝜌𝐴 = 0,8 g/cm3 mengalami gaya ke atas sebesar 𝐹𝐴 dan jika dicelupkan dalam fluida B dengan 𝜌𝑏 = 0,7 g/cm3 mengalami gaya Archimedes sebesar 𝐹𝐵 . Perbandingan kedua gaya 𝐹𝐴 /𝐹𝐵 adalah …. A. 8/14 B. 4/7 C. 7/6 D. 7/8 E. 8/7 5. Sebuah balok es terapung di dalam bejana berisi air. Jika diketahui massa jenis es dan air masing-masing adalah 0,9 g/cm3 dan 1 g/cm3 maka bagian es yang terendam dalam air adalah…. A. 90% B. 75% C. 65% D. 25% E. 10% 6. Jarum dapat mengapung pada permukaan air karena A. Massa jenis jarum lebih kecil dari massa jenis air B. Massa jenis jarum lebih besar dari massa jenis air



27



C. Gaya apung Archimedes D. Berat jenis jarum sama dengan berat jenis air E. Tegangan permukaan air 7. Air mengalir pada suatu pipa yang diameternya berbeda dengan perbandingan 1:2. Jika kecepatan air yang mengalir pada bagian pipa yang besar sebesar 40 m/s, maka besarnya kecepatan air pada bagian pipa yang kecil sebesar … m/s A. 20 B. 40 C. 80 D. 120 E. 160 8. Sebuah pipa silindris yang lurus mempunyai dua macam penampang, masing-masing dengan luas 200 mm2 dan 100 mm2. Pipa tersebut diletakkan secara horizontal, sedangkan air di dalam mengalir dari arah penampang besar ke penampang kecil. Apabila kecepatan arus di penampang besar adalah 2 m/s, maka kecepatan arus di penampang kecil adalah …. A. ¼ B. ½ C. 1 D. 2 E. 4 9. Sebuah pesawat terbang dapat mengangkasa karena …. A. perbedaan tekanan dari aliran-aliran udara B. pengaturan titik berat pesawat C. gaya angkat dari mesin pesawat D. perubahan momentum dari pesawat E. berat pesawat yang lebih kecil daripada berat udara yang dipindahkan 10. Mengapa air raksa yang dimasukkan ke dalam tabung reaksi permukaannya melengkung ke atas (cembung)? A. Massa jenis air raksa sama dengan massa jenis tabung



28



B. Kohesi lebih besar dari adhesi C. Kohesi lebih kecil dari adhesi D. Adhesi lebih kecil dari kohesi E. Adhesi sama dengan kohesi



Daftar Pustaka Halliday, D., & Resnick, R., (1985). Fisika Jilid 1 edisi ketiga (Terjemahan). Jakarta: Erlangga. Young, H.D., & Freedman, R.A., (2002). Fisika Universitas Edisi Kesepuluh Jilid 1 (Terjemahan). Jakarta: Erlangga. Tipler, P. A., (1998). Fisika untuk Sains dan Teknik Jilid 1 (Terjemahan). Jakarta: Erlangga.



29



30



DAR2/Profesional/184/3/2019



PENDALAMAN MATERI FISIKA



Modul 3 KB 2. Suhu dan Kalor



KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019



A. Pendahuluan Rekan guru yang baik, selamat jumpa dalam modul Suhu dan Kalor ini! Modul ini menjelaskan tentang pengertian suhu dan kalor serta kegunaan dalam kehidupan kita. Secara rinci akan dibahas persoalan: suhu dan kalor, pengaruh kalor terhadap zat, dan perpindahan kalor. Dengan memahami bahan ini, Anda dapat menggunakan termometer secara tepat dalam hidup, memanfaatkan panas dalam kehidupan secara tepat sehingga hidup kita menjadi lebih sehat dan aman. Untuk mempermudah mempelajari bahan ini Anda diminta untuk: a) Membaca dan mempelajari modul ini dengan cermat dan teliti; b) Melihat dan menganalisis video yang disediakan; c) Mempelajari slide presentasi yang tersedia kalau anda merasa cocok; d) Melakukan percobaan sederhana yang dianjurkan; e) Mengerjakan persoalan yang disediakan; f) Mencocokkan jawaban Anda dengan kunci jawaban yang tersedia. B. Inti 1. Capaian Pembelajaran Menganalisis materi mekanika fluida dan termodinamika dan penerapannya untuk menyelesaikan permasalahan fisika dalam kehidupan sehari-hari. Setelah mempelajari modul ini diharapkan dapat mencapai Sub Capaian Pembelajaran sebagai berikut: a) Sub Capaian Pembelajaran b) Menguasai pengertian, konsep, teori tentang suhu dan kalor; c) Mengonversi suhu dalam berbagai termometer; d) Menguasai pengertian, konsep, teori tentang pengaruh kalor terhadap zat; e) Menguasai pengertian, konsep, dan teori tentang pengaruh kalor terhadap zat seperti: pertambahan suhu, pemuaian zat dan perubahan wujud zat; f) Dapat menentukan grafik perubahan suhu dan wujud zat jika pada zat itu diberikan kalor yang berbeda; g) Menguasai pengertian, konsep, teori tentang proses perpindahan kalor (konduksi, konveksi, dan radiasi);



32



h) Menemukan contoh-contoh penggunaan kalor, perpindahan kalor dalam kehidupan sehari-hari. 2. Pokok Materi a) Suhu dan kalor b) Termometer c) Pengaruh kalor terhadap zat: pertambahan suhu, pemuaian zat dan perubahan wujud zat d) Grafik suhu dan perubahan kalor e) Perpindahan kalor: konduksi, konveksi, radiasi 3. Uraian Materi Anda dalam modul ini akan diajak untuk mempelajari tentang suhu, kalor, pengaruh kalor pada zat, dan perpindahan kalor. Secara garis besar Anda akan membahas tentang: a) Suhu dan Kalor b) Pengaruh Kalor terhadap zat c) Perpindahan Kalor (konduksi, konveksi, dan radiasi) Semoga Anda dapat mempelajari dengan baik dan nantinya dapat membantu siswa SMA belajar tentang suhu dan kalor dengan benar. 3.1. Suhu dan Kalor 3.1.1. Suhu dan Termometer Anda pasti pernah merasakan kepanasan di musim kemarau, dan kadang merasakan kedinginan di malam hari. Kalau anda pergi ke pegunungan Anda sering merasa kedinginan, sedangkan kalau Anda duduk dekat api unggun, Anda merasa kepanasan. Kalau Anda sakit, kadang juga merasakan badan Anda panas. Untuk mengukur tingkat kepanasan atau kedinginan Anda tadi digunakan termometer agar lebih tepat. Ukuran kuantitatif tingkat kepanasan dan kedinginan tubuh Anda secara ilmiah disebut suhu atau temperatur.



Dengan demikian kalau kita ingin



mengetahui tingkat kepanasan tubuh kita, kita perlu melihat berapa suhu tubuh kita. Dan alat ukur yang digunakan adalah termometer.



33



Termometer Celcius. Termometer yang paling banyak kita pakai dalam hidup sehari-hari adalah termometer zat cair, dan khususnya air raksa.



Kita



menggunakan termometer Celcius, yang menggunakan prinsip pemanasan air raksa. Air raksa dalam tabung bila dipanasi akan memuai. Celcius mengambil dua titik acuan, yaitu suhu air membeku yang disebut titik nol derajat (0 oC) dan suhu waktu air mendidih disebut titik 100 derajat (100 oC). Kemudian skalanya dibagi dalam 100 bagian (lihat Gambar 2.1).



Gambar 2.1. Termometer Celcius (Serway, hal. 508; dan Google.com)



Selain termometer Celcius, ada beberapa termometer zat cair yang lain yaitu termometer Fahrenheit dan Reamur. Termometer Fahrenheit menggunakan acuan campuran es dan garam yang mencair pada suhu 32 0F dan mendidih pada suhu 212 0F. Sedangkan Reamur menggunakan skala 0 0C untuk suhu es mencair dan 80 0C untuk suhu air mendidih. Dalam banyak perhitungan ilmiah kita kenal juga suhu Kelvin (K), yang menggunakan perhitungan K = C + 273 0C. Dengan demikian maka konversi keempat pengukuran suhu itu adalah sebagai berikut: C = 5/9 (F - 32o)



(2.1)



F = 9/5 C + 32o



(2.2)



R = 4/5 C



(2.3)



K = C + 273



34



o



(2.4)



Secara lebih jelas konversi beberapa termometer itu dapat dilihat pada gambar 2 berikut:



Gambar 2.2. Perbandingan skala termometer (Google.com)



Beberapa bentuk termometer air raksa dapat dilihat pada Gambar 2.3 di bawah ini!



Gambar 2.3. Beberapa bentuk termometer air raksa (Google.com)



Selain termometer zat cair yang telah kita bahas, saat ini ada berbagai macam termometer. Ada termometer gas, termometer inframerah, termometer digital, termometer bimetal. Mencari dalam internet! Carilah dalam internet (google.com) tentang bermacam-macam termometer itu! Buatlah catatan dari apa yang Anda pelajari tentang berbagai termometer itu. Beberapa pertanyaan berikut dapat menjadi pengarah: a) Nama termometer b) Kegunaannya c) Cara kerjanya.



35



Contoh Soal 1: Bila suhu tubuh Anda adalah 36 oC, berapa derajat suhu tubuh Anda dalam Fahrenheit, Reamur, dan Kelvin? Jawab: F = 9/5 C + 32 = 9/5 (36o) + 32 = 64,8 + 32 = 96,8 oF. R = 4/5 C = 4/4 (36o) = 28,8 oR. K = C + 273 = 36o + 273o = 309 K. Contoh Soal 2: Anda kebetulan sedang berlibur di Kanada. Waktu itu suhu di luar kamar penginapan anda tertera 50 F. Suhu itu kalau dikonversi ke Celcius dan Kelvin menjadi berapa derajat? Jawab: F = 9/5 C + 32 9/5 C = F - 32 = 50 – 32 = 18. C = 18 : 9/5 = (18 x 5)/ 9 = 10 oC. 3.1.2. Kalor dan Pengukurannya Setelah Anda mempelajari suhu dan termometer, Anda diajak untuk mempelajari tentang kalor atau panas. Kalor adalah bentuk energi yang berpindah karena perubahan suhu. Ukuran kalor adalah dalam kalori. Berapa besarnya 1 kalori? Bila Anda mempunyai 1 gram air dalam gelas kemudian Anda panasi sampai suhunya naik 1oC, maka panas yang Anda gunakan itu disebut 1 kalori. Kalau Anda punya 1 kg air maka diperlukan panas 1000 kalori atau 1 Kkal (kilo kalori) untuk menaikkan suhunya 1 oC. Sehingga 1 kalori didefinisikan sebagai banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air 1 oC. (lihat Gambar 2.4).



36



air, 1g



Q=1 kalori Gambar 2.4. Pengertian 1 kalori (Suparno, 2009: 33)



Banyaknya panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu benda (ΔQ) dipengaruhi oleh masa benda (m), pertambahan suhu (ΔT ), dan juga jenis atau macam benda itu yang disebut panas jenis benda (c). Maka banyaknya panas dapat dirumuskan sebagai berikut: ΔQ = m.c.ΔT



(2.5)



dQ = m.c.dT



(2.6)



Atau secara umum ditulis Di mana: ΔQ = banyaknya kalor atau panas yang diperlukan m = masa benda yang dipanaskan c = panas jenis benda dengan satuan: kalori/gram oC. ΔT = pertambahan suhu. 3.1.3. Ekuivalensi Panas Mekanik (Hukum Joule) Kita ingin tahu apakah kalor atau panas itu merupakan bentuk energi. Untuk itu kita mau belajar dari tokoh Fisika yaitu James Prescott Joule, yang secara singkat disebut Joule. Joule mengadakan percobaan untuk membuktikan bahwa kalor atau panas itu sebagai bentuk energi. Ia membuktikan dan menemukan kesetaraan antara kalori (ukuran panas) dengan joule (ukuran energi mekanik). Dalam percobaannya ia menemukan hubungan berikut: 1 kalori = 4,2 Joule



(2.7)



1 Joule = 0,24 kalori



(2.8)



37



Bagaimana percobaan Joule di lakukan? Secara sederhana Joule menggunakan kalorimeter yang diisi air. Di dalam kalorimeter dimasukkan pengaduk yang digerakkan oleh naik-turunnya beban (lihat gambar 5).



L P A



m



K h air



Gambar 2.5. Percobaan Joule



Keterangan: A : beban dengan masa m K : kalorimeter berisi air P : pengaduk L : termometer Bila beban A dilepas, maka talinya memutar pengaduk P. Putaran pengaduk P menyebabkan air dalam kalorimeter tambah panas. Dengan demikian dapat diketahui bahwa pertambahan panas air dalam kalorimeter disebabkan oleh energi potensial dari beban. Maka dapat dicari hubungan antara energi potensial beban dengan panas air dalam kalorimeter sebagai berikut: Energi kalor, panas yang diterima air dalam kalorimeter: ∆Q = mair.c. ΔT kalori Energi potensial dari beban Epot = mbeban.g.h. joule Dengan menyamakan ∆Q = Epot



38



didapatkan: mair.c. ΔT kalori = mbeban.g.h. joule 1 kalori = (mbeban.g.h.)/( mair.c. ΔT) Joule Dari berkali-kali percobaan akhirnya Joule dapat menemukan kesetaraan kalori dengan joule yaitu 1 kalori = 4,2 joule. Untuk merasakan nuansa penemuan Joule, Anda diminta mengamati 2 video tentang percobaan Joule berikut (video 1 dan 2). Amati secara teliti bagaimana Joule menggunakan kesetaraan energi kalor dengan energi potensial beban.



Video 2.1. Percobaan Joule dengan peralatan yang berat. (https://www.youtube.com/watch?v=PThq8fJpCLw)



Video 2.2. Percobaan Joule dengan skema yang lebih sederhana. (https://www.youtube.com/watch?v=5yOhSIAIPRE)



3.1.4. Prinsip Kesetimbangan Termal – Azaz Black Prinsip yang sangat penting dari termofisika adalah prinsip kesetimbangan termal dari Black yang disebut Azas Black. Secara singkat prinsip itu berbunyi: 1) Bila ada dua benda yang satu suhunya lebih tinggi dari yang lain, bila kedua benda itu disatukan, maka benda yang lebih tinggi suhunya akan memberikan panas kepada benda yang suhunya lebih rendah, sampai terjadi kesetimbangan termal. 2) Panas yang diberikan = panas yang diterima. Ini dapat dirumuskan sebagai: ΔQberi = ΔQterima



(2.9)



39



Contoh Soal 1: Berapa panas yang diperlukan untuk memanaskan 5 kg besi dari suhu awal 25 oC menjadi 55 oC? Panas jenis besi = 0,47 J/g.oC. Jawab: ΔQ = m.c.ΔT = (5 kg).(0,47 J/g.oC).( 55 oC - 25 oC) = (5000 g).( (0,47 J/g.oC).(30 oC) = 70500 J = 70,5 KJ. Contoh Soal 2: Sebuah termos berisi 150 g air dengan suhu 4 oC. Kemudian 90 g logam yang bersuhu 100 oC dimasukkan dalam termos itu. Bila suhu akhir setelah setimbang adalah 21 oC; berapa panas jenis logam itu? Jawab: Panas yang diberikan oleh logam = panas yang diterima air ΔQberi = ΔQterima ml.cl. ΔTl = ma.ca. ΔTa ( l = logam, a = air). (90 g).( cl ).( 100 oC -21 oC) = (150 g).(1 kal/g.oC).( 21 oC -4 oC) (90 g).( cl ).( 79 oC) = (150 g).(1 kal/g.oC).( 17 oC) cl =



(150)(17)kal = 0,36 kal g oC (90)(79)g oC



Untuk menambah pemantapan pemahaman materi suhu dan kalor, silakan simak slide presentasi berikut ini.



Slide Presentasi Modul 3 KB 2 – Suhu dan Kalor



40



3.2. Pengaruh Kalor pada Zat Anda ingin tahu apa yang akan terjadi bila suatu zat menerima kalor atau panas? Cobalah percobaan berikut di rumah anda! Melakukan Percobaan: memanasi benda! 1) Ambillah air dingin, masukkan dalam panci. Cobalah masukan tangan Anda dalam panci itu! Rasakan panasnya! (Kalau Anda mempunyai termometer, ukurlah suhu air itu!). Setelah itu panasilah air tadi beberapa saat. Masukkan tangan Anda! Apa yang Anda rasakan? •



Apakah panas air sebelum dan sesudah dipanasi berbeda?



•



Apakah suhu air sama? Apa kesimpulan Anda?



2) Ambillah sebatang logam. Ukurlah suhu awalnya! Selanjutnya panasilah logam itu! Ukurlah suhu setelahnya! •



Apa yang Anda temukan?



•



Apa kesimpulan Anda?



3) Ambillah botol yang kecil, isilah air. Panasilah botol itu! Apa yang Anda lihat? Apakah volumenya berubah? 4) Ambillah es dan letakkan pada panci. Panasilah panci itu! Apa yang terjadi? Apakah esnya tetap atau berubah? Kalau berubah, menjadi apa? Pertanyaan umum tentang percobaan Anda! •



Apa yang terjadi bila suatu benda dipanasi berdasarkan percobaan Anda?



•



Apa pengaruh panas atau kalor pada suatu benda? Mengapa demikian?



Untuk memberikan wawasan yang lain, Anda dapat melihat video 2.3, 2.4, 2.5 berikut!



Video 2.3. Tentang pergerakan molekul zat yang dipanasi. https://www.youtube.com/watch?v=jatprpYqaos



41



Video 2.4. Tentang pemuaian air. Air dipanasi memuai. https://www.youtube.com/watch?v=VZx2ck67muQ



Video 2.5. Tentang perubahan wujud. Besi yang dipanasi meleleh. https://www.youtube.com/watch?v=fujtl1dlB9M



Pertanyaan Pengarah a) Apa yang terjadi dengan molekul-molekul dalam zat padat yang dipanasi? (Video 2.3) b) Apa yang terjadi pada Video 2.4? Ternyata air yang dipanasi mengalami pemuaian, bertambah volumenya. Mengapa demikian? c) Apa yang terjadi dalam Video 2.5? Ternyata besi mengalami perubahan wujud bila dipanasi. Mengapa dapat terjadi demikian? d) Menurut Anda apa yang terjadi bila benda dipanasi? Jelaskan! 3.2.1. Pemuaian Benda Dari percobaan Memanasi benda yang telah Anda lakukan, secara umum dapat dikatakan bahwa benda yang dipanasi dapat mengalami perubahan suhu, pemuaian, dan perubahan wujud. Di sini secara singkat mau dijelaskan mengapa demikian. Anda telah melihat secara mikro (Video 2.3), bahwa molekul-molekul benda yang dipanasi bergerak lebih cepat dan kuat, sehingga mendesak molekul yang ada di dekatnya. Selanjutnya molekul yang di dekatnya mendesak yang di dekatnya dan seterusnya. Akibatnya jarak antara molekul lebih lebar. Inilah proses pemuaian suatu zat yang dipanasi. Secara makro, benda yang dipanasi akan memuai, yaitu bertambah panjang, bertambah lebar, dan bertambah tinggi. Secara keseluruhan benda itu bertambah volumenya. Dalam percobaan Anda memanasi air dalam botol dan juga dalam



42



video tentang air yang dipanasi (Video 2.4), Anda juga melihat bahwa volume air bertambah. Kita dapat menghitung berapa pertambahan panjang suatu benda bila dipanasi. Pertambahan panjang suatu benda yang dipanasi (ΔL) tergantung pada panjang mula-mula benda itu (L), pertambahan suhu (ΔT), dan koefisien panjang benda itu (α). Secara sederhana dapat dirumuskan sebagai berikut: ΔL = L. α . ΔT



(2.10)



Sehingga panjang akhir (L’) = L’ = L + L. α. ΔT = L (1+ α. ΔT)



(2.11)



Keterangan: ΔL = pertambahan panjang benda L = panjang mula-mula α = koefisien linear benda (koefisien muai panjang benda). ΔT = pertambahan suhu. Bagaimana



dengan



pertambahan



volume



benda



yang



dipanasi?



Pertambahan volume benda yang dipanasi (ΔV) tergantung pada volume awal (V), pertambahan suhu (ΔT), dan koefisien volume benda itu (β), yang setiap benda berbeda. Secara sederhana dapat dituliskan dalam rumus berikut: ΔV = V.β.ΔT



(2.12)



Sehingga volume akhir menjadi: V’ = V + V.β.ΔT = V (1 + β.ΔT)



(2.13)



Di mana: ΔV = pertambahan volume benda yang dipanaskan V = volume awal V’ = volume akhir β = koefisien muai volume benda = 3 α ΔT = pertambahan suhu Contoh Soal 1:



43



Sebuah pipa baja yang panjangnya 1 m dipanaskan dari suhu 20oC sampai suhu 50oC. Koefisien muai panjang baja = 12 x 10-6/oC. Berapa pertambahan panjangnya? Jawab: ΔL = L. α . ΔT = (1 m).(12 x 10-6/oC).(50oC – 20oC) = (1 m).(12 x 10-6/oC).( 30oC) = 360 x 10-6 m = 0,36 x 10-3 m = 0,36 mm. Contoh Soal 2: Anda mempunyai 200 cm3 air raksa dalam sebuah botol. Bila air raksa itu dipanaskan dari suhu 20oC sampai 100oC, berapakah volume akhir air raksa tersebut? Koefisien muai air raksa = 18 x 10-5/oC. Jawab: ΔV = V.β.ΔT = (200 cm3 ).( 18 x 10-5/oC).( 100oC -20oC) = (200 cm3 ).( 18 x 10-5/oC).( 80oC) = 2,88 cm3. Maka Volume akhir = 200 cm3 + 2,88 cm3 = 202,88 cm3. 3.2.2. Perubahan Wujud Zat Selain zat memuai atau bertambah suhunya bila dipanasi, ternyata zat juga dapat mengalami perubahan wujud bila dipanaskan. Pada bagian ini Anda diajak untuk mempelajari tentang perubahan wujud zat yang terjadi karena benda itu dipanasi. Kita akan mengawali dengan mengamati sejenak wujud benda yang ada di sekitar kita.



Wujud benda Persoalan untuk dipikirkan! 1) Sebutkanlah wujud benda yang Anda ketahui! Ada berapa macam wujud benda? 2) Carilah contoh-contoh benda yang termasuk dalam klasifikasi wujud benda yang Anda sebutkan dalam nomor 1)? 3) Apa perbedaan yang menonjol dari wujud-wujud benda tersebut?



44



4) Bagaimana volume, masa, bentuk, dan gerak molekulnya? Apakah ada perbedaan di sini? Secara sederhana wujud benda dibedakan menjadi 4 wujud yaitu zat padat, zat cair, gas, dan plasma. Secara makroskopik, benda padat mempunyai bentuk dan volume tetap; benda cair mempunyai bentuk yang berubah dan volume tetap; sedangkan gas mempunyai bentuk dan volume berubah.



Sedangkan plasma



merupakan campuran gas yang bermuatan positif. Secara mikroskopis, pada benda padat molekul-molekulnya bergetar pada kedudukan tetap dengan daya ikat antar molekul yang kuat dan jarak antar molekul sangat kecil. Pada benda cair gaya antar molekul masih cukup kuat untuk mempertahankan kesatuan molekul, tetapi tidak cukup kuat untuk mencegah molekul-molekul menggelinding keluar. Sedangkan pada gas, molekul gas dengan bebas bergerak ke mana-mana, gaya ikat antar molekul sangat kecil dan jarak antar molekul sangat besar (lihat Gambar 2.6)



Gambar 2.6. Wujud benda (Google.com)



Perubahan Wujud Benda Apa yang terjadi kalau Anda memanasi es dalam panci terus menerus? Apa yang terjadi kalau Anda memanasi lilin? Apa yang terjadi kalau Anda membiarkan es krim di tengah matahari? Anda akan melihat bahwa es, lilin, dan es krim tadi akan mencair. Sebaliknya kalau Anda memasukkan air dalam freezer, air itu akan membeku dan menjadi es. Secara umum dapat dikatakan bahwa benda yang dipanasi dapat mengalami perubahan bentuk. Demikian juga benda yang didinginkan dapat mengalami



45



perubahan bentuk. Secara singkat dapat dibedakan beberapa macam perubahan wujud yaitu: 1) Mencair



: dari padat ke cair



2) Menguap



: dari cair ke gas



3) Mengembun : dari gas ke cair 4) Membeku



: dari cair ke padat



5) Menyublim



: dari padat ke gas



6) Menghablur



: dari gas ke padat.



Secara lebih jelas perubahan wujud itu dapat diskemakan seperti Gambar 2.7 dan Gambar 2.8 berikut!



Gambar 2.7. Perubahan wujud 3 zat (google.com)



Gambar 2.8. Perubahan wujud 4 zat (google.com)



Persoalan untuk dipikirkan! Carilah contoh dalam kejadian sehari-hari yang menunjukkan perubahan wujud di atas! Mengapa dapat terjadi perubahan wujud seperti itu? Kemudian menurut Anda apa kegunaan perubahan wujud itu dalam kehidupan sehari-hari? Berilah contohnya!



46



“Mengapa terjadi perubahan wujud secara mikro?” Secara mikro kita dapat memperhatikan gerak molekul dalam suatu benda. Bila benda (padat) dipanaskan, maka molekul-molekul di dalamnya akan bergerak lebih cepat dan lebih kuat. Bila terus dipanaskan, maka gerakan molekul semakin cepat dan kuat sehingga lepas dari ikatannya (mencair), bila dipanaskan terus, maka molekul akan lepas keluar (menjadi gas). Panas peleburan dan panas penguapan Untuk mengadakan perubahan wujud dari padat ke cair, atau dari cair ke gas, diperlukan energi yang besar. •



Panas peleburan Hf adalah panas yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat dari padat ke cair, yang besarnya : Hf = Q/m atau Q = m.Hf



•



(2.14)



Panas penguapan Hv adalah panas yang diperlukan untuk mengubah 1 kg zat dari cair ke gas. Besarnya: Hv = Q/m atau Q = m.Hv



(2.15)



Keterangan: Q = banyaknya panas yang dibutuhkan m = masa benda Hubungan kalor, kenaikan suhu dan perubahan wujud benda Dalam Gambar 2.9 berikut dilukiskan hubungan antara kenaikan suhu dan wujud zat yang terkait.



Gambar 2.9. Grafik hubungan kalor, suhu, dan wujud zat pada air (fisikaABC.com).



Keterangan



47



•



Es dipanasi dari suhu -10 0C sampai suhu 0 oC dengan kalor Q1;



•



Pada suhu 0oC es itu dipanasi terus dengan kalor Q2 sehingga es mencair;



•



Setelah mencair semua, air yang terus dipanasi dengan kalor Q3 akan mengalami kenaikan suhu sampai dengan suhu 100 oC.



•



Pada saat suhu 100 oC, prosesnya adalah penguapan dengan kalor Q4;



•



Setelah semua air menjadi uap, barulah suhunya naik lagi.



•



Nampak bahwa pada saat perubahan wujud, suhu es dan suhu air itu tetap. Semua kalornya digunakan untuk melakukan perubahan wujud dan bukan untuk kenaikan suhu.



Contoh Soal 1: Berapa panas yang dilepaskan dalam proses pengembunan uap air dengan masa 20 gram? Jawab: Q = m.Hv = (20 gram) (540 kal/gram) = 10800 kalori = 10,8 Kkal. Contoh Soal 2: Hitunglah berapa panas yang diperlukan untuk mengubah 500 g es dari suhu 20oC sampai semuanya menjadi cair? Panas jenis es = 0,5 kal/groC; panas lebur es = 80 kal/gr. Jawab: ∆Q = ∆Q1 + ∆Q2 di mana ∆Q1 = panas untuk menaikkan suhu es dari -20oC menjadi es 0oC; sedangkan ∆Q2 = panas yang diperlukan dalam perubahan wujud es menjadi air. ∆Q = ∆Q1 + ∆Q2 = m.ces. ∆T + m. Hf = (500 g).( 0,5 kal/groC).( 20oC) + (500 g).( 80 kal/gr) = 5000 kalori + 40.000 kalori = 45.000 kalori = 45 Kkal. Contoh Soal 3: Lihat grafik hubungan kalor, suhu, dan wujud perubahan es berikut:



48



Awalnya masa es 500 g, suhunya -10 oC. Bila es itu dipanasi sampai semuanya mulai menguap, berapa kalor panas yang diperlukan? Apa wujudnya dari A-B, B-C, C-D, D-E. Jawab: A-B Q1 = mes, Ces. ∆T = (500 g).(0,5 kal/g.oC).(10 oC) = 2500 kalori. Wujudnya masih es. B-C Q2 = mes,. Hf = (500 g) (80 kal/g) = 40.000 kalori. Wujudnya adalah campuran es dan air. C-D Q3 = mair. Cair. ∆T = (500 g) (1 kal/g.oC) (100 oC) = 50.000 kalori. wujudnya air panas. D-E Q4 = mair. Hv = (500 g) (540 kal/g) = 270.000 kalori. Wujudnya campuran air dan uap air. 3.3. Perpindahan Panas (Transfer Panas) Apakah Anda ingin tahu bagaimana panas itu dapat dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain? Dalam bagian ini akan kita pelajari bagaimana panas dapat ditransfer dari suatu tempat ke tempat lain. Untuk itu Anda diajak melakukan percobaan! Melakukan Percobaan sederhana!



49



•



Ambillah sendok dari logam; panaskah sisi sendok dengan lilin dan peganglah sisi yang lain. Apa yang anda rasakan? Ternyata tangan Anda merasa panas. Jadi panas ditransfer dari sisi sendok yang panas ke tangan anda!



•



Ambillah gelas dan isilah dengan air! Panaskah gelas itu dari bawah. Amati apa yang terjadi? Ternyata terjadi gelembung air yang naik dari bawah ke permukaan gelas, dan bahkan terjadi aliran dalam gelas itu.



•



Waktu ada sinar matahari, pergilah ke luar rumah sebentar. Apa yang anda rasakan? Ternyata kulit anda merasa panas dari sinar matahari. Dari percobaan Anda itu, ada 3 cara panas ditransfer atau dipindahkan, yaitu



dengan cara konduksi, konveksi, dan radiasi. 3.3.1. Konduksi Konduksi: perpindahan panas karena molekul-molekul yang dipanasi dari satu sisi bergerak cepat dan kuat sehingga menggetarkan molekul sebelahnya dan seterusnya, sehingga sisi sebelah menjadi panas. Dalam konduksi molekul tetap dalam posisinya, tidak keluar dari benda itu. Lihat gambar Gambar 2.10 berikut!



Gambar 2.10. (kiri) peristiwa konduksi; (kanan) peristiwa konduksi secara mikro (google.com)



Pada Gambar 2.10 (kiri) logam yang dipanasi oleh nyala lilin menjadi panas dan panasnya dikonduksikan ke tangan orang. Sedangkan pada Gambar 2.10 (kanan), kita melihat secara mikro. Molekul yang dipanasi bergerak lebih cepat dan kuat lalu menumbuk molekul tetangga sehingga molekul tetangga juga menjadi bergerak lebih cepat dan kuat. Dengan kata lain menjadi panas karena konduksi. Lihatlah video berikut:



50



Video 2.6. Video terjadinya konduksi. (https://www.youtube.com/watch?v=9joLYfayee8&t=96s)



Pertanyaan: 1) Bagaimana proses konduksi terjadi? 2) Mengapa konduksi ada zat padat lebih kuat dari pada zat cair dan gas? 3) Mengapa ada zat yang mudah dialiri panas dan ada yang sulit? 4) Carilah contoh peristiwa konduksi dalam hidup anda! Besarnya panas yang dikonduksikan Sebagai guru fisika, Anda pasti ingin mengerti berapa besar panas yang dikonduksikan dalam suatu benda. Secara singkat, besarnya panas yang dikonduksikan dalam suatu benda dipengaruhi oleh panjang benda (1/L), penampang benda (A), pertambahan suhu (ΔT), dan koefisien konduksi zat (k). Sehingga dapat dirumuskan menjadi: Q − k . A.T =H = t L



(2.16)



Keterangan H = banyaknya panas per waktu = ΔQ/Δt = daya panas, dengan satuan Joule/det = watt k = koefisien konduksi zat, dengan satuan watt/m.oC. L = panjang benda A = penampang benda. Artinya: semakin panjang benda itu, maka panas yang dikonduksikan semakin kecil; semakin luas benda itu, semakin besar panas yang dikonduksikan; dan semakin pertambahan suhu tinggi semakin besar panas yang dikonduksikan. Contoh soal



51



Sebuah lempeng besi mempunyai tebal 2 cm dan penampangnya 5000 cm2. Salah satu sisinya bersuhu 150 oC dan sisi yang lain 140 oC. Berapa banyak panas per detik yang dihantarkan melalui lempeng itu? k = 0,115 kal/det.cm.oC. Jawab: Q − k . A.T =H = t L



Q − (0,115)(5000)(10). =H = kal / det = 2880kal / det t 2



3.3.2. Konveksi Konveksi: perpindahan panas karena konveksi, aliran. Molekul yang dipanasi menjadi lebih ringan lalu bergerak ke atas dan tempatnya diisi molekul yang lebih dingin, sehingga terjadi aliran. Untuk konveksi ini molekul yang panas sendiri mengalir. Konveksi terjadi pada zat cair dan gas. Lihat Gambar 2.11 berikut!



Gambar 2.11. (kiri) Konveksi air; (kanan) Konveksi udara (google.com)



Pada Gambar 2.11 (kiri) diperlihatkan terjadinya konveksi pada air. Molekul2 air dalam ketel dipanasi maka memuai sehingga masa jenisnya menjadi lebih kecil dibandingkan sebelumnya. Molekul- molekul itu lalu naik ke atas karena lebih ringan. Tempat yang ditinggalkan diisi oleh molekul sebelahnya, sehingga terjadilah aliran atau konveksi seperti terlihat dalam gambar. Pada Gambar 2.11 (kanan) udara panas dari pemanas ruangan mengalir ke atas karena masa jenis menjadi lebih kecil, lalu tempatnya diisi udara dari sebelahnya. Demikian terjadi aliran dalam ruang itu. Lihatlah video tentang konveksi berikut!



52



Video 2.7. Konveksi (https://www.youtube.com/watch?v=VxGIiOTuAIs)



Pertanyaan: 1) Apa yang menyebabkan terjadinya konveksi dalam video itu? Jelaskan? 2) Mengapa konveksi tidak dapat terjadi pada zat padat? Besarnya panas yang dikonveksikan zat cair Besarnya panas yang dikonveksikan atau dialirkan tergantung pada luasan permukaan di mana konveksi terjadi (A), perubahan suhu (ΔT), dan koefisien konveksi (h). Secara singkat dirumuskan sebagai berikut: H = h.A. ΔT



(2.17)



Keterangan: H = besarnya panas yang dikonveksikan h = koefisien konveksi A = penampang benda. Artinya: semakin penampang benda itu luas dan semakin pertambahan suhunya besar, maka panas yang dikonveksikan juga semakin besar. Contoh soal Air dalam tabung yang berpenampang 0,2 m2 dipanaskan dari bawah sehingga suhu air di bawah tabung 100oC dan suhu air di atas permukaan 30oC. Berapa banyaknya panas yang dikonveksikan dari dasar tabung ke permukaan? h air = 1 watt/m2.oC. Jawab: H = h.A. ΔT = (1 watt/m2.oC).( 0,2 m2).( 100oC -30oC) = (1).( 0,2).(70) watt H = 14 watt.



53



3.3.3. Radiasi Radiasi: perpindahan panas karena sinar, karena gelombang elektromagnetik. Sinar matahari sampai pada kita meski tidak ada konduksi dan aliran. Lihat Gambar 2.12 berikut!



Gambar 2.12. Radiasi dari matahari ke bumi (google.com)



Dari Gambar 2.12 tampak bahwa sinar matahari sampai ke bumi dengan cara radiasi. Antara matahari dan bumi ada ruang hampa udara, sehingga tidak mungkin transfer panasnya dengan konveksi. Matahari dan bumi juga tidak bersentuhan maka tidak mungkin dengan konduksi. Simaklah video berikut ini:



Video 2.8. Radiasi (https://www.youtube.com/watch?v=5GoZZKcNZiQ)



Video menggambarkan proses radiasi dan juga benda apa saja yang baik menerap dan memancarkan radiasi. Pertanyaan: •



Bagaimana proses radiasi terjadi?



•



Benda apa saja yang mudah menyerap dan memancarkan radiasi? Mengapa?



•



Menurut anda di bawah terik matahari sebaiknya anda berpakaian warna apa agar tidak terkena radiasi yang besar? Jelaskan!



Besarnya panas yang diradiasikan atau dipancarkan



54



Banyaknya panas yang diradiasikan atau dipancarkan suatu benda tergantung pada luasan yang memancarkan panas (A), emisivitas (ε), konstanta Boltzman (τ), dan suhu Kelvin (T). Secara singkat dapat dirumuskan menjadi: H = dQ/dt = ε. τ . A. Τ4



(2.18)



Keterangan H = energi yang dipancarkan per satuan waktu (daya, power) ε = emisivitas, seberapa besar suatu zat itu memancarkan radiasi; antara 0< 𝜀 B -> A. Besarnya kerja yang dilakukan dapat dicari sebagai berikut (lihat gambar 5): p B W total A



V



Gambar 3.5. Proses siklis



Kerja yang dilakukan sistem A ke B = luasan daerah di bawah kurwa AB. Kerja yang dilakukan sistem B ke A = luasan kurwa di bawah BA. Maka kerja total = luasan elips ABA. 2) Proses kerja pada tekanan tetap (isobarik) v2



Oleh karena P tetap, maka W =  P.dV = P ∫ dV = P (V2 – V1) = P.∆V. v1



Prosesnya dapat dilihat pada grafik berikut (Gambar 3.6). Besarnya kerja W = luasan persegi empat di bawah kurva.



75



P



Curva isobarik



W = P.∆V V V1



V2



Gambar 3.6. Grafik proses isobarik.



3) Proses kerja isothermal (T tetap) Persamaan gas ideal: PV = nRT atau



P = (nRT)/V, sehingga:



W = P ∫ dV = (nRT)/V ∫ dV = nRT ∫ dV/V = nRT ln (V2/V1). Prosesnya seperti gambar 7.



P



P1



P2 W = nRT ln (V2/V1)



V1



V2



V



Gambar 3.7. Proses kerja isotermal



4) Proses kerja isometric (isokhorik), Volume tetap Proses termodinamika dengan volume tetap (∆V = 0). Karena (∆V = 0) maka kerjanya menjadi: 𝒗



𝑾 = ∫𝒗 𝟐 𝑷. 𝒅𝑽 = 0 𝟏



76



(3.19)



Bila digambar, prosesnya seperti pada gambar 8! p



V V1 = V2



Gambar 3.8. Proses isokhorik/isovolume



Contoh Soal 1: Gas ideal dalam tabung melakukan kerja dalam proses isobarik dari V1 = 5 m3 menjadi V2 = 10 m3. Tekanannya 2 atm. Hitunglah kerja yang dilakukan? Jawab: Proses isobarik, berarti P tetap, sehingga kerjanya menjadi: W = P (V2 – V1) = (2 atm) (10 m3 - 5 m3) = (2 x 1,01 x 105 N/m2)( 5 m3) = 1,01 x 106 Joule. Contoh Soal 2: Gas ideal secara isothermal melalukan ekspansi dari keadaan V1 = 3 liter, tekanan 20 atm, menjadi V2 = 24 liter. Berapa kerja yang dilakukan sistem itu? (Bueche, 1988: 147). Jawab: W = nRT ln V2/V1 = P1V1 ln (V2/V1) = (20 x 1,01 x 105 N/m2)(3 x 10-3 m3) ln 24/3 = 1,26 x 104 Joule. 3.4.2. Energi dalam (U) dan Azas bagi rata-rata energi gas ideal (Prinsip Ekuipartisi) Energi Dalam (U) Anda tahu bahwa molekul gas yang ada dalam tabung dapat bergerak bebas ke segala arah. Gerakannya dapat dalam bentuk translasi, rotasi, maupun vibrasi. Karena gerak itu maka ada energi kinetiknya. Kumpulan semua energi dalam



77



seluruh tabung itulah yang disebut energi dalam (U). Maka dapat terjadi energi dalam (U) suatu sistem terdiri dari energi translasi, rotasi, vibrasi, kimia, dll. Azas bagi rata-rata energi gas ideal (Prinsip Ekuipartisi) Setiap gas terdiri dari molekul-molekul yang bergerak bebas. Kita perlu meneliti derajat kebebasan bergerak molekul itu untuk dapat menghitung berapa besar energi dalam ( U) nya. 1) Ambil 1 molekul yang terdiri dari 1 atom saja, misalnya molekul A: Molekul A akan mengalami gerak translasi, rotasi, dan vibrasi (gambar 9). Z



m X A



Y



Gambar 3.9. Molekul A bergerak ke arah sumbu x, y, dan z



a) Gerak translasi: ke arah sumbu x, y, dan z. Maka molekul A mempunyai kecepatan vx, vy, vz. Sehingga punya energi kinetik ½ mvx2, ½ mvy2, dan ½ mvz2. Molekul A dikatakan mempunyai 3 derajat kebebasan translasi. b) Gerak rotasi: Molekul A dapat mengalami gerak rotasi berputar sumbu x, y, dan z. sehingga kecepatan angulernya ɷx, ɷy, ɷz. Maka energi kinetik angulernya adalah: ½ I ɷx2, ½ Iɷy2, ½ Iɷz2. Untuk sebuah atom, I = mR2 dan ini sangat kecil, karena R molekul gas ideal dianggap nol, sehingga diabaikan. Maka energi kinetik angulernya juga diabaikan. Sehingga molekul A tidak mempunyai derajat bebas rotasi. c) Gerak vibrasi. Energi vibrasi = ½ kx2. Untuk 1 molekul, ini diabaikan juga. Sehingga tidak mempunyai kebebasan vibrasi.



78



d) Jumlah energi dalam (U, keseluruhan) = ½ mvx2 + ½ mvy2 + ½ mvz2 = 3/2. mvx2 Secara umum U = Ekin rata-rata = 3/2.kT. Secara umum U = f/2. kT., dimana f = derajat kebebasan. e) Tenaga dalam untuk banyak molekul berlaku: U = f/2. nRT = f/2. N kT. Di mana: n = banyak mole, N = banyak molekul, f = derajat kebebasan. Contoh Soal Berapa energi dalam pada 2 mole gas ideal pada suhu 400K? Jawab: Andaikan gas ideal itu molekulnya hanya terdiri dari 1 atom saja, maka f = 3. Sehingga tenaga dalam gas itu adalah = U = f/2. nRT = 3/2. (2 mole) (8,31 J/K.mole)(400K) = 9972 J. 4. Forum Diskusi Di bawah ini disajikan beberapa persoalan yang dapat digunakan sebagai bahan diskusi antar peserta. a) Menurut anda apa perbedaan antara gas sejati dengan anggapan kita tentang gas ideal? Jelaskan! b) Menurut anda apa faktor yang paling menentukan kelajuan molekul suatu gas? Jelaskan! c) Apa hubungan antara energi dalam dengan prinsip ekuipartisi gas ideal? Jelaskan! C. Penutup 1. Rangkuman •



Persamaan keadaan gas ideal adaah PV = nRT atau PV = NkT. Dalam keadaan khusus ini menjadi bebeerapa hukum seperti: hukum Boyle, Charles, Gay Lussac, dan Boyle Gay Lussac.



79



•



Berdasarkan anggapan gas ideal, dapat dirumuskan teori kinetik gas, yang mengkaitkan antara Ekin, P, V, serta dapat dicari kecepatan rata-rata molekul sebesaar v rms =



3kT m



•



Usaha gas ideal adalah sebesar dW = P.dV



•



Hubungan energi dalam dan prinsip ekuipartisi adalah sebagai berikut:



•



U = f/2. nRT = f/2. N kT.



2. Tes Formatif Kerjakan soal berikut dengan memberi lingkaran pada jawaban yang Anda anggap benar. Kerjakan dengan teliti! Setelah selesai, bandingkan jawaban Anda dengan kunci jawaban yang ada di belakang modul 3 KB 4! Bila jawaban Anda belum benar silakan dipelajari lagi! 1) Berapa volume 4 g oksigen pada tekanan 1 atm dan suhu 0oC, bila M oksigen = 32 kg/Kmol. A. 3200 cm3 B. 2800 cm3 C. 2500 cm3 D. 2300 cm3 E. 2100 cm3 2) Berapa tekanan gas yang dimampatkan dari 1 liter, 1 atm, suhu -20oC; menjadi ½ liter dan suhu 40oC? A. 0, 13 atm B. 1, 13 atm C. 2, 13 atm D. 3, 13 atm E. 4, 13 atm 3) Sebuah tangki volumenya 590 liter berisi oksigen pada suhu 20oC dan tekanan 5 atm. Hitunglah masa oksigen itu? A. 1,9 kg B. 2,9 kg



80



C. 3,9 kg D. 4,9 kg E. 5,9 kg 4) Sebuah molekul hidrogen memiliki temperatur 250 K. Berapakah: (a) tenaga kinetik translasi rata-ratanya? A. 1,175 x 10-21 Joule B. 2,175 x 10-21 Joule C. 3,175 x 10-21 Joule D. 4,175 x 10-21 Joule E. 5,175 x 10-21 Joule 5) Sebuah bejana berisi gas nitrogen dengan densitas = 2,7 x 1025 molekul/m3. Vrms molekul = 500 m/det. Masa 1 molekul nitrogen = 4,7 x 10-26 kg. Hitunglah tekanan gas itu? A. 0,006 x 105 Pa B. 0, 06 x 105 Pa C. 0, 66 x 105 Pa D. 1, 06 x 105 Pa E. 1, 66 x 105 Pa 6) Dua mole gas ideal pada suhu 300 K pada volume 0,10 m3 dikompresikan secara isothermal dengan piston yang digerakkan motor, sehingga volumenya menjadi 0,01 m3. Bila diandaikan tidak ada gesekan, berapa kerja? A. – 1,15 x 104 Joule B. – 1,05 x 104 Joule C. 1,15 x 104 Joule D. 1,05 x 104 Joule E. 0, 15 x 104 Joule 7) Mana cara yang paling tepat untuk mempercepat laju molekul gas ideal? A. Menaikkan suhu gas B. Mengurangi masa gas



81



C. Menaikkan suhu dan menambah masa gas D. Menaikkan suhu dan mengurangi masa gas. E. Menambah volume gas. 8) Sebuah silinder yang volumenya 1 liter berisi 1 mole gas ideal dengan suhu 300 K. Bila volume gas itu diubah menjadi 3 liter dengan tetap mempertahankan suhunya 300 K, berapa kerja yang dilakukan gas itu? A. 2740,16 Joule B. 2590,16 Joule C. 2494,2 Joule D. 2280,18 Joule E. 2095,2 Joule 9) Ada 3 macam gas ideal A, B, C dengan masa yang berbeda: A masanya sangat besar, B masanya medium, dan C masanya paling kecil. Berapa energi kinetik rata-ratanya? A. Energi kinetik rata-rata A > B > C. B. Energi kinetik rata-rata A < B < C. C. Energi kinetik rata-rata A = B = C D. Energi kinetik rata-rata A > B = C. E. Energi kinetik rata-rata A = B < C. 10) Suatu tabung berisi gas ideal. Mana cara yang paling tidak tepat untuk menaikkan tekanannya? A. Menambah jumlah molekulnya B. Menaikkan suhunya C. Menaikkan volumenya D. Menambah jumlah mole. E. Menambahkan energinya. 11) Dalam suatu tabung berisi 10 mole gas hidrogen dengan suhu 400 K. Berapa besar energi dalam (U) nya? A. 83,10 Kjoule B. 33,24 Kjoule C. 16,62 Kjoule



82



D. 8,310 Kjoule, E. 3,324 Kjoule 12) Anda mengendarai sepeda motor lama di jalan aspal. Apa yang terjadi dengan tekanan ban motor anda? A. Tekanan ban menjadi kecil karena telah lama berjalan; B. Tekanan ban menjadi kecil karena suhu ban menjadi lebih tinggi C. Tekanan ban menjadi lebih besar karena suhu ban yang bertambah D. Tekanan ban menjadi kecil karena gesekan ban dengan aspal E. Tekanan ban tetap tidak berubah. Daftar Pustaka Cengel & Turner. (2005). Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences. Boston: McGraw-Hill Higher Education. Cengel & Boles. (2006). Thermodynamics, An Engineering Approach. Boston: McGraw Hill Higher Education. Serway, Raymond. (1990). Physics for Scientists & Engineers with Modern Physics. Third Edition. Chicago: Sounders College Publishing. Suparno, P. (2009). Pengatar Termofisika. Yogyakarta: USD. Suparno, P. (2011). Pengantar Termodinamika. Yogyakarta: USD.



83



84



DAR2/Profesional/184/3/2019



PENDALAMAN MATERI FISIKA



Modul 3 KB 4. Hukum Termodinamika



KEMENTERIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN 2019



A. Pendahuluan Rekan guru yang baik, selamat jumpa lagi dalam modul HUKUM TERMODINAMIKA ini. Dalam modul ini anda diajak untuk mempelajari tentang Hukum Termodinamika Nol, Hukum Termodinamika I, Hukum Termodinamika II, serta penggunaannya dalam kehidupan sehari-hari. Dalam hidup sehari-hari Anda sudah mengenal mobil, kereta api, pesawat terbang. Anda juga sudah menggunakan kulkas, mesin pemanas. Anda juga mengenal adanya pembangkit listrik baik dengan gas, panas bumi, nuklir, kincir angin dll. Semua alat-alat tadi menggunakan prinsip hukum Termodinamika yang menggunakan energi kalor untuk melakukan usaha/kerja. Dalam modul ini Anda akan mempelajari tentang konsep, teori dan hukum tentang Termodinamika. Termodinamika berasal dari kata Yunani therme dan dynamis. Therme berarti panas dan dynamis berarti energi atau gerak (Cengel & Boles, 2006: 2). Termodinamika dapat diartikan sebagai Ilmu pengetahuan yang membicarakan hubungan antara panas, energi, gerak, dan kerja. Seluruh pembahasan dalam Termodinamika didasarkan pada 2 hukum pokok itu yaitu Hukum Termodinamika I dan II. Hukum Termodinamika I mengungkapkan prinsip kekekalan energi, sedangkan Hukum Termodinamika II menunjukkan arah dari perubahan energi. Variabel-variabel terpenting dalam mempelajari Termodinamika adalah temperatur (T), kalor atau panas (Q), tekanan (P), volume (V), dan kerja atau usaha (W), serta energi dalam (U). Dengan menguasai bahan ini, Anda dapat menjelaskan, menganalisis, dan menggunakan pengertian dan konsep Hukum Termodinamika dalam memecahkan berbagai persoalan sehari-hari maupun dapat memahami penggunaan hukum termodinamika dalam dunia industri. Sebagai guru anda semakin dapat menjelaskan hukum termodinamika secara tepat dan benar pada siswa SMA. Agar anda dapat mempelajari bahan ini dengan mudah diharapkan: 1) Anda mempelajari modul ini secara cermat dan teliti; 2) Mengerjakan tugas yang diberikan; 3) Mencoba dan mengamati video yang ada; 4) Mengerjakan soal-soal dan tugas yang diberikan;



86



5) Mencocokkan hasil jawaban anda dengan kunci jawaban yang tersedia. B. Inti 1. Capaian Pembelajaran Setelah mempelajari modul ini Anda diharapkan dapat menganalisis materi mekanika fluida dan termodinamika dan penerapannya untuk menyelesaikan permasalahan fisika dalam kehidupan sehari-jari. Setelah mempelajari modul ini diharapkan dapat mencapai Sub Capaian Pembelajaran sebagai berikut: a) Menguasai pengertian, konsep, dan hukum Termodinamika Nol, I, dan II, serta dapat memberikan contoh penggunaannya dalam kehidupan sehari hari dan industri; b) Dapat menentukan cara yang tepat untuk menaikkan efisiensi mesin kalor bila diberikan data tentang efisiensi mesin kalor; c) Dapat menjelaskan konsep Termodinamika pada anak-anak SMA. 2. Pokok Materi a) Hukum Termodinamika Nol b) Hukum Termodinamika I c) Mesin Carnot d) Mesin pendingin, pemanas, dan Coeficient of Performance mesin e) Hukum Termodinamika II f) Penggunaan Hukum Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari 3. Uraian Materi 3.1. Hukum Termodinamika Nol Hukum termodinamika nol sering disebut hukum kesetimbangan termal. Amati gambar 1 berikut. Suatu sistem A, B, dan C. Bila sistem A dan C dalam kesetimbangan termal; dan sistem B dan C ada dalam kesetimbangan termal; maka sistem A dan B ada dalam kesetimbangan termal juga.



87



Gambar 4.1. Hukum Termodinamika nol



Secara matematis relasi di atas dapat dituliskan sebagai berikut: TA = TC TB = TC Maka TA = TB



(4.1)



Artinya, bila suhu A sama dengan suhu C; dan suhu B sama dengan suhu C; maka suhu A sama dengan suhu B. Untuk memperdalam pengertian hukum termodinamika nol, silakan mengamati video berikut:



Video 4.1. Hukum Termodinamika nol (https://www.youtube.com/watch?v=PE_zpk-EznQ)



Pertanyaan tentang video: a) Menurut video tersebut, apa inti hukum Termodinamika Nol? b) Berilah beberapa contoh yang digunakan untuk menunjukkan hukum Termodinamika Nol dalam video tersebut? c) Apa kegunaan nyata dari hukum Termodinamika Nol dalam hidup anda? Jelaskan! Contoh Persoalan Apakah seorang perawat harus memasukkan termometer ke dalam perut seseorang bila ingin mengukur suhu dalam perut orang itu? Jelaskan dengan hukum termodinamika nol! Jawab:



88



Tidak perlu. Perawat itu cukup mengukur dengan menempelkan termometer di kulit luar perut orang itu. Setelah lama ditempelkan, maka dapat ditentukan suhu dalam perut orang itu, yaitu sama dengan suhu kulit perut orang tersebut. Alasannya, suhu perut orang itu sama dengan suhu kulit perutnya karena dalam kesetimbangan termal. Sedangkan suhu kulit perutnya sama dengan suhu termometer karena ada dalam kesetimbangan termal pula. Jadi suhu perut dalam orang itu sama dengan suhu termometer. 3.2. Hukum Termodinamika I Amati kejadian-kejadian berikut: •



Apa yang terjadi bila anda memanaskan ceret yang berisi air? Airnya menjadi panas dan akhirnya tutup ceret itu terangkat ke atas.



•



Anda makan bakso cukup banyak, maka tubuh anda menjadi panas, dan akhirnya anda berdiri untuk berjalan.



•



Anda memanaskan botol yang ditutupnya dipasang balon kempes. Pelan-pelan udara dalam botol menjadi panas, dan balon pelan-pelan berkembang dan berdiri tegak.



Dari contoh-contoh di atas, ternyata kalau kita memberikan panas pada suatu sistem, sistem itu bertambah panas dan akhirnya melakukan usaha/kerja. Dengan kata lain panas yang diberikan digunakan untuk menaikkan energi dalam sistem itu dan melakukan usaha. Itulah yang akhirnya dinamai Hukum Termodinamika I. Jelas Hukum Termodinamika I menjelaskan prinsip kekekalan energi. Secara singkat diungkapkan bahwa: •



Jumlah energi yang diberikan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam dan kerja yang dilakukan sistem itu.



•



Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja (Cengel & Tuerner, 2005: 158).



Ini dapat dirumuskan sebagai: ΔQ = ∆W + ∆U



(4.2)



Panas yang diberikan (ΔQ) digunakan untuk melakukan kerja (∆W) dan perubahan energi dalam (∆U).



89



Ambil contoh silinder (gambar 2) berikut. Pada silinder diberi tambahan panas ΔQ, akibatnya gas dalam silinder memberikan tekanan dan menggerakkan piston ke atas (melakukan kerja) sebesar ∆W. Bila ΔQ makin besar, maka ΔW juga makin besar. Namun (ΔQ – ΔW) selalu konstan. Inilah energi dalam ∆U. Sehingga ΔQ - ΔW = ∆U . Atau dapat ditulis sebagai : ΔQ = ΔW + ∆U.



dW GAS dQ



Gambar 4.2. Hukum Termodinamika I •



ΔQ bertanda positif (+) jika sistem menyerap kalor; negatif (-) bila sistem melepas kalor



•



ΔW bertanda positif (+) jika sistem melakukan kerja; negatif (-) bila sistem diberikan kerja



•



ΔU bertanda positif (+) jika sistem mengalami kenaikan suhu; negatif (-) jika sistem mengalami penurunan suhu.



Beberapa kemungkinan berlakunya Hukum Termodinamika I: a) Proses adiabatis (ΔQ = 0) Pada proses ini tidak ada perubahan energi dari luar. Maka persamaan termodinamika I menjadi: ΔQ = ΔW + ∆U = 0. Atau ΔW = - ∆U. Artinya, kerja yang dilakukan mengambil energi dari energi dalam. Contohnya, kalau kita kerja terus tanpa ada tambahan energi dari luar, maka badan kita akan capai karena energi dalam tubuh kita berkurang untuk kerja. b) Proses isokhorik (ΔV = 0) Pada proses ini tidak ada perubahan volume gas, maka ΔV = 0. Akibatnya W = P. ΔV = 0. Maka persamaan termodinamika 1 menjadi: ΔQ = ΔW + ∆U = 0 + ∆U = ∆U. Sehingga didapatkan ΔQ = ∆U. Ini berarti semua panas yang diserap 90



sistem digunakan untuk perubahan energi dalam. Contohnya, kalau kita makan terus (menambah energi) dan tidak melakukan kerja, maka kita menjadi panas (energi dalam bertambah). c) Proses isotermal (∆T = 0) Oleh karena ∆T = 0, maka ΔU = 0 juga. Akibatnya persamaan termodinamika 1 menjadi: ΔQ = ΔW + ∆U = ΔW. Atau ΔQ = ΔW. Ini berarti semua tambahan energi dari luar digunakan untuk kerja. Contohnya, bila kita makan terus dan seluruh energi itu digunakan untuk bekerja, maka tubuh kita tetap tidak berkembang. d) Proses isobarik (ΔP = 0) Dalam proses ini tekanan tidak berubah. Oleh karena ΔP = 0, maka ΔW = P. ΔV = P (V2 – V1). Sehingga persamaan termodinamika 1 menjadi: ΔQ = ΔW + ∆U = ∆U + P (V2 – V1). Atau ΔQ = ∆U + P ΔV. Untuk memperjelas pemahaman hukum termodinamika ini, silakan melihat video berikut!



Video 4.2. Video Grafis Hukum Termodinamika I



Video 4.3. Video model pembelajaran Hukum Termodinamika I



Pertanyaan tentang video: a) Apa prinsip Hukum Termodinamika I yang anda lihat dari video tersebut? b) Contoh-contoh apa yang mereka gunakan untuk menjelaskan Hukum Termodinamika I dalam 2 video itu? c) Apakah anda dapat menemukan contoh dalam hidup anda sendiri? Jelaskan! Contoh soal 1:



91



Dalam suatu proses, suatu sistem menyerap 500 kalori panas dan melakukan kerja



100 Joule.



Berapa pertambahan energi dalamnya bila tidak terjadi



kebocoran? Jawab: ΔQ = 500 kalori = 500 x 4,2 joule = 2100 joule; W = 1000 joule. Hukum Termodinamika I: ΔQ = W + ∆U Sehingga ∆U = ΔQ – W = 2100 joule – 1000 joule = 1100 joule. Contoh Soal 2: Berdasarkan hukum termodinamika I, apa yang akan terjadi bila seseorang itu bekerja terus menerus tetapi tidak ada masukan energi dari luar? Jelaskan! Jawab: Hukum termodinamika I mengatakan: ΔQ = W + ∆U. Orang itu tidak menerima energi dari luar, maka ΔQ = 0, sehingga 0 = W + ∆U. Atau W = - ∆U. Artinya energi dalam orang itu yang digunakan untuk bekerja, sehingga lama kelamaan kehabisan energi dalam. Maka orang itu akan menjadi lemas atau bahkan akan sakit. Contoh Soal 3: Suatu proses termodinamika digambarkan sebagai berikut! Dalam proses AB, panas sebesar 600 J ditambahkan. Dalam proses BD, ditambahkan panas 200 J. P 8x10^4 Pa



B



3x10^4 Pa



A



2x10^-3



C



D



5x10^-3



V m^3



Hitunglah : a. Penambahan energi dalam pada proses AB ?



92



b. Perubahan energi dalam pada proses ABD? c. Panas yang ditambahkan pada proses ACD? Jawab: a. Pada proses AB: volume tetap, maka ΔW = 0. sehingga: ΔU = ΔQ – ΔW = ΔQ ΔU = 600 Joule. b. Pada proses ABD : proses BC adalah isobarik. Maka: W = p. ΔV W = (8 x 104 Pa) (3 x 10-3 m3) = 240 Joule. Kerja untuk seluruh ABD = WAB + WBC+WCD = 0 + 240 Joule + 0 = 240 Joule. ΔU = ΔQ – ΔW = (600 J + 200 J) – (240 J) = 560 Joule. c. Mencari panas total yang ditambah pada proses ACD : ΔU pada ABD = ΔU pada ACD = 560 J. Kerja keseluruhan WACD = p. ΔV = (3 x104 Pa) (3 x 10-3 m3) = 90 Joule. Jadi ΔQ yang ditambahkan = ΔU + WACD = 560 J + 90 J = 650 Joule. 3.3. Mesin Carnot Persoalan yang sangat penting dalam suatu mesin adalah bagaimana membuat mesin yang efisiensinya maksimum. Artinya, energi yang digunakan sebanyak mungkin untuk melakukan kerja, tidak banyak energi hilang. Berikut ini akan dibahas persoalan mesin biasa dan mesin Carnot, yaitu mesin yang efisiensinya maksimum (Hazen-Pidd, 1965: 258-264). 3.3.1. Mesin Panas Biasa •



Mesin panas: mesin yang berfungsi untuk mengubah panas menjadi tenaga mekanik. Yaitu mengubah ΔQ → ΔW.



•



Proses mesin panas selalu siklis, yaitu kembali ke keadaan semula.



•



Kita amati salah satu mesin panas dengan skema pada Gambar 4.3 (kiri)! Proses mesin tersebut adalah dari A ke B lalu kembali ke A. Proses siklis



93



tersebut dapat dianalisis secara bertahap seperti dalam Gambar 4.3 (kiri) dan (tengah). p



p



p A



A



A



B



B



B



V V V Gambar 4.4.(a) Gambar 4.4.(c) Gambar Gambar 4.3. kurva mesin siklis4.4.(b) dari A → B → A kembali. Kurva mesin siklis



Untuk mencari kerja yang dilakukan mesin tersebut, dapat dianalisis dalam dua tahap sebagai berikut: •



Kerja yang dilakukan dari A → B: WAB adalah daerah di bawah AB Gambar 4.3 (tengah).



•



Kerja yang dilakukan dari B → A : WBA adalah daerah di bawah BA pada Gambar 4.3 (kanan) Kerja yang dilakukan mesin keseluruhan dalam satu siklis: adalah ΔW =



WAB - WBA . Dan ini adalah daerah dalam siklus A → B → A. Inilah daerah luasan elips pada Gambar 4.3 (kiri). Menghitung Efisiensi Mesin Efisiensi mesin didefinisikan sebagai: perbandingan antara kerja mesin dengan panas yang diserap mesin. Atau secara simbolik sebagai berikut: 𝑒𝑓𝑓𝑖𝑠𝑖𝑒𝑛𝑠𝑖 =



Menurut Hukum Termodinamika I:



𝛥𝑊 𝛥𝑄1



(4.3)



ΔQ = ΔW + ΔU.



Karena prosesnya siklus, maka tenaga dalamnya tidak berubah (ΔU = 0); sehingga ΔQ = ΔW. Atau ΔQ1 – ΔQ2 = ΔW). Maka efisiensi mesin menjadi: 𝛥𝑊



𝑒𝑓𝑓 = 𝛥𝑄 = 1



𝛥𝑄1 −𝛥𝑄2 𝛥𝑄1



𝛥𝑄



= 1 − 𝛥𝑄2 1



𝛥𝑄



𝑒𝑓𝑓 = 1 − 𝛥𝑄2 1



94



(4.4) (4.5)



Jelas bahwa efisiensi = 1, hanya bila



Q2 = 0 atau ΔQ2 = 0. (tidak ada Q1



tenaga atau panas yang hilang). 3.3.2. Mesin Carnot Mesin Carnot adalah mesin panas yang efisiensinya maksimal. Secara sederhana persoalan yang dihadapi Carnot adalah: •



Bagaimana dapat menciptakan mesin panas yang efisiensinya maksimal, yaitu yang dapat mengubah sebanyak mungkin panas yang ada menjadi tenaga mekanik!



•



Berapa efisiensi maksimumnya yang paling mungkin?



Cara kerja mesin Carnot a. Menggunakan 4 langkah yang terdiri dari: 2 proses isotermal dan 2 proses adiabatik. b. Curva mesin Carnot adalah sebagai berikut (Gambar 4.4) : p A isotermal B adiabatis



W



adiabatis



D



C isotermal



V



Gambar 4.5. Kurva Siklus Mesin Carnot; 2 isotermal Gambar 4.4 dan Kurva Mesin Carnot 2 adiabatis



• Dari A → B : ekspansi isotermal pada suhu tetap T1. • Dari B → C : ekspansi adiabatis. • Dari C → D : kompresi isotermal pada suhu tetap T2. • Dari D → A : kompresi adiabatis. Proses itu diulang-ulang : dan dalam setiap 1 siklus, kerja yang dilakukan mesin = ΔW. Bagaimana proses itu dapat terjadi?



95



•



Supaya dari A → B terjadi proses ekspansi isotermal, maka A dihubungkan dengan reservoir bersuhu T1. Dengan demikian suhu dijaga tetap (tidak turun), meskipun mesin melakukan ekspansi.



•



Supaya dari B → C terjadi proses adiabatis, maka B diberi isolasi dan dilepaskan dari reservoir. Dalam proses B → C, gas akan menjadi dingin karena melakukan ekspansi (suhunya menjadi T2).



•



Supaya dari C → D terjadi proses kompresi isotermal, maka pada C diberi reservoir suhu rendah T2. Dengan demikian panas yang terjadi karena kompresi dialirkan ke reservoir T2 dan suhu tetap T2.



•



Supaya dari D → A terjadi proses kompresi adiabatis maka pada D diberi isolasi. Karena kompresi, maka suhu naik sampai T1 seperti semula.



Menghitung tenaga dan kerja mesin Carnot •



Selama proses A → B : Mesin menyerap tenaga ΔQ1 dari reservoir panas.



•



Selama proses B → C : tidak ada perubahan panas.



•



Selama proses C → D : mesin melepas tenaga ΔQ2 pada reservoir dingin.



•



Selama proses D → A : tidak ada perubahan panas. Kalau selama 1 siklus, kerja yang dilakukan mesin = ΔW, maka



proses ini dapat digambarkan sebagai berikut (Gambar 4.5) : Reservoir T1



p A



Q1 Q1



w



B D



MESIN C



Q2



Q2 V



Reservoir T2



Gambar 4.6. Siklus digambarkan dalam Gambar 4.5. Siklus CarnotCarnot digambarkan dalam dua model dua model



Model pertama, siklus Carnot digambarkan sebagai kurva siklus A→B→C→D→A. Pada model itu mesin mengambil energi dari luar sebesar Q1, 96



dan melepaskan energi ke luar sebesar Q2. Untuk model kedua, mesin Carnot digambarkan sebagai Mesin yang melakukan kerja W, dengan mengambil energi Q1 dari reservoir T1, dan mengeluarkan energi Q2 dari reservoir T2. Prinsip mesin panas: •



Menerima panas dari sumber yang bersuhu tinggi (reservoir suhu tinggi).



•



Mengubah sebagian panas menjadi kerja (W), misalnya memutar roda.



•



Mengeluarkan sisa panas ke reservoir bersuhu rendah.



•



Prosesnya siklis, kembali ke kedudukan semula.



Mencari efisiensi Mesin Carnot Sekarang kita akan mencari berapa efisiensi mesin Carnot.



Untuk



membantunya, kita lihat kurva P-V untuk mesin Carnot pada Gambar 4.6. berikut. p pA



A



Q1 B



pB D



pD pC



C Q2



VA VD VB VC Gambar 4.7. Skema kurva mesin Carnot



V



Gambar 4.6. Skema kurva mesin Carnot



V  Q1 = n.R.T1 ln . B  karena proses isotermal  VA  V Q2 = n.R.T2 ln . C  VD



  karena proses isotermal. 



V  V  n.R.T2 . ln  C  T2 . ln  C  Q2  VD  =  VD  = Maka Q1 V  V  n.R.T1 . ln  B  T1 . ln  B   VA   VA 



(4.6)



Karena proses isotermal maka berlaku: PAVA = PBVB



dan PCVC = PDVD



(4.7)



Karena proses adiabatik maka berlaku: PB.VBJ = PC.VCJ



dan PD.VDJ = PA.VAJ



(4.8)



97



Dari persamaanPAVA = PBVB dan PB.VBJ = PC.VCJ



dan PCVC = PDVD



dan PD.VDJ = PA.VAJ



(4.7) (4.8) didapatkan:



PAVA .PCVC .PB.VBJ .PD.VDJ = PBVB .PDVD .PC.VCJ .PA.VAJ VBJ .V DJ V AJ .VCJ = VB .VD V A .VC



(VB.VD)J-1 = ( VA.VC )J-1 VB.VD = VA.VC



atau



atau



VB VC = V A VD Dari (4.7) dan (4.9) didapatkan:



(4.9)



Q2 T2 = Q1 T1



Jadi efisiensinya menjadi: 𝑒𝑓𝑓 = 1 −



𝑇2 𝑇1



(4.10)



Contoh soal: Hitunglah efisiensi maksimum dari mesin panas yang bekerja antara suhu 100oC dan 400oC? (Bueche, 1983: 149) Jawab: Mesin yang efisiensinya maksimum adalah mesin Carnot, Maka didapatkan: efisiensi = 1 −



T2 = 1 - (100 + 273) K/ (400 + 273)K = 1 – 373/673 = 0,45. T1



Jadi efisiensi maksimumnya = 45 %.



3.4. Mesin Pendingin, Pemanas, dan Koefisien Performa Mesin 3.4.1. Mesin refrigerator atau pendingin Secara prinsipal mesin pendingin adalah mesin yang mengambil energi atau panas dari tempat yang bersuhu rendah (QR) dan melepaskan energi itu ke tempat yang bersuhu tinggi (QT). Untuk memungkinkan hal itu dibutuhkan kerja dari luar (W). Skema mesin pendingin seperti Gambar 4.7 berikut:



98



Gambar 4.7. Skema Refrigerator



Untuk mencari COPR (coeficient of performance dari refrigerator) dapat dibantu dengan skema pada gambar di atas. COPR didefinisikan sebagai perbandingan output yang diinginkan dibagi dengan input yang diharuskan. COPR = QR/W Padahal W = QT – QR , maka 𝐶𝑂𝑃𝑅 = 𝑄



𝑄𝑅



𝑇 −𝑄𝑅



= 𝑄𝑇



1



⁄𝑄 −1 𝑅



(4.11)



3.4.2. Mesin Pemanas (pompa Panas, Heat Pump, pemanas ruangan) Dalam kehidupan sehari-hari terutama di negara yang mempunyai musim dingin, mereka sering menggunakan mesin heater, mesin pemanas, untuk membuat ruangan tetap panas pada musim dingin. Prinsip mesin ini sama dengan mesin refrigerator, tetapi tujuannya berbeda. Yang dibutuhkan justru agar panas yang dibuang dari mesin refrigerator dimasukkan ke kamar, sehingga kamar menjadi hangat. Maka skemanya dapat dilihat pada Gambar 4.8 berikut (Cengel & Boles, 2006:291).



Gambar 4.8. Heater



99



COPMP= koefisien performance dari mesin pemanas = keluaran yang diinginkan dibagi dengan input yang digunakan.



COPMP =



QT QT 1 = = W QT − QR 1 − QR 𝐶𝑂𝑃𝑀𝑃 =



.



QT



1



(4.12)



𝑄 1− 𝑅 𝑄𝑇



Nampak bahwa ada hubungan antara COPMP dengan COPR. Hubungan itu adalah



COPMP = COPR + 1



(4.13)



3.4.3. Mesin Pendingin dan Pemanas Carnot Secara sederhana untuk mesin pendingin dan pemanas Carnot dijelaskan bahwa QT (panas pada suhu tinggi) dan QR (panas ada suhu rendah) itu sebanding dengan suhu tinggi TT dan suhu rendah TR. Maka koefisien performance dapat dihitung sebagai berikut: •



Koefisien performance:



COPR =



Q2 Q2 T2 = = W Q1 − Q2 T1 − T2 𝑪𝑶𝑷𝑹 = 𝑻



𝑻𝟐 𝟏 −𝑻𝟐



(4.14)



Dimana T1 = suhu tinggi; T2 = suhu rendah. Q1 = panas pada suhu tinggi, Q2 = panas pada suhu rendah •



Untuk mesin pemanas, koefisien performance-nya menjadi:



COPMP =



Q1 T1 = W T1 − T2 𝑇



1 𝐶𝑂𝑃𝑀𝑃 = 𝑇 −𝑇 1



2



(4.15)



Contoh soal 1: Jika refrigerator dengan motor 500 Watt membebaskan 2200 Joule panas kepada sekitarnya dalam 1 sekon, berapa koefisien performance refrigeratornya? Jawab: Dalam 1 sekon, kerja yang dilakukan motor itu adalah:



100



W = (500 Watt)( 1 sekon) = 500 J. Koefisien performance  = Q2/W, di mana Q2 adalah panas yang dipindahkan dari sumber dingin. Oleh karena Q2 = Q1 – W, dan Q1 = 2200 J, maka



=



Q1 − W Q1 2200 = −1 = − 1 = 4,4 − 1 = 3,4 W W 500 Jadi koefisien performance = 3,4



Contoh Soal 2: Bila panas Q yang dipindahkan selama satu proses isotermal pada 400 C dalam siklus Carnot adalah 60 J, tentukan panas Q0 yang ditransfer untuk proses isotermal pada 0o C? Jawab:



Q0 T0 273,15 = = Qt Tt 273,15 + 40  273,15   273,15  Q0 =  Qt =  (60 J ) = 52,3J  313,15   313,15 



Jadi Panas yang ditransfer sebesar 52,3 J. 3.5. Hukum Termodinamika II Kita mengetahui dari hukum termodinamika I bahwa panas yang diberikan kepada suatu sistem (∆Q), akan digunakan untuk melakukan kerja (W) dan juga menambah energi dalam sistem (∆U) itu. Rumusannya ΔQ = W + ∆U . Inilah bentuk hukum kekekalan energi. Persoalannya apakah dalam praktik sehari-hari hukum itu pasti berlaku? Ambillah contoh: •



Anda memanasi air dalam ketel, sehingga air menjadi panas, memuai, dan uap keluar, serta tutup ketel terangkat. Di sini energi panas digunakan untuk menambah suhu air dan melakukan kerja mengangkat tutup ketel. Apakah peristiwa itu dapat dibalik? Yaitu bila tutup ketel menutup kembali, uap yang keluar masuk kembali, dan suhu air menjadi dingin kembali, apakah kemudian energi panasnya terkumpul kembali? Tidak mungkin!



101



•



Anda memanasi balon sehingga balon mengembang dan akhirnya lepas ke udara. Apakah mungkin bila balon yang lepas itu kembali dari udara, lalu kembali menjadi kempes, dan panas yang semula kembali? Mustahil!



•



Kalau anda makan bakso, lalu menjadikan tubuh anda lebih panas dan anda melakukan kerja; apakah prosesnya dapat kembali? Yaitu anda berhenti kerja, lalu suhu anda menjadi kembali semula, dan baksonya kembali? Ternyata tidak! Dari contoh ini nampak bahwa hukum termodinamika I tidak berlaku secara



alamiah dapat kembali seperti rumusan kekekalan energi bahwa panas yang diambil digunakan untuk melakukan kerja dan menambah energi dalamnya. Tidak bisa begitu saja dibalik: kerja dan energi dalam kembali sama dengan energi panas semula! Untuk itu perlu ada catatan tentang arah energi, sehingga hukum termodinamika I dapat berlaku. Hukum termodinamika II memberikan catatan pada hukum termodinamika I. Hukum termodinamika II menunjukkan arah dari perubahan energi yang terjadi dalam sistem itu. Hukum termodinamika II dapat dirumuskan dalam dua bentuk yaitu rumusan Kelvin-Planck dan rumusan Clausius sebagai berikut: Rumusan Kelvin-Planck: •



Tidak mungkin suatu sistem melakukan proses siklis: menyerap panas dari satu resevoir pada suhu T dan mengubahnya semuanya menjadi kerja mekanis, dan sistem kembali ke keadaan semula.



•



Dengan kata lain: tidak ada mesin panas yang mempunyai efisiensi 100%.



Ini berarti bahwa mesin yang menyerap panas atau energi dari luar untuk melakukan kerja W; mesin itu tidak mungkin kembali pada kedudukannya semula karena energi sudah digunakan untuk kerja. Maka kalau mesin itu ingin kembali ke kedudukan semula, harus ada energi lain yang ditambahkan. Rumusan Clausius:



102



•



Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya, tanpa mengadakan perubahan pada sistem itu;



•



Tidak mungkin mengubah panas menjadi kerja tanpa melakukan perubahan pada sistem itu. Ini berarti dalam mesin refrigerator atau AC yang mengambil panas dari



benda yang lebih dingin dan disalurkan ke yang lebih panas, membutuhkan energi lain untuk melakukannya. Misalnya ada tambahan motor listrik. Untuk menambah kemantapan pemahaman materi, simaklah video berikut ini.



Video 4.4. mesin Hukum Termodinamika II (https://www.youtube.com/watch?v=DHUwFuHuCdw)



Pertanyaan untuk video: a)



Apa prinsip utama dari Hukum Termodinamika II yang anda lihat dari video tersebut? Jelaskan!



b)



Bagaimana mesin-mesin itu dapat terus bekerja menurut Hukum Termodinamika II? Jelaskan!



Untuk menambah pemantapan pemahaman materi Hukum Termodinamika, silakan simak slide presentasi berikut ini.



Slide Presentasi Modul 3 KB 4 – Hukum Termodinamika 3.6. Penggunaan Hukum Termodinamika Dalam Kehidupan Sehari-hari Anda pasti ingin mengetahui aplikasi hukum termodinamika dalam kehidupan sehari-hari ataupun dalam industri. Berikut ini disajikan beberapa aplikasi hukum termodinamika dalam kehidupan. Namun sebelum itu Anda diajak



103



untuk mencari lebih dulu aplikasi hukum termodinamika dalam hidup Anda dan di lingkungan sekitar Anda! Mencari aplikasi di google! a) Carilah beberapa aplikasi hukum termodinamika (nol, I, II) yang Anda temukan dalam kehidupan dan lingkungan Anda? b) Jelaskan bagaimana hukum termodinamika digunakan dalam peristiwa atau proses itu? Beberapa mesin menggunakan prinsip termodinamika Berikut ini disebutkan beberapa aplikasi hukum termodinamika dalam beberapa kejadian dan industri. Apakah yang Anda temukan sama? a) Refrigerator, AC b) Mesin pemanas c) Rice cooker d) Mesin uap dan turbin e) Generator listrik tenaga minyak/gas f) Generator listrik dengan tenaga nuklir g) Generator panas bumi h) Generator panas lautan i) Mesin roket j) Pesawat terbang Mencari dari internet! a) Carilah dalam internet bagaimana prinsip kerja mesin-mesin di atas! b) Bagaimana prinsip termodinamika digunakan di dalamnya! 4. Forum Diskusi Berikut ini diberikan beberapa persoalan dan permasalahan yang dapat digunakan sebagai bahan diskusi antar peserta. a) Sudah sejak lama orang ingin membuat mesin abadi yang dapat bekerja terus menerus. Tetapi ternyata belum berhasil. Bagaimana tanggapan anda tentang mesin abadi ini?



104



b) Ada orang yang mengatakan bahwa Hukum Termodinamika I dan II ini merupakan dasar adanya alam semesta ini. Menurut anda apa benar? Jelaskan! c) Berdasarkan Hukum Termodinamika I dan II, apakah anda dapat menjelaskan kapan hari kiamat alam semesta ini akan terjadi? C. Penutup 1. Rangkuman •



Hukum Termodinamika Nol adalah hukum kesetaraan panas.



•



Hukum Termodinamika I mengungkapkan hukum kekekalan energi, yaitu panas yang diberikan kepada suatu sistem digunakan untuk melakukan kerja dan menaikkan energi dalam sistem itu. ΔQ = W + ∆U.



•



Siklus Carnot menggunakan 2 proses isothermal dan 2 proses adiabatis. Mesin kalor mengambil energi dari reservoir yang bersuhu tinggi untuk melakukan kerja W dan mengeluarkan panas ke reservoir yang bersuhu rendah. Efisiensi mesin: eff = 1 −



T2 . T1



eff = 1 − •



Q2 . Sedangkan efisiensi mesin Carnot: Q1



Mesin pendingin atau refrigerator mengambil panas dari tempat yang bersuhu rendah dan dilepaskan ke tempat yang bersuhu tinggi dengan bantuan masukan energi dari luar. Coefisien performance refrigerator =



COPR =



COPR = •



QR 1 = . Sedangkan untuk pendinginan Carnot: QT − QR QT −1 QR



T2 . T1 − T2



Hukum termodinamika II memberikan arah perubahan energi yang terjadi. Panas mengalir dari tempat atau benda yang bersuhu tinggi ke yang bersuhu rendah. Panas hanya dapat dialirkan dari yang bersuhu rendah ke yang



105



bersuhu tinggi, bila ada tambahan energi dari luar atau ada perubahan sistem. •



Penggunaan hukum termodinamika I dan II ada pada banyak peralatan yang menggunakan energi panas seperti pesawat, pemanas, pendingin, pembangkit tenaga listrik, kereta, mobil, dll.



2. Tes Formatif 1) Seorang ibu memasak air dalam panci sampai suhunya 100 oC. Di dalam panci tersebut terdapat beberapa benda seperti: sendok, daging ayam, sayuran, dan kentang. Menurut anda suhu benda-benda tadi setelah ada kesetimbangan termal berapa? Jawab: A. Suhu sendok 100 oC; daging ayam 90 0C; sayuran 50 oC, dan kentang 60 oC. B. Suhu sendok 100 oC; daging ayam 70 0C; sayuran 40 oC, dan kentang 40 oC. C. Suhu sendok 100 oC; daging ayam 70 0C; sayuran 50 oC, dan kentang 50 oC. D. Suhu sendok 100 oC; daging ayam 100 0C; sayuran 100 oC, dan kentang 100 oC. E. Suhu sendok 100 oC; daging ayam 80 0C; sayuran 80 oC, dan kentang 100 oC. 2) Dalam suatu proses mesin, sistem itu menyerap 500 kalori panas dan melakukan kerja 100 Joule. Berapa pertambahan energi dalamnya? Jawab: A. 2000 Joule B. 400 kalori C. 470 kalori D. 2400 Joule E. 2300 Joule



106



3) Salah satu mesin yang sangat efisien yang pernah dibuat, beroperasi antara suhu 430oC dan 1870oC. Efisiensinya yang real adalah 42 %. Berapa efisiensinya secara teoretis yang mungkin? Jawab: A. 52 % B. 57 % C. 62 % D. 67 % E. 72 % 4) Gas ideal dalam tabung melakukan kerja dalam proses isobarik dari V1 = 2 m3 menjadi V2 = 7 m3. Tekanannya 3 atm. Hitunglah besarnya kerja yang dilakukan? Jawab: A. 45, 15 x 105 Joule B. 35,15 x 105 Joule C. 25,15 x 105 Joule D. 15,15 x 105 Joule E. 5,15 x 105 Joule 5) Anda makan siang dengan menghabiskan bakso sebanyak 1000 kalori. Kemudian Anda melakukan pekerjaan sebanyak 500 Joule. Kalau pengaruh lain diabaikan, berapa pertambahan energi dalam tubuh Anda? Jawab: A. 4200 Joule B. 3700 Joule C. 2700 Joule D. 500 kalori E. 500 Joule



6) Anda memasukkan kaleng yang bersuhu tinggi ke dalam air yang dingin. Apa yang akan terjadi dengan kaleng itu? Jelaskan dengan menggunakan hukum termodinamika I?



107



Jawab: A. Kaleng itu suhunya menjadi kecil, tetapi bentuknya tetap; B. Kaleng itu akan mengerut atau mengecil bentuknya karena kehilangan panas, sehingga energi dalamnya berkurang dan melakukan kerja negatif (mengerut); C. Kaleng itu akan kemasukan air; D. Kaleng itu akan meledak karena kedinginan. E. Kaleng tetap tidak mengalami perubahan. 7) Menurut hukum termodinamika II pernyataan mana yang benar di bawah ini: A. Kita dapat mengangkat panas dari tempat bersuhu rendah dan memindahkan ke suhu yang lebih tinggi; B. Kita dapat mengangkat panas dari suhu rendah dan memindahkan ke suhu yang lebih tinggi, asal ada tambahan energi dari luar sistem; C. Kita tidak mungkin menaikkan beban yang lebih berat ke atas, karena beban berat hanya akan turun ke bawah; D. Kita dapat menaikkan beban yang lebih berat ke atas begitu saja. E. Secara alamiah panas mengalir dari benda yang bersuhu rendah ke yang tinggi. 8) Refrigerator dengan motor 500 watt membebaskan



2000 joule panas



kepada sekitarnya dalam 1 detik. Berapa koefisien performance refrigerator itu? Jawab: A. 4 B. 0,25 C. 1500 D. 20 E. 3 9) Pompa panas dipakai untuk memanaskan suatu bangunan. Suhu luar = 0 oC dan suhu dalam 25 oC. Koefisien performance = 3,2. Bila pompa itu



108



membebaskan panas di dalam 5 x 106 J/jam, berapa kerja yang dilakukan pompa ? Jawab : A. 320 joule B. 156 joule C. 298 joule D. 434 joule E. 324 joule 10) Refrigerator ideal menggunakan 200 Watt daya. Suhunya 270 K dan suhu kamar = 300 K. Berapa banyak panas maksimum yang dapat dipindahkan dari refrigerator dalam 1 menit? Jawab: A. 1,08 x 105 joule B. 1,20 x 104 joule C. 1,20 x 105 joule D. 1,65 x 105 joule E. 0,66 x 105 joule 11) Menurut anda cara-cara menaikkan effisiensi mesin berikut yang paling tepat mana: Jawab: A. Menurunkan kerja mesin B. Meningkatkan kerja mesin dan menambah panas yang diserap C. Menaikkan panas/kalor yang diserap D. Tidak membuang panas/kalor E. Meningkatkan kerja mesin dan mengurangi panas yang diserap



109



12) Suatu proses termodinamik digambarkan sebagai grafik berikut! Dalam proses AB, panas sebesar 600 Joule ditambahkan. Dalam proses BD, ditambahkan panas 200 Joule. P 8x10^4 Pa



B



3x10^4 Pa



A



2x10^-3



C



D



5x10^-3



V m^3



Hitunglah : Perubahan energi dalam pada proses ABCD? Jawab: A. 560 Joule B. 240 Joule C. 800 Joule D. 400 Joule E. 200 Joule Daftar Pustaka Cengel & Turner. (2005). Fundamentals of Thermal-Fluid Sciences. Boston: McGraw-Hill Higher Education. Cengel & Boles. (2006). Thermodynamics, An Engineering Approach. Boston: McGraw Hill Higher Education. Serway, R. (1990). Physics for Scientists & Engine Suparno, P. (2011). Pengantar Termodinamika. Yogyakarta: USD. Tugas Akhir Anda selesaikan tugas berikut dan setelah selesai silakan jawaban dan laporannya dikirimkan ke pusat PPG ini.



110



a) Buatlah video kecil tentang pemuaian benda dan perubahan wujud benda yang dikenai panas. Anda boleh mengambil contoh benda apapun. Video itu nanti dikirim dengan keterangannya. b) Buatlah alat peraga sederhana yang dapat digunakan untuk menjelaskan Hukum Gas Ideal! Alat peraga itu perlu dijelaskan prosesnya dan cara menggunakannya. c) Buatlah skema salah satu energi pembangkit tenaga listrik! Anda boleh memilih sumbernya energi apa. Bagaimana proses pembangkit tenaga listrik itu? Bagaimana Hukum Termodinamika berlaku dalam pembangkit energi listrik itu?



Tes Sumatif 1. Pernyataan: 1



Debit air akibat kebocoran bendungan akan semakin besar bila lubang bocor semakin jauh dari permukaan air.



2



Tekanan yang diberikan oleh air di dasar bendungan lebih besar daripada di dekat permukaan air.



3



Semakin dalam tekanan air di bendungan semakin besar.



4



Pada ketinggian yang sama, bendungan air laut mengalami tekanan lebih besar daripada bendungan air tawar. Pernyataan yang tepat adalah …



A. 1, 2, 3, 4 B. 1, 2, 3 C. 1, 3 D. 2, 4 E. 4.



2. Pipa U dengan mulut A dan B mula-mula diisi dengan air (ρ = 1 gram/cm3). Kemudian dari mulut A dimasukkan alkohol (ρ = 0,8 gram/cm3) setinggi 10



111



cm dan dari mulut B dimasukkan bensin (ρ = 0,68 gram/cm3) setinggi 5 cm. Tentukan berapa perbedaan ketinggian permukaan air! A. 5,6 cm B. 4,6 cm C. 5,0 cm D. 6,4 cm E. 6,0 cm



3. Sebuah bola berdiameter 10 cm memiliki massa jenis 800 kg/m3, 2/5 volumenya berada di atas permukaan air laut (ρ = 1030 kg/m3). Kemudian ada seorang anak yang tidak sengaja menumpahkan minumannya dan mengakibatkan bola ini terendam seluruhnya. Tentukan berapa massa jenis minuman yang ditumpahkan anak itu! A. 1040 kg/m3 B. 970 kg/m3 C. 455 kg/m3 D. 760 kg/m3 E. 870 kg/m3



4. Andi pergi ke bengkel mobil untuk memperbaiki mobilnya. Sesampainya di bengkel mobil kemudian dinaikkan menggunakan piston. Luas penampang piston ini 2 m2. Pada piston kecil yang luas penampangnya 0,2 m2 ditambahkan kolom oli (ρ = 1,5 gr/cm3) setinggi 50 cm. Berapa besar gaya F minimum yang harus diberikan untuk mengangkat mobil yang massanya 1000 kg!



112



A. 200 N B. 370 N C. 400 N D. 490 N E. 510 N



5. Perhatikan pernyataan berikut ini! Semakin tinggi tampungan air di rumah maka aliran air dari kran di dapur semakin deras. Sebab Energi potensial suatu benda semakin besar bila semakin tinggi posisinya. A. Pernyataan benar, alasan benar, keduanya saling berhubungan. B. Pernyataan benar, alasan benar, keduanya tidak saling berhubungan. C. Pernyataan benar, alasan salah. D. Pernyataan salah, alasan benar. E. Pernyataan salah, alasan salah.



6. Sebuah silinder dari kayu dengan diameter 1 cm pada suhu 30 oC akan dimasukkan pada lubang dari baja yang berdiameter 0,9997 cm pada suhu 30 0



C. Berapa suhu minimal baja itu harus dipanaskan sehingga silinder tersebut



dapat masuk tepat pada lubang itu? Angka muai panjang baja = 1,2 x 10-5 oC-1 Jawab: A. 57, 28 oC



113



B. 55, 18 oC C. 50, 08 oC D. 47, 38 oC. E. 42, 28 oC 7. 0,2 kg es pada suhu 0 oC ditambahkan pada kalorimeter yang berisi 1 kg air pada suhu 30 oC. Bila kalorimeter itu terisolasi dan tidak menyerap panas apapun. Hitunglah suhu akhir campuran es dan air itu, jika semua es telah mencair. Jawab: A. 12, 7 oC B. 11,7 oC C. 10, 7 oC D. 9, 7 oC E. 8, 7 oC. 8. Sebuah bejana berisi es dengan masa 500 gram dan suhu (-20 oC) . Bejana itu kemudian dipanasi dengan daya



1000 kalori/menit



selama



100 menit.



Tunjukkan dalam grafik T (suhu) vs t (waktu) proses itu sampai berwujud apa? Jawab: A. Wujud es saja B. Wujud es dan air C. Wujud air panas D. Wujud air mendidih dan uap. E. Wujud uap semua



9. Kalau anda memasukkan bungkalan es batu dalam sebuah gelas, anda akan melihat bahwa gelas bagian luar menjadi basah, padahal gelas anda tidak bocor. Mengapa demikian? Jawab:



114



A. Karena molekul-molekul es yang kecil itu keluar melalui pori-pori gelas, sehingga gelas bagian luar menjadi basah; B. Udara luar yang menempel pada gelas menjadi dingin karena pengaruh suhu es yang dingin, lalu mengembun, sehingga gelas bagian luar menjadi basah; C. Kaca gelas menyerap air es sehingga bagian luarnya menjadi basah; D. Gelas yang basah itu hanyalah pantulan dari es yang mencair dalam gelas. E. Es dingin menularkan kedinginannya pada gelas, sehingga ikut basah.



10. Radiasi yang diterima oleh bumi dari matahari rata-rata adalah sebesar 0,14 W/cm2. Bila matahari dianggap sebagai radiator ideal, dan perbandingan radius orbit bumi terhadap matahari dengan jari-jari matahari = 216, carilah berapa suhu matahari itu? Jawab: A. 6,24 x 103 K B. 6,04 x 103 K C. 5,84 x 103 K D. 5,54 x 103 K E. 4,82 x 103 K



11. Bila model gas ideal itu berlaku, apa yang terjadi bila gas didinginkan sampai suhu 0 K? Jawab: A. Molekul-molekul gas diam B. Molekul gas menjadi sangat besar C. Tekanan gas menjadi rendah



115



D. Gasnya menghilang atau lenyap E. Kecepatan gas menjadi kecil. 12. Berapa densitas methane yang masa atomnya 16 kg/Kmol, pada suhu 20 oC dan tekanan 5 atm? Jawab: A. 3,32 kg/m3. B. 3,12 kg/m3 C. 2,2 kg/m3 D. 1,6 kg/m3 E. 0,5 kg/m3



13. Sepersepuluh mole gas pada suhu 400 K dimasukkan dalam silinder. Volume gas itu selanjutnya diubah dari 1 liter menjadi 2 liter dengan suhu tetap (isothermal). Selanjutnya gas didinginkan menjadi 200 K, dan selanjutnya dikompres lagi menjadi 1 liter dengan suhu tetap. Berapa usaha yang diakukan gas itu? Gunakan grafik P-V dalam pengerjaan anda! Jawab: A. 200 Joule B. 115 Joule C. 400 Joule D. 230 Joule. E. 315 Joule 14. Berapa energi kinetic rata-rata molekul udara pada suhu 400 oK? Jawab: A. 9,28 x 10-21 joule B. 8,28 x 10-21 joule C. 7,28 x 10-21 joule D. 6,28 x 10-21 joule E. 5,28 x 10-21 joule



116



15. Sebuah tangki gas dengan volume 2 m3 berisi gas oksigen pada tekanan 500 kPa dan suhu 10 oC. Bila tekanannya dinaikkan menjadi 600 kPa, suhunya akan menjadi berapa? Jawab: A. 88,6 oC B. 77,6 oC C. 66,6 oC D. 56,6 oC E. 46,6 oC 16. Sebuah refrigerator menyerap daya listrik sebesar 200 watt. Suhu rendahnya 270 K, dan suhu tinggi mesin 300 K. Bila refrigerator ini ideal, berapa panas maksimal yang dapat dipindahkan dari suhu rendah? Jawab: A. 108 KJoule B. 200 KJoule C. 252 KJoule D. 270 KJoule E. 300 KJoule 17. 6 cm3 besi dipanaskan dari 20 oC menjadi 300 oC. Bila panas jenis besi = 0,11 kal/g.oC dan koefisien mulai ruangnya 3,6 x10-5/oC dan masa besi 1700 gram. Hitunglah berapa ∆W dan ∆U yang terjadi selama satu siklus. Tekanan = 1 atm. Jawab: A. ∆W = 3,108 x 10-3 Joule; ∆U = 189,388 Joule B. ∆W = 4,108 x 10-3 Joule; ∆U = 199,388 Joule C. ∆W = 5,108 x 10-3 Joule; ∆U = 209,388 Joule D. ∆W = 6,108 x 10-3 Joule; ∆U = 219,388 Joule E. ∆W = 7,108 x 10-3 Joule; ∆U = 259,388 Joule 18. Mesin ideal Carnot mengambil panas dari sumber yang bersuhu 400 oC lalu melakukan kerja keluar dan melepaskan energi ke reservoir bersuhu 100 oC.



117



Jika 2000 KJoule panas diserap dari sumber yang bersuhu tinggi itu, hitunglah banyakya panas yang dilepaskan oleh mesin itu? Jawab: A. 1600, 47 Kjoule B. 1308, 47 Kjoule C. 1108, 47 Kjoule D. 1018, 47 Kjoule E. 989, 47 Kjoule 19. Andaikan Hukum Termodinamika I berlaku penuh dalam sistem tubuh kita. Mana peristiwa ini yang tidak sesuai dengan Hukum Termodinamika I tersebut? Jawab: A. Orang makan terus tetapi diam saja tidak bekerja; B. Orang makan terus tetapi menjadi kurus; C. Orang tidak makan tetapi bekerja; D. Orang tidak makan dan tidak bekerja; E. Orang tidak makan dan tetap kerja giat serta segar.



20. Suatu proses termodinamika terdiri dari gas ideal sejumlah 10 mole mengikuti grafik berikut. Prosesnya siklis a-b-c-a. Dari a ke c diberi tambahan kalor Qabc = 20 KJoule. Pa = 1 atm, Pb = 2 atm, Vb = 1m3, dan Vc = 2 m3. Proses b ke c adalah proses isothermal pada suhu 300 K. Hitunglah: perubahan energi dalam dari prroses a -> b -> c! P b



Pb



c Pa a



Vb



Jawab: A. 4,72 Kjoule



118



Vc



V



B. 3, 72 Kjoule C. 2,72 Kjoule D. 1,72 Kjoule E. 0,72 Kjoule Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 1 1) B 2) C 3) B 4) E 5) A 6) E 7) C 8) E 9) A 10) D Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 2 1) D 2) B 3) B 4) C 5) D 6) C 7) E 8) A 9) D 10) E 11) A 12) C 13) D



119



Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 3 1) B 2) C 3) C 4) E 5) D 6) A 7) D 8) A 9) C 10) C 11) A 12) C Kunci Jawaban Tes Formatif Modul 3 KB 4 1) D 2) A 3) D 4) D 5) B 6) B 7) B 8) E 9) D 10) A 11) E 12) A Kunci Jawaban Tes Sumatif 1. A. 2. B. 3. C.



120



4. D. 5. A. 6. A. 7. B. 8. D. 9. B. 10. C. 11. D. 12. A. 13. B. 14. B. 15. C. 16. A. 17. D. 18. C. 19. E. 20. C.



121