PENERAPAN HUKUM I TERMODINAMIKA PADA TERMOS AIR PANAS
Oleh : Putu Saswita Utami Dewi
(1113021038/1C)
Jurusan Pendidikan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Pendidikan Ganesha Singaraja
1
2011 KATA PENGANTAR
OM Swastyastu, Puji Syukur penulis panjatkan kehadirat, Ida Sang Hyang Widhi Wasa karena atas berkat dan rahmat Beliaulah penulis dapat merampungkan makalah yang berjudul “Keselamatan Kerja di Laboratorium” tepat pada waktunya. Melalui kesempatan yang baik ini penulis juga ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada : 1. Pertama kepada Bapak Drs. Rai Sujanem, M.Si. sebagai pengampu mata kuliah Fisika Dasar 2, yang telah memberi kesempatan untuk penulis mengajukan makalah ini. 2. Kedua kepada orang tua dan teman-teman serta semua pihak yang turut andil dalam penyusunan makalah ini, yang tidak mungkin penulis sebutkan satupersatu. Penulis menyadari bahwa karya tulis ilmiah ini masih jauh sempurna. Oleh sebab itu, dengan segala kerendahan hati penulis mengharapkan berbagai saran dan kritik yang konstruktif demi penyempurnaan makalah ini untuk selanjutnya dapat menjadi lebih baik. Sebagai akhir kata, penulis ingin mengucapkan terima kasih dan semoga makalah ini dapat bermanfaat bagi kita semua. OM Santih, Santih, Santih OM
Singaraja, 27 Desember 2011
Penulis
2
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR.................................................................................
ii
DAFTAR ISI................................................................................................
iii
BAB I PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang............................................................................
4
1.2. Rumusan Masalah.......................................................................
4
1.3. Tujuan Penulisan........................................................................
5
1.4. Manfaat Penulisan......................................................................
5
1.5. Metode Penulisan.......................................................................
5
BAB II PEMBAHASAN 1.1.Hukum I Termodinamika.......................................................
6
1.2. Penerapan Hukum I Termodinamika pada Termos Air
Panas............................................................................................
8
BAB III PENUTUP 3.1. Kesimpulan.................................................................................. ............................................................................................................11 3.2. Saran............................................................................................ ............................................................................................................11 DAFTAR PUSTAKA
3
BAB I PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang Dalam mempelajari ilmu fisika, kita pasti tidak asing lagi mendengar kata termodinamika. Termodinamika berasal dari kata Therm yang berarti suhu dan dari kata Dynamic yang berarti berubah-ubah. Dari pengertian kedua kata itu, apakah pengertian termodinamika adalah suhu yang berubah-ubah ? Termodinamika merupakan salah satu cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang suhu, kalor, dan besaran mikroskopis lainnya. Ada bebrapa hukum dalam termodinamika, salah satunya Hukum I Termodinamika. Hukum I Termodinamika
membahas
tentang
kekekalan
energi.
Hukum-hukum
termodinamika beserta konsep kalor dan suhu memungkinkan kita mempelajari dan menjelaskan bagaimana alat-alat yang kerjanya menggunakan prinsip termodinamika dapat bekerja. Misalnya bagaimana sebuah mesin kendaraan bermotor dapat menggerakan motor; bagaimana sebuah lemari es dapat mendinginkan buah-buahan yang segar; atau bagaimana sebuah air panas, suhunya tetap pada saat dimasukkan ke dalam sebuah termos air panas. Semua permasalahan itu dapat kita ketahui jawabannya pada saat kita mempelajari tentang termodinamika, terutama untuk permasalahan tentang air panas yang dimasukkan ke dalam termos air panas suhunya akan tetap, akan kita ketahui jawabannya melalui Hukum I Termodinamika. Nah pada makalah ini, penulis akan membahas tentang penerapan Hukum I Termodinamika pada termos air panas. 1.2. Rumusan Masalah Dari uraian latar belakang di atas, dapat dirumuskan masalah sebagai berikut : 1.2.1 Bagaimana pengertian Hukum I Termodinamika ? 1.2.2. Bagaimana penerapan Hukum I Termodinamika pada termos air
panas?
4
1.3. Tujuan Penulisan Adapun tujuan yang ingin dicapai dalam penulisan makalah ini adalah sebagai berikut : 1.3.1.Untuk mengetahui tentang Hukum I Termodinamika. 1.3.2. Untuk mengetahui penerapan Hukum I Termodinamika pada termos
air panas. 1.4. Manfaat Penulisan Adapun manfaat yang dapat diperoleh dari penulisan makalah ini adalah sebagi berikut : 1.4.1. Bagi Pembaca Dengan penulisan makalh ini, diharapkan pembaca dapat lebih memahami tentang penerapan Hukum I Termodinamika, terutama penerapan kerjanyapada termos air panas. 1.4.2. Bagi Penulis Melalui penulisan makalh ini, penulis mendapatkan berbagai macam manfaat, salah satunya yaitu penulis mendapatkan berbagai macam pencerahan ilmu melalui pencarian beberapa macam materi yang digunakan dalam pembuatan makalah ini. Selain itu, penulis juga mendapatkan pengalaman dalam pembuatan makalah yang baik dan benar, yang akan selalu digunakan di dalam melengkapi pembelajaran di perguruan tinggi. 1.5. Metode Penulisan Metode penulisan yang digunakan penulis untuk menyelesaikan makalh ini, adalah metode studi pustaka, dimana metode ini dilakukan dengan cara mengumpulkan data dengan cara membaca atau mengambil bahan dari beberapa buku referensi di perpustakaan maupun di akses melalui internet.
BAB II PEMBAHASAN
4
2.1. Hukum I Termodinamika Hukum I Termodinamika, meruapakn salah satu hukum dari pelajaran termodinamika yang membahas tentang kekekalan energi. Seperti yang telah kita ketahui bahwa energi di alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk. Energy dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alamiah maupun melalui hasil rekayasa teknologi. Selain itu, energi bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan dan tidak dapat dihilangkan, namun yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip kekekalan energi. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alamiah dalam kehidupan kita sehari-hari Pada hukum I Termodinamika, kita akan membahas tentang sistem dan lingkungan. 1. Sistem adalah suatu benda atau objek yang ditinjau, yang menjadi pusat
perhatian yang dibatasi oleh suatu permukaan tertutup. Sistem mempunyai beberapa jenis yaitu : • Sistem terbuka Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energy (panas dan kerja) antara sistem tersebut dan lingkungan. • Sistem terisolasi Sistem terisolasi merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. • Sistem tertutup Sistem tertutup merupakan sistem yang dapat memungkinkan terjadi pertukaran energy (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Suatu sistem dikatakan dapat terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya, yaitu : pembatas adiabatik merupakan pembatas yang tidak membolehkan
5
adanya pertukaran panas, sementara pembatas rigid meruapak pembatas yang tidak memperbolehkan adanya pertukaran kerja. 1. Lingkungan merupakan segala sesuatu yang berada di luar sistem yang
mempengaruhi prilaku sistem secara langsung. Batas antara sistem dan lingkungan ada dua yaitu : dinding diatermik meruapakan batas antara sistem dan lingkungan yang memungkinkan terjadi pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan, dan dinding adiabatik yang merupakan batas antara sistem dengan lingkungan yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan. Dalam Hukum I Termodinamika ini, kita juga mengenal kerja atau usaha (W). Usaha pada Hukum I Termodinamika didefinisikan sebagai kerja yang dilakukan oleh sebuah sistem dari perubahan volume. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa untuk setiap proses, apabila kalor diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha, maka selisih kalor adalah penjumlahan antara usaha dengan energy dalam. W+ ∆U=Q
Ketentuan tanda untuk Q dan W, adalah sebagai berikut : apabila sistem melakukan usaha, maka nilai W positif; apabila sistem menerima usaha, maka nilai W negatif; apabila sistem menerima kalor, maka nilai Q positif; dan apabila sistem melepas kalor, maka nilai Q negatif. Ada beberapa proses yang akan diperkenalkan yang berhubungan dengan usaha yang akan dilakukan oleh gas terkait dengan perubahan volume, suhu, tekanan, dan energy dalam, pada Hukum I Termodinamika. Keempat proses itu antara lain : 1. Isobarik Isobarik merupakan suatu proses pada pemakaian Hukum I Termodinamika dimana tekan pada sistem dipertahankan konstan atau tetap. Berikut merupakan grafik dari proses isobarik :
5
Gambar grafik diatas menunjukkan usaha yang dilakukan oleh gas adalah sesuai dengan persamaan berikut : W=P V2-V1=P(∆V)
Proses isobarik ini dapat kita jumpai pada kasus pemanasan air di dalam ketel mesin uap sampai ke titik didihnya dan diuapkan sampai air menjadi uap, kemudian uap tersebut disuperpanaskan dengan semua proses berlangsung pada suhu tekanan konstan.
2. Isokhorik Isokhorik
merupakan
suatu
proses
pada
pemakaian
Hukum
I
Termodinamika dimana perubahan volume sistem dipertahankan konstan atau tetap. Berikut merupakan grafik dari proses isokhorik :
4
Pada gambar diatas, karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan nol. W=0 W=P ∆V= P 0= 0
Proses isokhorik dapat kita jumpai pada sebuah kipas dan baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas berputar menggunakan energy yang disumbangkan baterai. Untuk kasus ini, kipas, batrai dan udara yang berada di dalam wadah dianggap sebagai sistem, ketika kipas berputar, kipas melakukan kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energy kinetic kipas berubah menjadi energy dalam. Contoh ini membuktikan bahwa pada proses isokhorik volumenya selalu konstan.
3. Isothermal Isothermal merupakan suatu proses pada Hukum I Termodinamika, dimana suhu suatu sistem dipertahankan konstan atau tetap. Berikut merupakan grafik dari proses isothermal :
∆U=0 W+0=Q=nRTlnV2V1
Proses isothermal dapat kita jumpai pada penggunaan AC. Ketika disebuah ruangan yang tertutup dipasang AC, maka suhu di dalam di dalam ruangan tersebut akan sama.
4
4. Adiabatik Adiabatik meruapakn suatu proses pada Hukum I Termodinamika dimana tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem ke lingkungan atau dari lingkungan ke sistem. Berikut merupakan grafik dari proses adiabatik:
Dari gambar grafik proses adiabatic diatas, terlihat kurva adiabatic lebih curam disbanding kurva isothermal. Q=0 , W+ ∆U=0 W= 1γ-1 P1V1- P2V2
Penerapan proses adiabatik ini, dapat kita jumpai pada cara kerja termos air panas. Nah penerapan proses adiabatik ini lah yang akan di bahas secara terperinci di dalam makalah ini. 1.2. Penerapan Hukum I Termodinamika pada Termos Air Panas Penerapan Hukum I Termodinamika pada proses adiabatik adalah pada cara kerja termos air panas. Prinsip kerja termos itu sangat sederhana. Termos merupakan alat yang berfungsi menyimpan air, termos tidak hanya berfungsi sebagai temapat menyimpan air, tetapi juga berfungsi untuk menjaga suhu air agar tetap. Misalnya air panas yang dimasukkan ke dalam termos, suhunya akan tetap tinggi karena panas tidak bisa mearambat pada dinding termos. Penemuan vacuum flask (tabung hampa udara) oleh Sir James Dewar merupakan awal dari adanya termos tempat menyimpan air panas ataupun dingin ini. Pada saat melakukan penelitian, Dewar tidak sengaja menemukan tabung hampa udara. Tabung hamppa udara ini, menggantikan bejana yang selama ini
4
terbuat dari kaca. Termos merupakan adaptasi dari tabung hampa udara yang digunakan untuk pengiriman dan penyimpanan gas cair. Namun dengan kecerdasannya Dewar mengubah tabung hampa udara itu menjadi sebuah termos yang mampu mempertahankan suhu panas dan dingin. Termos flask yang berbentuk botol yang terbuat dari kaca berdinding rangkap, ruang diantara kedua dinding dibuat hampa dan satu dinding dalam ruang hampa dilapisi perak. Dengan dinding semacam ini, air di dalam termos tidak dapat dipengaruhi oleh perubahan-perubahan keadaan di luar. Pada termos terdapat dinding kaca yang bagian dalam dan luarnya dibuat mengilap. Bagian dalam kaca dibuat mengilap agar kalor dari air panas tidak terserap pada dinding.sedangkan dibagian luar dinding kaca dibuat mengilap dengan dilapisi perak agar tidak terjadi perpindahan kalor secara radiasi.ruang hampa diantara bagian dalam dan luar berfungsi untuk mencegah perpindahan kalor secara konveksi. Tutup termos terbuat dari bahan isolator atau penghantar panas yang buruk, seperti gabus, untuk mencegah terjadinya perpindahan kalor secara konduksi. Berikut merupakan gambara dari termos air panas dan bagian-bagiannya:
5
Dengan dimasukkan ke dalam termos,suhu air akan tetap terjaga.Ini karena bagian lapisan struktur khusus.Termos terdiri dari dua lapisan:bagian dalam dan luar di lapisi perak putih,di tengahnya ada hampa udara sehingga energi tidak akan bisa dihantarkan,dan panas bagian dalamnya tidak bisa keluar. Peinsip kerja termos air panas sangat sederhana. Termos menggunakan bahan yang bersifat adiabatik yaitu bahan yang dapat menghambat atau bahan yang tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan atau antara lingkungan dengan sistem. Dengan kata lain tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos yaitu air panas, dengan lingkungannya. Karena tidak ada pertukaran kalor dari sistem dengan lingkungannya, akibatnya tidak terjadi pertukaran temperatur. Dengan menggunakan bahan adiabatik, termos dapat mempertahankan suhu air yang ada di dalamnya. Termos merupakan contoh sistem terisolasi dalam termodinamika, karena tidak terjadi pertukaran kalor benda atau kerja dengan lingkungan. Bahan utama termos adalah sebuah tabung kaca yang hampa udara disekeliling termos tersebut. Sementara penutup luarnya terbuat dari aluminium sebagai isolator anatara tabung kaca dengan udara sekitar. Cara kerjanya yaitu kalor yang masuk dalam tabung tidak bisa merambat keluar karena dihambat oleh kaca yang mempunyai warna putih dan mengilap. Karena warna putih lebih sedikit menyerap kalor dibandingkan warna yang gelap. Setelah itu, kalor dihambat oleh celah yang hampa udara pada tabung kaca, lalu masih dihambat lagi oleh celah udara antara tabung dan dinding, karena udara merupakan penghantar panas yang kurang baik. Dan yang terakhir panas dihambat keluar oleh dinding termos yang biasa terbuat dari plastik atau logam yang penghantar panasnya kurang baik. Pada termos terdapat proses adiabatik yang tidak memungkinkan untuk kalor masuk ataupun keluar oleh sistem (Q = 0). Oleh karena itu, kerja atu usaha yang dilakukan gas, sama dengan perubahan energy dalamnya (W= ∆U), sehingga tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan. Dan tidak ada perpindahan kalor antara sistem dengan lingkungan, yang mengakibatkan tidak terjadi pertukaran temperature, sehingga suhu air dalam termos akan tetap panas.
4
BAB III PENUTUP
3.1. Kesimpulan Dari pembahasan diatas, penulis dapat menarik kesimpulan sebagai berikut : 3.1.1. Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang suhu, kalor, dan besaran mikroskopis lainnya. 3.1.2. Hukum I Termodinamika membahas tentang kekekalan energy, dan juga membahas tentang sistem dan lingkungan. Pada Hukum I Termodinamika terdapat proses isobarik, isokhorik, isothermal, dan adiabatic. 3.1.3. Contoh penerapan Hukum I Termodinamika yaitu pada Termos air panas. Pada termos terjadi proses adiabatik yaitu proses yang tidak memungkinkan kalor untuk keluar masuk sistem (Q = 0). Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W= ∆U), sehingga tidak memungkinkan untuk terjadinya interaksi,
antara sistem dengan lingkungan, serta tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos yaitu air panas dengan lingkungannya.
3.2. Saran Apabila membuat sebuah termos air panas, gunakanlah bahan yang terbuat dari bahan adiabatik, agar tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor dari sistem ke lingkungan, sehingga suhu air tetap panas. Dan untuk tutup termos, gunakanlah bahan yang merupakan isolator yang merupakan penghantar
4
panas yang kurang baik, untuk mencegah terjadinya perpindahan kalor secara konduksi.
DAFTAR PUSTAKA
Sujanem, Rai. 2011. Fisika Dasar 2. Singaraja : Universitas Pendidikan Ganesha. Setiawan, Deni.2009. Termos Air. Semarang : Universitas Negeri Semarang www.scribd.com , diakses pada 27 Desember 2011 Abdulah, Rurousha. 2010. Definisi Termodinamika. http://Basicsphysics.blogspot.com , diakses 27 Desember 2011 Sabrina,Rossanti.2011. Termodinamika. http://rossanti-sabrina.blogspot.com
5
