Bab-i-makalah-fisika
FISIKA TEKNIK
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Suhu dan Kalor adalah dua hal yang tidak dapat dipisahka dalam
kehidupan kita sehari-hari. Banyak kegiatan-kegiatan yang berkaitan dengan dua
hal tersebut seperti hal yang paling sederhana saja perbedaan temperatur udara
saat siang dan malam hari, penurunan suhu teh panas jika ditambahkan dengan
es batu, dan lain sebagainya.
Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk
kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik
dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat
berubah menjadi energi listrik
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang makalah ini, maka penyusun membuat suatu
rumusan masalah, yaitu :
1. Apa makna suhu, kalor dan kapasitas kalor.
2. Bagaimana isi Hukum Termodinamika I dan II.
3. Apa itu proses isokhorik, isobar, isotermik dan adiabatic.
4. Bagaiman prinsip mesin kalor dan mesin pendingin.
5. Apa penerapan konsep-konsep suhu dan kalor pada bidang teknik elektro.
1.3. Batasan Masalah
Hukum Termodinamika I dan Hukum Termodinamika II.
1.4. Tujuan
Makalah ini disusun agar dapat lebih mendalami tentang makna suhu,
kalor dan kapasitas kalor. Mengetahui Hukum Termodinamika I dan II dan
seterusnya seperti yang ada pada rumusan masalah. Tidak hanya itu, penyusunan
makalah ini juga tidak hanya bagi para pembaca saja, akan tetapi agar dapat pula
menjadi bahan informasi/bahan ajar bagi orang lain (siswa).
1
FISIKA TEKNIK
BAB II
PEMBAHASAN
2.1. Suhu, kalor dan kapasitas kalor
Suhu didefenisikan sebagai ukuran atau derajat panas dingin suatu benda
atau sistem. Sifat termometrik adalah sifat-sifat benda yang mudah berubah
akibat adanya perubahan suhu, contoh :
1. Panjang logam
2. Volume zat cair.
Kalor adalah
Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat.
Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda
yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor
yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya
rendah maka kalor yang dikandung sedikit.
Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang
dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor
1. massa zat
2. jenis zat (kalor jenis)
3. perubahan suhu
Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :
Q = m.c.(t2 – t1)
Dimana :
Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)
m adalah massa benda (kg)
c adalah kalor jenis (J/kgC)
2
FISIKA TEKNIK
(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)
Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis
Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang
digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U
adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)
Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda
yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)
Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan
suhu benda sebesar 1 derajat celcius.
H = Q/(t2-t1)
Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan
suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan
besar kalor jenis adalah kalorimeter.
c = Q/m.(t2-t1)
Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk
persamaan baru
H = m.c
3
FISIKA TEKNIK
Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai
menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.
Keterangan :
Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah
suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2),
setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah
suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk
berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua
maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)
Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan
suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang
mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar:
C = mc
Keterangan :
C = kapasitas kalor
m = massa benda (Kg)
4
FISIKA TEKNIK
c = kalor jenis (J/Kg.K)
Satuan kapasitas kalor benda (C)
Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan
kapasitas kalor (C) di atas :
Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K =
Kelvin)
Catatan :
Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama.
Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai
hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala
suhu (bagian terakhir).
2.2. Hukum Termodinamika
A. Hukum Termodinamika I
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hokum ini menyatakan
perubahan enegi dalam (∆U) dari suatu sistem termodinamika tertutup sama
dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja
yang dilakukan terhadap sistem. Hokum pertama termodinamika ( the First
Law of Thermodynamic) adalah sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha
yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi
dalam (∆U).
Rumus hukum I Termodinamika :
∆U = Q - W
5
FISIKA TEKNIK
Dengan ketentuan :
Q adalah positif jika sistem memperoleh kalor dan negatif jika kehilangan
kalor. Usaha (W) postif jika usaha dilakukan oleh sistem dan negatif jika
usaha dilakukan pada sistem. Jadi hukum I termodinamika adalah prinsip
kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor, usaha dan energi dalam.
B. Hukum II Termodinamika
Hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan dalam dua cara, yaitu :
1. Kalor tidak pernah mengalir secara spontan dari benda bersuhu rendah ke
benda bersuhu tinggi.
2. Tidak ada satu mesin kalor yang bekerjadalam suatu siklus yang sematamata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah menjadi usaha.
Hukum kedua dapat dinyatakan dalam entropi sebagai berikut :
Entropi tota; jagad raya tidak berubah ketika proses reversible terjadi (
ΔS jagad raya > 0 ). Perubahan entropi ΔS dari suatu sistem sama dengan kalor
yang mengalir ke dalam (bertanda positif) atau keluar dari (bertanda negatif)
sitem, ketika sistem berubah dari suatu keadaan ke keadaan lainnya dibagi
dengan suhu mutlak.
Q
ΔS
=
reversible
T
2.3. Proses Isokhorik, Isobarik, Isotermik, dan Adiabatik.
A. Proses Isokhoriik
Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume
tetap. Rumus :
P1
P1
=
T1
T1
Usaha yang dilakukan di lungkungan adalah
6
FISIKA TEKNIK
W = PΔV = P.0 =0
Keterangan :
P
: tekanan (Pa)
T
:
suhu
(K)
ΔV : perubahan volume (m3)
B. Proses Isotermik
Proses isotermik adalah proses perubahan keadaan pada suhu tetap.
Rumus : W = nRT
Keterangan :
W
: usaha (J)
n
: Mol
R
: ketetapan gas ideal (8.31 J/mol K)
T
: suhu (K)
V
: volume (m3)
C. Proses Isobarik
Proses isobaric adalah proses perubahan keadaan gas yang tekananya
tetap, sedangkan suhu, dan volume berubah.
Rumus :
V1
V1
=
T1
T1
Usaha luar yang dilakukan lingkungan adalah :
W = Pc ΔV = Pc (V2 –V1)
Keterangan :
Pc : tekanan
D. Proses Adiabatik
Adalah proses perubahan sistem tanpa kalor yang masuk atau keluar
dari sistem,.
Rumus :
P1V1Y=P2V2Y
7
FISIKA TEKNIK
Keterangan :
Y
: konstanta Laplace = Y = Cp
Cv
Cp
: kalor jenis gas pada tekana tetap
Cv
: kalor jenis gas pada volume tetap
2.4. Mesin Kalor dan Mesin Pendingin
A. Mesin Kalor
Mesin kalor memindahkan kalor Q1 dari redervoir panas, melakukan
usaha W1 dan membuang kalor Q2 ke reservoir dingin. Efisiensi mesin kalor
adalah nilai perbandingan antara usaha yang dilakukan terhadap kalor total
yang diserap.
Rumus : η = W1
Q2
=
1–
Q1
Q1
Q2
Untuk mesin kalor ideal (mesin carnot),
T2
=
Q1
sehingga,
T1
T2
η =
1T1
B. Mesin Pendingin
Mesin Pendingin memindahkan kalor Q2 dari reservoir dingin,
menerima usaha listrik W, dan membuang kalor Q1 ke reservoir panas.
Jadi proses dalam mesin pendingin berlawanan arah dengan proses
dala mesin kalor. Koefisien performasi Cp dari suatu mesin pendingin adalah
8
FISIKA TEKNIK
nilai perbandingan antara kalor yang dipindahkan dari reservoir dingin
terhadap usaha listrik yang diterima sistem.
Q2
Cp =
Q2
=
W
Q1 -
Q2
2.5. Penerapan suhu dan kalor pada bidang teknik elektro
Hukum I Termodinamika pada prinsipnya adalah hukum kekekalan
energi.Hukum Hukum II Termodinamika membahas bisa tidaknya perubahan
bentuk energi satu ke yang lain. Jadi, pada dasarnya pula semua mesin atau
bahkan semua sistem tunduk pada hukum termodinamika.
Contoh
Mesin sepeda motor anda. Dalam hukum I dikatakan Q = W + deltaU. Artinya
pada sebuah sistem diberikan kalor sebesar Q maka akan digunakan sistem untuk
melakukan usaha dan untuk menaikkan energi dalam. Kalor pembakaran bensin
sebesar Q digunakan untuk mekakukan usaha W yakni menggerakkan motor anda
(motor bergerak mempunyai energi kinetik Ek = W) dan mesin-mesin motor anda
yang semula dingin menjadi panas (artinya terjadi kenaikan energi dalam).
9
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Suhu dan Kalor adalah dua hal yang tidak dapat dipisahka dalam
kehidupan kita sehari-hari. Banyak kegiatan-kegiatan yang berkaitan dengan dua
hal tersebut seperti hal yang paling sederhana saja perbedaan temperatur udara
saat siang dan malam hari, penurunan suhu teh panas jika ditambahkan dengan
es batu, dan lain sebagainya.
Kalor merupakan bentuk energi maka dapat berubah dari satu bentuk
kebentuk yang lain. Berdasarkan Hukum Kekekalan Energi maka energi listrik
dapat berubah menjadi energi kalor dan juga sebaliknya energi kalor dapat
berubah menjadi energi listrik
1.2. Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang makalah ini, maka penyusun membuat suatu
rumusan masalah, yaitu :
1. Apa makna suhu, kalor dan kapasitas kalor.
2. Bagaimana isi Hukum Termodinamika I dan II.
3. Apa itu proses isokhorik, isobar, isotermik dan adiabatic.
4. Bagaiman prinsip mesin kalor dan mesin pendingin.
5. Apa penerapan konsep-konsep suhu dan kalor pada bidang teknik elektro.
1.3. Batasan Masalah
Hukum Termodinamika I dan Hukum Termodinamika II.
1.4. Tujuan
Makalah ini disusun agar dapat lebih mendalami tentang makna suhu,
kalor dan kapasitas kalor. Mengetahui Hukum Termodinamika I dan II dan
seterusnya seperti yang ada pada rumusan masalah. Tidak hanya itu, penyusunan
makalah ini juga tidak hanya bagi para pembaca saja, akan tetapi agar dapat pula
menjadi bahan informasi/bahan ajar bagi orang lain (siswa).
1
FISIKA TEKNIK
BAB II
PEMBAHASAN
2.1. Suhu, kalor dan kapasitas kalor
Suhu didefenisikan sebagai ukuran atau derajat panas dingin suatu benda
atau sistem. Sifat termometrik adalah sifat-sifat benda yang mudah berubah
akibat adanya perubahan suhu, contoh :
1. Panjang logam
2. Volume zat cair.
Kalor adalah
Kalor didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu zat.
Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki oleh suatu benda
yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika suhunya tinggi maka kalor
yang dikandung oleh benda sangat besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya
rendah maka kalor yang dikandung sedikit.
Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang
dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor
1. massa zat
2. jenis zat (kalor jenis)
3. perubahan suhu
Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :
Q = m.c.(t2 – t1)
Dimana :
Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)
m adalah massa benda (kg)
c adalah kalor jenis (J/kgC)
2
FISIKA TEKNIK
(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)
Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis
Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu
Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang
digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U
adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)
Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda
yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)
Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan
suhu benda sebesar 1 derajat celcius.
H = Q/(t2-t1)
Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan
suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan
besar kalor jenis adalah kalorimeter.
c = Q/m.(t2-t1)
Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk
persamaan baru
H = m.c
3
FISIKA TEKNIK
Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai
menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.
Keterangan :
Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah
suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2),
setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah
suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk
berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua
maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)
Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan
suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang
mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar:
C = mc
Keterangan :
C = kapasitas kalor
m = massa benda (Kg)
4
FISIKA TEKNIK
c = kalor jenis (J/Kg.K)
Satuan kapasitas kalor benda (C)
Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan
kapasitas kalor (C) di atas :
Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K =
Kelvin)
Catatan :
Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama.
Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai
hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala
suhu (bagian terakhir).
2.2. Hukum Termodinamika
A. Hukum Termodinamika I
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hokum ini menyatakan
perubahan enegi dalam (∆U) dari suatu sistem termodinamika tertutup sama
dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja
yang dilakukan terhadap sistem. Hokum pertama termodinamika ( the First
Law of Thermodynamic) adalah sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha
yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk menambah energi
dalam (∆U).
Rumus hukum I Termodinamika :
∆U = Q - W
5
FISIKA TEKNIK
Dengan ketentuan :
Q adalah positif jika sistem memperoleh kalor dan negatif jika kehilangan
kalor. Usaha (W) postif jika usaha dilakukan oleh sistem dan negatif jika
usaha dilakukan pada sistem. Jadi hukum I termodinamika adalah prinsip
kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor, usaha dan energi dalam.
B. Hukum II Termodinamika
Hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan dalam dua cara, yaitu :
1. Kalor tidak pernah mengalir secara spontan dari benda bersuhu rendah ke
benda bersuhu tinggi.
2. Tidak ada satu mesin kalor yang bekerjadalam suatu siklus yang sematamata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah menjadi usaha.
Hukum kedua dapat dinyatakan dalam entropi sebagai berikut :
Entropi tota; jagad raya tidak berubah ketika proses reversible terjadi (
ΔS jagad raya > 0 ). Perubahan entropi ΔS dari suatu sistem sama dengan kalor
yang mengalir ke dalam (bertanda positif) atau keluar dari (bertanda negatif)
sitem, ketika sistem berubah dari suatu keadaan ke keadaan lainnya dibagi
dengan suhu mutlak.
Q
ΔS
=
reversible
T
2.3. Proses Isokhorik, Isobarik, Isotermik, dan Adiabatik.
A. Proses Isokhoriik
Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume
tetap. Rumus :
P1
P1
=
T1
T1
Usaha yang dilakukan di lungkungan adalah
6
FISIKA TEKNIK
W = PΔV = P.0 =0
Keterangan :
P
: tekanan (Pa)
T
:
suhu
(K)
ΔV : perubahan volume (m3)
B. Proses Isotermik
Proses isotermik adalah proses perubahan keadaan pada suhu tetap.
Rumus : W = nRT
Keterangan :
W
: usaha (J)
n
: Mol
R
: ketetapan gas ideal (8.31 J/mol K)
T
: suhu (K)
V
: volume (m3)
C. Proses Isobarik
Proses isobaric adalah proses perubahan keadaan gas yang tekananya
tetap, sedangkan suhu, dan volume berubah.
Rumus :
V1
V1
=
T1
T1
Usaha luar yang dilakukan lingkungan adalah :
W = Pc ΔV = Pc (V2 –V1)
Keterangan :
Pc : tekanan
D. Proses Adiabatik
Adalah proses perubahan sistem tanpa kalor yang masuk atau keluar
dari sistem,.
Rumus :
P1V1Y=P2V2Y
7
FISIKA TEKNIK
Keterangan :
Y
: konstanta Laplace = Y = Cp
Cv
Cp
: kalor jenis gas pada tekana tetap
Cv
: kalor jenis gas pada volume tetap
2.4. Mesin Kalor dan Mesin Pendingin
A. Mesin Kalor
Mesin kalor memindahkan kalor Q1 dari redervoir panas, melakukan
usaha W1 dan membuang kalor Q2 ke reservoir dingin. Efisiensi mesin kalor
adalah nilai perbandingan antara usaha yang dilakukan terhadap kalor total
yang diserap.
Rumus : η = W1
Q2
=
1–
Q1
Q1
Q2
Untuk mesin kalor ideal (mesin carnot),
T2
=
Q1
sehingga,
T1
T2
η =
1T1
B. Mesin Pendingin
Mesin Pendingin memindahkan kalor Q2 dari reservoir dingin,
menerima usaha listrik W, dan membuang kalor Q1 ke reservoir panas.
Jadi proses dalam mesin pendingin berlawanan arah dengan proses
dala mesin kalor. Koefisien performasi Cp dari suatu mesin pendingin adalah
8
FISIKA TEKNIK
nilai perbandingan antara kalor yang dipindahkan dari reservoir dingin
terhadap usaha listrik yang diterima sistem.
Q2
Cp =
Q2
=
W
Q1 -
Q2
2.5. Penerapan suhu dan kalor pada bidang teknik elektro
Hukum I Termodinamika pada prinsipnya adalah hukum kekekalan
energi.Hukum Hukum II Termodinamika membahas bisa tidaknya perubahan
bentuk energi satu ke yang lain. Jadi, pada dasarnya pula semua mesin atau
bahkan semua sistem tunduk pada hukum termodinamika.
Contoh
Mesin sepeda motor anda. Dalam hukum I dikatakan Q = W + deltaU. Artinya
pada sebuah sistem diberikan kalor sebesar Q maka akan digunakan sistem untuk
melakukan usaha dan untuk menaikkan energi dalam. Kalor pembakaran bensin
sebesar Q digunakan untuk mekakukan usaha W yakni menggerakkan motor anda
(motor bergerak mempunyai energi kinetik Ek = W) dan mesin-mesin motor anda
yang semula dingin menjadi panas (artinya terjadi kenaikan energi dalam).
9