Embed Size (px)
Citation preview
GELOMBANG BERDIRI PADA DAWAI
Dalam pokok bahasan pemantulan gelombang, gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek
mengenai pemantulan pulsa gelombang pada dawai. Jika kita menyentakkan sebuah dawai alias tali
maka akan timbul sebuah pulsa yang merambat sepanjang dawai tersebut. Sambil nonton video di
bawah… Karena ujung kanan dawai terikat maka setelah pulsa tiba di ujung dawai yang terikat, pulsa
tersebut dipantulkan kembali dalam posisi terbalik, sebagaimana ditunjukkan pada video di bawah…
Btw, mengapa pulsa dipantulkan terbalik ? Silahkan pelajari lagi di TKP ya gan lanjUtkan…
Sekarang mari tinjau apa yang terjadi jika dawai tersebut tidak disentakkan tapi digerakkan naik turun
secara teratur. Apabila kita menggerakkan dawai naik turun secara teratur (gerak harmonik sederhana)
maka akan timbul gelombang harmonik alias gelombang sinusoidal yang merambat sepanjang dawai
tersebut. Sambil nonton video di bawah… Nah, jika ujung kanan dawai tersebut terikat maka setelah
gelombang tiba di ujung dawai yang terikat, gelombang tersebut akan dipantulkan kembali,
sebagaimana ditunjukkan pada video di bawah. Perhatikan bahwa puncak gelombang dipantulkan
seperti pulsa pada video di atas… jadi ketika gelombang dipantulkan, puncak gelombang berubah
menjadi lembah gelombang, sebaliknya lembah gelombang berubah menjadi puncak gelombang…
Apabila kita terus menggerakkan dawai naik turun secara teratur maka akan ada gelombang yang
merambat dalam dua arah, yakni gelombang yang timbul ketika kita menggerakan dawai naik turun
(dalam video di atas, gelombang ini bergerak ke kanan – warna merah) dan gelombang pantulan (dalam
video di atas, gelombang ini bergerak ke kiri – warna biru). Kedua gelombang ini selanjutnya saling
tumpang tindih alias bersuperposisi… Nah, superposisi atau perpaduan dari kedua gelombang yang
bergerak dalam arah yang berlawanan ini menghasilkan sebuah gelombang yang tampaknya diam alias
tidak bergerak (dalam video di atas, gelombang ini diberi warna hitam – Tuh yang amplitudonya paling
besar). Karena tidak bergerak maka gelombang jenis ini diberi julukan gelombang diam alias
gelombang stasioner (stationary wave). Nama samaran dari gelombang stasioner adalah gelombang
berdiri (standing wave)… Disebut gelombang berdiri karena gelombang ini tidak berjalan alias tidak
merambat…
Btw, dirimu jangan terkecoh dengan video di atas. Perhatikan bahwa kalau dirimu menggerakan dawai
alias tali seperti dalam video di atas maka setelah ada gelombang pantulan, gerakan dawai selanjutnya
akan tampak seperti gelombang berdiri. Dalam hal ini, tali akan tampak berosilasi di tempat…
Ada beberapa istilah aneh yang diberikan pada gelombang berdiri… Istilah aneh pertama adalah simpul
alias node (node tuh bahasa inggris, bahasa indonesianya simpul). Dalam video di atas, simpul alias
node dilambangkan dengan huruf N. Simpul alias node merupakan titik di mana terjadi interferensi
destruktif antara gelombang yang bergerak ke kanan dan gelombang yang bergerak ke kiri. Istilah
aneh lain adalah perut alias antinode. Dalam video di atas, perut alias antinode diberi simbol A. Perut
alias antinode merupakan titik di mana terjadi interferensi konstruktif antara gelombang yang
bergerak ke kanan dan gelombang yang bergerak ke kiri.
Untuk membedakannya dengan gelombang berdiri maka gelombang yang sedang bergerak biasa
dinamakan gelombang berjalan.
Fungsi gelombang berdiri
Dalam pokok bahasan gelombang harmonik atau gelombang berjalan, kita sudah menurunkan fungsi
gelombang harmonik atau fungsi gelombang berjalan. Kali ini kita mencoba menurunkan fungsi
gelombang berdiri atau fungsi gelombang diam… sebagaimana fungsi gelombang berjalan, fungsi
gelombang berdiri berguna untuk menjelaskan suatu gelombang berdiri… Apabila kita mengetahui
fungsi gelombang dari suatu gelombang berdiri, kita bisa mencari perpindahan sembarang titik
sepanjang dawai dari posisi setimbang pada suatu waktu tertentu.
Dalam pembahasan sebelumnya sudah dijelaskan bahwa gelombang berdiri merupakan hasil
superposisi atau perpaduan dari dua gelombang harmonik yang berjalan dalam arah yang berlawanan.
Dengan demikian, kita bisa memperoleh fungsi gelombang berdiri dengan menjumlahkan fungsi
gelombang dari kedua gelombang harmonik yang berjalan dalam arah yang berlawanan dan saling
bersuperposisi.
Kita tulis kembali fungsi gelombang harmonik yang sudah diturunkan dalam pokok bahasan fungsi
gelombang dan persamaan gelombang :
Fungsi gelombang harmonik yang berjalan ke kiri :
Fungsi gelombang harmonik yang berjalan ke kanan :
Fungsi gelombang berdiri merupakan jumlah dari fungsi gelombang berjalan. Secara matematis ditulis
seperti ini :
Pending dulu… Ingat lagi si trigonometri :
Sekarang kita masukan persamaan 1 dan persamaan 2 ke dalam persamaan sebelumnya :
Keterangan :
Fungsi gelombang berdiri pada dawai bisa ditulis lagi dalam bentuk seperti ini :
Fungsi gelombang berdiri mempunyai dua faktor yakni 2A sin kx dan cos omega t. Faktor 2A sin kx
menjelaskan bentuk dawai setiap saat, yakni berupa kurva sinus. Sebaliknya faktor cos omega t
menjelaskan bahwa dawai tersebut tidak berjalan tetapi hanya berosilasi di tempat. Biar lebih paham,
sebaiknya dirimu baca-baca materi fungsi gelombang dan persamaan gelombang berjalan terlebih
dahulu.
Fungsi gelombang berdiri yang sudah diturunkan sebelumnya bisa kita manfaatkan untuk
menentukan posisi titik perut dan titik simpul pada sebuah gelombang berdiri. Posisi titik perut bisa
diketahui ketika amplitudo gelombang berdiri, yakni 2A sin kx bernilai maksimum sebesar 2A.
Sebaliknya posisi titik simpul bisa diketahui ketika amplitudo gelombang berdiri, yakni 2A sin kx
bernilai nol
Posisi Titik Perut
Agar amplitudo bernilai maksimum maka sin kx harus bernilai 1 atau -1.
2A sin kx = 2A (1) = 2A —– amplitudo maksimum (puncak gelombang berdiri)
2A sin kx = 2A (-1) = -2A —– amplitudo maksimum (lembah gelombang berdiri)
Sin kx = 1 atau -1 jika :
Tampak bahwa jarak antara dua titik perut berurutan adalah setengah panjang gelombang (3/4 lambda–
1/4 lambda = 2/4 lambda = 1/2 lambda atau 5/4 lambda – 3/4 lambda = 2/4 lambda = 1/2 lambda).
Lambda = panjang gelombang…
Posisi Titik Simpul
Agar amplitudo bernilai 0 maka sin kx harus bernilai 0 —–> 2A sin kx = 2A (0) = 0
Sin kx = 0 jika :
Tampak bahwa jarak antara dua titik simpul berurutan adalah setengah panjang gelombang (1 lambda–
1/2 lambda = 1/2 lambda atau 3/2 lambda – 1 lambda = 3/2 lambda – 2/2 lambda = 1/2 lambda).
Ketika suatu gelombang merambat alias berjalan sepanjang dawai, gelombang tersebut memindahkan
energi sepanjang dawai tersebut. Dengan kata lain, gelombang tersebut memindahkan energi dari satu
ujung dawai ke ujung dawai berikutnya. Gelombang berdiri tidak seperti gelombang berjalan;
gelombang berdiri tidak memindahkan energi sepanjang dawai. Jadi energi tetap “berdiri” di posisinya
masing-masing sepanjang dawai.
Gelombang berdiri pada dawai yang kedua ujungnya terikat
Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan gelombang berdiri. Kali ini kita coba meninjau gelombang
berdiri pada dawai yang kedua ujungnya terikat. Dawai yang kedua ujungnya terikat terdapat dalam
alat musik seperti gitar, biola dkk… misalnya ketika dawai alias senar gitar dipetik maka dihasilkannya
gelombang berdiri pada senar tersebut. Gelombang berdiri pada senar selanjutnya menggetarkan udara
di sekitarnya sehingga dihasilkan gelombang bunyi dengan frekuensi tertentu. Frekuensi gelombang
bunyi yang dihasilkan tentu saja sesuai dengan frekuensi getaran senar. Frekuensi getaran senar
bergantung pada banyak faktor, sebagaimana akan kita bahas.
Jika kita menggetarkan dawai atau senar yang kedua ujungnya terikat maka akan timbul gelombang yang berjalan sepanjang dawai atau senar tersebut. Ketika gelombang yang berjalan sepanjang dawai tiba di ujung dawai yang terikat maka gelombang ini akan dipantulkan dan selanjutnya merambat kembali dalam arah yang berlawanan (bandingkan dengan video di atas). Gelombang-gelombang yang merambat dalam arah yang berlawanan ini selanjutnya saling tumpang tindih alias bersuperposisi. Apabila frekuensi gelombang-gelombang yang merambat sepanjang dawai tidak sama dengan frekuensi alami dawai maka gelombang yang bersuperposisi akan saling melenyapkan atau menghasilkan pola yang kacau. Btw, apabila frekuensi gelombang-gelombang yang berjalan sepanjang dawai sama dengan frekuensi alami dawai maka ketika gelombang-gelombang yang berjalan dalam arah yang berlawanan tersebut bersuperposisi maka akan dihasilkan gelombang berdiri pada dawai. Frekuensi di mana gelombang berdiri dihasilkan pada dawai dikenal dengan julukan frekuensi resonansi atau frekuensi alami
Frekuensi resonansi dawai bisa kita tentukan dengan meninjau keterkaitan antara panjang gelombang
berdiri dan panjang dawai. Kedua ujung dawai terikat karenanya kedua ujung dawai tersebut berperan
sebagai titik simpul alias node. Dengan demikian gelombang berdiri yang dihasilkan harus mempunyai
titik simpul di kedua ujung dawai tersebut. Sebagaimana telah djelaskan sebelumnya, jarak antara dua
titik simpul terdekat adalah setengah panjang gelombang (1/2 lambda). Dengan demikian panjang
dawai harus sama dengan 1/2 lambda atau 2 (1/2 lambda) atau 3 (1/2 lambda) dst… Secara matematis
bisa ditulis seperti ini :
Untuk menentukan panjang gelombang, persamaan di atas bisa
diobok2 seperti ini :
Dalam pembahasan mengenai laju gelombang, kita sudah menurunkan persamaan yang menyatakan
hubungan antara laju gelombang (v), frekuensi (f) dan panjang gelombang (lambda). Secara matematis
ditulis seperti ini :
Untuk menentukan frekuensi, persamaan di atas bisa diobok2 menjadi seperti ini :
Sekarang kita masukan persamaan panjang gelombang ke dalam persamaan frekuensi :
Persamaan ini bisa kita gunakan untuk menentukan frekuensi resonansi dawai.
Keterangan :
v = laju gelombang pada dawai
f = frekuensi resonansi dawai
f1 = frekuensi dasar
L = panjang dawai
n = bilangan bulat kelipatan 1 (1, 2, 3, 4, 5, dstnya…)
Kalau dirimu bergelut dengan dunia musik, istilah titik nada atau pitch mungkin tidak asing di telinga.
Titik nada atau pitch gitar, misalnya, sama saja dengan frekuensi resonansinya (f)… orang yang
bergelut di dunia musik menggunakan istilah titi nada atau pitch, sebaliknya fisikawan atau insinyur
menggunakan istilah frekuensi resonansi. Istilahnya beda tapi maksudnya sama…
Animasi di bawah menunjukkan beberapa mode normal dawai yang kedua ujungnya terikat. Mode
normal tuh istilah yang digunakan untuk menjelaskan semua bagian sistem (misalnya semua bagian
dawai) yang bergerak secara sinusoidal dengan frekuensi yang sama.
Frekuensi dasar atau harmoni pertama
f1 dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai satu perut. Frekuensi dasar dikenal juga dengan
julukan harmoni pertama. Istilah harmoni berasal dari musik….
Harmoni kedua
f2 dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai dua perut) dikenal dengan julukan harmoni
kedua atau nada atas pertama.
Harmoni ketiga
f3 dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai tiga perut) dikenal dengan julukan harmoni
ketiga atau nada atas kedua.
Harmoni keempat
f4 dihasilkan oleh gelombang berdiri yang mempunyai empat perut) dikenal dengan julukan harmoni
keempat atau nada atas ketiga. Dan seterusnya….
Harmoni kelima
Hubungan antara frekuensi resonansi dengan gaya tegangan
dawai, panjang dawai dan massa per satuan panjang dawai
Dalam pokok bahasan laju gelombang, kita sudah menurunkan persamaan yang menyatakan laju
gelombang pada dawai. Secara matematis ditulis seperti ini :
Sekarang kita gantikan v dalam persamaan frekuensi di atas dengan v dalam persamaan ini :
Keterangan :
Persamaan 1 dan persamaan 2 menyatakan hubungan antara frekuensi resonansi dawai dengan panjang
dawai (L), gaya tegangan dawai (F) dan massa per satuan panjang dawai (myu).
Berdasarkan persamaan tersebut tampak bahwa frekuensi resonansi sebanding atau berbanding lurus
dengan gaya tegangan dawai (F). Ini berarti semakin tegang dawai atau senar maka semakin tinggi
frekuensi resonansi dawai tersebut. Sebaliknya, semakin kendur dawai atau senar maka semakin rendah
frekuensi resonansi dawai tersebut. Frekuensi resonansi dawai sama dengan frekuensi gelombang bunyi
atau nada musik yang dihasilkan ketika dawai tersebut bergetar. Jadi tidak perlu heran mengapa
frekuensi bunyi semakin meningkat ketika dawai atau senar semakin tegang…
Dari persamaan di atas tampak bahwa frekuensi resonansi dawai (f) berbanding terbalik dengan
panjang dawai atau senar (L). Ini artinya semakin panjang dawai atau senar maka frekuensi resonansi
yang dihasilkan semakin rendah. Sebaliknya semakin pendek dawai atau senar maka frekuensi
resonansi yang dihasilkan semakin tinggi. Ini alasan mengapa ketika kita meregangkan senar gitar,
frekuensi bunyi yang dihasilkan semakin kecil; sebaliknya ketika kita menegangkan senar gitar,
frekuensi bunyi yang dihasilkan semakin besar. Hal yang sama terjadi ketika kita menekan senar pada
grid. Ketika kita menekan senar gitar pada grid gitar, sebenarnya kita memendekkan senar tersebut
(memperkecil L) karenanya frekuensi bunyi yang dihasilkan semakin tinggi.
Selain berbanding terbalik dengan panjang dawai (L), frekuensi resonansi dawai (f) juga berbanding terbalik dengan massa per satuan panjang dawai (myu). Ini berarti semakin besar massa per satuan panjang dawai maka semakin kecil frekuensi resonansi yang dihasilkan oleh dawai tersebut. Massa per satuan panjang senar bass lebih besar dibandingkan dengan senar yang lain karenanya tidak perlu heran mengapa frekuensi resonansi atau frekuensi bunyi yang dihasilkan oleh senar bass lebih rendah di
GERAK HARMONIK
Setiap gerak yang terjadi secara berulang dalam selang waktu yang sama disebut gerak periodik. Karena gerak ini terjadi secara teratur maka disebut juga sebagai gerak harmonik/harmonis. Apabila suatu partikel melakukan gerak periodik pada lintasan yang sama maka geraknya disebut gerak osilasi/getaran. Bentuk yang sederhana dari gerak periodik adalah benda yang berosilasi pada ujung pegas. Karenanya kita menyebutnya gerak harmonis sederhana. Banyak jenis gerak lain (osilasi dawai, roda keseimbangan arloji, atom dalam molekul, dan sebagainya) yang mirip dengan jenis gerakan ini, sehingga pada kesempatan ini kita akan membahasnya secara mendetail.
Dalam kehidupan sehari-hari, gerak bolak balik benda yang bergetar terjadi tidak tepat sama karena pengaruh gaya gesekan. Ketika kita memainkan gitar, senar gitar tersebut akan berhenti bergetar apabila kita menghentikan petikan. Demikian juga bandul yang berhenti berayun jika tidak digerakan secara berulang. Hal ini disebabkan karena adanya gaya gesekan. Gaya gesekan menyebabkan benda-benda tersebut berhenti berosilasi. Jenis getaran seperti ini disebut getaran harmonik teredam. Walaupun kita tidak dapat menghindari gesekan, kita dapat meniadakan efek redaman dengan menambahkan energi ke dalam sistem yang berosilasi untuk mengisi kembali energi yang hilang akibat gesekan, salah satu contohnya adalah pegas dalam arloji yang sering kita pakai. Pada kesempatan ini kita hanya membahas gerak harmonik sederhana secara mendetail, karena dalam kehidupan sehari-hari terdapat banyak jenis gerak yang menyerupai sistem ini.
GERAK HARMONIS SEDERHANA
Gerak harmonis sederhana yang dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah getaran benda pada pegas dan getaran benda pada ayunan sederhana. Kita akan mempelajarinya satu persatu.
Gerak Harmonis Sederhana pada Ayunan
Ketika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan gaya maka benda akan diam di titik kesetimbangan B. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana.
Besaran fisika pada Gerak Harmonik Sederhana pada ayunan sederhana
Periode (T)
Benda yang bergerak harmonis sederhana pada ayunan sederhana memiliki periode alias waktu yang dibutuhkan benda untuk melakukan satu getaran secara lengkap. Benda melakukan getaran secara lengkap apabila benda mulai bergerak dari titik di mana benda tersebut dilepaskan dan kembali lagi ke titik tersebut.
Pada contoh di atas, benda mulai bergerak dari titik A lalu ke titik B, titik C dan kembali lagi ke B dan A. Urutannya adalah A-B-C-B-A. Seandainya benda dilepaskan dari titik C maka urutan gerakannya adalah C-B-A-B-C.
Jadi periode ayunan (T) adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu getaran (disebut satu getaran jika benda bergerak dari titik di mana benda tersebut mulai bergerak dan kembali lagi ke titik tersebut ). Satuan periode adalah sekon atau detik.
Frekuensi (f)
Selain periode, terdapat juga frekuensi alias banyaknya getaran yang dilakukan oleh benda selama satu detik. Yang dimaksudkan dengan getaran di sini adalah getaran lengkap. Satuan frekuensi adalah 1/sekon atau s-1. 1/sekon atau s-1 disebut juga hertz, menghargai seorang fisikawan. Hertz adalah nama seorang fisikawan tempo doeloe. Silahkan baca biografinya untuk mengenal almahrum eyang Hertz lebih dekat.
Hubungan antara Periode dan Frekuensi
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi selama satu detik/sekon. Dengan demikian selang
waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah :
Selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah periode. Dengan demikian, secara matematis hubungan antara periode dan frekuensi adalah sebagai berikut :
Amplitudo (f)
Pada ayunan sederhana, selain periode dan frekuensi, terdapat juga amplitudo. Amplitudo adalah perpindahan maksimum dari titik kesetimbangan. Pada contoh ayunan sederhana sesuai dengan gambar di atas, amplitudo getaran adalah jarak AB atau BC.
Gerak Harmonis Sederhana pada Pegas
Semua pegas memiliki panjang alami sebagaimana tampak pada gambar a. Ketika sebuah benda dihubungkan ke ujung sebuah pegas, maka pegas akan meregang (bertambah panjang) sejauh y. Pegas akan mencapai titik kesetimbangan jika tidak diberikan gaya luar (ditarik atau digoyang), sebagaimana tampak pada gambar B. Jika beban ditarik ke
bawah sejauh y1 dan dilepaskan (gambar c), benda akan akan bergerak ke B, ke D lalu kembali ke B dan C. Gerakannya terjadi secara berulang dan periodik. Sekarang mari kita tinjau hubungan antara gaya dan simpangan yang dialami pegas.
Kita tinjau pegas yang dipasang horisontal, di mana pada ujung pegas tersebut dikaitkan sebuah benda bermassa m. Massa benda kita abaikan, demikian juga dengan gaya gesekan, sehingga benda meluncur pada permukaan horisontal tanpa hambatan. Terlebih dahulu kita tetapkan arah positif ke kanan dan arah negatif ke kiri. Setiap pegas memiliki panjang alami, jika pada pegas tersebut tidak diberikan gaya. Pada kedaan ini, benda yang dikaitkan pada ujung pegas berada dalam posisi setimbang (lihat gambar a). Untuk semakin memudahkan pemahaman dirimu,sebaiknya dilakukan juga percobaan.
Apabila benda ditarik ke kanan sejauh +x (pegas diregangkan), pegas akan memberikan gaya pemulih pada benda tersebut yang arahnya ke kiri sehingga benda kembali ke posisi setimbangnya (gambar b).
Sebaliknya, jika benda ditarik ke kiri sejauh -x, pegas juga memberikan gaya pemulih untuk mengembalikan benda tersebut ke kanan sehingga benda kembali ke
posisi setimbang (gambar c). Besar gaya pemulih F ternyata berbanding lurus dengan simpangan x dari pegas yang direntangkan atau ditekan dari posisi setimbang (posisi setimbang ketika x = 0). Secara matematis ditulis :
F = -kx
Persamaan ini sering dikenal sebagai hukum hooke dan dicetuskan oleh paman Robert Hooke. k adalah konstanta dan x adalah simpangan. Hukum Hooke akurat jika pegas tidak ditekan sampai kumparan pegas bersentuhan atau diregangkan sampai batas elastisitas. Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya pemulih alias F mempunyai arah berlawanan dengan simpangan x. Ketika kita menarik pegas ke kanan maka x bernilai positif, tetapi arah F ke kiri (berlawanan arah dengan simpangan x). Sebaliknya jika pegas ditekan, x berarah ke kiri (negatif), sedangkan gaya F bekerja ke kanan. Jadi gaya F selalu bekeja berlawanan arah dengan arah simpangan x. k adalah konstanta pegas. Konstanta pegas berkaitan dengan kaku atau lembut sebuah pegas. Semakin besar konstanta pegas (semakin kaku sebuah pegas), semakin besar gaya yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan pegas. Sebaliknya semakin lembut sebuah pegas (semakin kecil konstanta pegas), semakin kecil gaya yang diperlukan untuk meregangkan pegas. Untuk meregangkan pegas sejauh x, kita akan memberikan gaya luar pada pegas, yang besarnya sama dengan F = +kx. Pegas dapat bergerak jika terlebih dahulu diberikan gaya luar. Amati bahwa besarnya gaya bergantung juga pada besar x (simpangan).
Sekarang mari kita tinjau lebih jauh apa yang terjadi jika pegas diregangkan sampai jarak x = A, kemudian dilepaskan (lihat gambar di bawah).
Setelah pegas diregangkan, pegas menarik benda kembali ke posisi setimbang (x=0). Ketika melewati posisi setimbang, benda bergerak dengan laju yang tinggi karena telah diberi percepatan oleh gaya pemulih pegas. Ketika bergerak pada posisi setimbang, gaya pegas = 0, tetapi laju benda maksimum.
Karena laju benda maksimum maka benda terus bergerak ke kiri. Gaya pemulih pegas kembali memperlambat gerakan benda sehingga laju benda perlahan-lahan menurun dan benda berhenti sejenak ketika berada pada x = -A. Pada titik ini, laju benda = 0, tetapi gaya pegas bernilai maksimum, di mana arahnya menuju ke kanan (menuju posisi setimbang).
Benda tersebut bergerak kembali ke kanan menuju titik setimbang karena ditarik oleh gaya pemulih pegas tadi. Gerakan benda ke kanan dan ke kiri berulang secara periodik dan simetris antara x = A dan x = -A.
Besaran fisika pada Gerak Harmonik Sederhana pada pegas pada dasarnya sama dengan ayunan sederhana, yakni terdapat periode, frekuensi dan amplitudo. Jarak x dari posisi setimbang disebut simpangan. Simpangan maksimum alias jarak terbesar dari titik setimbang disebut amplitudo (A). Satu getaran Gerak Harmonik Sederhana pada pegas adalah gerak bolak balik lengkap dari titik awal dan kembali ke titik yang sama. Misalnya jika benda diregangkan ke kanan, maka benda bergerak mulai dari titik x = 0, menuju titik x = A, kembali lagi ke titik x = 0, lalu bergerak menuju titik x = -A dan kembali ke titik x = 0 (bingung-kah ? ). Dipahami perlahan-lahan ya…
Bagaimana osilasi pada pegas yang digantungkan secara vertikal ?
Pada dasarnya osilasi alias getaran dari pegas yang digantungkan secara vertikal sama dengan getaran pegas yang diletakan horisontal. Bedanya, pegas yang digantungkan secara vertikal lebih panjang karena pengaruh gravitasi yang bekerja pada benda. Mari kita tinjau lebih jauh getaran pada pegas yang digantungkan secara vertikal…
Pada pegas yang kita letakan horisontal (mendatar), posisi benda disesuaikan dengan panjang pegas alami. Pegas akan meregang atau mengerut jika diberikan gaya luar (ditarik atau ditekan). Nah, pada pegas yang digantungkan vertikal, gravitasi bekerja pada benda bermassa yang dikaitkan pada ujung pegas. Akibatnya, walaupun tidak ditarik ke bawah, pegas dengan sendirinya meregang sejauh x0. Pada keadaan ini benda yang digantungkan pada pegas berada pada posisi setimbang.
Berdasarkan hukum II Newton, benda berada dalam keadaan setimbang jika gaya total = 0. Gaya yang bekerja pada benda yang digantung adalah gaya pegas (F0 = -kx0) yang arahnya ke atas dan gaya berat (w = mg) yang arahnya ke bawah. Total kedua gaya ini sama dengan nol.
Gurumuda tetap menggunakan lambang x agar anda bisa membandingkan dengan pegas yang diletakan horisontal. Dirimu dapat menggantikan x dengan y. Resultan gaya yang bekerja pada titik kesetimbangan = 0. Hal ini berarti benda diam alias tidak bergerak.
Jika kita meregangkan pegas (menarik pegas ke bawah) sejauh x, maka pada keadaan ini bekerja gaya pegas yang nilainya lebih besar dari pada gaya berat, sehingga benda tidak lagi berada pada setimbang (perhatikan gambar c di bawah) keadaan.
Total kedua gaya ini tidak sama dengan nol karena terdapat pertambahan jarak sejauh x; sehingga gaya pegas bernilai lebih besar dari gaya berat. Karena terdapat gaya pegas (gaya pemulih) yang berarah ke atas maka benda akan bergerak ke atas menuju titik setimbang. (sambil lihat gambar di bawah ya).
Pada titik setimbang, besar gaya total = 0, tetapi laju gerak benda bernilai maksimum (v maks), sehingga benda bergerak terus ke atas sejauh -x. Laju gerak benda perlahan-lahan menurun, sedangkan besar gaya pemulih meningkat dan mencapai nilai maksimum pada jarak -x. Setelah mencapai jarak -x, gaya pemulih pegas menggerakan benda kembali lagi ke posisi setimbang (lihat gambar di bawah). Demikian seterusnya. Benda akan bergerak ke bawah dan ke atas secara periodik. Dalam kenyataannya, pada suatu saat tertentu pegas tersebut berhenti bergerak karena adanya gaya gesekan udara.
Semua benda yang bergetar di mana gaya pemulih F berbanding lurus dengan negatif simpangan (F = -kx), maka benda tersebut dikatakan melakukan gerak harmonik sederhana (GHS) alias Osilator Harmonik Sederhana (OHS).
Contoh soal 1 :
Sebuah benda digantungkan pada sebuah tali yang digantung vertikal. Benda tersebut ditarik ke samping dan dilepaskan sehingga benda bergerak bolak balik di antara dua titik terpisah sejauh 20 cm. Setelah 20 detik dilepaskan, benda melakukan getaran sebanyak 40 kali. Hitunglah frekuensi, periode dan amplitudo getaran benda tersebut.
Panduan jawaban :
a) Frekuensi adalah banyaknya getaran yang dilakukan benda selama satu detik. Benda melakukan getaran sebanyak 40 kali selama 20 detik. Dengan demikian, selama 1 detik benda tersebut melakukan getaran sebanyak 2 kali (40 / 20).
b) Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran (T).
T = 1/f = ½ = 0,5 sekon
Jadi benda melakukan satu getaran selama 0,5 detik.
c) Amplitudo adalah simpangan maksimum diukur dari titik keseimbangan. Karena benda bergerak bolak balik alias melakukan getaran di antara dua titik terpisah sejauh 20 cm, maka amplitudo getaran benda adalah setengah dari lintasan yang dilalui benda tersebut. Dengan demikian, amplitudo = ½ (20 cm) = 10 cm
Contoh soal 2 :
Sebuah benda digantungkan pada sebuah pegas dan berada pada titik kesetimbangan. Benda tersebut ditarik ke bawah sejauh 5 cm dan dilepaskan. Jika benda melalui titik terendah sebanyak 10 kali selama 5 detik, tentukanlah frekuensi, periode dan amplitudo getaran benda tersebut.
Panduan jawaban :
a) Frekuensi
Frekuensi adalah banyaknya getaran yang dilakukan benda selama satu detik. Pada soal dikatakan bahwa benda tersebut melewati titik terendah sebanyak 10 kali selama 5 detik. Agar benda bisa melewati titik terendah maka benda tersebut pasti melakukan getaran (gerakan bolak balik dari titik terendah menuju titik tertinggi dan kembali lagi ke titik terendah). Karena benda melewati titik terendah sebanyak 10 kali selama 5 detik maka dapat dikatakan bahwa benda melakukan getaran sebanyak 10 kali selama 5 detik. Dengan demikian, selama 1 detik benda tersebut melakukan getaran sebanyak 2 kali (10 / 5).
b) Periode
Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran (T).
T = 1/f = ½ = 0,5 sekon
Jadi benda melakukan satu getaran selama 0,5 detik.
c) Amplitudo adalah simpangan maksimum diukur dari titik keseimbangan. Pada soal di atas, amplitudo getaran benda adalah 5 cm
Contoh soal 3 :
Sebuah sedan bermassa 1200 kg ditumpangi 3 orang yang memiliki massa total 200 kg. Pegas mobil tersebut tertekan sejauh 5 cm. Anggap saja percepatan gravitasi = 10 m/s2
Hitunglah :
a) konstanta pegas mobil tersebut
b) berapa jauh pegas sedan tersebut tertekan jika sedan dinaiki 4 orang dan bagasinya dipenuhi dengan muatan sehingga total massa adalah 300 kg ?
Panduan jawaban :
Pegas sedan mulai tertekan ketika dimuati beban bermassa 200 kg. Dengan demikian massa sedan tidak disertakan dalam perhitungan, karena ketika sedan tidak dimuati beban, pegas sedan berada pada posisi setimbang.
a) konstanta pegas
k = F/x = (200 kg)(10 m/s2) / (5 x 10-2 m) = …. lanjUtkaN!
b) apabila sedan dimuati beban bermassa 300 kg, maka
x = F/k = (300 kg)(10 m/s2) / (4 x 104 N/m) = ….lanjUtk
bandingkan senar yang lain.
Kerja, Suhu, Kalor, Sistem, Lingkungan, Energi
dalam
USAHA alias KERJA (W)
Sejauh ini kita sudah berkenalan dengan dua jenis gerakan, yakni gerak translasi (gerak lurus, gerak
parabola dkk) dan gerak rotasi. Dengan demikian,kita bisa mengelompokkan kerja menjadi dua bagian,
yakni kerja dalam gerak translasi dan kerja dalam gerak rotasi.
Kerja dalam gerak translasi
Dalam gerak translasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara perpindahan dengan komponen gaya
yang searah dengan perpindahan. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Keterangan :
W = Usaha alias kerja
F = gaya
s = perpindahan = perpindahan linear
Apabila benda yang dikenai gaya tidak mengalami perpindahan (s = 0), maka usaha alias kerja = 0.
Demikian juga, apabila arah gaya tegak lurus arah perpindahan (teta = 90o. Cos 90o = 0), maka usaha
alias kerja = 0.
Usaha hanya memiliki besar dan tidak mempunyai arah, karenanya termasuk besaran skalar. Walaupun
gaya dan perpindahan termasuk besaran vektor tetapi usaha merupakan besaran skalar karena
diperolehdari perkalian skalar. Pelajari lagi materi vektor dan skalar kalau dirimu bingung…
Kerja dalam gerak rotasi
Dalam gerak rotasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara torsi dengan perpindahan sudut. Secara
matematis bisa ditulis seperti ini :
Satuan Sistem Internasional (SI) untuk usaha alias kerja adalah newton meter (Nm). Satuan newton
meter dikenal dengan julukan Joule ( 1 Joule = 1 N.m).
Hubungan antara usaha dengan energi
Usaha alias kerja berkaitan erat dengan energi. Untuk memahami hal ini, gurumuda menggunakan
contoh saja… Misalnya dirimu mendorong sepeda motoryang lagi mogok… Sepeda motor bisa
bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa
bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias
kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu
kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi potensial kimia dalam tubuhmu
berkurang. Sebagian energi potensial kimia dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut.
Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energikinetik = EK = ½ mv 2. m = massa motor, v =
kecepatan motor). Kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha alias kerja pada motor,
energi dalam tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor.
Berdasarkan uraian singkat ini, bisa disimpulkan bahwa usaha alias kerja merupakan proses
perpindahan energi melalui cara-cara mekanis (mekanis berhubungan dengan gerak menggerak )…
SUHU (T)
Konsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa panas dan dingin yang dialami oleh indera
peraba kita. Berdasarkan apa yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda
lebih panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain. Ukuran panas atau
dinginnya suatu benda ini dikenal dengan julukan suhu alias temperatur. Benda yang terasa panas
biasanya memiliki suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki suhu yang
lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah suhunya. Sebaliknya, semakin panas suatu
benda, semakin tinggi suhunya. Btw, ukuran panas atau dinginnya suatu bendayang hanya didasarkan
pada sentuhan (indera peraba) ini sebenarnya tidak terlalu jelas. Panas yang dirasakan oleh setiap orang
bisa saja berbeda. Demikian juga, walaupun menyentuh benda yang sama, panas yang dirasakan oleh
bagian tubuh yang berbeda bisa saja berbeda.
Dalam pokok bahasan teori kinetik gas kita sudah mendefinisikan kembali makna suhu. Berdasarkan
sudut pandang mikroskopis, suhu sebenarnya merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata
molekul.
Satuan Sistem Internasional untuk suhu adalah Kelvin (K).
KALOR alias PANAS (Q)
Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda
yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda
yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air
dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika
campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Biasanya kalor mengalir dengan
sendirinyadari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung
menyamakan suhu benda yang bersentuhan.
Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis
fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair
dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir) . Fluida
tersebut dinamakan Caloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena
berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.
Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818-
1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan
menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.
Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu
putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu
sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil,
maka kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih
jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.
Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha
yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan
oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha
(W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m)
x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk
menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanyakita bisa mengatakan bahwa
kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar
kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang
dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).
Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak
memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari
kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi)
menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena ada aliran kalor dari api
menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat).
Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan
meningkatnya suhu air akibat adanya kerjayang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan
bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor
bukan suatu jenis energi tertentu). Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju
benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi
menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda-benda yang
bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di
atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda
yang lain akibat adanya perbedaan suhu.
Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk
menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. 1 kkal = 1 Kalori
(huruf K besar). Btw, kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk
kalor adalah Joule (J).
Berdasarkan penjelasan di atas, tampak bahwa kalor (Q) memiliki kemiripan dengan usaha alias kerja
(W). Kalor bisa diartikan sebagai perpindahan energi yang disebabkan oleh adanya perbedaan suhu,
sedangkan usaha alias kerja bisa diartikan sebagai perpindahan energi melalui cara-cara mekanis
(mekanis tuh berkaitan dengan gerak)…
SISTEM dan LINGKUNGAN
Dalam termodinamika, kita selalu menganalisis proses perpindahan energi dengan mengacu pada suatu
sistem. Sistem adalah sebuah benda atau sekumpulan benda yang hendak diteliti… Benda-benda
lainnya di alam semesta dinamakan lingkungan… Biasanya sistem dipisahkan dengan lingkungan
menggunakan “penyekat/pembatas/pemisah”. Untuk memudahkan pemahamanmu, gurumuda
menggunakan ilustrasi saja… tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…
Misalnya kita hendak menyelidiki air yang berada di dalam termos. Air yang ada di dalam termos
merupakan sistem, sedangkan udara dan benda-benda lainnya yang berada diluar termos merupakan
lingkungan… dinding termos, baik dinding kaca pada bagian dalam termos maupun dinding plastik
pada bagian luar termos berfungsi sebagai penyekat alias pemisah…
Terdapat beberapa jenis sistem, yakni sistem terbuka dan sistem tertutup. Sistem terbuka merupakan
sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan
lingkungan… Contoh sistem terbuka adalah tumbuh-tumbuhan, hewan dkk… Tumbuh-tumbuhan
biasanya menyerap air dan karbondioksida dari lingkungan (terjadi pertukaran materi). Tumbuhan juga
membutuhkan kalor yang dipancarkan matahari (terjadi pertukaran energi). Dirimu dan diriku juga
termasuk sistem terbuka… Masih banyak contoh lain…
Sebaliknya, sistem tertutup merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran materi
antara sistem tersebut dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak adanya
kemungkinan terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan
tidak terisolasi jika bisa terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan… Contoh sistem
tertutup yang terisolasi adalah termos air panas. Dinding bagian dalam dari termos air panas biasanya
terbuat dari bahan isolator (untuk kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas). Btw,
dalam kenyataannya memang banyak sistem terisolasi buatan yang tidak sangat ideal. Minimal ada
energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya sangat kecil.
ENERGI DALAM (U)
Energi dalam merupakan salah satu konsep paling penting dalam termodinamika. Kita bisa
mendefinisikan energi dalam dengan mengacu pada teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa
setiap zat terdiri dari atom atau molekul, di mana atom atau molekul tersebut bergerak terus menerus
secara sembarangan… Ketika bergerak, atom atau molekul pasti punya kecepatan. Atom atau molekul
juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul
mempunyai energi kinetik (EK). Kita bisa mengatakan bahwa energi dalam merupakan jumlah seluruh
energi kinetik atom atau molekul, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya
interaksi antara atom atau molekul…
Hukum pertama termodinamika
Proses Termodinamika
Dalam postingan sebelumnya, gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai Kalor
(Q), Kerja (W), Sistem dan Lingkungan. Sebaiknya pelajari terlebih dahulu materi sebelumnya, biar
dirimu nyambung dengan penjelasan gurumuda dalam pembahasan ini…
Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya
perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor merupakan
energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem
akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan
mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu
sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju sistem.
Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W)
berkaitan dengan perpindahan energiyang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan
dengan gerak)… Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan
sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja
terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.
Salah satu contoh sederhana berkaitan dengan perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang
melibatkan Kalor dan Kerja adalah proses pembuatan popcorn. Dirimu ngerti popcorn tidak ? biji
jagung yang ada bunganya Gurumuda kurang ngerti proses pembuatan popcorn secara mendetail.
Btw, garis besarnya seperti ini… Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah tertutup (panci atau
alat masak lainnya). Selanjutnya, wadah tertutup tersebut dipanasi dengan nyala api kompor. Adanya
tambahan kalor dari nyala api membuat bijipopcorn dalam panci kepanasan dan meletup. Ketika
meletup, biasanya biji popcorn berjingkrak-jingkrak dalam panci dan mendorong penutup panci. Gaya
dorong biji popcorn cukup besar sehingga kadang tutup panci bisa berguling ria… Untuk kasus ini, kita
bisa menganggap popcorn sebagai sistem, panci sebagai pembatas dan udara luar, nyala api dkk
sebagai lingkungan. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari lingkungan (nyala api)
menuju sistem (bijipopcorn). Adanya tambahan kalor menyebabkan sistem (biji popcorn) memuai dan
meletup sehingga mendorong penutup panci (si biji popcorn tadi melakukan kerja terhadap
lingkungan). Dalam proses ini, keadaan popcorn berubah. Keadaan popcorn berubah karena suhu,
tekanan dan volume popcorn berubah saat memuai dan meletup… meletupnya popcorn hanya
merupakan salah satu contoh perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem
dan lingkungan. Masih sangat banyak contoh lain, sebagiannya sudah gurumuda ulas pada bagian
pengantar… Perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan
lingkunganyang melibatkan Kalor dan Kerja, disebut sebagai proses termodinamika.
Energi dalam dan Hukum Pertama Termodinamika
Pada postingan sebelumnya, gurumuda sudah menjelaskan secara singkat mengenai energi dalam (U).
Energi dalam sistem merupakan jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah
seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul sistem. Kita berharap
bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam
sistem akan bertambah… Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan (sistem
melepaskan energi), energi dalam sistem akan berkurang…
Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam
sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – Kerja yang dilakukan oleh
sistem (sistem melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini :
Keterangan :
delta U = Perubahan energi dalam
Q = Kalor
W = Kerja
Persamaan ini berlaku untuk sistem tertutup (Sistem tertutup merupakan sistem yang hanya
memungkinkan pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan). Untuk sistem tertutup yang
terisolasi, tidak ada energi yang masuk atau keluar dari sistem, karenanya, perubahan energi dalam = 0.
Persamaan ini juga berlaku untuk sistem terbuka jika kita memperhitungkan perubahan energi dalam
sistem akibat adanya penambahan dan pengurangan jumlah zat (Sistem terbuka merupakan sistemyang
memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan).
Mengenai sistem terbuka dan tertutup telah gurumuda jelaskan pada postingan sebelumnya…
Hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan Hukum Kekekalan Energi dan ketepatannya
telah dibuktikan melalui banyak percobaan (seperti percobaan om Jimi Joule). Perlu diketahui bahwa
hukum ini dirumuskan pada abad kesembilan belas, setelah kalor dipahami sebagai energi yang
berpindah akibat adanya perbedaan suhu.
Energi dalam merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Besaran yang
menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara langsung. Yang
kita analisis dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika hanya perubahan energi dalam saja.
Perubahan energi dalam bisa diketahui akibat adanya energi yang ditambahkan pada sistem dan energi
yang dilepaskan sistem dalam bentuk kalor dan kerja. Jika besaran yang menyatakan keadaan
mikroskopis sistem (energi dalam) tidak bisa diketahui secara langsung, maka besaran yang
menyatakan keadaan makroskopis bisa diketahui secara langsung. Besaran yang menyatakan keadaan
makroskopis adalah suhu (T), tekanan (p), volume (V) dan massa (m) atau jumlah mol (n). Ingat ya,
Kalor dan Kerja hanya terlibat dalam proses perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Kalor
dan Kerja bukan merupakan besaranyang menyatakan keadaan sistem.
Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan Kerja (W)
Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan Hukum Pertama Termodinamika.
Kalor (Q) dalam persamaan di atas merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif),
sedangkan Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem (W positif).
Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan
pada sistem, maka W bernilai negatif. Pahami perlahan-lahan….
Contoh soal 1 :
Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem, sedangkan sistem melakukan kerja 1000
Joule, berapakah perubahan energi dalam sistem ?
Panduan jawaban :
Sistem mendapat tambahan kalor (sistem menerima energi) sebanyak 2000 Joule. Sistem juga
melakukan kerja (sistem melepaskan energi) 1000 Joule. Dengan demikian, perubahan energi sistem =
1000 Joule.
Contoh soal 2 :
Jika kalor sebanyak 2000 Joule meninggalkan sistem dan sistem melakukan kerja 1000 Joule,
berapakah perubahan energi dalam sistem ?
Panduan jawaban :
Ingat ya, jika kalor meninggalkan sistem, berarti Q bernilai negatif
Kalor meninggalkan sistem (sistem melepaskan energi) sebanyak 2000
Joule. Sistem juga melakukan kerja (sistem melepaskan energi) sebesar 1000 Joule. Dengan demikian,
energi dalam sistem berkurang sebanyak 3000 J.
Contoh soal 3 :
Jika kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem dan kerja 1000 Joule dilakukan pada sistem,
berapakah perubahan energi dalam sistem ?
Panduan jawaban :
Ingat ya, jika kerja dilakukan pada sistem, berarti W bernilai negatif
Sistem mendapat tambahan kalor (sistem menerima energi) sebanyak 2000 Joule dan kerja dilakukan
pada sistem (sistem menerima energi) 1000 Joule. Dengan demikian, energi dalam sistem bertambah
sebanyak = 3000 Joule.
Pahami perlahan-lahan ya. Jangan pake hafal, nanti dirimu cepat lupa…
Catatan :
Pertama, kebanyakan sistem yang kita analisis secara teoritis dalam pokok bahasan ini adalah gas. Kita
menggunakan gas, karena keadaan makroskopis gas (suhu, tekanan dan volume) lebih mudah
diketahui. Dalam menganalisis gas, kita tetap menganggap gas sebagai gas ideal. Tujuannya hanya
untuk mempermudah analisis saja. Kita tidak menggunakan gas riil karena pada tekanan yang cukup
besar, biasanya gas riil berperilaku menyimpang. Karenanya analisis kita menjadi lebih sulit…
Kedua, jika sistem yang kita analisis adalah gas ideal, maka energi dalam bisa dihitung menggunakan
persamaan yang menyatakan hubungan antara energi dalam gas ideal dengan suhu gas ideal : U = 3/2
nRT (persamaan energi dalam gas ideal monoatomik). Persamaan ini kita turunkan dari teori kinetik.
Penurunannya telah dibahas dalam materi Teori Kinetik Gas.
Sebaiknya pahami terlebih dahulu konsep-konsep dasar yang telah dijelaskan dalam Teori Kinetik Gas,
biar dirimu tidak kebingungan Download saja ebooknya.
Kerja yang dilakukan sistem selama perubahan volume
Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita tinjau kerja yang dilakukan sistem terhadap
lingkungan. Untuk menghitung besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem, kita tinjau gas ideal yang
berada dalam sebuah wadah yang ditutup dengan sebuah penghisap/piston. Penghisap bisa digerakkan
naik dan turun. Gambar ini disederhanakan menjad dua dimensi. Anggap saja gambar ini tiga dimensi.
Volume = panjang x lebar x tinggi…
Gas ideal diwakili oleh titik-titik yang terletak di dalam wadah. Alas wadah bersentuhan dengan sebuah
benda yang memiliki suhu yang lebih tinggi (mirip seperti air dalam panci yang dipanaskan di atas
nyala api). Benda bersuhu tinggi tidak disertakan dalam gambar , bayangkan saja dalam pikiran ya
Gas ideal dalam wadah merupakan sistem, sedangkan benda-benda lainnya yang berada di luar
wadah, termasuk benda bersuhu tinggi yang bersentuhan dengan alas wadah, merupakan lingkungan.
Karena suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor dengan sendirinya mengalir dari
lingkungan menuju sistem. Adanya sumbangan energi dari lingkungan menyebabkan energi dalam
sistem (gas ideal) bertambah. Energi dalam gas ideal berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT),
karenanya ketika energi dalam gas ideal bertambah, suhu gas ideal juga meningkat. Peningkatan suhu
gas ideal menyebabkan gas ideal memuai dan mendorong piston sejauh s. Ketika mendorong piston
sejauh s, sistem (gas ideal) melakukan kerja terhadap lingkungan (udara luar).
Pada mulanya tekanan sistem besar (P1) dan volume sistem kecil (V1). Tekanan berbanding terbalik
dengan volume (ingat lagi materi teori kinetik gas). Setelah kalor mengalir dari lingkungan menuju
sistem dan sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem bertambah (V2) dan tekanan
sistem berkurang (P2).
Besarnya kerja yang dilakukan sistem pada proses di atas adalah :
Kerja (W) = Gaya dorong (F) x perpindahan (s). Karena gaya dorong (F) = tekanan (P) x luas
permukaan (A) piston, maka persamaan Kerja bisa ditulis menjadi :
W = Fs —– F = PA
W = PAs —– As = V
W = PV
Perlu diketahui bahwa kerja yang dilakukan sistem terjadi selama perubahan volume. Karenanya, kerja
total yang dilakukan sistem bisa diperoleh dengan mengalikan perubahan tekanan dan perubahan
volume. Secara matematis ditulis seperti ini :
W = (tekanan akhir – tekanan awal)(volume akhir – volume awal)
W = (P2-P1)(V2-V1)
Catatan :
Pertama, perubahan volume sistem (gas ideal) pada proses di atas bisa diketahui dengan mudah.
Volume awal dan volume akhir sistem bisa diketahui dengan menghitung volume wadah. Dengan
demikian, untuk menghitung besarnya kerja (W) yang dilakukan oleh sistem, kita perlu mengetahui
bagaimana perubahan tekanan selama berlangsungnya proses.
Apabila tekanan (p) sistem berubah secara tidak teratur seiring terjadinya perubahan volume (V), maka
besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung menggunakan kalkulus. Kalau dirimu belum
terbiasa dengan kalkulus, ada alternatif lain yang bisa digunakan. Terlebih dahulu kita gambarkan
grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan dan volume. Besarnya kerja yang dilakukan oleh
sistem = luasan yang diarsir di bawah kurva p-V.
Grafik tekanan vs volume untuk perubahan tekanan yang terjadi secara tidak teratur
Mula-mula tekanan sistem = p1 (tekanan besar) dan
volume sistem = V1 (volume kecil). Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, tekanan
sistem berubah menjadi p2 (tekanan kecil) dan volume sistem berubah menjadi V2 (volume besar).
Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir. Bentuk kurva melengkung karena
tekanan sistem (gas ideal) berubah secara tidak teratur selama proses.
Apabila tekanan (p) sistem tidak berubah alias selalu konstan seiring terjadinya perubahan volume (V),
maka besarnya kerja yang dilakukan sistem bisa dihitung dengan mudah. Besarnya kerja yang
dilakukan sistem bisa dihitung menggunakan persamaan atau bisa diketahui melalui luasan yang diarsir
di bawah kurva P-V. Untuk kasus ini, persamaan kerja di atas bisa dimodifikasi seperti ini :
W = (P2-P1)(V2-V1)
Karena tekanan (p) selalu konstan, maka P2 = P1 = P
W = P(V2-V1)
Grafik tekanan vs volume untuk proses di mana tekanan selalu konstan alias tidak berubah :
Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil). Setelah sistem
melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume besar). Tekanan
sistem selalu konstan alias tidak berubah. Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang
diarsir.
Kedua, sistem melakukan kerja terhadap lingkungan apabila volume sistem bertambah. Demikian juga
sebaliknya, lingkungan melakukan kerja terhadap sistem apabila volume sistem berkurang. Jika volume
sistem tidak berubah selama proses maka sistem tidak bisa melakukan kerja terhadap lingkungan dan
lingkungan juga tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem. Dalam hal ini, kerja (W) = 0.
PENERAPAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
Pada Beberapa Proses Termodinamika
Sebelumnya kita sudah membahas Hukum Pertama Termodinamika dan menganalisis usaha yang
dilakukan oleh sistem. Kali ini kita mencoba meninjau beberapa penerapan Hukum Pertama
Termodinamika dalam empat proses termodinamika. Keempat proses termodinamika yang dimaksud
adalah proses isotermal, isokorik, isobarik dan adiabatik. Istilah aneh ini berasal dari bahasa yunani.
Isotermal = suhu yang sama atau suhu selalu konstan, isokorik = volume yang sama atau volume selalu
konstan, isobarik = tekanan yang sama atau tekanan selalu konstan. Jangan pake hafal…
Proses Isotermal (suhu selalu konstan)
Terlebih dahulu kita tinjau penerapan hukum pertama termodinamika pada proses isotermal. Dalam
proses Isotermal, suhu sistem dijaga agar selalu konstan… Sistem yang kita analisis secara teoritis
adalah gas ideal. Suhu gas ideal berbanding lurus dengan energi dalam gas ideal (U = 3/2 nRT). Karena
T tidak berubah maka U juga tidak berubah. Dengan demikian, jika diterapkan pada proses isotermal,
persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :
Dari hasil ini, kita bisa menyimpulkan bahwa
pada proses isotermal (suhu konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan sistem untuk
melakukan kerja (W).
Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isotermal digambarkan melalui grafik di bawah :
Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil) dan tekanan
sistem = P1 (tekanan besar). Agar suhu sistem selalu konstan maka setelah kalor ditambahkan pada
sistem, sistem memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan. Setelah sistem melakukan kerja
terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume sistem bertambah) dan tekanan
sistem berubah menjadi P2 (tekanan sistem berkurang). Bentuk grafik melengkung karena tekanan
sistem tidak berubah secara teratur selama proses. Besarnya kerja yang dilakukan sistem = luasan
yang diarsir.
Proses Adiabatik
Dalam proses adiabatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q =
0). Proses adiabatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Untuk sistem tertutup
yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir ke dalam sistem
atau meninggalkan sistem. Proses adiabatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi.
Untuk kasus ini, proses harus dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir
menuju sistem atau meninggalkan sistem.
Jika diterapkan pada proses adiabatik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk
seperti ini :
Apabila sistem ditekan dengan cepat (kerja dilakukan terhadap sistem), maka kerja bernilai negatif.
Karena W negatif, maka U bernilai positif (energi dalam sistem bertambah). Sebaliknya jika sistem
berekspansi atau memuai dengan cepat (sistem melakukan kerja), maka W bernilai positif. Karena W
positif, maka U bernilai negatif (energi dalam sistem berkurang).
Energi dalam sistem (gas ideal) berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya jika energi
dalam sistem bertambah maka sistem juga bertambah. Sebaliknya, jika energi dalam sistem berkurang
maka suhu sistem berkurang.
Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses adiabatik digambarkan melalui grafik di bawah :
Kurva adiabatik pada grafik ini (kurva 1-2) lebih curam daripada
kurva isotermal (kurva 1-3). Perbedaan kecuraman ini menunjukkan bahwa untuk kenaikan volume
yang sama, tekanan sistem berkurang lebih banyak pada proses adiabatik dibandingkan dengan proses
isotermal. Tekanan sistem berkurang lebih banyak pada proses adiabatik karena ketika terjadi
pemuaian adiabatik, suhu sistem juga berkurang. Suhu berbanding lurus dengan tekanan, karenanya
apabila suhu sistem berkurang, maka tekanan sistem juga berkurang. Sebaliknya pada proses isotermal,
suhu sistem selalu konstan. Dengan demikian pada proses isotermal suhu tidak ikut mempengaruhi
penurunan tekanan.
Salah satu contoh proses yang mendekati adiabatik terjadi pada mesin pembakaran dalam, misalnya
mesin diesel dan mesin motor yang pakai bensin. Pada mesin diesel, udara dimasukan ke dalam silinder
dan udara yang berada di dalam silinder ditekan dengan cepat menggunakan piston (kerja dilakukan
pada udara). Proses penekanan adiabatik (pengurangan volume sistem) digambarkan melalui kurva 2-
1. Karena ditekan dengan cepat secara adiabatik maka suhu udara naik dengan cepat. Pada saat yang
sama, solar disemprotkan ke dalam silinder lewat injektor dan campuran terpicu seketika (terjadi proses
pembakaran)… Pada mesin motor yang pakai bensin, campuran udara dan bensin dimasukkan ke
dalam silinder kemudian ditekan dengan cepat menggunakan piston. Karena ditekan dengan cepat
secara adiabatik maka suhunya naik dengan cepat. Pada saat yang sama, busi memercikan bunga api
sehingga terjadi proses pembakaran. Selengkapnya akan dibahas pada episode berikutnya…
Proses Isokorik (volume selalu konstan)
Dalam proses Isokorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume sistem selalu
konstan, maka sistem tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya,
lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem.
Jika diterapkan pada proses isokorik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk
seperti ini :
Dari hasil ini, kita bisa menyimpulkan
bahwa pada proses isokorik (volume konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan
untuk menaikkan energi dalam sistem.
Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isokorik digambarkan melalui grafik di bawah :
Mula-mula tekanan sistem = p1 (tekanan kecil). Adanya tambahan
kalor pada sistem menyebabkan energi dalam sistem bertambah. Karena energi dalam sistem
bertambah maka suhu sistem (gas ideal) meningkat (U = 3/2 nRT). Suhu berbanding lurus dengan
tekanan. Karenanya, jika suhu sistem meningkat, maka tekanan sistem bertambah (p2). Karena volume
sistem selalu konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan (tidak ada luasan yang diarsir).
Catatan :
Sebelumnya dikatakan bahwa dalam proses isokorik, sistem tidak bisa melakukan kerja terhadap
lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem. Hal ini
disebabkan karena pada proses isokorik, volume sistem selalu konstan alias tidak berubah. Btw,
terdapat jenis kerja tertentu yang tidak melibatkan perubahan volume. Jadi walaupun volume sistem
konstan alias tidak berubah, kerja masih bisa dilakukan terhadap sistem. Misalnya terdapat sebuah
kipas + baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang
disumbangkan baterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai 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, energi kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada
baterai tentu saja berkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi dalam udara. Contoh ini
hanya mau menunjukkan bahwa pada proses isokorik (volume selalu konstan), kerja masih bisa
dilakukan terhadap sistem (kerja yang tidak melibatkan perubahan volume).
Proses Isobarik (tekanan selalu konstan)
Dalam proses Isobarik, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan,
maka perubahan energi dalam (delta U), kalor (Q) dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada yang
bernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum pertama termodinamika tetap utuh seperti semula :
Perubahan tekanan dan volume gas pada proses isobarik digambarkan melalui
grafik di bawah :
Mula-mula volume sistem = V1 (volume kecil). Karena tekanan
dijaga agar selalu konstan maka setelah kalor ditambahkan pada sistem, sistem memuai dan melakukan
kerja terhadap lingkungan. Setelah melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah
menjadi V2 (volume sistem bertambah). Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang
diarsir.
Contoh soal 1 :
Kurva 1-2 pada dua diagram di bawah menunjukkan pemuaian gas (pertambahan volume gas) yang
terjadi secara adiabatik dan isotermal. Pada proses manakah kerja yang dilakukan oleh gas lebih kecil ?
Guampang sekali kali Kerja yang
dilakukan gas pada proses adiabatik lebih kecil daripada kerja yang dilakukan gas pada proses
isotermal. Luasan yang diarsir = kerja yang dilakukan gas selama proses pemuaian (pertambahan
volume gas). Luasan yang diarsir pada proses adiabatik lebih sedikit dibandingkan dengan luasan
yang diarsir pada proses isotermal.
Contoh soal 2 :
Serangkaian proses termodinamika ditunjukkan pada diagram di bawah… kurva a-b dan d-c = proses
isokorik (volume konstan). Kurva b-c dan a-d = proses isobarik (tekanan konstan). Pada proses a-b,
Kalor (Q) sebanyak 600 Joule ditambahkan ke sistem. Pada proses b-c, Kalor (Q) sebanyak 800 Joule
ditambahkan ke sistem. Tentukan :
a) Perubahan energi dalam pada proses a-b
b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c
c) Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c
P1 = 2 x 105 Pa = 2 x 105 N/m2
P2 = 4 x 105 Pa = 4 x 105 N/m2
V1 = 2 liter = 2 dm3 = 2 x 10-3 m3
V2 = 4 liter = 2 dm3 = 4 x 10-3 m3
Panduan jawaban :
Sambil lihat diagram ya…
a) Perubahan energi dalam pada proses a-b
Pada proses a-b, kalor sebanyak 600 J ditambahkan ke sistem. Proses a-b = proses isokorik (volume
konstan). Pada proses isokorik, penambahan kalor pada sistem hanya menaikkan energi dalam sistem.
Dengan demikian, perubahan energi dalam sistem setelah menerima sumbangan kalor :
b) Perubahan energi dalam pada proses a-b-c
Proses a-b = proses isokorik (volume konstan). Pada proses a-b, kalor sebanyak 600 J ditambahkan ke
sistem. Karena volume konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan oleh sistem.
Proses b-c = proses isobarik (tekanan konstan). Pada proses b-c, kalor (Q) sebanyak 800 Joule
ditambahkan ke sistem. Pada proses isobarik, sistem bisa melakukan kerja. Besarnya kerja yang
dilakukan sistem pada proses b-c (proses isobarik) adalah :
W = P(V2-V1) — tekanan konstan
W = P2 (V2-V1)
W = 4 x 105 N/m2 (4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3)
W = 4 x 105 N/m2 (2 x 10-3 m3)
W = 8 x 102 Joule
W = 800 Joule
Kalor total yang ditambahkan ke sistem pada proses a-b-c adalah :
Q total = Qab + Qbc
Q total = 600 J + 800 J
Q total = 1400 Joule
Kerja total yang dilakukan oleh sistem pada proses a-b-c adalah :
W total = Wab + Wbc
W total = 0 + Wbc
W total = 0 + 800 Joule
W total = 800 Joule
Perubahan energi dalam sistem pada proses a-b-c adalah :
Perubahan energi dalam pada proses a-b-c = 600 J
c) Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c
Kalor total yang ditambahkan pada sistem bisa diketahui melalui persamaan di bawah :
Kalor total yang ditambahkan pada proses a-d-c = perubahan energi dalam
pada proses a-d-c + kerja total yang dilakukan pada proses a-d-c
Sebelum melanjutkan acara pengoprekan, baca terlebih dahulu pesan-pesan berikut ini
Kalor dan kerja terlibat dalam perpindahan energi antara sistem dengan lingkungan, sedangkan
perubahan energi dalam merupakan korban dari adanya perpindahan energi antara sistem dan
lingkungan. Karenanya perubahan energi dalam tidak bergantung pada proses perpindahan energi.
Sebaliknya, kalor dan kerja sangat bergantung pada proses. Pada proses isokorik (volume sistem
konstan), perpindahan energi hanya dalam bentuk kalor saja, sedangkan kerja tidak. Pada proses
isobarik (tekanan konstan), perpindahan energi melibatkan kalor dan kerja…
Walaupun tidak bergantung pada proses, perubahan energi dalam bergantung pada keadaan awal dan
keadaan akhir sistem. Apabila keadaan awal dan keadaan akhir sama maka perubahan energi dalam
juga selalu sama, walaupun proses yang ditempuh berbeda-beda. Keadaan awal dan keadaan akhir
untuk proses a-b-c pada grafik di atas = keadaan awal dan keadaan akhir proses a-d-c. Sambil lihat
grafik ya… Dengan demikian, perubahan energi dalam pada proses a-d-c = 600 J
Perubahan energi dalam sudah beres. Sekarang giliran kerja yang dilakukan sistem…
Kerja (W) total yang dilakukan pada proses a-d-c = W pada proses a-d + W pada proses d-c
Proses a-d merupakan proses isobarik (tekanan konstan), sedangkan proses d-c merupakan proses
isokorik (volume konstan). Karena volume konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan pada proses d-
c. Terlebih dahulu kita hitung kerja yang dilakukan pada proses a-d. Sambil lihat grafik ya, biar dirimu
tidak pake bingung….
Wad = P(V2-V1) — tekanan konstan
Wad = P1 (V2-V1)
Wad = 2 x 105 N/m2 (4 x 10-3 m3 - 2 x 10-3 m3)
Wad = 2 x 105 N/m2 (2 x 10-3 m3)
Wad = 4 x 102 Joule
Wad = 400 Joule
W total = W pada proses a-d + W pada proses d-c
W total = 400 Joule + 0
W total = 400 Joule
Dengan demikian, banyaknya kalor yang ditambahkan pada proses a-d-c adalah :
Contoh soal 3 :
1 liter air berubah menjadi 1671 liter uap ketika dididihkan pada tekanan 1 atm. Tentukan perubahan
energi dalam dan besarnya kerja yang dilakukan air ketika menguap… (Kalor penguapan air = LV =
22,6 x 105 J/Kg)
Panduan jawaban :
Massa jenis air = 1000 Kg/m3
LV = 22,6 x 105 J/Kg
P = 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 105 N/m2
V1 = 1 liter = 1 dm3 = 1 x 10-3 m3 (Volume air)
V2 = 1671 liter = 1671 dm3 = 1671 x 10-3 m3 (Volume uap)
a) Perubahan energi dalam
Perubahan energi dalam = Kalor yang ditambahkan pada air – Kerja yang dilakukan air ketika
menguap.
Terlebih dahulu kita hitung Kalor (Q) yang ditambahkan pada air…
Q = mLV
Massa (m) air berapa ?
Massa jenis air = massa air / volume air
Massa air (m) = (massa jenis air)(volume air)
Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(1 x 10-3 m3)
Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(0,001 m3)
Massa air (m) = 1 Kg
Q = (1 Kg)(22,6 x 105 J/Kg)
Q = 22,6 x 105 J
Sekarang kita hitung Kerja (W) yang dilakukan oleh air ketika menguap. Ingat ya, pendidihan air
terjadi pada tekanan tetap (proses isobarik).
W = p (V2 – V1)
W = 1,013 x 105 N/m2 (1671 x 10-3 m3 – 1 x 10-3 m3)
W = 1,013 x 105 N/m2 (1670 x 10-3 m3)
W = 1691,71 x 102 Joule
W = 1,7 x 105 Joule
Perubahan energi dalam air :
21 x 105 J kalor yang ditambahkan pada air digunakan untuk
menaikkan energi dalam (mengatasi gaya tarik antara molekul yang menjaga agar air tetap cair).
Dengan kata lain, 21 x 105 J digunakan untuk mengubah air menjadi uap. Ketika air suah menjadi uap,
1,7 x 105 J yang tersisa dipakai untuk melakukan kerja…
Hukum Pertama Termodinamika pada manusia
Kita bisa menerapkan hukum pertama termodinamika pada manusia :
Agar bisa bertahan hidup, setiap makhluk hidup, baik manusia, hewan atau tumbuhan tentu saja
membutuhkan energi. Kita tidak bisa belajar, jalan-jalan atau pacaran kalau tubuh kita lemas tak
berdaya karena kekurangan energi. Biasanya tubuh memperoleh energi dari makanan. Ketika
menyantap makanan, kita membawa energi potensial kimia yang terkandung dalam makanan ke dalam
tubuh. Adanya tambahan energi dari makanan menyebabkan energi potensial kimia dalam tubuh kita
bertambah (delta U bertambah)…
Selanjutnya energi tersebut dipakai untuk melakukan Kerja (W). Banyak sekali bentuk kerja yang kita
lakukan… Pacaran, jalan-jalan, berlari mengejar tikus dkk…. Energi yang kita peroleh dari makanan
juga digunakan tubuh untuk menghasilkan sel-sel yang baru, menggantikan sel-sel lama yang rusak…
Adanya sel-sel yang baru membuat dirimu bisa bertambah panjang , gendut…. Piss…
Selain dipakai untuk melakukan kerja, sebagian energi dibuang ke luar tubuh (udara dan sekitarnya)
dalam bentuk kalor alias panas. Setiap proses metabolisme dalam tubuh biasanya menghasilkan kalor
atau panas. Demikian juga ketika dirimu dan diriku melakukan kerja, tubuh pun terasa panas… Panas
alias kalor tersebut dibuang melalui keringat (melalui poses penguapan) dkk…
Setelah melakukan kerja dan membuang-buang kalor ke luar tubuh, dirimu dan diriku pun merasa lapar
lagi. Ketika merasa lapar, tubuh memberi tahu kita bahwa stok energi dalam berkurang. Segera
ditambahkan secepatnya… Makanan dan minuman pun langsung disikat… energi dalam tubuh
bertambah lagi. Pacaran pun jalan terus, belajarnya nanti saja, biar dapat nilai merah terus
Sekian dan sampai jumpa lagi di episode berikutnya… cerita bersambungnya gak pernah habis-habis
Hukum pertama termodinamika : pernyataan
kekekalan energi
Bentuk-bentuk energi
Dalam kehidupan kita sehari-hari terdapat banyak bentuk energi. Pada pokok bahasan usaha dan
energi, kita sudah berkenalan dengan dua bentuk energi mekanik, yakni energi potensial (potensial =
tersimpan) dan energi kinetik (kinetik = gerak). Energi potensial terdiri dari beberapa jenis, di
antaranya adalah EP gravitasi, EP elastis dan EP magnet. Energi kinetik terdiri dari dua jenis, yakni
energi kinetik translasi dan energi kinetik rotasi.
Buah mangga yang lezat dan ranum memiliki energi potensial gravitasi ketika sedang menggelayut
pada tangkainya. Demikian juga ketika dirimu berada pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah,
misalnya di atap rumah . Energi potensial gravitasi dimiliki benda karena posisi relatifnya terhadap
bumi. Karet ketapel yang kita regangkan memiliki energi potensial elastis. Karet ketapel dapat
melontarkan batu karena adanya energi potensial elastis pada karet yang diregangkan. Demikian juga
busur yang ditarik oleh pemanah dapat menggerakan anak panah, karena terdapat energi potensial
elastis pada busur yang diregangkan. Benda yang berada di dekatmagnet memiliki energi potensial
magnet. Ketika kita melepaskan benda yang kita pegang (paku, misalnya), dalam waktu singkat paku
akan bergerak menuju magnet.
Selain energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki materi yang berukuran besar dan sering kita
lihat dalam kehidupan sehari-hari, terdapat juga bentuk energi yang lain. Ada energi listrik, energi
nuklir, energi kimia, etc… setelah muncul teorikinetik, dikatakan bahwa energi dalam bentuk lain
tersebut (energi listrik, energi kimia, dkk) merupakan energi kinetik atau energi potensial pada tingkat
atom atau molekul. Energi kimia yang tersimpan dalam makanan dan bahan bakar dianggap sebagai
energi potensial yang tersimpan dalam molekul, akibat adanya gaya listrik antara atom penyusun
molekul (disebut juga sebagai ikatan kimia). Energi listrik, energi magnetik, energi nuklir juga dapat
diangap sebagai energikinetik atau energi potensial dalam skala atomik. Mengenai hal ini akan dibahas
secara lengkap dalam episode berikutnya…
Perubahan bentuk energi
Perlu diketahui bahwa energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Pada tingkat makroskopis,
kita bisa menemukan begitu banyak contoh perubahan bentuk energi. Buah mangga yang menggelayut
di tangkainya memiliki energi potensial gravitasi. Pada saat buah mangga jatuh ke tanah, energi
potensialnya berkurang sepanjang lintasan geraknya menuju tanah. Ketika mulai jatuh, energi potensial
berkurang karena jarak vertikal buah manggadari tanah makin kecil. EP tersebut berubah bentuk
menjadi energi kinetik translasi karena kecepatan buah mangga bertambah akibat percepatan gravitasi
yang bernilai konstan. Energi potensial elastis yang tersimpan pada ketapel yang diregangkan dapat
berubah menjadi energikinetik translasi batu apabila ketapel kita lepas… busur yang melengkung juga
memiliki energi potensial elastis. Energi potensial elastis pada busur yang melengkung dapat berubah
menjadi energikinetik translasi anak panah. Pada tingkat mikroskopis, kita juga bisa menemukan
contoh perubahan bentuk energi. Ketika dirimu menyalakan lampu neon, pada saat yang sama terjadi
perubahan energi listrik menjadi energi cahaya. Contoh lain adalah perubahan energi listrik menjadi
energi gerak (kipas angin) dll. Proses perubahan bentuk energi listrik ini sebenarnya disebabkan oleh
adanya perubahan antara energi potensial dan energikinetik pada tingkat atom atau molekul.
Perubahan bentuk energi biasanya
melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lain
Perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya.
Busur yang melengkung memiliki energi potensial elastis. Ketika busur dilepaskan, energi potensial
elastis busur berubah bentuk menjadi energikinetik translasi anak panah. Pada saat yang sama, energi
berpindah dari busur menuju anak panah. Ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok,
energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi sepeda motor.
Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju sepeda motor. Air di bagian atas
bendungan memiliki energi potensial gravitasi. Ketika si air jatuh, energi potensial gravitasi air berubah
menjadi energikinetik translasi air. Selanjutnya air yang jatuh tadi menggerakan turbin. Ketika si air
menggerakan turbin, energi kinetik translasi air berubah menjadi energi kinetik rotasi turbin. Pada saat
yang sama, energi berpindah dari air menuju turbin.
Kerja selalu dilakukan ketika terjadi perpindahan energi
Pada masing-masing contoh yang telah gurumuda ulas sebelumnya, tampak bahwa perpindahan energi
selalu disertai dengan adanya usaha alias kerja (Work). Ketika energi berpindahdari busur menuju anak
panah, si busur melakukan kerja pada anak panah. Ketika energi berpindah dari dirimu menuju sepeda
motor, dirimu melakukan kerja pada sepeda motor. Ketika energi berpindah dari air menuju turbin, air
melakukan kerja pada turbin. Seandainya tidak ada kerja yang dilakukan, tidak mungkin anak panah
bergerak ketika busur dilepaskan, sepeda motor butut yang lagi mogok juga tidak mungkin bergerak
ketika didorong. Demikian juga dengan turbin. Tapi kenyataannya anak panah, sepeda motor mogok
dan turbin bergerak.Dari kenyataan ini, bisa disimpulkan bahwa usaha alias kerja (W) selalu dilakukan
ketika energi berpindah dari satu benda ke benda yang lainnya.
Walaupun sudah mengetahui dan meyadari sepenuh hati bahwa si energi selalu berubah bentuk dan
bergentayangan dari satu benda ke benda yang lain, tetapi om-om ilmuwan belum bisa menyimpulkan
bahwa energi itu kekal. Mereka macet ketika berhadapan dengan kalor alias panas. Biasanya kalor alias
panas selalu muncul akibat adanya gesekan… Misalnya dirimu mendorong sebuah balok yang berada
di atas lantai. Ketika mendorong balok, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi
energikinetik translasi balok. Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju balok. Ketika
energi berpindah dari dirimu menuju balok, dirimu melakukan kerja pada balok (W = Fs). Tentu saja si
balok bergerak… Nah, setelah bergerak, balok biasanya berhenti… Balok berhenti akibat adanya gaya
gesekan. Di mana ada gesekan, di situ ada kalor alias panas… coba gosokan/gesekan kedua telapak
tanganmu. Kedua telapak tanganmu terasa panas khan ? hal yang sama terjadi pada balok. Permukaan
lantai dan alas balok menjadi panas akibat adanya gesekan. Gesekan ini yang bikin si balok berhenti
jalan-jalan. Gaya gesekan disebut juga sebagai gaya disipatif, karena gaya gesekan memperkecil atau
melenyapkan energi mekanik total (energi mekanik = energi potensial + energikinetik). Untuk kasus
ini, gaya gesekan melenyapkan energi kinetik translasi balok. Energi kinetik balok berasal dari energi
potensial kimia.
Kalau balok berhenti bergerak (v = 0), berarti energi kinetiknya lenyap dunk (EK = ½ mv 2 = 0). Energi
kinetik translasi tadi kabur ke mana ? Kesimpulan sementara : energi tidak kekal.
Kalor alias panas = ?
Perlu diketahui bahwa sebelum abad kesembilan belas, tidak seorang ilmuwan pun yang tahu kalor
alias panas itu sebenarnya apa… Seperti biasa, di mana ada kebuntuan dalam ilmu fisika, di situ
muncul teori baru. Muncul sebuah teori yang mengatakan bahwa kalor alias panas itu sejenis zat
tertentu (zat tersebut dijuluki caloric). Btw, keberadaan zat yang punya nama samaran caloric ini tidak
bisa dibuktikan. Mulai akhir tahun 1830 (abad kesembilan belas), om James Joule (1818-1889) dan
teman-temannya dalam pasukan ilmuwan kelas kakap mulai memainkan alat peraganya Berdasarkan
eksperimen yang dilakukannya, om Jimi menemukan bahwa energi kinetik yang hilang selalu sama
dengan kalor alias panas yang dihasilkan. Kalor maupun energi kinetik tidak ada yang bersifat kekal
secara terpisah. Yang selalu kekal adalah jumlah total energi kinetik dan kalor… Salah satu eksperimen
yang dilakukan oleh om Jimi Joule sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan sebelumnya.
Berdasarkan hasil eksperimen yang diperolehnya, om Jimi Joule membuat perbandingan dengan
perpindahan kalor yang biasa terjadi antara benda bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda bersuhu
rendah (benda dingin). Om Jimi Joule kemudian menyimpulkan bahwa kalor alias panas merupakan
energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Ini adalah pengertian kalor dari sudut pandang
makroskopis. Dari sudut pandang mikroskopis, kita bisa menjelaskan kalor menggunakan teori kinetik.
Dalam pokok bahasan teori kinetik gas, kita belajar bahwa suhu suatu benda merupakan ukuran dari
energi kinetik molekul-molekul penyusun benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda, semakin besar
energi kinetik molekul-molekul penyusun benda. Energi kinetik berkaitan dengan kecepatan gerak.
Semakin besar energi kinetik (EK besar) molekul-molekul, semakin besar kecepatan gerak (v besar)
molekul-molekul. Nah, apabila kita menyentuhkan benda yang bersuhu tinggi (benda panas) dengan
benda yang bersuhu rendah (benda dingin), secara otomatis kalor mengalir dari benda yang bersuhu
tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Adanya tambahan kalor menyebabkan benda yang dingin
bertambah panas… Ketika bertambah panas (suhu benda meningkat), energi kinetik molekul-molekul
penyusun benda tentu saja semakin besar (kecepatan gerak molekul makin besar). Dengan demikian,
kita bisa menyimpulkan bahwa kalor alias panas sebenarnya merupakan energi kinetik molekul-
molekul yang bergerak cepat…
Setelah mengetahui bahwa kalor alias panas merupakan energi yang berpindah akibat adanya
perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor merupakan energi kinetik molekul-molekul yang
bergerak cepat (pengertian mikroskopis), akhirnya para ilmuwan dengan penuh semangat merumuskan
hukum kekekalan energi.
Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, berpindah dari satu benda ke benda yang lain,
tetapi energi total tidak pernah berkurang atau bertambah. Istilah gaulnya, energi selalu kekal… Ini
adalah pernyataan hukum kekekalan energi. Jangan pake hafal…
Terus hubungannya sama hukum pertama termodinamika gmn sich ? hubungan mereka baik2 saja…
hiks2…
Sebelumnya sudah dijelaskan bahwa perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi
dari satu benda ke benda lainnya. Setiap perpindahan energi selalu disertai dengan adanya usaha alias
kerja (Work). Dari hasil eksperimen dan analisis para ilmuwan, diketahui bahwa kalor sebenarnya
merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor
merupakan energi kinetik molekul-molekul yang bergerak cepat (pengertian mikroskopis). Kita bisa
mengatakan bahwa kerja (W) dan kalor (Q) terlibat dalam perpindahan energi. Hukum pertama
termodinamika yang sudah kita pelajari dalam pokok bahasan sebelumnya merupakan hukum yang
menjelaskan perpindahan energi yang melibatkan kalor dan kerja. Ingat ya, kalor dan kerja bukan suatu
bentuk energi. Kalor dan kerja hanya terlibat dalam perpindahan energi antara benda dengan benda,
antara benda dengan makhluk hidup atau antara makhluk hidup dengan makhluk hidup…
Dalam hukum pertama termodinamika, kita berkenalan dengan sebuah besaran baru, yakni energi
dalam (U). Energi dalam merupakan jumlah total energi kinetik molekul-molekul dan energi potensial
yang timbul akibat adanya interaksi antara atom-atom penyusun molekul atau interaksi antara molekul-
molekul penyusun suatu benda atau makhluk hidup… Setiap benda tersusun dari atom-atom atau
molekul-molekul. Dengan demikian, setiap benda yang ada di alam semesta ini pasti punya energi
dalam. Setiap proses perpindahan energi yang melibatkan Kalor dan Kerja akan mengakibatkan
perubahan energi dalam. Hal ini yang kita bahas dalam hukum pertama termodinamika. Jadi dirimu
jangan pake heran kalau ada orang yang mengatakan bahwa hukum pertama termodinamika = hukum
kekekalan energi. Mudah-mudahan penjelasan panjang pendek dan bertele-tele sebelumnya
membantumu memahami hal ini… Jika bingung berlanjut, silahkan hubungi dokter terjauh
Perlu diketahui bahwa istilah sistem dan lingkungan yang kita pakai dalam termodinamika sebenarnya
hanya membantu analisa kita saja… Pada dasarnya energi berpindah dari satu benda ke benda lain, dari
satu makhluk hidup ke makhluk hidup lain. Tapi alangkah baiknya jika kita batasi saja hal-hal yang
mau kita selidiki dan hal-hal lain yang tidak kita selidiki. Kita menyebut benda-benda yang diselidiki
sebagai sistem, sedangkan benda yang lain kita beri julukan lingkungan… Sekian dan sampai jumpa
lagi pada episode berikutnya…
Hukum kedua termodinamika (Pernyataan
MESIN KALOR (heat engine)
Pada dasarnya setiap manusia, baik diriku, dirimu dan dirinya menginginkan kehidupan yang lebih
nyaman dan mudah. Untuk melakukan kerja, biasanya kita memanfaatkan kekuatan otot. Btw, kekuatan
otot kita sangat terbatas, karenanya kita ingin membuat alat yang bisa menggantikan atau mengurangi
beban kerja otot. Misalnya dirimu sekarang tinggal di jakarta. Waktu liburan, dirimu ingin jalan-jalan
ke surabaya… Apakah dirimu bisa jalan kakidari jakarta menuju surabaya ? bisa si bisa, tapi kakimu
akan kejang-kejang di sepanjang jalan Sudah gitu, berbulan-bulan baru dirimu tiba di surabaya.
Syukur kalau tiba dengan selamat. Perjalanan yang jauh bisa ditempuh dengan mudah jika kita bisa
membuat alat transportasi alias kendaraan. Kendaraan bisa bergerak kalau ada energi kinetik. Btw,
kendaraan tidak mungkin bergerak dengan sendirinya karena tiba-tiba ia punya energi kinetik.
Contohnya batu. Batu tidak bisa bergerak dengan sendirinya karena tiba-tiba saja ia punya energi
kinetik. Batu bisa bergerak kalau dirimu lempar. Ketika melempar batu, energi potensial kimia dalam
tubuhmu berubah menjadi energi kinetik batu. Anak panah tidak mungkin tiba-tiba saja bergerak
dengan sendirinya karena ia punya energi kinetik. Anak panah bisa bergerak karena tarikan busur
dilepas. Ketika tarikan busur dilepas, energi potensial elastis busur berubah menjadi energi kinetik anak
panah. Energi potensial elastis busur berasaldari energi potensial kimia orang yang memanah…
Demikian halnya dengan kendaraan yang selalu kita gunakan, seperti mobil, sepeda motor, pesawat,
bajaj, kereta api… Agar bisa bergerak maka kendaraan harus punya energi kinetik. Nah, energi kinetik
kendaraan tidak mungkin muncul dengan sendirinya…Kita membutuhkan energi lain yang bisa diubah
menjadi energi kinetik kendaraan. Ini hanya salah satu contoh saja…
Hampir semua energi yang kita gunakan berasal dari energi potensial kimia yang terkandung dalam
minyak bumi, gas, batu bara. Btw, energi potensial kimia yang terkandung dalam minyak bumi, gas
atau batu bara tidak bisa langsung digunakan. Minyak bumi, gas atau batu bara harus dibakar terlebih
dahulu… Karena harus pake bakar segala, maka minyak bumi dkk biasa disebut sebagai bahan bakar.
Lebih tepatnya bahan bakar fosil karena minyak bumi, gas dan batu bara berasal dari fosil makhluk
hidup, baik tumbuhan atau hewan yang sudah mati dan membusuk dalam perut bumi selama beribu-
ribu atau berjuta-juta tahun. Hewan atau tumbuhan punya energi potensial kimia juga. Setelah mati dan
mengendap selama ribuan atau jutaan tahun, energi potensial kimia hewan atau tumbuhan berubah
menjadi energi potensial kimia bahan bakar fosil…
Biasanya hasil pembakaran bahan bakar fosil (minyak bumi, gas dan batu bara) menghasilkan kalor
alias panas… Kalor bisa kita gunakan secara langsung untuk memasak makanan, memanaskan
ruangan. Untuk menggerakan sesuatu (misalnya menggerakkan kendaraan), kita harus mengubah kalor
menjadi energi kinetik atau energi mekanik (energi mekanik = energi potensial + energi kinetik).
Mengubah energi mekanik menjadi kalor adalah pekerjaan yang sangat mudah, tetapi mengubah kalor
menjadi energi mekanik adalah pekerjaan sulit. Coba gosokan kedua telapak tanganmu… telapak
tanganmu kepanasan khan ? Ketika kita menggosok kedua telapak tangan (kita melakukan usaha alias
kerja), energi mekanik berubah menjadi kalor. Prosesnya sangat mudah… Bahkan kalor yang tak
terbatas bisa dihasilkan dengan melakukan kerja. Tapi proses sebaliknya, yakni memanfaatkan kalor
untuk melakukan kerja adalah pekerjaan yang sulit.
Alat yang digunakan untuk memanfaatkan kalor untuk melakukan kerja baru ditemukan pada tahun
1700. Alat yang dimaksud adalah mesin uap. Mesin uap pertama kali digunakan untuk memompa air
keluar dari tambang batu bara. Perlu diketahui bahwa penggunaan mesin uap pertama terjadi sebelum
para ilmuwan mengetahui bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya
perbedaan suhu (hukum pertama termodinamika belum dirumuskan). Penggunaan mesin uap waktu itu
mungkin didasarkan pada pengalaman sehari-hari yang menunjukkan bahwa uap bisa menggerakkan
sesuatu (misalnya uap air menendang-nendang tutup panci). Mesin uap termasuk mesin kalor (mesin
kalor = alat yang mengubah kalor menjadi energi mekanik). Sekarang mesin uap digunakan untuk
membangkitkan energi listrik… Mesin kalor modern adalah mesin pembakaran dalam (mesin mobil,
mesin sepeda motor dkk).
Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah menjadi energi
mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu
rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan
untuk melakukan kerja), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan
bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram di bawah…
Amati diagram di atas… Suhu tinggi (TH) dan suhu rendah (TL) dikenal
juga dengan julukan suhu operasi mesin (suhu = temperatur). Kalor yang mengalir dari tempat bersuhu
tinggi diberi simbol QH, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu rendah diberi simbol QL.
Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, sebagian QH diubah
menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai QL.
Sebenarnya kita sangat mengharapkan bahwa semua QH bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman
sehari-hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang.
Dengan demikian, berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa QH = W + QL.
Sekarang mari kita tinjau mesin kalor yang biasa digunakan untuk mengubah kalor menjadi energi
mekanik. Perlu diketahui bahwa kita hanya meninjau mesin kalor yang melakukan kerja secara terus
menerus. Agar kerja bisa dilakukan secara terus menerus maka kalor harus mengalir secara terus
menerus dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Jika kalor hanya mengalir sekali
saja maka kerja yang dilakukan mesin kalor juga hanya sekali saja (energi mekanik yang dihasilkan
sangat sedikit). Dengan demikian mesin kalor tersebut tidak bisa kita manfaatkan secara optimal.
Mesin kalor bisa dimanfaatkan secara optimal jika ia melakukan kerja secara terus menerus. Dengan
kata lain, stok energi mekanik yang dihasilkan mesin kalor cukup banyak sehingga bisa kita gunakan
untuk menggerakkan sesuatu. Daripada kelamaan dan jadi basi, lebih baik kita langsung menuju ke
sasaran… Sekarang siapkan sapu tangan atau sapi kaki sebanyak-banyaknya sebelum si mesin kalor
bikin dirimu kepanasan Terlebih dahulu kita tinjau mesin uap. Mesin pembakaran dalam akan
dibahas kemudian…
Mesin Uap
Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja
mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin
uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni
menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi
nuklir.
Mesin uap tipe bolak balik
Tataplah gambar kusam di bawah dengan penuh kelembutan…
Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan pada tekanan yang
tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi (ingat pembahasan mengenai
pendidihan – Teori kinetik gas). Biasanya air mendidih (air mendidih = air berubah menjadi uap)
sekitar suhu 500 oC. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar
tekanan uap. Uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan
dan memuai terhadap piston. Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston meluncur ke
kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor alias panas pada uap berubah menjadi energi kinetik (uap
melakukan kerja terhadap piston — W = Fs). Pada saat piston bergerak ke kanan, roda yang
dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan setengah putaran, roda menekan piston
kembali ke posisinya semula (2). Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya
tertutup, sebaliknya katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh
kondensor sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya, air yang
ada di dalam kondensor dipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya…
Karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus
menerus. Karena piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus maka roda pun berputar
secara terus menerus. Putaran roda biasanya digunakan untuk menggerakan sesuatu…
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak balik di atas bisa
dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas) memiliki energi potensial kimia.
Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial kimia berubah bentuk menjadi kalor alias panas.
Kalor alias panas yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar fosil digunakan untuk
memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah
bentuk menjadi energi kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian
besar energi kinetik translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil
berubah menjadi kalor alias panas (kalor alias panas timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan
silinder). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar bentuk
menjadi energi listrik. Dan seterusnya…
Turbin uap
Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Bedanya mesin uap
tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe
bolak balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi
kinetik translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Nah, pada turbin uap, kalor
langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin… Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan
tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah tuh
lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat ya, suhu berbading lurus dengan tekanan. Karena suhu
uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada
sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan
tekanan menyebabkan si uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin
tampak seperti gambar di bawah…
Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram perpindahan energi yang telah
dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa dihasilkan apabila kita membiarkan kalor
mengalir dari benda atau tempat bersuhu tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan
demikian, perbedaan suhu sangat diperlukan pada mesin uap.
Btw, apabila dirimu perhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa
bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa).
Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi.
Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetik
translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan
setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke
kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston
bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder. Pada saat yang sama, katup
pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada
di sebelah bawah katup pembuangan. Nah, apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup
pembuangan = suhu uap yang didorong piston, maka semua energi kinetik translasi piston akan
berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Kalau energi
dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Kalau suhu
uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang
melalui katup pembuangan = tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap
bergerak ke kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa
dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston
selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada uap selama proses
penekanan (piston bergerak ke kiri). Pahami perlahan-lahan ya…
Dari penjelasan panjang lebar dan bertele-tele sebelumnya, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan
suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa diperoleh dengan
memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup
pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka
ketika si piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap
uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika si piston
bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan piston terhadap uap
jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya
sebagian kecil energi kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada
energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan. Energi kinetik total ini yang dipakai untuk
menggerakan sesuatu (membangkitkan listrik dkk…) Pembangkitan energi listrik akan dibahas secara
mendalam pada pokok bahasan listrik dan magnet…
Sekarang mari kita lanjutkan perjalanan menuju mesin pembakaran dalam…
Mesin Pembakaran Dalam
Mesin sepeda motor dan mesin mobil merupakan contoh mesin pembakaran dalam. Disebut mesin
pembakaran dalam karena proses pembakaran terjadi di dalam silinder tertutup. Adanya mesin
pembakaran dalam merupakan hasil rekayasa konsep penekanan dan pemuaian adiabatik yang sudah
gurumuda jelaskan pada pokok bahasan hukum pertama termodinamika.
Pada kesempitan ini kita hanya meninjau mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin dan
solar sebagai bahan bakar. Bensin dan solar termasuk minyak bumi, karenanya memiliki energi
potensial kimia. Energi potensial kimia dalam bensin dan solar terlebih dahulu diubah menjadi kalor
alias panas melalui proses pembakaran. Selanjutnya, kalor alias panas yang diperoleh melalui hasil
pembakaran diubah menjadi energi mekanik. Adanya energi mekanik ini yang menyebabkan sepeda
motor atau mobil bisa bergerak… Siklus pada mesin bensin disebut sebagai siklus otto, sedangkan
siklus pada mesin solar disebut sebagai siklus diesel… Siklus = proses yang terjadi secara reversibel
(bolak balik). Terlebih dahulu kita bahas siklus otto…
Siklus otto
Tataplah gambar aneh di bawah dengan penuh kelembutan…
Ini adalah gambar mesin pembakaran dalam empat langkah alias empat tak… Mula-mula campuran
udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah
(langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara
adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi alias penekanan). Karena ditekan secara
adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga
api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin
bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong
piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup
pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka
lagi dan keempat langkah diulangi…
Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah
menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang
tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F =
PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi
lebih bertenaga… Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika si busi
memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya
dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga…
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah
di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam
bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi
mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot).
Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik
kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas… Panas timbul
akibat adanya gesekan…
Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di
bawah… (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin
pembakaran dalam yang menggunakan bensin).
Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder (a). Selanjutnya campuran udara dan uap
bensin ditekan secara adiabatik (a-b). Perhatikan bahwa volume silinder berkurang… Campuran udara
dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan – campuran dibakar (b-c). Gas yang terbakar
mengalami pemuaian adiabatik (c-d). Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang
ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder (d-a).
Siklus Diesel
Prinsip kerja mesin diesel mirip seperti mesin bensin. Perbedaannya terletak pada langkah awal
kompresi alias penekanan adiabatik (penekanan adiabatik = penekanan yang dilakukan dengan sangat
cepat sehingga kalor alias panas tidak sempat mengalir menuju atau keluar dari sistem. Sistem untuk
kasus ini adalah silinder). Kalau dalam mesin bensin, yang ditekan adalah campuran udara dan uap
bensin, maka dalam mesin diesel yang ditekan hanya udara saja… Penekanan secara adiabatik
menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan
solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam
silinder, si solar langsung terbakar… Tidak perlu pake busi lagi. Perhatikan besarnya tekanan yang
ditunjukkan pada diagram di bawah… bandingkan dengan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada
diagram siklus otto… simpulkan sendiri ya
Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal alias sempurna… Mula-mula udara ditekan secara
adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik alias injector menyemprotkan solar
dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan
pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke
silinder (d-a). Selengkapnya bisa dipelajari di dunia perteknik-otomotifan Gurumuda hanya
memberimu pengetahuan dasar saja.
Dari penjelasan yang bertele-tele di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada
dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja untuk mesin
bensin adalah udara dan uap bensin, zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja
biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang
kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (QL). Karena si energi kekal, maka QH = W + QL.
Efisiensi mesin kalor
Efisiensi (e) mesin kalor merupakan perbandingan antara Usaha alias Keja (W) yang dilakukan mesin
dengan masukan Kalor pada suhu tinggi (QH). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
W merupakan keuntungan yang kita terima, sedangkan QH merupakan biaya yang kita keluarkan untuk
membeli dan membakar bahan bakar. Sebagai manusia yang selalu ingin memperoleh keuntungan yang
sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya , kita sangat berharap bahwa keuntungan
yang kita peroleh (W) sebanding dengan biaya yang kita keluarkan (QH). Mungkinkah itu terjadi ?
Nantikan hasil pengoprekannya…
Berdasarkan kekekalan energi, Kalor masukan (QH) harus sama dengan Kerja (W) yang dilakukan +
Kalor yang dibuang (QL). Secara matematis bisa diobok-obok seperti ini :
Kita gantikan W pada persamaan 1 dengan W pada persamaan 2 :
Jika ingin menyatakan efisiensi mesin kalor dalam persentase, kalikan saja persamaan efisiensi dengan
100 %.
Berdasarkan persamaan efisiensi di atas, tampak bahwa semakin banyak kalor yang dibuang (QL) oleh
suatu mesin kalor, semakin tidak efisien mesin kalor tersebut (merugikan kita). Kita sangat
menginginkan agar jumlah kalor yang dibuang (QL) sesedikit mungkin. Bagaimanapun kalor masukan
(QH) biasanya diperoleh dengan membakar minyak, batu bara, gas dkk (bahan bakar yang kita bayar).
Karenanya setiap mesin kalor pada dasarnya dirancang untuk memiliki efisiensi sebesar mungkin. Btw,
walaupun kita sangat menginginkan keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-
kecilnya (prinsip ekonomi-kah ?), kenyataan menunjukkan bahwa efisiensi mesin uap biasanya sekitar
40 %, sedangkan efisiensi mesin pembakaran dalam sekitar 50 %. Hal ini menunjukkan bahwa
setengah bagian kalor yang diperoleh dengan membakar bahan bakar (membakar duit kita ) terbuang
percuma. Hanya setengah bagian saja yang berubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk
melakukan usaha alias kerja). Biar dirimu makin paham dengan penjelasan gurumuda, perhatikan
contoh soal di bawah…
Contoh soal 1 :
Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha alias kerja (W) dan
membuang kalor sebanyak 2500 Joule (QL). Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Panduan jawaban :
Wah, efisiensinya kecil sekali… Mesin kalor kaya gini sebaiknya dibuang ke laut saja
Contoh soal 2 :
Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha alias kerja (W) dan
membuang kalor sebanyak 2000 Joule (QL). Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Panduan jawaban :
Lumayan, tapi masih merugikan…
Contoh soal 3 :
Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha alias kerja (W) dan
membuang kalor sebanyak 1500 Joule (QL). Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Panduan jawaban :
Wah, cukup lumayan…
Siklus Carnot
Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan muda belia dari
negeri Perancis yang bernama om Sadi Carnot (1796-1832 = 36 tahun saja. Mati muda) meneliti suatu
mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum
dirumuskan (apalagi hukum kedua). Hukum pertama belum dirumuskan karena para ilmuwan belum
mengetahui secara pasti kalor alias panas tuh sebenarnya apa. Setelah om Jimi Joule dan teman-
temannya melakukan percobaan pada tahun 1830-an, para ilmuwan baru mengetahui secara pasti
bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Jadi hukum pertama
baru dirumuskan setelah tahun 1830. Om Sadi Carnot sudah meneliti mesin kalor ideal secara teoritis
pada tahun 1824. Penelitian yang beliau lakukan sebenarnya untuk menaikkan efisiensi mesin uap yang
pada waktu itu sudah digunakan. Kebanyakan mesin uap waktu itu kurang efisien… (Ingat lagi
penjelasan gurumuda sebelumnya).
Siklus pada mesin kalor ideal hasil oprekan om Sadi Carnot disebut sebagai siklus Carnot. Sebelum
meninjau siklus Carnot, alangkah baiknya kita pahami kembali proses ireversibel. Setiap proses
perubahan bentuk energi dan perpindahan energi yang berlangsung secara alami, biasanya terjadi
secara ireversibel (tidak bisa balik). Misalnya kalau kita menggosokkan kedua telapak tangan, kedua
telapak tangan kita biasanya kepanasan. Dalam hal ini, kalor alias panas dihasilkan melalui kerja yang
kita lakukan. Prosesnya bersifat ireversibel. Kalor alias panas yang dihasilkan tersebut tidak bisa
dengan sendirinya melakukan kerja dengan menggosok-gosok kedua telapak tangan kita . Nah,
tujuan dari mesin kalor adalah membalikkan sebagian proses ini, di mana kalor alias panas bisa
dimanfaatkan untuk melakukan kerja dengan efisiensi sebesar mungkin. Agar mesin kalor bisa
memiliki efisiensi yang maksimum maka kita harus menghindari semua proses ireversibel…
Perpindahan kalor yang terjadi secara alami biasanya bersifat ireversibel, karenanya kita berupaya agar
si kalor tidak boleh jalan-jalan. Pada saat mesin mengambil kalor QH pada tempat yang bersuhu tinggi
(TH), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TH. Demikian juga apabila mesin membuang
kalor QL pada tempat yang bersuhu rendah (TL), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TL.
Jadi setiap proses yang melibatkan perpindahan kalor harus bersifat isotermal (suhu sama). Sebaliknya,
apabila suhu zat kerja dalam mesin berada di antara TH dan TL, tidak boleh terjadi perpindahan kalor
antara mesin dengan tempat yang memiliki suhu TH (penyedia kalor) dan tempat yang memiliki suhu
TL (pembuangan). Agar si kalor tidak jalan-jalan maka proses harus dilakukan secara adiabatik…
Siklus Carnot sebenarnya terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik
reversibel. Biar paham, tataplah gambar kusam di bawah dengan penuh kelembutan…
Gambar di atas merupakan siklus Carnot untuk gas ideal. Mula-mula kalor diserap selama pemuaian
isotermal (a-b). Selama pemuaian isotermal, suhu gas dalam silinder dijaga agar selalu konstan.
Selanjutnya gas memuai secara adiabatik sehingga suhunya turun dari TH menjadi TL (b-c). TH = suhu
tinggi (High temperatur), TL = suhu rendah (Low temperatur). Selama pemuaian adiabatik, tidak ada
kalor yang masuk atau keluar dari silinder. Setelah itu gas ditekan secara isotermal (c-d). Selama
penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Seluruh proses pada siklus Carnot bersifat
reversibel…
Selama pemuaian isotermal dan penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Tujuannya
adalah menghindari adanya perbedaan suhu. Adanya perbedaan suhu bisa menyebabkan terjadi
perpindahan kalor (proses ireversibel). Agar proses isotermal bisa terjadi (suhu gas selalu konstan)
maka gas harus dimuaikan atau ditekan secara perlahan-lahan. Dalam kenyataannya, pemuaian atau
penekanan gas terjadi lebih cepat. Hal ini diakibatkan oleh adanya turbulensi (ingat materi fluida
dinamis), gesekan, viskositas alias kekentalan dkk. Akibatnya, proses isotermal yang sempurna tidak
akan pernah ada. Sebaliknya, pemuaian dan penekanan adiabatik dilakukan dengan cepat. Tujuannya
adalah menjaga agar kalor tidak mengalir menuju silinder atau kabur dari silinder. Adaya gesekan,
viskositas alias kekentalan dkk menyebabkan pemuaian dan penekanan adiabatik sempurna tidak akan
pernah ada. Perlu diketahui bahwa mesin Carnot hanya bersifat teoritis saja. Mesin carnot tidak ada
dalam kehidupan kita. Walaupun hanya bersifat teoritis saja tetapi adanya mesin Carnot sangat
membantu pengembangan ilmu termodinamika. Minimal kita bisa mengetahui setiap proses ireversibel
yang mungkin terjadi selama proses dan berupaya untuk meminimalkannya sehingga efisiensi mesin
kalor rancangan kita bisa bernilai maksimum.
Hasil yang sangat penting dari mesin Carnot adalah bahwa untuk mesin kalor yang sempurna (semua
proses reversibel), Kalor yang diserap (QH) sebanding dengan suhu TH dan Kalor yang dibuang (QL)
sebanding dengan suhu TL. Dengan demikian, efisiensi mesin kalor sempurna adalah :
Contoh soal 1 :
Sebuah mesin uap bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC. Tentukan efisiensi ideal (efisiensi Carnot)
dari mesin uap tersebut.
Panduan jawaban :
Suhu harus diubah ke dalam skala kelvin
TH (suhu tinggi) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
TL (suhu rendah) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K
Efisiensi ideal atau efisiensi mesin kalor sempurna yang bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC adalah
26 %. Apabila mesin yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari bekerja antara suhu 500 oC dan
300 oC, efisiensi maksimum yang bisa dicapai mesin tersebut biasanya sekitar 0,7 kali efisiensi ideal
(18,2 %). Hal ini dipengaruhi oleh adanya gesekan dan proses ireversibel lainnya…
Contoh soal 2 :
Sebuah mesin kalor menerima kalor (Q) sebanyak 600 Joule pada suhu 300 oC, melakukan kerja (W)
100 Joule dan membuang 500 J pada suhu 100 oC. Tentukan efisiensi sebenarnya dan efisiensi ideal
(efisiensi Carnot) mesin ini…
Panduan jawaban :
Suhu harus diubah ke dalam skala Kelvin
TH (suhu tinggi) = 300 oC — 300 + 273 = 573 K
TL (suhu rendah) = 100 oC — 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J
Efisiensi mesin :
Efisiensi ideal mesin ini :
Efisiensi ideal atau efisiensi mesin kalor sempurna yang bekerja antara suhu 300 oC dan 100 oC adalah
35 %. Efisiensi maksimum yang bisa dicapai mesin tersebut biasanya sekitar 0,7 kali efisiensi ideal =
0,7 x 35 % = 24,5 % (24,5 % x 600 J = 147 J kalor yang bisa digunakan untuk melakukan kerja).
Efisiensi sebenarnya dari mesin ini adalah 17 % (hanya 100 J kalor yang digunakan untuk melakukan
kerja). Masih sekitar 147 J – 100 J = 47 J kalor yang bisa dipakai untuk melakukan kerja… Alangkah
baiknya jika efisiensi mesin ini dtingkatkan, sehingga kerugian yang kita terima diminimalkan. Prinsip
ekonomi juga perlu diterapkan dalam ilmu fisika
Contoh soal 3 :
Sebuah mesin menerima 1000 Joule kalor dan menghasilkan 400 Joule kerja pada setiap siklus. Mesin
ini bekerja di antara suhu 500 oC dan 200 oC. Berapakah efisiensi sebenarnya dan efisiensi ideal mesin
ini ?
Panduan jawaban :
TH (suhu tinggi) = 500 oC — 500 + 273 = 773 K
TL (suhu rendah) = 200 oC — 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J
Efisiensi mesin :
Efisiensi ideal mesin ini :
Efisiensi ideal alias efisiensi carnot = 40 %. Efisiensi mesin sebenarnya = 60 %… Mesin seperti ini
tidak ada. Efisiensi mesin tidak mungkin melebihi efisiensi ideal alias efisiensi om Carnot…
Contoh soal 4 :
Agar efisiensi ideal alias efisiensi mesin Carnot mencapai 100 % (1), berapakah suhu pembuangan
(TL) yang diperlukan ?
Panduan jawaban :
Agar efisiensi ideal alias efisiensi mesin kalor sempurna bisa mencapai 100 % (semua kalor masukkan
bisa digunakan untuk melakukan kerja) maka suhu pembuangan (TL) harus = 0 K.
Dalam pokok bahasan Suhu dan Kalor + Teori Kinetik Gas, gurumuda sudah menjelaskan kepadamu
bahwa mencapai suhu 0 K adalah sesuatu yang mustahil alias tidak mungkin terjadi (hasil ini dikenal
dengan julukan Hukum Ketiga Termodinamika. Selengkapnya akan dibahas dalam episode
berikutnya). Karena 0 K tidak mungkin dicapai, maka suatu mesin kalor sempurna tidak mungkin
memiliki efisiensi 100 %. Mesin kalor sempurna saja tidak bisa memiliki efisiensi 100 %, apalagi
mesin kalor yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari…
Karena efisiensi 100 % tidak bisa dicapai oleh mesin kalor maka kita bisa menyimpulkan bahwa tidak
mungkin semua kalor masukan (QH) digunakan untuk melakukan kerja. Pasti ada kalor yang terbuang
(QL). Hasil ini bisa ditulis dengan bahasa yang lebih gaul :
Tidak mungkin ada mesin kalor (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat mengubah semua kalor
alias panas menjadi kerja seluruhnya (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Kelvin-Planck).
Jangan pake hafal… Pahami saja…
Tulisan gaul yang dicetak miring di atas merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua
termodinamika. Disebut sebagai pernyataan khusus karena hanya berlaku untuk mesin kalor saja.
Karena om Kelvin dan om Planck yang merumuskannya maka disebut juga sebagai pernyataan Kelvin-
Planck. Perhatikan bahwa terdapat kata siklus pada pernyataan di atas. Siklus adalah proses yang terjadi
secara berulang. Jadi si mesin kalor bekerja secara terus menerus. Ditambahkan kata siklus karena
dalam kenyataannya, semua kalor bisa diubah menjadi kerja seluruhnya apabila prosesnya terjadi satu
kali saja. Pahami penjelasan berikut ini…
Pada pokok bahasan hukum pertama termodinamika, gurumuda sudah menjelaskan kepadamu
mengenai beberapa proses termodinamika, antara lain proses isotermal, isobarik, isokorik dan
adiabatik. Nah, dalam proses isotermal, kita bisa mengubah semua kalor menjadi usaha alias kerja (Q =
W). Hal ini bisa terjadi jika prosesnya hanya terjadi dalam satu tahap saja… Amati gambar di bawah :
Grafik ini menunjukkan proses isotermal (pemuaian isotermal) yang terjadi dalam satu tahap saja…
Dalam proses ini, semua kalor (Q) bisa diubah menjadi kerja (W). Besarnya kerja yang dilakukan =
luasan yang diarsir…
Agar bisa dimanfaatkan, mesin kalor harus bekerja secara terus menerus (prosesnya harus terjadi secara
berulang, tidak bisa terjadi hanya dalam satu tahap saja). Misalnya mesin uap tipe bolak balik. Piston
pada mesin uap tipe bolak balik harus bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus agar roda
bisa berputar (bisa digunakan untuk menggerakkan sesuatu). Roda tidak bisa berputar kalau piston
hanya bergerak ke kanan saja, setelah itu diam (proses hanya terjadi dalam satu tahap saja). Apabila
proses terjadi secara berulang (piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus), tidak
mungkin semua kalor bisa diubah menjadi kerja (pernyataan Kelvin-Planck). Misalnya kita tinjau
proses isotermal yang ditunjukkan oleh grafik di atas.
Grafik di sebelah kiri menunjukkan pemuaian isotermal (panah ke bawah) dan penekanan isotermal
(panah ke atas). Proses terjadi secara terus menerus secara isotermal (Tidak ada kerja yang dihasilkan).
Grafik di sebelah kanan merupakan proses pemuaian isotermal (panah ke bawah), proses penekanan
isobarik (panah ke kiri) dan proses isokorik (panah ke atas)… Dari kedua grafik ini, tampak bahwa
untuk proses yang terjadi secara terus menerus (siklus), selalu ada kalor yang terbuang… Hal ini sesuai
dengan penyataan om Kelvin-Planck sebelumnya…
MESIN PENDINGIN (Refrigerator)
Mesin pendingin pada dasarnya merupakan mesin kalor yang bekerja terbalik. Jadi si mesin kalor
mengambil kalor alias panas dari tempat yang bersuhu rendah dan membuang kalor tersebut ke tempat
yang bersuhu tinggi… Agar proses ini bisa terjadi maka mesin harus melakukan kerja. Bagaimanapun
kalor secara alami hanya mau mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah.
Kalor tidak mungkin mengalir dengan sendirinya dari tempat bersuhu rendah menuju tempat bersuhu
tinggi. Hal ini sesuai dengan penyataan om Clausius yang telah diulas sebelumnya… Untuk proses
yang terjadi pada mesin pendingin, pernyataan om Clausius sebelumnya bisa ditulis dalam bahasa yang
lebih gaul seperti ini :
Tidak mungkin ada mesin pendingin (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat memindahkan kalor
alias panas dari tempat bersuhu rendah menuju tempat bersuhu tinggi, tanpa disertai dengan usaha
alias kerja (Hukum kedua termodinamika – pernyataan om Clausius).
Tulisan yang dicetak miring ini merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika.
Pernyataan ini hanya berlaku untuk mesin pendingin…
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pendingin tampak seperti diagram
di bawah…
Amati diagram di atas… Mesin melakukan kerja (W) untuk mengambil kalor alias panas dari tempat
bersuhu rendah (QL) dan membuang kalor tersebut ke tempat bersuhu tinggi (QH). Berdasarkan
kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa QL + W = QH.
Kalau dalam mesin kalor digunakan istilah efisiensi, maka dalam mesin pendingin digunakan istilah
koefisien kinerja (KK). Koefisien kinerja (KK) mesin pendingin merupakan perbandingan antara Kalor
yang dipindahkan dari tempat bersuhu rendah (QL) dengan kerja (W) yang dilakukan untuk
memindahkan kalor tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
Jika ingin menyatakan koefisien kinerja mesin pendingin dalam persentase, kalikan saja persamaan ini
dengan 100 %.
Koefisien Kinerja mesin pendingin ideal (Koofisien kinerja pendingin Carnot) :
Terdapat beberapa mesin pendingin yang biasa kita gunakan, antara lain kulkas, AC (pendingin
ruangan) dan pompa kalor. Alangkah baiknya jika diobok-obok satu persatu…
Kulkas
Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan. Kondensor = pengubah uap menjadi cair,
kompresor = penekan. Gulungan pendingin biasanya berada di dalam kulkas, sedangkan gulungan
kondensor berada di luar kulkas (di belakang kulkas).
Di dalam gulungan terdapat fluida yang berada dalam keseimbangan fase (berada dalam wujud cair dan
uap). Fluida tersebut dikenal dengan julukan refrigeran. Refrigeran yang biasa digunakan pada masa
lalu adalah freon. Saat ini freon tidak digunakan lagi karena pelepasan zat ini dapat merusak lapisan
ozon.
Motor kompresor (digerakkan oleh listrik) menyedot refrigeran (dalam wujud uap) dan menekannya
secara adiabatik. Karena ditekan secara adiabatik maka suhu uap meningkat. Karena suhu meningkat
maka tekanan uap juga meningkat… Adanya perbedaan suhu antara kompresor (suhu tinggi) dan
kondensor (suhu rendah) menyebabkan uap yang bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi berbondong-
bondong mengalir melewati gulungan kondensor yang berada di belakang kulkas … Suhu refrigeran
lebih tinggi daripada suhu udara sekitar, karenanya ketika mengalir melalui gulungan kondensor, uap
melepaskan kalor alias panas ke udara sekitar. Karena dikondensasi oleh kondensor maka uap
mendingin dan berubah menjadi cair… Ketika mengalir melalui katup pemuai, si refrigeran yang sudah
berubah menjadi cair dimuaikan secara adiabatik. Adanya pemuaian adiabatik menyebabkan cairan
menjadi semakin dingin (suhunya menurun). Cairan yang lagi kedinginan tersebut jalan-jalan di dalam
gulungan yang berada di dalam kulkas. Karena cairan dalam gulungan lebih dingin daripada udara
dalam kulkas maka kalor pun berbondong-bondong meluncur menuju cairan. Karena dikunjungi oleh
kalor maka si refrigeran berubah wujud menjadi uap (cairan menyerap kalor alias panas dalam kulkas).
Refrigeran yang sudah berubah status menjadi uap disedot oleh motor kompresor dan ditekan secara
adiabatik. Dan seterusnya… (prosesnya diulangi lagi). Karena kalor alias panas yang ada di dalam
kulkas melakukan pengungsian masal menuju cairan yang ada dalam gulungan maka kulkas menjadi
dingin.
AC (pendingin ruangan)
Walaupun rancangan alatnya berbeda, pada dasarnya prinsip kerja pendingin ruangan mirip seperti
kulkas. Untuk kasus ini, isi “kulkas”-nya adalah sebuah ruangan. Biasanya gulungan pendingin berada
di dalam ruangan sedangkan gulungan kondensor berada di luar ruangan… Pada bagian belakang
gulungan kondensor biasanya terdapat kipas. Tugas kipas hanya mengatur sirkulasi udara dan meniup
gulungan kondensor sehingga perpindahan kalor dari gulungan kondensor dan udara sekitar bisa terjadi
lebih cepat… Sebaliknya, di bagian belakang gulungan pendingin terdapat blower alias peniup.
Tugasnya mirip seperti kipas.. Kalau si kipas niup gulungan kondensor yang ada di luar ruangan
sehingga kalor alias panas cepat kabur menuju udara sekitar, maka si blower niup gulungan pendingin
yang ada dalam ruangan sehingga udara dingin bisa menyebar dalam ruangan…
Entropi (Pernyataan umum hukum kedua
termodinamika)
Pengantar
Dalam postingan sebelumnya kita sudah mempelajari beberapa pernyataan khusus hukum kedua
termodinamika. Perlu diketahui bahwa pernyataan khusus tersebut hanya bisa menjelaskan beberapa
proses ireversibel saja. Pernyataan om Clausius hanya menjelaskan perpindahan kalor dan kaitannya
dengan prinsip kerja mesin pendingin. Sebaliknya pernyataan om Kelvin dan om Planck berkaitan
dengan prinsip kerja mesin kalor. Walaupun tampaknya berbeda, tetapi pada dasarnya kedua
pernyataan ini berhubungan dengan perpindahan kalor. Btw, masih banyakproses ireversibel lainnya
tidak bisa dijelaskan menggunakan kedua pernyataan tersebut. Setelah mencium tanah, buah mangga
yang lezat dan mengundang selera tidak pernah meluncur ke atas lagi. Buku yang kita dorong tidak
pernah bergerak kembali ke posisinya semula. Ketika adikmu yang sangat nakal menjatuhkan gelas ke
lantai hingga pecah, serpihan-serpihan gelas yang tercecer di lantai tidak pernah ngumpul lagi dan
membentuk gelas hingga utuh seperti semula… Apalagi ya… masih banyak atuh. mikirin sendiri ya…
hiks2… pisss…
Karena pernyataan khusus hukum kedua termodinamika tidak bisa menjelaskan semua proses
ireversibel maka kita membutuhkan pernyataan yang lebih umum. Adanya pernyataan umum ini
diharapkan bisa menjelaskan semua proses ireversibel yang terjadi di alam semesta. Pernyataan umum
hukum kedua termodinamika baru dirumuskan pada pertengahan abad kesembilan belas, melalui
sebuah besaranyang diberi julukan entropi (S). Entropi bisa dianggap sebagai ukuran kuantitatif dari
ketidakteraturan. Mengenai hal ini akan dibahas kemudian… Besaran entropi pertama kali
diperkenalkan oleh om Clausius dan diturunkan dari siklus om Carnot (mesin kalor sempurna).
Menurut om Clausius, besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem
tersebut mendapat tambahan kalor (Q) pada suhu tetap dinyatakan melalui persamaan di bawah :
Keterangan :
Delta S = Perubahan entropi (Joule/Kelvin)
Q = Kalor (Joule)
T = Suhu (Kelvin)
Entropi merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem, karenanya tidak bisa
diketahui secara langsung. Yang kita tinjau hanya perubahan entropi saja… Mirip seperti perubahan
energi dalam pada hukum pertama termodinamika.
Untuk membantumu lebih memahami pembahasan ini, kita obok-obok latihan soal saja :
Contoh soal 1 :
Sejumlah gas dalam sebuah wadah mengalami pemuaian adiabatik. Berapakah perubahan entropi gas
tersebut ?
Panduan juawaban :
Selama proses adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem (gas). Karena Q = 0 maka delta
S = 0. Bisa disimpulkan bahwa pada proses pemuaian adiabatik, entropi sistem tidak berubah alias
selalu konstan…
Bagaimanakah dengan penekanan adiabatik ? Pada dasarnya sama saja. Selama penekanan adiabatik,
tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Karenanya entropi sistem tidak berubah
alias selalu konstan.
Contoh soal 2 :
Sebuah mesin Carnot menerima 2000 J kalor pada suhu 500 K, melakukan kerja dan membuang
sejumlah kalor pada suhu 350 K. Tentukan jumlah kaloryang terbuang dan perubahan entropi total
dalam mesin selama satu siklus…
Panduan jawaban :
TH = 500 K
QH = 2000 J
TL = 350 K
QL = ?
Persamaan ini datangnya dari mana-kah ? ingat pembahasan mengenai mesin carnot. Hasil yang sangat
penting dari mesin Carnot adalah bahwa untuk mesin kalor yang sempurna, Kalor yang diterima (QH)
sebanding dengan suhu TH dan Kalor yang dibuang (QL) sebanding dengan suhu TL. Pahami perlahan-
lahan…
Ingat perjanjian tanda hukum pertama terModiNamikA. Jika sistem menerima kalor, Q bertanda
positif. Sebaliknya jika sistem melepaskan kalor, Q bertanda negatif. Sistem untuk kasus ini adalah
mesin carnot…
Selama satu siklus, mesin Carnot (mesin kalor sempurna) mengalami dua proses isotermal reversibel
(pemuaian isotermal + penekanan isotermal) dan dua proses adiabatik reversibel (pemuaian adiabatik
dan penekanan adiabatik). Selama proses pemuaian dan penekanan adiabatik, tidak ada kalor yang
masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Karena Q = 0 maka perubahan entropi selama proses adiabatik =
0…
Selama pemuaian isotermal, mesin menyedot kalor (Q) sebanyak 2000 J pada suhu (T) 500 K. Karena
mesin menyedot kalor maka Q bertanda positif. Perubahan entropi mesin selama pemuaian isotermal
adalah :
Selama penekanan isotermal, mesin membuang kalor (Q) sebanyak 1400 J pada suhu (T) 350 K.
Karena mesin membuang kalor maka Q bertanda negatif.
Perubahan entropi mesin selama penekanan isotermal adalah :
Perubahan entropi total = 4 J/K – 4 J/K = 0
Contoh soal 3 :
Sebuah mesin kalor menerima kalor (Q) sebanyak 600 Joule pada suhu 300 oC, melakukan kerja dan
membuang sejumlah kalor pada suhu 100 oC. Tentukan jumlah kalor yang terbuang dan perubahan
entropi total dalam mesin selama satu siklus…
Panduan jawaban :
TH = 300 K
QH = 600 J
TL = 100 K
QL = ?
Selama satu siklus, mesin Carnot (mesin kalor sempurna) mengalami dua
proses isotermal reversibel (pemuaian isotermal + penekanan isotermal) dan dua proses adiabatik
reversibel (pemuaian adiabatik dan penekanan adiabatik). Selama proses pemuaian dan penekanan
adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Karena Q = 0 maka perubahan
entropi selama proses adiabatik = 0…
Selama pemuaian isotermal, mesin menyedot kalor (Q) sebanyak 600 J pada suhu (T) 300 K. Karena
mesin menyedot kalor maka Q bertanda positif. Perubahan entropi mesin selama pemuaian isotermal
adalah :
Selama penekanan isotermal, mesin membuang kalor (Q) sebanyak 200 J pada
suhu (T) 100 K. Karena mesin membuang kalor maka Q bertanda negatif.
Perubahan entropi mesin selama penekanan isotermal adalah :
Perubahan entropi total = 2 J/K – 2 J/K = 0
Dari contoh soal nomor 2 dan contoh soal nomor 3, tampak bahwa perubahan entropi total untuk
proses reversibel = 0. Dengan kata lain, pada proses reversibel, entropi total selalu konstan…
Contoh soal 4 :
Sebongkah es batu bermassa 2 kg memiliki suhu 0 oC. Es batu tersebut diletakkan di dalam sebuah
wadah dan dijemur di bawah sinar matahari. Karena mendapat sumbangan kalor dari udara dan
matahari maka si es batu pun mencair… tentukan perubahan entropi es batu tersebut… (Kalor lebur air
= 3,34 x 105 J/Kg)
Panduan juawaban :
Massa es batu = 2 kg
Suhu es batu = 0 oC + 273 = 273 K
Kalor lebur air = 3,34 x 105 J/Kg
Kalor yang diperlukan untuk meleburkan 2 kg es batu menjadi air adalah :
Q = mL
Q = (2 Kg)(3,34 x 105 J/Kg)
Q = 6,68 x 105 J
Q = 668 x 103 J
Ingat ya, selama proses peleburan (es batu berubah menjadi air), suhu selalu konstan. Karena suhu
selalu konstan maka perubahan entropi es batu dihitung dengan suangat guampang :
Entropi es batu bertambah sebanyak 2,45 x 103 J/K. Perhatikan bahwa entropi lingkungan (wadah,
udara, etc) tidak kita hitung…
Perhitungan di atas tampaknya mudah karena suhu air konstan. Apabila suhu tidak konstan maka
perhitungannya menjadi lebih beribet Seandainya perubahan suhu cukup besar maka perubahan
entropi bisa diooprek menggunakan kalkulus. Sebaliknya jika perubahan suhu tidak terlalu besar, kita
bisa menggunakan suhu rata-rata (lihat contoh soal 5).
Contoh soal 5 :
Segelas air bersuhu 26 oC dicampur dengan segelas air yang bersuhu 22 oC. Jika massa air dalam gelas
= 2 kg (gelas raksasa ), tentukan perubahan entropi air… Anggap saja air dicampur dalam sistem
tertutup yang terisolasi. Ingat ya, perpindahan kalor alias panas termasuk proses ireversibel…
Panduan jawaban :
Kalor jenis air (c) = 4180 J/Kg Co
Massa air = 2 Kg (massa air sama).
Karena massa air sama, maka suhu akhir campuran = 24 oC (26 oC + 22 oC / 2 = 48 oC / 2 = 24 oC).
Jumlah kalor yang dilepaskan oleh air panas ketika suhunya menurun dari 26 oC – 24 oC :
Q = mc(delta T) = (2 Kg)(1 kkal/kg Co)(26 oC – 24 oC) = (2 Kg)(4180 J/kg Co)(2 oC) = 16720 J
Jumlah kalor yang disedot oleh air dingin ketika suhunya meningkat dari 22 oC – 24 oC :
Q = mc(delta T) = (2 Kg)(1 kkal/kg Co)(24 oC – 22 oC) = (2 Kg)(4180 J/kg Co)(2 oC) = 16720 J
Perubahan entropi total = Perubahan entropi air panas + perubahan entropi air dingin
Suhu rata-rata air panas = (26 oC + 24 oC) / 2 = 50 oC / 2 = 25 oC —- 25 + 273 = 298 K
Suhu rata-rata air dingin = (22 oC + 24 oC) / 2 = 46 oC / 2 = 23 oC —- 23 + 273 = 296 K
Air panas melepaskan kalor, karenanya Q bertanda negatif. Sebaliknya air dingin menyedot kalor,
karenanya Q bertanda positif. Ingat lagi perjanjian tanda Q (hukum pertama termodinamika)
Entropi air panas menurun sebesar 56,107 J/K
Entropi air dingin bertambah sebesar 56,486 J/K
Entropi total bertambah sebesar 0,379 J/K
Dari hasil pengoprekan ini, tampak bahwa walaupun entropi sebagian sistem berkurang (-56,107 J/K),
entropi sebagian sistem bertambah dalam jumlah yang lebih besar (+ 56,486 J/K) sehingga entropi
total selalu bertambah (+ 0,379 J/K). Bertambahnya entropi total sistem tertutup yang terisolasi akibat
adanya proses ireversibel ternyata tidak hanya berlaku pada perpindahan kalor antara campuran air
panas dan air dingin yang kita analisis di atas, tetapi berlaku juga untuk semua kasus yang diteliti oleh
para ilmuwan. Jadi entropi total suatu sistem tertutup yang terisolasi hanya bisa tetap atau bertambah,
tetapi tidak pernah berkurang… Entropi total selalu tetap jika proses terjadi secara reversibel. Apabila
proses terjadi secara ireversibel maka entropi total selalu bertambah…
Pada dasarnya semua proses alamiah dalam kehidupan kita setiap hari bersifat ireversibel sehingga
entropi total pasti bertambah. Kenyataan ini disimpulkan dalam sebaris kalimat gaul di bawah :
Entropi total sistem dan lingkungan selalu bertambah akibat adanya proses ireversibel.
Kalimat yang dicetak miring ini merupakan pernyataan umum hukum kedua termodinamika. Hukum
kedua termodinamika agak berbeda dengan hukum-hukum fisika lainnya… Biasanya hukum fisika
dinyatakan dalam bentuk persamaan (misalnya hukum kakek Newton) atau berupa hukum kekekalan
(misalnya hukum kekekalan energi). Hukum kedua termodinamika hanya dinyatakan dalam sebaris
kalimat yang bikin mumet. Sialnya lagi, hukum kedua malah mengatakan kepada kita bahwa entropi
selalu bertambah. Pada dasarnya proses ireversibel terjadi setiap saat, karenanya entropi juga selalu
bertambah seiring berlalunya waktu. Kalau entropi selalu bertambah seiring berlalunya waktu berarti
suatu saat nanti entropi akan bernilai maksimum dunk. Wah, apa jadinya dunia nanti
Btw, entropi tuh sebenarnya apa sich ? Dari tadi bahas entropi melulu tapi gak ngerti2 entropi tuh
artinya apa… hiks2… Dari pada pusink seribu keliling lebih baik kita langsung menuju ke sasaran
saja…
Entropi merupakan ukuran dari ketidakteraturan
Entropi dapat dianggap sebagai ukuran dari ketidakteraturan. Jika dikaitkan dengan pernyataan umum
hukum kedua termodinamika, bisa dikatakan bahwa pada proses ireversibel, ketidakteraturan
cenderung bertambah. Dengan kata lain, setiap proses ireversibel pada dasarnya menuju ke keadaan
yang tidak teratur. Makna ketidakteraturan di sini mungkin kurang jelas, karenanya gurumuda jelaskan
menggunakan contoh proses ireversibel yang terjadi dalam kehidupan sehari. Sebelum melangkah lebih
jauh, baca terlebih dahulu pesan-pesan berikut ini :
Perlu diketahui bahwa konsep entropi pada mulanya hanya dihubungkan dengan proses ireversibel
yang berkaitan dengan perubahan bentuk energi dan perpindahan energi. Setelah terlepas dari
tangkainya dan jatuh bebas hingga mencium tanah, buah mangga tidak pernah meluncur ke atas lagi.
Buku yang kita dorong lalu berhenti tidak pernah bergerak kembali ke arah kita. Ini adalah beberapa
contoh proses ireversibel yang berkaitan dengan perubahan bentuk energi dan perpindahan energi dari
satu benda ke benda yang lain. Proses tersebut hanya berlangsung pada satu arah saja, tetapi tidak
pernah berlangsung pada arah sebaliknya. Buah mangga tidak pernah meluncur ke atas dengan
sendirinya karena energi dalam berubah menjadi energi kinetik. Buku tidak pernah meluncur ke arah
kita karena kalor alias panas yang timbul akibat gesekan berubah menjadi energi kinetik.
Btw, proses ireversibel yang terjadi di alam semesta ternyata tidak hanya berkaitan dengan perubahan
bentuk energi dan perpindahan energi. Setelah dilahirkan, kita bertumbuh menjadi bayi, anak-anak,
remaja, dewasa lalu menjadi tua lapuk dan akhirnya mati dimakan cacing Apakah dirimu pernah
melihat seorang tua berubah menjadi bayi ? tidak pernah… Handphone yang kita pakai lama kelamaan
menjadi kusam dan rusak… Mobil baru yang pada mulanya licin dan bertenaga menjadi kurang licin
dan lemas tak bertenaga setelah dirimu pakai selama beberapa tahun. Apakah dirimu pernah lihat mobil
tua tiba-tiba saja menjadi baru lagi ? Atau Handphone kesayanganmu setiap hari semakin licin n
bagus ? Tidak pernah… Setelah dipakai, handphone menjadi kusam dan rusak. Mobil juga demikian…
Ini adalah beberapa contoh proses ireversibel yang tidak ada hubungannya dengan perubahan bentuk
energi dan perpindahan energi…. Nah, setelah menyadari bahwa semua proses alamiah yang terjadi di
alam semesta bersifat ireversibel maka konsep entropi menjadi meluas. Pembahasannya tidak hanya
meliputi proses termodinamika saja tetapi mencakup banyak proses ireversibel lainnya di alam
semesta…
Sekarang mari kita bahas beberapa proses ireversibel yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari.
Terlebih dahulu kita tinjau sebuah proses ireversibel sederhana berikut. Ini hanya pengantar saja, biar
dirimu paham dengan konsep entropi serta kaitannya dengan proses ireversibel. Tataplah gambar di
bawah dengan penuh semangat
Misalnya dirimu punya sejumlah kelereng berwarna merah dan biru. Kelereng tersebut dimasukkan ke
dalam sebuah wadah. Kelereng yang berwarna biru disusun secara rapi di bagian dasar, sedangkan
kelereng berwarna merah disusun secara rapi di bagian atas (gambar kiri). Susunan kelerengmu dalam
wadah tampak sangat teratur… Sebelah bawahnya biru semua, sebelah atasnya merah semua…
Selanjutnya dirimu mengocok atau mengguncangkan wadah naik turun. Karena wadah digerakkan naik
turun maka susunan kelereng yang pada mulanya sangat teratur berubah menjadi tidak teratur lagi
(gambar kanan). Kelereng berwarna merah dan biru campur aduk menjadi satu Semakin diguncang,
susunan kelereng menjadi semakin tak teratur… Mungkin-kah setelah diguncang-guncang, susunan
kelerengmu menjadi teratur seperti semula ? tidak mungkin terjadi… Silahkan dibuktikan kalau tidak
percaya. Kelereng tidak mungkin menjadi teratur seperti semula… Ini merupakan sebuah contoh proses
ireversibel alias tidak dapat balik. Setelah mengalami proses ireversibel, susunan kelereng yang pada
mulanya sangat teratur berubah menjadi tidak teratur. Keteraturan telah berubah menjadi
ketidakteraturan…
Hal yang sama terjadi pada proses ireversibel lainnya. Ketika kita menyentuhkan benda panas dan
benda dingin, kalor akan mengalir dengan sendirinya dari benda panas menuju benda dingin… Kalor
berhenti mengalir setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Proses ini bersifat
ireversibel… Nah, pada mulanya kita mempunyai dua susunan molekul, yakni molekul yang
mempunyai energi kinetik rata-rata yang besar (molekul-molekul penyusun benda panas) dan molekul
yang mempunyai energi kinetik rata-rata yang kecil (molekul-molekul penyusun benda dingin). Setelah
benda panas dan benda dingin mencapai suhu yang sama (molekul-molekul telah mempunyai energi
kinetik rata-rata yang sama), dua susunan molekul tadi tidak bisa kita bedakan lagi. Susunan molekul-
molekul yang pada mulanya teratur berubah menjadi tidak teratur. Mirip seperti susunan kelereng di
atas… Setelah kedua benda mencapai suhu yang sama, keteraturan susunan molekul berubah menjadi
ketidakteraturan (ketidakteraturan bertambah akibat adanya perpindahan kalor yang bersifat
ireversibel).
Lebih jauh lagi, aliran kalor dari benda panas menuju benda dingin bisa dianggap seperti aliran kalor
dari daerah bersuhu tinggi menuju daerah bersuhu rendah pada mesin kalor. Adanya aliran kalor dari
daerah bersuhu tinggi menuju daerah bersuhu rendah membuat mesin kalor bisa melakukan kerja.
Mesin kalor tidak bisa melakukan kerja apabila tidak ada aliran kalor. Dengan demikian, kita bisa
membuat hubungan antara ukuran ketidakteraturan dengan kemampuan melakukan kerja. Setelah
mencapai suhu yang sama, tidak ada lagi aliran kalor dari benda panas menuju benda dingin
(ketidakteraturan bertambah). Karena tidak ada aliran kalor membuat mesin kalor tidak bekerja maka
kita bisa mengatakan bahwa sistem yang tidak bisa melakukan kerja memiliki ketidakteraturan yang
tinggi, sebaliknya sistem yang bisa melakukan kerja memiliki ketidakteraturan yang rendah…
Dari hasil ini, kita bisa membuat kesimpulan mengenai hubungan antara bentuk energi dengan ukuran
ketidakteraturan. Pada dasarnya bentuk energi yang bisa digunakan untuk melakukan kerja adalah
energi potensial. Energi potensial gravitasi air bisa digunakan untuk menggerakan turbin. Energi
potensial kimia pada minyak bisa digunakan untuk menggerakan kendaraan. Energi potensial kimia
dalam tubuh bisa kita gunakan untuk melakukan kerja, jalan-jalan, belajar… Energi potensial gravitasi
buah mangga bisa digunakan untuk membocorkan atap rumah Karena bentuk energi yang berguna
bisa digunakan untuk melakukan kerja maka kita bisa mengatakan bahwa bentuk energi yang berguna
tersebut lebih teratur, sebaliknya bentuk energi yang tidak berguna lebih tidak teratur. Bentuk energi
yang tidak berguna adalah energi dalam dan kalor alias panas… Setelah mencium tanah, buah mangga
tidak pernah meluncur ke atas lagi karena energi dalam berubah menjadi energi kinetik… Setelah kita
mendorong buku, buku tersebut bergerak. Adanya gaya gesekan membuat buku berhenti bergerak…
Untuk kasus ini, energi kinetik buku telah berubah menjadi kalor alias panas (panas timbul akibat
adanya gesekan). Nah, dalam kenyataannya buku yang sedang diam tidak meluncur kembali ke arah
kita karena kalor alias panas berubah menjadi energi kinetik… Dua contoh ini menunjukkan bahwa
kalor alias panas merupakan dua bentuk energi yang tidak berguna. Bentuk energi yang tidak berguna
tidak bisa digunakan untuk melakukan kerja. Dengan demikian kita bisa mengatakan bahwa kalor alias
panas dan energi dalam memiliki ketidakteraturan yang tinggi…
Pada dasarnya proses perubahan bentuk energi, dari bentuk energi yang berguna menjadi bentuk energi
yang tidak berguna selalu menaikkan ketidakteraturan… Istilah gaulnya, entropi selalu bertambah
selama proses perubahan bentuk energi… Karena entropi selalu bertambah seiring berlalunya waktu
maka semua bentuk energi yang berguna tersebut akan berubah bentuk menjadi tidak berguna. Energi
akan selalu kekal dalam proses perubahan bentuk energi, tetapi bentuk energi yang teratur dan bisa
digunakan untuk melakukan kerja berubah bentuk menjadi tidak teratur dan tidak bisa digunakan untuk
melakukan kerja…
Entropi dan statistik
Sebelumnya kita sudah membahas bahwa entropi merupakan ukuran dari ketidakteraturan. Setiap
proses ireversibel pada dasarnya menuju ke keadaan yang memiliki ketidakteraturan yang tinggi. Btw,
gagasan ini mungkin tampak abstrak dan tidak terlalu jelas. Untuk lebih memahami konsep entropi,
kita bisa menggunakan pendekatan statistik. Pemahaman akan konsep entropi menggunakan
pendekatan statistik pertama kali digunakan oleh om Ludwig Boltzmann (1844-1906).
Pada awal tulisan ini gurumuda sudah menjelaskan bahwa entropi merupakan besaran yang
menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Besaran yang menyatakan keadaan makroskopis bisa
diketahui secara langsung tetapi besaran yang menyatakan keadaan mikrokopis tidak bisa diketahui
secara langsung. Untuk mengetahui keadaan mikroskopis, kita bisa meninjau keterkaitan antara
keadaan makroskopis dan keadaan mikroskopis.
Punya uang receh seratus rupiah ? Uang receh seratus rupiah punya dua sisi, pada salah satu sisi
terdapat gambar burung garuda dan sedangkan di sisi yang lain terdapat tulisan 100 rupiah. Nah,
misalnya dirimu punya 4 uang receh seratus rupiah… kalau dirimu melempar keempat uang receh
seratus rupiah di atas lantai, dalam sekali lemparan akan ada lima kemungkinan yang berbeda :
pertama, muncul gambar burung garuda semua (4 gambar);
kedua, muncul 3 gambar burung garuda, 1 tulisan seratus rupiah (3 gambar, 1 tulisan);
ketiga, muncul 2 gambar burung garuda, 2 tulisan seratus rupiah (2 gambar, 2 tulisan);
keempat, muncul 1 gambar burung garuda, 3 tulisan seratus rupiah (1 gambar, 3 tulisan);
kelima, muncul tulisan seratus rupiah semua (4 tulisan)…
Lima kemungkinan munculnya gambar atau tulisan ini kita sebut sebagai keadaan makroskopis (makro
= besar). Sebaliknya, jika kita menyatakan keempat uang logam sebagai gambar atau tulisan, berarti
kita menyatakan keadaan mikroskopis (mikro = kecil)… Biar paham, tataplah tabel di bawah dengan
penuh kelembutan… pahami perlahan-lahan ya…
Keadaan
makroskopis
Keadaan mikroskopis yang mungkin (G = gambar,
T = tulisan)
Jumlah
keadaan
mikroskopis
4 gambar GGGG 1
3 gambar, 1 tulisan GGGT, GGTG, GTGG, TGGG 4
2 gambar, 2 tulisan GGTT, GTGT, TGGT, GTTG, TGTG, TTGG 6
1 gambar, 3 tulisan TTTG, TTGT, TGTT, GTTT 4
4 tulisan TTTT 1
16
Dalam sekali lemparan, terdapat 16 keadaan mikroskopis yang mungkin (Setiap uang receh
mempunyai dua peluang. Empat uang receh mempunyai 16 kali peluang = 2 x 2 x 2 x 2 = 2 4 = 16).
Peluang yang paling besar adalah muncul 2 gambar dan 2 tulisan (Terdapat 6 keadaan mikroskopis
yang mungkin dari total 16 keadaan mikroskopis — 6/16 x 100 % = 37,5 %). Sebaliknya peluang yang
paling kecil adalah muncul 4 gambar atau 4 tulisan (Masing-masing memiliki 1 keadaan mikroskopis
yang mungkin — 1/16 x 100% = 6,25 %). Yang kita bahas ini hanya peluang alias probabilitas… Kalau
kita melempar uang receh sebanyak 16 kali, belum tentu muncul 2 gambar dan 2 tulisan sebanyak 6
kali. Tapi kalau kita melempar uang receh sebanyak ribuan kali, peluang munculnya 2 gambar dan 2
tulisan bisa mendekati 37,5 %. Sebaiknya dibuktikan saja… Silahkan melempar empat uang receh
seratus rupiah sebanyak 100 kali (1000 kali kalau mampu ). Catat data yang diperoleh dalam satu
kali lemparan… Setelah melempar uang receh sebanyak 100 kali, dirimu akan menemukan bahwa 2
gambar dan 2 tulisan paling sering muncul. Semakin banyak jumlah lemparan, peluang munculnya 2
gambar dan 2 tulisan mendekati 37,5 % dari total jumlah lemparan.
Sebelumnya kita hanya meninjau 4 uang receh. Apabila kita menambah jumlah uang receh maka
jumlah keadaan mikroskopis semakin banyak. Misalnya kita punya 100 uang receh… Dalam sekali
lemparan, terdapat 2100 = 1,27 x 1030 keadaan mikroskopis yang mungkin… Peluang yang paling besar
adalah muncul 50 gambar dan 50 tulisan (Terdapat 1,01 x 1029 keadaan mikroskopis yang mungkin dari
total 1,27 x 1030 keadaan mikroskopis). Sebaliknya peluang yang paling kecil adalah muncul 100
gambar atau 100 tulisan (Masing-masing hanya memiliki 1 keadaan mikroskopis yang mungkin dari
total 1,27 x 1030 keadaan mikroskopis). Sangat kecil dan nyaris tidak mungkin… Jika uang receh kita
sebanyak 1000 keping, peluang munculnya 1000 gambar atau 1000 tulisan tentu saja semakin kecil dan
semakin tidak mungkin.
Untuk menghubungkan dengan konsep entropi, kita bisa menganggap semua gambar atau semua
tulisan merupakan susunan yang teratur, sedangkan separuh gambar dan separuh tulisan merupakan
susunan yang tidak teratur. Semakin banyak jumlah uang receh, probabilitas atau peluang untuk
mendapatkan susunan yang teratur (semua gambar atau semua tulisan) menjadi semakin kecil dan
nyaris tidak mungkin… Sebaliknya susunan yang tidak teratur (separuh gambar dan separuh tulisan)
memiliki probabilitas atau peluang yang jauh lebih besar. Dari hasil ini tampak bahwa ketidakteraturan
berkaitan erat dengan probabilitas. Keadaan yang paling mungkin adalah keadaan yang tidak teratur,
sedangkan keadaan yang nyaris tidak mungkin adalah keadaan yang teratur.
Pernyataan umum hukum kedua termodinamika yang telah kita bahas sebelumnya mengatakan bahwa
entropi atau ketidakteraturan selalu bertambah pada setiap proses ireversibel. Pernyataan hukum kedua
termodinamika ini bisa kita pahami sebagai pernyataan probabilitas. Artinya setiap proses yang terjadi
di alam semesta adalah proses yang memiliki probabilitas atau peluang yang paling besar. Hukum
kedua termodinamika tidak melarang penurunan entropi pada setiap proses ireversibel, tetapi
peluangnya sangat kecil bahkan nyaris tidak mungkin terjadi. Sebaliknya bertambahnya entropi
memiliki peluang yang jauh lebih besar. Jumlah uang receh yang kita tinjau sebelumnya cuma 100…
dalam kenyataannya dalam satu mol saja terdapat 6,02 x 1023 molekul… ini jumlah yang sangat besar.
Keadaan mikroskopis yang mungkin dari jumlah ini tentu saja sangat besar, sehingga keteraturan
memiliki peluang yang sangat kecil dan nyaris tidak mungkin…
Kalau kita menjatuhkan gelas ke lantai, serpihan-serpihan gelas yang tercecer di lantai bisa saja
berkumpul lagi dan membentuk gelas hingga utuh seperti semula. Tetapi peluang kejadiannya sangat
kecil sehingga tidak mungkin terjadi… ketika gelas masih utuh, posisi molekul-molekul lebih teratur.
Ketika gelas jatuh hingga pecah sehingga serpihan-serpihan gelas tercecer di tanah, posisi molekul
menjadi tidak teratur. Peluang untuk kembali ke posisi yang teratur sangat kecil sehingga
mengharapkan bahwa molekul-molekul gelas tersebut ngumpul lagi adalah sesuatu yang mustahil.
Apabila kita menyentuhkan benda panas dan benda dingin, kalor akan mengalir dengan sendirinya dari
benda panas menuju benda dingin… benda panas memiliki molekul-molekul yang bergerak secara acak
dan cepat, sebaliknya gerakan molekul-molekul penyusun benda dingin tidak terlalu cepat. Peluang
molekul-molekul yang bergerak cepat tersebut untuk numbuk temannya atau nyebrang ke benda dingin
jauh lebih besar daripada peluang molekul-molekul yang gerakannya lambat… siapa cepat dia dapat
kalor bisa saja berpindah dari benda dingin ke benda panas, tetapi peluang kejadiannya jauh lebih kecil.
Kelereng biru dan merah pada ilustrasi di atas bisa saja kembali ke susunannya semula yang teratur.
Tetapi peluang untuk kembali ke susunan yang teratur jauh lebih kecil. Susunan yang tidak teratur
memiliki peluang yang jauh lebih besar. Demikian juga dengan pemuaian bebas yang dialami oleh gas
dalam sebuah wadah tertutup. Wadah memiliki dua ruang, di mana kedua ruang dipisahkan oleh
pembatas. Mula-mula gas berada dalam ruang sebelah kiri. Ketika pembatas dilepas, molekul-molekul
gas akan berbondong-bondong nyebrang ke ruang sebelah kanan. Ruang sebelah kanan kosong,
sedangkan ruang sebelah kiri berisi molekul-molekul yang sedang bergerak secara acak. Ketka
pembatas di buka, molekul-molekul tersebut mempunyai peluang yang besar untuk nyebrang ke ruang
kosong. Setelah molekul-molekul tersebut memenuhi seluruh volume wadah yang punya dua ruang
tadi, mungkinkah semua molekul-molekul tersebut mengisi kembali ruang sebelah kiri ? bisa terjadi
tetapi kemungkinannya sangat kecil. Dalam satu mol saja terdapat 6,02 x 1023 molekul… peluang yang
mungkin bahwa semua molekul berada di ruang sebelah kiri adalah 1 dari jutaan kemungkinan yang
ada. Satu berbanding jutaan adalah peluang sangat kecil dan nyaris mustahil…
Dari uraian panjang lebar dan bertele-tele sebelumnya, tampak bahwa hukum kedua termodinamika
mengatakan kepada kita bahwa setiap proses yang terjadi di alam semesta adalah proses yang paling
mungkin terjadi. Arah di mana proses di alam terjadi (menuju entropi yang tinggi) ditentukan oleh
peluang atau probabilitas… ketidakteraturan memiliki probabilitas yang jauh lebih besar sehingga lebih
mungkin terjadi…
Entropi = panah waktu
Entropi disebut juga sebagai panah waktu, karena bisa mengatakan kepada kita mengenai arah
berjalannya waktu. Arah proses pada setiap proses alami adalah menuju ke keadaan yang tidak
teratur… Apabila kita melihat kejadian yang sebaliknya, yakni keadaan tidak teratur dengan sendirinya
berubah menjadi teratur, kita bisa mengatakan bahwa kejadiannya terbalik. Jika kita melihat serpihan-
serpihan gelas yang tercecer di lantai ngumpul lagi dan membentuk gelas hingga utuh seperti semula,
kita bisa mengatakan bahwa peristiwa tersebut terbalik. Hal tersebut tidak pernah terjadi dalam
kehidupan kita setiap hari dan jika terjadi maka itu melangggar hukum kedua termodinamika. Dalam
hal ini, waktu tidak pernah berjalan mundur dan ketidakteraturan tidak pernah berubah dengan
sendirinya menjadi keteraturan. Hal yang paling mungkin terjadi dan selalu terjadi dalam kehidupan
kita adalah keteraturan selalu bergerak menuju ketidakteraturan, waktu selalu berjalan maju, tidak
mundur. Jika seorang tua berubah menjadi bayi, hal tersebut kita anggap tidak normal dan melanggar
hukum kedua termodinamika. Atau tiba-tiba saja seseorang mengatakan bahwa ia datang dari tahun
2036 (Jhon Titor) adalah sesuatu yang aneh dan melanggar arah proses alami…
