Perubahan Fasa Air Akibat Efek Termodinamika

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Termodinamika merupakan suatu bidang ilmu pengetahuan tentang/ yang

berurusan dengan kalor, kerja dan sifat substansi yang berkaitan dengan kerja atau

kalor.[1] Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik

membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. [2] Energi

termal/kalor adalah energi kinetik yang melintas dari satu sistem ke sistem lain

akibat adanya perbedaan temperatur (Joules). Sedangkan Temperatur adalah rata-

rata energi kinetik partikel di dalam suatu sistem, bukan jumlah total energi

kinetik kinetik partikel partikel (Derajat).[3]

Seperti telah diketahui bahwa energi di dalam alam dapat terwujud dalam

berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi listrik,

energi nuklir, energi gelombang elektromagnik, energi akibat gaya magnit, dan

lain-lain. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami

maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal,

tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi

dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan.

Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi. [2]

Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami

dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang

elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut berubah menjadi energi

panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-

tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses di dalam diri manusia juga

merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam

makanan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi

yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. [2]

Tresna Mustikasari (140310100040) Page 1

Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip

alamiah dalam berbagai proses termodinamika direkayasa menjadi berbagai

bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya.

Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang

sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam

bahan bakar atau sumber energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak

atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Pabrik-

pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin

pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi panas dan

kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air conditioning,

mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar

termodinamika. [2]

Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena

perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan

penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan termodinamika

seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin pada abad ke 19.

Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik,

yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum partikel-partikel zat yang

menjadi media pembawa energi, yang disebut pendekatan termodinamika klasik.

Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan

partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan

ilmu termodinamika modern, atau disebut termodinamika statistik. Pendekatan

termodinamika statistik dimungkinkan karena perkembangan teknologi komputer,

yang sangat membantu dalam menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar. [2]

1.2 Tujuan

Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini adalah:

1. Untuk mengetahui apa itu termodinamika dan parameter apa saja yang ada

dalam termodinamika.


2. Untuk mengetahui sejauh apa efek yang ditimbulkan termodinamika dalam

perubahan fasa air ketika diberikan termodinamika.

1.3 Manfaat

Adapun manfaat dari penyusunan makalah ini adalah untuk memberikan

pengetahuan dan litelatur baru mengenai termodinamika dan efeknya terhadap

perubahan fasa air.


BAB II

TEORI DASAR

2.1 Definisi Termodinamika

Semua mahluk hidup melakukan pekerjaan. Tumbuh-tumbuhan

melakukan pekerjaan ketika mengangkat air dari akar ke cabang-cabang, hewan

melakukan melakukan pekerjaan ketika berenang ,merayap, dan terbang. Kerja

juga terjadi ketika pemompaan darah melalui pembuluh darah dalam tubuh dan

pada pemompaan ion-ion melewati dinding sel. Semua kerja ini diperoleh dari

pengeluaran energi kimia yang disimpan dalam makanan yang dikonsumsi oleh

mahluk hidup. [4]

Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan

dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan).

Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan,panas, kerja, dan energi dan

secara khusus perubahan panas menjadi kerja. Hukum termodinamika pertama

dan kedua dirumuskan pada abad ke-19 oleh para ilmuan mengenai peningkatan

efisiensi mesin uap. Bagaimanapun hukum ini merupakan dasar seperti hukum

fisika lainnya.[4] Jadi kesimpulannya termodinamika adalah kajian tentang kalor

(panas) yang berpindah.[5]

2.2 Sistem, Proses dan Siklus Termodinamika[2]

Suatu sistem termodinamika adalah sustu masa atau daerah yang dipilih,

untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai

lingkungan. Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem

(boundary), seperti terlihat pada Gambar 2.1. Dalam aplikasinya batas sistem

merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat

berubah posisi atau bergerak.

Dalam termodinamika ada dua jenis sistem, yaitu sistem tertutup dan

sistem terbuka. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan

tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya

bisa berubah. Yang dapat-keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam


bentuk panas atau kerja. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang

dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah,

dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.

Gambar 2.1 Skema Sistem Termodinamika

(sumber: http://staff.phys.unpad.ac.id/sahrul/)

Gambar 2.2 Contoh Skema Sistem Termodinamika

Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau masuk ke

dalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesin-mesin konversi energi

adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang di dalam silinder

mesin, dimana campuran bahan-bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder,

dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet

dan lain-lain adalah merupakan sistem termodinamika terbuka, karena secara

simultan ada energi dan masa keluar-masuk sistem tersebut.


http://staff.phys.unpad.ac.id/sahrul/)

Gambar 2.3 Skema Sistem Terbuka dan Tertutup

Pada sistem tertutup yang melintasi garis batas (boundary layer) hanyalah

aliran kalor dan kerja saja, sedangkan pada sistem terbuka, fluida kerja juga

melintasi batas dari sistem. Dalam analisis termodinamika pada sistem tertutup

biasanya digunakan massa atur (control mass) dan pada siklur terbuka digunakan

volume atur (control volume). Perubahan keadaan pada substansi kerja (fluida

kerja), menunjukkan proses termodinamika. Proses termodinamika pada sistem

tertutup disebut proses tanpa aliran (non-flow Processes), dan persamaan pokok

yang berlaku adalah hukum termodinamika pertama. Untuk proses sistem terbuka,

atau disebut proses dengan aliran (flow-processes)’, ketentuan pokok yang

berlaku adalah persamaan energi aliran mantap (steady flow energy equation). [1]

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property dari

sistem, seperti tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas, konduksi

panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang disefinisikan dari property

yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain. [1]

Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila

masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya

dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state)

tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai property yang tetap. Apabila

property nya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami

perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan

disebut sistem dalam keadaan setimbang (equilibrium). [1]


Perubahan sistem termodinamika dari keadaan seimbang satu menjadi

keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkaian keadaan diantara keadaan

awal dan akhir disebut linasan proses seperti terlihat pada Gambar 2.4.

Gambar 2.4 Proses dari keadaan satu ke keadaan dua

Tergantung dari jenis prosesnya, maka keadaan 2 dapat dicapai dari

keadaan 1 melalui berbagai lintasan yang berbeda. Proses termodinamika

biasanya digambarkan dalam sistem koordinat 2 property, yaitu P-V diagram, P-v

diagram, atau T-S diagram. Proses yang berjalan pada satu jenis property tetap,

disebut proses iso- diikuti nama property nya, misalnya proses isobaris (tekanan

konstan), proses isochoris (volume konstan), proses isothermis (temperatur

konstan) dan la in-lain. [1]

Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut

menjalani rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke

keadaan awalnya. Pada Gambar 2.5 (a) terlihat suatu siklus terdiri dari 2 jenis

proses, dan Gambar 2.5 (b) siklus lain dengan 4 jenis proses. [1]

Gambar 2.5 Diagram Siklus Termodinamika


2.3 Sistem Satuan, Tekanan dan Temperatur[2]

2.3.1 Sistem Satuan

Suatu sistem satuan adalah sistem besaran atau unit untuk

mengkuantifikasikan dimensi dari satu property. Sistem satuan yang sekarang

dipergunakan di seluruh dunia, termasuk Indonesia, adalah sistem SI (Sistem

Internasional. Sistem ini menggantikan 2 sistem yang dipergunakan

sebelumnya, yaitu sistem British dan sistem Metris.

Dalam sistem SI ada 7 macam dimensi dasar, yaitu panjang (m), masa

(kg), waktu (detik), temperatur (K), arus listrik (A), satuan sinar (candela-c),

dan satuan molekul (mol). Satuan gaya merupakan kombinasi dari masa dan

percepatan, dan mempunyai besaran N (Newton), yang didefinisikan menurut

Hukum Newton,

F=ma 2.1

Dan 1 N adalah gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan

sebesar 1 m/s2 pada suatu masa sebesar 1 kg sehingga.

1 N = 1 kg. m/s2 2.2

Ukuran berat (W) adalah gaya yang ditimbulkan oleh masa m kg,

dengan percepatan sebesar medan gravitasi yang terjadi (g), sebagai berikut.

W=mg 2.3

Satuan W adalah Newton, sedang besar gravitasi di bumi adalah 9,807

m/s2 di permukaan laut dan semakin kecil dengan bertambahnya elevasi.

Kerja yang merupakan salah satu bentuk energi, adalah gaya kali jarak

dengan satuan N.m, dan disebut pula J (Joule) yaitu,

1 J = 1 N.m 2.4

Satuan Joule juga digunakan dalam dimensi energi panas, dan biasanya

ukurannya dalam kJ (kilojoule) atau MJ (Mega Joule).


2.3.2 Tekanan

Tekanan merupakan salah satu property yang terpenting dalam

termodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair atau

gas) pada satu satuan unit luas area. Istilah tekanan pada benda padat disebut

tegangan (stress). Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan

sebagai,

1 Pa = 1 N/m2 2.5

Karena satuan Pascal terlalu kecil, maka dalam analisis termodinamika

seringdigunakan satua kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1 MPa

= 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar (barometric),

atau atm (standard atmosphere), sebagai berikut.

1 bar = 105Pa = 0,1 Mpa = 100kPa

1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa = 1, 01325 bar

Pengukuran tekanan dengan menggunakan referensi tekanan nol absolut

disebut tekanan absolut (ata), sedang tekanan manometer (ato) adalah tekanan

relatif terhadap tekanan atmosfir. Tekanan vakum adalah tekanan dibawah 1

atm, yaitu perbedaan antara tekanan atmosfir dengan tekanan absolut, seperti

ditunjukkan dalam Gambar 2.6. sebagai berikut,

Gambar 2.6 Hubungan pengukuran beberapa jenis tekanan


Alat pengukar tekanan diatas atmosfir adalah manometer, alat pengukur

tekanan vakum disebut manometer vakum, sedang alat pengukur tekanan

atmosfir disebut barometer. Terdapat banyak jenis metode pengukuran

tekanan seperti pipa U, manometer pegas, atau transduser elektronik.

2.3.3 Temperatur

Ukuran temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanya energi

panas pada suatu benda padat, cair, atau gas. Metodenya biasanya

menggunakan perubahan salah satu property suatu material karena panas,

seperti pemuaian, dan sifat listrik.

Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada

benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas

ke alat ukur sampai terjadi keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur

yang terterapada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang

diukur temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Termodinamika

Zeroth (Zeroth Law of Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam

keadaan seimbang thermal dengan benda ketiga maka dua benda tersebut juga

dalam keadaan seimbang thermal walaupuntidak saling bersentuhan.

Dalam sistem SI satuan temperatur adalah Kelvin (K) tanpa derajad.

Skala dari ukuran temperatur dalam derajad Celcius adalah sama dengan

skala ukuran Kelvin, tetapi titik nol oC sama dengan 273,15 K. Titik nol oC

adalah kondisi es mencair pada keadaan standard atmosfir, sedang kondisi 0

K adalah kondisi nol mutlak dimana semua gerakan yang menghasilkan

energi pada semua materi berhenti.

Dalam analisis termodinamika, apabila yang dimaksudkan adalah

ukuran temperatur maka yang digunakan adalah ukuran dalam K, sedang

apabila analisis berhubungan dengan perbedaan temperatur maka baik ukuran oC maupu K dapat digunakan.

2.4 Hukum Termodinamika


2.4.1 Hukum ke nol Termodinamika

“ Jika dua benda berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga,

maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.”

Sejauh ini kita baru meninjau kesetimbangan termal yang dialami oleh dua

benda yang bersentuhan. Untuk memahami konsep kesetimbangan termal secara

lebih mendalam, mari kita tinjau tiga benda (sebut saja benda A, benda B dan

benda C). Misalnya benda B dan benda C tidak saling bersentuhan, tetapi benda A

bersentuhan dengan benda B dan benda A bersentuhan dengan benda C. Amati

gambar di bawah.[6]

Gambar 2.7 Ilustrasi Hukum ke nol Termodinamika

Karena saling bersentuhan maka benda A dan benda B berada dalam

kesetimbangan termal, demikian juga benda A dan benda C berada dalam

kesetimbangan termal. Jika hanya menggunakan logika, kita bisa mengatakan

bahwa benda B dan benda C juga berada dalam kesetimbangan termal, sekalipun

keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda B berada dalam kesetimbangan

termal, berarti suhu benda A = suhu benda B. Benda A dan benda C juga berada

dalam kesetimbangan termal, suhu benda A = suhu benda C. Karena TA = TB dan

TA = TC, maka TB = TC. [6]

Hukum ke nol termodinamika menjelaskan prinsip kerja termometer, alat

pengukur suhu. Tinjau sebuah termometer raksa atau termometer alkohol.

Alkohol atau raksa bersentuhan dengan kaca dan kaca bersentuhan dengan benda

yang diukur suhunya, misalnya udara, air atau tubuh manusia. Walaupun raksa


tidak bersentuhan dengan udara atau air atau tubuh manusia, tetapi karena raksa

bersentuhan dengan kaca maka ketika kaca dan udara atau air atau tubuh manusia

berada dalam kesetimbangan termal, maka raksa dan udara atau air atau tubuh

manusia juga berada dalam kesetimbangan termal. [6]

Gambar 2.8 Kesetimbangan Termal Benda A dan B

Hukum-hukum fisika biasanya dimulai dari 1, jarang dimulai dari nol.

Disebut hukum ke-0 termodinamika karena setelah hukum ke-1 termodinamika,

hukum ke-2 termodinamika dan hukum ke-3 termodinamika dirumuskan, para

ilmuwan menyadari bahwa ada sebuah hukum yang lebih mendasar yang belum

dirumuskan. Karenanya para ilmuwan menyebut hukum ini sebagai hukum ke-0

termodinamika.[6]

2.4.2 Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika membahas tentang macam energi,

konversi dan relasi satu sama lain. Sehingga secara umum merupakan pernyataan

tentang prinsip kekekalan energi. Energi dapat dibedakan antara energi sistem

(besaran sistem) dan energi transfer/proses (besaran proses). Energi Sistem

menyatakan keadaan dari sistem sehingga disebut pula sebagai besaran keadaan.

Energi total sistem merupakan jumlah dari keseluruhan bentuk energi.[7]

Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem

termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai

ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hukum pertama


termodinamika adalah konservasi energi. Secara singkat, hukum tersebut

menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan

tetapi hanya dapat berubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lainnya.Untuk

tujuan termodinamik, perlu lebih spesifik dan menguraikan hukum tersebut secara

lebih kuantitatif. Termodinamika memperhitungkan hubungan antara system S,

dan lingkungan ε di sekelilingnya. [4]

Energi sestem (Es) adalah jumlah energi kinetik molekul-molekul system (

energi termal) dan energi potensial atom-atom dalam molekul (energi kimia).

Energi Es bergantung pada keadaan system, berubah ketika keadaan berubah.

Misalnya, perubahan isobaric, sumber panas meningkatkan energi termal system.

Jika sumber panas adalah bagian dari lingkungan, energi Eε lingkungan juga

berubah. Hukum pertama termodinamika mengatakan bahwa energi Eu semesta.

Eu = Es+ Eε 2.6

Tidak berubah.Ini berarti, jika Es dan Eε adalah energi sistem dan

lingkungan ketika sistem berada pada satu keadaan dan E’s dan E’εadalah energi

ketika sistem berada pada keadaan lain, maka

E’s + E’ε = Es + Eε atau (E’s – Es) + ( E’ε – Eε) 2.7

Seperti sebelumnya, delta digunakan sebagai awalan yang berati

“perbedaan dalam“ atau „perubahan dari“.Secara spesifik ∆ES adalah energi dari

keadaan akhir sistem dikurangi energi dari keadaan awal,

∆ES = E’S – ES 2.8

Dan ∆ES adalah energi akhir lingkungan dikurangi energi awal

∆Eε = E’ε – Eε 2.9

Maka:

∆ES + ∆Eε = 0 atau

∆ES = -∆Eε hukum pertama 2.10


Ini adalah ungkapan matematika yang sesuai untuk hukum pertama

termodinamika.Persamaan tersebut digunakan untuk menghitung perubahan

energi sistem jika perubahan energi lingkungan diketahui, dan serbaliknya.[4]

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan

sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam.

Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan

usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum

kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika.

Secara matematis, hukum I termodinamika dituliskan sebagai. [5]

Q = W + ∆U 2.11

Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi

dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika juga dapat dinyatakan sebagai

berikut.

Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti

diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya

yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas

(coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi

dalam ∆U. [5]

Proses Isotermik[5]

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi

perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi

berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena

berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0)

dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha

yang dilakukan sistem (Q = W).

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini.

Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai


2.12

Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.

Gambar 2.9 Grafik Isotermik

Proses Isokhorik[5]

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan,

gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume

konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan

sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai

kalor gas pada volume konstan QV.

QV = ∆U 2.13


Gambar 2.10 Grafik Isokhorik

Proses Isobarik[5]

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap

konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam

tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan

sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Berdasarkan hukum I termodinamika,

pada proses isobarik berlaku

2.14

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan

kalor yang diserap gas pada volume konstan

QV =∆U 2.15

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Qp − QV 2.15

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih

energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor)

yang diserap gas pada volume konstan (QV).


Gambar 2.11 Grafik Isobarik

Proses Adiabatik[5]

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun

keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan

gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan

volume masing-masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan

dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat

dinyatakan sebagai.

2.16

Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor

molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih

besar dari 1 (γ > 1).

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk

kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan

kelengkungan yang lebih curam.


Gambar 2.12 Grafik Adiabatik

2.4.3 Hukum Ke dua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini

menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi

cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai

maksimumnya. [4]

Sebuah benda dengan massa m dilepaskan dari ketinggian h secara

spontan jatuh ke tanah, kemudian diam.Pada situasi ini energi semesta adalah

jumlah energi termal benda, energi termal tanah dan energi mekanik

benda.Sebelum dilepaskan, benda mempunyai energi mekanik yang sama dengan

energi potensialnya U = mgh, dan setelah benda tersebut diam di tanah, energi

mekaniknya nol.Pada proses ini, dengan gemikian energi mekanik semesta

berkurang dari mgh menjadi nol.Jika energi total semesta tidak berubah (hukum

pertama termodinamika), energi termal semesta dapat meningkat dengan

mgh.Peningkatan energi termal menunjukan peningkatan yang kecil pada

temperatur benda dan tanah. [4]

Sebagaimana diketahui dari pengalaman sehari-hari bahwa suatu benda

yang awalnya diam di tanah tidak akan pernah secara spontan meloncat ke udara.

Hal tersebut tidak mungkin terjadi karena melanggar hukum pertama.Jika sebuah

benda meloncat ke udara, akan terjadi peningkatan energi mekanik semesta. Hal


ini tidak akan melanggar hukum pertama, bagaimanapun jika terdapat hubungan

penurunan energi termal semesta. Hukum pertama tidak menjelaskan mengapa

benda tidak pernah meloncat ke udara secara spontan. [4]

Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah

proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di

dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang

menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar". [8]

Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum

kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah

ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung

semakin besar. [8]

Proses benda meloncat ke udara secara spontan adalah kebalikan dari

proses benda jatuh ke tanah secara spontan.Satu proses terjadi dengan mudah.

Sedangkan 11 proses kebalikannya tidak akan pernah terjadi sama sekali.Banyak

proses irreversibel yang lain yang dapat terjadi hanya dalam satu arah.Sebagai

contoh, ketika benda yang dingin dan benda panas bersentuhan, kalor selalu

mengalir dari benda panas kebenda yang dingin, dan tidak pernah dari benda

dingin ke benda yang panas. Akibatnya suhu benda yang panas menurun,

sedangkan suhu benda yang dingin meningkat. Jika proses kebalikan yang terjadi,

benda yang dingin akan menjadi lebih dingin sedangkan benda yang panas akan

lebih panas.Contoh lain, tinta diteteskan kedalam segelas air, menyebar hingga

tinta tersebut dalam air.proses kebalikannya, dimana campuran air dan tinta secara

spontan memisah menjadi air murni dan tinta murni, tidak akan pernah terjadi. [4]

Formulasi Kelvin-Planck atau hukum termodinamika kedua menyebutkan

bahwa adalah tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja

dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari

suatu reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik. Hukum

kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata

lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan


arahnya). Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka

salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut.

Akan tetapi beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut

untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki

arah, yaitu dari panas ke dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah

studi tentang mesin kalor. [4]

2.4.3 Hukum Ke tiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut.

Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol

absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai

minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal

sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. [4]

2.5 Zat Murni (Pure Substance)[9]

Merupakan zat yang mempunyai komposisi kimia yang tetap (stabil),

misalnya : air (water) , nitrogen, helium, dan CO2.

Zat murni bisa terdiri dari satu elemen kimia (N2 ) maupun campuran

(udara).Campuran dari beberapa fase zat murni adalah zat murni, contohnya

campuran air dan uap air. Tetapi campuran dari udara cair dan gas bukan zat murn

karena susunan kimianya berubah atau berbeda.

Gambar 2.13 Zat Murni dan Bukan Zat Murni


2.5.1 Fase dari Zat Murni

Diidentifikasi berdasarkan susunan molekulnya.

Solid (padat) : jarak antar molekul sangat dekat sehingga gaya tarik antar

molekul sangat kuat, maka bentuknya tetap. Gaya tarik antara molekul-

molekul cenderung untuk mempertahankannya pada jarak yang relatif

konstan.Pada temperatur tinggi molekul melawan gaya antar molekul dan

terpencar.

Liquid (cair) : Susunan molekul mirip dengan zat padat , tetapi terhadap

yang lain sudah tidak tetap lagi. Sekumpulan molekul akan mengambang

satu sama lain.

Gas : Jarak antar molekul berjauhan dan susunannya acak. Molekul

bergerak secara acak.


BAB III

PEMBAHANSAN

Sebelumnya telah dilakukan kajian teori mengenai termodinamika dan zat

murni. Sebagaimana kita ketahui, termodinamika biasa diartikan sebagai faktor

pengganggu yang sering memberikan efek terhadap lingkungan sekitarnya.

Termasuk ketika suatu zat murni (dalam hal ini air) diberikan suhu secara terus

menerus maka akan mengalami efek. Efek yang ditimbulkan adalah perubahan

wujud atau fasa dari air tersebut.

3.1 Perubahan Fasa dari Zat Murni[9]

State 1 : Pada state ini disebut compressed liquid atau subcooled liquid. Pada state

ini penambahan panas hanya akan menaikkan temperatur tetapi belum

menyebabkan terjadi penguapan (not about to vaporize)

State 2 : Disebut saturated liquid (cairan jenuh). Pada state ini fluida tepat akan

berubah fasenya. Penambahan panas sedikit saja akan menyebabkan terjadi

penguapan (about to vaporize). Akan mengalami sedikit penambahan volume.

State 3 : Disebut “Saturated liquid - vapor mixture” (campuran uap - cairan

jenuh). Pada keadaan ini uap dan cairan jenuh berada dalam kesetimbangan.

Penambahan panas tidak akan menaikkan temperatur tetapi hanya menambah

jumlah penguapan.

State 4 : Campuran tepat berubah jadi uap seluruhnya, disebut “saturated vapor”

(uap jenuh). Pada keadaan ini pengurangan panas akan menyebabkan terjadi

pengembunan (“about to condense”).

State 5 : Disebut “superheated vapor” (uap panas lanjut). Penambahan panas akan

menyebabkan kenaikkan suhu dan volume.


Gambar 2.14 Pemanasan Air pada tekanan konstan

Proses-proses tersebut di atas dapat digambarkan dalam diagram T - v.

Diagram ini menggambarkan perubahan-perubahan temperatur dan volume jenis.

Gambar 2.15 Diagram T-v proses perubahan fase air pada tekanan konstan

Proses 1-2-3-4-5 adalah pemanasan pada tekanan konstan

Proses 5-4-3-2-1 adalah pendinginan pada tekanan konstan

3.1.1 Sifat Diagram (Property Diagram)

Dari gambar 3.1 dapat dilihat bahwa semakin tinggi tekanan air maka

semakin tinggi pula titik didihnya. Tsat merupakan fungsi dari Psat ,(Tsat = f Psat)


Diagram T-v

Gambar 3.1 Diagram T- v perubahan fase zat murni (air) pada berbagai variasi

tekanan

Tsat = Saturation temperature , temperatur saat zat murni berubah phase pada

tekanan tertentu.

Psat = Saturation pressure , tekanan saat zat murni berubah phase pada

temperatur tertentu.

Garis yang menghubungkan keadaan cair jenuh dan uap jenuh akan semakin

pendek jika tekanannya makin besar. Pada tekanan tertentu (22,09 MPa) keadaan

cair jenuh dan uap jenuh berada pada satu titik. Titik ini disebut titik kritis

(critical point). Untuk air (water) : T cr = 374,14oC ; Pcr = 22,09 MPa. ; vcr =

0,003155 m3/kg. Jika titik-titik pada keadaan cair jenuh dihubungkan maka

diperoleh garis cair jenuh. Jika titik-titik pada keadaan uap jenuh dihubungkan

maka diperoleh garis uap jenuh. Kedua garis ini bertemu di titik kritis.


Gambar 3.2 Diagram T- v zat murni

Di atas titik tekanan kritis proses perubahan dari cair menjadi uap tidak lagi

terlihat jelas/nyata. Terjadi perubahan secara spontan dari cair menjadi uap.

Diagram P-v

Gambar 3.3 Diagram P- v zat murni


Bentuk dari diagram P-v mirip dengan diagram T- v. Pada diagram P-v

garis temperatur konstan mempunyai trend menurun sedangkan pada diagram T-v

garis tekanan konstan mempunyai trend menaik.

3.1.2 Diagram P - v dan P-T fase padat, cair dan gas

Mengecil Sewaktu Membeku

Kebanyakan zat murni akan menyusut saat membeku.

Gambar 3.3 Diagram P- v zat murni yang menyusut saat membeku

Mengembang sewaktu membeku

Gambar 3.4 Diagram P- v zat murni yang mengembang saat membeku

(contohnya adalah air)


Pada kondisi tertentu fase padat, cair dan gas berada dalam

kesetimbangan. Pada diagram P-v dan T-v keadaan ini akan membentuk

suatu garis yang disebut Triple line. Dalam diagram P-T keadaan ini

nampak sebagai suatu titik dan disebut Triple point. Triple point air adalah

T TR= 0,01 oC dan PTR = 0,06113 kPa.

Gambar 3.5 Diagram P- T zat murni (diagram fase)

Diagram P-T sering disebut sebagai diagram fase karena dalam

diagram P-T, antar tiga fase dipisahkan secara jelas, masing-masing

dengan sebuah garis. Ketiga garis bertemu di triple point. Garis penguapan

(vaporisation) berakhir di titik kritis karena tidak ada batas yang jelas

antara fase cair dan fase uap. Tidak ada zat yang berada pada fase cair jika

tekanannya berada di bawah tekanan Triple point. Ada dua cara zat padat

berubah menjadi uap Pertama melalui proses mencair kemudian menguap

dan kedua fase padat berubah langsung menjadi fase gas (disebut

menyublim). Menyublim hanya dapat terjadi pada tekanan di bawah

tekanan Triple point.


Diagram P-v-T

Gambar 3.6 Diagram P- T zat murni (diagram fase)


BAB IV

KESIMPULAN

Fase didefinisikan sebagai sistem yang homogen yang mempunyai sifat

kimia dan sifat fisika yang seragam/uniform. Fasa suatu zat dipengaruhi oleh

termodinamika. Semakin panas suhu yang diberikan, semakin renggang jarak

antar partikelnya. Hal ini disebabkan karena energi dari suhu memecah energi

ikatan antar partikel zat yang dipanaskan tersebut.

Satu fase : contohnya logam murni, padatan, cairan.

Lebih 1 fase : contohnya larutan air-gula dengan gula (larutan air-gula yang

melampaui batas kelarutan).

Sistem fase tunggal : homogen

Sistem 2 atau lebih fase : campuran atau sistem heterogen.

Berikut pemodelan fasa zat padat, cair dan gas:

Gambar 4.1 Partikel setiap masa akibat pengaruh suhu


DAFTAR PUSTAKA

[1] Wirakusuma, Windi Hermawan. Termodinamika dan Perpindahan Panas:

http://reocities.com

[2] Sudjito, Ir. PhD. Dkk. Diktat Termodinamika Dasar: http://mesin.ub.ac.id

[3] Hidayat, Sahrul. Termodinamika Dasar: http://staff.phys.unpad.ac.id

[4] Windartun. Termo Makalah-1: http://file.upi.edu

[5] Hari, Bayu Sapta. Termodinamika: http://aktifisika.wordpress.com

[6] http://gurumuda.net/hukum-ke-nol-termodinamika.htm

[7] http://sihana.staff.ugm.ac.id/s1/than/than-ch01.htm

[8] http://www.fisikanet.lipi.go.id/

[9] Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I


http://www.fisikanet.lipi.go.id/

http://sihana.staff.ugm.ac.id/s1/than/than-ch01.htm

http://gurumuda.net/hukum-ke-nol-termodinamika.htm

http://aktifisika.wordpress.com/

http://file.upi.edu/

http://staff.phys.unpad.ac.id/

http://mesin.ub.ac.id/

http://reocities.com/

Documents

Perubahan Fasa Air Akibat Efek Termodinamika