Jumat, 11 Juni 2010

Momentum dan Impuls

Pernahkah dirimu menyaksikan tabrakan antara dua kendaraan di jalan ? kalo belum, silahkan mencoba ;) sstt… jangan diikuti. Berbahaya bagi kesehatan jiwa dan raga-mu :) apa yang terjadi ketika dua kendaraan bertabrakan ? mungkin pengendara atau penumpangnya babak belur dan langsung digiring ke rumah sakit. Kondisi mobil atau sepeda motor mungkin hancur berantakan… Kalau kita tinjau dari ilmu fisika, fatal atau tidaknya tabrakan antara kedua kendaraan ditentukan oleh momentum kendaraan tersebut. masa sich ? serius… terus momentum tu apa ? sebelum berkenalan dengan momentum, pahami penjelasan gurumuda berikut ini terlebih dahulu.

Dalam ilmu fisika terdapat dua jenis momentum yakni momentum linear dan momentum sudut. Kadang-kadang momentum linear disingkat momentum. Dirimu jangan bingun ketika membaca buku pelajaran fisika yang hanya menulis “momentum”. Yang dimaksudkan buku itu adalah momentum linear. Seperti pada gerak lurus, kita seringkali hanya menyebut kecepatan linear dengan “kecepatan”. Tetapi yang kita maksudkan sebenarnya adalah “kecepatan linear”. Momentum linear merupakan momentum yang dimiliki benda-benda yang bergerak pada lintasan lurus, sedangkan momentum sudut dimiliki benda-benda yang bergerak pada lintasan melingkar. Btw, pengertian momentum tu apa ? terus apa hubungannya dengan tabrakan alias tumbukan dan impuls ? nah, sekarang tarik napas panjang sepuas2nya…. Seperti biasa, kita akan bergulat lagi dengan ilmu fisika. Kali ini kita bertarung dengan momentum, tumbukan dan impuls. Santai saja… gurumuda akan berusaha menjelaskan dengan bahasa yang sederhana sehingga dirimu cepat paham. Selamat belajar ya, semoga dahimu tidak berkerut2… :)

Momentum itu apa sich ?

Ssttt… momentum yang kita maksudkan di sini adalah momentum linear… jangan lUpA yA ?. Dalam fisika, momentum suatu benda didefinisikan sebagai hasil kali massa benda dengan kecepatan gerak benda tersebut. Secara matematis ditulis :

p = mv

p adalah lambang momentum, m adalah massa benda dan v adalah kecepatan benda. Momentum merupakan besaran vektor, jadi selain mempunyai besar alias nilai, momentum juga mempunyai arah. Besar momentum p = mv. Terus arah momentum bagaimana-kah ? arah momentum sama dengan arah kecepatan. Misalnya sebuah mobil bergerak ke timur, maka arah momentum adalah timur, tapi kalau mobilnya bergerak ke selatan maka arah momentum adalah selatan. Bagaimana dengan satuan momentum ? karena p = mv, di mana satuan m = kg dan satuan v = m/s, maka satuan momentum adalah kg m/s. Nama lain dari kg m/s adalah gurumuda. He2…. Cuma canda. Tidak ada nama khusus untuk satuan momentum.

Dari persamaan di atas, tampak bahwa momentum (p) berbanding lurus dengan massa (m) dan kecepatan (v). Semakin besar kecepatan benda, maka semakin besar juga momentum sebuah benda. Demikian juga, semakin besar massa sebuah benda, maka momentum benda tersebut juga bertambah besar. Perlu anda ingat bahwa momentum adalah hasil kali antara massa dan kecepatan. Jadi walaupun seorang berbadan gendut, momentum orang tersebut = 0 apabila dia diam alias tidak bergerak. Jadi momentum suatu benda selalu dihubungkan dengan massa dan kecepatan benda tersebut. kita tidak bisa meninjau momentum suatu benda hanya berdasarkan massa atau kecepatannya saja.

Contohnya begini, sebut saja mobil gurumuda dan mobil gurutua. Apabila kedua mobil ini bermassa sama tetapi mobil gurumuda bergerak lebih kencang (v lebih besar) daripada mobil gurutua, maka momentum mobil gurumuda lebih besar dibandingkan dengan momentum mobil gurutua. Contoh lain, misalnya mobil gurumuda memiliki massa besar, sedangkan mobil gurutua bermassa kecil. Apabila kedua mobil ini kebut2an di jalan dengan kecepatan yang sama, maka tentu saja momentum mobil gurumuda lebih besar dibandingkan dengan momentum mobil gurutua. Sampai di sini dirimu paham khaen ? kalo belum, dibaca kembali perlahan-lahan ya…. masa dirimu kalah bertarung dengan momentum :)

Hubungan Momentum dan tumbukan tu gimana ?

Pada pembahasan di atas, gurumuda sudah menjelaskan panjang lebar kepada dirimu mengenai pengertian momentum dalam ilmu fisika. Nah, kali ini kita akan melihat hubungan antara momentum dengan tumbukan. Pernahkah dirimu menyaksikan tabrakan antara dua kendaraan beroda di jalan ? apa yang dirimu amati ? yang pasti penumpangnya babak belur dan digiring ke rumah sakit dalam tempo yang sesingkat2nya… tapi maksud gurumuda, bagaimana kondisi kendaraan tersebut ? kendaraan tersebut mungkin hancur lebur dan mungkin langsung digiring ke bengkel khan ? paling singgah bentar di kantor polisi :)

Sekarang coba dirimu bandingkan, bagaimana akibat yang ditimbulkan dari tabrakan antara dua sepeda motor dan tabrakan antara sepeda motor dengan mobil ? anggap saja kendaraan tersebut bergerak dengan laju sama. Tentu saja tabrakan antara sepeda motor dan mobil lebih fatal akibatnya dibandingkan dengan tabrakan antara dua sepeda motor. Kalo ga percaya silahkan buktikan :) Massa mobil jauh lebih besar dari massa sepeda motor, sehingga ketika mobil bergerak, momentum mobil tersebut lebih besar dibandingkan dengan momentum sepeda motor. Ketika mobil dan sepeda motor bertabrakan alias bertumbukan, maka pasti sepeda motor yang terpental. Bisa anda bayangkan, apa yang terjadi jika mobil bergerak sangat kencang (v sangat besar) ?

Kita bisa mengatakan bahwa makin besar momentum yang dimiliki oleh sebuah benda, semakin besar efek yang timbulkan ketika benda tersebut bertumbukkan. Kalo dirimu kurus, coba aja bertabrakan dengan temanmu yang gendut… sebaiknya jangan dicoba, karena pasti ntar dirimu yang terpental dan meringis kesakitan… :)

Sebelum kita melihat hubungan antara momentum dan impuls, terlebih dahulu kita pahami hukum II Newton dalam bentuk momentum.

Hukum II Newton

Lho, kok tiba2 eyang Newton muncul ?

Pada pokok bahasan Hukum II Newton, kita telah belajar bahwa jika ada gaya total yang bekerja pada benda maka benda tersebut akan mengalami percepatan, di mana arah percepatan benda sama dengan arah gaya total. Jika dirimu masih bingun dengan Hukum II warisan eyang Newton, sebaiknya segera meluncur ke TKP dan pelajari dulu. Nah, apa hubungan antara hukum II Newton dengan momentum ? yang benar, bukan hubungan antara Hukum II Newton dengan momentum tetapi hubungan antara gaya total dengan momentum. Sekarang pahami penjelasan gurumuda berikut ini.

Misalnya ketika sebuah mobil bergerak di jalan dengan kecepatan tertentu, mobil tersebut memiliki momentum. Nah, untuk mengurangi kecepatan mobil pasti dibutuhkan gaya (dalam hal ini gaya gesekan antara kampas dan ban ketika mobil direm). Ketika kecepatan mobil berkurang (v makin kecil), momentum mobil juga berkurang. Demikian juga sebaliknya, sebuah mobil yang sedang diam akan bergerak jika ada gaya total yang bekerja pada mobil tersebut (dalam hal ini gaya dorong yang dihasilkan oleh mesin). Ketika mobil masih diam, momentum mobil = 0. pada saat mobil mulai bergerak dengan kecepatan tertentu, mobil tersebut memiliki momentum. Jadi kita bisa mengatakan bahwa perubahan momentum mobil disebabkan oleh gaya total. Dengan kata lain, laju perubahan momentum suatu benda sama dengan gaya total yang bekerja pada benda tersebut. Ini adalah hukum II Newton dalam bentuk momentum. Eyang newton pada mulanya menyatakan hukum II newton dalam bentuk momentum. Hanya eyang menyebut hasil kali mv sebagai “kuantitas gerak”, bukan momentum.

Secara matematis, versi momentum dari Hukum II Newton dapat dinyatakan dengan persamaan :

Catatan = lambang momentum adalah p kecil, bukan P besar. Kalau P besar itu lambang daya. p dicetak tebal karena momentum adalah besaran vektor.

Dari persamaan ini, kita bisa menurunkan persamaan Hukum II Newton “yang sebenarnya” untuk kasus massa benda konstan alias tetap.

Sekarang kita tulis kembali persamaan di atas :

Gampang khan ? ini adalah persamaan Hukum II eyang Newton untuk kasus massa benda tetap, yang sudah kita pelajari pada pokok bahasan Hukum II Newton. Gurumuda menyebutnya di atas sebagai Hukum II Newton “yang sebenarnya”.

Terus apa bedanya penggunaan hukum II Newton “yang sebenarnya” dengan hukum II Newton versi momentum ? Hukum II Newton versi momentum di atas lebih bersifat umum, sedangkan Hukum II Newton “yang sebenarnya” hanya bisa digunakan untuk kasus massa benda tetap. Jadi ketika menganalisis hubungan antara gaya dan gerak benda, di mana massa benda konstan, kita bisa menggunakan Hukum II Newton “yang sebenarnya”, tapi tidak menutup kemungkinan untuk menggunakan Hukum II Newton versi momentum. Ketika kita meninjau benda yang massa-nya tidak tetap alias berubah, kita tidak bisa menggunakan Hukum II Newton “yang sebenarnya” (F = ma). Kita hanya bisa menggunakan Hukum II Newton versi momentum. Contohnya roket yang meluncur ke ruang angkasa. Massa roket akan berkurang ketika bahan bakarnya berkurang atau habis. Paham khan ?

Nah, sekarang mari kita jalan-jalan menuju Impuls…

Hubungan antara Momentum dan Impuls

Pernahkah dirimu dipukul teman anda ? kok ngajak berantem sih… :) coba lakukan percobaan impuls dan momentum berikut… pukul tangan seorang temanmu menggunakan jari anda. Tapi jangan yang keras ya… gurumuda tidak mengajarkan dirimu untuk melakukan kekerasan. Gunakan ujung jari anda. Coba tanyakan kepada temanmu, mana yang lebih terasa sakit; ketika dipukul dengan cepat (waktu kontak antara jari pemukul dan tangan yang dipukul sangat singkat) atau ketika dipukul lebih lambat (waktu kontak antara jari pemukul dan tangan yang dipukul lebih lambat). Kalau dilakukan dengan benar (besar gaya sama), biasanya yang lebih sakit adalah ketika tanganmu dipukul dengan cepat. Ketika dirimu memukul tangan temanmu, tangan dirimu dan tangan temanmu saling bersentuhan, dalam hal ini saling bertumbukan.

Ketika terjadi tumbukan, gaya meningkat dari nol pada saat terjadi kontak dan menjadi nilai yang sangat besar dalam waktu yang sangat singkat. Setelah turun secara drastis menjadi nol kembali. Ini yang membuat tangan terasa lebih sakit ketika dipukul sangat cepat (waktu kontak antara jari pemukul dan tangan yang dipukul sangat singkat).

Hukum II Newton versi momentum yang telah kita turunkan di atas menyatakan bahwa laju perubahan momentum suatu benda sama dengan gaya total yang bekerja pada benda tersebut. Besar gaya yang bekerja pada benda yang bertumbukan dinyatakan dengan persamaan :

Ingat bahwa impuls diartikan sebagai gaya yang bekerja pada benda dalam waktu yang sangat singkat. Konsep impuls membantu kita ketika meninjau gaya-gaya yang bekerja pada benda dalam selang waktu yang sangat singkat. Misalnya ketika ronaldinho menendang bola sepak, atau ketika tanganmu dipukul dengan cepat.



Momentum Sudut

Akhirnya, tinggal selangkah lagi dinamika rotasi beres. Oya, semester kemarin dah belajar momentum dan impuls khan ? dirimu masih ingat tidak ? wah gawat kalau dah lupa… yawdah, nanti gurumuda jelaskan intisarinya lagi, biar dirimu paham. Met belajar ya… semoga momentum sudut semakin dekat di hatimu ;)

Momentum

Sebelum kita berkenalan dengan momentum sudut, terlebih dahulu kita pahami kembali konsep momentum (momentum = momentum linear). Momentum alias momentum linear adalah momentum yang dimiliki oleh benda-benda yang bergerak pada lintasan lurus. Dalam kehidupan sehari-hari, tidak semua benda selalu bergerak sepanjang lintasan lurus. Lintasan lurus itu hanya model yang kita pakai untuk membantu kita menganalisis gerakan benda. Jadi kita menganggap setiap benda seolah-olah selalu bergerak sepanjang lintasan atau jalan yang lurus. Begitu…

Ketika dirimu kebut2an di jalan dengan sepeda motor, sepeda motor kesayanganmu (dan dirimu) memiliki momentum. Demikian juga setiap kendaraan, baik di darat, laut dan udara, pasti mempunyai momentum jika kendaraan itu bergerak. Intinya, jika suatu benda bergerak, benda itu pasti mempunyai momentum. Terus momentum tuh apa ? wah, kayanya dah lupa neh sama pelajaran kemarin :) secara matematis, momentum sebuah benda merupakan hasil kali antara massa (m) benda itu dan kecepatan (v) geraknya. Gurumuda tulis persamaannya lagi ya :

p = m v

Keterangan :

p =momentum

m = massa

v = kecepatan

Momentum merupakan besaran vektor, jadi selain mempunyai besar alias nilai, momentum juga mempunyai arah. Besar momentum p = mv. Terus arah momentum bagaimana-kah ? arah momentum sama dengan arah kecepatan. Misalnya jika dirimu kebut2an dengan sepeda ontel ke arah timur, maka arah momentum adalah timur, tapi kalau dirimu dan sepeda ontel bergerak ke utara maka arah momentum adalah utara. Bagaimana dengan satuan momentum ? karena p = mv, di mana satuan m = kg dan satuan v = m/s, maka satuan momentum adalah kg m/s.

Dari persamaan di atas, tampak bahwa momentum (p) berbanding lurus dengan massa (m) dan kecepatan (v). Semakin besar kecepatan benda, semakin besar momentum benda tersebut. Demikian juga, semakin besar massa sebuah benda, momentum benda tersebut juga semakin besar. Perlu diingat bahwa momentum merupakan hasil kali antara massa (m) dan kecepatan (v). Jadi jika sebuah benda sedang diam (kecepatannya = 0), maka momentum benda itu = 0, meskipun massa benda itu berton-ton. Dirimu paham khan ? Sekarang kita beralih ke momentum sudut ya…..

Momentum Sudut

Jika momentum linear adalah momentum yang dimiliki oleh benda-benda yang bergerak pada lintasan lurus, maka momentum sudut merupakan momentum yang dimiliki oleh benda-benda yang melakukan gerak rotasi. Dikatakan sudut, karena ketika melakukan gerak rotasi, setiap benda mengitari sudut tertentu. Dalam hal ini, benda berputar terhadap poros alias sumbu rotasi.

Persamaan momentum sudut itu mirip dengan persamaan momentum linear. Kita tinggal menggantikan besaran-besaran linear (besaran gerak lurus) pada persamaan momentum dengan besaran-besaran sudut (besaran gerak rotasi). Gurumuda tulis persamaan momentum lagi ya…

p = mv

Ini adalah persamaan momentum untuk benda-benda yang bergerak pada lintasan lurus. Jika dalam gerak lurus setiap benda (benda dianggap sebagai partikel tunggal) mempunyai massa (m), maka di dalam gerak rotasi, setiap benda tegar (benda dianggap tersusun dari banyak partikel) mempunyai momen Inersia (I). Temannya massa tuh momen inersia. Jadi untuk menurunkan persamaan momentum sudut, kita bisa menggantikan massa (m), dengan momen inersia (I).

Ketika sebuah benda melakukan gerak lurus, benda tersebut bergerak dengan kecepatan (v) tertentu. Dalam hal ini, setiap bagian benda itu mempunyai kecepatan yang sama. Misalnya ketika dirimu kebut2an di jalan dengan motor kesayanganmu, bagian depan motor, bagian bawah, samping kiri, samping kanan, atas dan bawah selalu bergerak dengan kecepatan yang sama. Sstt.. kecepatan = kecepatan linear. .Jangan lupa ya… Bagaimanakah dengan gerak rotasi ?

Ketika sebuah benda melakukan gerak rotasi, setiap bagian benda itu juga punya kecepatan linear, tapi kecepatan linearnya berbeda-beda. Misalnya jika dirimu mendorong pintu rumah, bagian tepi pintu bergerak lebih cepat (v besar), sedangkan bagian pintu yang ada di dekat engsel, bergerak lebih pelan (v kecil). Walaupun kecepatan linear setiap bagian benda berbeda-beda, kecepatan sudut semua bagian benda itu selalu sama. Silahkan mendorong pintu rumah lagi… Ketika kita mendorong pintu, semua bagian pintu itu, baik tepi pintu maupun bagian pintu yang ada di dekat engsel, berputar menempuh sudut yang sama, selama selang waktu yang sama. Jika pintu berhenti berputar, semua bagian pintu itu ikut2an berhenti berputar (kecepatan sudut = 0). Mirip seperti jika dirimu menghentikan sepeda motor, maka semua bagian sepeda motormu itu ikut2an berhenti bergerak (kecepatan = 0).

Jadi, jika dalam gerak lurus terdapat besaran kecepatan, maka dalam gerak rotasi terdapat besaran kecepatan sudut. Untuk menurunkan persamaan momentum sudut, kita bisa menggantikan kecepatan (v), dengan kecepatan sudut (omega). Nah, sekarang kita langsung menulis persamaan alias rumus momentum sudut…

momentum-sudut-a

Satuan momentum sudut adalah kg m2/s. Satuan ini berasal dari mana-kah ? Guampang kok, oprek saja rumus momentum sudut. Hajar tuh momentum sudut….

Hukum II Newton versi Momentum untuk Gerak Rotasi

Dalam pembahasan mengenai impuls dan momentum, gurumuda sudah menjelaskan persamaan Hukum II Newton versi momentum untuk gerak lurus. Silahkan meluncur ke TKP untuk mempelajari lagi jika dirimu sudah melupakannya. Gurumuda langsung tulis persamaannya saja di sini, untuk membantu kita menurunkan persamaan Hukum II Newton versi momentum untuk gerak rotasi. Silahkan pelajari konsep2nya di TKP (impuls dan momentum).

Secara matematis, Hukum II Newton versi momentum untuk gerak lurus dinyatakan dengan persamaan :

momentum-sudut-b

Persamaan Hukum II Newton versi momentum untuk gerak rotasi cuma beda tipis dengan persamaan di atas. Kita tinggal menggantikan besaran2 gerak lurus dengan besaran2 gerak rotasi. Gaya (F) bisa digantikan dengan Torsi, Momentum (p) diganti dengan momentum sudut (L). Besaran waktu (t) tetap.

Persamaan Hukum II Newton versi momentum untuk gerak rotasi dinyatakan dengan persamaan :

momentum-sudut-c

Persamaan ini menyatakan bahwa laju perubahan momentum sudut sama dengan torsi total yang bekerja pada benda tegar. Laju perubahan momentum sudut = perubahan momentum sudut yang terjadi selama selang waktu tertentu. Misalnya mula-mula sebuah benda tegar diam (momentum sudutnya = 0). Setelah dikerjakan Torsi, benda tegar tersebut berotasi dengan kecepatan sudut tertentu. Ketika berotasi, benda tegar itu mempunyai momentum sudut. Jadi selama selang waktu tertentu, benda mengalami perubahan momentum sudut dari nol menjadi ada. Dalam hal ini terjadi pertambahan momentum sudut.

Terus torsi total tuh apaan ? Torsi total tuh mirip dengan gaya total. Misalnya mula-mula sebuah pintu diam. Jika kita mendorong pintu (kita mengerjakan torsi pada pintu), pintu itu berputar. Perlu diketahui bahwa tidak semua torsi yang dikerjakan terpakai untuk menggerakan pintu. Sebagian torsi lenyap karena pada pintu juga bekerja torsi akibat adanya gaya gesekan (gesekan antara pintu dengan udara atau gesekan antara pintu dengan engsel). Selisih antara torsi yang kita berikan dan torsi yang timbul akibat adanya gaya gesekan disebut torsi total. Torsi total ini yang membuat pintu berputar alias berotasi.

Persamaan Hukum II Newton versi momentum di atas lebih bersifat umum. Maksudnya persamaan itu berlaku baik momen inersia benda tegar konstan maupun tidak konstan.

Dari persamaan Hukum II Newton versi momentum di atas, kita juga bisa menurunkan persamaan Hukum II Newton untuk gerak rotasi. Persamaan hukum II Newton untuk gerak rotasi ini berlaku untuk kasus khusus saja, yakni ketika momen inersia benda tegar tetap. Ok, tancap gas…

Jika

momentum-sudut-d

Maka persamaan Hukum II Newton versi momentum untuk gerak rotasi di atas bisa dioprek menjadi seperti ini :

momentum-sudut-e

Keterangan :

momentum-sudut-f

Ini adalah persamaan Hukum II Newton untuk gerak rotasi. Guampang khan ? hehe… momentum sudut tumbang lagi. Lanjut…

HUKUM KEKEKALAN MOMENTUM SUDUT

Momentum sudut yang telah kita pelajari sebelumnya, merupakan konsep yang penting dalam fisika. Momentum sudut merupakan dasar dari hukum kekekalan momentum sudut. btw, hukum itu berbeda dengan prinsip. Dalam fluida, kita mengenal prinsip archimedes, prinsip pascal dkk. Prinsip itu hanya berlaku untuk kondisi tertentu saja. Hukum itu berlaku universal alias umum.

Hukum Kekekalan Momentum Sudut menyatakan bahwa :

Jika Torsi total yang bekerja pada sebuah benda tegar = 0, maka momentum sudut benda tegar yang berotasi bernilai konstan.

Hukum kekekalan momentum sudut ini merupakan salah satu hukum kekekalan yang penting dalam fisika. Secara matematis, pernyataan Hukum Kekekalan momentum Sudut di atas bisa dibuktikan dengan mengoprek persamaan Hukum II Newton untuk gerak rotasi versi momentum.

momentum-sudut-g1

Keterangan :

momentum-sudut-h




Momen Inersia

Pada pembahasan mengenai Torsi, gurumuda sudah menjelaskan pengaruh torsi terhadap gerakan benda yang berotasi. semakin besar torsi, semakin besar pengaruhnya terhadap gerakan benda yang berotasi. dalam hal ini, semakin besar torsi, semakin besar perubahan kecepatan sudut yang dialami benda. Perubahan kecepatan sudut = percepatan sudut. Jadi kita bisa mengatakan bahwa torsi sebanding alias berbanding lurus dengan percepatan sudut benda. Perlu diketahui bahwa benda yang berotasi juga memiliki massa.

Dalam gerak lurus, massa berpengaruh terhadap gerakan benda. Massa bisa diartikan sebagai kemampuan suatu benda untuk mempertahankan kecepatan geraknya. Apabila benda sudah bergerak lurus dengan kecepatan tertentu, benda sulit dihentikan jika massa benda itu besar. Sebuah truk gandeng yang sedang bergerak lebih sulit dihentikan dibandingkan dengan sebuah taxi. Sebaliknya jika benda sedang diam (kecepatan = 0), benda tersebut juga sulit digerakan jika massanya besar. Misalnya jika kita menendang bola tenis meja dan bola sepak dengan gaya yang sama, maka tentu saja bola sepak akan bergerak lebih lambat.

Dalam gerak rotasi, “massa” benda tegar dikenal dengan julukan Momen Inersia alias MI. Momen Inersia dalam Gerak Rotasi tuh mirip dengan massa dalam gerak lurus. Kalau massa dalam gerak lurus menyatakan ukuran kemampuan benda untuk mempertahankan kecepatan linear (kecepatan linear = kecepatan gerak benda pada lintasan lurus), maka Momen Inersia dalam gerak rotasi menyatakan ukuran kemampuan benda untuk mempertahankan kecepatan sudut (kecepatan sudut = kecepatan gerak benda ketika melakukan gerak rotasi. Disebut sudut karena dalam gerak rotasi, benda bergerak mengitari sudut). Makin besar Momen inersia suatu benda, semakin sulit membuat benda itu berputar alias berotasi. sebaliknya, benda yang berputar juga sulit dihentikan jika momen inersianya besar.

Sekarang mari kita kupas tuntas Momen Inersia yang katanya bikin puyeng n njlimet..met. Ssttt… siapkan payung sebelum hujan, siapkan tisu / sapu tangan sebelum keringatan. Piss… Cuma canda. Belajar fisika gak perlu terlalu serius ya, sekali-sekali canda biar kepala gak gundul. Met belajar ya :)

Momen Inersia Partikel

Sebelum kita membahas momen inersia benda tegar, terlebih dahulu kita pelajari Momen inersia partikel. Btw, dirimu jangan membayangkan partikel sebagai sebuah benda yang berukuran sangat kecil. Sebenarnya tidak ada batas ukuran yang ditetapkan untuk kata partikel. Jadi penggunaan istilah partikel hanya untuk mempermudah pembahasan mengenai gerakan, di mana posisi suatu benda digambarkan seperti posisi suatu titik. Konsep partikel ini yang kita gunakan dalam membahas gerak benda pada Topik Kinematika (Gerak Lurus, Gerak Parabola, Gerak Melingkar) dan Dinamika (Hukum Newton). Jadi benda-benda dianggap seperti partikel.

Konsep partikel itu berbeda dengan konsep benda tegar. Dalam gerak lurus dan gerak parabola, misalnya, kita menganggap benda sebagai partikel, karena ketika bergerak, setiap bagian benda itu memiliki kecepatan (maksudnya kecepatan linear) yang sama. Ketika sebuah mobil bergerak, misalnya, bagian depan dan bagian belakang mobil mempunyai kecepatan yang sama. Jadi kita bisa mengganggap mobil seperti partikel alias titik.

Ketika sebuah benda melakukan gerak rotasi, kecepatan linear setiap bagian benda berbeda-beda. Bagian benda yang ada di dekat sumbu rotasi bergerak lebih pelan (kecepatan linearnya kecil), sedangkan bagian benda yang ada di tepi bergerak lebih cepat (kecepatan linear lebih besar). Jadi , kita tidak bisa menganggap benda sebagai partikel karena kecepatan linear setiap bagian benda berbeda-beda ketika ia berotasi. Btw, kecepatan sudut semua bagian benda itu sama. Mengenai hal ini sudah dijelaskan dalam Kinematika Rotasi.

Jadi pada kesempatan ini, terlebih dahulu kita tinjau Momen Inersia sebuah partikel yang melakukan gerak rotasi. Hal ini dimaksudkan untuk membantu kita memahami konsep momen inersia. Setelah membahas Momen Inersia Partikel, kita akan berkenalan dengan momen inersia benda tegar. btw, benda tegar itu memiliki bentuk dan ukuran yang beraneka ragam. Jadi untuk membantu kita memahami momen Inersia benda-benda yang memiliki bentuk dan ukuran yang berbeda-beda itu, terlebih dahulu kita pahami Momen Inersia partikel. Bagaimanapun, setiap benda itu bisa dianggap terdiri dari partikel-partikel. Wah, kelamaan ne, keburu basi… langsung saja ya.. Stt.. jangan kabur dulu.

Sekarang mari kita tinjau sebuah partikel yang melakukan gerak rotasi. Gurumuda gunakan gambar saja ya…

momen-inersia-aaaa

Misalnya sebuah partikel bermassa m diberikan gaya F sehingga ia melakukan gerak rotasi terhadap sumbu O. Partikel itu berjarak r dari sumbu rotasi. mula-mula partikel itu diam (kecepatan = 0). Setelah diberikan gaya F, partikel itu bergerak dengan kecepatan linear tertentu. Mula-mula partikel diam, lalu bergerak (mengalami perubahan kecepatan linear) setelah diberikan gaya. Dalam hal ini benda mengalami percepatan tangensial. Percepatan tagensial = percepatan linear partikel ketika berotasi.

Kita bisa menyatakan hubungan antara gaya (F), massa (m) dan percepatan tangensial (at), dengan persamaan Hukum II Newton :

momen-inersia-bKarena partikel itu melakukan gerak rotasi, maka ia pasti mempunyai percepatan sudut. Hubungan antara percepatan tangensial dengan percepatan sudut dinyatakan dengan persamaan :

momen-inersia-cSekarang kita masukan a tangensial ke dalam persamaan di atas :

momen-inersia-dKita kalikan ruas kiri dan ruas kanan dengan r :

momen-inersia-ePerhatikan ruas kiri. rF = Torsi, untuk gaya yang arahnya tegak lurus sumbu (bandingan dengan gambar di atas). Persamaan ini bisa ditulis menjadi :

momen-inersia-fmr2 adalah momen inersia partikel bermassa m, yang berotasi sejauh r dari sumbu rotasi. persamaan ini juga menyatakan hubungan antara torsi, momen inersia dan percepatan sudut partikel yang melakukan gerak rotasi. Istilah kerennya, ini adalah persamaan Hukum II Newton untuk partikel yang berotasi.

Jadi Momen Inersia partikel merupakan hasil kali antara massa partikel itu (m) dengan kuadrat jarak tegak lurus dari sumbu rotasi ke partikel (r2). Untuk mudahnya, bandingkan dengan gambar di atas.

Secara matematis, momen inersia partikel dirumuskan sebagai berikut :

momen-inersia-g

Momen Inersia Benda Tegar

Secara umum, Momen Inersia setiap benda tegar bisa dinyatakan sebagai berikut :

momen-inersia-h

Benda tegar bisa kita anggap tersusun dari banyak partikel yang tersebar di seluruh bagian benda itu. Setiap partikel-partikel itu punya massa dan tentu saja memiliki jarak r dari sumbu rotasi. jadi momen inersia dari setiap benda merupakan jumlah total momen inersia setiap partikel yang menyusun benda itu.

Ini cuma persamaan umum saja. Bagaimanapun untuk menentukan Momen Inersia suatu benda tegar, kita perlu meninjau benda tegar itu ketika ia berotasi. Walaupun bentuk dan ukuran dua benda sama, tetapi jika kedua benda itu berotasi pada sumbu alias poros yang berbeda, maka Momen Inersia-nya juga berbeda.

Sekarang coba kita lihat Momen Inersia beberapa benda tegar.

Momen Inersia Benda-Benda yang Bentuknya Beraturan

Selain bergantung pada sumbu rotasi, Momen Inersia (I) setiap partikel juga bergantung pada massa (m) partikel itu dan kuadrat jarak (r2) partikel dari sumbu rotasi. Total massa semua partikel yang menyusun benda = massa benda itu. Persoalannya, jarak setiap partikel yang menyusun benda tegar berbeda-beda jika diukur dari sumbu rotasi. Ada partikel yang berada di bagian tepi benda, ada partikel yang berada dekat sumbu rotasi, ada partikel yang sembunyi di pojok bawah, ada yang terjepit di tengah ;) . amati gambar di bawah

momen-inersia-0

Ini contoh sebuah benda tegar. Benda-benda tegar bisa dianggap tersusun dari partikel-partikel. Pada gambar, partikel diwakili oleh titik berwarna hitam. Jarak setiap partikel ke sumbu rotasi berbeda-beda. Ini cuma ilustrasi saja.

Cara praktis untuk mengatasi hal ini (menentukan MI benda tegar) adalah menggunakan kalkulus. Btw, pakai kalkulus agak beribet. Ntar malah gak nyambung….. Ada jalan keluar yang lebih mudah-kah ? Ada… Langsung tulis rumusnya saja :D

Lingkaran tipis dengan jari-jari R dan bermassa M (sumbu rotasi terletak pada pusat)

momen-inersia-1

Lingkaran tipis ini mirip seperti cincin tapi cincin lebih tebal. Jadi semua partikel yang menyusun lingkaran tipis berada pada jarak r dari sumbu rotasi. Momen inersia lingkaran tipis ini sama dengan jumlah total momen inersia semua partikel yang tersebar di seluruh bagian lingkaran tipis.

Momen Inersia lingkaran tipis yang berotasi seperti tampak pada gambar di atas, bisa diturunkan sebagai berikut :

momen-inersia-1b

Perhatikan gambar di atas. Setiap partikel pada lingkaran tipis berada pada jarak r dari sumbu rotasi. dengan demikian : r1 = r2 = r3 = r4 = r5 = r6 = R

I = MR2

Ini persamaan momen inersia-nya.

Btw, gurumuda langsung menulis rumus momen inersia benda-benda tegar. Penurunannya pakai kalkulus sehingga agak beribet. Ada cara lain untuk menurunkan momen inersia benda tegar, selain menggunakan kalkulus, yakni dengan bantuan teorema sumbu sejajar, teorema sumbu tegak lurus + sifat simetri benda. Prof. Yohanes Surya sudah menurunkan beberapa momen inersia benda tegar, tapi Cuma beberapa benda tegar saja. Btw, gurumuda juga lagi oprek dan modifikasi momen inersia tanpa kalkulus hasil karya Prof. Yohanes Surya. Kalau dirimu baca langsung tulisan prof. Yohanes juga agak ribet, karena minimal perlu pengetahuan tentang teorema sumbu sejajar dkk. Nanti gurumuda muat di sini kalau sudah beres…

Cincin tipis berjari-jari R,

bermassa M dan lebar L (sumbu rotasi terletak di tengah-tengah salah satu diameter)

momen-inersia-2amomen-inersia-2b

Cincin tipis berjari-jari R, bermassa M dan lebar L

(sumbu rotasi terletak pada salah satu garis singgung)

momen-inersia-3amomen-inersia-3b

Silinder berongga,

dengan jari-jari dalam R2 dan jari-jari luar R1

momen-inersia-4amomen-inersia-5b

Silinder padat

dengan jari-jari R (sumbu rotasi terletak pada sumbu silinder)

momen-inersia-5a

momen-inersia-4b

Silinder padat dengan jari-jari R

(sumbu rotasi terletak pada diameter pusat)

momen-inersia-6amomen-inersia-6b

Bola pejal dengan jari-jari R

(sumbu rotasi terletak pada salah satu diameter)

momen-inersia-7amomen-inersia-7b

Kulit Bola dengan jari-jari R

(sumbu rotasi terletak pada salah satu diameter)

momen-inersia-8amomen-inersia-8b

Batang pejal yang panjangnya L

(sumbu rotasi terletak pada pusat )

momen-inersia-9amomen-inersia-9b

Batang pejal yang panjangnya L

(sumbu rotasi terletak pada salah satu ujung)

momen-inersia-10amomen-inersia-10b

Balok pejal yang panjangnya P dan lebarnya L

(sumbu rotasi terletak pada pusat; tegak lurus permukaan)

momen-inersia-11amomen-inersia-11b

Latihan Soal 1 :

Sebuah partikel bermassa 2 kg diikatkan pada seutas tali yang panjangnya 0,5 meter (lihat gambar di bawah). Berapa momen Inersia partikel tersebut jika diputar ?

momen-inersia-13

Panduan Jawaban :

Catatan :

Yang kita bahas ini adalah rotasi partikel, bukan benda tegar. Jadi bisa dianggap massa benda terkonsentrasi pada pusat massanya.

Momen inersianya berapa-kah ?

I = mr2

I = (2 kg) (0,5m)2

I = 0,5 kg m2

Gampang…..

Latihan Soal 2 :

Dua partikel, masing-masing bermassa 2 kg dan 4 kg, dihubungkan dengan sebuah kayu yang sangat ringan, di mana panjang kayu = 2 meter. (lihat gambar di bawah). Jika massa kayu diabaikan, tentukan momen inersia kedua partikel itu, jika :

a) Sumbu rotasi terletak di antara kedua partikel

momen-inersia-14a

Panduan Jawaban :

momen-inersia-14bmomen-inersia-14c

Momen inersia = 6 kg m2

b) Sumbu rotasi berada pada jarak 0,5 meter dari partikel yang bermassa 2 kg

momen-inersia-15amomen-inersia-15b

Momen inersia = 9,5 kg m2

c) Sumbu rotasi berada pada jarak 0,5 meter dari partikel yang bermassa 4 kg

momen-inersia-16a

momen-inersia-16b

Momen inersia = 5,5 kg m2

Berdasarkan hasil perhitungan di atas, tampak bahwa Momen Inersia sangat dipengaruhi oleh posisi sumbu rotasi. Hasil oprekan soal menunjukkan hasil momen Inersia yang berbeda-beda. Partikel yang berada di dekat sumbu rotasi memiliki momen inersia yang kecil, sebaliknya partikel yang berada jauh dari sumbu rotasi memiliki momen inersia yang besar. Jika kita mengandaikan bahwa kedua partikel di atas merupakan benda tegar, maka setiap partikel penyusun benda tegar yang berada di dekat sumbu rotasi memiliki momen inersia yang lebih kecil dibandingkan dengan momen inersia partikel yang jaraknya lebih jauh dari sumbu rotasi. Walaupun bentuk dan ukuran sama, tapi karena posisi sumbu rotasi berbeda, maka momen inersia juga berbeda.

Latihan Soal 3 :

Empat partikel, masing-masing bermassa 2 kg dihubungkan oleh batang kayu yang sangat ringan dan membentuk segiempat (lihat gambar di bawah). Tentukan momen inersia gabungan keempat partikel ini, jika mereka berotasi terhadap sumbu seperti yang ditunjukkan pada gambar (massa kayu diabaikan).

momen-inersia-171

Momen iInersia gabungan dari keempat partikel ini (dianggap satu sistem) mudah dihitung. Jarak masing-masing partikel dari sumbu rotasi sama (rA = rB = rC = rD = 1 meter). Jarak AC = BD = 4 meter tidak berpengaruh, karena yang diperhitungkan hanya jarak partikel diukur dari sumbu rotasi.

I = mr2

I = (2 kg)(1 m)2

I = 2 kg m2

Karena IA = IB = IC = ID = I, maka momen inersia (I) total :

I = 4(I)

I = 4(2 kg m2)

I = 8 kg m2




Penyelesaian masalah keseimbangan benda tegar


Sebelum mempelajari pokok bahasan ini, sebaiknya pelajari terlebih dahulu konsep-konsep keseimbangan benda tegar, mulai dari bagian pengantar keseimbangan benda tegar sampai jenis-jenis keseimbangan. Semuanya sudah gurumuda muat di blog ini. Kalau tidak paham dengan konsep-konsep keseimbangan benda tegar, dirimu gak nyambung dengan penjelasan gurumuda. Lagian gurumuda tidak menyinggung lagi konsep-konsep dasar yang diperlukan, langsung menuju ke sasaran saja… Pada kesempatan ini, kita akan menumbangkan berbagai persoalan benda tegar, yang katanya beribet… Pahami konsepnya, mainkan rumusnya, tumbangkan soalnya…. Met belajar ya, semoga dirimu tetap tegar ketika berhadapan dengan masalah-masalah benda tegar :)

Contoh soal 1 :

Sebuah benda bermassa 10 kg digantungkan pada seutas tali (lihat gambar di bawah). Tentukan tegangan tali…. (g = 10 m/s2)

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-1aPanduan Jawaban :

Langkah 1 : menggambarkan diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-1bLangkah 2 : menumbangkan soal

Perhatikan diagram gaya di atas :

Pada benda hanya bekerja gaya berat (w) dan gaya tegangan tali (T) pada arah vertikal. Sesuai dengan kesepakatan bersama, gaya bernilai positif jika arahnya menuju sumbu y positif, sedangkan gaya bernilai negatif jika arahnya menuju sumbu y negatif.

Syarat sebuah benda berada dalam keadaan seimbang (untuk arah vertikal / sumbu y) :

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-1c

Gaya tegangan tali = 100 N. Guampang sekali…. Next level

Contoh soal 2 :

Dua benda, sebut saja benda A (10 kg) dan benda B (20 kg), diletakkan di atas papan kayu (lihat gambar di bawah). Panjang papan = 10 meter. Jika benda B diletakkan 2 meter dari titik tumpuh, pada jarak berapakah dari titik tumpuh benda A harus diletakkan, sehingga papan berada dalam keadaan seimbang ? (g = 10 m/s2)

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-2a

Panduan Jawaban :

Langkah 1 : menggambarkan diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-2b

Langkah 2 : menumbangkan soal

Perhatikan diagram di atas. Gaya yang bekerja pada papan adalah gaya berat benda B (FB), gaya berat benda A (FA), gaya berat papan (w papan) dan gaya normal (N). Titik hitam (sebelah atasnya w papan), merupakan titik tumpuh. Titik tumpuh berperan sebagai sumbu rotasi…..

Gaya berat papan (w papan) dan gaya normal (N) berhimpit dengan titik tumpuh / sumbu rotasi sehingga lengan gaya-nya nol. w papan dan N tidak dimasukkan dalam perhitungan…

Torsi 1 = Torsi yang dihasilkan oleh gaya berat benda B (torsi bernilai positif)

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-2c

Torsi 2 = Torsi yang dihasilkan oleh gaya berat benda A (torsi bernilai negatif)

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-2dPapan berada dalam keadaan seimbang jika torsi total = 0.

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-2e

Agar papan berada dalam keadaan seimbang, benda A harus diletakkan 4 meter dari titik tumpuh. guampang sekali….

Next level….

Contoh soal 3 :

Sebuah kotak bermassa 100 kg diletakkan di atas sebuah balok kayu yang disanggah oleh 2 penopang (lihat gambar di bawah). Massa balok = 20 kg dan panjang balok = 20 meter. Jika kotak diletakkan 5 meter dari penopang kiri, tentukkan gaya yang bekerja pada setiap penopang tersebut.

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-3aPanduan Jawaban :

Langkah 1 : menggambarkan diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-3bCatatan :

Perhatikan gambar di atas. Pada alas kotak juga bekerja gaya normal (N) yang arahnya ke atas. gaya normal ini berperan sebagai gaya aksi. Karena ada gaya aksi, maka timbul gaya reaksi yang bekerja pada balok kayu. Kedua gaya ini memiliki besar yang sama tapi berlawanan arah (kedua gaya saling melenyapkan). Karenanya gurumuda tidak menggambarkan kedua gaya itu pada diagram di atas..

Keterangan diagram :

F1 = gaya yang diberikan penopang (sebelah kiri) pada balok

F2 = gaya yang diberikan penopang (sebelah kanan) pada balok

w kotak = gaya berat kotak

w balok = gaya berat balok (bekerja pada titik beratnya. Titik berat balok berada di tengah2… )

Langkah 2 : menumbangkan soal

Pada persoalan di atas terdapat 2 titik tumpuh, yakni titik tumpuh yang berada disekitar titik kerja F1 dan titik tumpuh yang berada di sekitar titik kerja F2. Kita bisa memilih salah satu titik tumpuh sebagai sumbu rotasi… Terserah kita, mau pilih titik tumpuh di bagian kiri (sekitar titik kerja F1) atau bagian kanan (sekitar titik kerja F2). Hasilnya sama saja…

Misalnya kita pilih titik tumpuh di sekitar titik kerja F2 (bagian kanan) sebagai sumbu rotasi. Karena F2 berada di sumbu rotasi, maka lengan gaya untuk F2 = 0 (F2 tidak menghasilkan torsi).

Sekarang mari kita oprek setiap torsi yang dihasilkan oleh masing-masing gaya (kecuali F2).

Torsi 1 :

Torsi yang dihasilkan oleh F1. Arah F1 ke atas sehingga arah rotasi searah dengan putaran jarum jam. Karenanya torsi bernilai negatif

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-3cTorsi 2 :

Torsi yang dihasilkan oleh gaya berat kotak (w kotak). Arah w kotak ke bawah sehingga arah rotasi berlawanan dengan arah putaran jarum jam. Karenanya torsi bernilai positif.

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-3dTorsi 3 :

Torsi yang dihasilkan oleh gaya berat balok (w balok). Arah w balok ke bawah sehingga arah rotasi berlawanan dengan arah putaran jarum jam. Karenanya torsi bernilai positif.

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-3e

Torsi Total :

Benda berada dalam keadaan seimbang, jika torsi total = 0 (syarat 2 keseimbangan benda tegar).

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-3f

Besarnya gaya yang bekerja pada penopang sebelah kiri = 850 kg m/s2 = 850 N

Sekarang kita hitung gaya yang bekerja pada penopang kanan… Benda berada dalam keseimbangan, jika gaya total = 0 (syarat 1 keseimbangan benda – benda dianggap partikel).

Catatan : gaya yang berarah ke atas bernilai positif sedangkan gaya yang arahnya ke bawah bernilai negatif

Karena gaya2 di atas hanya bekerja pada arah vertikal (sumbu y), maka kita modif persamaan ini menjadi :

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-3g

Ternyata besarnya gaya yang bekerja pada penopang sebelah kanan = 350 kg m/s2 = 350 N

Tugas dari gurumuda :

Tadi khan kita memiliki sumbu rotasi di sekitar titik kerja F2. Seandainya sumbu rotasi bekerja di sekitar titik kerja F1, hasilnya bagaimana-kah ? coba dioprek… hasilnya pasti sama….btw, oprek saja dulu, biar dirimu bisa membuktikan kebenaran pernyataan gurumuda.

Contoh soal 4 :

Sebuah papan iklan yang massanya 50 kg digantung pada ujung sebuah batang besi yang panjangnya 5 meter dan massanya 10 kg (amati gambar di bawah). Sebuah tali dikaitkan antara ujung batang besi dan ujung penopang. Tentukan gaya tegangan tali dan gaya yang dikerjakan oleh penopang pada batang besi…..

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4a

Panduan Jawaban :

Langkah 1 : menggambarkan diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4b

Keterangan diagram :

Fx = Gaya yang dikerjakan oleh penopang pada batang besi (komponen horisontal alias sumbu x)

Fy = Gaya yang dikerjakan oleh penopang pada batang besi (komponen vertikal alias sumbu y)

w batang besi = gaya berat batang besi (terletak di tengah-tengah si batang besi)

w papan iklan = gaya berat papan iklan

Tx = gaya tegangan tali (komponen horisontal alias sumbu x)

Ty = gaya tegangan tali (komponen vertikal alias sumbu y)

Langkah 2 : menumbangkan soal

Gaya Fx dan Fy tidak diketahui. Oleh karena itu, alangkah baiknya kita pilih titik A sebagai sumbu rotasi. karena berhimpit dengan sumbu rotasi maka lengan gaya untuk Fx dan Fy = 0 (tidak ada torsi yang dihasilkan).

Torsi 1 :

Torsi yang dihasilkan oleh gaya berat batang besi. Arah w batang besi ke bawah, sehingga arah rotasi searah dengan putaran jarum jam (Torsi bernilai negatif). Massa batang besi = 10 kg dan g = 10 m/s2. Titik kerja gaya berada pada jarak 2,5 meter dari sumbu rotasi. Arah/garis kerja gaya berat tegak lurus dari sumbu rotasi (90o)

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4c

Torsi 2 :

Torsi yang dihasilkan oleh gaya berat papan iklan. Arah w papan iklan ke bawah sehingga arah rotasi searah dengan arah putaran jarum jam. Karenanya torsi bernilai negatif. Massa papan iklan = 50 kg dan g = 10 m/s2. Titik kerja gaya berada pada jarak 4 meter dari sumbu rotasi. Arah/garis kerja gaya berat tegak lurus dari sumbu rotasi (90o).

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4d

Torsi 3 :

Torsi yang dihasilkan oleh gaya tegangan tali untuk komponen horisontal / sumbu x (Tx). Titik kerja gaya tegangan tali berada pada jarak 5 meter dari sumbu rotasi. Perhatikan arah Tx pada diagram di atas…. Arah Tx sejajar sumbu rotasi (0o)

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4e

Torsi 4 :

Torsi yang dihasilkan oleh gaya tegangan tali untuk komponen vertikal / sumbu y (Ty). Perhatikan arah Tx pada diagram di atas…. Arah Ty tegak lurus sumbu rotasi (90o). Titik kerja gaya tegangan tali berada pada jarak 5 meter dari sumbu rotasi. Karena arah gaya ke atas, maka arah rotasi berlawanan dengan arah putaran jarum jam (Torsi bernilai positif).

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4f

Torsi Total :

Benda berada dalam keadaan seimbang, jika torsi total = 0 (syarat 2 keseimbangan benda tegar).

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4g

Gaya tegangan tali untuk komponen y = 450 kg m/s2 = 450 N

Kita bisa langsung menentukan Gaya tegangan tali untuk komponen x (Tx). Perhatikan lagi diagram di atas. Tali membentuk sudut 30o terhadap batang besi. Karenanya besar tegangan tali untuk sumbu x (Tx) dan sumbu y (Ty) bisa ditentukan dengan rumus sinus dan kosinus…

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4hGaya tegangan tali untuk komponen x (Tx) = 783 kg m/s2 = 783 N

Gaya yang diberikan penopang pada batang besi berapa-kah ?

Sekarang kita hitung gaya yang bekerja pada penopang… Benda berada dalam keseimbangan, jika gaya total = 0 (syarat 1 keseimbangan benda).

Catatan :

Dengan berpedoman pada koordinat kartesius (x,y,z), gaya yang berarah ke atas dan ke kanan bernilai positif sedangkan gaya yang arahnya ke kiri dan ke bawah bernilai negatif

Kita tinjau gaya-gaya yang bekerja pada arah horisontal (sumbu x) terlebih dahulu. Lihat diagram di atas dulu, biar nyambung… :

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-4i

Selesai…. Bisa paham jalan cerita-nya to ? sering2 latihan, pasti jadi mudah… next level

Contoh soal 6 :

Sebuah benda digantungkan pada kedua tali seperti tampak pada gambar di bawah. Jika massa benda = 10 kg, tentukan gaya tegangan kedua tali yang menahan benda tersebut…. (g = 10 m/s2)

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-6a

Panduan Jawaban :

Langkah 1 : menggambarkan diagram gaya-gaya yang bekerja pada benda

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-6b

Keterangan gambar :

w = gaya berat benda = mg = (10 kg)(10 m/s2) = 100 kg m/s2

T1 = gaya tegangan tali (1)

T1x = gaya tegangan tali (1) pada sumbu x = T1 cos 45o = 0,7 T1

T1y = gaya tegangan tali (1) pada sumbu y = T1 sin 45o = 0,7 T1

T2 = gaya tegangan tali (2)

T2x = gaya tegangan tali (2) pada sumbu x = T2 cos 45o = 0,7 T2

T2y = gaya tegangan tali (2) pada sumbu y = T2 sin 45o = 0,7 T2

Langkah 2 : menumbangkan soal

Sebuah benda berada dalam keadaan seimbang, jika gaya total yang bekerja pada benda = 0 (syarat 1). Terlebih dahulu kita tinjau komponen gaya yang bekerja pada arah vertikal (sumbu y) :

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-6c

Kita oprek lagi persamaan 1.

penyelesaian-masalah-keseimbangan-benda-tegar-6d

Karena T1 = T2, maka T2 = 71,4 kg m/s2




Titik Berat alias Pusat Gravitasi


Sebelumnya kita sudah mempelajari konsep pusat massa dan mengoprek persamaan untuk menentukan posisi pusat massa suatu benda. Kali ini kita akan berkenalan dan jalan-jalan bersama titik berat alias pusat gravitasi. Konsep titik berat ini hampir sama dengan pusat massa. Karenanya gurumuda sengaja mengulas pusat massa terlebih dahulu, sebelum membahas titik berat. Sebelum mempelajari titik berat, alangkah baiknya jika kita pahami kembali konsep benda tegar dan gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda tegar. Met belajar ya…. bingung mau nulis apa, soalnya topiknya juga agak serius ;)

Konsep Benda Tegar

Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu gurumuda bahas kembali konsep benda tegar. Tujuannya biar dirimu lebih nyambung dengan penjelasan mengenai titik berat.

Dalam ilmu fisika, setiap benda bisa kita anggap sebagai benda tegar (benda kaku). Benda tegar itu cuma bentuk ideal yang membantu kita menggambarkan sebuah benda. Bagaimanapun setiap benda dalam kehidupan kita bisa berubah bentuk (tidak selalu tegar/kaku), jika pada benda tersebut dikenai gaya yang besar. Setiap benda tegar dianggap terdiri dari banyak partikel alias titik. Partikel2 itu tersebar di seluruh bagian benda. Jarak antara setiap partikel yang tersebar di seluruh bagian benda selalu sama.

Untuk membantumu lebih memahami konsep benda tegar, gurumuda menggunakan ilustrasi saja. Amati gambar di bawah…..

titik-berat-1Ini gambar sebuah benda (cuma contoh). Benda ini bisa kita anggap tersusun dari banyak partikel. Pada gambar, partikel2 ditandai dengan titik hitam. Seharusnya semua bagian benda itu dipenuhi dengan titik hitam, tapi nanti malah gambarnya jadi hitam semua. Maksud gurumuda adalah menunjukkan partikel2 alias titik2.

Titik Berat

Salah satu gaya yang bekerja pada setiap benda yang terletak di permukaan bumi adalah gaya gravitasi. Gaya gravitasi yang bekerja pada suatu benda di sebut gaya berat (w). Untuk benda yang mempunyai ukuran (bukan titik. kalau titik tidak punya ukuran), gaya gravitasi yang bekerja pada benda tersebut sebenarnya bukan cuma satu. Sebagaimana yang telah gurumuda jelaskan di atas, setiap benda bisa kita anggap terdiri dari banyak partikel alias banyak titik. Gaya gravitasi sebenarnya bekerja pada tiap-tiap partikel yang menyusun benda itu. Perhatikan gambar di bawah ….

titik-berat-2Benda ini kita anggap terdiri dari partikel-partikel. Partikel2 itu diwakili oleh titik hitam. Tanda panah yang berwarna biru menunjukkan arah gaya gravitasi yang bekerja pada tiap2 partikel. Seandainya benda kita bagi menjadi potongan2 yang sangat kecil, maka satu potongan kecil itu = satu partikel. Jumlah partikel sangat banyak dan masing-masing partikel itu juga punya massa. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

m1 = partikel 1, m2 = partikel 2, m3 = partikel 3, m4 = partikel 4, m5 = partikel 5, ……, mn = partikel terakhir. Jumlah partikel sangat banyak, lagian kita juga tidak tahu secara pasti ada berapa jumlah partikel. Untuk mempermudah, maka kita cukup menulis titik2 (….) dan n. Simbol n melambangkan partikel yang terakhir.

Gaya gravitasi bekerja pada masing-masing partikel itu. Secara matematis bisa kita tulis sebagai berikut :

Gaya gravitasi yang bekerja pada partikel = gaya berat partikel

m1g = w1 = gaya gravitasi yang bekerja pada partikel 1

m2g = w2 = gaya gravitasi yang bekerja pada partikel 2

m3g = w3 = gaya gravitasi yang bekerja pada partikel 3

m4g = w4 = gaya gravitasi yang bekerja pada partikel 4

m5g = w5 = gaya gravitasi yang bekerja pada partikel 5

Dan seterusnya………………….

Mng = wn = gaya gravitasi yang bekerja pada partikel terakhir

Apabila benda berada pada tempat di mana nilai percepatan gravitasi (g) sama, maka gaya berat untuk setiap partikel bernilai sama. Arah gaya berat setiap partikel juga sejajar menuju ke permukaan bumi. Untuk mudahnya bandingkan dengan gambar di atas. Untuk kasus seperti ini, kita bisa menggantikan gaya berat pada masing-masing partikel dengan sebuah gaya berat tunggal (w = mg) yang bekerja pada titik di mana pusat massa benda berada. Jadi gaya berat ini mewakili semua gaya berat partikel. Titik di mana gaya berat bekerja (dalam hal ini pusat massa benda), di sebut titik berat. Nama lain dari titik berat adalah pusat gravitasi.

titik-berat-3

Keterangan :

w = gaya berat = gaya gravitasi yang bekerja pada benda

m = massa benda

g = percepatan gravitasi

Bentuk benda simetris, sehingga pusat massa dengan mudah ditentukan. Pusat massa untuk benda di atas tepat berada di tengah-tengah. Jika bentuk benda tidak simetris atau tidak beraturan, maka pusat massa benda bisa ditentukan menggunakan persamaan (persamaan untuk menentukan pusat massa benda ada di pokok bahasan pusat massa).

Jika benda berada pada tempat yang memiliki nilai percepatan gravitasi (g) yang sama, maka gaya gravitasi bisa dianggap bekerja pada pusat massa benda itu. Untuk kasus seperti ini, titik berat benda berada pada pusat massa benda.

Perlu diketahui bahwa penentuan titik berat benda juga perlu memperhatikan syarat-syarat keseimbangan. Untuk kasus di atas, titik berat benda harus terletak pada pusat massa benda, agar syarat 1 terpenuhi

Syarat 2 mengatakan bahwa sebuah benda berada dalam keseimbangan statis jika tumlah semua torsi yang bekerja pada benda = 0. Ketika titik berat berada pada pusat massa, lengan gaya = 0. Karena lengan gaya nol, maka tidak ada torsi yang dihasilkan oleh gaya berat (Torsi = gaya x lengan gaya = gaya berat x 0 = 0 ). Syarat 2 terpenuhi.

Titik berat benda

untuk tempat yang memiliki percepatan gravitasi (g) yang berbeda

Pada pembahasan sebelumnya, kita menganggap titik berat benda terletak pada pusat massa benda tersebut. Hal ini hanya berlaku jika benda berada di tempat yang memiliki percepatan gravitasi (g) yang sama. Benda yang berukuran kecil bisa memenuhi kondisi ini, tetapi benda yang berukuran besar tidak. Demikian juga benda yang diletakkan miring (lihat contoh di bawah).

Bagaimanapun, percepatan gravitasi (g) ditentukan oleh jarak dari pusat bumi. Bagian benda yang lebih dekat dengan permukaan tanah (maksudnya lebih dekat dengan pusat bumi), memiliki g yang lebih besar dibandingkan dengan benda yang jaraknya lebih jauh dari pusat bumi. Untuk memahami hal ini, amati ilustrasi di bawah….

titik-berat-4

Sebuah balok kayu diletakkan miring. Kita bisa menganggap balok kayu tersusun dari potongan-potongan yang sangat kecil. Potongan2 balok yang sangat kecil ini bisa disebut sebagai partikel alias titik. Massa setiap partikel penyusun balok sama. Bentuk balok simetris sehingga kita bisa menentukan pusat massanya dengan mudah. Pusat massa terletak di tengah-tengah balok (lihat gambar di atas).

Karena semakin dekat dengan pusat bumi, semakin besar percepatan gravitasi, maka partikel penyusun balok yang berada lebih dekat dengan permukaan tanah memiliki g yang lebih besar. Sebaliknya, partikel yang berada lebih jauh dari permukaan tanah memiliki g lebih kecil. Pada gambar di atas, partikel 1 yang bermassa m1 memiliki g lebih besar, sedangkan partikel terakhir yang bermassa mn memiliki g yang lebih kecil. Huruf n merupakan simbol partikel terakhir. Jumlah partikel sangat banyak dan kita juga tidak tahu secara pasti berapa jumlah partikel, sehingga cukup disimbolkan dengan huruf n. Lebih praktis…

Karena partikel yang bermassa m1 memiliki g lebih besar, maka gaya berat yang bekerja padanya lebih besar dibandingkan dengan partikel terakhir. Jika kita amati bagian balok, dari m1, hingga mn, tampak bahwa semakin ke atas, jarak bagian balok2 itu dari permukaan tanah semakin jauh. Tentu saja hal ini mempengaruhi nilai g pada masing-masing partikel penyusun balok tersebut. karena massa partikel sama, maka yang menentukan besar gaya berat adalah percepatan gravitasi (g). semakin ke atas, gaya berat (w) setiap partikel semakin kecil.

Bagaimana-kah titik berat balok di atas ? Titik berat alias pusat gravitasi balok tidak tepat berada pada pusat massanya. Titik berat berada di bawah pusat massa balok. Hal ini disebabkan karena gaya berat partikel2 yang berada di sebelah bawah pusat massa balok (partikel2 yang lebih dekat dengan permukaan tanah) lebih besar daripada gaya berat partikel2 yang ada di sebelah atas pusat massa (partikel2 yang lebih jauh dari permukaan tanah)..

Btw, hampir semua benda yang kita pelajari berukuran kecil sehingga kita tetap menganggap titik berat benda berhimpit dengan pusat massa. Memang jarak antara setiap partikel dari pusat bumi (dari permukaan tanah), berbeda-beda. Tapi karena perbedaan jarak itu sangat kecil, maka perbedaan percepatan gravitasi (g) untuk setiap partikel tidak terlalu besar. Karenanya, perbedaan percepatan gravitasi bisa diabaikan. Kita tetap menganggap setiap bagian benda memiliki percepatan gravitasi yang sama.





Viskositas


Pernah lihat minyak pelumas-kah ? oli motor… yang cowok pasti tahu, soalnya tiap hari kebut2an di jalan. He2…. Coba bandingkan oli dengan air. Manakah yang lebih kental ? Ah, gurumuda ini. Cuma gitu kok nanya… oli lebih kental dunk. Ich, pinter… sekarang giliran cewe. Kalau yang cewe khan dekat dengan ibu, jadi pasti tahu minyak goreng. Wah, kalau anak mami, pasti cuma bisa rebus mi sedap… piss…. Mana yang lebih cair, minyak goreng lebih kental atau es teh ? es teh-lah… anak sd juga bisa jawab. Ich, pinter2 ya, pelajar jaman sekarang… Hehe… btw, pada kesempatan ini kita akan mempelajari kekentalan suatu fluida, baik zat gas maupun zat cair. Istilah kerennya viskositas. Viskositas = ukuran kekentalan fluida. Met belajar ya… semoga tiba dengan selamat di tempat tujuan ;)

Konsep Viskositas

Fluida, baik zat cair maupun zat gas yang jenisnya berbeda memiliki tingkat kekentalan yang berbeda. Pernah lihat air khan ? air apa dulu gurumuda ;) air sumur, air leding, air minum, air tawar, air putih… he2… ini mah jenisnya sama, cuma nama panggilannya berbeda… maksud gurumuda adalah zat cair yang jenisnya berbeda… misalnya sirup dan air. Sirup biasanya lebih kental dari air. Atau air susu, minyak goreng, oli, darah, dkk…. Tambahin sendiri ;) Tingkat kekentalan setiap zat cair tersebut berbeda-beda. Btw, pada umumnya, zat cair tuh lebih kental dari zat gas.

Viskositas alias kekentalan sebenarnya merupakan gaya gesekan antara molekul-molekul yang menyusun suatu fluida (fluida tuh zat yang dapat mengalir, dalam hal ini zat cair dan zat gas… jangan pake lupa ya). Istilah gaulnya, viskositas tuh gaya gesekan internal fluida (internal = dalam). Jadi molekul-molekul yang membentuk suatu fluida saling gesek-menggesek ketika fluida tersebut mengalir. Pada zat cair, viskositas disebabkan karena adanya gaya kohesi (gaya tarik menarik antara molekul sejenis). Sedangkan dalam zat gas, viskositas disebabkan oleh tumbukan antara molekul.

Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, contohnya air. Sebaliknya, fluida yang lebih kental lebih sulit mengalir, contohnya minyak goreng, oli, madu dkk. Dirimu bisa membuktikan dengan menuangkan air dan minyak goreng di atas lantai yang permukaannya miring. Pasti air ngalir lebih cepat daripada minyak goreng atau oli. Tingkat kekentalan suatu fluida juga bergantung pada suhu. Semakin tinggi suhu zat cair, semakin kurang kental zat cair tersebut. Misalnya ketika ibu menggoreng paha ikan di dapur, minyak goreng yang awalnya kental menjadi lebih cair ketika dipanaskan. Sebaliknya, semakin tinggi suhu suatu zat gas, semakin kental zat gas tersebut.

Oya, perlu diketahui bahwa viskositas alias kekentalan cuma ada pada fluida riil (rill = nyata). Fluida riil/nyata tuh fluida yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari, seperti air, sirup, oli, asap knalpot, dkk…. Fluida riil berbeda dengan fluida ideal. Fluida ideal sebenarnya tidak ada dalam kehidupan sehari-hari. Fluida ideal hanya model yang digunakan untuk membantu kita dalam menganalisis aliran fluida (fluida ideal ini yang kita pakai dalam pokok bahasan Fluida Dinamis). Mirip seperti kita menganggap benda sebagai benda tegar, padahal dalam kehidupan sehari-hari sebenarnya tidak ada benda yang benar-benar tegar/kaku. Tujuannya sama, biar analisis kita menjadi lebih sederhana alias tidak beribet. Ok, kembali ke laptop….

Koofisien Viskositas

Viskositas fluida dilambangkan dengan simbol (baca : eta). Ini hurufnya orang yunani. Hurufnya orang yunani aneh2, kakinya sebelah panjang, sebelahnya pendek… :) = koofisien viskositas. Jadi tingkat kekentalan suatu fluida dinyatakan oleh koofisien viskositas fluida tersebut. Secara matematis, koofisien viskositas bisa dinyatakan dengan persamaan. Sekarang, siapkan amunisi secukupnya… kita akan menurunkan persamaan si koofisien viskositas. Untuk membantu menurunkan persamaan, kita meninjau gerakan suatu lapisan tipis fluida yang ditempatkan di antara dua pelat sejajar. Ok, tancap gas… Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan

viskositas-a1

Lapisan fluida tipis ditempatkan di antara 2 pelat. Gurumuda sengaja memberi warna biru pada lapisan fluida yang berada di bagian tengah, biar dirimu mudah paham dengan penjelasan gurumuda. Masih ingat si kohesi dan adhesi tidak ? kohesi tuh gaya tarik menarik antara molekul sejenis, sedangkan si adhesi tuh gaya tarik menarik antara molekul yang tak sejenis. Gaya adhesi bekerja antara pelat dan lapisan fluida yang nempel dengan pelat (molekul fluida dan molekul pelat saling tarik menarik). Sedangkan gaya kohesi bekerja di antara selaput fluida (molekul fluida saling tarik menarik).

Mula-mula pelat dan lapisan fluida diam (gambar 1). Setelah itu pelat yang ada di sebelah atas ditarik ke kanan (gambar 2). Pelat yang ada di sebelah bawah tidak ditarik (pelat sebelah bawah diam). Besar gaya tarik diatur sedemikian rupa sehingga pelat yang ada di sebelah atas bergeser ke kanan dengan laju tetap (v tetap). Karena ada gaya adhesi yang bekerja antara pinggir pelat dengan bagian fluida yang nempel dengan pelat, maka fluida yang ada di sebelah bawah pelat juga ikut2an bergeser ke kanan. Karena ada gaya kohesi antara molekul fluida, maka si fluida yang bergeser ke kanan tadi narik temannya yang ada di sebelah bawah. Temannya yang ada di sebelah bawah juga ikut2an bergeser ke kanan. Temannya tadi narik lagi temannya yang ada di sebelah bawah. begitu seterusnya…

Ingat ya, pelat yang ada di sebelah bawah diam. Karena si pelat diam, maka bagian fluida yang nempel dengan pelat tersebut juga ikut2an diam (ada gaya adhesi.. jangan pake lupa). Si fluida yang nempel dengan pelat nahan temannya yang ada di sebelah atas. Temannya yang ada di sebelah atas juga nahan temannya yang ada di sebelah atas… demikian seterusnya.

Karena bagian fluida yang berada di sebelah atas menarik temannya yang berada di sebelah bawah untuk bergeser ke kanan, sebaliknya bagian fluida yang ada di sebelah bawah menahan temannya yang ada di sebelah atas, maka laju fluida tersebut bervariasi. Bagian fluida yang berada di sebelah atas bergerak dengan laju (v) yang lebih besar, temannya yang berada di sebelah bawah bergerak dengan v yang lebih kecil, demikian seterusnya. Jadi makin ke bawah v makin kecil. Dengan kata lain, kecepatan lapisan fluida mengalami perubahan secara teratur dari atas ke bawah sejauh l (lihat gambar 2)

Perubahan kecepatan lapisan fluida (v) dibagi jarak terjadinya perubahan (l) = v / l. v / l dikenal dengan julukan gradien kecepatan. Nah, pelat yang berada di sebelah atas bisa bergerak karena ada gaya tarik (F). Untuk fluida tertentu, besarnya Gaya tarik yang dibutuhkan berbanding lurus dengan luas fluida yang nempel dengan pelat (A), laju fluida (v) dan berbanding terbalik dengan jarak l. Secara matematis, bisa ditulis sebagai berikut :

viskositas-b1Sebelumnya, gurumuda sudah menjelaskan bahwa Fluida yang lebih cair biasanya lebih mudah mengalir, sebaliknya fluida yang lebih kental lebih sulit mengalir. Tingkat kekentalan fluida dinyatakan dengan koofisien viskositas. Nah, jika fluida makin kental maka gaya tarik yang dibutuhkan juga makin besar. Dalam hal ini, gaya tarik berbanding lurus dengan koofisien kekentalan. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

viskositas-c

Keterangan :

viskositas-d

Satuan Sistem Internasional (SI) untuk koofisien viskositas adalah Ns/m2 = Pa.s (pascal sekon). Satuan CGS (centimeter gram sekon) untuk si koofisien viskositas adalah dyn.s/cm2 = poise (P). Viskositas juga sering dinyatakan dalam sentipoise (cP). 1 cP = 1/100 P. Satuan poise digunakan untuk mengenang seorang Ilmuwan Perancis, almahrum Jean Louis Marie Poiseuille (baca : pwa-zoo-yuh).

1 poise = 1 dyn . s/cm2 = 10-1 N.s/m2

Fluida Temperatur (o C) Koofisien Viskositas
Air 0 1,8 x 10-3
20 1,0 x 10-3
60 0,65 x 10-3
100 0,3 x 10-3
Darah (keseluruhan) 37 4,0 x 10-3
Plasma Darah 37 1,5 x 10-3
Ethyl alkohol 20 1,2 x 10-3
Oli mesin (SAE 10) 30 200 x 10-3
Gliserin 0 10.000 x 10-3
20 1500 x 10-3
60 81 x 10-3
Udara 20 0,018 x 10-3
Hidrogen 0 0,009 x 10-3
Uap air 100 0,013 x 10-3

Persamaan Poiseuille

Sebelumnya kita sudah mempelajari konsep2 viskositas dan menurunkan persamaan koofisien viskositas. Pada kesempatan ini akan berkenalan dengan persamaan Poiseuille. Disebut persamaan Poiseuille, karena persamaan ini ditemukan oleh almahrum Jean Louis Marie Poiseuille (1799-1869).

Seperti yang sudah gurumuda jelaskan di awal tulisan ini, setiap fluida bisa kita anggap sebagai fluida ideal. Fluida ideal tidak mempunyai viskositas alias kekentalan. Jika kita mengandaikan suatu fluida ideal mengalir dalam sebuah pipa, setiap bagian fluida tersebut bergerak dengan laju (v) yang sama. Berbeda dengan fluida ideal, fluida riil alias fluida yang kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari mempunyai viskositas. Karena mempunyai viskositas, maka ketika mengalir dalam sebuah pipa, misalnya, laju setiap bagian fluida berbeda-beda. Lapisan fluida yang berada tengah-tengah bergerak lebih cepat (v besar), sebaliknya lapisan fluida yang nempel dengan pipa tidak bergerak alias diam (v = 0). Jadi dari tengah ke pinggir pipa, setiap bagian fluida tersebut bergerak dengan laju yang berbeda-beda. Untuk memudahkan pemahamanmu, amati gambar di bawah….

viskositas-1

Keterangan :

R = jari-jari pipa/tabung

v1 = laju aliran fluida yang berada di tengah/sumbu tabung

v2 = laju aliran fluida yang berjarak r2 dari pinggir tabung

v3 = laju aliran fluida yang berjarak r3 dari pinggir tabung

v4 = laju aliran fluida yang berjarak r4 dari pinggir tabung

r = jarak

Gambar ini cuma ilustrasi saja. Oya, lupa… laju setiap bagian fluida berbeda-beda karena adanya kohesi dan adhesi (mirip seperti penjelasan sebelumnya, ketika kita menurunkan persamaan koofisien viskositas). Si viskositas bikin fluida sebel… ;) Fluida terseok-seok dalam pipa (tabung). Hehe….

Agar laju aliran setiap bagian fluida sama, maka perlu ada perbedaan tekanan pada kedua ujung pipa atau tabung apapun yang dilalui fluida. Yang dimaksudkan dengan fluida di sini adalah fluida riil/nyata, jangan lupa ya. Contohnya air atau minyak yang ngalir melalui pipa, darah yang mengalir dalam pembuluh darah dkk… Selain membantu suatu fluida riil mengalir dengan lancar, perbedaan tekanan juga bisa membuat si sluida bisa mengalir pada pipa yang ketinggiannya berbeda.

Almahrum Jean Louis Marie Poiseuille, mantan ilmuwan perancis ;) yang tertarik pada aspek-aspek fisika dari peredaraan darah manusia, melakukan penelitian untuk menyelidiki bagiamana faktor-faktor, seperti perbedaan tekanan, luas penampang tabung dan ukuran tabung mempengaruhi laju fluida riil. (sstt.. pembuluh darah kita juga bentuknya mirip pipa, cuma ukurannya kecil sekali). Hasil yang diperoleh Almahrum Jean Louis Marie Poiseuille, dikenal dengan julukan persamaan Poiseuille.

Sekarang mari kita oprek persamaan almahrum Poiseuille. Persamaan Poiseuille ini bisa kita turunkan menggunakan bantuan persamaan koofisien viskositas yang telah kita turunkan sebelumnya. Kita gunakan persamaan viskositas karena kasusnya mirip walau tak sama…. Ketika menurunkan persamaan koofisien viskositas, kita meninjau aliran lapisan fluida riil antara 2 pelat sejajar dan fluida tersebut bisa bergerak karena adanya gaya tarik (F). Bedanya, persamaan Poiseuille yang akan kita turunkan sebenarnya menyatakan faktor-faktor yang mempengaruhi aliran fluida riil dalam pipa/tabung dan fluida mengalir akibat adanya perbedaan tekanan. Karenanya, persamaan koofisien viskositas perlu dioprek dan disesuaikan lagi. Kita tulis persamaannya dulu ya…

viskositas-2Karena fluida bisa mengalir akibat adanya perbedaan tekanan (fluida mengalir dari tempat yang tekanannya tinggi ke tempat yang tekanannya rendah), maka F kita ganti dengan p1-p2 (p1 > p2).

viskositas-3Ketika menurunkan persamaan koofisien viskositas, kita meninjau aliran lapisan fluida riil antara 2 pelat sejajar. Setiap bagian fluida tersebut mengalami perubahan kecepatan teratur sejauh l. Untuk kasus ini, laju aliran fluida mengalami perubahan secara teratur dari sumbu tabung sampai ke tepi tabung. Fluida yang berada di sumbu tabung mengalir dengan laju (v) yang lebih besar. Semakin ke pinggir, laju fluida semakin kecil. Jari-jari tabung = jarak antara sumbu tabung dengan tepi tabung = R. Jarak antara setiap bagian fluida dengan tepi tabung = r. Karena jumlah setiap bagian fluida itu sangat banyak dan jaraknya dari tepi tabung juga berbeda-beda, maka kita cukup menulis seperti ini :

v1 = laju fluida yang berada pada jarak r1 dari tepi tabung (r1 = R)

v2 = laju fluida yang berada pada jarak r2 dari tepi tabung (r2 <>1)

v3 = laju fluida yang berada pada jarak r3 dari tepi tabung (r3 <>2 <>1)

v4 = laju fluida yang berada pada jarak r4 dari tepi tabung (r4 3 <>2 <>1)

………………………………………..

vn = laju fluida yang berada pada jarak rn dari tepi tabung (rn < …… <>4 <>3 <>2 <>1)

Jumlah setiap bagian fluida sangat banyak dan kita juga tidak tahu secara pasti berapa jumlahnya yang sebenarnya, maka cukup ditulis dengan simbol n. Setiap bagian fluida mengalami perubahan laju (v) secara teratur, dari sumbu tabung (r1 = R) sampai tepi tabung (rn). Dari sumbu tabung (r1 = R) ke tepi tabung (rn), laju setiap bagian fluida makin kecil (v1 > v2 > v3 > v4 > …. > vn). Cara praktis untuk menentukan jarak terjadinya perubahan laju aliran fluida riil dalam tabung adalah menggunakan kalkulus. Tapi kalau pakai kalkulus malah gak nyambung alias beribet….. Dari penjelasan di atas, kita bisa punya gambaran bahwa dari R ke rn, laju fluida semakin kecil. Ingat ya, panjang pipa = L. Jika dioprek dengan kalkulus, akan diperoleh persamaan :

viskositas-4Wuh, bahasa apa ini. he2…. Ini adalah persamaan laju aliran fluida pada jarak r dari pipa yang berjari-jari R. Kalau bingung sambil lihat gambar di atas…. Perlu diketahui bahwa fluida mengalir dalam pipa alias tabung, sehingga kita perlu meninjau laju aliran volume fluida tersebut. Cara praktis untuk menghitung laju aliran volume fluida juga menggunakan kalkulus. Gurumuda jelaskan pengantarnya saja…

Di dalam tabung ada fluida. Misalnya kita membagi fluida menjadi potongan-potongan yang sangat kecil, di mana setiap potongan tersebut mempunyai satuan luas dA, berjarak dr dari sumbu tabung dan mempunyai laju aliran v. Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

dA1 = potongan fluida 1, yang berjarak dr1 dari sumbu tabung

dA2 = potongan fluida 2, yang berjarak dr2 dari sumbu tabung

dA3 = potongan fluida 3, yang berjarak dr3 dari sumbu tabung

…………………………….

dAn = potongan fluida n, yang berjarak drn dari sumbu tabung

Potongan2 fluida sangat banyak, sehingga cukup ditulis dengan simbol n saja, biar lebih praktis (n = terakhir). Laju aliran volume setiap potongan fluida tersebut, secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

viskositas-5Setiap potongan fluida tersebut berada pada jarak r = 0 sampai r = R (R = jari-jari tabung). Dengan kata lain, jarak setiap potongan fluida tersebut berbeda-beda jika diukur dari sumbu tabung. Jika kita oprek dengan kalkulus (diintegralkan), maka akan diperoleh persamaan laju aliran volume fluida dalam tabung :

viskositas-6

Keterangan :

viskositas-7

Berdasarkan persamaan Poiseuille di atas, tampak bahwa laju aliran volume fluida alias debit (Q) sebanding dengan pangkat empat jari-jari tabung (R4), gradien tekanan (p2-p1/L) dan berbanding terbalik dengan viskositas. Jika jari-jari tabung ditambahkan (koofisien viskositas dan gradien tekanan tetap), maka laju aliran fluida meningkat sebesar faktor 16. Kalau dirimu mau kuliah di bagian teknik perledingan atau teknik pertubuhan, pahami persamaan almahrum Poiseuille ini dengan baik. Konsep dasar perancangan pipa, jarum suntik dkk menggunakan persamaan ini. Debit fluida sebanding dengan R4 (R = jari-jari tabung). Karenanya, jari-jari jarum suntik atau jari-jari pipa perlu diperhitungkan secara saksama. Misalnya, jika kita menggandakan jari-jari dalam jarum (r x 2), maka debit cairan yang nyemprot = menaikan gaya tekan ibu jari sebesar 16 kali. Salah hitung bisa overdosis… he2…..

Persamaan almahrum Poiseuille juga menunjukkan bahwa pangkat empat jari-jari (r4), berbanding terbalik dengan perbedaan tekanan antara kedua ujung pipa. Misalnya mula-mula darah mengalir dalam pembuluh darah yang mempunyai jari-jari dalam sebesar r.





Kapilaritas

Pernah melihat lilin ? mudah-mudahan pernah menggunakannya. Salah satu fenomena yang menarik dapat kita saksikan ketika lilin sedang bernyala. Bagian bawah dari sumbu lilin yang terbakar biasanya selalu basah oleh leleh lilin (di bagian sumbu). Adanya leleh lilin pada sumbu membuat lilin bisa bernyala dalam waktu yang lama. Btw, apa yang menyebabkan leleh lilin bisa bergerak ke atas menuju sumbu lilin yang terbakar ? fenomena yang sama bisa kita amati pada lampu minyak. Lampu minyak merupakan salah satu sumber penerangan ketika belum ada lampu listrik. Mungkin saat ini masih digunakan. Lampu minyak terdiri dari wadah yang berisi bahan bakar (biasanya minyak tanah) dan sumbu. Sebagian sumbu dicelupkan dalam wadah yang berisi minyak tanah, sedangkan sebagian lagi dibungkus dalam pipa kecil. Pada ujung atas pipa tersebut, disisakan sebagian sumbu. Jika kita ingin menggunakan lampu minyak, maka sumbu yang terletak di ujung atas pipa kecil tersebut harus dibakar. Sumbu tersebut bisa menyala dalam waktu yang lama karena minyak tanah yang berada dalam wadah merembes ke atas, hingga mencapai ujung sumbu yang terbakar. Aneh ya, kok minyak tanah bisa merembes ke atas ?

Banyak hal menarik dalam kehidupan kita yang mirip dengan fenomena yang terjadi pada lilin dan lampu minyak. Seolah-olah cairan tersebut mempunyai kaki sehingga bisa bergerak ke atas. Apakah dirimu bisa menjelaskannya secara ilmiah ?

Salah satu konsep fisika yang bisa menjelaskan fenomena yang terjadi pada lilin, lampu minyak serta banyak fenomena terkait lainnya adalah Kapilaritas. Terus kapilaritas itu apa ? untuk memahami konsep Kapilaritas, pahami penjelasan berikut ini.

Gaya Kohesi dan Adhesi

Dirimu mungkin pernah mendengar istilah Kohesi dan Adhesi. Gaya Kohesi merupakan gaya tarik menarik antara molekul dalam zat yang sejenis, sedangkan gaya tarik menarik antara molekul zat yang tidak sejenis dinamakan Gaya Adhesi. Misalnya kita tuangkan air dalam sebuah gelas. Kohesi terjadi ketika molekul air saling tarik menarik, sedangkan adhesi terjadi ketika molekul air dan molekul gelas saling tarik menarik.

Sudut Kontak

Sebelum mempelajari konsep Kapilaritas, terlebih dahulu kita pahami bagaimana pengaruh gaya adhesi dan gaya kohesi bagi Kapilaritas. Misalnya kita tinjau cairan yang berada dalam sebuah gelas (lihat gambar di bawah). Ketika gaya kohesi molekul cairan lebih kuat daripada gaya adhesi (gaya tarik menarik antara molekul cairan dengan molekul gelas) maka permukaan cairan akan membentuk lengkungan ke atas. Contoh untuk kasus ini adalah ketika air berada dalam gelas. Biasanya dikatakan bahwa air membasahi permukaan gelas. Sebaliknya apabila gaya adhesi lebih kuat maka permukaan cairan akan melengkung ke bawah. Contohnya ketika air raksa berada di dalam gelas.

Sudut yang dibentuk oleh lengkungan itu dinamakan sudut kontak (teta). Ketika gaya kohesi cairan lebih besar daripada gaya adhesi, maka sudut kontak yang terbentuk umumnya lebih kecil dari 90o (gambar a). Sebaliknya, apabila gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi cairan, maka sudut kontak yang terbentuk lebih besar dari 90o (gambar b). Gaya adhesi dan gaya kohesi secara teoritis sulit dihitung, tetapi sudut kontak dapat diukur. Apa hubungannya dengan kapilaritas ?

Konsep Kapilaritas

Seperti yang telah dijelaskan pada pokok bahasan Tegangan Permukaan, pada setiap permukaan cairan terdapat tegangan permukaan.

Apabila gaya kohesi cairan lebih besar dari gaya adhesi, maka permukaan cairan akan melengkung ke atas. Ketika kita memasukan tabung atau pipa tipis (pipa yang diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan yang lebih tinggi (Lihat digambar di bawah). Dengan kata lain, cairan yang ada dalam wadah naik melalui kolom pipa tersebut. Hal ini disebabkan karena gaya tegangan permukaan total sepanjang dinding tabung bekerja ke atas. Ketinggian maksimum yang dapat dicapai cairan adalah ketika gaya tegangan permukaan sama atau setara dengan berat cairan yang berada dalam pipa. Jadi, cairan hanya mampu naik hingga ketinggian di mana gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan yang ada dalam pipa.

Sebaliknya, jika gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi cairan, maka permukaan cairan akan melengkung ke bawah. Ketika kita memasukan tabung atau pipa tipis (pipa yang diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan yang lebih rendah (lihat gambar di bawah).

Efek ini dikenal dengan julukan gerakan kapiler alias kapilaritas dan pipa tipis tersebut dinamakan pipa kapiler. Perlu diketahui bahwa pembuluh darah kita yang terkecil juga bisa disebut pipa kapiler, karena peredaran darah pada pembuluh darah yang kecil juga terjadi akibat adanya efek kapilaritas. Demikian juga fenomena naiknya leleh lilin atau minyak tanah melalui sumbu. Selain itu, kapilaritas juga diyakini berperan penting bagi perjalanan air dan zat bergizi dari akar ke daun melalui pembuluh xylem yang ukurannya sangat kecil. Bila tidak ada kapilaritas, permukaan tanah akan langsung mengering setelah turun hujan atau disirami air. Efek penting lainnya dari kapilartas adalah tertahannya air di celah-celah antara partikel tanah. Lumayan, bisa membantu para petani di kebun.

Persamaan Kapilaritas

Pada penjelasan sebelumnya, dikatakan bahwa ketinggian maksimum yang dapat dicapai cairan ketika cairan naik melalui pipa kapiler terjadi ketika gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan yang ada dalam pipa kapiler. Nah, bagaimana kita bisa menentukan ketinggian air yang naik melalui kolom pipa kapiler ? mau tidak mau, kita harus menggunakan persamaan :) rumus lagi, rumus lagi… Untuk membantu kita menurunkan persamaan, perhatikan gambar di bawah.

Tampak bahwa cairan naik pada kolom pipa kapiler yang memiliki jari-jari r hingga ketinggian h. Gaya yang berperan dalam menahan cairan pada ketinggian h adalah komponen gaya tegangan permukaan pada arah vertikal : F cos teta (bandingkan dengan gambar di bawah).

Bagian atas pipa kapiler terbuka sehingga terdapat tekanan atmosfir pada permukaan cairan. Panjang permukaan sentuh antara cairan dengan pipa adalah 2 phi r (keliling lingkaran). Dengan demikian, besarnya gaya tegangan permukaan komponen vertikal yang bekerja sepanjang permukaan kontak adalah :

Keterangan :

Apabila permukaan cairan yang melengkung ke atas diabaikan, maka volume cairan dalam pipa adalah :

Apabila komponen vertikal dari Gaya Tegangan Permukaan seimbang dengan berat kolom cairan dalam pipa kapiler, maka cairan tidak dapat naik lagi. Dengan kata lain, cairan akan mencapai ketinggian maksimum, apabila komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan setinggi h. Komponen vertikal dari Gaya tegangan permukaan adalah :

Ketika cairan mencapai ketinggian maksimum (h), Komponen vertikal dari gaya tegangan permukaan harus sama dengan berat cairan yang ada dalam pipa kapiler. Secara matematis, ditulis :






Tegangan Permukaan


Pernahkah dirimu bermain gelembung sabun ? aneh ya, gelembung sabun kok bisa berbentuk bulat.. lucu & asyik… bisa ditiup lagi. Terus setelah terbang, gelembung sabun pecah. Wah, seru ya permainan masa kecil. Btw, mengapa ya gelembung sabun bisa berbentuk bulat ? Ngomong soal bulat, ada juga yang mirip gelembung sabun. Yang ini banyak dijumpai di pagi hari… coba dirimu bangun di pagi hari, terus perhatikan dedaunan yang ada di sekitar rumah. Amati tetesan embun yang menempel di dedaunan. Aneh khan, tetes embun juga kadang bentuknya bulat. Mengapa ya bisa seperti itu ? atau kalau dirimu malas bangun pagi, coba perhatikan tetesan air yang keluar dari kran air. Krannya ditutup dahulu. Setelah itu, putar kran perlahan-lahan hingga yang keluar dari mulut kran adalah tetes-tetas air… kalau diamati, air yang menetes dari mulut kran mula-mula menggumpal (bulat). Lama kelamaan bulatannya semakin besar lalu pecah dan jatuh ke lantai. Apa yang membuat air menjadi seperti itu ? semuanya bisa dijelaskantegangan permukaan-11 dengan ilmu fisika… fisika lagi, fisika lagi… mumet dah. Hehe… :) ingin tahu mengapa demikian ? mari kita bertarung dengan Tegangan Permukaan. Setelah mempelajari pokok bahasan Tegangan Permukaan, dirimu dengan mudah menjelaskan fenomena tersebut…

Konsep Tegangan Permukaan

Sebelum melangkah lebih jauh :) , alangkah baiknya jika dirimu melakukan percobaan kecil-kecilan mengenai tegangan permukaan. Masukan air ke dalam sebuah wadah (misalnya gelas). sediakan juga sebuah penjepit kertas (klip). Nah, sekarang letakan klip secara perlahan-lahan di atas air. Jika dilakukan secara baik dan benar, maka klip tersebut akan mengapung di atas permukaan air. Biasanya klip terbuat dari logam, sehingga kerapatannya lebih besar dari kerapatan air. Karena massa jenis klip lebih besar dari massa jenis air, maka seharusnya klip itu tenggelam. Tapi kenyataannya klip terapung. Fenomena ini merupakan salah satu contoh dari adanya Tegangan Permukaan.

Untuk menjelaskan fenomena klip yang terapung di atas air, terlebih dahulu harus diketahui apa sesungguhnya tegangan permukaan itu. Tegangan permukaan terjadi karena permukaan zat cair cenderung untuk menegang sehingga permukaannya tampak seperti selaput tipis. Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya kohesi antara molekul air. Agar semakin memahami penjelasan ini, perhatikan ilustrasi berikut. Kita tinjau cairan yang berada di dalam sebuah wadah.

Molekul cairan biasanya saling tarik menarik. Di bagian dalam cairan, setiap molekul cairan dikelilingi oleh molekul-molekul lain di setiap sisinya; tetapi di permukaan cairan, hanya ada molekul-molekul cairan di samping dan di bawah. Di bagian atas tidak ada molekul cairan lainnya. Karena molekul cairan saling tarik menarik satu dengan lainnya, maka terdapat gaya total yang besarnya nol pada molekul yang berada di bagian dalam cairan. Sebaliknya, molekul cairan yang terletak dipermukaan ditarik oleh molekul cairan yang berada di samping dan bawahnya. Akibatnya, pada permukaan cairan terdapat gaya total yang berarah ke bawah. Karena adanya gaya total yang arahnya ke bawah, maka cairan yang terletak di permukaan cenderung memperkecil luas permukaannya, dengan menyusut sekuat mungkin. Hal ini yang menyebabkan lapisan cairan pada permukaan seolah-olah tertutup oleh selaput elastis yang tipis. Fenomena ini kita kenal dengan istilah Tegangan Permukaan.

Lalu mengapa klip tidak tenggelam ?

Ketika klip diletakan secara hati-hati ke atas permukaan air, molekul-molekul air yang terletak di permukaan agak ditekan oleh gaya berat klip tersebut, sehingga molekul-molekul air yang terletak di bawah memberikan gaya pemulih ke atas untuk menopang klip tersebut (ingat kembali elastisitas). Dalam kenyataannya, bukan hanya klip alias penjepit kertas, tetapi juga bisa benda lain seperti jarum. Apabila kita meletakan jarum secara hati-hati di atas permukaan air, maka jarum akan terapung. Adanya tegangan permukaan cairan juga menjadi alasan mengapa serangga bisa mengapung di atas air.

Persamaan Tegangan Permukaan

Pada pembahasan sebelumnya, kita telah mempelajari konsep tegangan permukaan secara kualitatif (tidak ada persamaan matematis). Kali ini kita tinjau tegangan permukaan secara kuantitatif. Untuk membantu kita menurunkan persamaan tegangan permukaan, kita tinjau sebuah kawat yang dibengkokkan membentuk huruf U. Sebuah kawat lain yang berbentuk lurus dikaitkan pada kedua kaki kawat U, di mana kawat lurus tersebut bisa digerakkan (lihat gambar di bawah).

Jika kawat ini dimasukan ke dalam larutan sabun, maka setelah dikeluarkan akan terbentuk lapisan air sabun pada permukaan kawat tersebut. Mirip seperti ketika dirimu bermain gelembung sabun. Karena kawat lurus bisa digerakkan dan massanya tidak terlalu besar, maka lapisan air sabun akan memberikan gaya tegangan permukaan pada kawat lurus sehingga kawat lurus bergerak ke atas (perhatikan arah panah). Untuk mempertahankan kawat lurus tidak bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan), maka diperlukan gaya total yang arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total adalah F = w + T. Dalam kesetimbangan, F = gaya tegangan permukaan yang dikerjakan oleh lapisan air sabun pada kawat lurus.

Misalkan panjang kawat lurus adalah l. Karena lapisan air sabun yang menyentuh kawat lurus memiliki dua permukaan, maka gaya tegangan permukaan yang ditimbulkan oleh lapisan air sabun bekerja sepanjang 2l. Tegangan permukaan pada lapisan sabun merupakan perbandingan antara Gaya Tegangan Permukaan (F) dengan panjang permukaan di mana gaya bekerja (d). Untuk kasus ini, panjang permukaan adalah 2l. Secara matematis, ditulis :

Karena tegangan permukaan merupakan perbandingan antara Gaya tegangan permukaan dengan Satuan panjang, maka satuan tegangan permukaan adalah Newton per meter (N/m) atau dyne per centimeter (dyn/cm).

1 dyn/cm = 10-3 N/m = 1 mN/m

Berikut ini beberapa nilai Tegangan Permukaan yang diperoleh berdasarkan percobaan.

Zat cair yang

bersentuhan dengan udara

Suhu (oC) Tegangan Permukaan

(mN/m = dyn/cm)

Air 0 75,60
Air 20 72,80
Air 25 72,20
Air 60 66,20
Air 80 62,60
Air 100 58,90
Air sabun 20 25,00
Minyak Zaitun 20 32,00
Air Raksa 20 465,00
Oksigen -193 15,70
Neon -247 5,15
Helium -269 0,12
Aseton 20 23,70
Etanol 20 22,30
Gliserin 20 63,10
Benzena 20 28,90

Berdasarkan data Tegangan Permukaan, tampak bahwa suhu mempengaruhi nilai tegangan permukaan fluida. Umumnya ketika terjadi kenaikan suhu, nilai tegangan permukaan mengalami penurunan (Bandingkan nilai tegangan permukaan air pada setiap suhu. Lihat tabel). Hal ini disebabkan karena ketika suhu meningkat, molekul cairan bergerak semakin cepat sehingga pengaruh interaksi antar molekul cairan berkurang. Akibatnya nilai tegangan permukaan juga mengalami penurunan.

Aplikasi Konsep Tegangan Permukaan dalam kehidupan sehari-hari

Pernahkah dirimu bertanya, mengapa kita harus mencuci pakaian dengan sabun ? Persoalannya, agar pakaian yang kita cuci benar-benar bersih maka air harus melewati celah yang sangat sempit pada serat pakaian. Untuk itu diperlukan penambahan luas permukaan air. Nah, hal ini sangat sukar dilakukan karena adanya tegangan permukaan. Mau tidak mau nilai tegangan permukaan air harus diturunkan dahulu. Kita bisa menurunkan tegangan permukaan dengan cara menggunakan air panas. Makin tinggi suhu air, maka baik karena semakin tinggi suhu air, semakin kecil tegangan permukaan (lihat tabel). Ini alternatif pertama dan merupakan cara yang jarang digunakan. Kecuali mereka yang suka bermain dengan air panas :)

Alternatif lainnya adalah menggunakan sabun. Pada suhu 20 oC, nilai Tegangan Permukaan air sabun adalah 25,00 mN/m. Coba bandingkan antara air sabun dan air panas, manakah nilai tegangan permukaan paling kecil ? Pada 100 oC, nilai tegangan permukaan air panas = 58,90. Pada suhu 20 oC, nilai tegangan permukaan air sabun adalah 25,00 mN/m. Lebih menguntungkan pakai sabun… airnya juga tidak panas. Jangan heran kalau sabun sangat laris di pasar. Semuanya karena fisika oh fisika ;) engkau yang kubenci, tapi telah membantuku membersihkan pakaian yang kotor. Bukan cuma pakaian, tapi tubuh kita juga. Ini cuma beberapa contoh…

(catatan : masih ada faktor lain yang mempengaruhi pakaian atau tubuh kita bisa dibersihkan dengan sabun. Jadi yang dijelaskan di atas hanya salah satu faktor yang mempengaruhi. Mungkin akan anda pelajari pada mata pelajaran kimia)

Mengapa gelembung sabun atau air berbentuk bulat ?

Sebelum mengakhiri pokok bahasan ini, alangkah baiknya jika pahami mengapa gelembung sabun atau tetes air berbentuk bulat. Gelembung sabun atau tetes air berbentuk bulat karena dipengaruhi oleh adanya tegangan permukaan. Terlebih dahulu kita bahas gelembung sabun. Gelembung sabun memiliki dua selaput tipis pada permukaannya dan di antara kedua selaput tersebut terdapat lapisan air tipis. Adanya tegangan permukaan menyebabkan selaput berkontraksi dan cenderung memperkecil luas permukaannya. Ketika selaput air sabun berkontraksi dan berusaha memperkecil luas permukaannya, timbul perbedaan tekanaan udara di bagian luar selaput (tekanan atmosfir) dan tekanan udara di bagian dalam selaput. Tekanan udara yang berada di luar selaput (tekanan atmosfir) turut mendorong selaput air sabun ketika ia melakukan kontraksi, karena tekanan udara di bagian dalam selaput lebih kecil. Setelah selaput berkontraksi, maka udara di dalamnya (udara yang terperangkap di antara dua selaput) ikut tertekan, sehingga menaikan tekanan udara di dalam selaput sampai tidak terjadi kontraksi lagi. Dengan kata lain, ketika tidak terjadi kontraksi lagi, besarnya tekanan udara di antara selaput sama dengan tekanan atmosfir + gaya tegangan permukaan yang mengerutkan selaput.

Lalu bagaimana dengan tetes embun atau tetes air yang keluar dari kran ?

Pada dasarnya sama saja karena penyebab utamanya adalah tegangan permukaan. Kalau gelembung air sabun memiliki dua selaput tipis pada dua permukaannya, maka tetes air hanya memiliki satu selaput tipis, yakni pada bagian luar tetes air. Bagian dalamnya penuh dengan air. Akibat adanya gaya kohesi, maka timbul tegangan permukaan. Bagian luar tetes air ditarik ke dalam. Akibatnya, air berkontraksi dan cenderung memperkecil luas permukaannya. Tekanan atmosfir yang berada di luar turut membantu menekan tetes air. Kontraksi akan terhenti ketika tekanan pada bagian dalam air sama dengan tekanan atmosfir + gaya tegangan permukaan yang mengerutkan selaput air.



Prinsip Archimedes

Pernahkah dirimu melihat kapal laut ? jika belum pernah melihat kapal laut secara langsung, mudah-mudahan dirimu pernah melihat kapal laut melalui televisi (Tuh ada gambar kapal di samping). Coba bayangkan. Kapal yang massanya sangat besar tidak tenggelam, sedangkan sebuah batu yang ukurannya kecil dan terasa ringan bisa tenggelam. Aneh khan ? Mengapa bisa demikian ?

Jawabannya sangat mudah jika dirimu memahami konsep pengapungan dan prinsip Archimedes. Pada kesempatan ini gurumuda ingin membimbing dirimu untuk memahami apa sesungguhnya prinsip archimedes. Selamat belajar ya… Semoga setelah mempelajari pokok bahasan ini dirimu dengan mudah menjelaskan semua persoalan berkaitan dengan prinsip archimedes, termasuk alasan mengapa kapal yang massanya besar tidak tenggelam.

Gaya Apung

Sebelum membahas prinsip Archimedes lebih jauh, gurumuda ingin mengajak dirimu untuk melakukan percobaan kecil-kecilan berikut ini. Silahkan cari sebuah batu yang ukurannya agak besar, lalu angkat batu tersebut. Apakah batu tersebut terasa berat ? nah, sekarang coba masukan batu ke dalam air (masukan batu ke dalam air laut atau air kolam atau air yang ada dalam sebuah wadah, misalnya ember). Kali ini batu diangkat dalam air. Bagaimana berat batu tersebut ? apakah batu terasa lebih ringan ketika diangkat dalam air atau ketika tidak diangkat dalam air ? agar bisa menjawab pertanyaan gurumuda dengan benar, sebaiknya dirimu melakukan percobaan tersebut terlebih dahulu.

Untuk memperoleh hasil percobaan yang lebih akurat, dirimu bisa melakukan percobaan dengan menimbang batu menggunakan timbangan pegas (seandainya ada timbangan pegas di sekolah-mu). Timbanglah batu di udara terlebih dahulu. Catat berat batu tersebut. Selanjutnya, masukan batu ke dalam sebuah wadah yang berisi air, lalu timbang lagi batu tersebut. Bandingkan manakah berat batu yang lebih besar, ketika batu ditimbang di dalam air atau ketika batu ditimbang di udara ?

Ketika dirimu menimbang batu di dalam air, berat batu yang terukur pada timbangan pegas menjadi lebih kecil dibandingkan dengan ketika dirimu menimbang batu di udara (tidak di dalam air). Massa batu yang terukur pada timbangan lebih kecil karena ada gaya apung yang menekan batu ke atas. Efek yang sama akan dirasakan ketika kita mengangkat benda apapun dalam air. Batu atau benda apapun akan terasa lebih ringan jika diangkat dalam air. Hal ini bukan berarti bahwa sebagian batu atau benda yang diangkat hilang sehingga berat batu menjadi lebih kecil, tetapi karena adanya gaya apung. Arah gaya apung ke atas, alias searah dengan gaya angkat yang kita berikan pada batu tersebut sehingga batu atau benda apapun yang diangkat di dalam air terasa lebih ringan. Sampai di sini, dirimu sudah paham-kah ?

Keterangan gambar :

Fpegas = gaya pegas, w = gaya berat batu, F1 = gaya yang diberikan fluida pada bagian atas batu, F2 = gaya yang diberikan fluida pada bagian bawah batu, Fapung = gaya apung.

Fapung merupakan gaya total yang diberikan fluida pada batu (Fapung = F2-F1). Arah gaya apung (Fapung) ke atas, karena gaya yang diberikan fluida pada bagian bawah batu (F2) lebih besar daripada gaya yang diberikan fluida pada bagian atas batu (F1). Hal ini dikarenakan tekanan fluida pada bagian bawah lebih besar daripada tekanan fluida pada bagian atas batu.

Prinsip Archimedes

Dalam kehidupan sehari-hari, kita akan menemukan bahwa benda yang dimasukan ke dalam fluida seperti air misalnya, memiliki berat yang lebih kecil daripada ketika benda tidak berada di dalam fluida tersebut. Dirimu mungkin sulit mengangkat sebuah batu dari atas permukaan tanah tetapi batu yang sama dengan mudah diangkat dari dasar kolam. Hal ini disebabkan karena adanya gaya apung sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya. Gaya apung terjadi karena adanya perbedaan tekanan fluida pada kedalaman yang berbeda. Seperti yang telah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Tekanan pada Fluida, tekanan fluida bertambah terhadap kedalaman. Semakin dalam fluida (zat cair), semakin besar tekanan fluida tersebut. Ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida, maka akan terdapat perbedaan tekanan antara fluida pada bagian atas benda dan fluida pada bagian bawah benda. Fluida yang terletak pada bagian bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang berada di bagian atas benda. (perhatikan gambar di bawah).

Pada gambar di atas, tampak sebuah benda melayang di dalam air. Fluida yang berada dibagian bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang terletak pada bagian atas benda. Hal ini disebabkan karena fluida yang berada di bawah benda memiliki kedalaman yang lebih besar daripada fluida yang berada di atas benda (h2 > h1).

Besarnya tekanan fluida pada kedalamana h2 adalah :

Besarnya tekanan fluida pada kedalamana h1 adalah :

F2 = gaya yang diberikan oleh fluida pada bagian bawah benda, F1 = gaya yang diberikan oleh fluida pada bagian atas benda, A = luas permukaan benda

Selisih antara F2 dan F1 merupakan gaya total yang diberikan oleh fluida pada benda, yang kita kenal dengan istilah gaya apung. Besarnya gaya apung adalah :

Keterangan :

Karena

(ingat kembali persamaan massa jenis)

Maka persamaan yang menyatakan besarnya gaya apung (Fapung) di atas bisa kita tulis menjadi :

mFg = wF = berat fluida yang memiliki volume yang sama dengan volume benda yang tercelup. Berdasarkan persamaan di atas, kita bisa mengatakan bahwa gaya apung pada benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Ingat bahwa yang dimaksudkan dengan fluida yang dipindahkan di sini adalah volume fluida yang sama dengan volume benda yang tercelup dalam fluida. Pada gambar di atas, gurumuda menggunakan ilustrasi di mana semua bagian benda tercelup dalam fluida (air). Jika dinyatakan dalam gambar maka akan tampak sebagai berikut :

Apabila benda yang dimasukkan ke dalam fluida, terapung, di mana bagian benda yang tercelup hanya sebagian maka volume fluida yang dipindahkan = volume bagian benda yang tercelup dalam fluida tersebut. Tidak peduli apapun benda dan bagaimana bentuk benda tersebut, semuanya akan mengalami hal yang sama. Ini adalah buah karya eyang butut Archimedes (287-212 SM) yang saat ini diwariskan kepada kita dan lebih dikenal dengan julukan “Prinsip Archimedes”. Prinsip Archimedes menyatakan bahwa :

Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.

Dirimu bisa membuktikan prinsip Archimedes dengan melakukan percobaan kecil-kecilan berikut. Masukan air ke dalam sebuah wadah (ember dkk). Usahakan sampai meluap sehingga ember tersebut benar-benar penuh terisi air. Setelah itu, silahkan masukan sebuah benda ke dalam air. Setelah benda dimasukan ke dalam air, maka sebagian air akan tumpah. Volume air yang tumpah = volume benda yang tercelup dalam air tersebut. Jika seluruh bagian benda tercelup dalam air, maka volume air yang tumpah = volume benda tersebut. Tapi jika benda hanya tercelup sebagian, maka volume air yang tumpah = volume dari bagian benda yang tercelup dalam air Besarnya gaya apung yang diberikan oleh air pada benda = berat air yang tumpah (berat air yang tumpah = w = mairg = massa jenis air x volume air yang tumpah x percepatan gravitasi). Volume air yang tumpah = volume benda yang tercelup dalam air

Kisah Eyang Archimedes

Konon katanya, eyang butut Archimedes yang hidup antara tahun 287-212 SM ditugaskan oleh Raja Hieron II untuk menyelidiki apakah mahkota yang dibuat untuk Sang Raja terbuat dari emas murni atau tidak. Untuk mengetahui apakah mahkota tersebut terbuat dari emas murni atau mahkota tersebut mengandung logam lain, eyang butut Archimedes pada mulanya kebingungan. Persoalannya, bentuk mahkota itu tidak beraturan dan tidak mungkin dihancurkan dahulu agar bisa ditentukan apakah mahkota terbuat dari emas murni atau tidak. Ide brilian muncul ketika ia sedang mandi dan mungkin karena saking senangnya, eyang butut Archimedes ini langsung berlari dalam keadaan bugil sambil berteriak “eureka” yang artinya “saya telah menemukannya”. Waduh, saking senangnya lupa pake handuk… hehe… ide brilian untuk menentukan apakah mahkota raja terbuat dari emas murni atau tidak adalah dengan terlebih dahulu menentukan Berat Jenis mahkota tersebut lalu membandingkannya dengan berat jenis emas. Jika mahkota terbuat dari emas murni, maka berat jenis mahkota = berat jenis emas.

Berat jenis suatu benda merupakan perbandingan antara berat benda tersebut di udara dengan berat air yang memiliki volume yang sama dengan volume benda. Secara matematis ditulis :

Nah, sekarang bagaimana menentukan berat air yang memiliki volume yang sama dengan volume benda ?

Menurut eyang butut Archimedes, berat air yang memiliki volume yang sama dengan volume benda = besarnya gaya apung ketika benda tenggelam (seluruh bagan benda tercelup dalam air). Hal ini sama saja dengan berat benda yang hilang ketika ditimbang dalam air. Dengan demikian :

Untuk menentukan berat jenis mahkota, maka terlebih dahulu mahkota ditimbang di udara (BeratMahkotaDiudara). Selanjutnya mahkota dimasukan ke dalam air lalu ditimbang lagi untuk memperoleh BeratMahkotaYangHilang. Jadi :

Setelah berat jenis mahkota diperoleh, maka selanjutnya dibandingkan dengan berat jenis emas. Berat jenis emas = 19,3. Jika berat jenis mahkota = berat jenis emas, maka mahkota tersebut terbuat dari emas murni. Tapi jika mahkota tidak terbuat dari emas murni, maka berat jenis mahkota tidak sama dengan berat jenis emas.




Prinsip Pascal

prinsip pascal

Pernahkah dirimu jalan-jalan ke bengkel ? Jangan jauh-jauh ke bengkel, mungkin dirimu pernah melihat mobil mogok di jalan karena ban dalam mobil tersebut kempis alias pecah ?… nah, ketika roda mobil mengalami kerusakan maka om sopir atau kondektur harus menggantinya dengan roda yang lain. Atau kadang mobil harus digiring ke bengkel, soalnya yang nyetir pake dasi. Agar roda mobil yang rusak bisa diganti maka digunakan bantuan dongkrak hidrolis. Tahukah dirimupascal bagaimana prinsip kerja dongkrak hidrolis ? mobil yang begitu berat bisa diangkat dengan mudah. Aneh bin ajaib. Hehe… semuanya karena fisika :) . Selain itu, ketika dirimu menumpang mobil atau angkot, coba amati bagaimana kendaraan bisa direm. Kalau pingin iseng, silahkan bertanya kepada om sopir. Om, kok mobilnya bisa berhenti ya ? prinsip kerja rem bagaimana-kah ? mudah2an dirimu tidak diomelin oleh om sopir.

Ok, kembali ke laptop. Bagaimana prinsip kerja dongkrak/ lift hidrolik yang biasa digunakan untuk mengangkat mobil ? bagaimana pula prinsip kerja rem hidrolis ketika digunakan untuk mengurangi laju mobil ? mudah-mudahan dirimu kebingungan dan tidak mengetahui jawabannya… hehe… ingin tahu mengapa ? selamat belajar bersama om Pascal. Semoga setelah mempelajari pokok bahasan ini, dirimu semakin dekat di hati om Pascal serta om sopir dkk…

Prinsip Pascal

Sebagaimana telah kita pelajari pada pokok bahasan Tekanan pada Fluida, setiap fluida selalu memberikan tekanan pada semua benda yang bersentuhan dengannya. Air yang kita masukan ke dalam gelas akan memberikan tekanan pada dinding gelas. Demikian juga apabila kita mandi dalam kolam renang atau air laut, air kolam atau air laut tersebut juga memberikan tekanan pada seluruh tubuh kita. Nah, tekanan total air pada kedalaman tertentu, misalnya tekanan air laut pada kedalaman 200 meter merupakan jumlah tekanan atmosfir yang menekan permukaan air laut dan “tekanan terukur” pada kedalaman 200 meter. Jadi selain lapisan bagian atas air menekan lapisan air yang ada di bawahnya, terdapat juga atmosfir alias udara yang menekan permukaan air laut tersebut.

Tekanan yang ditimbulkan oleh lapisan fluida yang ada di atas bisa kita katakan “tekanan dalam” karena tekanan itu sendiri berasal dari dalam fluida sedangkan tekanan atmosfir bisa kita katakan “tekanan luar” karena atmosfir terpisah dari fluida. Tekanan atmosfir yang dalam kasus ini merupakan tekanan luar, bekerja pada seluruh permukaan fluida dan tekanan tersebut disalurkan pada seluruh bagian fluida. Karenanya tekanan total fluida pada kedalaman tertentu selain disebabkan oleh tekanan lapisan fluida pada bagian atas, juga dipengaruhi oleh tekanan luar (untuk kasus di atas adalah tekanan atmosfir).

Untuk semakin memahami penjelasan ini, mari kita tinjau zat cair yang berada dalam suatu wadah. Tekanan zat cair pada dasar wadah tentu saja lebih besar dari tekanan zat cair pada bagian di atasnya (ingat kembali pembahasan mengenai Tekanan Pada Fluida). Semakin ke bawah, semakin besar tekanan zat cair tersebut, sebaliknya semakin mendekati permukaan atas wadah, semakin kecil tekanan zat cair. Besarnya tekanan sebanding dengan pgh (p = massa jenis, g = percepatan gravitasi dan h = ketinggian/kedalaman). Pada setiap titik pada kedalaman yang sama, besarnya tekanan sama. Hal ini berlaku untuk semua zat cair dalam wadah apapun dan tidak bergantung pada bentuk wadah tersebut. Apabila kita tambahkan tekanan luar, misalnya dengan menekan permukaan zat cair tersebut, pertambahan tekanan dalam zat cair adalah sama di mana-mana. Jadi apabila diberikan tekanan luar, setiap bagian zat cair mendapat “jatah” tekanan yang sama. Karenanya besar tekanan selalu sama di setiap titik pada kedalaman yang sama. Ini merupakan Prinsip Pascal, dicetuskan dan dinamakan sesuai dengan nama pencetusnya, Om Blaise Pascal (1623-1662). Om Pascal merupakan filsuf dan ilmuwan Perancis, bukan Indonesia. Kapan neh dari Indonesia, dirimu-kah ? :)

Prinsip Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada cairan dalam suatu tempat tertutup akan diteruskan sama besar ke setiap bagian fluida dan dinding wadah

Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

P = tekanan, F = Gaya dan A = Luas permukaan. Kata “masuk” mewakili “tekanan yang diberikan”, sedangkan kata “keluar” mewakili “tekanan yang diteruskan”.

Penerapan Prinsip Pascal

Berpedoman pada prinsip Om Pascal ini, manusia telah menghasilkan beberapa alat, baik yang sederhana maupun canggih untuk membantu mempermudah kehidupan. Beberapa di antaranya adalah Dongkrak Hidrolik, Lift Hidrolik, Rem Hidrolik dkk…

Dongkrak alias Lift Hidrolik

Cara kerja dongkrak alias lift hidrolik ditunjukkan pada gambar di bawah.

Silahkan amati gambar yang kusam ini dengan penuh semangat. Jangan dipelototin… hehe… Dongkrak hidrolik terdiri dari sebuah bejana yang memiliki dua permukaan. Pada kedua permukaan bejana terdapat penghisap (piston), di mana luas permukaan piston di sebelah kiri lebih kecil dari luas permukaan piston di sebelah kanan. Luas permukaan piston disesuaikan dengan luas permukaan bejana. Bejana diisi cairan, seperti pelumas (oli dkk).

Apabila piston yang luas permukaannya kecil ditekan ke bawah, maka setiap bagian cairan juga ikut tertekan. Besarnya tekanan yang diberikan oleh piston yang permukaannya kecil (gambar kiri) diteruskan ke seluruh bagian cairan. Akibatnya, cairan menekan piston yang luas permukaannya lebih besar (gambar kanan) hingga piston terdorong ke atas. Luas permukaan piston yang ditekan kecil, sehingga gaya yang diperlukan untuk menekan cairan juga kecil. Tapi karena tekanan (Tekanan = gaya / satuan luas) diteruskan seluruh bagian cairan, maka gaya yang kecil tadi berubah menjadi sangat besar ketika cairan menekan piston di sebelah kanan yang luas permukaannya besar. Jarang sekali orang memberikan gaya masuk pada piston yang luas permukaannya besar, karena tidak menguntungkan. Pada bagian atas piston yang luas permukaannya besar biasanya diletakan benda atau begian benda yang mau diangkat (misalnya mobil dkk)

Dirimu jangan heran jika mobil yang massanya sangat besar dengan mudah diangkat hanya dengan menekan salah satu piston. Ingat bahwa luas permukaan piston sangat kecil sehingga gaya yang kita berikan juga kecil. Walaupun demikian gaya masukan yang kecil tersebut bisa berubah menjadi gaya keluaran yang sangat besar bila luas permukaan keluaran sangat besar. Jika dongkrak hidrolik dirancang untuk mengangkat mobil yang massanya sangat berat maka perancang perlu memperhatikan besar gaya berat mobil tersebut dan besarnya gaya keluaran yang dihasilkan oleh dongkrak. Semakin besar gaya berat mobil yang diangkat maka semakin besar luas permukaan keluaran dari dongkrak hidrolik. Minimal gaya keluaran yang dihasilkan oleh dongkrak hidrolis lebih besar/sama dengan gaya berat benda yang diangkat.




Penerapan Prinsip dan Persamaan Bernoulli

Sebelumnya, kita sudah belajar mengenai Prinsip dan Persamaan Bernoulli. Kali ini kita akan melihat penerapan prinsip dan persamaan Bernoulli dalam kehidupan sehari-hari.

Teorema Torriceli

Salah satu penggunaan persamaan Bernoulli adalah menghitung kecepatan zat cair yang keluar dari dasar sebuah wadah (lihat gambar di bawah)

penerapan-prinsip-bernoulli-a1Kita terapkan persamaan Bernoulli pada titik 1 (permukaan wadah) dan titik 2 (permukaan lubang). Karena diameter kran/lubang pada dasar wadah jauh lebih kecil dari diameter wadah, maka kecepatan zat cair di permukaan wadah dianggap nol (v1 = 0). Permukaan wadah dan permukaan lubang/kran terbuka sehingga tekanannya sama dengan tekanan atmosfir (P1 = P2). Dengan demikian, persamaan Bernoulli untuk kasus ini adalah :

penerapan-prinsip-bernoulli-bJika kita ingin menghitung kecepatan aliran zat cair pada lubang di dasar wadah, maka persamaan ini kita oprek lagi menjadi :

penerapan-prinsip-bernoulli-cBerdasarkan persamaan ini, tampak bahwa laju aliran air pada lubang yang berjarak h dari permukaan wadah sama dengan laju aliran air yang jatuh bebas sejauh h (bandingkan Gerak jatuh Bebas)

Ini dikenal dengan Teorema Torricceli. Teorema ini ditemukan oleh Eyang Torricelli, murid eyang butut Gallileo, satu abad sebelum om Bernoulli menemukan persamaannya.

Efek Venturi

Selain teorema Torricelli, persamaan Bernoulli juga bisa diterapkan pada kasus khusus lain yakni ketika fluida mengalir dalam bagian pipa yang ketinggiannya hampir sama (perbedaan ketinggian kecil). Untuk memahami penjelasan ini, amati gambar di bawah.

penerapan-prinsip-bernoulli-dPada gambar di atas tampak bahwa ketinggian pipa, baik bagian pipa yang penampangnya besar maupun bagian pipa yang penampangnya kecil, hampir sama sehingga diangap ketinggian alias h sama. Jika diterapkan pada kasus ini, maka persamaan Bernoulli berubah menjadi :

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-a

Ketika fluida melewati bagian pipa yang penampangnya kecil (A2), maka laju fluida bertambah (ingat persamaan kontinuitas). Menurut prinsip Bernoulli, jika kelajuan fluida bertambah, maka tekanan fluida tersebut menjadi kecil. Jadi tekanan fluida di bagian pipa yang sempit lebih kecil tetapi laju aliran fluida lebih besar.

Ini dikenal dengan julukan efek Venturi dan menujukkan secara kuantitatif bahwa jika laju aliran fluida tinggi, maka tekanan fluida menjadi kecil. Demikian pula sebaliknya, jika laju aliran fluida rendah maka tekanan fluida menjadi besar.

Venturi meter

Penerapan menarik dari efek venturi adalah Venturi Meter. Alat ini dipakai untuk mengukur laju aliran fluida, misalnya menghitung laju aliran air atau minyak yang mengalir melalui pipa. Terdapat 2 jenis venturi meter, yakni venturi meter tanpa manometer dan venturi meter yang menggunakan manometer yang berisi cairan lain, seperti air raksa. Prinsip kerjanya sama saja…. Pada kesempatan ini gurumuda hanya menjelaskan venturi meter tanpa manometer.

Venturi meter tanpa manometer

Gambar di bawah menunjukkan sebuah venturi meter yang digunakan untuk mengukur laju aliran zat cair dalam pipa.

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-bKok airnya bisa naik ke pipa kecil sich… Tuh kenapa ya ? masih ingat si kapilaritas-kah ? kalau lupa, belajar kapilaritas lagi… biar paham.

Amati gambar di atas. Ketika zat cair melewati bagian pipa yang penampangnya kecil (A2), laju cairan meningkat. Menurut prinsipnya om Bernoulli, jika laju cairan meningkat, maka tekanan cairan menjadi kecil. Jadi tekanan zat cair pada penampang besar lebih besar dari tekanan zat cair pada penampang kecil (P1 > P2). Sebaliknya v2 > v1

Sekarang kita oprek persamaan yang digunakan untuk menentukan laju aliran zat cair pada pipa di atas. Kita gunakan persamaan efek venturi yang telah diturunkan sebelumnya. Neh persamaannya…

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-cIngat ya, kita hendak mencari laju aliran zat cair di penampang besar (v1). Kita gantikan v2 pada persamaan 1 dengan v2 pada persamaan 2.

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-dDalam pokok bahasan Tekanan Pada Fluida, gurumuda sudah menjelaskan bahwa untuk menghitung tekanan fluida pada suatu kedalaman tertentu, kita bisa menggunakan persamaan :

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-eJika perbedaan massa jenis fluida sangat kecil, maka kita bisa menggunakan persamaan ini untuk menentukan perbedaan tekanan pada ketinggian yang berbeda (kalau bingung, baca kembali pembahasan mengenai Tekanan Dalam Fluida — Fluida Statis). Dengan demikian, persamaan a bisa kita oprek menjadi :

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-fKarena zat cair-nya sama maka massa jenisnya juga pasti sama. Kita lenyapkan rho dari persamaan…

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-gIni dia si persamaan yang bikin sebel…. dah nemu. Persamaan ini kita gunakan untuk menentukan laju zat cair yang mengalir dalam pipa.

Dalam bidang kedokteran, telah dirancang juga venturi meter yang digunakan untuk mengukur laju aliran darah dalam arteri.

Tugas kreatif : coba buat alat seperti venturi meter di atas, terserah bahannya apa, asal tahan air. Gunakan alat itu untuk menentukan laju aliran air, mau air sungai kek, air comberan juga terserah :) masukan alat itu ke dalam air, usahakan posisinya sejajar dengan aliran air. Setelah itu, catat ketinggian air pada dua kolom pipa. Selanjutnya, tentukan h. Luas permukaan bisa langsung dihitung pakai persamaan luas lingkaran. Gunakan rumus di atas untuk menghitung laju aliran air. Selamat mencoba…

Tabung Pitot

Kirain tabung petot ;) kalau venturi meter digunakan untuk mengukur laju aliran zat cair, maka tabung pitot digunakan untuk mengukur laju aliran gas / udara. Perhatikan gambar di bawah…

Lubang pada titik 1 sejajar dengan aliran udara. Posisi kedua lubang ini dibuat cukup jauh dari ujung tabung pitot, sehingga laju dan tekanan udara di luar lubang sama seperti laju dan tekanan udara yang mengalir bebas. Dalam hal ini, v1 = laju aliran udara yang mengalir bebas (ini yang akan kita ukur), dan tekanan pada kaki kiri manometer (pipa bagian kiri) = tekanan udara yang mengalir bebas (P1).

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-hLubang yang menuju ke kaki kanan manometer, tegak lurus dengan aliran udara. Karenanya, laju aliran udara yang lewat di lubang ini (bagian tengah) berkurang dan udara berhenti ketika tiba di titik 2. Dalam hal ini, v2 = 0. Tekanan pada kaki kanan manometer sama dengan tekanan udara di titik 2 (P2).

Ketinggian titik 1 dan titik 2 hampir sama (perbedaannya tidak terlalu besar) sehingga bisa diabaikan. Ingat ya, tabung pitot juga dirancang menggunakan prinsip efek venturi. Mirip seperti si venturi meter, bedanya si tabung petot ini dipakai untuk mengukur laju gas alias udara. Karenanya, kita tetap menggunakan persamaan efek venturi. Sekarang kita oprek persamaannya :

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-iPerbedaan tekanan (P2 – P1) = tekanan hidrostatis zat cair dalam manometer (warna hitam dalam manometer adalah zat cair, air raksa misalnya). Secara matematis bisa ditulis sebagai berikut :

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-jPerhatikan persamaan 1 dan persamaan 2. Ruas kiri-nya sama (P2 – P1). Karenanya persamaan 1 dan 2 bisa dioprek menjadi seperti ini :

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-kIni persamaan yang kita cari. Persamaan ini digunakan untuk menghitung laju aliran gas alias udara menggunakan si tabung petot ;)

Penyemprot Parfum

Pernah pakai parfum-kah ? wah, masa hari gini belum…. pacar kesayangan bisa kabur dari sisimu. He2… Prinsip kerja penyemprot parfum dkk juga menggunakan prinsip om Bernoulli. Perhatikan gambar di bawah…. Ini cuma gambaran umum saja, bagaimanapun setiap pabrik punya rancangan yang berbeda.

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-l

Secara garis besar, prinsip kerja penyemprot parfum bisa digambarkan sebagai berikut (sambil lihat gambar ya). Ketika bola karet diremas, udara yang ada di dalam bola karet meluncur keluar melalui pipa 1. Karenanya, udara dalam pipa 1 mempunyai laju yang lebih tinggi. Karena laju udara tinggi, maka tekanan udara pada pipa 1 menjadi rendah. Sebaliknya, udara dalam pipa 2 mempunyai laju yang lebih rendah. Tekanan udara dalam pipa 2 lebih tinggi. Akibatnya, cairan parfum didorong ke atas. Ketika si cairan parfum tiba di pipa 1, udara yang meluncur dari dalam bola karet mendorongnya keluar… si cairan parfum akhirnya menyembur membasahi tubuh… ;)

Biasanya lubang berukuran kecil, sehingga parfum meluncur dengan cepat… ingat persamaan kontinuitas, kalau luas penampang kecil, maka fluida bergerak lebih cepat. Sebaliknya, kalau luas penampang pipa besar, maka fluida bergerak pelan.

Minum dengan pipet alias penyedot

Dirimu pernah minum es teh atau sirup menggunakan pipet alias penyedot-kah ? cairan apapun yang kita minum bisa masuk ke dalam mulut bukan karena kita nyedot. Prinsip om bernoulli berlaku juga untuk kasus ini… ketika kita mengisap alias menyedot air menggunakan pipet, sebenarnya kita membuat udara dalam pipet bergerak lebih cepat. Dalam hal ini, udara dalam pipet yang nempel ke mulut kita mempunyai laju lebih tinggi. Akibatnya, tekanan udara dalam bagian pipet itu menjadi lebih kecil. Nah, udara dalam bagian pipet yang dekat dengan minuman mempunyai laju yang lebih kecil. Karena lajunya kecil, maka tekanannya lebih besar. Perbedaan tekanan udara ini yang membuat air atau minuman yang kita minum mengalir masuk ke dalam mulut kita. Dalam hal ini, cairan itu bergerak dari bagian pipet yang tekanan udara-nya tinggi menuju bagian pipet yang tekanan udara-nya rendah.

Cerobong Asap

Pernah lihat cerobong asap ? yang tinggal di kota, seperti surabaya, semarang, jakarta dkk pasti pernah lihat cerobong asap pabrik… mengapa asap bisa bergerak naik melalui cerobong ? emang dari sono-nya dah begitu kok… yee… anak TK juga bisa jawab kayak gini ;)

Pertama, asap hasil pembakaran memiliki suhu tinggi alias panas. Karena suhu tinggi, maka massa jenis udara tersebut kecil. Udara yang massa jenisnya kecil mudah terapung alias bergerak ke atas. Alasannya bukan cuma ini… Prinsip om bernoulli juga terlibat dalam persoalan ini.

Kedua, prinsip om bernoulli mengatakan bahwa jika laju aliran udara tinggi maka tekanannya menjadi kecil, sebaliknya jika laju aliran udara rendah, maka tekanannya besar. Ingat bahwa bagian atas cerobong berada di luar ruangan. Ada angin yang niup di bagian atas cerobong, sehingga tekanan udara di sekitarnya lebih kecil. Di dalam ruangan tertutup tidak ada angin yang niup, sehingga tekanan udara lebih besar. Karenanya asap digiring ke luar lewat cerobong… (udara bergerak dari tempat yang tekanan udaranya tinggi ke tempat yang tekanan udaranya rendah).

Tikus juga tahu prinsip Om Bernoulli

Perhatikan gambar di bawah…. ini gambar lubang tikus dalam tanah. Tikus juga tahu prinsip om bernoulli. Si tikus tidak mau mati karena sesak napas, karenanya tikus membuat 2 lubang pada ketinggian yang berbeda. Akibat perbedaan ketinggian permukaan tanah, maka udara berdesak2an dengan temannya (bagian kanan). Mirip seperti air yang mengalir dari pipa yang penampangnya besar menuju pipa yang penampangnya kecil. Karena berdesak2an maka laju udara meningkat (Tekanan udara menurun).

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-m

Karena ada perbedaan tekanan udara, maka udara dipaksa mengalir masuk melalui lubang tikus. Udara mengalir dari tempat yang tekanan udara-nya tinggi ke tempat yang tekanan udaranya rendah. Kata si tikus, lega rasanya… ada hembusan angin sepoi-sepoi kering, bikin aku tidak kepanasan :) bukan tikusnya yang pintar fisika, si tikus sudah diprogram Sang Pencipta Alam Semesta dan Seisinya demikian…

Gaya angkat Pesawat

Salah satu faktor yang menyebabkan pesawat bisa terbang adalah adanya sayap. Bentuk sayap pesawat melengkung dan bagian depannya lebih tebal daripada bagian belakangnya. Bentuk sayap seperti ini dinamakan aerofoil. Ide ini ditiru dari sayap burung. Bentuk sayap burung juga seperti itu (sayap burung melengkung dan bagian depannya lebih tebal). Pernah lihat burung belum ? ;) Bedanya, sayap burung bisa dikepakkan, sedangkan sayap pesawat tidak. Burung bisa terbang karena ia mengepakkan sayapnya, sehingga ada aliran udara yang melewati kedua sisi sayap. Agar udara bisa mengalir pada kedua sisi sayap pesawat, maka pesawat harus digerakkan maju. Manusia menggunakan mesin untuk menggerakan pesawat (mesin baling2 atau mesin jet).

penerapan-prinsip-dan-persamaan-bernoulli-n

Bagian depan sayap dirancang melengkung ke atas. Udara yang ngalir dari bawah berdesak2an dengan temannya yang ada di sebelah atas. Mirip seperti air yang ngalir dari pipa yang penampangnya besar ke pipa yang penampangnya sempit. Akibatnya, laju udara di sebelah atas sayap meningkat. Karena laju udara meningkat, maka tekanan udara menjadi kecil. Sebaliknya, laju aliran udara di sebelah bawah sayap lebih rendah, karena udara tidak berdesak2an (tekanan udaranya lebih besar). Adanya perbedaan tekanan ini, membuat sayap pesawat didorong ke atas. Karena sayapnya nempel dengan badan si pesawat, maka si pesawat ikut2an terangkat.

Prinsip om bernoulli ini hanya salah satu faktor yang menyebabkan pesawat terangkat. Penyebab lain adalah si momentum. Biasanya, sayap pesawat dimiringkan sedikit ke atas. Pernah lihat pesawat belum ? hiks…hiks… pisss….. coba perhatikan sayap pesawat… posisinya miring khan ? itu juga punya tujuan, bukan asal miring. Udara yang mengenai permukaan bawah sayap dibelokkan ke bawah. Karena pesawat punya dua sayap, yakni di bagian kiri dan kanan, maka udara yang dibelokkan ke bawah tadi saling berciuman. Perubahan momentum molekul udara yang ciuman alias bertumbukkan menghasilkan gaya angkat tambahan (ingat lagi si momentum dan tumbukan). Masih ada lagi…. coba perhatikan gambar di atas. Bagian depannya khan melengkung ke atas… tujuannya biar prinsip om bernoulli bisa dimanfaatkan habis2an (mengenai hal ini sudah dijelaskan di atas).

Btw, bagian atas sayap itu melengkung ke bawah lagi, sampai ke buntutnya….. Itu juga punya tujuan. Karena bentuk sayap melengkung ke bawah sampai ke buntutnya, maka udara dipaksa oleh sayap untuk mengalir lagi ke bawah. Menurut eyang Newton dalam Hukum III Newton, karena ada gaya aksi maka ada gaya reaksi. Karena sayap memaksa udara turun, maka udara harus memaksa sayap naik. Dalam hal ini, udara memberikan gaya angkat pada sayap. Jadi bukan cuma prinsip si om bernoulli saja yang bikin pesawat bisa terangkat. Selengkapnya bisa dipelajari di dunia perteknikan (itu sich kalau dirimu mau bantu om habibie bikin pesawat).



Prinsip dan persamaan Bernoulli

images14

Dirimu bisa mengendarai sepeda motor khan ? ketika kita mengendarai sepeda motor agak kencang, baju yang kita pakai biasanya mengembung ke belakang. Atau kalau dirimu belum bisa mengendarai sepeda motor, coba perhatikan ayah/ibu/teman2 yang mengendarai sepeda motor. Bagian belakang baju yang dipakai biasanya kembung ke belakang kalau sepeda motornya melaju dengan kencang. Kok bisa ya ? bukan cuma itu… kadang kalau angin bertiup kencang, pintu rumah bisa ketutup sendiri. Padahal anginnya bertiup di luar rumah, sedangkan daun pintu ada di dalam rumah.

Dirimu bingung-kah ? Tuh mah gampang, bisa dijelaskan dengan mudah asal dirimu paham prinsip om Bernoulli. Om Daniel Bernoulli (1700-1782) menemukan sebuah prinsip yang bisa digunakan untuk menjelaskan keanehan di atas. Btw, prinsip Bernoulli tu apa ? terus apa bedanya dengan persamaan Bernoulli ? Sekarang bersiap-siaplah bergulat dengan om Bernoulli… wah, Om Bernoulli ini bikin pelajaran fisika tambah banyak saja… hehe :)

Prinsip Bernoulli

Prinsip Bernoulli menyatakan bahwa di mana kecepatan aliran fluida tinggi, tekanan fluida tersebut menjadi rendah. Sebaliknya jika kecepatan aliran fluida rendah, tekanannya menjadi tinggi.

Ketika sepeda motor bergerak dengan cepat, maka kecepatan udara di bagian depan dan samping tubuhmu tinggi. Dengan demikian, tekanan udara menjadi rendah. Nah, bagian belakang tubuhmu terhalangi bagian depan tubuhmu, sehingga kecepatan udara di bagian belakang tubuhmu tidak berubah menjadi tinggi (tepat di bagian belakang tubuhmu). Akibatnya tekanan udara di bagian belakang tubuhmu menjadi lebih besar. Karena ada perbedaan tekanan udara, di mana tepat di bagian belakang tubuh tekanan udara lebih besar maka udara mendorong bajumu ke belakang sehingga bajumu kelihatan kembung ke belakang.

Bagaimana dengan daun pintu rumah yang menutup sendiri ketika angin bertiup kencang di luar rumah ? udara yang ada di luar rumah bergerak lebih cepat daripada udara yang ada di dalam rumah. Akibatnya, tekanan udara di luar rumah lebih kecil dari tekanan udara dalam rumah. Karena ada perbedaan tekanan, di mana tekanan udara di dalam rumah lebih besar, maka pintu didorong keluar. Dengan kata lain, daun pintu bergerak dari tempat yang tekanan udaranya besar menuju tempat yang tekanan udaranya kecil.

Persamaan Bernoulli

Sebelumnya kita telah belajar mengenai prinsip Om Bernoulli. Nah, Om Bernoulli juga mengembangkan prinsipnya itu secara kuantitatif. Untuk menurunkan persamaan Bernoulli, kita anggap aliran fluida tunak & laminar, tak-termampatkan alias tidak bisa ditekan, viskositas alias kekentalannya juga kecil sehingga bisa diabaikan.

Pada pembahasan mengenai Persamaan Kontinuitas, kita sudah belajar bahwa laju aliran fluida juga dapat berubah-ubah tergantung luas penampang tabung alir. Berdasarkan prinsip om Bernoulli yang dijelaskan di atas, tekanan fluida juga bisa berubah-ubah tergantung laju aliran fluida tersebut. Selain itu, dalam pembahasan mengenai Tekanan Pada Fluida (Fluida Statis), kita juga belajar bahwa tekanan fluida juga bisa berubah-ubah tergantung pada ketinggian fluida tersebut. Nah, hubungan penting antara tekanan, laju aliran dan ketinggian aliran bisa kita peroleh dalam persamaan Bernoulli. Persamaan bernoulli ini sangat penting karena bisa digunakan untuk menganalisis penerbangan pesawat, pembangkit listrik tenaga air, sistem perpipaan dkk.

Agar persamaan Bernoulli yang akan kita turunkan berlaku secara umum, maka kita anggap fluida mengalir melalui tabung alir dengan luas penampang yang tidak sama dan ketinggiannya juga berbeda (lihat gambar di bawah). Untuk menurunkan persamaan Bernoulli, kita terapkan teorema usaha dan energi pada fluida dalam daerah tabung alir (ingat kembali pembahasan mengenai usaha dan energi). Selanjutnya, kita akan memperhitungkan banyaknya fluida dan usaha yang dilakukan untuk memindahkan fluida tersebut.

bernoulli-1Warna buram dalam tabung alir pada gambar menunjukkan aliran fluida sedangkan warna putih menunjukkan tidak ada fluida.

Fluida pada luas penampang 1 (bagian kiri) mengalir sejauh L1 dan memaksa fluida pada penampang 2 (bagian kanan) untuk berpindah sejauh L2. Karena luas penampang 2 di bagian kanan lebih kecil, maka laju aliran fluida pada bagian kanan tabung alir lebih besar (Ingat persamaan kontinuitas). Hal ini menyebabkan perbedaan tekanan antara penampang 2 (bagian kanan tabung alir) dan penampang 1 (bagian kiri tabung alir) – Ingat prinsip Bernoulli. Fluida yang berada di sebelah kiri penampang 1 memberikan tekanan P1 pada fluida di sebelah kanannya dan melakukan usaha sebesar :

Pada penampang 2 (bagian kanan tabung alir), usaha yang dilakukan pada fluida adalah :

W1 = – p2 A2 L2

Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya yang diberikan berlawanan dengan arah gerak. Jadi fluida melakukan usaha di sebelah kanan penampang 2.

Di samping itu, gaya gravitasi juga melakukan usaha pada fluida. Pada kasus di atas, sejumlah massa fluida dipindahkan dari penampang 1 sejauh L1 ke penampang 2 sejauh L2, di mana volume fluida pada penampang 1 (A1L1) = volume fluida pada penampang 2 (A2L2). Usaha yang dilakukan oleh gravitasi adalah :

W3 = – mg (h2 – h1)

W3 = – mgh2 + mgh1

W3 = mgh1 – mgh2

Tanda negatif disebabkan karena fluida mengalir ke atas, berlawanan dengan arah gaya gravitasi. Dengan demikian, usaha total yang dilakukan pada fluida sesuai dengan gambar di atas adalah :

W = W1 + W2 + W3

W = P1A1L1 – P2A2L2 + mgh1 – mgh2

Sampai di sini tarik napas pendek 1000 kali dulu… Waduh pusink

Teorema usaha-energi menyatakan bahwa usaha total yang dilakukan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi kinetiknya. Dengan demikian, kita bisa menggantikan Usaha (W) dengan perubahan energi kinetik (EK2 – EK1). Persamaan di atas bisa kita tulis lagi menjadi :

W = P1A1L1 – P2A2L2 + mgh1 – mgh2

EK2 - EK1 = P1A1L1 – P2A2L2 + mgh1 – mgh2

½ mv22 – ½ mv12 = P1A1L1 – P2A2L2 + mgh1 – mgh2

Ingat bahwa massa fluida yang mengalir sejauh L1 pada penampang A1 = massa fluida yang mengalir sejauh L2 (penampang A2). Sejumlah massa fluida itu, sebut saja m, mempunyai volume sebesar A1L1 dan A2L2, di mana A1L1 = A2L2 (L2 lebih panjang dari L1).

Sekarang kita subtitusikan alias kita gantikan m pada persamaan di atas :

Persamaan ini bisa juga ditulis dalam bentuk seperti ini :

Ini adalah persamaan Om Bernoulli. Persamaan om Bernoulli ini kita turunkan berdasarkan prinsip usaha-energi, sehingga merupakan suatu bentuk Hukum Kekekalan Energi

Keterangan :

Ruas kiri dan ruas kanan pada persamaan Bernoulli di atas bisa mengacu pada dua titik di mana saja sepanjang tabung aliran sehingga kita bisa menulis kembali persamaan di atas menjadi :

Persamaan ini menyatakan bahwa jumlah total antara besaran-besaran dalam persamaan mempunyai nilai yang sama sepanjang tabung alir.

Sekarang mari kita tinjau persamaan Bernoulli untuk beberapa kasus.

Persamaan Bernoulli pada Fluida Diam

Kasus khusus dari persamaan Bernoulli adalah untuk fluida yang diam (fluida statis). Ketika fluida diam alias tidak bergerak, fluida tersebut tentu saja tidak punya kecepatan. Dengan demikian, v1 = v2 = 0. Pada kasus fluida diam, persamaan Bernouli bisa kita rumuskan menjadi :

Persamaan Bernoulli pada Tabung Alir atau Pipa yang ketinggiannya sama

Jika ketinggian tabung alir atau pipa sama, maka persamaan Bernoulli bisa dioprek menjadi :




Persamaan Kontinuitas

fluida

Sebelum kita belajar tentang persamaan kontinuitas, gurumuda ingin mengajak dirimu untuk bermain dengan air. Hehe… di rumah punya kran air khan ? kalau tidak punya, bisa pinjam punya tetangga. Bilang saja, pak/bu, pinjam kran airnya ya, sebentar saja.. pliss… demi kemajuan ilmu fisika. Terus merenggek saja gpp, nanti juga diberi ;) coba dirimu buka kran air perlahan-lahan sambil memperhatikan laju air yang keluar dari mulut kran. Setelah kran tidak bisa diputar lagi, sumbat sebagian mulut kran dengan tanganmu. Sekarang bandingkan, manakah laju aliran air yang lebih besar. Ketika sebagian mulut kran disumbat atau tidak disumbat ? kalau dirimu punya slang yang biasa dipakai untuk menyiram bunga, coba alirkan air melalui slang tersebut. Nah,persamaan-kontinuitas silahkan tutup sebagian mulut selang dengan tangan atau jarimu. Semakin banyak bagian mulut selang yang ditutup, semakin deras air menyembur keluar (laju aliran air makin besar). Sebaliknya, jika mulut slang tidak ditutup, aliran air menjadi seperti semula (kurang deras). Aneh khan ? mengapa bisa demikian ? agar bisa memahami “keanehan” ini, silahkan pelajari pokok bahasan ini dengan penuh semangat. Setelah mempelajari persamaan kontinuitas, dirimu bisa menjelaskannya dengan mudah…

Garis Arus dan Tabung Alir

Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita pahami konsep Garis Alir, Garis Arus dan Tabung Alir. Konsep ini penting, karena akan membantu dirimu untuk memahami persamaan kontinuitas.

Garis Arus (stream line)

Selain Garis Alir, ada juga namanya Garis Arus. Untuk memudahkan pemahamanmu, gurumuda menggunakan gambar. Perhatikan gambar di bawah. Garis yang berwarna biru merupakan Garis Arus.

2-garis-arusPada aliran tunak, kecepatan setiap partikel fluida di suatu titik, katakanlah titik A (lihat gambar) selalu sama. Ketika melewati titik B, kecepatan partikel fluida mungkin berubah. Walaupun demikian, ketika tiba di titik B, partikel fluida yang nyusul dari belakang mengalir dengan kecepatan yang sama seperti partikel fluida yang mendahuluinya. Demikian juga ketika tiba di titik C dan seterusnya. Nah, garis Arus itu merupakan kurva yang menghubungkan titik A,B dan C (catatan : ingat ya, kecepatan itu beda dengan kelajuan. Kecepatan punya arah)

Tabung Alir (flow tube)

Istilah makin aneh saja. Ada Garis lah, ada tabung lah… hehe…. Tabung Alir tuh maksudnya apa ? silahkan perhatikan gambar di bawah…

3-tabung-alir

Pada dasarnya kita bisa menggambarkan setiap garis arus melalui tiap-tiap titik dalam aliran fluida tersebut. Jika kita menggangap aliran fluida tunak, sejumlah garis arus yang melewati sudut tertentu pada luas permukaan imajiner (luas permukaan khayalan) membentuk suatu tabung aliran. Tidak ada partikel fluida yang saling berpotongan tapi selalu sejajar dan tabung aliran tersebut akan menyerupai sebuah pipa yang bentuknya selalu sama. Fluida yang masuk pada salah satu ujung tabung akan keluar dari tabung tersebut di ujung lainnya.

Debit

Dalam kehidupan sehari-hari orang sering menggunakan istilah “Debit”. Btw, Debit itu sebenarnya apa ?

Debit itu menyatakan volume suatu fluida yang mengalir melalui penampang tertentu dalam selang waktu tertentu. Secara matematis, bisa dinyatakan sebagai berikut :

6-kontinuitas4Untuk menambah pemahamanmu, kita gunakan contoh. Misalnya fluida mengalir melalui sebuah pipa. Pipa biasanya berbentuk silinder dan memiliki luas penampang tertentu. Pipa tersebut juga punya panjang (Lihat gambar di bawah).

4-debit1Ketika fluida mengalir dalam pipa tersebut sejauh L, misalnya, maka volume fluida yang ada dalam pipa adalah V = AL (V = volume fluida, A = luas penampang dan L = panjang pipa). Karena selama mengalir dalam pipa sepanjang L fluida menempuh selang waktu tertentu, maka kita bisa mengatakan bahwa besarnya debit fluida :

7-kontinuitas
Dengan demikian, ketika fluida mengalir melalui suatu pipa yang memiliki luas penampang dan panjang tertentu selama selang waktu tertentu, maka besarnya debit fluida (Q) tersebut sama dengan luas permukaan penampang (A) dikalikan dengan laju aliran fluida (v). Dipahami perlahan-lahan ya… Jika bingung berlanjut, silahkan hubungi dokter terdekat :) Pemahaman akan konsep debit ini sangat penting karena akan membantu dirimu memahami dengan baik persamaan kontinuitas.

Persamaan Kontinutitas

Penjelasan sebelumnya yang bertele-tele tersebut hanya mau mengantar dirimu untuk mempelajari persamaan kontinuitas, inti dari tulisan ini. Sekarang, mari kita tinjau aliran fluida pada sebuah pipa yang mempunyai diameter berbeda, seperti tampak pada gambar di bawah.

5-kontinuitas2Gambar ini menujukan aliran fluida dari kiri ke kanan (fluida mengalir dari pipa yang diameternya besar menuju diameter yang kecil). Garis putus-putus merupakan garis arus.

Keterangan gambar : A1 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter besar, A2 = luas penampang bagian pipa yang berdiameter kecil, v1 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter besar, v2 = laju aliran fluida pada bagian pipa yang berdiameter kecil, L = jarak tempuh fluida.

Pada pengantar fluida dinamis, gurumuda telah menjelaskan bahwa dalam fluida dinamis, kita membahas aliran fluida yang tak termampatkan, tak kental, tak berolak dan tunak. Sebaiknya dibaca terlebih dahulu penjelasan sebelumnya, biar lebih nyambung. Lanjut ya…

Pada aliran tunak, kecepatan aliran partikel fluida di suatu titik sama dengan kecepatan aliran partikel fluida lain yang melewati titik itu. Aliran fluida juga tidak saling berpotongan (garis arusnya sejajar). Karenanya massa fluida yang masuk ke salah satu ujung pipa harus sama dengan massa fluida yang keluar di ujung lainnya. Jika fluida memiliki massa tertentu masuk pada pipa yang diameternya besar, maka fluida tersebut akan keluar pada pipa yang diameternya kecil dengan massa yang tetap. Waduh, bingung-kah ? dipahami perlahan-lahan ya…

Sekarang, mari kita perhatikan gambar pipa di atas. Kita tinjau bagian pipa yang diameternya besar dan bagian pipa yang diameternya kecil.

Selama selang waktu tertentu, sejumlah fluida mengalir melalui bagian pipa yang diameternya besar (A1) sejauh L1 (L1 = v1t). Volume fluida yang mengalir adalah V1 = A1L1 = A1v1t. Nah, Selama selang waktu yang sama, sejumlah fluida yang lain mengalir melalui bagian pipa yang diameternya kecil (A2) sejauh L2 (L2 = v2t). Volume fluida yang mengalir adalah V2 = A2L2 = A2v2t. (sambil lihat gambar di atas).

Persamaan Kontinuitas untuk Fluida Tak-termampatkan (incompressible)

Pertama-tama mari kita tinjau kasus untuk Fluida Tak-termampatkan. Pada fluida tak-termampatkan (incompressible), kerapatan alias massa jenis fluida tersebut selalu sama di setiap titik yang dilaluinya.

Massa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas penampang A1 (diameter pipa yang besar) selama selang waktu tertentu adalah :

8-kontinuitasDemikian juga, massa fluida yang mengalir dalam pipa yang memiliki luas penampang A2 (diameter pipa yang kecil) selama selang waktu tertentu adalah :

9-kontinuitas

Mengingat bahwa dalam aliran tunak, massa fluida yang masuk sama dengan massa fluida yang keluar, maka :

10-kontinuitas

Catatan : massa jenis fluida dan selang waktu sama sehingga dilenyapkan.

Jadi, pada fluida tak-termampatkan, berlaku persamaan kontinuitas :

A1v1 = A2v2Persamaan 1

Di mana A1 = luas penampang 1, A2 = luas penampang 2, v1 = laju aliran fluida pada penampang 1, v2 = laju aliran fluida pada penampang 2. Av adalah laju aliran volume V/t alias debit (sudah gurumuda jelaskan di atas)

Persamaan 1 menunjukkan bahwa laju aliran volume alias debit selalu sama pada setiap titik sepanjang pipa/tabung aliran. Ketika penampang pipa mengecil, maka laju aliran fluida meningkat (fluida kebut2an), sebaliknya ketika penampang pipa menjadi besar, laju aliran fluida menjadi kecil. Agar dirimu semakin paham, silahkan obok-obok persamaan 1 dengan memasukan angka tertentu.

kontinuitasPada bagian pengantar tulisan ini, gurumuda mengajak dirimu untuk bermain dengan air. Ketika sebagian mulut kran kita sumbat, aliran air menjadi lebih deras dibandingkan ketika sebagian mulut kran tidak kita tutup. Hal itu disebabkan karena luas penampang kran menjadi kecil ketika sebagian mulut kran kita tutup, sehingga laju aliran air bertambah (fluida mengalir deras). Demikian juga pada kasus slang. Tapi perlu dirimu ketahui bahwa debit alias laju aliran volume selalu sama pada setiap tempat sepanjang aliran air, baik ketika sebagian mulut kran kita tutup maupun tidak. Jadi yang berubah adalah laju aliran fluida tersebut. Ssttt… laju aliran volume tuh maksudnya jumlah volume fluida yang mengalir dalam satu satuan waktu. Jangan pake bingung ya :)

fluida dinamis-1Lalu bagaimana dengan kasus aliran air di sungai ? Bagian sungai yang dalam memiliki penampang yang lebih besar dibandingkan dengan bagian sungai yang dangkal, sehingga laju aliran air pada bagian sungai yang dalam lebih kecil dari pada laju aliran air pada bagian sungai yang dangkal. Kalau dirimu melihat aliran air sungai sangat tenang, itu artinya bagian sungai itu dalam. Tapi kalau tiba-tiba aliran air sungai menjadi deras, maka bagian sungai itu pastifluida dinamis-3 dangkal. Walaupun demikian, laju aliran volume air selalu sama, baik pada bagian dalam maupun pada bagian sungai yang tenang.

Persamaan Kontinuitas untuk Fluida Termampatkan (compressible)

Untuk kasus fluida yang termampatkan alias compressible, massa jenis fluida tidak selalu sama. Dengan kata lain, massa jenis fluida berubah ketika dimampatkan. Kalau pada fluida Tak-termampatkan massa jenis fluida tersebut kita lenyapkan dari persamaan, maka pada kasus ini massa jenis fluida tetap disertakan. Dengan berpedoman pada persamaan yang telah diturunkan sebelumnya, mari kita turunkan persamaan untuk fluida termampatkan.

Mengingat bahwa dalam aliran tunak, massa fluida yang masuk sama dengan massa fluida yang keluar, maka :

Ini adalah persamaan untuk kasus fluida termampatkan. Bedanya hanya terletak pada massa jenis fluida. Apabila fluida termampatkan, maka massa jenisnya berubah. Sebaliknya, apabila fluida tak termampatkan, massa jenisnya selalu sama sehingga bisa kita lenyapkan. Untuk lebih memahami hubungan antara massa jenis dan fluida termampatkan/tak-termampatkan, silahkan pelajari pembahasan mengenai Tekanan Pada Fluida (Fluida Statis).



Pengantar fluida dinamis

fluida dinamisSebelumnya kita sudah bergulat dengan Fluida Statis. Nah, kali ini kita akan bergulat dengan sahabat fluida statis, yakni Fluida Dinamis. Kalau dalam pokok bahasan Fluida Statis kita belajar mengenai fluida diam, maka dalam fluida dinamis kita akan mempelajari fluida yang bergerak. Fluida itu sendiri merupakan zat yang dapat mengalir (zat cair & gas), tapi maksud gurumuda, dalam fluida statis, kita mempelajari fluida ketika fluida tersebut sedang diam alias tidak bergerak. Sedangkan dalam fluida dinamis, kita menganalisis fluida ketika fluida tersebut bergerak.

pengantar fluida dinamis-1Aliran fluida secara umum bisa kita bedakan menjadi dua macam, yakni aliran lurus alias laminar dan aliran turbulen. Aliran lurus bisa kita sebut sebagai aliran mulus, karena setiap partikel fluida yang mengalir tidak saling berpotongan. Salah satu contoh aliran laminar adalah naiknya asap dari ujung rokok yang terbakar. Mula-mula asap naik secara teratur (mulus), beberapa saat kemudian asap sudah tidak bergerak secara teratur lagi tetapi berubah menjadi aliran turbulen. Aliran turbulen ditandai dengan adanya linkaran-lingkaran kecil dan menyerupai pusaran dan kerap disebut sebagai arus eddy. Contoh lain dari aliran turbulen adalah pusaran air. Aliran turbulensi fluidaturbulen menyerap energi yang sangat besar. jadi dirimu jangan heran kalau badai datang melanda, semua yang dilalui badai tersebut hancur berantakan. Yang gurumuda maksudkan adaah badai yang membentuk pusaran alias putting beliung. Aliran turbulen ini sangat sulit dihitung.

Sebelum melangkahlebih jauh, alangkah baiknya jika kita mengenali ciri-ciri umum lainnya dari aliran fluida.

1. Aliran fluida bisa berupa aliran tunak (steady) dan aliran tak tunak (non-steady). Maksudnya apa sich aliran tunak dan tak-tunak ? mirp seperti tanak menanak nasi.. hehe… aliran fluida dikatakan aliran tunak jika kecepatan setiap partikel di suatu titik selalu sama. Katakanlah partikel fluida mengalir melewati titik A dengan kecepatan tertentu, lalu partikel fluida tersebut mengalir dengan kecepatan tertentu di titik B. nah, ketika partikel fluida lainnya yang nyusul dari belakang melewati titik A, kecepatan alirannya sama dengan partikel fluida yang bergerak mendahului mereka. Hal ini terjadi apabila laju aliran fluida rendah alias partikel fluida tidak kebut-kebutan. Contohnya adalah air yang mengalir dengan tenang. Lalu bagaimanakah dengan aliran tak-tunak ? aliran tak tunak berlawanan dengan aliran tunak. Jadi kecepatan partikel fluida di suatu titik yang sama selalu berubah. Kecepatan partikel fluida yang duluan berbeda dengan kecepatan partikel fluida yang belakangan (sstt… jangan lupa perbedaan antara kecepatan dan kelajuan ya)

2. Aliran fluida bisa berupa aliran termampatkan (compressible) dan aliran tak-termapatkan (incompressible). Jika fluida yang mengalir mengalami perubahan volum (atau massa jenis) ketika fluida tersebut ditekan, maka aliran fluida itu disebut aliran termapatkan. Sebaliknya apabila jika fluida yang mengalir tidak mengalami perubahan volum (atau massa jenis) ketika ditekan, maka aliran fluida tersebut dikatakan tak termampatkan. Kebanyakan zat cair yang mengalir bersifat tak-termampatkan.

3. Aliran fluida bisa berupa aliran berolak (rotational) dan aliran tak berolak (irrotational). Wow, istilah apa lagi ne… untuk memahaminya dengan mudah, dirimu bisa membayangkan sebuah kincir mainan yang dibuang ke dalam air yang mengalir. Jika kincir itu bergerak tapi tidak berputar, maka gerakannya adalah tak berolak. Sebaliknya jika bergerak sambil berputar maka gerakannya kita sebut berolak. Contoh lain adalah pusaran air.

4. Aliran fluida bisa berupa aliran kental (viscous) dan aliran tak kental (non-viscous). Kekentalan dalam fluida itu mirip seperti gesekan pada benda padat. Makin kental fluida, gesekan antara partikel fluida makin besar. Mengenai viskositas alias kekentalan akan kita kupas tuntas dalam pokok bahasan tersendiri.

Nah, setelah dirimu berkenalan dengan sifat-sifat aliran fluida di atas, gurumuda ingin mengatakan kepada dirimu bahwa dalam pokok bahasan Fluida Dinamis, pembahasan kita hanya terbatas pada aliran fluida yang tunak, tak-kental, tak-temampatkan dan tak-berolak.



Difusi

Pengantar

Pernah lihat asap ? asap rokok, asap knalpot, asap pabrik, asap hasil pembakaran sampah dkk…. Kalau kita perhatikan secara saksama, asap yang ngepul dari ujung rokok yang terbakar atau asap yang nyembur dari knalpot motor butut biasanya mula-mula masih bisa kita lihat… setelah beberapa saat, asap tidak bisa kita lihat lagi… aneh bin ajaib ;) si asap jalan-jalan ke mana ya ? Ada lagi contoh yang lain… Pernah pakai parfum ? ya pernah dong gurumuda, masa ya pernahlah ;) Walaupun dirimu nyemprot parfum di kamar pribadi, masilnya, ibu atau ayah mu di kamar sebelah bisa ikut2an menikmati keharuman parfum kesayanganmu… Pacar kesayangan yang lagi nunggu di ruang tamu juga bisa kebagian rejeki… wah, harumnya pacarku… malam mingguannya pasti asyik neh :) hiks2… Kalau ibu lagi memasak makanan yang lezat dan mengundang selera di dapur, aroma masakan bisa dirasakan dari rumah tetangga… Mengapa bisa demikian ya ?

Masih banyak contoh lain… kalau dirimu memasukkan beberapa tetes tinta atau pewarna makanan ke dalam gelas yang berisi air bening, biasanya tinta atau pewarna makanan akan menyebar secara merata ke seluruh air… ingat ya, hal ini terjadi secara otomatis… kelihatannya sepele, tetapi sangat mengagumkan…

DIFUSI

Contoh yang telah gurumuda ulas sebelumnya merupakan beberapa peristiwa difusi yang sering kita alami dalam kehidupan sehari-hari… Difusi tuh apaan sich ? sejenis gorengan-kah ? ;) Difusi tuh proses berpindahnya molekul-molekul zat dari tempat yang berkonsentrasi tinggi menuju tempat yang berkonsentrasi rendah… Yang dimaksudkan dengan konsetrasi di sini adalah banyaknya molekul/mol zat per volume. Tempat yang berkonsentrasi tinggi adalah tempat di mana terdapat banyak molekul zat per volume. Sebaliknya tempat yang berkonsetrasi rendah adalah tempat di mana terdapat sedikit molekul atau bahkan tidak ada molekul per volume.

Ketika dirimu membakar sampah, biasanya konsentrasi asap di sekitar tempat pembakaran sampah cukup tinggi… Ketika seseorang merokok, tempat di sekitar ujung rokok yang terbakar biasanya memiliki konsetrasi asap yang tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul asap secara otomatis menyebar dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Molekul-molekul asap yang pada mulanya ngumpul bareng akhirnya tercerai berai ke segala arah…

Ketika dirimu menyemprot parfum ke tubuh, tempat di mana parfum tersebut disemprot memiliki konsentrasi yang tinggi… karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul parfum bergerak dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Pacar kesayangan yang lagi menunggu di ruang tamu pun kebagian rejeki… Seandainya molekul-molekul parfum tidak sampai pada tempat di mana pacarmu berada, tentu saja pacarmu tidak bisa menikmati harumnya parfum kesayanganmu…

Ketika dirimu memasukkan beberapa tetes tinta atau pewarna makanan ke dalam gelas yang berisi air bening, bagian air yang pertama kali ditetesi tinta atau pewarna makanan biasanya memiliki konsentrasi yang lebih tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi maka molekul-molekul tinta atau molekul-molekul pewarna makanan menyebar ke seluruh bagian air yang memiliki konsentrasi rendah… Proses difusi akan terhenti setelah konsentrasi molekul tinta dalam semua bagian air sama.

Perlu diketahui bahwa proses difusi bisa dijelaskan menggunakan teori kinetic (Teori kinetic mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari molekul-molekul dan molekul-molekul tersebut bergerak terus menerus secara acak). Untuk lebih memahami hal ini, gurumuda menggunakan ilustrasi saja… tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

Anggap saja ini gambar sebuah wadah yang berbentuk silinder, di mana semua bagian wadah penuh terisi air. Karena ditetesi tinta, maka air yang berada di permukaan wadah memiliki konsentrasi yang lebih tinggi daripada air yang ada di bagian dasar…

difusi

C1 adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi tinggi, sedangkan C2 adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi rendah… Untuk mempermudah analisis maka kita hanya meninjau gerakan molekul-molekul tinta pada bagian tengah silinder (delta x).

Jumlah molekul-molekul tinta pada C1 lebih banyak (konsentrasi tinggi) daripada molekul-molekul tinta pada C2 (konsentrasi rendah). Karena molekul-molekul tinta bergerak terus menerus secara acak, maka molekul-molekul tinta yang berada di C1 mempunyai kemungkinan yang lebih besar untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Sebaliknya, jumlah molekul-molekul tinta yang berada di C2 sangat sedikit sehingga mempunyai kemungkinan yang sangat kecil untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Dengan demikian, akan ada aliran total molekul-molekul tinta dari C1 menuju C2… Nah, sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh seorang ahli fisiologi yang bernama om Adolf Fick (1829-1901), ditemukan bahwa laju difusi sebanding alias berbanding lurus dengan perbedaan konsentrasi (C2-C1). Semakin besar perbedaan konsentrasi, semakin besar laju aliran molekul-molekul zat. Sebliknya, semakin kecil perbedaan konsentrasi, semakin kecil laju aliran molekul-molekul zat. Hal ini mungkin sesuai dengan dugaan kita bahwa perbedaan konsentrasi turut mempengaruhi laju aliran molekul-molekul…

Catatan :

Selain berpindah tempat dengan cara difusi, molekul-molekul zat (khususnya zat gas) juga bisa mengungsi dari satu tempat ke tempat lain menggunakan bantuan angin.

Penerapan Difusi dalam kehidupan sehari-hari

Seandainya tidak ada difusi, pacar kesayangan tidak bisa menikmati harumnya parfummu. Tanpa difusi, aroma masakan ibu di dapur yang lezat dan mengundang selera juga tidak bisa membuyarkan lamunanmu dan pingin secepatnya menghabiskan santapan bergizi yang tersedia di meja makan ;) hiks2… Masih banyak contoh lain… Btw, difusi juga memiliki peran yang sangat penting bagi kelangsungan hidup manusia, hewan, tumbuhan dkk…

Tumbuh-tumbuhan biasanya membutuhkan karbondioksida (CO2) untuk melakukan fotosintesis. Karena terdapat perbedaan konsentrasi CO2 antara bagian dalam daun dengan udara luar, maka molekul-molekul CO2 berbondong-bondong mengungsi ke dalam daun. Si CO2 berdifusi ke dalam daun melalui stomata… lega rasanya, kata daun. Untung ada difusi, kalau tidak diriku bisa mati karena kekurangan CO2 ;) Sebaliknya, uap air dan oksigen berdifusi keluar…

Selain tumbuhan, kucing, tikus dkk juga bisa mati lemas jika tidak ada difusi… Kalau tumbuhan membutuhkan CO2 untuk melakukan fotosintesis, maka kucing, tikus dkk membutuhkan oksigen untuk setiap reaksi yang menghasilkan energi… agar bisa tiba dengan selamat dalam sel-sel maka molekul-molekul oksigen tentu saja menggunakan cara difusi…

Na, sekarang giliran manusia… dirimu dan diriku juga bisa mati lemas jika tidak ada difusi… biasanya manusia menyedot oksigen melalui proses pernafasan. Setelah tiba dengan selamat di paru-paru, oksigen berdifusi menuju darah. Selanjutnya darah akan menghantar molekul-molekul oskigen menuju sel-sel tubuh. Setelah menghantar molekul-molekul oskigen menuju sel-sel tubuh, darah menggiring molekul-molekul karbondioksida yang dihasilkan sel-sel tubuh menuju paru-paru. Selanjutnya molekul-molekul karbondioskida berbondong-bondong melakukan difusi menuju udara luar.



Perubahan wujud, Penguapan, Pendidihan, Kelembaban

Pengantar

Pernah lihat embun-kah ? kalau belum, coba bangun paginya dipercepat :( perhatikan dedaunan di sekitar rumahmu… Aneh ya, malamnya tidak ada hujan, pagi hari tetes-tetes air bergentayangan di dedaunan. Tuh jatuhnya dari langit keberapa ya ;)

Konon katanya air yang dipanaskan di puncak gunung lebih cepat mendidih. Sebaliknya air yang dipanaskan di tepi pantai lebih lama mendidih… itu sich konon katanya. Kalau menurutmu bagaimanakah ? sebaiknya dibuktikan saja… ajak beberapa temanmu untuk melakukan pembuktian. Pinjam termometer dari laboratorium sekolah atau beli saja di toko. Terus siapkan juga alat masak memasak. Wah, kayanya lebih seru kalau ngajak dengan pacar kesayangan juga neh… Minggu ini jalan-jalan ke pantai, minggu berikutnya jalan-jalan ke puncak. Sambil menyelam minum air (bisa tenggelam dunk), sambil rekreasi dirimu dan dirinya melakukan percobaan fisika… gunakan alat masak memasak untuk memanaskan air… Jangan lupa masukan termometer ke dalam air, sehingga suhu air bisa diketahui. Pada saat air mulai mendidih, biasanya air raksa dalam termometer tidak jalan-jalan lagi… Catat suhu air ketika terjadi proses pendidihan… bandingkan hasil percobaanmu di tepi pantai dan di puncak.

GAS RIIL DAN PERUBAHAN WUJUD

Pada pembahasan mengenai hukum gas ideal, gurumuda sudah menjelaskan kepada dirimu bahwa hukum gas ideal hanya bisa menggambarkan perilaku gas riil secara akurat hanya ketika tekanan dan kerapatan gas riil tidak terlalu besar. Apabila tekanan dan kerapatan gas riil cukup besar, hukum gas ideal sudah tidak memberikan hasil yang akurat. Demikian juga ketika suhu gas riil mendekati titik didih. Hal ini sebenarnya berkaitan dengan interaksi yang terjadi antara molekul-molekul gas riil. Ingat ya, tekanan gas biasanya berbanding terbalik dengan volume gas. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas biasanya menjadi lebih kecil. Karena volume gas kecil, maka jarak antara molekul-molekul gas menjadi lebih dekat… Biar dirimu paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

perubahan-wujud-penguapan-kelembaban-1

Titik hitam mewakili molekul-molekul gas. Gambar ini disederhanakan menjadi dua dimensi. Anggap saja ini gambar 3 dimensi… volume kotak = panjang x lebar x tinggi. Volume kotak bisa dianggap sebagai volume gas. Btw, ini cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya, molekul-molekul gas tidak diam seperti titik dalam kotak. Molekul-molekul gas selalu bergerak… Nah, ketika volume kotak cukup besar, jarak antara molekul cukup jauh (gambar kiri). Sebaliknya, ketika volume kotak menjadi kecil, jarak antara molekul menjadi lebih dekat (gambar kanan). Pada saat jarak antara molekul menjadi lebih dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Mirip seperti ketika dirimu mendekatkan sepotong besi pada magnet. Kalau jarak antara magnet dan besi cukup jauh, magnet tidak bisa menarik besi. Tapi kalau jarak antara magnet dan besi dekat, si besi langsung ditarik semakin dekat. Ini cuma ilustrasi saja… dirimu jangan membayangkan molekul seperti magnet dan besi. Kalau magnet dan besi saling nempel, molekul tidak saling nempel ;) Kasusnya beda… Jadi molekul-molekul gas berprilaku seperti magnet dan besi dalam ilustrasi di atas… ketika jarak antara molekul cukup dekat, molekul-molekul tersebut saling tarik menarik. Adanya gaya tarik ini yang menyebabkan jarak antara molekul semakin dekat (volume gas semakin kecil). Biasanya hal ini terjadi pada saat tekanan gas cukup besar (Tekanan besar, volume kecil. Volume kecil, jarak antara molekul semakin dekat). Karenanya jangan pake heran kalau hukum gas ideal tidak memberikan hasil yang akurat ketika tekanan dan kerapatan gas riil cukup besar…

Diagram Tekanan vs Volume

Untuk lebih memahami persoalan di atas, mari kita tinjau diagram yang menyatakan hubungan antara tekanan dan volume gas. Tataplah diagram di bawah dengan penuh kelembutan…

perubahan-wujud-penguapan-kelembaban-2

Kurva 1, 2, 3 dan 4 menunjukkan perilaku gas yang sama pada suhu yang berbeda. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 1 lebih tinggi dari kurva 2. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 2 lebih tinggi dari kurva 3. Suhu gas yang ditunjukkan kurva 3 lebih tinggi dari kurva 4. Kurva tuh garis miring yang ada di tengah diagram… ingat ya, suhu gas selalu tetap… yang berubah hanya tekanan (P) dan volume (V) gas…

Silahkan perhatikan kurva 1′ dan 2′… Menurut hukum gas ideal, garis yang dimulai dari angka 1 harus berakhir di angka 1′. Demikian juga garis yang dimulai dari angka 2 harus berakhir di angka 2′ (ingat lagi grafik PV hukum om Boyle, pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas). Kenyataan yang dialami oleh gas riil tidak sesuai dengan ramalan hukum gas ideal. Ketika tekanan gas cukup besar, volume gas menjadi lebih kecil dan menyimpang dari ramalan hukum gas ideal (bandingkan dengan kurva 1 dan kurva 2). Besarnya penyimpangan volume gas juga bergantung pada suhu. Jika suhu gas lebih rendah dan mendekati titik cair alias titik didih (titik b), gas biasanya mengalami penyimpangan volume yang lebih besar dibandingkan ketika suhunya lebih tinggi (bandingkan kurva 1, 2, 3 dan 4). Hal ini dipengaruhi oleh adanya gaya tarik antara molekul-molekul gas, seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya…

Kurva 3 pada diagram di atas menunjukkan perilaku suatu zat pada suhu kritisnya. Titik c yang dilalui kurva 3 dikenal dengan julukan titik kritis… Pada suhu yang lebih tinggi dari suhu kritis, wujud gas tidak bisa berubah menjadi wujud cair walaupun diberikan tekanan yang sangat besar (bandingkan dengan kurva 2 dan kurva 1). Tekanan yang diberikan hanya membuat volume gas menjadi semakin kecil, tetapi tidak bisa mengubah wujud gas menjadi cair… Sebaliknya, pada suhu yang lebih rendah dari suhu kritisnya, wujud gas akan berubah menjadi cair jika diberikan tekanan tertentu (bandingkan dengan kurva 3). Besarnya tekanan yang bisa mengubah wujud gas menjadi cair pada suhu kritis dikenal dengan julukan tekanan kritis. Setiap zat memiliki suhu kritis dan tekanan kritis yang berbeda…

Zat Suhu Kritis (oC) Tekanan Kritis (atm)
Helium (He) -267,9 2,3
Hidrogen (H2) -239,9 12,8
Nitrogen (N2) -147 33,5
Oksigen (O2) -118 50
Karbondioksida(CO2) 31 72,8
Air (H2O) 374 218

Kurva 4 pada diagram di atas menunjukkan proses perubahan wujud dari gas menjadi cair. Luasan yang diarsir (menyerupai gunung ;) ) merupakan daerah di mana wujud gas dan wujud cair berada dalam kesetimbangan. Mula-mula volume gas cukup besar… setelah tekanan gas bertambah, volume gas menjadi semakin kecil hingga mencapai titik b (titik b adalah titik cair alias titik didih). Ketika tiba di titik b, gas mulai berubah wujud menjadi cair… Selama proses perubahan wujud dari gas menjadi cair (dari titik b hingga titik a), volume zat menjadi semakin kecil walaupun tidak ada penambahan tekanan (ditandai dengan garis lurus). Pada titik a, semua gas telah berubah wujud menjadi cair… Setelah tiba di titik a, penambahan tekanan pada zat hanya mengakibatkan perubahan volume yang sangat kecil (ditandai dengan bentuk kurva yang sangat curam).

Dalam kehidupan sehari-hari, kita seringkali menggunakan istilah uap dan gas… misalnya uap air atau gas nitrogen. Hampir tidak pernah kita menyebut uap air sebagai gas air, walaupun uap air sebenarnya merupakan wujud gas dari air. Demikian juga dengan nitrogen, oksigen dkk… nitrogen atau oksigen biasa disebut sebagai gas… Gas dan uap memiliki makna yang berbeda. Apabila wujud gas dari suatu zat berada di bawah suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai uap. Sebaliknya, jika wujud gas dari suatu zat berada di atas suhu kritis zat tersebut, maka kita menyebutnya sebagai gas. (bandingkan dengan diagram PV dan tabel suhu kritis di atas).

Diagram Tekanan vs Suhu (Diagram Fase)

Sebelumnya gurumuda sudah menjelaskan perilaku zat, menggunakan diagram Tekanan vs Volume. Selain menggunakan diagram PV, perilaku zat bisa dijelaskan menggunakan diagram Tekanan (P) vs Suhu (T). Diagram PT biasa disebut sebagai diagram fase… disebut diagram fase karena diagram ini digunakan untuk membandingkan fase alias wujud zat (fase = wujud. Jangan pake bingung)…

Salah satu zat yang sering mengalami perubahan wujud adalah air… Karenanya, gurumuda menggunakan contoh diagram fase air saja, biar dirimu lebih nyambung…

perubahan-wujud-penguapan-kelembaban-3

Tataplah diagram di atas dengan penuh kelembutan ;) Terdapat tiga kurva pada diagram, yakni kurva penguapan, kurva peleburan dan kurva sublimasi…

Kurva penguapan menunjukkan titik-titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan uap berada dalam keseimbangan di sebut titik cair alias titik didih (Di sebut titik cair karena pada titik ini uap bisa mencair dan berubah wujud menjadi air. Disebut titik didih karena pada titik ini air bisa mendidih dan berubah wujud menjadi uap). Dengan demikian, kurva penguapan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik didih/titik cair. Tampak bahwa semakin kecil tekanan, semakin rendah suhu titik didih air, atau semakin besar tekanan, semakin tinggi suhu titik didih air. Pada tekanan 1 atm, suhu titik didih air = 100 oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik didih air = 374 oC. Tekanan 218 atm disebut juga sebagai tekanan kritis air, sedangkan suhu 374 oC disebut juga sebagai suhu kritis air… Apabila suhu uap kurang dari 374 oC, maka uap bisa berubah wujud menjadi cair jika diberikan tekanan sebesar 374 oC. Tekanan sebesar apapun tidak bisa mengubah uap menjadi cair jika suhunya lebih besar dari 218 oC. Pahami perlahan-lahan penjelasan gurumuda ini, lalu coba baca sendiri diagram fase air di atas :( Masih banyak informasi yang belum gurumuda jelaskan…

Kurva peleburan menunjukkan titik-titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud cair dan padat berada dalam keseimbangan disebut titik lebur alias titik beku (Disebut titik lebur karena pada titik ini es bisa melebur menjadi air. Disebut titik beku karena pada titik ini, air bisa membeku menjadi es). Dengan demikian, kurva peleburan sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik lebur/titik beku… Pada tekanan 1 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) = 0 oC. Sebaliknya pada tekanan 218 atm, suhu titik beku air (atau titik lebur es) kurang dari 0 oC. Perhatikan bahwa pada tekanan 1 atm, air berada dalam wujud cair jika suhunya berada di antara 0 oC dan 100 oC. Air berada dalam wujud padat jika pada tekanan 1 atm, suhunya kurang dari 0 oC atau air berada dalam wujud uap jika pada tekanan 1 atm, suhunya lebih dari 100 oC.

Kurva sublimasi menunjukkan titik-titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan. Titik di mana wujud padat dan uap berada dalam keseimbangan disebut titik sublimasi. Dengan demikian, kurva sublimasi sebenarnya merupakan grafik yang menyatakan hubungan antara tekanan (P) dan suhu titik sublimasi… Oya, sublimasi tuh proses perubahan wujud padat menjadi uap, tanpa melewati wujud cair… Biasanya sublimasi hanya terjadi pada tekanan rendah. es hanya bisa menyublim jika suhunya kurang dari 0,01 oC dan tekanan lebih kecil dari 0,0060 atm…

Titik di mana ketiga kurva saling berpotongan dikenal dengan julukan titik gurumuda ;) serius kali dirimu ini… nyantai dulu lah… oya, bukan titik gurumuda, bukan juga titik gurutua, tetapi titik tripel (tripel = perpotongan 3 garis… ini cuma terjemahan kasar saja… terjemahan halus cari sendiri ya ;) ) Wujud padat, cair dan uap bisa hidup berdampingan dengan damai hanya pada titik tripel. He2… Maksudnya, ketiga wujud zat bisa berada dalam keseimbangan hanya pada titik tripel…

Data Titik Tripel
Zat Suhu (K) Tekanan (Pa = N/m2)
Hidrogen 13,80 7,03 x 103
Deuterium 18,63 17,1 x 103
Neon 24,56 43,2 x 103
Oksigen 54,36 0,152 x 103
Nitrogen 63,18 12,5 x 103
Amonia 195,40 6,06 x 103
Sulfur dioksida 197,68 0,167 x 103
Karbon dioksida 216,55 516 x 103
Air 273,16 0,610 x 103

Di bawah ini adalah diagram fase untuk karbon dioksida… Pahami penjelasan gurumuda sebelumnya, lalu silahkan jelaskan diagram ini… Jika bingung berlanjut, silahkan bertanya melalui kolom komentar…

perubahan-wujud-penguapan-kelembaban-4

Catatan :

Perhatikan bahwa skala pada diagram fase air dan diagram fase karbon dioksida tidak linear…

Penguapan

Pernah menjemur pakaian basah ? Pakaian yang pada mulanya basah bisa mengering setelah dijemur di bawah sinar matahari… Hal ini kelihatannya sangat sepele sehingga jarang dipersoalkan. Btw, bisakah dirimu menjelaskan mengapa pakaian basah bisa mengering ? Dari sononya memang sudah begitu kok ;) Ada lagi kasus yang mirip… Air yang pada mulanya panas bisa berubah menjadi dingin setelah dibiarkan selama beberapa saat… teh panas, kopi susu hangat dkk akan mengalami nasib yang sama… Lebih aneh lagi, kalau dirimu meletakkan segelas air di luar rumah sepanjang malam, ketinggian air akan turun pada waktu pagi… mengapa bisa demikian-kah ?

Kata eyang, pakaian bisa mengering karena adanya penguapan. Teh panas juga bisa menjadi dingin karena adanya penguapan… Terus penguapan tuh sebenarnya apa sich ? penguapan adalah proses menguapnya air yang lagi ngantuk n pingin tidur… hiks2 ;)

Proses penguapan bisa dijelaskan menggunakan teori kinetik. Seperti molekul-molekul gas, molekul-molekul air juga suka bergerak ke sana kemari. Bedanya, molekul-molekul air tidak bisa tercerai berai karena gaya tarik antara molekul masih mampu menahan mereka untuk tetap ngumpul. Sebaliknya, gaya tarik antara molekul-molekul gas sangat lemah, sehingga molekul-molekul gas tidak bisa ngumpul. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pembahasan mengenai wujud-wujud zat. Nah, ketika bergerak ke sana ke mari, molekul-molekul air tentu saja punya kelajuan. Ada molekul air yang mempunyai kelajuan yang besar, ada juga molekul air yang mempunyai kelajuan yang kecil. Distribusi kelajuan molekul air menyerupai distribusi maxwell (ingat lagi pembahasan mengenai distribusi kelajuan molekul).

Peristiwa penguapan biasanya terjadi ketika kelajuan molekul air cukup besar, sehingga gaya tarik antara molekul-molekul air tidak mampu menahannya untuk ngumpul. Mirip seperti roket yang hendak tamasya ke luar angkasa… Kelajuan roket cukup besar sehingga gaya gravitasi bumi tidak mampu menahannya untuk tetap tinggal di bumi. Perlu diketahui bahwa hanya molekul-molekul yang mempunyai kelajuan besar saja yang mampu melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul. Molekul-molekul yang kelajuannya kecil tidak bisa kabur alias tetap ngumpul.

Ingat ya, molekul-molekul air juga punya massa. Karena punya massa dan kecepatan/kelajuan, maka molekul-molekul air tentu saja mempunyai energi kinetik (EK = ½ mv2). Molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi memiliki energi kinetik yang lebih besar dibandingkan dengan molekul air yang mempunyai kelajuan yang rendah. Dengan demikian, kita bisa mengatakan bahwa molekul-molekul air yang bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul (molekul-molekul air yang kabur menjadi uap) memiliki energi kinetik yang cukup besar… Biasanya energi kinetik molekul air semakin bertambah seiring meningkatnya suhu air. Karenanya apabila suhu air cukup tinggi, maka energi kinetik molekul-molekul air semakin bertambah. Dengan demikian, akan semakin banyak molekul air yang kabur menjadi uap. Hal ini sesuai dengan hasil penelitian yang menunjukkan bahwa laju penguapan biasanya lebih besar pada suhu yang tinggi…

Ketika kita menjemur pakaian basah di bawah sinar matahari, pakaian basah tersebut menyerap kalor yang dipancarkan oleh matahari (terjadi perpindahan kalor secara radiasi). Karena kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu, maka kita bisa mengatakan bahwa setelah mendapat sumbangan kalor dari matahari, energi kinetik molekul-molekul air yang bergentayangan dalam pakaian semakin bertambah. Karena energi kinetiknya bertambah, maka molekul-molekul air tentu saja bergerak semakin cepat (kelajuan molekul air meningkat). Setelah kelajuan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul-molekul air tersebut bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap… Pakaianku dan pakaianmu pun mengering ;) Perlu diketahui bahwa mengeringnya pakaian basah tidak hanya dipengaruhi oleh adanya tambahan kalor dari matahari. Pakaian basah juga bisa mengering karena adanya tambahan kalor dari udara hangat yang berada di sekitar pakaian tersebut (kalor berpindah secara konduksi dari udara menuju pakaian basah). Jalan ceritanya seperti ini… Pada siang hari yang terik, biasanya tanah atau lantai lebih cepat panas… tanah cepat panas karena kalor jenisnya cukup besar. Tanah yang kepanasan tadi memanaskan udara yang berada di atasnya (dalam hal ini terjadi perpindahan kalor secara konduksi). Udara yang kepanasan tadi memuai (massa jenisnya berkurang) dan bergerak ke atas… Ketika melewati pakaian basah, molekul-molekul udara menumbuk molekul-molekul air yang bergenyatangan dalam pakaian. Molekul-molekul air yang sedang pacaran pun bergerak semakin cepat… Karena bergerak semakin cepat, maka energi kinetik molekul-molekul air tersebut semakin bertambah. Molekul-molekul air yang bergerak cepat tadi menumbuk teman-temannya yang lain… Karena ditumbuk terus menerus oleh molekul udara, maka molekul-molekul air bergerak semakin cepat (energi kinetiknya bertambah). Setelah kecepatan atau energi kinetiknya mencapai nilai tertentu, molekul-molekul air yang bergerak cepat tadi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap… ingat ya, energi kinetik molekul air atau molekul udara berkaitan erat dengan suhu. Ketika gurumuda mengatakan bahwa energi kinetik molekul-molekul air besar, pada saat yang sama suhu air tinggi. Atau sebaliknya, ketika suhu air tinggi, energi kinetik molekul-molekul air pasti besar. Energi kinetik juga berkaitan dengan kelajuan (ingat saja rumus EK = ½ mv2). Semakin besar energi kinetik molekul, semakin besar kelajuan molekul. Atau sebaliknya, semakin besar kelajuan molekul, semakin besar energi kinetik molekul tersebut… Sampai di sini dirimu belum pusink2 khan ? hiks2… piss ;)

Bagaimanakah dengan air panas dkk ? air panas biasanya memiliki suhu yang tinggi… Karena suhu air tinggi, maka molekul-molekul air yang bergentayangan dalam air tentu saja mempunyai energi kinetik rata-rata yang besar. Karena energi kinetik rata-rata molekul-molekul air besar, maka banyak molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi (banyak molekul air yang bergerak cepat)… molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan yang tinggi bisa melepaskan diri dari gaya tarik antar molekul dan kabur menjadi uap… Ingat ya, yang kabur menjadi uap hanya molekul-molekul air yang kelajuannya tinggi (molekul-molekul air yang energi kinetiknya besar)… molekul-molekul air yang kelajuannya rendah (molekul-molekul air yang energi kinetiknya kecil) tidak bisa kabur alias tetap ngumpul… Dengan demikian, ketika molekul-molekul air yang kelajuannya tinggi kabur menjadi uap, energi kinetik rata-rata molekul-molekul air yang tetap ngumpul menjadi lebih kecil. Semakin kecil energi kinetik rata-rata, semakin rendah suhu air (air menjadi dingin). Berdasarkan uraian singkat ini, kita bisa mengatakan bahwa penguapan sebenarnya merupakan proses pendinginan

Proses pendinginan akibat adanya penguapan selalu kita alami dalam kehidupan sehari-hari… pada saat udara cukup panas, banyak kalor yang diserap oleh tubuh. Untuk menjaga agar suhu tubuh selalu konstan, biasanya tubuh mengeluarkan kalor melalui air keringat… Karena air keringat mendapat tambahan kalor dari matahari dan udara yang ada di sekitarnya maka energi kinetik molekul air keringat bertambah. Karena energi kinetik molekul air bertambah maka kelajuan molekul-molekul air keringat tentu saja meningkat… molekul-molekul keringat pun kabur menjadi uap. Ketika keringat menguap, tubuh kita pun terasa sejuk… lega rasanya. Masih ada contoh lain… Biasanya setelah mandi, tubuh kita terasa sejuk. Hal ini disebabkan karena air yang nempel di permukaan kulit mengalami proses penguapan…

Proses penguapan yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya selalu terjadi setiap hari. Air laut, air danau, air sungai, air comberan, air mata ;) juga bisa menguap… Banyak proses penguapan terjadi akibat adanya sumbangan kalor dari matahari (perpindahan kalor secara radiasi). Karena mendapat sumbangan kalor, air yang ada di permukaan sungai dkk menjadi kepanasan (suhu air yang ada di permukaan meningkat). Ketika suhu air yang ada di permukaan meningkat, air tersebut memuai. Dalam hal ini volume air bertambah… Karena volume air bertambah, maka massa jenis alias kerapatan air berkurang (massa jenis = massa / volume). Dengan demikian, air yang ada di permukaan tidak bisa meluncur ke bawah karena kerapatannya lebih kecil. Semakin banyak kalor yang ditambahkan, semakin besar energi kinetik molekul-molekul air. Semakin besar energi kinetik, semakin besar laju molekul-molekul air. Molekul-molekul yang mempunyai laju yang besar akhirnya melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul dan kabur menjadi uap. Setiap hari, molekul-molekul air yang lucu2 n imut2 itu meluncur bebas dari permukaan laut, permukaan danau, permukaan comberan ;) , permukaan kulit dkk dan bergabung dengan teman-temannya dalam pasukan uap air…

Berdasarkan penjelasan panjang pendek di atas, bisa dikatakan bahwa udara alias atmosfir pasti mengandung uap air… Oya, uap air tuh wujud gas dari air.

Tekanan Uap

Yang dimaksudkan dengan uap di sini adalah uap air. Juangan pake lupa ya… Untuk membantumu memahami pengertian tekanan uap, gurumuda pakai ilustrasi saja…

perubahan-wujud-penguapan-kelembaban-5

Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan… sebuah wadah tertutup yang berisi air (anggap saja udara yang ada di dalam wadah sudah dikeluarkan)… Menurut teori kinetic, molekul-molekul air selalu bergerak ke sana ke mari. Ketika bergerak ke sana kemari, molekul-molekul air mempunyai kelajuan dan energi kinetic. Ingat ya, kelajuan setiap molekul berbeda-beda… Nah, molekul-molekul air yang mempunyai kelajuan dan energi kinetic yang cukup besar bisa melepaskan diri dari gaya tarik antara molekul air dan kabur menjadi uap… Proses yang sama terjadi pada molekul-molekul air yang ada dalam wadah di atas. Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul-molekul air yang bergabung dalam pasukan uap air (berubah wujud dari air menjadi uap). Karena wadah tertutup, maka molekul-molekul air yang telah berubah menjadi uap tidak bisa kabur menuju atmosfir (molekul-molekul tersebut terperangkap dalam wadah). Jumlah molekul-molekul air yang kabur menjadi uap cukup banyak, karenanya terdapat kemungkinan terjadinya tumbukan antara molekul-molekul dengan dinding wadah. Sebagian molekul-molekul yang menumbuk dinding wadah akan dipantulkan kembali menuju permukaan air dan bergabung lagi ke dalam pasukan air (berubah wujud dari uap menjadi air). Proses ini berulang secara terus menerus… Seiring bertambahnya waktu, semakin banyak molekul-molekul air yang kabur menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Pada saat yang sama, sebagian molekul yang menabrak dinding wadah akan berubah lagi menjadi air (berubah wujud dari uap menjadi cair)… Nah, apabila jumlah molekul-molekul yang berubah wujud dari cair menjadi uap sama dengan jumlah molekul-molekul yang berubah wujud dari uap menjadi cair, maka akan terjadi keseimbangan. Ketika terjadi keseimbangan, bagian atas wadah yang berisi uap dikatakan jenuh… Wah, bisa jenuh juga toh ;) Tekanan uap pada daerah yang jenuh dikenal dengan julukan Tekanan uap jenuh.

Catatan :

Perubahan wujud dari cair menjadi uap dikenal dengan julukan penguapan. Sedangkan perubahan wujud dari uap menjadi cair dikenal dengan julukan kondensasi

Perlu diketahui bahwa tekanan uap jenuh hanya bergantung pada suhu saja dan tidak bergantung pada volume. Apabila suhu air meningkat, maka energi kinetic molekul-molekul air tentu saja bertambah. Karena energi kinetic molekul-molekul air bertambah, maka kelajuan molekul-molekul air pasti meningkat. Dengan demikian, akan semakin banyak molekul-molekul yang mempunyai kelajuan tinggi yang kabur menjadi uap (berubah wujud dari cair menjadi uap). Karena volume wadah tetap, maka tekanan uap hanya bergantung pada jumlah molekul (N) dan kelajuan (v). Ingat lagi persamaan tekanan yang telah gurumuda oprek dalam pembahasan mengenai sifat makroskopis dan mikroskopis… neh persamaanya :

perubahan-wujud-penguapan-kelembaban-6

Semakin banyak molekul (N makin besar) yang kabur menjadi uap dan semakin tinggi kelajuan molekul-molekul tersebut (v makin besar), maka tekanan uap juga semakin meningkat… Dengan demikian, keseimbangan akan terjadi pada tekanan uap yang lebih tinggi. Karenanya tekanan uap jenuh juga semakin tinggi… Ingat ya, tekanan uap jenuh hanya ada ketika terjadi keseimbangan…

Berikut ini nilai tekanan uap jenuh air yang berubah terhadap suhu…

Suhu (oC) Tekanan Uap Jenuh Air (Pa = N/m2)
-10 0,26 x 103
0 0,611 x 103
10 1,23 x 103
20 2,33 x 103
30 4,24 x 103
40 7,37 x 103
50 12,3 x 103
60 19,9 x 103
70 31,2 x 103
80 47,3 x 103
90 70,1 x 103
100 101 x 103
120 199 x 103

Seperti yang telah gurumuda ulas sebelumnya, tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume. Tekanan uap bergantung pada volume, tetapi tekanan uap jenuh tidak bergantung pada volume. Seandainya volume wadah bertambah atau berkurang, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan juga.

Ilustrasi panjang pendek di atas hanya mau menghantarmu untuk memahami tekanan uap jenuh yang terjadi pada atmosfir. Bedanya, dalam ilustrasi sebelumnya kita menganggap tidak ada udara dalam bagian wadah yang tidak berisi air. Karenanya bagian wadah yang tidak berisi air hanya ditempati oleh uap air. Sebaliknya, permukaan bumi di mana diriku dan dirimu berada selalu dipenuhi dengan udara. Karenanya, uap air tidak hidup sendirian tetapi selalu hidup berdampingan dengan gas lain. Tumbukan antara molekul-molekul uap dengan molekul-molekul gas lain hanya memperlama terjadinya keseimbangan. Walaupun demikian, pada suatu saat akan terjadi keseimbangan juga apabila jumlah molekul-molekul air yang berubah menjadi uap sama dengan jumlah molekul-molekul uap yang berubah menjadi air…

Pendidihan

Pendidihan sebenarnya merupakan proses perubahan wujud cair menjadi wujud gas. Pendidihan biasanya terjadi ketika tekanan uap jenuh sama dengan tekanan udara luar (tekanan udara luar = tekanan atmosfir). Btw, pada kesempatan ini kita hanya membahas pendidihan air saja…

Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, tekanan uap jenuh air berbanding lurus dengan suhu air. Semakin tinggi suhu air, semakin besar tekanan uap jenuh air… Nah, ketika kita memanaskan air, biasanya muncul gelembung-gelembung kecil pada bagian dasar wadah… Adanya gelembung-gelembung menandakan perubahan wujud cair menjadi wujud gas… apabila tekanan uap jenuh dalam gelembung lebih kecil dari tekanan udara luar, maka gelembung tersebut akan mengerut dan hancur sebelum tiba di permukaan. Gelembung hancur karena gaya dorong udara luar lebih besar daripada gaya dorong uap yang ada di dalam gelembung (ingat persamaan tekanan : P = F/A — F = PA). Tekanan udara luar lebih besar dari tekanan uap dalam gelembung, sehingga udara luar memiliki gaya yang lebih besar…

Seiring dengan kenaikan suhu air, tekanan uap jenuh dalam gelembung juga semakin bertambah… Apabila tekanan uap jenuh dalam gelembung sama atau lebih besar dari tekanan udara luar, maka gelembung akan bertambah besar dan mengapung sampai di permukaan… Setelah tiba di permukaan, gelembung akan pecah dan uap air yang ada di dalam gelembung pun kabur sesuka hatinya… Terjadilah proses pendidihan… perhatikan dua kalimat yang dicetak miring… gelembung bertambah besar karena gaya dorong uap yang ada di dalam gelembung lebih besar daripada gaya dorong udara luar (ingat persamaan tekanan : P = F/A — F = PA). Tekanan udara uap dalam gelembung lebih besar dari tekanan udara luar, sehingga uap yang ada di dalam gelembung memiliki gaya yang lebih besar… Ketika gelembung bertambah besar, volume uap juga bertambah besar. Akibatnya, kerapatan alias massa jenis uap menjadi berkurang… Karena kerapatan uap berkurang (kerapatan uap lebih kecil dari kerapatan air) maka gelembung bisa mengapung ke permukaan… mirip seperti kayu kering atau gabus yang mengapung di atas permukaan air… Kayu kering atau gabus bisa mengapung karena kerapatannya lebih kecil dari kerapatan air…

Berdasarkan uraian panjang pendek ini, kita bisa mengatakan bahwa proses pendidihan air terjadi ketika tekanan uap jenuh air sama atau lebih besar dari tekanan atmosfir… Dengan demikian, suhu titik didih air tentu saja sangat bergantung pada tekanan atmosfir… Semakin kecil tekanan atmosfir, semakin rendah suhu titik didih. Atau sebaliknya, semakin besar tekanan atmosfir, semakin tinggi suhu titik didih… Biasanya semakin tinggi suatu tempat di ukur dari permukaan laut, semakin kecil tekanan atomosfir di tempat tersebut. Karenanya bisa disimpulkan bahwa semakin tinggi suatu tempat di ukur dari permukaan laut, semakin rendah suhu titik didih di tempat tersebut. Suhu titik didih di puncak lebih rendah daripada suhu titik didih di pantai. Suhu titik didih di puncak gunung lebih rendah dari suhu titik didih di dataran rendah. Suhu titik didih di Bandung (dataran tinggi) lebih rendah dari suhu titik didih di Jakarta… dan sebagainya… Air yang dipanaskan di puncak gunung tentu saja lebih cepat mendidih daripada air yang dipanaskan di tepi pantai. Masalahnya sekarang, kalau dirimu memasak nasi dkk di puncak gunung, misalnya, dirimu bisa nunggu sampai puyeng ;) suhu titik didih rendah, karenanya nasinya juga lama sekali baru matang… Biasanya orang menggunakan pressure cooker (terjemahin sendiri ya :) ) untuk memasak nasi dkk di puncak gunung… pressure cooker biasanya menaikkan tekanan udara sehingga suhu titik didih menjadi lebih tinggi. Karena suhu yang lebih tinggi bisa dicapai maka nasi lebih cepat matang…

Kelembaban

Kelembaban sebenarnya menyatakan banyaknya kandungan uap air dalam udara… Ketika hujan turun, biasanya udara sangat lembab. Hal ini disebabkan karena kandungan uap air dalam udara sangat banyak. Sebaliknya, jika kandungan uap air dalam udara sangat sedikit atau nyaris tidak ada, biasanya udara sangat kering… Banyaknya kandungan uap air dalam udara sering dinyatakan dengan kelembaban relatif…

Kelembaban relative merupakan perbandingan tekanan parsial uap dengan tekanan uap jenuh air pada suhu tertentu (yang dimaksudkan dengan uap di sini adalah uap air). Biasanya kelembaban relatif dinyatakan dalam persen. Secara matematis dirumuskan sebagai berikut :

perubahan-wujud-penguapan-kelembaban-7

Ada sebuah istilah baru, yakni tekanan parsial. Tekanan parsial merupakan tekanan yang diberikan oleh setiap gas yang ada dalam udara. Ingat ya, udara sebenarnya terdiri dari berbagai jenis gas… ada nitrogen (78 %), oksigen (21 %), argon (0,90 %), karbondioksida, uap air dkk… Jumlah tekanan parsial dari setiap gas dalam udara disebut tekanan total (tekanan total = tekanan atmosfir = tekanan udara). Jika tidak ada kandungan uap air dalam udara, maka tekanan parsial uap air = 0. Sebaliknya, tekanan parsial uap air bernilai maksimum jika tekanan parsial uap air = tekanan uap jenuh air. Tekanan uap jenuh air bergantung pada suhu (lihat table di atas).

Apabila tekanan parsial uap air = tekanan uap jenuh (kelembaban relatif = 100 %), maka udara menjadi jenuh dengan uap air… Pada saat udara menjadi jenuh dengan uap air, kandungan uap air dalam udara hampir mencapai nilai maksimum… Apabila tekanan parsial uap air > tekanan uap jenuh (kelembaban relatif > 100%), maka udara menjadi superjenuh… Pada saat udara menjadi super jenuh, udara sudah tidak mampu menahan kandungan uap air… Karena udara sudah tidak mampu menahan kandungan uap air maka kelebihan uap air akan berkondensasi menjadi air (baca : embun)… Suhu di mana uap air berkondensasi menjadi embun dikenal dengan julukan suhu titik embun…



Kapasitas kalor molekul gas, Ekipartisi energi, Energi dalam gas ideal

Pengantar

Pada pembahasan mengenai kalor, kapasitas kalor dan kalor jenis (materi suhu dan kalor), gurumuda sudah membahas konsep kalor dan kapasitas kalor suatu benda. Kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Sedangkan kapasitas kalor merupakan banyaknya kalor yang diberikan pada sebuah benda, untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Karena kalor merupakan energi yang berpindah, maka kita bisa mendefinisikan kapasitas kalor sebagai banyaknya energi dalam bentuk kalor yang diberikan pada sebuah benda, untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dari definisi singkat ini, tampak bahwa kapasitas kalor benda berkaitan erat dengan energi dan suhu benda. Btw, sampai di sini dirimu belum pusink-pusink khan ? :(

Pada pembahasan sebelumnya (Hubungan antara sifat makroskopis dan mikroskopis gas), gurumuda sudah menjelaskan secara panjang lebar mengenai hubungan antara energi kinetik (EK) translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal dengan suhu mutlak gas ideal. Hubungan tersebut dinyatakan dalam salah satu persamaan berikut : EK translasi rata-rata = 3/2 nRT. Dari persamaan ini, tampak bahwa EK translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal berkaitan erat dengan suhu mutlak gas ideal (T). Dari hasil ini, kita memperoleh informasi berharga mengenai kapasitas kalor gas ideal (bandingkan dengan penjelasan mengenai kapasitas kalor di atas).

Sebelum mengulas kapasitas kalor molekul gas ideal, terlebih dahulu kita bahas kembali energi kinetik translasi rata-rata molekul-molekul gas ideal dan kapasitas kalor. Setelah meninjau hubungan antara dua hal ini, selanjutnya kita akan menurunkan persamaan yang menyatakan kapasitas kalor molekul gas ideal.

EK TRANSLASI RATA-RATA MOLEKUL-MOLEKUL GAS IDEAL

Pada bagian pengantar tulisan ini gurumuda sudah menceritakan secara tidak singkat mengenai hubungan antara energi kinetik (EK) translasi molekul-molekul gas ideal dan suhu mutlak gas ideal. Hubungan mesra antara EK translasi molekul gas dan suhu mutlak gas ideal dinyatakan melalui dua persamaan di bawah :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-1

Keterangan :

EK rata2 = Energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal (Kgm2/s2 = J)

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/K)

T = Suhu mutlak (K)

n = jumlah mol (mol)

R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K)

(J = Joule, kJ = kilo Joule, K = Kelvin)

Perlu diketahui bahwa hubungan ini kita peroleh melalui penurunan matematis (pake hitung-hitungan), yang didasarkan pada teori kinetik gas. Dalam teori kinetik gas, kita menggambarkan molekul gas ideal sebagai partikel alias titik. Karena dianggap sebagai partikel alias titik, maka molekul-molekul gas ideal juga hanya bisa melakukan gerak translasi saja… Karena hanya bisa melakukan gerak translasi maka molekul-molekul tersebut juga hanya mempunyai energi kinetik translasi… Karenanya jangan pake heran kalau persamaan di atas dinyatakan dalam bentuk energi kinetik translasi, bukan energi kinetik rotasi dkk…

Sekarang mari kita beralih ke kapasitas kalor….

KALOR JENIS (c – huruf c kecil)

Kalor jenis (c) = banyaknya kalor (Q) yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu (T) satu satuan massa (m) benda sebesar satu derajat. Secara matematis, kalor jenis dinyatakan melalui persamaan di bawah :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-2

Keterangan :

c = kalor jenis

Q = kalor (J)

m = massa benda (Kg)

delta T = perubahan suhu = suhu akhir (T2) – suhu awal (T1). Satuannya K

(J = Joule, K = Kelvin)

Satuan kalor jenis benda (c)

Kita bisa menurunkan satuan Kalor Jenis dengan mengoprek persamaan kalor jenis :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-3

Satuan Sistem Internasional untuk kalor jenis benda adalah J/Kg.K

KAPASITAS KALOR BENDA (C – huruf C besar)

Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar :

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

Satuan kapasitas kalor benda (C)

Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-4

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

KALOR alias panas (Q)

Kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Ketika kita menyentuhkan dua benda yang suhunya berbeda, kalor akan mengalir dari benda yang suhunya lebih tinggi menuju benda yang memiliki suhu yang lebih rendah… Kalor akan berhenti mengalir jika kedua benda telah mencapai suhu yang sama. Mengenai kalor dkk selengkapnya bisa dipelajari di pembahasan mengenai kalor, kapasitas kalor, kalor jenis (materi suhu dan kalor). Kita bisa menurunkan persamaan kalor (Q) menggunakan persamaan kalor jenis (c) yang telah dioprek sebelumnya :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-5

Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa benda (m).

Keterangan :

Q = kalor (J)

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis benda (J/Kg K)

delta T = perubahan suhu (K)

Persamaan kalor yang sudah diturunkan di atas (persamaan 1) bisa dinyatakan dalam massa molekul (M). Sebelum mengoprek persamaannya, baca terlebih dahulu pesan-pesan berikut ini…

Dalam pembahasan mengenai hukum gas ideal (materi teori kinetik gas), gurumuda sudah memperkenalkan kepadamu dua istilah baru, yakni jumlah mol (n) dan massa molekul alias massa molar (M). Jumlah mol (n) = perbandingan massa (m) suatu benda dengan massa molekulnya (M). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-6

Sekarang kita masukan persamaan b ke dalam persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa benda (persamaan 1) :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-7

Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa molekul (M)

Keterangan :

n = jumlah mol (mol)

M = massa molekul (Kg/mol)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

delta T = perubahan suhu (K)

KAPASITAS KALOR MOLEKUL (C)

Hasil kali antara massa molekul (M) dan kalor jenis (c) pada persamaan 2 dikenal dengan julukan kapasitas kalor molekul (C). Secara matematis, persamaan kapasitas kalor molekul bisa ditulis seperti ini :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-8

Keterangan :

C = kapasitas kalor molekul (C)

M = massa molekul (Kg/mol)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

n = jumlah mol (mol)

Satuan kapasitas kalor molekul

Satuan kapasitas kalor molekul bisa diperoleh dengan mengoprek persamaan kapasitas kalor molekul :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-9

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor molekul = J/mol.K (J = Joule, K = Kelvin)

Karena massa molekul (M) x kalor jenis (c) = kapasitas kalor molekul (C), maka persamaan kalor yang dinyatakan dalam massa molekul (persamaan 2) bisa dioprek menjadi seperti ini :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-10

Ini adalah persamaan kalor yang dinyatakan dalam kapasitas kalor molekul….

Keterangan :

Q = kalor (J)

n = jumlah mol (mol)

C = kapasitas kalor molekul (J/mol.K)

Sekarang, mari kita obok-obok kapasitas kalor molekul gas ideal…

KAPASITAS KALOR MOLEKUL GAS IDEAL

Kalau kita bandingkan persamaan EK translasi rata-rata dari molekul-molekul gas ideal dan persamaan kalor yang dinyatakan dalam kapasitas kalor molekul, kita bisa melihat adanya keterkaitan erat… gurumuda tulis lagi kedua persamaan tersebut :

Persamaan EK translasi rata-rata molekul gas ideal :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-11

Dari persamaan 1, tampak bahwa EK translasi rata-rata dari molekul gas ideal berbanding lurus dengan suhu mutlak gas ideal (T). Apabila EK translasi molekul-molekul gas ideal bertambah, maka suhu mutlak gas ideal juga bertambah. Demikian juga sebaliknya, jika EK translasi rata-rata molekul-molekul gas ideal berkurang, maka suhu mutlak gas ideal juga berkurang… Dari persamaan 2, tampak bahwa kalor (Q) berbanding lurus dengan perubahan suhu (T). Karena kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu, maka kita bisa mengatakan bahwa perubahan suhu yang dialami oleh suatu benda disebabkan oleh adanya perubahan energi molekul-molekul penyusun benda tersebut.

Berdasarkan uraian singkat ini, kita bisa melihat adanya kesetaraan antara EK translasi molekul gas ideal (persamaan 1) dan kalor (persamaan 2). Dengan demikian, kita bisa menurunkan persamaan yang menyatakan kapasitas kalor molekul gas ideal. Kita kawinkan saja ;) kedua persamaan di atas :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-12

Sebelum kita tertawa terpingkal-pingkal karena telah menemukan nilai kapasitas kalor gas ideal, alangkah baiknya jika kita selidiki apakah nilai kapasitas kalor gas ideal ini valid atau tidak. Caranya mudah :

Pertama, periksa saja satuannya… satuan kapasitas kalor molekul (C) = J/mol.K. wow, menakjubkan…. ternyata satuannya sama. Berarti untuk sementara, persamaan kapasitas kalor gas ideal valid. Ssttt…. Jangan menarik kesimpulan dulu sebelum membaca pesan-pesan berikut.

Kedua, membandingkan nilai kapasitas kalor molekul gas ideal dengan kapasitas kalor molekul gas riil yang diperoleh melalui pengukuran. Perlu diketahui bahwa nilai kapasitas kalor gas ideal di atas diperoleh secara teoritis (pake hitung-hitungan), yang didasarkan pada teori kinetik gas. Dalam teori kinetik gas, kita menganggap gas sebagai gas ideal alias gas sempurna. Karenanya, alangkah baiknya jika kita bandingkan nilai kapasitas kalor molekul gas ideal hasil oprekan kita dengan kapasitas kalor molekul gas riil alias gas nyata yang diperoleh melalui eksperimen.

Berikut ini beberapa nilai kapasitas kalor molekul gas riil yang diperoleh melalui eksperimen.

Jenis Gas Gas Cv (J/mol.K)
Monoatomik He 12,47

Ar 12,47
Diatomik H2 20,42

N2 20,76

O2 21,10

CO 20,85
Poliatomik CO2 28,46

SO2 31,39

H2S 25,95

Catatan :

Pertama, CV = kapasitas kalor molekul gas pada volume tetap (volume tetap di sini berkaitan dengan cara yang dipakai untuk mengetahui kapasitas kalor molekul gas riil. Jadi sejumlah gas dimasukkan ke dalam wadah tertutup dan volume wadah dijaga agar selalu tetap/konstan. Ketika gas mendapat tambahan kalor, suhu gas pasti meningkat. Ketika suhu gas meningkat, gas yang ada dalam wadah pasti memuai. Biasanya kalau gas memuai, volumenya pasti bertambah. Btw, karena si gas terperangkap dalam wadah yang volumenya selalu konstan, maka volume gas juga selalu konstan alias tidak bisa berubah. Dengan demikian perubahan suhu gas akibat adanya tambahan kalor bisa diukur secara akurat)

Kedua, gas monoatomik = gas yang terdiri dari satu atom (He, Ar). Gas diatomik = gas yang terdiri dari dua atom (H2 : terdiri dari 2 atom H, N2 : terdiri dari 2 atom N, O2 : terdiri dari dua atom O, CO : terdiri dari 1 atom C dan 1 atom O). Gas poliatomik = gas yang terdiri dari banyak atom (CO2 : terdiri dari 1 atom C dan 2 atom O, SO2 : terdiri dari 1 atom S dan 2 atom O, H2S : terdiri dari 2 atom H dan 1 atom S). Gas monoatomik, gas diatomik dan gas poliatomik merupakan gas riil alias gas yang ada dalam kehidupan kita sehari-hari…

Sekarang perhatikan tabel di atas…. Tampak bahwa kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (12,47 J/Kg.K) hanya cocok dengan kapasitas kalor molekul gas monoatomik saja. Kapasitas kalor molekul gas diatomik dan poliatomik malah lebih besar dari 12,47 J/Kg.K. Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa menyimpulkan beberapa hal :

Pertama, karena kapasitas kalor molekul gas monoatomik = kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (12,47 J/Kg.K), maka kita bisa mengatakan bahwa molekul gas monoatomik memiliki kemiripan sifat dengan molekul gas ideal. Dalam teori kinetik gas, kita menanggap molekul gas ideal sebagai partikel alias titik. Karena dianggap sebagai partikel, maka molekul gas ideal hanya bisa melakukan gerak translasi. Karena hanya bisa melakukan gerak translasi, maka molekul gas ideal hanya mempunyai energi kinetik translasi saja… Nah, karena molekul gas monoatomik mempunyai kemiripan sifat dengan molekul gas ideal, maka kita bisa menganggap molekul gas monoatomik sebagai partikel alias titik. Karenanya molekul gas poliatomik hanya melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi maka molekul gas monoatomik hanya mempunyai energi kinetik translasi…

Kedua, karena kapasitas kalor molekul gas diatomik dan gas poliatomik lebih besar dari kapasitas kalor molekul gas ideal yang diperoleh secara teoritis (>12,47 J/Kg.K) maka kita bisa mengatakan bahwa selain memiliki energi kinetik translasi, molekul gas diatomik dan poliatomik juga mempunyai energi kinetik jenis lain. Dengan demikian molekul gas diatomik dan poliatomik otomatis tidak hanya melakukan gerak translasi saja, tetapi juga melakukan gerak lain. Berdasarkan kenyataan ini, molekul gas diatomik dan poliatomik tidak bisa dianggap sebagai partikel alias titik. Ingat ya, partikel alias titik hanya bisa melakukan gerak translasi saja… Untuk mengatasi persoalan ini, kita bisa menganggap molekul gas diatomik sebagai dua titik (dua titik ini bisa dianggap seperti dua bola kecil yang elastis). Kedua bola elastis ini seolah-olah dihubungkan oleh sebuah “pegas”. Biar paham, tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-13

Sebaliknya, molekul gas poliatomik bisa dianggap sebagai beberapa titik (beberapa titik ini bisa dianggap seperti beberapa bola kecil yang elastis). Bola-bola elastis tersebut seolah-olah dihubungkan oleh beberapa “pegas”.

Dengan adanya pemahaman yang baru mengenai struktur dalam molekul gas diatomik dan poliatomik, kita bisa menjelaskan jenis-jenis gerakan lain yang dilakukan oleh molekul-molekul tersebut. Jadi selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik dan poliatomik juga melakukan gerak rotasi. Tataplah gambar di bawah… (molekul gas diatomik yang berotasi)

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-14

Selain melakukan gerak translasi dan rotasi, molekul-molekul gas diatomik dan poliatomik juga melakukan gerak vibrasi. Tataplah gambar di bawah… (molekul gas diatomik yang bergetar)

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-15

Ketika melakukan gerak vibrasi, “pegas” dan atom-atom penyusun molekul gas diatomik dan poliatomik mempunyai energi kinetik dan energi potensial elastis. Ingat lagi pembahasan mengenai getaran pegas…

Catatan :

Pengertian energi kinetik dan energi kinetik translasi sedikit berbeda. Energi kinetik hanya berkaitan dengan gerak lurus saja, sedangkan energi kinetik translasi berkaitan dengan gerak translasi (gerak translasi bisa berupa gerak lurus, gerak parabola, gerakan acak dll)

Persoalan sekarang, kapasitas kalor molekul gas yang sudah kita turunkan secara teoritis berdasarkan teori kinetik gas (C = 3/2 R = 12,47 J/Kg.K) hanya berkaitan dengan energi kinetik translasi saja. Bagaimanapun, molekul gas diatomik dan poliatomik tidak hanya mempunyai energi kinetik translasi, tetapi juga mempunyai energi kinetik rotasi dkk… Bagaimanakah kita menghitung besarnya kapasitas kalor yang berkaitan dengan energi kinetik rotasi dkk ?

EKIPARTISI ENERGI

Persoalan kita di atas bisa dijelaskan menggunakan teorema ekipartisi energi. Teorema ekipartisi energi diturunkan secara teoritis oleh om Clerk Maxwell, menggunakan mekanika statistik. Kira’in om guru ;) Disebut teorema karena tidak ada pembuktian melalui eksperimen. Mengenai mekanika statistik, nanti baru kita oprek… gurumuda tertarik juga, jadi tunggu saja tanggal mainnya… oya, ekipartisi energi artinya pembagian energi secara merata… (partisi = membagi). Ini terjemahan kasar saja. Terjemahan halusnya cari sendiri ya…

Biar dirimu lebih paham, gurumuda tulis lagi persamaan yang menyatakan hubungan antara EK translasi dan suhu mutlak gas ideal…

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-16

Keterangan :

EK rata2 = Energi Kinetik translasi rata-rata molekul gas ideal

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/K)

T = Suhu alias temperatur mutlak molekul gas ideal (K)

Proses penurunan persamaan ini sudah dijelaskan pada pembahasan sebelumnya (hubungan antara sifat makroskopis dan mikroskopis gas). Energi kinetik translasi diturunkan dari gerak translasi yang mempunyai tiga komponen kecepatan, yakni komponen kecepatan pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z. Adanya 3 komponen kecepatan ini yang menyebabkan ada angka 3 pada persamaan di atas. Setiap komponen kecepatan disebut derajat kebebasan. Karena mempunyai 3 komponen kecepatan maka energi kinetik translasi memiliki 3 derajat kebebasan. Pake istilah yang aneh-aneh saja… ;)

Teorema ekipartisi energi menyatakan bahwa energi yang ada harus terbagi secara merata pada semua derajat kebebasan. Dengan demikian, besarnya energi rata-rata untuk setiap derajat kebebasan adalah ½ kT.

Molekul gas monoatomik

Molekul gas monoatomik hanya melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul gas monoatomik mempunyai 3 derajat kebebasan.

Energi kinetik rata-rata untuk setiap molekul gas monoatomik adalah :

3 (½ kT) = 3/2 kT = 3/2 nRT.

Kapasitas kalor molekul gas monoatomik :

C = 3/2 R = 3/2 (8,315 J/mol.K) = 12,47 J/Kg.K

Molekul gas diatomik

Selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik juga melakukan gerak rotasi dan vibrasi. Jumlah derajat kebebasan untuk gerak translasi = 3. Jumlah derajat kesengsaraan untuk gerak rotasi dan vibrasi berapakah ? ;) kita oprek dulu… tataplah gambar di bawah dengan penuh kebebasan…

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-17

Terdapat tiga sumbu rotasi, yakni sumbu x, y dan z. Gerak rotasi pada sumbu x tidak masuk dalam hitungan karena kedua atom yang membentuk molekul berhimpit dengan sumbu rotasi. Ingat ya, atom dianggap sebagai partikel alias titik. Ketika berhimpit dengan sumbu x, momen inersia kedua atom = 0. Dengan demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak rotasi = 2.

Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :

3(½ kT) + 2(½ kT) = 5/2 kT = 5/2 nRT.

Kapasitas kalor molekul gas diatomik :

C = 5/2 R = 5/2 (8,315 J/mol.K) = 20,79 J/Kg.K

Pending sebentar… Silahkan bandingkan dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen… tuh jauh di atas (lihat tabel). nilainya hampir sama… kapasitas kalor molekul yang diperoleh secara teoritis sedikit lebih besar dibandingkan dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang dipeoleh melalui eksperimen (tabel). Btw, perbedaannya sangat kecil… Sekarang coba kita tinjau gerak vibrasi…

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-18

Ketika melakukan gerak vibrasi, molekul gas diatomik mempunyai 2 jenis energi, yakni energi kinetik dan energi potensial elastis. Dengan demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak vibrasi = 2.

Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :

3(½ kT) + 2(½ kT) + 2(½ kT) = 7/2 kT = 7/2 nRT.

Kapasitas kalor molekul gas diatomik :

C = 7/2 R = 7/2 (8,315 J/mol.K) = 29,1 J/Kg.K

Silahkan bandingkan hasil ini dengan kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen (lihat tabel nun jauh di atas)… Perbedaannya sangat besar… kok bisa ya ? molekul gas diatomik memiliki 7 derajat kebebasan (gerak translasi, rotasi dan vibrasi), karenanya nilai kapasitas kalor molekul gas diatomik yang diperoleh melalui eksperimen seharusnya berkisar pada 29,1 J/Kg.J.

Ternyata pengaruh gerak vibrasi terhadap nilai kapasitas kalor molekul gas diatomik tergantung pada jangkauan suhu (T) juga. Eksperimen yang telah dilakukan sebelumnya terjadi pada jangkauan suhu yang tidak terlalu lebar. Eksperimen terbaru yang dilakukan pada jangkauan suhu yang lebar memperlihatkan bahwa nilai kapasitas kalor molekul gas bergantung juga pada jangkauan suhu. Agar lebih memahami persoalan ini, mari kita tinjau variasi kapasitas kalor molekul gas hidrogen pada setiap suhu yang berbeda…

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-19

Hidrogen (H2) termasuk gas diatomik. Gambar di atas menunjukkan variasi kapasitas kalor molekul gas hidrogen pada suhu alias temperatur yang berbeda. Nilai kapasitas kalor molekul sebesar 5/2 R = 20,79 J/Kg.K hanya berada dalam jangkauan temperatur sekitar 250 K sampai 750 K. Di bawah 250 K, kapasitas kalor molekul gas hidrogen berkurang secara teratur hingga mencapai 3/2 R = 12,47 J/Kg.K. Sebaliknya di atas 750 K, kapasitas kalor molekul gas bertambah secara teratur hingga mencapai 7/2 R = 29,1 J/Kg.K.

Berdasarkan kenyataan ini, kita bisa mengatakan bahwa pada suhu rendah, molekul-molekul gas hanya melakukan gerak translasi saja. Setelah suhu meningkat, molekul-molekul gas baru melakukan gerak rotasi. Pada suhu yang tinggi, molekul-molekul gas saling bertumbukan sehingga atom-atom penyusun molekul tersebut melakukan gerak vibrasi. Jadi ketiga jenis gerak ini dilakukan secara bertahap, pertama cuma gerak translasi (suhu rendah), setelah itu translasi + rotasi (suhu sedang) dan yang terakhir translasi + rotasi + vibrasi (suhu tinggi)… Gerak vibrasi hanya terjadi jika molekul-molekul gas saling bertumbukkan.

Kasus seperti ini tidak hanya terjadi pada gas hidrogen saja tetapi gas lain juga. Dari eksperimen yang dilakukan oleh om-om ilmuwan, kapasitas kalor molekul gas lain juga cenderung berubah terhadap temperatur. Perubahan yang terjadi mirip seperti yang dialami oleh gas hidrogen, tapi karena struktur dalam setiap gas berbeda (jumlah dan jenis atom penyusunnya beda), maka perubahan kapasitas kalor juga terjadi pada jangkauan suhu yang berbeda…

Apa yang ditemukan ini bisa menjelaskan permasalahan kita di atas. Btw, hal ini melanggar teorema ekipartisi energi dan teori kinetik gas. Teorema ekipartisi energi mengatakan bahwa energi total harus terbagi secara merata untuk setiap derajat kebebasan. Kenyataannya, tambahan energi yang diperoleh molekul gas tidak dibagi secara merata untuk setiap derajat kebebasan, tetapi dibagi secara bertahap. Di samping itu, persamaan kapasitas kalor molekul gas yang telah kita turunkan secara teoritis berdasarkan teori kinetik gas, menyatakan bahwa kapasitas kalor molekul hanya bergantung pada R saja (1/2 R untuk setiap derajat kebebasan). Kenyataannya, kapasitas kalor molekul dipengaruhi juga oleh suhu (T)…

Akhirnya, tibalah kita pada kesimpulan yang menarik… Pertama, teorema ekipartisi energi diturunkan dari mekanika statistik klasik, yang didasarkan pada hukum-hukum mekanika Newton. Kedua, teori kinetik gas yang kita gunakan dalam menjelaskan gerakan molekul-molekul gas, juga didasarkan pada hukum-hukum mekanika newton. Nah, karena teorema ekipartisi energi dan teori kinetik gas telah dilanggar, maka kita bisa menyimpulkan bahwa hukum-hukum mekanika newton tidak mampu menjelaskan gerakan yang terjadi pada level atom atau molekul. Dengan kata lain, mekanika Newton alias mekanika klasik hanya bisa menjelaskan gerakan materi yang berukuran besar. Untuk materi yang ukurannya sangat kecil seperti atom atau molekul, mekanika Newton sudah tidak berlaku lagi… Penggantinya adalah mekanika kuantum. Tunggu tanggal mainnya ;)

Energi Dalam gas ideal dan gas riil

Sebelumnya kita sudah berkenalan dengan energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi. Kali ini gurumuda ingin memperkenalkan kepada dirimu sebuah istilah yang aneh ;) , yakni energi dalam (U). Terlebih dahulu kita oprek energi dalam gas ideal.

Catatan :

Gas monoatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul monoatomik. Gas diatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul diatomik. Gas poliatomik = gas yang terdiri dari molekul-molekul poliatomik. Molekul monoatomik (terdiri dari satu atom) hanya bisa melakukan gerak translasi saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul monoatomik hanya mempunyai energi kinetik translasi. Temannya molekul monoatomik adalah molekul diatomik (terdiri dari dua atom) dan molekul poliatomik (terdiri dari banyak atom). Selain melakukan gerak translasi, molekul diatomik dan molekul poliatomik juga bisa melakukan gerak rotasi dan vibrasi…

Energi dalam gas ideal monoatomik

Energi dalam gas ideal monoatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi molekul-molekul gas ideal monoatomik. Jumlah total energi kinetik translasi molekul-molekul gas ideal = hasil kali antara energi kinetik translasi rata-rata setiap molekul dengan jumlah molekul (N). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-20

Coba oprek kedua persamaan ini, untuk membuktikan apakah kedua persamaan ini sama atau tidak (cek satuannya)

Keterangan :

U = Energi dalam gas ideal monoatomik (J)

N = Jumlah molekul

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10-23 J/K)

T = Suhu mutlak (K)

n = Jumlah mol (mol)

R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)

Energi dalam gas ideal diatomik

Energi dalam gas ideal diatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi molekul-molekul gas ideal diatomik. Sesuai dengan prinsip ekipartisi energi, energi dalam gas ideal diatomik adalah :

kapasitas-kalor-ekipartisi-energi-energi-dalam-gas-ideal-21

Energi dalam gas ideal poliatomik

Energi dalam gas ideal poliatomik merupakan jumlah total energi kinetik translasi, energi kinetik rotasi dan energi kinetik vibrasi molekul-molekul gas ideal poliatomik. Sesuai dengan prinsip ekipartisi energi, energi dalam gas ideal poliatomik adalah :

Catatan :

Energi dalam gas ideal hanya bergantung pada suhu alias temperatur saja (bandingkan dengan persamaan energi dalam gas ideal di atas)…

Energi dalam gas riil

Energi dalam gas riil bergantung juga pada suhu alias temperatur. Btw, ketika tekanan gas riil cukup besar (volume gas riil kecil), gas riil mulai menunjukkan perilaku menyimpang. Karenanya, bisa dikatakan bahwa energi dalam gas riil bergantung juga pada tekanan dan volume



Hukum pertama termodinamika

Pengantar

Pernah memanaskan air ? Kalau kita panaskan air menggunakan wadah seperti panci, misalnya, biasanya setelah air mendidih, tutup panci bisa bergerak sendiri. Tutup panci bisa bergerak karena ditendang ;) oleh uap yang lagi kepanasan dalam panci… Ingin bebas, katanya. Sudah bosan hidup di penjara… Ada lagi contoh yang mirip. Dirimu pernah ngemil popcorn ? Mudah2an sudah… Kalau belum, minta saja di toko terdekat. Ssttt… jangan lupa bawa uang receh secukupnya, biar dirimu tidak diomelin. Btw, tahu cara membuat popcorn ? Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah lalu dipanaskan. Setelah kepanasan, biji popcorn berdisco ria dengan teman-temannya dan mendorong penutup wadah. Aneh ya, cuma dipanasi dengan nyala api, biji popcorn dalam wadah meletup dan loncat-loncat sendiri. Saking senangnya, penutup wadah jadi korban kenakalan mereka ;) mengapa bisa terjadi seperti itu ?

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 energi yang 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 biji popcorn 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 (biji popcorn). 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 lingkungan yang 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 :

hukum-pertama-termodinamika-1

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 sistem yang 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 besaran yang 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 :

hukum-pertama-termodinamika-2

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

hukum-pertama-termodinamika-3Kalor 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

hukum-pertama-termodinamika-4

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…

hukum-pertama-termodinamika-5

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

hukum-pertama-termodinamika-6Mula-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 :

hukum-pertama-termodinamika-7Mula-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 :

hukum-pertama-termodinamika-8Dari 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 :

hukum-pertama-termodinamika-9Mula-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 :

hukum-pertama-termodinamika-10

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 :

hukum-pertama-termodinamika-11Kurva 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 :

hukum-pertama-termodinamika-12Dari 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 :

hukum-pertama-termodinamika-13Mula-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 :

hukum-pertama-termodinamika-14Perubahan tekanan dan volume gas pada proses isobarik digambarkan melalui grafik di bawah :

hukum-pertama-termodinamika-15Mula-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 ?

hukum-pertama-termodinamika-16Guampang 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

hukum-pertama-termodinamika-17P1 = 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 :

hukum-pertama-termodinamika-18

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 :

hukum-pertama-termodinamika-19Perubahan 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 :

hukum-pertama-termodinamika-20Kalor 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 :

hukum-pertama-termodinamika-21

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 :

hukum-pertama-termodinamika-2221 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 :

hukum-pertama-termodinamika-23



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 banyak proses 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 besaran yang 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 :

entropi-a

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 kalor yang terbuang dan perubahan entropi total dalam mesin selama satu siklus…

Panduan jawaban :

TH = 500 K

QH = 2000 J

TL = 350 K

QL = ?

entropi-b

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…

entropi-c

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…

entropi-d

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 :

entropi-e

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 :

entropi-f

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 = ?

entropi-gSelama 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 :

entropi-hSelama 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 :

entropi-j

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-k

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

entropi-l

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-mEntropi air panas menurun sebesar 56,107 J/K

entropi-nEntropi air dingin bertambah sebesar 56,486 J/K

entropi-oEntropi 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 ;)

entropi-1

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 = 24 = 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.


Tidak ada komentar:

Poskan Komentar