medan magnet

Posted by keep.crazy in Dec 14, 2010, under Uncategorized

Induksi Magnet

Pada suatu titik ada medan magnet bila muatan yang bergerak pada titik tersebut mengalami gaya magnet. Medan magnet ini dikenal juga sebagai induksi magnet. Induksi magnet dapat dilukiskan sebagai garis-garis yang arah singgungnya pada setiap titik pada garisgaris induksi magnet menunjukkan arah vektor induksi magnet di titiktitik tersebut.

Banyaknya garisgaris induksi magnet yang melalui satuan luas bidang dinyatakan sebagai besar induksi magnet di titik tersebut. Banyaknya garisgaris gaya dinamakan fluks magnet (Image:TI199.JPG), sedang banyaknya garis-garis induksi magnet persatuan luas dinamakan rapat fluks magnet (B).

Fluks magnet dan rapat fluks magnet dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai

Image:TI200.JPG

Dalam sistem MKS, satuan fluks magnet adalah Weber (W), sedang satuan rapat fluks magnet adalah Weber/m2 (W/m2) atau dikenal denga Tesla (T). Untuk sistem CGS satuan fluks magnet adalah Maxwell (M), sedang satuan rapat fluks magnet adalah Maxwell/cm2 (M/cm2). Satuan Maxwell/cm2 disebut juga dengan nama Gauss (G).

Hubungan satuan sistem MKS dan sistem CGS adalah 1 T = 104 G. Contoh soal 11.1:
Medan magnet menembus bidang empat persegi panjang ukuran 20 cm x 25 cm secara tegak lurus terhadap bidang. Fluks magnet serba sama pada seluruh bidang adalah sebesar 104 Weber. Tentukan rapat fluks magnet dalam sistem MKS/SI.

Image:TI201.JPG


1I.2 Medan Magnet Oleh Arus Listrik

Percobaan yang dilakukan Oersted mengamati jarum kompas yang diletakkan di bawah kawat yang dilalui arus listrik. Hasil percobaan diperlihatkan pada Gambar 11.4. Gambar 11.4a. memperlihatkan posisi jarum kompas ketika tidak dialiri arus, jarum kompas menunjuk arah utara. Selanjutnya jarum kompas dialiri arus ke arah utara seperti diperlihatkan pada Gambar 11.3b, akibatnya penunjukan jarum menyimpang ke arah timur. Apabila jarus kompas dialiri arus ke arah selatan maka penunjukan jarum menyimpang ke arah barat (Gambar 11.3c).

Gambar 11.3 Pengaruh arus listrik terhadap penunjukan arah jarum kompas

Hubungan antara besarnya arus listrik dan medan magnet di nyatakan oleh Biot Savart, yang kemudian dikenal dengan Hukum Biot Savart.


Induksi magnet di P yang berjarak r dari kawat berarus adalah:
•  berbanding lurus dengan kuat arus i
•  berbanding lurus dengan elemen dx
•  berbanding terbalik dengan kuadrat jarak
•  arah induksi magnet tersebut tegak lurus dengan bidang yang
melalui elemen arus dari titik P. Induksi magnet oleh kawat arus lurus Untuk menghitung induksi magnet di P oleh kawat lurus berarus dapat diguna pendekatan secara integral. Induksi magnet di titik P oleh kawat yang tak berhingga panjang adalah

Image:TI204.JPG

Intuksi magnet oleh kawat dengyang panjangnya tertentu seperti pada Gambar 1.4 adalah

Image:TI205.JPG


Image:TI206.JPG adalah sudut-sudut yang terbentuk antara ujung-ujung kawat dengan garis yang menghubungkan ujung kawat dan titik P. 1


11.3 Induksi magnet oleh kawat lingkaran.

Pada sebuah kawat berarus melingkar akan ada induksi magnet yang arahnya seperti diperlihatkan pada Gambar 11.7. Pada Gambar 11.7 tampak bahwa pada tepi kawat arah induksinya melingkari kawat dan makin ke tengah radius lingkarannya semakin besar. Dari Gambar 11.7 juga dapat disimpulkan bahwa makin besar radius kawat berarus maka radius arah induksi magnet dipusat lingkaran juga semakin besar. Pembahasan berikut adalah akan
dihitung induksi magnetik oleh kawat berarus yang melingkar.

Ditinjau suatu kawat arus berbentuk lingkaran jari-jari R, akan dihitung rapat fluks magnetik/induksi magnet suatu titik di sumbu lingkaran yang jaraknya dari pusat lingkaran x (Gambar 11.8).

Kawat melingkar berarus menyebabkan induksi magnet dan dilukiskan seperti pada Gambar 11.8. Vektor dB adalah sebagian kecil dari induksi magnet B yang disebabkan oleh elemen kawat ds yang arahnya tegak lurus dengan r dan ds. Bagian kecil induksi magnet dB diuraikan ke sumbu lingkaran yaitu dBy dan ke arah tegak lurus sumbu dBx. Dengan pertimbangan simetri, komponen total ke arah yang tegak lurus sumbu lingkaran ( kearah sumbu y) adalah 0. Hal ini dikarenakan dalam arah sumbu y komponen-komponen saling meniadakan, sehingga yang ada hanya komponen ke arah sumbu lingkaran .
Medan magnet pada sumbu lingkaran kawat berarus pada jarak x dari pusat lingkaran dan berjari-jari R adalah
Image:TI300.JPG

Pada pusat lingkaran kawat berarus, berari x = 0,induksi magnetetnya adalah

Image:TI301.JPG

Jika kawat lingkaran disusun sedemikian hingga berupa kumparan tipis (tebalnya jauh lebih kecil dari x), besarnya induksi magnet pada sumbu kumparan

Image:TI302.JPG

N = jumlah lilitan kumparan.


11. 5 Induksi magnet oleh Solenoida.


Suatu solenoida dibayangkan sebagai suatu silinder yang dililiti kawat arus berbentuk lingkaran, masing-masing lingkaran tegak lurus sumbu silinder, arah arus pada solenoida seperti pada Gambar 11.9.
Solenoida dengan jumlah N, panjangnya l, jumlah lilitan pesatuan panjang n= N/ l.

Image:TI303.JPG

Untuk solenoid yang panjang tak berhingga, maka induksi manet ditengah-tengah solenoid sepanjang solenoid adalah

Image:TI304.JPG

11.6 Induksi magnet oleh Toroida. Suatu toroida adalah bangun berbentuk seperti ban yang dililiti dengan kawat sedemikian hingga tiap lilitan berbentuk lingkaran
seperti diperlihatkan dalam Gambar 11.10

Toroida dianggap seperti solenoida sangat panjang yang dilengkungkan sehingga ujung-ujungnya berimpit, sehingga induksi magnet oleh toroida dapat diperoleh dari rumus (11.10).

Image:ti306.jpg

Medan magnet pada Toroida dapat dinyatakan sebagai

Image:ti307.jpg


\

Leave a Comment more...

gaya lorenzt

Posted by keep.crazy in Dec 14, 2010, under Uncategorized

gaya Lorentz adalah gaya pada muatan titik akibat medan elektromagnetik . It is given by the following equation in terms of the electric and magnetic fields : [ 1 ] Hal ini diberikan oleh persamaan berikut dalam hal listrik dan medan magnet : [1]

\ Mathbf {F} = q [\ mathbf {E} + (\ mathbf {v} \ kali \ mathbf {B})],

where mana

F is the force (in newtons ) F adalah gaya (dalam newton )
E is the electric field (in volts per metre ) E adalah medan listrik (dalam volt per meter )
B is the magnetic field (in teslas ) B adalah medan magnet (dalam teslas )
q is the electric charge of the particle (in coulombs ) q adalah muatan listrik partikel (dalam coulomb )
v is the instantaneous velocity of the particle (in metres per second ) sesaat v adalah kecepatan partikel (dalam meter per detik )
× is the vector cross product × adalah produk silang vektor

or equivalently the following equation in terms of the vector potential and scalar potential : atau ekuivalen persamaan berikut dalam hal potensi vektor dan skalar potensial :

\ Mathbf {F} = q \ left (- \ nabla \ phi - \ frac {\ partial \ mathbf {A}} {t \ partial} + \ mathbf {v} \ kali (\ nabla \ kali \ mathbf {A} ) \ kanan),

where: dimana:

and ∇ × are gradient and curl , respectively ∇ × ∇ dan yang gradien dan curl , masing-masing
A and Φ are the magnetic vector potential and electrostatic potential , respectively, which are related to E and B by [ 2 ] A dan Φ adalah potensial vektor magnetik dan potensial elektrostatik , masing-masing, yang berhubungan dengan E dan B dengan [2]
\ Mathbf {E} = - \ nabla \ phi - \ frac {\ partial \ mathbf {A}} {t \ parsial}
\ Mathbf {B} = \ nabla \ kali \ mathbf {A}.

Note that these are vector equations: All the quantities written in boldface are vectors (in particular, F , E , v , B , A ). Catatan bahwa ini adalah vektor persamaan: Semua jumlah yang ditulis dalam huruf tebal adalah vektor (khususnya, F, E, v, B, A).

The Lorentz force law has a close relationship with Faraday’s law of induction . Hukum gaya Lorentz memiliki hubungan erat dengan hukum Faraday’s induksi .

A positively charged particle will be accelerated in the same linear orientation as the E field, but will curve perpendicularly to both the instantaneous velocity vector v and the B field according to the right-hand rule (in detail, if the thumb of the right hand points along v and the index finger along B , then the middle finger points along F ). Sebuah partikel bermuatan positif akan dipercepat dalam orientasi linear sama seperti bidang E, tetapi akan kurva tegak lurus terhadap kedua vektor kecepatan sesaat v dan B bidang sesuai dengan aturan tangan kanan (secara rinci, jika ibu jari tangan kanan titik sepanjang v dan jari telunjuk sepanjang B, maka poin sepanjang jari tengah F).

The term q E is called the electric force , while the term q v × B is called the magnetic force . [ 3 ] According to some definitions, the term “Lorentz force” refers specifically to the formula for the magnetic force: [ 4 ] Istilah E q disebut listrik, gaya sedangkan istilah v q × B disebut magnet. Gaya [3] Menurut beberapa definisi, istilah “Lorentz” memaksa mengacu khusus untuk rumus untuk gaya magnetik: [4]

\ Mathbf {F} _ {mag} = q (\ mathbf {v} \ kali \ mathbf {B})

with the total electromagnetic force (including the electric force) given some other (nonstandard) name. dengan gaya elektromagnetik (termasuk kekuatan listrik) yang diberikan beberapa nama (tidak standar) lainnya. This article will not follow this nomenclature: In what follows, the term “Lorentz force” will refer only to the expression for the total force. Artikel ini tidak akan mengikuti tata-nama ini: Dalam apa yang berikut, istilah “Lorentz” memaksakan kehendak hanya mengacu pada ekspresi untuk gaya total.

The magnetic force component of the Lorentz force manifests itself as the force that acts on a current -carrying wire in a magnetic field . Komponen gaya magnet dari gaya Lorentz memanifestasikan dirinya sebagai kekuatan yang bekerja pada suatu saat pembawa kawat di medan magnet . In that context, it is also called the Laplace force . Dalam konteks itu, ia juga disebut gaya Laplace.

Leave a Comment more...

ggl induksi

Posted by keep.crazy in Dec 14, 2010, under Uncategorized

Kemagnetan dan kelistrikan merupakan dua gejala alam yang prosesnya dapat dibolak-balik. Ketika H.C. Oersted membuktikan bahwa di sekitar kawat berarus listrik terdapat medan magnet (artinya listrik menimbulkan magnet), para ilmuwan mulai berpikir keterkaitan antara kelistrikan dan kemagnetan. Tahun 1821 Michael Faraday membuktikan bahwa perubahan medan magnet dapat menimbulkan arus listrik (artinya magnet menimbulkan listrik) melalui eksperimen yang sangat sederhana. Sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan dapat menghasilkan arus listrik pada kumparan itu. Untuk lebih memahami timbulnya listrik dari magnet, cobalah kamu melakukan kegiatan berikut. Sebelumnya bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 lakilaki dan 2 perempuan.

Galvanometer merupakan alat yang dapat digunakan untuk mengetahui ada tidaknya arus listrik yang mengalir. Ketika sebuah magnet yang digerakkan masuk dan keluar pada kumparan (seperti kegiatan di atas), jarum galvanometer menyimpang ke kanan dan ke kiri. Bergeraknya jarum galvanometer menunjukkan bahwa magnet yang digerakkan keluar dan masuk pada kumparan menimbulkan arus listrik. Arus listrik bisa terjadi jika pada ujung-ujung kumparan terdapat GGL (gaya gerak listrik). GGL yang terjadi di ujung-ujung kumparan dinamakan GGL induksi. Arus listrik hanya timbul pada saat magnet bergerak. Jika magnet diam di dalam kumparan, di ujung kumparan tidak terjadi arus listrik.

1. Penyebab Terjadinya GGL Induksi

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan masuk ke dalam kumparan, jumlah garis gaya-gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan bertambah banyak. Bertambahnya jumlah garisgaris gaya ini menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir menggerakkan jarum galvanometer. Arah arus induksi dapat ditentukan dengan cara memerhatikan arah medan magnet yang ditimbulkannya. Pada saat magnet masuk, garis gaya dalam kumparan bertambah. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat mengurangi garis gaya itu. Dengan demikian, ujung kumparan itu merupakan kutub utara sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.a (ingat kembali cara menentukan kutub-kutub solenoida).

Ketika kutub utara magnet batang digerakkan keluar dari dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet yang terdapat di dalam kumparan berkurang. Berkurangnya jumlah garis-garis gaya ini juga menimbulkan GGL induksi pada ujung-ujung kumparan. GGL induksi yang ditimbulkan menyebabkan arus listrik mengalir dan menggerakkan jarum galvanometer. Sama halnya ketika magnet batang masuk ke kumparan. pada saat magnet keluar garis gaya dalam kumparan berkurang. Akibatnya medan magnet hasil arus induksi bersifat menambah garis gaya itu. Dengan demikian, ujung, kumparan itu merupakan kutub selatan, sehingga arah arus induksi seperti yang ditunjukkan Gambar 12.1.b.

Ketika kutub utara magnet batang diam di dalam kumparan, jumlah garis-garis gaya magnet di dalam kumparan tidak terjadi perubahan (tetap). Karena jumlah garis-garis gaya tetap, maka pada ujung-ujung kumparan tidak terjadi GGL induksi. Akibatnya, tidak terjadi arus listrik dan jarum galvanometer tidak bergerak.

Jadi, GGL induksi dapat terjadi pada kedua ujung kumparan jika di dalam kumparan terjadi perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik). GGL yang timbul akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan disebut GGL induksi. Arus listrik yang ditimbulkan GGL induksi disebut arus induksi. Peristiwa timbulnya GGL induksi dan arus induksi akibat adanya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet disebut induksi elektromagnetik. Coba sebutkan bagaimana cara memperlakukan magnet dan kumparan agar timbul GGL induksi?

2. Faktor yang Memengaruhi Besar GGL Induksi

Sebenarnya besar kecil GGL induksi dapat dilihat pada besar kecilnya penyimpangan sudut jarum galvanometer. Jika sudut penyimpangan jarum galvanometer besar, GGL induksi dan arus induksi yang dihasilkan besar. Bagaimanakah cara memperbesar GGL induksi? Untuk memahami hal ini, cobalah kamu melakukan Kegiatan 12.2. Sebelumnya, bentuklah satu kelompok yang terdiri 4 siswa; 2 laki-laki dan 2 perempuan.

Apabila dilakukan dengan cermat, percobaan di atas akan menunjukkan bahwa penyimpangan jarum galvanometer makin besar ketika gerakan magnet dipercepat, jumlah lilitan diperbanyak, atau magnet diperbanyak. Jadi, ada tiga faktor yang memengaruhi GGL induksi, yaitu

1. kecepatan gerakan magnet atau kecepatan perubahan jumlah garis-garis gaya magnet (fluks magnetik),

2. jumlah lilitan,

3. medan magnet.

B. PENERAPAN INDUKSI ELEKTROMAGNETIK

Pada induksi elektromagnetik terjadi perubahan bentuk energi gerak menjadi energi listrik. Induksi elektromagnetik digunakan pada pembangkit energi listrik. Pembangkit energi listrik yang menerapkan induksi elektromagnetik adalah generator dan dinamo. Di dalam generator dan dinamo terdapat kumparan dan magnet.

Kumparan atau magnet yang berputar menyebabkan terjadinya perubahan jumlah garis-garis gaya magnet dalam kumparan. Perubahan tersebut menyebabkan terjadinya GGL induksi pada kumparan. Energi mekanik yang diberikan generator dan dinamo diubah ke dalam bentuk energi gerak rotasi. Hal itu menyebabkan GGL induksi dihasilkan secara terus-menerus dengan pola yang berulang secara periodik.

1. Generator

Generator dibedakan menjadi dua, yaitu generator arus searah (DC) dan generator arus bolak-balik (AC). Baik generator AC dan generator DC memutar kumparan di dalam medan magnet tetap. Generator AC sering disebut alternator. Arus listrik yang dihasilkan berupa arus bolak-balik. Ciri generator AC menggunakan cincin ganda. Generator arus DC, arus yang dihasilkan berupa arus searah. Ciri generator DC menggunakan cincin belah (komutator). Jadi, generator AC dapat diubah menjadi generator DC dengan cara mengganti cincin ganda dengan sebuah komutator.

Sebuah generator AC kumparan berputar di antara kutubkutub yang tak sejenis dari dua magnet yang saling berhadapan. Kedua kutub magnet akan menimbulkan medan magnet. Kedua ujung kumparan dihubungkan dengan sikat karbon yang terdapat pada setiap cincin. Kumparan merupakan bagian generator yang berputar (bergerak) disebut rotor. Magnet tetap merupakan bagian generator yang tidak bergerak disebut stator. Bagaimanakah generator bekerja?

Ketika kumparan sejajar dengan arah medan magnet (membentuk sudut 00), belum terjadi arus listrik dan tidak terjadi GGL induksi (perhatikan Gambar 12.2). Pada saat kumparan berputar perlahan-lahan, arus dan GGL beranjak naik sampai kumparan membentuk sudut 900. Saat itu posisi kumparan tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan ini kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum. Selanjutnya, putaran kumparan terus berputar, arus dan GGL makin berkurang. Ketika kumparan membentuk sudut 1800 kedudukan kumparan sejajar dengan arah medan magnet, maka GGL induksi dan arus induksi menjadi nol.

Putaran kumparan berikutnya arus dan tegangan mulai naik lagi dengan arah yang berlawanan. Pada saat membentuk sudut 270o, terjadi lagi kumparan berarus tegak lurus dengan arah medan magnet. Pada kedudukan kuat arus dan GGL induksi menunjukkan nilai maksimum lagi, namun arahnya berbeda. Putaran kumparan selanjutnya, arus dan tegangan turun perlahan-lahan hingga mencapai nol dan kumparan kembali ke posisi semula hingga membentuk sudut 360o.

2. Dinamo

Dinamo dibedakan menjadi dua yaitu, dinamo arus searah (DC) dan dinamo arus bolak-balik (AC). Prinsip kerja dinamo sama dengan generator yaitu memutar kumparan di dalam medan magnet atau memutar magnet di dalam kumparan. Bagian dinamo yang berputar disebut rotor. Bagian dinamo yang tidak bergerak disebut stator.

Perbedaan antara dinamo DC dengan dinamo AC terletak pada cincin yang digunakan. Pada dinamo arus searah menggunakan satu cincin yang dibelah menjadi dua yang disebut cincin belah (komutator). Cincin ini memungkinkan arus listrik yang dihasilkan pada rangkaian luar dinamo berupa arus searah walaupun di dalam dinamo sendiri menghasilkan arus bolak-balik. Adapun, pada dinamo arus bolak-balik menggunakan cincin ganda (dua cincin).

Alat pembangkit listrik arus bolak balik yang paling sederhana adalah dinamo sepeda. Tenaga yang digunakan untuk memutar rotor adalah roda sepeda. Jika roda berputar, kumparan atau magnet ikut

Makin cepat gerakan roda sepeda, makin cepat magnet atau kumparan berputar. Makin besar pula GGL induksi dan arus listrik yang dihasilkan. Jika dihubungkan dengan lampu, nyala lampu makin terang. GGL induksi pada dinamo dapat diperbesar dengan cara putaran roda dipercepat, menggunakan magnet yang kuat (besar), jumlah lilitan diperbanyak, dan menggunakan inti besi lunak di dalam kumparan.

Leave a Comment more...

DEVIASI, DIFRAKSI, DEPERSI, INTERFERENSI, POLARISASI CAHAYA

Posted by keep.crazy in Dec 14, 2010, under Uncategorized

a. Pemantulan Gelombang (Refleksi Gelombang)

gambar:refraksi gelombang.jpg

gambar:refraksi gelombang.jpg

Pemantulan gelombang pada tangki riak, pada pemantulan ini diperoleh gelombang lingkaran yang pusatnya adalah sumber gelombang S. Gelombang pantul yang dihasilkan oleh bidang lurus juga berupa gelombang lingkaran S sebagai pusat lingkaran. Jarak S ke bidang pantul sama dengan jarak s ke bidang pantul.
Menurut Hukum Snellius, gelombang dating, gelombang pantul, dan garis normal berada pada satu bidang dan sudut dating akan sama dengan sudut pantul, seperti tampak pada gambar berikut:
Untuk gelombang dua atau tiga dimensi seperti gelombang air, kita mengenal dengan istilah sinar gelombang dan muka gelombang.

Muka Gelombang

gambar:gelombang tampak muka.jpg


Muka gelombang (Front wave) didefinisikan sebagai tempat kedududkan titik – titik yang memiliki fase yang sama pada gelombang, pada gambar di samping ini menunjukkan lingkaran – lingkaran tersebut merupakan muka gelombang. Jarak antara muka gelombang yang berdekatan sama dengan satu gelombang (λ). Sinar gelombang adalah garis yang ditarik dengan arah tegak lurus terhadap muka gelombang

gambar:sinar gelombang.jpg

Bila gelombang melingkar merambat terus kesegala arah maka pada jarak yang jauh dari sumber gelombang, kita akan melihat muka gelombang yang hamper lurus, seperti halnya gelombang air laut yang sampai dipantai. Muka gelombang yang seperti ini disebut sebagai muka gelombang bidang.

b. Pembiasan Gelombang (Refraksi Gelombang)

Pada pemantulan gelombang, gelombang yang tiba di batas medium akan dipantulkan ke arah semula. Pada pembiasan, gelombang yang mengenai bidang batas antara dua medium, sebagian akan dipantulkan dan sebagian lagi akan diteruskan atau dibiaskan. Gelombang yang dibiaskan ini akan mengalami pembelokan arah dari arah semula tergantung pada mediumnya.
Pada medium kedua, cepat rambat gelombang mengalami perubahan dan perubahan ini pun tergantung pada mediumnya. Dengan kata lain, pembiasan gelombang adalah pembelokan arah lintasan gelombang etelah melewati bidang batas antara dua medium yang berbeda.

gambar:refraksi gelombang1.jpg

gambar:refraksi gelombang1.jpg

Gambar pembiasan sinar dari udara ke air


Pada gambar diatas diperlihatkan pembiasan cahaya dari medium udara dengan indeks bias n, ke medium air yang memiliki indeks bias n2. Menurut Hukum Snellius tentang pembiasan:
1. Sinar datang, garis normal, dan sinar bias, terletak pads satu hidang datar.
2. Sinar yang datang dari medium dengan indeks bias kecil ke medium dengan indeks bias yang lebih besar dibiaskan mendekati garis normal, dan sebaliknya.
3. Perbandingan nilai sinus sudut datang (sin i) terhadap sinus sudut bias (sin r) dari satu medium ke medium lainnya selalu tetap. Perbandingan ini disebut sehagai indeks bias relatif suatu medium terhadap medium lain. Secara matematis Hukum Snellius dapat dirumuskansebagai berikut:

n1 sin⁡ i = n2 sin⁡ r

atau

n2 /n1 = sin⁡ i / sin ⁡r

Dengan n1 adalah indeks bias medium pertama, n2 adalah indeks bias medium kedua, I adalah sudut dating, dan r adalah sudut bias. Adapun n21 adalah indeks bias relative medium 2 terhadap medium 1. Indeks bias mutlak didefinisikan sebagai berikut:

n= c/v

Dengan :
C = laju cahaya di ruang hampa
V = laju cahaya dalam suatu medium
Indeks bias mutlak ruang hampa (n1 = 1) ke dalam air (n2), indeks bias n2 menjadi indeks bias mutlak dan dituliskan sebagai berikut:
n2= sin⁡ i / sin ⁡r

gambar:gelombang bias a.jpg

Gambar (a) menunjukkan gelombang air merambat dari satu medium menuju ke medium lain setelah melewati bidang batas antara kedua medium, gelombang tersebut mengalami pembelokan. Pada peristiwa tersebut terjadi perubahan arah rambat gelombang dan panjang gelombang λ2 lebih pendek dari pada λ1.

gambar:gelombang bias b.jpg

Gambar (b) menunjukkan adanya perubahan kecepatan gelombang. Gelombang merambat dari medium yang memiliki indeks bias n1 ke medium lain dengan indeks bias n2.


Keterangan :
(a) Perubahan panjang gelombang, λ2 lebih pendek dari pada λ1.
(b) Perubahan kecepatan gelombang, v2 lebih kecil dari pada v1.

Dari kedua gambar tersebut diturunkan persamaan pembiasan gelombang sebagai berikut:


sin⁡i/sin⁡r  = v1/v2 = (fλ1)/(fλ2 )= λ12

Dari satu medium ke medium lainnya, frekuensi gelombang tetap. Jadi yang mengalami perubahan adalah kecepatan dan panjang gelombang

Pemantulan Sempurna

gambar:pemantulan sempurna.jpg

Pemantulan sempurna dapat terjadi jika sinar datang dari medium rapat ke medium kurang rapat (udara), dan sudut dating melampaui sudut kritisnya.
Penerapan hukum snellius pada pemantulan sempurna memenuhi persamaan seperti dibawah ini, dengan mengetahui perbandingan indeks bias mutlak n1 dan n2 , sudut kritis cahaya dari suatu medium dapat ditentukan.
n2 sin⁡ ik= n1 sin⁡ r,dengan r =900 sehingga n2 sin⁡ ik = n1

sin ik= n1/n2

Secara umum sifat – sifat gelombang adalah:
1) Dapat mengalami pemantulan atau refleksi;
2) Dapat mengalami pembiasan atau refraksi;
3) Dapat mengalami superposisi atau interferensi;
4) Dapat mengalami lenturan atau difraksi, dan;
5) Dapat mengalami pengutuban atau polarisasi.

c. Interferensi Gelombang

gambar:interferensi gelombang.jpg

Keterangan:
(a) Dua Gelombang Sefase
(b) Dua gelombang berlawanan fase

Dua gelombang disebut .sefase. jika kedua gelombang tersebut memiliki frekuensi sama dan pada setiap saat yang sama memiliki arah simpangan yang sama pula. Adapun dua gelombang disebut berlawanan fase, jika kedua gelombang tersebut memiliki frekuensi sama, dan pada setiap seal yang sama memiliki arah simpangan yang berlawanan.
Untuk mengamati interterensi dari dua buah gelombang dapat digunakan sebuah tangki rink (ripple tank). Pertemuan kedua gelombang akan mengalami inter¬ferensi..lika pertemunan kedua gelombang saling menguatkan, disebut interf reusi maksimum atau interferensi konstruktif. Peristiwa ini terjadi jika pada titik pertemuan tersebut kedua gelombang sefase. Akan tetapi, jika pertemuan gelombang saling melemahkan, disebut interferensi minimum atau interferensi destruktif. Peristiwa ini terjadi jika pada titik pertemuan tersebut kedua gelombangnya berlawanan fase.
Jika dua gelombang sefase dan dua gelombang berlawanan fase mengalami interferensi, akan didapatkan seperti gambar dibawah ini:

gambar:interferensi.jpg

Keterangan:
(a) Interferensi maksimum dua gelombang sefase
(b) Interferensi minimum dua gelombang berlawanan fase

d. Difraksi gelombang

gambar:Difraksi Gelombang.jpg

Peristiwa difraksi atau lenturan dapat terjadi jika sebuah gelombang melewati sebuah penghalang atau melewati sebuah celah sempit. Pada suatu medium yang serba sama, gelombang akan merambat lurus. Akan tetapi, jika pada medium tersebut gelomhang terhalangi, bentuk dan arah perambatannya dapat berubah.
Perhatikan Gambar diatas. Sebuah gelombang pada permukaan air merambat lurus. Kernudian, gelombang tersebut terhalang oleh sebuah penghalang yang memiliki sebuah celah sempit. Gelombang akan merambat melewati celah sempit tersebut. Celah sempit seolah-olah merupakan sumber gelomhang baru. Oleh karena itu. setelah melewati celah sempit gelombang akan merambat membentuk Imgkaran-lingkaran dengan celah sempit tersebut sebagai pusatnya.

e. Dispersi Gelombang

gambar:dispersi gelombang.jpg

Perubahan bentuk gelombang ketika melewati suatu medium disebut disperse gelombang.
Gelombang longitudinal, seperti gelombang bunyi, kecil sekali mengalami disperse atau bahkan tidak sama sekali. Sifat inilah yang digunakan dalam pencitraan dengan mengunakan USG (Ultra Sonografi).
Gelombang cahaya mengalami disperse. Dengan sifat disperse gelombang cahaya pada prisma, kita dapat menentukan lebar spektrum matahari. Misalkan cahaya polikromatik (cahaya matahari) dilewatkan pada prisma dengan indeks bias n2 dalam medium berindeks bias n1, dan sudut pembias β seperti pada gambar dibawah ini.

Besar sudut yang dibentuk antara sinar yang masuk ke prisma dan yang keluar prisma disebutsudut deviasi, yang besarnya dapat ditulis sebagai berikut:

D=i+r’- β

Keterangan:
β = sudut pembias prisma
i = besar sudut cahaya dating ke prisma
r’ = besar sudut cahaya saat meninggalkan prisma

Dengan menggunaka hukum Snellius, kita dapat menghitung sudut deviasi minimum sebagai berikut:

Dm=2i-β

Bila sudut pembias lebih besar dari 150 (β > 150) besar sudut deviasi minimum n1 sin ((Dm+ β))/2= n_2 sin⁡(β/2)
Bila sudut pembias lebih kecil dari 150 (β < 150) maka

Dm =(n2/n1 – 1)β
Keterangan:
n1 = indeks bias medium di sekitar prisma, bila udara n = 1
n2 = indeks bias prisma
Dm = sudut deviasi minimum (derajat)

Sudut Dispersi

Bila cahaya putih (polikromatik) atau cahaya matahari melewati suatu prisma maka cahaya yang keluar dari prisma berupa spektrum cahaya matahari yang terdiri atas warna merah, jingga, kuning, hijau, biru, nilla, dan ungu. Penguraian warna polikromatik menjadi warna monokromatik yang disebabkan oleh perbedaan cepat rambat dari masing – masing warna disebut dengan disperse. Setiap warna cahaya memiliki sududt deviasi minimum masing – masing.
Selisih deviasi warna ungu dengan warna merah disebut sudut dispersi. Jadi, lebar sudut disperse atau lebar spectrum matahari dapat dinyatakan sebagai berikut:

φ= (nμ- 1)β – (nm- 1)β atau
φ= (nμ- nm )β

Dengan:
nµ = indeks bias sinar ungu
nm = indeks bias sinar merah
φ = sudut disperse
β = sudut pembias prisma

f. Polarisasi Gelombang

Gelombang yang hanya merambat pada satu bidang disebut gelombang terpolarisasi linier, sedangkan gelombang yang merambat tidak pada satu bidang disebut gelombang takterpolarisasi.

gambar:polarisasi gelombang.jpg

Keterangan :


(a) Gelombang terpolarisasi linier pada arah vertical

(b) Gelombang terpolarisasi linier pada arah horizontal
(c) Gelombang takterpolarisasi
Gelombang cahaya terpolarisasi adalah gelombang cahaya yang getarannya hanya dalam satu bidang, proses untuk mengubah cahaya takterpolarisasi menjadi cahaya terpolarisasi dikenal sebagai polarisasi.

Leave a Comment more...

GELOMBANG BUNYI

Posted by keep.crazy in Dec 14, 2010, under Uncategorized

Sebagaimana gelombang berdiri pada dawai, gelombang bunyi berdiri bisa terjadi jika memenuhi beberapa kondisi berikut. Pertama, gelombang gelombang bunyi merambat pada arah yang berlawanan. Mengapa arahnya harus berlawanan ? dipikirkan ya… Gelombang gelombang bunyi tersebut selanjutnya saling berinterferensi. Kedua, frekuensi gelombang gelombang bunyi yang berinterferensi harus sama dengan frekuensi alami kolom udara. Jika frekuensinya tidak sama maka gelombang berdiri tidak akan pernah dihasilkan. Dalam hal ini gelombang bunyi yang berinterferensi akan saling melenyapkan atau menghasilkan pola yang kacau. Nah, frekuensi di mana gelombang bunyi berdiri dihasilkan dikenal dengan julukan frekuensi resonansi. Kita juga bisa menyebutnya frekuensi gelombang bunyi berdiri… Btw, mengapa disebut frekuensi resonansi ? Silahkan baca pembahasan mengenai resonansi biar paham.. Frekuensi resonansi atau frekuensi gelombang bunyi berdiri bergantung pada bagaimana bentuk kedua ujung pipa atau tabung di mana kolom udara berada… gurumuda bahas satu per satu

Kita andaikan kondisinya seperti pada gambar di bawah. Kedua ujung pipa tertutup. Ujung kiri pipa bisa digerakkan sedangkan ujung kanan pipa tidak bisa digerakkan.

Jika ujung kiri pipa digerakkan maju mundur maka ujung pipa tersebut akan mendorong molekul udara yang berada di sisi dalamnya. Molekul udara selanjutnya mendorong temannya yaang berada di sebelah kanan… temannya mendorong temannya ;) demikian seterusnya sehingga timbul rapatan dan regangan yang merambat ke kanan sepanjang kolom udara dalam pipa. Sulit berimajinasi ? coba usahakan perlahan-lahan untuk berimajinasi ya… gurumuda belum punya animasi untuk membantu menjelaskan ini… (ke depannya akan dibuatkan animasi)

Karena ujung kanan pipa tertutup maka gelombang bunyi akan dipantulkan ke kiri. Nah, jika ujung kiri pipa terus digerakkan maka akan ada gelombang bunyi yang merambat dalam dua arah, yakni gelombang yang merambat ke kanan dan gelombang pantul yang merambat ke kiri. Kedua gelombang ini selanjutnya saling berinterferensi…  jika frekuensi gelombang gelombang bunyi yang saling berinterferensi sama dengan frekuensi resonansi maka akan dihasilkan gelombang bunyi berdiri…

Frekuensi resonansi atau frekuensi gelombang bunyi berdiri bisa kita tentukan dengan meninjau keterkaitan antara panjang gelombang bunyi berdiri dan panjang kolom udara. Kasus ini mirip seperti gelombang berdiri pada dawai, di mana kedua ujung dawai terikat.

Kedua ujung pipa tertutup karenanya kedua ujung dawai tersebut berperan sebagai titik simpul simpangan (node). Dengan demikian gelombang bunyi berdiri yang dihasilkan harus mempunyai titik simpul di kedua ujung pipa tersebut. Sebagaimana telah dijelaskan dalam pembahasan  mengenai gelombang berdiri pada dawai, jarak antara dua titik simpul terdekat adalah setengah panjang gelombang (1/2 lambda). Dengan demikian panjang pipa harus sama dengan 1/2 lambda atau 2 (1/2 lambda) atau 3 (1/2 lambda) dst… Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Untuk menentukan panjang gelombang, persamaan di atas bisa diobok2 seperti ini :

Dalam pembahasan mengenai laju gelombang, kita sudah menurunkan persamaan yang menyatakan hubungan antara laju gelombang (v), frekuensi (f) dan panjang gelombang (lambda). Secara matematis ditulis seperti ini :

Sekarang kita masukan persamaan panjang gelombang di atas ke dalam persamaan ini :

Keterangan :

v = laju gelombang bunyi

f = frekuensi resonansi = frekuensi gelombang berdiri.

f1 = frekuensi dasar

L = panjang pipa

n = bilangan bulat kelipatan 1 (1, 2, 3, 4, 5, dstnya…)

Gambar animasi di bawah merupakan mode normal berupa simpangan alias pergeseran molekul udara. N (node) = Titik simpul simpangan, A (antinode) = Titik perut simpangan.

Frekuensi dasar (f1) dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai satu perut simpangan. Dikenal juga dengan julukan harmoni pertama atau harmoni dasar atau nada dasar.

f2 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai dua perut simpangan. Dikenal dengan julukan harmoni kedua atau nada atas kedua.

F3 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai tiga perut simpangan. Dikenal juga dengan julukan harmoni ketiga atau nada atas ketiga.

F4 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai empat perut simpangan. Dikenal dengan julukan harmoni keempat atau nada atas keempat.

F5 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai lima perut simpangan. Dikenal dengan julukan harmoni kelima atau nada atas kelima.

Dan seterusnya….

Disebut harmoni karena nada tambahannya merupakan kelipatan bilangan bulat (n = 1, 2, 3, 4,…). Jika nada tambahannya bukan merupakan bilangan bulat maka istilah harmoni tidak bisa digunakan. Gambarnya hanya lima, bukan berarti hanya lima frekuensi yang bisa dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri… banyak frekuensi… bahasa malasnya dan seterusnya ;)

Biasanya kita menggambarkan gelombang bunyi dalam bentuk rapatan dan regangan. Rapatan dan regangan ini terjadi akibat adanya simpangan medium (misalnya molekul-molekul udara) dari posisi setimbangnya. Perubahan simpangan medium yang dilalui oleh gelombang bunyi biasanya dinyatakan dalam bentuk grafik. Digambarkan dalam bentuk grafik hanya untuk mempermudah pemahaman saja… lebih sulit jika gelombang bunyi berdiri digambarkan dalam bentuk rapatan dan regangan. Jadi gambar mode normal gelombang berdiri di atas sebenarnya merupakan grafik simpangan… Bagaimana membaca grafik simpangan gelombang bunyi berdiri di atas ? Huft… bingun ngun… Cara membaca grafik simpangan sudah dijelaskan pada bagian pengantar gelombang bunyi, silahkan meluncur ke tkp…

Ketika perut simpangan bergerak ke atas, bayangkan saja molekul-molekul udara sedang berbondong-bondong ;) menyimpang ke kanan. Sebaliknya ketika perut simpangan bergerak ke bawah, bayangkan saja molekul-molekul udara sedang berbondong-bondong menyimpang ke kiri. Puncak perut simpangan mewakili posisi molekul molekul udara ketika berada pada simpangan maksimum di sebelah kanan posisi setimbang, sebaliknya lembah perut simpangan mewakili posisi molekul udara ketika berada pada simpangan maksimum di sebelah kiri posisi setimbang. Posisi setimbang dari molekul-molekul udara ditunjukkan oleh tanda panah anti node. Ketika molekul-molekul udara menyimpang ke kanan hingga mencapai posisi yang ditunjukkan oleh titik simpul (node), perut simpangan bergerak ke atas hingga mencapai puncak. Ketika molekul-molekul udara menyimpang ke kiri hingga mencapai posisi yang ditunjukkan oleh titik simpul (node), perut simpangan bergerak ke bawah hingga mencapai lembah. Jadi molekul-molekul udara tersebut menyimpang ke kanan, lalu menyimpang kiri, menyimpang ke kanan lagi, lalu menyimpang ke kiri lagi… Demikian seterusnya…

Bagaimana dengan titik simpul simpangan ? titik simpul simpangan mewakili posisi di mana molekul-molekul udara tidak menyimpang… jika kita kaitkan dengan rapatan dan regangan, maka titik simpul simpangan merupakan pusat rapatan dan pusat regangan. Ketika molekul-molekul udara berbondong-bodong menyimpang dari posisi setimbangnya ke kanan hingga mencapai titik simpul simpangan (pada saat yang sama perut simpangan bergerak ke atas hingga mencapai puncak), maka titik simpul simpangan di sebelah kanan menjadi pusat rapatan. Ketika molekul molekul udara  berbondong-bondong kembali ke kiri hingga mencapai posisi setimbangnya, titik simpul simpangan di sebelah kanan berubah menjadi pusat regangan. Ketika molekul-molekul udara berbondong-bodong menyimpang dari posisi setimbangnya ke kiri hingga mencapai titik simpul simpangan (pada saat yang sama perut  simpangan bergerak ke bawah hingga mencapai lembah), maka titik simpul simpangan di sebelah kiri menjadi pusat rapatan. Ketika molekul molekul udara  berbondong-bondong kembali ke kanan hingga mencapai posisi setimbangnya, titik simpul simpangan di sebelah kiri berubah menjadi pusat regangan. Jadi titik simpul simpangan bisa berubah menjadi pusat rapatan, bisa juga berubah menjadi pusat regangan. Ini tergantung pada arah simpangan alias arah pergeseran molekul molekul udara, sebagaimana telah dijelaskan sebelumnya.

Jika dinyatakan dalam gambar diam maka grafik simpangan gelombang bunyi berdiri pada gambar animasi di atas tampak seperti pada gambar di bawah…

Frekuensi dasar (f1) dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai satu perut simpangan. Dikenal juga dengan julukan harmoni pertama atau harmoni dasar atau nada dasar.

f2 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai dua perut simpangan. Dikenal dengan julukan harmoni kedua atau nada atas kedua.

F3 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai tiga perut simpangan. Dikenal juga dengan julukan harmoni ketiga atau nada atas ketiga.

F4 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai empat perut simpangan. Dikenal dengan julukan harmoni keempat atau nada atas keempat.

F5 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai lima perut simpangan. Dikenal dengan julukan harmoni kelima atau nada atas kelima.

Dan seterusnya….

Selain bisa meninjau gelombang bunyi dalam bentuk rapatan dan regangan (simpangan molekul), kita juga bisa meninjau gelombang bunyi dari sudut pandang tekanan. Perubahan tekanan medium yang dilalui oleh gelombang bunyi juga biasa dinyatakan dalam grafik tekanan. Nah, berikut ini merupakan mode normal gelombang bunyi berdiri (kedua ujung pipa tertutup) yang digambarkan dalam bentuk grafik tekanan. N (node) = Titik simpul tekanan, A (antinode) = Titik perut tekanan.

Frekuensi dasar (f1) dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai satu simpul tekanan. Dikenal juga dengan julukan harmoni pertama atau harmoni dasar atau nada dasar.

f2 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai dua simpul tekanan. Dikenal dengan julukan harmoni kedua atau nada atas kedua.

F3 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai tiga simpul tekanan. Dikenal juga dengan julukan harmoni ketiga atau nada atas ketiga.

F4 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai empat simpul tekanan. Dikenal dengan julukan harmoni keempat atau nada atas keempat.

F5 dihasilkan oleh gelombang bunyi berdiri yang mempunyai lima simpul tekanan. Dikenal dengan julukan harmoni kelima atau nada atas kelima.

Dan seterusnya….

Bagaimana membaca grafik tekanan gelombang bunyi berdiri di atas ? Grafik tekanan di atas tampak diam… Untuk mempermudah pemahamanmu, bayangkan saja grafik tekanan ini sedang bergerak seperti gambar animasi grafik simpangan sebelumnya.

Ketika perut tekanan bergerak ke atas hingga mencapai puncak, bayangkan saja molekul-molekul udara di samping kiri dan samping kanan titik perut tekanan (posisi titik perut tekanan ditunjuk oleh tanda panah anti node) saling mendekati. Dalam hal ini, molekul molekul udara di sebelah kiri titik perut tekanan bergerak ke kanan dan/atau molekul molekul udara di sebelah kanan titik perut tekanan bergerak ke kiri (terjadi perapatan). Pusat rapatan tepat berada pada titik perut tekanan (ketika titik perut tekanan berada di puncak). Ketika terjadi perapatan, tekanan udara menjadi lebih besar dari tekanan udara normal. Tepat pada pusat rapatan (ketika titik perut tekanan berada di puncak), tekanan udara bernilai maksimum.

Sebaliknya ketika perut tekanan bergerak ke bawah hingga mencapai lembah, bayangkan saja molekul-molekul udara pada samping kiri dan samping kanan titik perut tekanan saling menjahui. Dalam hal ini, molekul molekul udara dari sebelah kiri titik perut tekanan bergerak kembali ke kiri dan/atau molekul molekul udara dari sebelah kanan titik perut tekanan bergerak kembali ke kanan (terjadi peregangan). Pusat regangan tepat berada pada titik perut tekanan (ketika titik perut tekanan berada di lembah). Ketika terjadi peregangan, tekanan udara menjadi lebih kecil dari tekanan udara normal. Tepat pada pusat regangan (ketika titik perut tekanan berada di lembah), tekanan udara bernilai minimum. Jadi pada titik perut tekanan, tekanan udara selalu berubah ubah, dari maksimum menjadi minimum, minimum menjadi maksumum. Dan seterusnya…

Bagaimana dengan titik simpul tekanan ? pada titik simpul tekanan, molekul molekul udara tidak mengalami perapatan dan peregangan. Dengan kata lain, pada titik simpul tekanan, molekul molekul udara berada pada simpangan maksimum, baik di sebelah kiri posisi setimbangnya maupun di sebelah kanan posisi setimbangnya. Jika kita kaitkan grafik tekanan dengan grafik simpangan maka titik simpul tekanan = titik perut simpangan (terdapat dua kondisi, pertama perut simpangan berada di puncak; kedua, perut simpangan berada di lembah). Pahami keterkaitannya perlahan-lahan… karena tidak terjadi perapatan dan peregangan maka pada titik simpul tekanan, tekanan udara = tekanan udara normal.

Salah satu ujung pipa terbuka, sedangkan ujung pipa lainnya tertutup

Sekarang kita bahas gelombang bunyi berdiri dalam pipa atau tabung di mana salah satu ujungnya terbuka sedangkan ujung lainnya tertutup. Kita andaikan kondisinya seperti pada gambar di bawah. Ujung kiri pipa tertutup tapi bisa digerakkan sedangkan ujung kanan pipa terbuka.

Ada yang aneh dengan gambar ini ? menurutmu bentuk tabung atau pipa seperti ini bisa menghasilkan gelombang bunyi berdiri atau tidak ? tidak bisa duNK :mrgreen: Bagaimana gelombang bunyi bisa dipantulkan kalau ujungnya terbuka seperti itu ;) Gelombang bunyi berdiri bisa dihasilkan hanya jika ada gelombang pantulan (ada gelombang – gelombang bunyi yang berlawanan arah). Bagaimana jika gambarnya kita balik, seperti di bawah. Btw, kali ini ujung pipa atau tabung yang tertutup tidak bisa digerakkan.

Nah, bagaimana menghasilkan gelombang bunyi berdiri untuk kasus seperti ini ? yupz… kita bisa menggunakan alat yang bisa menghasilkan gelombang bunyi, misalnya garputala. Garputala diletakkan di ujung tabung yang terbuka, lalu digetarkan sehingga gelombang bunyi merambat ke dalam kolom udara…. Karena ujung kanan pipa tertutup maka gelombang bunyi akan dipantulkan ke kiri. Adanya dua gelombang bunyi yang merambat dalam arah yang berlawanan maka akan terjadi interferensi sehingga timbul gelombang bunyi berdiri dalam kolom udara. Agar bisa timbul gelombang berdiri maka frekuensi kedua gelombang bunyi yang tumpeng tindih ;) harus sama dengan frekuensi alami kolom udara alias frekuensi resonansi alias frekuensi gelombang bunyi berdiri. Besarnya frekuensi resonansi akan diobok2 kemudian… yang pasti bahwa frekuensi resonansi untuk kasus ini (satu ujung pipa terbuka, satu ujung pipa tertutup) tidak sama seperti sebelumnya (kedua ujung pipa tertutup)…

Kita juga bisa menggunakan cara lain, misalnya dengan meniup ujung tabung yang terbuka. Btw, jika ditiup maka ujung pipa tidak terbuka seperti di atas. Harus ada sekatnya dan terdapat lubang pada sudut kiri atas… katanya seperti pipa organa tertutup. btw, diriku juga belum pernah melihat secara langsung pipa organa seperti apa :mrgreen: daripada mengarang indah ;) langsung ke sasaran saja…

Sekarang kita oprek persamaan frekuensi gelombang berdiri untuk kasus di mana salah satu ujung pipa terbuka (ujung kiri terbuka), sedangkan ujung lainnya tertutup (ujung kanan tertutup). Agar bisa terjadi gelombang berdiri maka ujung pipa yang tertutup harus berperan sebagai titik simpul simpangan (node), sebaliknya ujung pipa terbuka berperan sebagai titik perut simpangan (anti node). Nah, jarak minimum antara titik simpul dan titik perut sebuah gelombang berdiri adalah 1/4 panjang gelombang (1/4 lambda), karenanya gelombang berdiri bisa terjadi jika panjang kolom udara atau panjang pipa minimal harus sama dengan 1/4 lambda. Nyambung ya ?

Jarak antara dua titik perut berurutan atau jarak antara dua titik simpul berurutan adalah 1/2 lambda (mengenai hal ini sudah dibahas sebelumnya). Dengan demikian, gelombang berdiri terjadi jika panjang kolom udara sama dengan :

= 1/4 lambda, 1/4 lambda + 1/2 lambda, 1/4 lambda + 2(1/2) lambda, 1/4 lambda  + 3(1/2) lambda, 1/4 lambda + 4(1/2) lambda, dan seterusnya…

= 1/4 lambda, 1/4 lambda + 2/4 lambda, 1/4 lambda + 4/4 lambda, 1/4 lambda  + 6/4 lambda, 1/4 lambda + 8/4 lambda, dan seterusnya…

= 1/4 lambda, 3/4 lambda, 5/4 lambda, 7/4 lambda, 9/4 lambda, dan seterusnya…

Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Untuk menentukan panjang gelombang bunyi, persamaan di atas bisa diobok2 seperti ini :

Sekarang kita masukan persamaan panjang gelombang bunyi di atas ke dalam persamaan ini :

Keterangan :

v = laju gelombang bunyi

f = frekuensi resonansi alias frekuensi gelombang bunyi berdiri

f1 = frekuensi dasar

L = panjang kolom udara atau panjang pipa

n = bilangan bulat ganjil (1, 3, 5, 7, 9,…)

Gambar di bawah menunjukkan beberapa mode normal gelombang bunyi berdiri berupa simpangan alias pergeseran molekul udara pada pipa yang salah satu ujungnya tertutup sedangkan ujung lainnya terbuka.

Dan seterusnya….

Cara baca grafik simpangan ini bagaimanakah ? ;) sebelumnya sudah dijelaskan… Pada dasarnya sama saja. Lalu untuk grafik tekanan, tinggal dibalik saja.. posisi titik perut pada grafik simpangan sama dengan posisi titik simpul pada grafik tekanan.  Atau sebaliknya posisi titik simpul pada grafik simpangan sama dengan posisi titik perut pada grafik tekanan (bandingkan dengan grafik simpangan dan grafik tekanan gelombang bunyi berdiri pada kedua pipa yang ujungnya tertutup).

Kedua ujung pipa terbuka

Sekarang kita bahas gelombang bunyi berdiri dalam pipa atau tabung di mana kedua ujungnya terbuka. Contohnya pipa organa terbuka, fluit, rekorder..

Agar bisa timbul gelombang bunyi berdiri maka kedua ujung pipa yang terbuka harus berperan sebagai titik perut simpangan (anti node). Nah, jarak minimum antara dua titik perut berurutan adalah 1/2 panjang gelombang (1/2 lambda) karenanya gelombang bunyi berdiri bisa terjadi jika panjang kolom udara atau panjang pipa minimal sama dengan 1/2 lambda.

Kedua ujung pipa terbuka karenanya kedua ujung pipa tersebut berperan sebagai titik perut simpangan (anti node). Dengan demikian gelombang bunyi berdiri yang dihasilkan harus mempunyai titik perut simpangan di kedua ujung pipa tersebut. Sebagaimana telah dijelaskan dalam pembahasan  mengenai gelombang berdiri pada dawai, jarak antara dua titik perut terdekat adalah setengah panjang gelombang (1/2 lambda). Dengan demikian agar bisa terjadi gelombang berdiri maka panjang pipa harus sama dengan 1/2 lambda atau 2 (1/2 lambda) atau 3 (1/2 lambda) dst… Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Untuk menentukan panjang gelombang, persamaan di atas bisa diobok2 seperti ini :

Dalam pembahasan mengenai laju gelombang, kita sudah menurunkan persamaan yang menyatakan hubungan antara laju gelombang (v), frekuensi (f) dan panjang gelombang (lambda). Secara matematis ditulis seperti ini :

Sekarang kita masukan persamaan panjang gelombang di atas ke dalam persamaan ini :

Keterangan :

v = laju gelombang bunyi

f = frekuensi resonansi = frekuensi gelombang bunyi berdiri.

f1 = frekuensi dasar

L = panjang pipa

n = bilangan bulat kelipatan 1 (1, 2, 3, 4, 5, dstnya…)

Jadi frekuensi gelombang bunyi berdiri pada pipa yang kedua ujungnya terbuka sama dengan frekuensi gelombang berdiri pada kedua pipa yang ujungnya tertutup.

Dan seterusnya…

Untuk grafik tekanan, tinggal dibalik saja.. posisi titik perut pada grafik simpangan sama dengan posisi titik simpul pada grafik tekanan.  Atau sebaliknya posisi titik simpul pada grafik simpangan sama dengan posisi titik perut pada grafik tekanan (bandingkan dengan grafik simpangan dan grafik tekanan gelombang bunyi berdiri pada kedua pipa yang ujungnya tertutup).

Leave a Comment more...

gelombang berjalan gelombang stasioner

Posted by keep.crazy in Dec 14, 2010, under Uncategorized

a. Gelombang Berjalan

Amplitudo pada tali yang digetarkan terus menerus akan selalu tetap, oleh karenanya gelombang yang memiliki amplitudo yang tetap setiap saat disebut gelombang berjalan.
Misalkan seutas tali kita getarkan ke atas dan ke bawah berulang-ulang seperti pada Gambar disamping ini. Titik P berjarak x dart titik 0 (sumber getar), Ketika titik 0 bergetar maka getaran tersebut merambat hingga ke titik P,Waktu yang diperlukan oleh gelombang untuk merambat dari titik o ke titik P adalah x / v dengan demikian bila titik 0 telah bergetar selama t detik maka titik p telah bergetar selama tP dengan
tp= t- x/v
Berdasarkan uraian diatas maka akan didapatkan persamaan simpangan gelombang, sebagai berikut:
y=A sin⁡ 2π/T t

gambar:gel berjalan pada tali.jpg

Persamaan simpangan di titik P dapat diperoleh dengan mengganti nilai t dengan tp sehingga kita dapatkan hubungan berikut.

yp = A sin⁡ 2π/T (t- x/v)

A = amplitudo gelombang (m)
T = periode gelombang (s)
t = lamanya titik 0 (sumber getar) bergetar (s)
x = jarak titik P dari sumber getar (m)
v = cepat rambat gelombang (m/s)
yp= simpangan di titik P (m)

dalam hal ini gelombang memiliki dua kemungkinan dalam arah rambatannya, oleh karenanya perlu diperhatikan langkah sebagai berikut:

  • Apabila gelombang merambat ke kanan dan titik asal 0 bergetar ke atas maka persamaan simpangan titik P yang digunakan adalah:

yp = A sin⁡2π/T (t- x/v)

  • Apabila gelombang merambat ke kiri dan titik asal 0 bergetar ke bawah maka persamaan simpangan titik P yang digunakan adalah:

yp = – A sin⁡ 2π/T (t- x/v)


Fase di definisikan sebagai perbandingan antara waktu sesaat untuk meninggalkan titik keseimbang (titik 0) dan periode. Dengan demikian fase gelombang dititik P dapat ditulis sebagai berikut:

φ= tp/T
= (t- x/v)/T                                            φp = t/T -  x/λ
= t/T- x/vT

Sehingga dihasilkan :
Sedangkan untuk mengukur besarnya sudut fase di titik P dapat dituliskan sebagai berikut:

θp = 2π φ_p
=2π (t/T- x/λ)

Beda fase antara dua titik yang berjarak X2 dan X1 dari sumber getar dapat dituliskan sebagai berikut:

Δφ  = ( x2 - x1)/λ
Δφ  =  ∆x/λ

Nilai kecepatan dan percepatan gelombang di suatu titik dapat diketahui dengan menurunkan persamaan keduanya, sebagai berikut:

vp = 2π/T A cos⁡ 2π/T (t- x/v)

ap= – (4π2)/T2 A cos⁡ 2π/T (t- x/v)
Keterangan:
vp = kecepatan partikel di titik p (m/s)
ap = percepatan partikel di titik p (m/s2)


Contoh soal:

Suatu gelombang berjalan memiliki persamaan y = 10 sin (0,8πt – 0,5;t) dengan y dalam cm dan t dalam detik. Tentukanlah kecepatan dan percepatan maksimumnya!
Pembahasan:
y=10sin⁡(0,8 πt-0,5 πx)
v = dy/dt
v=(10)(0,8 π) cos⁡ (0,8 πt-0,5 πx)
nilai v maksimum bila cos⁡  (0,8 πt-0,5 πx)=1

b. Gelombang Stasioner

Adalah gelombang yang memiliki amplitudo yang berubah – ubah antara nol sampai nilai maksimum tertentu.
Gelombang stasioner dibagi menjadi dua, yaitu gelombang stasioner akibat pemantulan pada ujung terikat dan gelombang stasioner pada ujung bebas.

gambar:a.jpg gambar:b.jpg

Seutas tali yang panjangnya l kita ikat ujungnya pada satu tiang sementara ujung lainnya kita biarkan, setela itu kita goyang ujung yang bebas itu keatas dan kebawah berulang – ulang. Saat tali di gerakkan maka gelombang akan merambat dari ujung yang bebas menuju ujung yang terikat, gelombang ini disebut sebagai gelombang dating. Ketika gelombang dating tiba diujung yang terikat maka gelombang ini akan dipantulkan sehingga terjadi interferensi gelombang.
Untuk menghitung waktu yang diperlukan gelombang untuk merambat dari titik 0 ke titik P adalah (l- x)/v . sementara itu waktu yang diperlukan gelombang untuk merambat dari titik 0 menuju titik P setelah gelombang mengalami pemantulan adalah(l+x)/v , kita dapat mengambil persamaan dari gelombang dating dan gelombang pantul sebagai berikut:

y1= A sin 2π/T (t- (l-x)/v) untuk gelombang datang,

y2= A sin 2π/T (t- (l+x)/v+ 1800) untuk gelombang pantul

Keterangan:
a. Gambar pemantulan gelombang pada  ujung tali yang terikat.
b. Gambar pemantulan gelombang pada  ujung tali yang dapat bergerak bebas.

sehingga untuk hasil interferensi gelombang datang dan gelombang pantul di titik P yang berjarak x dari ujung terikat adalah sebagai berikut:
y  =  y1+ y2
=A sin⁡ 2π (t/T- (l-x)/λ)+ A sin⁡2π(t/T- (1+x)/λ+ 1800 )
Dengan menggunakan aturan sinus maka penyederhanaan rumus menjadi:
sin⁡ A + sin⁡ B = 2 sin⁡ 1/2 (A+B) – cos⁡1/2  (A-B)
Menjadi:
y= 2 A sin⁡ (2π x/λ )  cos ⁡2π  (t/T – l/λ)
y= 2 A sin⁡ kx cos⁡ (2π/T t – 2πl/λ)

Rumus interferensi

y= 2 A sin⁡ kx cos⁡ (ωt- 2πl/λ)

Keterangan :
A  = amplitude gelombang datang atau pantul (m)
k  =  2π/λ
ω  = 2π/T (rad/s)
l   = panjang tali (m)
x  = letak titik terjadinya interferensi dari ujung terikat (m)
λ  = panjang gelombang (m)
t  = waktu sesaat (s)
Ap = besar amplitude gelombang stasioner (AP)
Ap = 2 A sin kx
Jika kita perhatikan gambar pemantulan gelombang diatas , gelombang yang terbentuk adalah gelombang transversal yang memiliki bagian – bagian diantaranya perut dan simpul gelombang. Perut gelombang terjadi saat amplitudonya maksimum sedangkan simpul gelombang terjadi saat amplitudonya minimum. Dengan demikian kita akan dapat mencari letak titik yang merupakan tempat terjadinya perut atau simpul gelombang.

Tempat simpul (S) dari ujung pemantulan
S=0,1/2 λ,λ,3/2 λ,2λ,dan seterusnya
=n (1/2 λ),dengan n=0,1,2,3,….

Tempat perut (P) dari ujung pemantulan
P= 1/4 λ,3/4 λ,5/4 λ,7/4 λ,dan seterusnya
=(2n-1)[1/4 λ],dengan n=1,2,3,….

Superposisi gelombang

Jika ada dua gelombang yang merambat pada medium yang sama, gelombang-gelombang tersebut akan dating di suatu titik pada saat yang sama sehingga terjadilah superposisi gelombang . Artinya, simpangan gelombang – gelombang tersebut disetiap titik dapat dijumlahkan sehingga menghasilkan sebuah gelombang baru.
Persamaan superposisi dua gelombang tersebut dapat diturunkan sebagai berikut:
y1 = A sin⁡ ωt ; y2 = A sin⁡ (ωt+ ∆θ)
Kedua gelombang tersebut memiliki perbedaan sudut fase sebesar Δθ
Persamaan simpangan gelombang hasil superposisi kedua gelombang tersebut adalah:

y = 2 A sin⁡ (ωt+ ∆θ/2) cos⁡(∆θ/2)

Dengan 2A cos (∆θ/2) disebut sebagai amplitude gelombang hasil superposisi.
Dengan 2A cos (∆θ/2) disebut sebagai amplitude gelombang hasil superposisi.

Gelombang Stasioner Pada Ujung Bebas

gambar:gel.stasioner ujung bebas.jpg

Pada gelombang stasioner pada ujung bebas gelombang pantul tidak mengalami pembalikan fase. Persamaan gelombang di titik P dapat dituliskan seperti berikut:
y1=A sin⁡〖2π/T 〗 (t- (l-x)/v) untuk gelombang datang

y2=A sin⁡〖2π/T 〗 (t- (l+x)/v) untuk gelombang pantul

y   =  y1 + y2
=   A sin⁡ 2π/T (t- (l-x)/v) + A sin⁡ 2π/T  (t- (l+x)/v)
y =   2 A cos⁡ kx sin⁡2π(t/T- 1/λ)

Rumus interferensi antara gelombang datang dan gelombang pantul pada ujung bebas, adalah:

y=2 A cos⁡ 2π (x/λ) sin⁡2π(t/T- l/λ)

Dengan:
As=2A cos⁡2π(x/λ) disebut sebagai amplitude superposisi gelombang pada pemantulan ujung tali bebas.
Ap = 2 A cos kx adalah amplitudo gelombang stasioner.
1) Perut gelombang terjadi saat amplitudonya maksimum, yang secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:

Ap maksimum saat cos⁡〖(2π  x)/( λ)〗= ±1 sehingga
x= (2n) 1/4 λ,dengan n = 0,1,2,3,…….

.

2) Simpul gelombang terjadi saat amplitudo gelombang minimum, ditulis sebagai berikut:

Ap minimum saat cos⁡〖(2π x)/( λ)〗=0 sehingga
x= (2n +1) 1/4 λ,dengan n = 0,1,2,3,……..

Gelombang stasioner pada ujung terikat

gambar:stasioner ujung terikat.jpg

Persamaan gelombang datang dan gelombang pantul dapat ditulis sebagai berikut:

y1= A sin⁡2π (t/T- (l-x)/λ) untuk gelombang datang

y2= A sin⁡2π (t/T- (l+x)/λ) untuk gelombang pantul


Superposisi gelombang datang dan gelombang pantul di titik q akan menjadi:””
y = y1 + y2
y=A sin⁡ 2π (t/T- (l-x)/λ) – A sin⁡2π(t/(T ) – (l+x)/λ)

Dengan menggunakan aturan pengurangan sinus,
sin⁡α – sin⁡β = 2 sin⁡ 1/2  (α-β) cos⁡1/2 (α+β)
Persamaan gelombang superposisinya menjadi
y = 2 A sin⁡ 2π(x/λ) cos⁡2π (t/T- l/λ)

Amplitudo superposisi gelombangnya adalah:

As = 2A sin⁡2π(x/λ)

Dengan As adalah amplitudo gelombang superposisi pada pemantulan ujung terikat.

1) Perut gelombang terjadi saat amplitudonya maksimum,

karenanya dapat ditentukan dengan rumus sebagai berikut:
Ap=2 A sin⁡ 2π/λ x
Ap maksimum terjadi saat sin⁡ 2π/λ  x= ±1 sehingga
x= (2n+1) 1/4 λ,dengan n=0,1,2,3…….

2) Simpul gelombang terjadi saat amplitudonya minimum,

yang dapat ditulis sebagai berikut:
Ap=2 A sin⁡(2π/λ) x
Ap minimum terjadi saat sin ⁡2π/λ x = 0 sehingga
x = (2n) 1/4 λ,dengan n=0,1,2,3,…..
Contoh soal :
Seutas tali panjangnya 5 m dengan ujung ikatannya dapat bergerak dan ujung lainnya digetarkan dengan frekuensi 8 Hz sehingga gelombang merambat dengan kelajuan 3 ms-1. Jika diketahui amplitude gelombang 10 cm, tentukanlah:
Persamaan simpangan superposisi gelombang di titik P yang berjarak 1 meter dari ujung pemantulan.
Amplitude superposisi gelombang di titik P; dan
Letak perut gelombang diukur dari ujung pemantulan.
Penyelesaian:
Diketahui : l = 5 m; f= 8 Hz; v = 3 ms-1; A=10cm = 0,1 m;
λ= v/(f )= 3/(8 ) m,dan T=1/f=1/8 s
a. Persamaan simpangan di titik P, satu meter dari ujung pemantulan.
y     =    2 A cos⁡ 2π(x/λ) sin⁡ 2π (t/T-l/λ)
=    2(0,1) cos⁡2π(1/(3/8)) sin⁡2π(t/(1/8)- 5/(3/8))
=    0,2cos⁡〖16π/3〗 sin(16 πt-80π/3)meter
b. Amplitudo superposisi gelombang di titik P ( x = 1m).
As = 2 A cos⁡ 2π (x/λ)  = 2 (0,1) cos⁡2π(1/(3/8))
= 0,2cos⁡ (16π/3)     = 0,2 cos⁡(4 4/3 π)
= 0,2cos⁡(4/3 π)      = 0,2 cos⁡ 2400 = 0,2(-1/2) = -0.1 m
tanda (–)menunjukkan di titik P simpangannya ke bawah.

c.  Letak perut gelombang dari ujung pemantulan.
x= (2n) 1/4 λ,dengan n=0,1,2,3…
x= 3/32 m,x=3/16 m,x=3/8m, …..

Leave a Comment more...

GERAK HARMONIK SEDERHANA

Posted by keep.crazy in Dec 13, 2010, under Uncategorized

GERAK HARMONIK

Setiap gerak yang terjadi secara berulang dalam selang waktu yang sama disebut gerak periodik. Karena gerak ini terjadi secara teratur maka disebut juga sebagai gerak harmonik/harmonis. Apabila suatu partikel melakukan gerak periodik pada lintasan yang sama maka geraknya disebut gerak osilasi/getaran. Bentuk yang sederhana dari gerak periodik adalah benda yang berosilasi pada ujung pegas. Karenanya kita menyebutnya gerak harmonis sederhana. Banyak jenis gerak lain (osilasi dawai, roda keseimbangan arloji, atom dalam molekul, dan sebagainya) yang mirip dengan jenis gerakan ini, sehingga pada kesempatan ini kita akan membahasnya secara mendetail.

Dalam kehidupan sehari-hari, gerak bolak balik benda yang bergetar terjadi tidak tepat sama karena pengaruh gaya gesekan. Ketika kita memainkan gitar, senar gitar tersebut akan berhenti bergetar apabila kita menghentikan petikan. Demikian juga bandul yang berhenti berayun jika tidak digerakan secara berulang. Hal ini disebabkan karena adanya gaya gesekan. Gaya gesekan menyebabkan benda-benda tersebut berhenti berosilasi. Jenis getaran seperti ini disebut getaran harmonik teredam. Walaupun kita tidak dapat menghindari gesekan, kita dapat meniadakan efek redaman dengan menambahkan energi ke dalam sistem yang berosilasi untuk mengisi kembali energi yang hilang akibat gesekan, salah satu contohnya adalah pegas dalam arloji yang sering kita pakai. Pada kesempatan ini kita hanya membahas gerak harmonik sederhana secara mendetail, karena dalam kehidupan sehari-hari terdapat banyak jenis gerak yang menyerupai sistem ini.

Gerak harmonis sederhana yang dapat dijumpai dalam kehidupan sehari-hari adalah getaran benda pada pegas dan getaran benda pada ayunan sederhana. Kita akan mempelajarinya satu persatu.

Gerak Harmonis Sederhana pada Ayunan

Ketika beban digantungkan pada ayunan dan tidak diberikan gaya maka benda akan diam di titik kesetimbangan B. Jika beban ditarik ke titik A dan dilepaskan, maka beban akan bergerak ke B, C, lalu kembali lagi ke A. Gerakan beban akan terjadi berulang secara periodik, dengan kata lain beban pada ayunan di atas melakukan gerak harmonik sederhana.

Besaran fisika pada Gerak Harmonik Sederhana pada ayunan sederhana

Periode (T)

Benda yang bergerak harmonis sederhana pada ayunan sederhana memiliki periode alias waktu yang dibutuhkan benda untuk melakukan satu getaran secara lengkap. Benda melakukan getaran secara lengkap apabila benda mulai bergerak dari titik di mana benda tersebut dilepaskan dan kembali lagi ke titik tersebut.

Pada contoh di atas, benda mulai bergerak dari titik A lalu ke titik B, titik C dan kembali lagi ke B dan A. Urutannya adalah A-B-C-B-A. Seandainya benda dilepaskan dari titik C maka urutan gerakannya adalah C-B-A-B-C.

Jadi periode ayunan (T) adalah waktu yang diperlukan benda untuk melakukan satu getaran (disebut satu getaran jika benda bergerak dari titik di mana benda tersebut mulai bergerak dan kembali lagi ke titik tersebut ). Satuan periode adalah sekon atau detik.

Frekuensi (f)

Selain periode, terdapat juga frekuensi alias banyaknya getaran yang dilakukan oleh benda selama satu detik. Yang dimaksudkan dengan getaran di sini adalah getaran lengkap. Satuan frekuensi adalah 1/sekon atau s-1. 1/sekon atau s-1 disebut juga hertz, menghargai seorang fisikawan. Hertz adalah nama seorang fisikawan tempo doeloe. Silahkan baca biografinya untuk mengenal almahrum eyang Hertz lebih dekat.

Hubungan antara Periode dan Frekuensi

Frekuensi adalah banyaknya getaran yang terjadi selama satu detik/sekon. Dengan demikian selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah

Selang waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran adalah periode. Dengan demikian, secara matematis hubungan antara periode dan frekuensi adalah sebagai berikut :

Amplitudo (f)

Pada ayunan sederhana, selain periode dan frekuensi, terdapat juga amplitudo. Amplitudo adalah perpindahan maksimum dari titik kesetimbangan. Pada contoh ayunan sederhana sesuai dengan gambar di atas, amplitudo getaran adalah jarak AB atau BC.

Gerak Harmonis Sederhana pada Pegas

Semua pegas memiliki panjang alami sebagaimana tampak pada gambar a. Ketika sebuah benda dihubungkan ke ujung sebuah pegas, maka pegas akan meregang (bertambah panjang) sejauh y. Pegas akan mencapai titik kesetimbangan jika tidak diberikan gaya luar (ditarik atau digoyang), sebagaimana tampak pada gambar B. Jika beban ditarik ke bawah sejauh y1 dan dilepaskan (gambar c), benda akan akan bergerak ke B, ke D lalu kembali ke B dan C. Gerakannya terjadi secara berulang dan periodik. Sekarang mari kita tinjau hubungan antara gaya dan simpangan yang dialami pegas.

Kita tinjau pegas yang dipasang horisontal, di mana pada ujung pegas tersebut dikaitkan sebuah benda bermassa m. Massa benda kita abaikan, demikian juga dengan gaya gesekan, sehingga benda meluncur pada permukaan horisontal tanpa hambatan. Terlebih dahulu kita tetapkan arah positif ke kanan dan arah negatif ke kiri. Setiap pegas memiliki panjang alami, jika pada pegas tersebut tidak diberikan gaya. Pada kedaan ini, benda yang dikaitkan pada ujung pegas berada dalam posisi setimbang (lihat gambar a). Untuk semakin memudahkan pemahaman dirimu,sebaiknya dilakukan juga percobaan.

Apabila benda ditarik ke kanan sejauh +x (pegas diregangkan), pegas akan memberikan gaya pemulih pada benda tersebut yang arahnya ke kiri sehingga benda kembali ke posisi setimbangnya (gambar b).

Sebaliknya, jika benda ditarik ke kiri sejauh -x, pegas juga memberikan gaya pemulih untuk mengembalikan benda tersebut ke kanan sehingga benda kembali ke posisi setimbang (gambar c).Besar gaya pemulih F ternyata berbanding lurus dengan simpangan x dari pegas yang direntangkan atau ditekan dari posisi setimbang (posisi setimbang ketika x = 0). Secara matematis ditulis :

F = -kx

Persamaan ini sering dikenal sebagai hukum hooke dan dicetuskan oleh paman Robert Hooke. k adalah konstanta dan x adalah simpangan. Hukum Hooke akurat jika pegas tidak ditekan sampai kumparan pegas bersentuhan atau diregangkan sampai batas elastisitas. Tanda negatif menunjukkan bahwa gaya pemulih alias F mempunyai arah berlawanan dengan simpangan x. Ketika kita menarik pegas ke kanan maka x bernilai positif, tetapi arah F ke kiri (berlawanan arah dengan simpangan x). Sebaliknya jika pegas ditekan, x berarah ke kiri (negatif), sedangkan gaya F bekerja ke kanan. Jadi gaya F selalu bekeja berlawanan arah dengan arah simpangan x. k adalah konstanta pegas. Konstanta pegas berkaitan dengan kaku atau lembut sebuah pegas. Semakin besar konstanta pegas (semakin kaku sebuah pegas), semakin besar gaya yang diperlukan untuk menekan atau meregangkan pegas. Sebaliknya semakin lembut sebuah pegas (semakin kecil konstanta pegas), semakin kecil gaya yang diperlukan untuk meregangkan pegas. Untuk meregangkan pegas sejauh x, kita akan memberikan gaya luar pada pegas, yang besarnya sama dengan F = +kx. Pegas dapat bergerak jika terlebih dahulu diberikan gaya luar. Amati bahwa besarnya gaya bergantung juga pada besar x (simpangan).

Sekarang mari kita tinjau lebih jauh apa yang terjadi jika pegas diregangkan sampai jarak x = A, kemudian dilepaskan (lihat gambar di bawah).

Setelah pegas diregangkan, pegas menarik benda kembali ke posisi setimbang (x=0). Ketika melewati posisi setimbang, benda bergerak dengan laju yang tinggi karena telah diberi percepatan oleh gaya pemulih pegas. Ketika bergerak pada posisi setimbang,gaya pegas = 0, tetapi laju benda maksimum

.

Karena laju benda maksimum maka benda terus bergerak ke kiri. Gaya pemulih pegas kembali memperlambat gerakan benda sehingga laju benda perlahan-lahan menurun dan benda berhenti sejenak ketika berada pada x = -A. Pada titik ini, laju benda = 0, tetapi gaya pegas bernilai maksimum, di mana arahnya menuju ke kanan (menuju posisi setimbang).

Benda tersebut bergerak kembali ke kanan menuju titik setimbang karena ditarik oleh gaya pemulih pegas tadi. Gerakan benda ke kanan dan ke kiri berulang secara periodik dan simetris antara x = A dan x = -A.

Besaran fisika pada Gerak Harmonik Sederhana pada pegas pada dasarnya sama dengan ayunan sederhana, yakni terdapat periode, frekuensi dan amplitudo. Jarak x dari posisi setimbang disebut simpangan. Simpangan maksimum alias jarak terbesar dari titik setimbang disebut amplitudo (A). Satu getaran Gerak Harmonik Sederhana pada pegas adalah gerak bolak balik lengkap dari titik awal dan kembali ke titik yang sama. Misalnya jika benda diregangkan ke kanan, maka benda bergerak mulai dari titik x = 0, menuju titik x = A, kembali lagi ke titik x = 0, lalu bergerak menuju titik x = -A dan kembali ke titik x = 0 (bingung-kah ? ;) ). Dipahami perlahan-lahan ya…

Bagaimana osilasi pada pegas yang digantungkan secara vertikal ?

Pada dasarnya osilasi alias getaran dari pegas yang digantungkan secara vertikal sama dengan getaran pegas yang diletakan horisontal. Bedanya, pegas yang digantungkan secara vertikal lebih panjang karena pengaruh gravitasi yang bekerja pada benda. Mari kita tinjau lebih jauh getaran pada pegas yang digantungkan secara vertikal…

Pada pegas yang kita letakan horisontal (mendatar), posisi benda disesuaikan dengan panjang pegas alami. Pegas akan meregang atau mengerut jika diberikan gaya luar (ditarik atau ditekan). Nah, pada pegas yang digantungkan vertikal, gravitasi bekerja pada benda bermassa yang dikaitkan pada ujung pegas. Akibatnya, walaupun tidak ditarik ke bawah, pegas dengan sendirinya meregang sejauh x0. Pada keadaan ini benda yang digantungkan pada pegas berada pada posisi setimbang.

Berdasarkan hukum II Newton, benda berada dalam keadaan setimbang jika gaya total = 0. Gaya yang bekerja pada benda yang digantung adalah gaya pegas (F0 = -kx0) yang arahnya ke atas dan gaya berat (w = mg) yang arahnya ke bawah. Total kedua gaya ini sama dengan nol.

Gurumuda tetap menggunakan lambang x agar anda bisa membandingkan dengan pegas yang diletakan horisontal. Dirimu dapat menggantikan x dengan y. Resultan gaya yang bekerja pada titik kesetimbangan = 0. Hal ini berarti benda diam alias tidak bergerak.

Jika kita meregangkan pegas (menarik pegas ke bawah) sejauh x, maka pada keadaan ini bekerja gaya pegas yang nilainya lebih besar dari pada gaya berat, sehingga benda tidak lagi berada pada keadaan setimbang (perhatikan gambar c di bawah).

Total kedua gaya ini tidak sama dengan nol karena terdapat pertambahan jarak sejauh x; sehingga gaya pegas bernilai lebih besar dari gaya berat. Karena terdapat gaya pegas (gaya pemulih) yang berarah ke atas maka benda akan bergerak ke atas menuju titik setimbang. (sambil lihat gambar di bawah ya)

.Pada titik setimbang, besar gaya total = 0, tetapi laju gerak benda bernilai maksimum (v maks), sehingga benda bergerak terus ke atas sejauh -x. Laju gerak benda perlahan-lahan menurun, sedangkan besar gaya pemulih meningkat dan mencapai nilai maksimum pada jarak -x. Setelah mencapai jarak -x, gaya pemulih pegas menggerakan benda kembali lagi ke posisi setimbang (lihat gambar di bawah). Demikian seterusnya. Benda akan bergerak ke bawah dan ke atas secara periodik. Dalam kenyataannya, pada suatu saat tertentu pegas tersebut berhenti bergerak karena adanya gaya gesekan udara.

Semua benda yang bergetar di mana gaya pemulih F berbanding lurus dengan negatif simpangan (F = -kx), maka benda tersebut dikatakan melakukan gerak harmonik sederhana (GHS)  atau Osilasi Harmonik Sederhana (OHS).

Contoh soal 1 :

Sebuah benda digantungkan pada sebuah tali yang digantung vertikal. Benda tersebut ditarik ke samping dan dilepaskan sehingga benda bergerak bolak balik di antara dua titik terpisah sejauh 20 cm. Setelah 20 detik dilepaskan, benda melakukan getaran sebanyak 40 kali. Hitunglah frekuensi, periode dan amplitudo getaran benda tersebut.

Panduan jawaban :

a) Frekuensi adalah banyaknya getaran yang dilakukan benda selama satu detik. Benda melakukan getaran sebanyak 40 kali selama 20 detik. Dengan demikian, selama 1 detik benda tersebut melakukan getaran sebanyak 2 kali (40 / 20).

b) Periode adalah waktu yang dibutuhkan untuk melakukan satu getaran (T).

T = 1/f = ½ = 0,5 sekon

Jadi benda melakukan satu getaran selama 0,5 detik.

c) Amplitudo adalah simpangan maksimum diukur dari titik keseimbangan. Karena benda bergerak bolak balik alias melakukan getaran di antara dua titik terpisah sejauh 20 cm, maka amplitudo getaran benda adalah setengah dari lintasan yang dilalui benda tersebut. Dengan demikian, amplitudo = ½ (20 cm) = 10 cm

Leave a Comment more...

fluida

Posted by keep.crazy in Jun 22, 2010, under Uncategorized

FLUIDA STATIS

Pengantar fluida statis

Pengantar

Sebelum kita mempelajari pokok bahasan Fluida statis, sejauh ini apa yang anda pahami tentang fluida ? Ketika masih berada di SMA, gurumuda pernah berpikir bahwa fluida sama dengan zat cair. Ternyata pemahaman itu sangat keliru. Lalu fluida itu sebenarnya apa ?

Pengertian Fluida

Dalam fisika, fluida diartikan sebagai suatu zat yang dapat mengalir. Anda mungkin pernah belajar di sekolah bahwa materi yang kita temui dalam kehidupan sehari-hari terdiri dari zat padat, cair dan gas. Nah, istilah fluida mencakup zat cair dan gas, karena zat cair seperti air atau zat gas seperti udara dapat mengalir. Zat padat seperti batu atau besi tidak dapat mengalir sehingga tidak bisa digolongkan dalam fluida. Untuk lebih memahami penjelasan gurumuda, alangkah baiknya jika kita tinjau beberapa contoh dalam kehidupan sehari-hari. Ketika dirimu mandi, dirimu pasti membutuhkan air. Untuk sampai ke bak penampung, air dialirkan baik dari mata air atau disedot dari sumur. Air merupakan salah satu contoh zat cair. Masih ada contoh zat cair lainnya seperti minyak pelumas, susu dan sebagainya. Semuanya zat cair itu dapat kita kelompokan ke dalam fluida karena sifatnya yang dapat mengalir dari satu tempat ke tempat yang lain.

Selain zat cair, zat gas juga termasuk fluida. zat gas juga dapat mengalir dari satu satu tempat ke tempat lain. Hembusan angin merupakan contoh udara yang berpindah dari satu tempat ke tempat lain.

Zat padat tidak dapat digolongkan ke dalam fluida karena zat padat tidak dapat mengalir. Batu atau besi tidak dapat mengalir seperti air atau udara. Hal ini dikarenakan zat pada t cenderung tegar dan mempertahankan bentuknya sedangkan fluida tidak mempertahankan bentuknya tetapi mengalir. Selain zat padat, zat cair dan zat gas, terdapat suatu jenis zat lagi yang dinamakan plasma. Plasma merupakan zat gas yang terionisasi dan sering dinamakan sebagai “wujud keempat dari materi”. Mengenai plasma dapat anda pelajari di perguruan tinggi. Yang pasti, plasma juga tidak dapat digolongkan ke dalam fluida.

Fluida merupakan salah satu aspek yang penting dalam kehidupan kita sehari-hari. Setiap hari kita menghirupnya, meminumnya dan bahkan terapung atau teggelam di dalamnya. Setiap hari pesawat udara terbang melaluinya, kapal laut mengapung di atasnya; demikian juga kapal selam dapat mengapung atau melayang di dalamnya. Air yang kita minum dan udara yang kita hirup juga bersirkulasi di dalam tubuh kita setiap saat, hingga kadang tidak kita sadari. Jika dirimu ingin menikmati bagaimana indahnya konsep mekanika fulida bekerja, pergilah ke pantai. Jangan Cuma nonton, bila perlu ceburkan dirimu di pantai… stt… awas tenggelam kalau belum bisa berenang.

Fluida statis

Pada penjelasan panjang lebar di atas, gurumuda telah menerangkan makna fluida yang menjadi pokok bahasan kita kali ini. Nah, dalam mempelajari Fluida, kita memilahnya menjadi dua bagian yakni Fluida statis (Fluida diam) dan Fluida Dinamis (Fluida bergerak). Kataya fluida bergerak, kok ada fluida yang diam ? dirimu jangan bingung, fluida memang merupakan zat yang dapat mengalir. Yang kita tinjau dalam Fluida statis adalah ketika fluida yang sedang diam pada keadaan setimbang. Jadi kita meninjau fluida ketika tidak sedang bergerak. Pada Fluida Dinamis, kita akan meninjau fluida ketika bergerak.

Massa Jenis dan Berat Jenis

Pengantar

Pernahkah dirimu mendengar istilah “Massa Jenis” dan “Berat Jenis” ? Kalau dirimu mengatakan belum, berarti pelajaran fisika yang telah diperoleh di SMP pasti telah lenyap dari “otak”. Hehe… pada kesempatan ini kita pelajari kembali apa yang dimaksudkan dengan massa jenis dan berat jenis dan bagaimana hubunganya dengan pokok bahasan Fluida yang saat ini kita pelajari. Selamat belajar, semoga dirimu tidak pusing-pusing

Konsep Massa Jenis (Kerapatan)

Salah satu sifat penting dari suatu zat adalah kerapatan alias massa jenisnya. Istilah kerennya adalah densitas (density). Kerapatan alias massa jenis merupakan perbandingan massa terhadap volume zat. Secara matematis ditulis :

p = m/v

(p dibaca “rho”) merupakan huruf yunani yang biasa digunakan untuk menyatakan kerapatan, m adalah massa dan v adalah volume.

Kerapatan alias massa jenis fluida homogen (sama) pada dasarnya berbeda dengan kerapatan zat padat homogen. Besi atau es batu misalnya, memiliki kerapatan yang sama pada setiap bagiannya. Berbeda dengan fluida, misalnya atmosfer atau air. Pada atmosfer bumi, makin tinggi atmosfir dari permukaan bumi, kerapatannya semakin kecil sedangkan untuk air laut, misalnya, makin dalam kerapatannya semakin besar. Massa jenis alias kerapatan dari suatu fluida homogen dapat bergantung pada factor lingkungan seperti temperature (suhu) dan tekanan.

Satuan Sistem Internasional untuk massa jenis adalah kilogram per meter kubik (kg/m3). Untuk satuan CGS alias centimeter, gram dan sekon, satuan Massa jenis dinyatakan dalam gram per centimeter kubik (gr/cm3).

Berikut ini data massa jenis dari beberapa zat.

Zat Kerapatan (kg/m3)
Zat Cair
Air (4o C) 1,00 x 103
Air Laut 1,03 x 103
Darah 1,06 x 103
Bensin 0,68 x 103
Air raksa 13,6 x 103
Zat Padat
Es 0,92 x 103
Aluminium 2,70 x 103
Besi & Baja 7,8 x 103
Emas 19,3 x 103
Gelas 2,4 – 2,8 x 103
Kayu 0,3 – 0,9 x 103
Tembaga 8,9 x 103
Timah 11,3 x 103
Tulang 1,7 – 2.0 x 103
Zat Gas
Udara 1,293
Helium 0,1786
Hidrogen 0,08994
Uap air(100 oC) 0,6

Kerapatan zat yang dinyatakan dalam tabel di atas merupakan kerapatan zat pada suhu 0o C dan tekanan 1atm (atmosfir alias atm = satuan tekanan)

Gravitasi Khusus (Specific Gravity)

Gravitasi khusus suatu zat dapat diperoleh dengan membagi kerapatannya dengan 103 kg/m3 (kerapatan air pada suhu 4o C). Gravitasi khusus tidak memiliki satuan dan dimensi.

Apabila kerapatan suatu benda lebih kecil dari kerapatan air, maka benda akan terapung. Gravitasi khusus benda yang terapung lebih kecil dari 1. Sebaliknya jika kerapatan suatu benda lebih besar dari kerapatan air, maka gravitasi khususnya lebih besar dari 1. Untuk kasus ini benda tersebut akan tenggelam.

Berat Jenis (Specific Weight)

Berat jenis suatu zat merupakan perbandingan berat zat tersebut terhadap volumenya. Satuan sistem internasional untuk berat jenis adalah N/m3.

Tekanan dalam Fluida

tekanan pada fluida

Pengantar

Pernahkah dirimu meminum es teh atau es sirup ? wah, jangankan es teh, semua minuman botol dan minuman kaleng pernah disikat :) saking kehausan, botol dan kalengnya juga dijilat… hehehe.. pisss.. maksud gurumuda, pernahkah dirimu meminum minuman menggunakan pipet alias penyedot ? kalau belum, segera meluncur ke warung atau toko terdekat dan bilang saja pada pelayan toko atau warung makan : “pak/bu.. boleh pinjam pipet sebentar ?…” Jangan lupa bawa uang receh untuk membeli seandainya permintaan anda di tolak. Setelah ada pipet, silahkan pergi ke ruang makan, ambil segelas air bening dan lakukan percobaan kecil-kecilan berikut ini… biar lebih keren, kali anda minum air putih (atau air bening ?) menggunakan pipet alias penyedot.. Nah, air putih kini terasa lebih nikmat. Setelah puas minum, sekarang coba anda masukan pipet tadi ke dalam gelas yang berisi air, lalu angkat kembali pipet tersebut. Apa yang anda amati ? biasa saja tuh.. ;) Oke.. sekarang, silahkan masukan pipet sekali lagi ke dalam gelas yang berisi air. Setelah itu, tutup salah satu ujung pipet (ujung pipet yang berada di luar gelas) menggunakan jari telunjuk anda. Nah, coba dirimu angkat pipet itu sambil tetap menutup lubang pipet bagian atas. Sulap fisika dimulai… aneh bin ajaib. Air terperangkap dalam pipet ? kok bisa ya ? waduh… bagaimanakah saya menjelaskannya ? gampang…. Ingin tahu mengapa demikian ? mari kita pelajari pokok bahasan Tekanan dengan penuh semangat. Setelah mempelajari pokok bahasan tekanan, dirimu akan dengan mudah menjelaskannya. Selamat belajar ya :)

Konsep Tekanan pada Fluida

Dalam ilmu fisika, Tekanan diartikan sebagai gaya per satuan luas, di mana arah gaya tegak lurus dengan luas permukaan. Secara matematis, tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan berikut ini :

P = tekanan, F = gaya dan A = luas permukaan. Satuan gaya (F) adalah Newton (N), satuan luas adalah meter persegi (m2). Karena tekanan adalah gaya per satuan luas maka satuan tekanan adalah N/m2. Nama lain dari N/m2 adalah pascal (Pa). Pascal dipakai sebagai satuan Tekanan untuk menghormati om Blaise Pascal. Kita akan berkenalan lebih dalam dengan om Pascal pada pokok bahasan Prinsip Pascal.

Ketika kita membahas Fluida, konsep Tekanan menjadi sangat penting. Ketika fluida berada dalam keadaan tenang, fluida memberikan gaya yang tegak lurus ke seluruh permukaan kontaknya. Misalnya kita tinjau air yang berada di dalam gelas; setiap bagian air tersebut memberikan gaya dengan arah tegak lurus terhadap dinding gelas. jadi setiap bagian air memberikan gaya tegak lurus terhadap setiap satuan luas dari wadah yang ditempatinya, dalam hal ini gelas. Demikian juga air dalam bak mandi atau Air kolam renang. Ini merupakan salah satu sifat penting dari fluida statis alias fluida yang sedang diam. Gaya per satuan luas ini dikenal dengan istilah tekanan.

Mengapa pada fluida diam arah gaya selalu tegak lurus permukaan ? masih ingatkah dirimu dengan eyang Newton ? nah, Hukum III Newton yang pernah kita pelajari mengatakan bahwa jika ada gaya aksi maka akan ada gaya reaksi yang besarnya sama tetapi berlawanan arah. Ketika fluida memberikan gaya aksi terhadap permukaan, di mana arah gaya tidak tegak lurus, maka permukaan akan memberikan gaya reaksi yang arahnya juga tidak tegak lurus. Hal ini akan menyebabkan fluida mengalir. Tapi kenyataannya khan fluida tetap diam. Jadi kesimpulannya, pada fluida diam, arah gaya selalu tegak lurus permukaan wadah yang ditempatinya.

Sifat penting lain dari fluida diam adalah fluida selalu memberikan tekanan ke semua arah. Masa sich ? Untuk lebih memahami penjelasan ini, silahkan masukan sebuah benda yang bisa melayang ke dalam gelas atau penampung (ember dkk) yang bersisi air. Jika air sangat tenang, maka benda yang anda masukan tadi tidak bergerak karena pada seluruh permukaan benda tersebut bekerja tekanan yang sama besar. Jika tekanan air tidak sama besar maka akan ada gaya total, yang akan menyebabkan benda bergerak (ingat hukum II Newton)

Pengaruh kedalaman terhadap Tekanan

Pada penjelasan di atas, gurumuda sudah menjelaskan kepada dirimu tentang dua sifat fluida statis (fluida diam), yakni memberikan tekanan ke segala arah dan gaya yang disebabkan oleh tekanan fluida selalu bekerja tegak lurus terhadap permukaan benda yang bersentuhan dengan fluida tersebut. Ilustrasi yang kita gunakan adalah zat cair (air). Nah, bagaimana pengaruh kedalaman (atau ketinggian) terhadap tekanan ? apakah tekanan air laut pada kedalaman 10 meter sama dengan tekanan air laut pada kedalaman 100 meter, misalnya ?

Semua penyelam akan setuju jika gurumuda mengatakan bahwa tekanan di danau atau di lautan akan bertambah jika kedalamannya bertambah. Silahkan menyelam dalam air kolam atau air sumur… hehe.. lebih keren dirimu pernah mandi air laut dan bahkan pernah menyelam ke bagian laut yang dalam. Semakin dalam menyelam, perbedaan tekanan akan membuat telinga kita sakit. Gurumuda pernah mencobanya di kampoeng. Kok bisa ? Agar dirimu lebih memahami penjelasan gurumuda, mari kita tinjau tekanan air pada sebuah wadah sebagaimana tampak pada gambar. Tinggi kolom cairan adalah h dan luas penampangnya A. Bagaimana tekanan air di dasar wadah ?

Keterangan : w adalah berat air, h = ketinggian kolom air dalam wadah yang berbentuk silinder, A = luas permukaan dan P adalah tekanan.

Massa kolom zat cair adalah :

Jika kita masukan ke dalam persamaan Tekanan, maka akan diperoleh :

Pa = tekanan atmosfir. Pada gambar di atas tidak digambarkan Pa, tapi dalam kenyataannya, bila wadah yang berisi air terbuka maka pada permukaan air bekerja juga tekanan atmosfir yang arahnya ke bawah. Tergantung permukaan wadah terbuka ke mana. Jika permukaan wadah terbuka ke atas seperti pada gambar di atas, maka arah tekanan atmosfir adalah ke bawah. Mengenai tekanan atmosfir selengkapnya bisa dibaca pada penjelasan selanjutnya. Tuh di bawah…

Berdasarkan persamaan di atas, tampak bahwa tekanan berbanding lurus dengan massa jenis dan kedalaman zat cair (percepatan gravitasi bernilai tetap). Jika kedalaman zat cair makin bertambah, maka tekanan juga makin besar. Ingat bahwa cairan hampir tidak termapatkan akibat adanya berat cairan di atasnya, sehingga massa jenis cairan bernilai konstan di setiap permukaan. Jika perbedaan ketinggian sangat besar (untuk laut yang sangat dalam), massa jenis sedikit berbeda. Tapi jika perbedaan ketinggian tidak terlalu besar, pada dasarnya massa jenis zat cair sama (atau perbedaanya sangat kecil sehingga diabaikan).

Kita juga bisa menggunakan persamaan di atas untuk menghitung perbedaan tekanan pada setiap kedalaman yang berbeda. Kita oprek lagi persamaan di atas menjadi :

Tekanan Atmosfir (Tekanan Udara)

Sadar atau tidak setiap hari kita selalu “diselimuti” oleh udara. Ketika kita menyelam ke dalam air, semua bagian tubuh kita diselubungi oleh air. Semakin dalam kita menyelam, semakin besar tekanan yang kita rasakan. Nah, sebenarnya setiap hari kita juga diselubungi oleh atmosfir yang selalu menekan seluruh bagian tubuh kita seperti ketika kita berada di dalam air. Seperti pada air laut, permukaan bumi bisa kita ibaratkan dengan “dasar laut” atmosfir. Jika benar atmosfir juga menekan seluruh bagian tubuh kita setiap saat, mengapa kita tidak merasakannya, sebagaimana jika kita berada di dasar laut ? jawabannya adalah karena sel-sel tubuh kita mempertahankan tekanan dalam yang besarnya hampir sama dengan tekanan luar. Hal ini yang membuat kita tidak merasakan efek perbedaan tekanan tersebut.

Pada pembahasan sebelumnya, telah dijelaskan bahwa kedalaman zat cair mempengaruhi besarnya tekanan zat cair tersebut. Semakin dalam lautan, semakin besar tekanan air laut pada kedalaman tertentu. Bagaimana dengan atmosfir alias udara ?

Sebagaimana setiap fluida, tekanan atmosfir bumi juga berubah terhadap kedalaman (atau ketinggian). Tetapi tekanan atmosfir bumi agak berbeda dengan zat cair. Perubahan massa jenis zat cair sangat kecil untuk perbedaan kedalaman yang tidak sangat besar, sehingga massa jenis zat cair dianggap sama. Hal ini berbeda dengan massa jenis atmosfir bumi. Massa jenis atmosfir bumi bervariasi cukup besar terhadap ketinggian. Massa jenis udara di setiap ketinggian berbeda-beda sehingga kita tidak bisa menghitung tekanan atmosfir menggunakan persamaan yang telah diturunkan di atas. Selain itu tidak ada batas atmosfir yang jelas dari mana h dapat dukur. Tekanan atmosfir juga bervariasi terhadap cuaca. Jika demikian, bagaimana kita mengetahui besarnya tekanan udara ? untuk mengetahui tekanan atmosfir, kita melakukan pengukuran.

Pengukuran Tekanan

Pernahkah dirimu mendengar nama paman Torricelli ? kalau belum, mari kita berkenalan dengan paman Torricelli. Paman Evangelista Torricelli (1608-1647), murid eyang Galileo, membuat suatu metode alias cara untuk mengukur tekanan atmosfir pada tahun 1643 menggunakan barometer air raksa hasil karyanya. Barometer tersebut berupa tabung kaca yang panjang, di mana dalam tabung tersebut diisi air raksa. Nah, tabung kaca yang berisi air raksa tersebut dibalik dalam sebuah piring yang juga telah diisi air raksa (lihat gambar di bawah ya)

Catatan : dirimu jangan bingung mengapa permukaan air raksa melengkung. Nanti akan gurumuda jelaskan pada pokok bahasan tegangan permukaan

Ketika tabung kaca yang berisi air raksa dibalik maka pada bagian ujung bawah tabung (pada gambar terletak di bagian atas) tidak terisi air raksa, isinya cuma uap air raksa yang tekanannya sangat kecil sehingga diabaikan (p2 = 0). Pada permukaan air raksa yang berada di dalam piring terdapat tekanan atmosfir yang arahnya ke bawah (atmosfir menekan air raksa yang berada di piring). Tekanan atmosfir tersebut menyanggah kolom air raksa yang berada dalam pipa kaca. Pada gambar, tekanan atmosfir dilambangkan dengan po. Besarnya tekanan atmosfir dapat dihitung menggunakan persamaan :

Berdasarkan hasil pengukuran, rata-rata tekanan atmosfir pada permukaan laut adalah 1,013 x 105 N/m2. Besarnya tekanan atmosfir pada permukaan laut ini digunakan untuk mendefinisikan satuan tekanan lain, yakni atm (atmosfir). Jadi 1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 101,3 kPa (kPa = kilo pascal). Satuan tekanan lain adalah bar (sering digunakan pada meteorologi). 1 bar = 1,00 x 105 N/m2 = 100 kPa.

Bagaimana nilai tekanan atmosfir di atas diperoleh ?

Pengkurannya menggunakan prinsip yang telah ditunjukan oleh paman torricelli di atas. Tinggi kolom air raksa yang digunakan adalah 76 cm (tekanan atmosfir hanya dapat menahan kolom air raksa yang tingginya hanya mencapai 76,0 cm), di mana suhu air raksa yang digunakan tepat 0o C dan besarnya percepatan gravitasi 9,8 m/s2. massa jenis air raksa pada kondisi ini adalah 13,6 x 103 kg/m3. Sekarang kita bisa menghitung besarnya tekanan atmosfir :

Alat pengukur tekanan

Terdapat banyak alat yang digunakan untuk mengukur tekanan, di antaranya adalah manometer tabung terbuka (lihat gambar di bawah).

Pada manometer tabung terbuka, di mana tabung berbentuk U, sebagian tabung diisi dengan zat cair (air raksa atau air). Tekanan yang terukur dihubungkan dengan perbedaan dua ketinggian zat cair yang dimasukan ke dalam tabung. Besar tekanan dihitung menggunakan persamaan :

Pada umumnya bukan hasil kali pgh yang dihitung melainkan ketinggian zat cair (h) karena tekanan kadang dinyatakan dalam satuan milimeter air raksa (mmhg) atau milimeter air (mm-H2O). Nama lain mmhg adalah torr (mengenang jasa paman Evangelista Torricelli).

Selain manometer, terdapat juga pengukur lain yakni barometer aneroid, baik mekanis maupun elektrik, termasuk alat pengukur tekanan ban dkk. Alat yang digunakan oleh paman torricelli untuk mengukur tekanan atmosfir disebut juga barometer air raksa, di mana tabung kaca diisi penuh dengan air raksa kemudian dibalik ke dalam piring yang juga berisi air raksa.

Tekanan Terukur, Tekanan gauge dan Tekanan absolut

Dirimu punya mobil atau sepeda motor/sepeda-kah ? jika punya bersyukurlah. Jika belum punya, silahkan bermain ke bengkel terdekat. Amati om-om yang bekerja di bengkel… wah, jangan pelototin om-nya dong, tapi perhatikan kegiatan mereka di bengkel, khususnya ketika mengisi udara dalam ban kendaraan (mobil atau sepeda motor). Biasanya mereka menggunakan alat ukur tekanan udara. Hal ini membantu agar tekanan udara ban tidak kurang/melebihi batas yang ditentukan. Nah, ketika om-om tersebut mengisi udara dalam ban, yang mereka ukur adalah tekanan udara dalam ban saja. Tekanan atmosfir tidak diperhitungkan. Bukan hanya ketika mengukur tekanan udara dalam ban, bola sepak dkk tetapi juga sebagian besar pengukuran tekanan lainnya, tekanan atmosfir tidak diukur. Tekanan yang dikur tersebut dinamakan tekanan terukur. Lalu apa bedanya dengan tekanan absolut ?

Tekanan absolut = tekanan atmosfir + tekanan terukur. Jadi untuk mendapatkan tekanan absolut, kita menambahkan tekanan terukur dengan tekanan atmosfir. Dengan kata lain, tekanan absolut = tekanan total. Secara matematis bisa ditulis :

p = pa + pukur

misalnya jika tekanan ban yang kita ukur = 100 kPa, maka tekanan absolut adalah :

p = pa + pukur

p = 101 kPa + 100 kPa

p = 201 kPa

Besarnya tekanan absolut = 201 kPa.

Terus pa = 101 kPa (101 kilo Pascal) datangnya dari mana ? sudah gurumuda jelaskan di atas. Baca kembali kalau dirimu sudah melupakannya…

Ada satu lagi istilah, yakni tekanan gauge alias tekanan tolok. Tekanan gauge merupakan kelebihan tekanan di atas tekanan atmosfir. Misalnya kita tinjau tekanan ban sepeda motor. Ketika ban sepeda motor kempes, tekanan dalam ban = tekanan atmosfir (Tekanan atmosfir = 1,01 x 105 Pa = 101 kPa). Jika dirimu ingin mengunakan ban tersebut sehingga sepeda motor yang “ditunggangi” bisa kebut-kebutan di jalan, maka dirimu harus mengisi ban tersebut dengan udara. Ketika ban diisi udara, tekanan ban pasti bertambah. Nah, ketika tekanan ban menjadi lebih besar dari 101 kPa, maka kelebihan tekanan tersebut disebut juga tekanan gauge. Begitu….

Tugas dari Gurumuda

Setelah mempelajari pokok bahasa Tekanan dalam fluida, silahkan menjawab pertanyaan berikut ini. Jawabannya akan kita bahas melalui kolom komentar…

Pertanyaan pertama :

Pada awal tulisan ini, dikatakan bahwa air bisa terperangkap dalam pipet. Mengapa demikian ? ini adalah sulap fisika. Hehe…. Apakah dirimu mengetahui jawabannya ? silahkan posting melalui kolom komentar saja ya… nanti akan dijelaskan. Jangan pernah takut salah menjawab… namanya juga manusia pasti bisa berbuat salah.

Pertanyaan kedua :

Pada penjelasan di atas, dikatakan bahwa tekanan atmosfir hanya mampu menahan kolom air raksa yang ketinggiannya hanya mencapai 76 cm. Ternyata tekanan atmosfir juga hanya mampu menahan kolom air (H2O) yang tingginya 10,3 meter (misalnya air yang ada dalam pipa). Pertanyaannya, dapatkah kita menyedot air dalam sumur yang kedalamannya lebih dari 10,3 meter menggunakan pompa vakum ? air dialirkan melalui pipa.

(pompa vakum tu pompa yang biasa dipakai jaman dulu untuk memompa air dari sumur. Mungkin sekarang jarang dipakai. Coba dirimu tanya pada ayah, ibu atau kakek atau nenek. Jangan tanya ke adikmu, ntar dirinya cuma bengong)

Prinsip Pascal

Pengantar

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.

pascal

Tahukah dirimu 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.

Prinsip Archimedes


Pengantar

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. Begitu….

Mengapa Kapal Tidak Tenggelam ?

Pada pokok bahasan Massa Jenis dan Berat Jenis, telah dijelaskan konsep terapung dan tenggelam dari sudut pandang ilmu fisika. Apabila kerapatan alias massa jenis suatu benda lebih kecil dari massa jenis air, maka benda akan terapung. Sebaliknya jika kerapatan suatu benda lebih besar dari kerapatan air maka benda tersebut akan tenggelam.

Nah, kebanyakan kapal terbuat dari besi dan baja. Massa jenis besi dan baja = 7,8 x 103 kg/m3 sedangkan masa jenis air = 1,00 x 103 kg/m3. Tampak bahwa kerapatan besi dan baja lebih besar dari kerapatan air. Seharusnya kapal yang terbuat dari besi dan baja tenggelam dunk ;) lalu mengapa kapal tidak tenggelam ?

Tegangan Permukaan

Pengantar

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 dijelaskan

tegangan 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 yangbersentuhan 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.

Kapilaritas


Pengantar

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 :

Ini adalah persamaan yang kita cari. Jika dirimu ingin menentukan ketinggian kolom cairan, silahkan menggunakan persamaan ini :) tidak perlu malu-malu… sekian ya.

Viskositas

Pengantar

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. Kalau terdapat penyempitan pembuluh darah (misalnya r/2 = jari-jari dalam pembuluh darah berkurang 2 kali), maka diperlukan perbedaan tekanan sebesar 16 kali untuk membuat darah mengalir seperti semula (biar debit alias laju aliran volume darah tetap). Coba bayangkan… apa jantung gak copot gitu, kalau harus kerja keras untuk memompa biar darahnya bisa ngalir dengan debit yang sama… makanya kalau orang yang mengalami penyempitan pembuluh darah bisa kena tekanan darah tinggi, bahkan stroke karena jantung dipaksa untuk memompa lebih keras. Demikian juga orang yang gemuk, punya banyak kolesterol yang mempersempit pembuluh darah. Pembuluh darah nyempit dikit aja, jantung harus lembur… mending langsing saja, biar pembuluh darah normal, jantung pun ikut2an senang. Kalau si jantung gak lembur khan dirimu ikut2an senang, pacaran jalan terus… he2…

16 Comments more...

gas ideal

Posted by keep.crazy in Jun 22, 2010, under Uncategorized

GAS IDEAL

Hukum gas ideal (persamaan keadaan gas ideal)

gas-ideal

Pengantar

Pada pembahasan sebelumnya (hukum-hukum gas – persamaan keadaan) gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai hukum om Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac. Ketiga hukum gas ini baru menjelaskan hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas secara terpisah. Hukum om obet Boyle hanya menjelaskan hubungan antara Tekanan dan volume gas. Hukum om Charles hanya menjelaskan hubungan antara volume dan suhu gas. Hukum om Gay-Lussac hanya menjelaskan hubungan antara suhu dan tekanan gas. Perlu diketahui bahwa ketiga hukum ini hanya berlaku untuk gas yang memiliki tekanan dan massa jenis yang tidak terlalu besar. Ketiga hukum ini juga hanya berlaku untuk gas yang suhunya tidak mendekati titik didih. Oya, yang dimaksudkan dengan gas di sini adalah gas yang ada dalam kehidupan kita sehari-hari. Istilah kerennya gas riil alias gas nyata… misalnya oksigen, nitrogen dkk…

Karena hukum om obet Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac tidak berlaku untuk semua kondisi gas maka analisis kita akan menjadi lebih sulit. Untuk mengatasi hal ini (maksudnya untuk mempermudah analisis), kita bisa membuat suatu model gas ideal alias gas sempurna. Gas ideal tidak ada dalam kehidupan sehari-hari; yang ada dalam kehidupan sehari-hari cuma gas riil alias gas nyata. Gas ideal cuma bentuk sempurna yang sengaja kita buat untuk mempermudah analisis, mirip seperti konsep benda tegar atau fluida ideal. Ilmu fisika tuh aneh-aneh…. dari pada bikin ribet dan pusink sendiri lebih baik cari saja pendekatan yang lebih mudah ;) Kita bisa menganggap hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lusac berlaku pada semua kondisi gas ideal, baik ketika tekanan dan massa jenis gas sangat tinggi atau suhu gas mendekati titik didih. Adanya konsep gas ideal ini juga sangat membantu kita dalam meninjau hubungan antara ketiga hukum gas tersebut.

Biar dirimu lebih nyambung, gurumuda tulis kembali penyataan hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac.

Hukum Boyle

Berdasarkan percobaan yang dilakukannya, om Robert Boyle menemukan bahwa apabila suhu gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, volume gas semakin berkurang. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, volume gas semakin bertambah. Istilah kerennya tekanan gas berbanding terbalik dengan volume gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Boyle. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

hukum-gas-ideal-aKeterangan :

hukum-gas-ideal-b

Hukum Charles

Seratus tahun setelah om Obet Boyle menemukan hubungan antara volume dan tekanan, seorang ilmuwan berkebangsaan Perancis yang bernama om Jacques Charles (1746-1823) menyelidiki hubungan antara suhu dan volume gas. Berdasarkan hasil percobaannya, om Cale menemukan bahwa apabila tekanan gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika suhu mutlak gas bertambah, volume gas pun ikt2an bertambah, sebaliknya ketika suhu mutlak gas berkurang, volume gas juga ikut2an berkurang. Hubungan ini dikenal dengan julukan hukum Charles. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

hukum-gas-ideal-c

Hukum Gay-Lussac

Setelah om obet Boyle dan om Charles mengabadikan namanya dalam ilmu fisika, om Joseph Gay-Lussac pun tak mau ketinggalan. Berdasarkan percobaan yang dilakukannya, om Jose menemukan bahwa apabila volume gas dijaga agar selalu konstan, maka ketika tekanan gas bertambah, suhu mutlak gas pun ikut2an bertambah. Demikian juga sebaliknya ketika tekanan gas berkurang, suhu mutlak gas pun ikut2an berkurang. Istilah kerennya, pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas. Hubungan ini dikenal dengan julukan Hukum Gay-Lussac. Secara matematis ditulis sebagai berikut :

hukum-gas-ideal-d

Hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas

Hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac baru menurunkan hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas secara terpisah. Bagaimanapun ketiga besaran ini memiliki keterkaitan erat dan saling mempengaruhi. Karenanya, dengan berpedoman pada ketiga hukum gas di atas, kita bisa menurunkan hubungan yang lebih umum antara suhu, volume dan tekanan gas. Gurumuda tulis lagi ketiga perbandingan di atas biar dirimu lebih nyambung :

hukum-gas-ideal-e

Jika perbandingan 1, perbandingan 2 dan perbandingan 3 digabung menjadi satu, maka akan tampak seperti ini :

hukum-gas-ideal-fPersamaan ini menyatakan bahwa tekanan (P) dan volume (V) sebanding dengan suhu mutlak (T). Sebaliknya, volume (V) berbanding terbalik dengan tekanan (P).

Perbandingan 4 bisa dioprek menjadi persamaan :

hukum-gas-ideal-g

Keterangan :

P1 = tekanan awal (Pa atau N/m2)

P2 = tekanan akhir (Pa atau N/m2)

V1 = volume awal (m3)

V2 = volume akhir (m3)

T1 = suhu awal (K)

T2 = suhu akhir (K)

(Pa = pascal, N = Newton, m2 = meter kuadrat, m3 = meter kubik, K = Kelvin)

Contoh soal ada di bagian akhir tulisan ini… Tuh di bawah

Hubungan antara massa gas (m) dengan volume (V)

Sejauh ini kita baru meninjau hubungan antara suhu, volume dan tekanan gas. Massa gas masih diabaikan… Kok gas punya massa ya ? yupz… Setiap zat alias materi, termasuk zat gas terdiri dari atom-atom atau molekul-molekul. Karena atom atau molekul mempunyaimassa maka tentu saja gas juga mempunyai massa. Kalau dirimu bingung, silahkan pelajari lagi materi Teori atom dan Teori kinetik.

Pernah meniup balon ? ketika dirimu meniup balon, semakin banyak udara yang dimasukkan, semakin kembung balon tersebut. Dengan kata lain, semakin besarmassa gas, semakin besar volume balon. Kita bisa mengatakan bahwa massa gas (m) sebanding alias berbanding lurus dengan volume gas (V). Secara matematis ditulis seperti ini :

hukum-gas-ideal-hJika perbandingan 4 digabung dengan perbandingan 5 maka akan tampak seperti ini :

hukum-gas-ideal-i

Jumlah mol (n)

Sebelum melangkah lebih jauh, terlebih dahulu kita bahas konsep mol. Dari pada kelamaan, kita langsung ke sasaran saja… 1 mol = besarnya massa suatu zat yang setara dengan massa molekul zat tersebut. Massa dan massa molekul tuh beda. Biar paham, amati contoh di bawah…

Contoh 1, massa molekul gas Oksigen (O2) = 16 u + 16 u = 32 u (setiap molekul oksigen berisi 2 atom Oksigen, di mana masing-masing atom Oksigen mempunyai massa 16 u). Dengan demikian, 1 mol O2 mempunyai massa 32 gram. Atau massa molekul O2 = 32 gram/mol = 32 kg/kmol

Contoh 2, massa molekul gas karbon monooksida (CO) = 12 u + 16 u = 28 u (setiap molekul karbon monooksida berisi 1 atom karbon (C) dan 1 atom oksigen (O). Massa 1 atom karbon = 12 u dan massa 1 atom Oksigen = 16 u. 12 u + 16 u = 28 u). Dengan demikian, 1 mol CO mempunyai massa 28 gram. Atau massa molekul CO = 28 gram/mol = 28 kg/kmol

Contoh 3, massa molekul gas karbon dioksida (CO2) = [12 u + (2 x 16 u)] = [12 u + 32 u] = 44 u (setiap molekul karbon dioksida berisi 1 atom karbon (C) dan 2 atom oksigen (O). Massa 1 atom Carbon = 12 u dan massa 1 atom oksigen = 16 u). Dengan demikian, 1 mol CO2 mempunyai massa 44 gram. Atau massa molekul CO2 = 44 gram/mol = 44 kg/kmol.

Sebelumnya kita baru membahas definisi satu mol. Sekarang giliran jumlah mol (n). Pada umumnya, jumlah mol (n) suatu zat = perbandinganmassa zat tersebut dengan massa molekulnya. Secara matematis ditulis seperti ini :

hukum-gas-ideal-j1

Contoh 1 : hitung jumlah mol pada 64 gram O2

Massa O2 = 64 gram

Massa molekul O2 = 32 gram/mol

hukum-gas-ideal-k

Contoh 2 : hitung jumlah mol pada 280 gram CO

Massa CO = 280 gram

Massa molekul CO = 28 gram/mol

hukum-gas-ideal-l

Contoh 3 : hitung jumlah mol pada 176 gram CO2

Massa CO2 = 176 gram

Massa molekul CO2 = 44 gram/mol

hukum-gas-ideal-m

Konstanta gas universal (R)

Perbandingan yang sudah diturunkan di atas (perbandingan 6) bisa diubah menjadi persamaan dengan menambahkan konstanta perbandingan. Btw, berdasarkan penelitian yang dilakukan om-om ilmuwan, ditemukan bahwa apabila kita menggunakan jumlah mol (n) untuk menyatakan ukuran suatu zat maka konstanta perbandingan untuk setiap gas memiliki besar yang sama. Konstanta perbandingan yang dimaksud adalah konstanta gas universal (R). Universal = umum, jangan pake bingung…

R = 8,315 J/mol.K

= 8315 kJ/kmol.K

= 0,0821 (L.atm) / (mol.K)

= 1,99 kal / mol. K

(J = Joule, K = Kelvin, L = liter, atm = atmosfir, kal = kalori)

HUKUM GAS IDEAL (dalam jumlah mol)

Setelah terseok-seok, akhirnya kita tiba di penghujung acara pengoprekan rumus. Perbandingan 6 (tuh di atas) bisa kita tulis menjadi persamaan, dengan memasukan jumlah mol (n) dan konstanta gasuniversal (R)…

PV = nRT

Persamaan ini dikenal dengan julukan hukum gas ideal alias persamaan keadaan gas ideal.

Keterangan :

P = tekanan gas (N/m2)

V = volume gas (m3)

n = jumlah mol (mol)

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

T = suhu mutlak gas (K)

CATATAN :

Pertama, dalam penyelesaian soal, dirimu akan menemukan istilah STP. STP tuh singkatan dari Standard Temperature and Pressure. Bahasanya orang bule… Kalau diterjemahkan ke dalam bahasa orang Indonesia, STP artinya Temperatur dan Tekanan Standar. Temperatur = suhu.

Temperatur standar (T) = 0 oC = 273 K

Tekanan standar (P) = 1 atm = 1,013 x 105 N/m2 = 1,013 x 102 kPa = 101 kPa

Kedua, dalam menyelesaikan soal-soal hukum gas, suhu alias temperatur harus dinyatakan dalam skala Kelvin (K)

Ketiga, apabila tekanan gas masih berupa tekanan ukur, ubah terlebih dahulu menjadi tekanan absolut. Tekanan absolut = tekanan atmosfir + tekanan ukur (tekanan atmosfir = tekanan udara luar)

Keempat, jika yang diketahui adalah tekanan atmosfir (tidak ada tekanan ukur), langsung oprek saja tuh soal.

Leave a Comment more...

termodinamika

Posted by keep.crazy in Jun 22, 2010, under Uncategorized

TERMODINAMIKA

Kerja, Suhu, Kalor, Sistem, Lingkungan, Energi dalam

Sebelum melangkah lebih jauh, alangkah baiknya jika kita pahami kembali beberapa istilah dan konsep dasar yang sering digunakan dalam pokok bahasan termodinamika. Konsep usaha alias kerja (W) sudah dikupas tuntas dalam pokok bahasan usaha dan energi. Konsep suhu dan kalor sudah diobok-obok dalam pokok bahasan Suhu dan Kalor. Konsep energi dalam (energi dalam gas ideal) sudah dioprek dalam pokok bahasan Teori Kinetik Gas. Daripada dirimu harus membuka kembali lembaran yang lama, alangkah baiknya jika kita buka saja lembaran yang baru ;) Met belajar, selamat menikmati sajian dari gurumuda… Semoga terasa lezat dan nikmat di otak… hiks2…

USAHA alias KERJA (W)

Sejauh ini kita sudah berkenalan dengan dua jenis gerakan, yakni gerak translasi (gerak lurus, gerak parabola dkk) dan gerak rotasi. Dengan demikian, kita bisa mengelompokkan kerja menjadi dua bagian, yakni kerja dalam gerak translasi dan kerja dalam gerak rotasi.

Kerja dalam gerak translasi

Dalam gerak translasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara perpindahan dengan komponen gaya yang searah dengan perpindahan. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

suhu-kalor-kerja-sistem-energi-dalam-1

Keterangan :

W = Usaha alias kerja

F = gaya

s = perpindahan = perpindahan linear

Apabila benda yang dikenai gaya tidak mengalami perpindahan (s = 0), maka usaha alias kerja = 0. Demikian juga, apabila arah gaya tegak lurus arah perpindahan (teta = 90o. Cos 90o = 0), maka usaha alias kerja = 0.

Usaha hanya memiliki besar dan tidak mempunyai arah, karenanya termasuk besaran skalar. Walaupun gaya dan perpindahan termasuk besaran vektor tetapi usaha merupakan besaran skalar karena diperoleh dari perkalian skalar. Pelajari lagi materi vektor dan skalar kalau dirimu bingung…

Kerja dalam gerak rotasi

Dalam gerak rotasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara torsi dengan perpindahan sudut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

suhu-kalor-kerja-sistem-energi-dalam-2

Satuan Sistem Internasional (SI) untuk usaha alias kerja adalah newton meter (Nm). Satuan newton meter dikenal dengan julukan Joule ( 1 Joule = 1 N.m).

Hubungan antara usaha dengan energi

Usaha alias kerja berkaitan erat dengan energi. Untuk memahami hal ini, gurumuda menggunakan contoh saja… Misalnya dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok… Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi potensial kimia dalam tubuhmu berkurang. Sebagian energi potensial kimia dalam tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv2. m = massa motor, v = kecepatan motor). Kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu melakukan usaha alias kerja pada motor, energi dalam tubuhmu dipindahkan pada sepeda motor.

Berdasarkan uraian singkat ini, bisa disimpulkan bahwa usaha alias kerja merupakan proses perpindahan energi melalui cara-cara mekanis (mekanis berhubungan dengan gerak menggerak ;) )…

SUHU (T)

Konsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kita. Berdasarkan apa yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda lebih panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain. Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini dikenal dengan julukan suhu alias temperatur. Benda yang terasa panas biasanya memiliki suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah suhunya. Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya. Btw, ukuran panas atau dinginnya suatu benda yang hanya didasarkan pada sentuhan (indera peraba) ini sebenarnya tidak terlalu jelas. Panas yang dirasakan oleh setiap orang bisa saja berbeda. Demikian juga, walaupun menyentuh benda yang sama, panas yang dirasakan oleh bagian tubuh yang berbeda bisa saja berbeda.

Dalam pokok bahasan teori kinetik gas kita sudah mendefinisikan kembali makna suhu. Berdasarkan sudut pandang mikroskopis, suhu sebenarnya merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata molekul.

Satuan Sistem Internasional untuk suhu adalah Kelvin (K).

KALOR alias PANAS (Q)

Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada aliran kalor dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor akan terhenti setelah kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi air hangat. Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung menyamakan suhu benda yang bersentuhan.

Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara… Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakan Caloric. Teori mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa dibuktikan.

Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda pengaduk. Berikut ini kilasan singkat percobaan yang dilakukan oleh om Jimi.

suhu-kalor-kerja-sistem-energi-dalam-3

Tataplah gambar di atas dengan penuh kelembutan. Pengaduk menempel dengan sumbu putar. Sumbu putar dihubungkan dengan beban menggunakan tali. Ketika beban jatuh, tali akan memutar sumbu sehingga pengaduk ikut2an berputar. Jika jumlah lilitan tali sedikit dan jarak jatuhnya beban kecil, maka kenaikan suhu air juga sedikit. Sebaliknya, jika lilitan tali diperbanyak dan benda jatuh lebih jauh, maka kenaikan suhu air juga lebih besar.

Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi terhadap beban hingga beban jatuh sejauh h. Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x perpindahan (s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha dan energi). Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air. Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar kenaikan suhu air (air semakin panas).

Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur, wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Oya, aliran kalor mampir sebentar di wadah. Karena ada aliran kalor dari api menuju air, maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air meningkat).

Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah. Ingat ya, kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu). Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses perpindahan energi akan terhenti ketika benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.

Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Satuan kalor yang sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. 1 kkal = 1 Kalori (huruf K besar). Btw, kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule (J).

Berdasarkan penjelasan di atas, tampak bahwa kalor (Q) memiliki kemiripan dengan usaha alias kerja (W). Kalor bisa diartikan sebagai perpindahan energi yang disebabkan oleh adanya perbedaan suhu, sedangkan usaha alias kerja bisa diartikan sebagai perpindahan energi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak)…

SISTEM dan LINGKUNGAN

Dalam termodinamika, kita selalu menganalisis proses perpindahan energi dengan mengacu pada suatu sistem. Sistem adalah sebuah benda atau sekumpulan benda yang hendak diteliti… Benda-benda lainnya di alam semesta dinamakan lingkungan… Biasanya sistem dipisahkan dengan lingkungan menggunakan “penyekat/pembatas/pemisah”. Untuk memudahkan pemahamanmu, gurumuda menggunakan ilustrasi saja… tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

suhu-kalor-kerja-sistem-energi-dalam-4

Misalnya kita hendak menyelidiki air yang berada di dalam termos. Air yang ada di dalam termos merupakan sistem, sedangkan udara dan benda-benda lainnya yang berada diluar termos merupakan lingkungan… dinding termos, baik dinding kaca pada bagian dalam termos maupun dinding plastik pada bagian luar termos berfungsi sebagai penyekat alias pemisah…

Terdapat beberapa jenis sistem, yakni sistem terbuka dan sistem tertutup. Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan… Contoh sistem terbuka adalah tumbuh-tumbuhan, hewan dkk… Tumbuh-tumbuhan biasanya menyerap air dan karbondioksida dari lingkungan (terjadi pertukaran materi). Tumbuhan juga membutuhkan kalor yang dipancarkan matahari (terjadi pertukaran energi). Dirimu dan diriku juga termasuk sistem terbuka… Masih banyak contoh lain…

Sebaliknya, sistem tertutup merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran materi antara sistem tersebut dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak adanya kemungkinan terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan tidak terisolasi jika bisa terjadi pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan… Contoh sistem tertutup yang terisolasi adalah termos air panas. Dinding bagian dalam dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas). Btw, dalam kenyataannya memang banyak sistem terisolasi buatan yang tidak sangat ideal. Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya sangat kecil.

ENERGI DALAM (U)

Energi dalam merupakan salah satu konsep paling penting dalam termodinamika. Kita bisa mendefinisikan energi dalam dengan mengacu pada teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom atau molekul, di mana atom atau molekul tersebut bergerak terus menerus secara sembarangan… Ketika bergerak, atom atau molekul pasti punya kecepatan. Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul mempunyai energi kinetik (EK). Kita bisa mengatakan bahwa energi dalam merupakan jumlah seluruh energi kinetik atom atau molekul, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara atom atau molekul…

Hukum pertama termodinamika

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 melaluicara-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 pembuatanpopcorn. Dirimu ngerti popcorn tidak ? biji jagung yang ada bunganya :) Gurumuda kurang ngerti proses pembuatan popcorn secara mendetail. Btw, garis besarnya seperti ini… Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah tertutup (panci atau alat masak lainnya). Selanjutnya, wadah tertutup tersebut dipanasi dengan nyala api kompor. Adanya tambahan kalor dari nyala api membuat bijipopcorn dalam panci kepanasan dan meletup. Ketika meletup, biasanya biji popcorn berjingkrak-jingkrak dalam panci dan mendorong penutup panci. Gaya dorong biji popcorn cukup besar sehingga kadang tutup panci bisa berguling ria… Untuk kasus ini, kita bisa menganggap popcorn sebagai sistem, panci sebagai pembatas dan udara luar, nyala api dkk sebagai lingkungan. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari lingkungan (nyala api) menuju sistem (bijipopcorn). Adanya tambahan kalor menyebabkan sistem (biji popcorn) memuai dan meletup sehingga mendorong penutup panci (si biji popcorn tadi melakukan kerja terhadap lingkungan). Dalam proses ini, keadaan popcorn berubah. Keadaan popcorn berubah karena suhu, tekanan dan volume popcorn berubah saat memuai dan meletup… meletupnya popcorn hanya merupakan salah satu contoh perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Masih sangat banyak contoh lain, sebagiannya sudah gurumuda ulas pada bagian pengantar… Perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan 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….

Hukum pertama termodinamika : pernyataan kekekalan energi

Pengantar

Dalam pembahasan sebelumnya gurumuda sudah menjelaskan secara panjang pendek mengenai Hukum Pertama Termodinamika. Konon katanya, hukum pertama termodinamika merupakan pernyataan hukum kekekalan energi. Aneh ya, hukum pertama termodinamika khan hanya membahas hubungan antara kalor (Q), kerja (W) dan perubahan energi dalam (delta U). Lalu mengapa bisa disebut sebagai pernyataan hukum kekekalan energi ?

Bentuk-bentuk energi

Dalam kehidupan kita sehari-hari terdapat banyak bentuk energi. Pada pokok bahasan usaha dan energi, kita sudah berkenalan dengan dua bentuk energi mekanik, yakni energi potensial (potensial = tersimpan) dan energi kinetik (kinetik = gerak). Energi potensial terdiri dari beberapa jenis, di antaranya adalah EP gravitasi, EP elastis dan EP magnet. Energi kinetik terdiri dari dua jenis, yakni energi kinetik translasi dan energi kinetik rotasi.

Buah mangga yang lezat dan ranum memiliki energi potensial gravitasi ketika sedang menggelayut pada tangkainya. Demikian juga ketika dirimu berada pada ketinggian tertentu dari permukaan tanah, misalnya di atap rumah ;) . Energi potensial gravitasi dimiliki benda karena posisi relatifnya terhadap bumi. Karet ketapel yang kita regangkan memiliki energi potensial elastis. Karet ketapel dapat melontarkan batu karena adanya energi potensial elastis pada karet yang diregangkan. Demikian juga busur yang ditarik oleh pemanah dapat menggerakan anak panah, karena terdapat energi potensial elastis pada busur yang diregangkan. Benda yang berada di dekatmagnet memiliki energi potensial magnet. Ketika kita melepaskan benda yang kita pegang (paku, misalnya), dalam waktu singkat paku akan bergerak menuju magnet.

Selain energi potensial dan energi kinetik yang dimiliki materi yang berukuran besar dan sering kita lihat dalam kehidupan sehari-hari, terdapat juga bentuk energi yang lain. Ada energi listrik, energi nuklir, energi kimia, etc… setelah muncul teori kinetik, dikatakan bahwa energi dalam bentuk lain tersebut (energi listrik, energi kimia, dkk) merupakan energi kinetik atau energi potensial pada tingkat atom atau molekul. Energi kimia yang tersimpan dalam makanan dan bahan bakar dianggap sebagai energi potensial yang tersimpan dalam molekul, akibat adanya gaya listrik antara atom penyusun molekul (disebut juga sebagai ikatan kimia). Energi listrik, energi magnetik, energi nuklir juga dapat diangap sebagai energi kinetik atau energi potensial dalam skala atomik. Mengenai hal ini akan dibahas secara lengkap dalam episode berikutnya…

Perubahan bentuk energi

Perlu diketahui bahwa energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Pada tingkat makroskopis, kita bisa menemukan begitu banyak contoh perubahan bentuk energi. Buah mangga yang menggelayut di tangkainya memiliki energi potensial gravitasi. Pada saat buah mangga jatuh ke tanah, energi potensialnya berkurang sepanjang lintasan geraknya menuju tanah. Ketika mulai jatuh, energi potensial berkurang karena jarak vertikal buah mangga dari tanah makin kecil. EP tersebut berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi karena kecepatan buah mangga bertambah akibat percepatan gravitasi yang bernilai konstan. Energi potensial elastis yang tersimpan pada ketapel yang diregangkan dapat berubah menjadi energi kinetik translasi batu apabila ketapel kita lepas… busur yang melengkung juga memiliki energi potensial elastis. Energi potensial elastis pada busur yang melengkung dapat berubah menjadi energi kinetik translasi anak panah. Pada tingkat mikroskopis, kita juga bisa menemukan contoh perubahan bentuk energi. Ketika dirimu menyalakan lampu neon, pada saat yang sama terjadi perubahan energi listrik menjadi energi cahaya. Contoh lain adalah perubahan energi listrik menjadi energi gerak (kipas angin) dll. Proses perubahan bentuk energi listrik ini sebenarnya disebabkan oleh adanya perubahan antara energi potensial dan energi kinetik pada tingkat atom atau molekul.

Perubahan bentuk energi biasanya

melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lain

Perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya. Busur yang melengkung memiliki energi potensial elastis. Ketika busur dilepaskan, energi potensial elastis busur berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi anak panah. Pada saat yang sama, energi berpindah dari busur menuju anak panah. Ketika dirimu mendorong sepeda motor yang lagi mogok, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi sepeda motor. Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju sepeda motor. Air di bagian atas bendungan memiliki energi potensial gravitasi. Ketika si air jatuh, energi potensial gravitasi air berubah menjadi energi kinetik translasi air. Selanjutnya air yang jatuh tadi menggerakan turbin. Ketikasi air menggerakan turbin, energi kinetik translasi air berubah menjadi energi kinetik rotasi turbin. Pada saat yang sama, energi berpindah dari air menuju turbin.

Kerja selalu dilakukan ketika terjadi perpindahan energi

Pada masing-masing contoh yang telah gurumuda ulas sebelumnya, tampak bahwa perpindahan energi selalu disertai dengan adanya usaha alias kerja (Work). Ketika energi berpindah dari busur menuju anak panah, si busur melakukan kerja pada anak panah. Ketika energi berpindah dari dirimu menuju sepeda motor, dirimu melakukan kerja pada sepeda motor. Ketika energi berpindah dari air menuju turbin, air melakukan kerja pada turbin. Seandainya tidak ada kerja yang dilakukan, tidak mungkin anak panah bergerak ketika busur dilepaskan, sepeda motor butut yang lagi mogok juga tidak mungkin bergerak ketika didorong. Demikian juga dengan turbin. Tapi kenyataannya anak panah, sepeda motor mogok dan turbin bergerak. Dari kenyataan ini, bisa disimpulkan bahwa usaha alias kerja (W) selalu dilakukan ketika energi berpindah dari satu benda ke benda yang lainnya.

Walaupun sudah mengetahui dan meyadari sepenuh hati ;) bahwa si energi selalu berubah bentuk dan bergentayangan dari satu benda ke benda yang lain, tetapi om-om ilmuwan belum bisa menyimpulkan bahwa energi itu kekal. Mereka macet ketika berhadapan dengan kalor alias panas. Biasanya kalor alias panas selalu muncul akibat adanya gesekan… Misalnya dirimu mendorong sebuah balok yang berada di atas lantai. Ketika mendorong balok, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi balok. Pada saat yang sama, energi berpindah dari dirimu menuju balok. Ketika energi berpindah dari dirimu menuju balok, dirimu melakukan kerja pada balok (W = Fs). Tentu saja si balok bergerak… Nah, setelah bergerak, balok biasanya berhenti… Balok berhenti akibat adanya gaya gesekan. Di mana ada gesekan, di situ ada kalor alias panas… coba gosokan/gesekan kedua telapak tanganmu. Kedua telapak tanganmu terasa panas khan ? hal yang sama terjadi pada balok. Permukaan lantai dan alas balok menjadi panas akibat adanya gesekan. Gesekan ini yang bikin si balok berhenti jalan-jalan. Gaya gesekan disebut juga sebagai gaya disipatif, karena gaya gesekan memperkecil atau melenyapkan energi mekanik total (energi mekanik = energi potensial + energi kinetik). Untuk kasus ini, gaya gesekan melenyapkan energi kinetik translasi balok. Energi kinetik balok berasal dari energi potensial kimia.

Kalau balok berhenti bergerak (v = 0), berarti energi kinetiknya lenyap dunk (EK = ½ mv2 = 0). Energi kinetik translasi tadi kabur ke mana ? Kesimpulan sementara : energi tidak kekal.

Kalor alias panas = ?

Perlu diketahui bahwa sebelum abad kesembilan belas, tidak seorang ilmuwan pun yang tahu kalor alias panas itu sebenarnya apa… Seperti biasa, di mana ada kebuntuan dalam ilmu fisika, di situ muncul teori baru. Muncul sebuah teori yang mengatakan bahwa kalor alias panas itu sejenis zat tertentu (zat tersebut dijuluki caloric). Btw, keberadaan zat yang punya nama samaran caloric ini tidak bisa dibuktikan. Mulai akhir tahun 1830 (abad kesembilanbelas), om James Joule (1818-1889) dan teman-temannya dalam pasukan ilmuwan kelas kakap mulai memainkan alat peraganya ;) Berdasarkan eksperimen yang dilakukannya, om Jimi menemukan bahwa energi kinetik yang hilang selalu sama dengan kalor alias panas yang dihasilkan. Kalor maupun energi kinetik tidak ada yang bersifat kekal secara terpisah. Yang selalu kekal adalah jumlah total energi kinetik dan kalor… Salah satu eksperimen yang dilakukan oleh om Jimi Joule sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan sebelumnya. Berdasarkan hasil eksperimen yang diperolehnya, om Jimi Joule membuat perbandingan dengan perpindahan kalor yang biasa terjadi antara benda bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda bersuhu rendah (benda dingin). Om Jimi Joule kemudian menyimpulkan bahwa kalor alias panas merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Ini adalah pengertian kalor dari sudut pandang makroskopis. Dari sudut pandang mikroskopis, kita bisa menjelaskan kalor menggunakan teori kinetik. Dalam pokok bahasan teori kinetik gas, kita belajar bahwa suhu suatu benda merupakan ukuran dari energi kinetik molekul-molekul penyusun benda tersebut. Semakin tinggi suhu benda, semakin besar energi kinetik molekul-molekul penyusun benda. Energi kinetik berkaitan dengan kecepatan gerak. Semakin besar energi kinetik (EK besar) molekul-molekul, semakin besar kecepatan gerak (v besar) molekul-molekul. Nah, apabila kita menyentuhkan benda yang bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda yang bersuhu rendah (benda dingin), secara otomatis kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Adanya tambahan kalor menyebabkan benda yang dingin bertambah panas… Ketika bertambah panas (suhu benda meningkat), energi kinetik molekul-molekul penyusun benda tentu saja semakin besar (kecepatan gerak molekul makin besar). Dengan demikian, kita bisa menyimpulkan bahwa kalor alias panas sebenarnya merupakan energi kinetik molekul-molekul yang bergerak cepat…

Setelah mengetahui bahwa kalor alias panas merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor merupakan energi kinetik molekul-molekul yang bergerak cepat (pengertian mikroskopis), akhirnya para ilmuwan dengan penuh semangat merumuskan hukum kekekalan energi.

Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, berpindah dari satu benda ke benda yang lain, tetapi energi total tidak pernah berkurang atau bertambah. Istilah gaulnya, energi selalu kekal… Ini adalah pernyataan hukum kekekalan energi. Jangan pake hafal…

Terus hubungannya sama hukum pertama termodinamika gmn sich ? hubungan mereka baik2 saja… hiks2…

Sebelumnya sudah dijelaskan bahwa perubahan bentuk energi biasanya melibatkan perpindahan energi dari satu benda ke benda lainnya. Setiap perpindahan energi selalu disertai dengan adanya usaha alias kerja (Work). Dari hasil eksperimen dan analisis para ilmuwan, diketahui bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (pengertian makroskopis) atau kalor merupakan energi kinetik molekul-molekul yang bergerak cepat (pengertian mikroskopis). Kita bisa mengatakan bahwa kerja (W) dan kalor (Q) terlibat dalam perpindahan energi. Hukum pertama termodinamika yang sudah kita pelajari dalam pokok bahasan sebelumnya merupakan hukum yang menjelaskan perpindahan energi yang melibatkan kalor dan kerja. Ingat ya, kalor dan kerja bukan suatu bentuk energi. Kalor dan kerja hanya terlibat dalam perpindahan energi antara benda dengan benda, antara benda dengan makhluk hidup atau antara makhluk hidup dengan makhluk hidup…

Dalam hukum pertama termodinamika, kita berkenalan dengan sebuah besaran baru, yakni energi dalam (U). Energi dalam merupakan jumlah total energi kinetik molekul-molekul dan energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara atom-atom penyusun molekul atau interaksi antara molekul-molekul penyusun suatu benda atau makhluk hidup… Setiap benda tersusun dari atom-atom atau molekul-molekul. Dengan demikian, setiap benda yang ada di alam semesta ini pasti punya energi dalam. Setiap proses perpindahan energi yang melibatkan Kalor dan Kerja akan mengakibatkan perubahan energi dalam. Hal ini yang kita bahas dalam hukum pertama termodinamika. Jadi dirimu jangan pake heran kalau ada orang yang mengatakan bahwa hukum pertama termodinamika = hukum kekekalan energi. Mudah-mudahan penjelasan panjang pendek dan bertele-tele sebelumnya membantumu memahami hal ini… Jika bingung berlanjut, silahkan hubungi dokter terjauh ;)

Perlu diketahui bahwa istilah sistem dan lingkungan yang kita pakai dalam termodinamika sebenarnya hanya membantu analisa kita saja… Pada dasarnya energi berpindah dari satu benda ke benda lain, dari satu makhluk hidup ke makhluk hidup lain. Tapi alangkah baiknya jika kita batasi saja hal-hal yang mau kita selidiki dan hal-hal lain yang tidak kita selidiki. Kita menyebut benda-benda yang diselidiki sebagai sistem, sedangkan benda yang lain kita beri julukan lingkungan… Sekian dan sampai jumpa lagi pada episode berikutnya…

Hukum kedua termodinamika (Pernyataan khusus)

Pengantar

Katanya stok minyak bumi dalam perut bumi sekarang tinggal sedikit, karenanya kita diminta untuk menghemat energi. Aneh ya… Menurut hukum pertama termodinamika, dalam suatu sistem tertutup (alam semesta kita termasuk sistem tertutup), jumlah energi total selalu kekal. Energi dapat berubah bentuk dan berpindah dari satu benda ke benda yang lain, tetapi jumlah energi total selalu tetap. Kalau energi selalu kekal, mengapa kita harus menghemat energi ?

Benar bahwa hukum pertama termodinamika mengatakan kepada kita bahwa energi selalu kekal. Walaupun demikian, hukum pertama termodinamika tidak menjelaskan kepada kita bahwa ada bentuk energi yang berguna, sedangkan ada bentuk energi yang tidak berguna… Energi potensial kimia dalam minyak bumi merupakan salah satu bentuk energi yang berguna. Energi potensial kimia dalam minyak bumi (bensi, solar, minyak tanah, etc) bisa kita gunakan untuk menggerakkan kendaraan, memasak makanan atau bisa juga digunakan untuk membangkitkan listrik. Energi potensial gravitasi air di waduk bisakita gunakan untuk membangkitkan listrik. Energi panas bumi juga bisa kita gunakan untuk membangkitkan listrik. Energi kinetik angin, energi panas matahari, energi nuklir dkk… Mengenai sumber energi akan dibahas dalam episode berikutnya…

Ketika energi yang berguna tersebut kita manfaatkan, akan terjadi perubahan bentuk energi. Jika digunakan untuk menggerakkan kendaraan, energi potensial kimia dalam minyak bumi akan berubah bentuk menjadi energi kinetik kendaraan + kalor alias panas (panas timbul akibat adanya gesekan). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik, energi potensial gravitasi pada air di waduk akan berubah bentuk menjadi energi kinetik rotasi turbin. Energi kinetik rotasi turbin akan berubah bentuk menjadi energi listrik. Energi listrik akan berubah bentuk menjadi energi kinetik rotasi (kipas angin), energi cahaya (lampu), kalor alias panas (setrika listrik) dkk… Energi kinetik rotasi kipas akan berubah bentuk menjadi energi dalam udara + kalor alias panas (panas timbul akibat adanya gesekan pada kipas). Energi potensial gravitasi pada buah mangga akan berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi apabila buah mangga tersebut jatuh ke tanah. Ketika mencium tanah, energi kinetik translasi buah mangga akan berubah bentuk menjadi energi dalam buah mangga tersebut + energi dalam tanah.Dari beberapa contoh perubahan bentuk energi ini, tampak bahwa hukum pertama termodinamika baik adanya… Btw, sangat banyak proses di alam semestayang kita harapkan dapat mengubah bentuk energi tetapi kenyataannya tidak pernah terjadi… Apakah dirimu pernah melihat yang sebaliknya – buah mangga yang sedang diam di tanah tiba-tiba bergerak ke atas karena energi dalam berubah bentuk menjadi energi kinetik ? Seandainya energi dalam berubah menjadi energi kinetik sehingga buah mangga meluncur ke atas, hukum pertama termodinamika tidak pernah dilanggar. Energi akan selalu kekal dalam proses tersebut… tapi kenyataanya buah mangga tidak pernah meluncur ke atas dengan sendirinya…

Semua proses yang terjadi secara alami hanya berlangsung pada satu arah saja tapi tidak dapat berlangsung pada arah sebaliknya (biasa disebut sebagai proses ireversibel alias tidak dapat balik). Setelah terlepasdari 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. Kalau kita menyentuhkan benda yang bersuhu tinggi (benda panas) dengan benda yang bersuhu rendah (benda dingin), kalor alias panas dengan sendirinya mengalir dari benda bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Kita tidak pernah melihat proses sebaliknya, di mana kalor dengan sendirinya berpindah dari benda dingin menuju benda panas. Jika proses ini terjadi, maka benda yang dingin akan bertambah dingin, sedangkan benda yang panas akan bertambah panas. Tapi kenyataannya tidak seperti itu… Terdapat banyak proses ireversibel yang tampaknya berbeda satu sama lain, tapi semuanya berkaitan dengan perubahan bentuk energi dan perpindahan energi dari satu benda ke benda lain. Misalnya ada gempa bumi dasyat sehingga bangunan-bangunan pada roboh (bangunan roboh akibat adanya energi yang dibawa oleh gelombang gempa). Apakah dirimu pernah melihat setiap bagian bangunan yang roboh tersebut ngumpul lagi dan berdiri tegak seperti semula ? Atau misalnya adikmu yang sangat nakal menjatuhkan sebuah gelas ke lantai hingga pecah… Apakah dirimu pernah melihat serpihan-serpihan gelas yang tercecer di lantai ngumpul lagi dan membentuk gelas hingga utuh seperti semula ? Tidak pernah terjadi… masih sangat banyak contohlain. Sisanya dipikirkan sendiri ya… Semua proses ireversibel tersebut kelihatannya sangat sepele sehingga kadang luput dari perhatian kita. Btw, kesimpulan akhir-nya bikin diriku ketakutan :( Mengenai hal ini akan gurumuda bahas pada episode berikutnya (Entropi dan hukum kedua termodinamika – pernyataan umum). Terlebih dahulukita kupas tuntas beberapa pernyataan khusus dari hukum kedua termodinamika…

Untuk menjelaskan proses termodinamika yang hanya terjadi pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa sajayang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822-1888) membuat sebuah pernyataan berikut :

Kalor berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah; kalor tidak akan berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Clausius).

Pernyataan eyang butut Clausius merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Disebut pernyataan khusus karena hanya berlaku untuk satu proses saja (berkaitan dengan perpindahan kalor). Karena pernyataan ini tidak berkaitan dengan proses lainnya, maka kita membutuhkan pernyataan yang lebih umum. Perkembangan pernyataan umum hukum kedua termodinamika sebagiannya didasarkan pada studi tentang mesin kalor. Karenanya terlebih dahulukita bahas mesin kalor…

MESIN KALOR (heat engine)

Pada dasarnya setiap manusia, baik diriku, dirimu dan dirinya ;) menginginkan kehidupan yang lebih nyaman dan mudah. Untuk melakukan kerja, biasanya kita memanfaatkan kekuatan otot. Btw, kekuatan otot kita sangat terbatas, karenanya kita ingin membuat alat yang bisa menggantikan atau mengurangi beban kerja otot. Misalnya dirimu sekarang tinggal di jakarta. Waktu liburan, dirimu ingin jalan-jalan ke surabaya… Apakah dirimu bisa jalan kakidari jakarta menuju surabaya ? bisa si bisa, tapi kakimu akan kejang-kejang di sepanjang jalan ;) Sudah gitu, berbulan-bulan baru dirimu tiba di surabaya. Syukur kalau tiba dengan selamat. Perjalanan yang jauh bisa ditempuh dengan mudah jika kita bisa membuat alat transportasi alias kendaraan. Kendaraan bisa bergerak kalau ada energi kinetik. Btw, kendaraan tidak mungkin bergerak dengan sendirinya karena tiba-tiba ia punya energi kinetik.

Contohnya batu. Batu tidak bisa bergerak dengan sendirinya karena tiba-tiba saja ia punya energi kinetik. Batu bisa bergerak kalau dirimu lempar. Ketika melempar batu, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah menjadi energi kinetik batu. Anak panah tidak mungkin tiba-tiba saja bergerak dengan sendirinya karena ia punya energi kinetik. Anak panah bisa bergerak karena tarikan busur dilepas. Ketika tarikan busur dilepas, energi potensial elastis busur berubah menjadi energi kinetik anak panah. Energi potensial elastis busur berasaldari energi potensial kimia orang yang memanah… Demikian halnya dengan kendaraan yang selalu kita gunakan, seperti mobil, sepeda motor, pesawat, bajaj, kereta api… Agar bisa bergerak maka kendaraan harus punya energi kinetik. Nah, energi kinetik kendaraan tidak mungkin muncul dengan sendirinya…Kita membutuhkan energi lain yang bisa diubah menjadi energi kinetik kendaraan. Ini hanya salah satu contoh saja…

Hampir semua energi yang kita gunakan berasal dari energi potensial kimia yang terkandung dalam minyak bumi, gas, batu bara. Btw, energi potensial kimia yang terkandung dalam minyak bumi, gas atau batu bara tidak bisa langsung digunakan. Minyak bumi, gas atau batu bara harus dibakar terlebih dahulu… Karena harus pake bakar segala, maka minyak bumi dkk biasa disebut sebagai bahan bakar. Lebih tepatnya bahan bakar fosil karena minyak bumi, gas dan batu bara berasal dari fosil makhluk hidup, baik tumbuhan atau hewan yang sudah mati dan membusuk dalam perut bumi selama beribu-ribu atau berjuta-juta tahun. Hewan atau tumbuhan punya energi potensial kimia juga. Setelah mati dan mengendap selama ribuan atau jutaan tahun, energi potensial kimia hewan atau tumbuhan berubah menjadi energi potensial kimia bahan bakar fosil…

Biasanya hasil pembakaran bahan bakar fosil (minyak bumi, gas dan batu bara) menghasilkan kalor alias panas… Kalor bisa kita gunakan secara langsung untuk memasak makanan, memanaskan ruangan. Untuk menggerakan sesuatu (misalnya menggerakkan kendaraan), kita harus mengubah kalor menjadi energi kinetik atau energi mekanik (energi mekanik = energi potensial + energi kinetik). Mengubah energi mekanik menjadi kalor adalah pekerjaan yang sangat mudah, tetapi mengubah kalor menjadi energi mekanik adalah pekerjaan sulit. Coba gosokan kedua telapak tanganmu… telapak tanganmu kepanasan khan ? Ketika kita menggosok kedua telapak tangan (kita melakukan usaha alias kerja), energi mekanik berubah menjadi kalor. Prosesnya sangat mudah… Bahkan kalor yang tak terbatas bisa dihasilkan dengan melakukan kerja. Tapi proses sebaliknya, yakni memanfaatkan kalor untuk melakukan kerja adalah pekerjaan yang sulit.

Alat yang digunakan untuk memanfaatkan kalor untuk melakukan kerja baru ditemukan pada tahun 1700. Alat yang dimaksud adalah mesin uap. Mesin uap pertama kali digunakan untuk memompa air keluar dari tambang batu bara. Perlu diketahui bahwa penggunaan mesin uap pertama terjadi sebelum para ilmuwan mengetahui bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (hukum pertama termodinamika belum dirumuskan). Penggunaan mesin uap waktu itu mungkin didasarkan pada pengalaman sehari-hari yang menunjukkan bahwa uap bisa menggerakkan sesuatu (misalnya uap air menendang-nendang tutup panci). Mesin uap termasuk mesin kalor (mesin kalor = alat yang mengubah kalor menjadi energi mekanik). Sekarang mesin uap digunakan untuk membangkitkan energi listrik… Mesin kalor modern adalah mesin pembakaran dalam (mesin mobil, mesin sepeda motor dkk).

Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram di bawah…

hukum-kedua-termodinamik-16Amati diagram di atas… Suhu tinggi (TH) dan suhu rendah (TL) dikenal juga dengan julukan suhu operasi mesin (suhu = temperatur). Kalor yang mengalir dari tempat bersuhu tinggi diberi simbol QH, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu rendah diberi simbol QL. Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, sebagian QH diubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai QL. Sebenarnya kita sangat mengharapkan bahwa semua QH bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang. Dengan demikian, berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa QH = W + QL.

Sekarang mari kita tinjau mesin kalor yang biasa digunakan untuk mengubah kalor menjadi energi mekanik. Perlu diketahui bahwa kita hanya meninjau mesin kalor yang melakukan kerja secara terus menerus. Agar kerja bisa dilakukan secara terus menerus maka kalor harus mengalir secara terus menerus dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Jika kalor hanya mengalir sekali saja maka kerja yang dilakukan mesin kalor juga hanya sekali saja (energi mekanik yang dihasilkan sangat sedikit). Dengan demikian mesin kalor tersebut tidak bisa kita manfaatkan secara optimal. Mesin kalor bisa dimanfaatkan secara optimal jika ia melakukan kerja secara terus menerus. Dengan kata lain, stok energi mekanik yang dihasilkan mesin kalor cukup banyak sehingga bisa kita gunakan untuk menggerakkan sesuatu. Daripada kelamaan dan jadi basi, lebih baik kita langsung menuju ke sasaran… Sekarang siapkan sapu tangan atau sapi kaki sebanyak-banyaknya sebelum si mesin kalor bikin dirimu kepanasan ;) Terlebih dahulu kita tinjau mesin uap. Mesin pembakaran dalam akan dibahas kemudian…

Mesin Uap

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi nuklir.

Mesin uap tipe bolak balik

Tataplah gambar kusam di bawah dengan penuh kelembutan…

hukum-kedua-termodinamik-2

Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan pada tekanan yang tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi (ingat pembahasan mengenai pendidihan – Teori kinetik gas). Biasanya air mendidih (air mendidih = air berubah menjadi uap) sekitar suhu 500 oC. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar tekanan uap. Uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan dan memuai terhadap piston. Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston meluncur ke kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor alias panas pada uap berubah menjadi energi kinetik (uap melakukan kerja terhadap piston — W = Fs). Pada saat piston bergerak ke kanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan setengah putaran, roda menekan piston kembali ke posisinya semula (2). Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, sebaliknya katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya, air yang ada di dalam kondensor dipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya… Karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Karena piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus maka roda pun berputar secara terus menerus. Putaran roda biasanya digunakan untuk menggerakan sesuatu…

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak balik di atas bisa dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas) memiliki energi potensial kimia. Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial kimia berubah bentuk menjadi kalor alias panas. Kalor alias panas yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar fosil digunakan untuk memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar energi kinetik translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas (kalor alias panas timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan silinder). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar bentuk menjadi energi listrik. Dan seterusnya…

Turbin uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Bedanya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetik translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Nah, pada turbin uap, kalor langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin… Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat ya, suhu berbading lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan si uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di bawah…

hukum-kedua-termodinamik-3

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian, perbedaan suhu sangat diperlukan pada mesin uap.

Btw, apabila dirimu perhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetik translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder. Pada saat yang sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup pembuangan. Nah, apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan = suhu uap yang didorong piston, maka semua energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Kalau energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Kalau suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan = tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri). Pahami perlahan-lahan ya… ;)

Dari penjelasan panjang lebar dan bertele-tele sebelumnya, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa diperoleh dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka ketika si piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika si piston bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya sebagian kecil energi kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan. Energi kinetik total ini yang dipakai untuk menggerakan sesuatu (membangkitkan listrik dkk…) Pembangkitan energi listrik akan dibahas secara mendalam pada pokok bahasan listrik dan magnet…

Sekarang mari kita lanjutkan perjalanan menuju mesin pembakaran dalam…

Mesin Pembakaran Dalam

Mesin sepeda motor dan mesin mobil merupakan contoh mesin pembakaran dalam. Disebut mesin pembakaran dalam karena proses pembakaran terjadi di dalam silinder tertutup. Adanya mesin pembakaran dalam merupakan hasil rekayasa konsep penekanan dan pemuaian adiabatik yang sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan hukum pertama termodinamika.

Pada kesempitan ini kita hanya meninjau mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin dan solar sebagai bahan bakar. Bensin dan solar termasuk minyak bumi, karenanya memiliki energi potensial kimia. Energi potensial kimia dalam bensin dan solar terlebih dahulu diubah menjadi kalor alias panas melalui proses pembakaran. Selanjutnya, kalor alias panas yang diperoleh melalui hasil pembakaran diubah menjadi energi mekanik. Adanya energi mekanik ini yang menyebabkan sepeda motor atau mobil bisa bergerak… Siklus pada mesin bensin disebut sebagai siklus otto, sedangkan siklus pada mesin solar disebut sebagai siklus diesel… Siklus = proses yang terjadi secara reversibel (bolak balik). Terlebih dahulu kita bahas siklus otto…

Siklus otto

Tataplah gambar aneh di bawah dengan penuh kelembutan…

hukum-kedua-termodinamik-4Ini adalah gambar mesin pembakaran dalam empat langkah alias empat tak… Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi alias penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah diulangi…

Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga… Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika si busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga…

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas… Panas timbul akibat adanya gesekan…

Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di bawah… (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin).

hukum-kedua-termodinamik-5

Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder (a). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin ditekan secara adiabatik (a-b). Perhatikan bahwa volume silinder berkurang… Campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan – campuran dibakar (b-c). Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d). Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder (d-a).

Siklus Diesel

Prinsip kerja mesin diesel mirip seperti mesin bensin. Perbedaannya terletak pada langkah awal kompresi alias penekanan adiabatik (penekanan adiabatik = penekanan yang dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor alias panas tidak sempat mengalir menuju atau keluar dari sistem. Sistem untuk kasus ini adalah silinder). Kalau dalam mesin bensin, yang ditekan adalah campuran udara dan uap bensin, maka dalam mesin diesel yang ditekan hanya udara saja… Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, si solar langsung terbakar… Tidak perlu pake busi lagi. Perhatikan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram di bawah… bandingkan dengan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram siklus otto… simpulkan sendiri ya ;)

hukum-kedua-termodinamik-6

Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal alias sempurna… Mula-mula udara ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik alias injector menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (d-a). Selengkapnya bisa dipelajari di dunia perteknik-otomotifan ;) Gurumuda hanya memberimu pengetahuan dasar saja.

Dari penjelasan yang bertele-tele di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja untuk mesin bensin adalah udara dan uap bensin, zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (QL). Karena si energi kekal, maka QH = W + QL.

Efisiensi mesin kalor

Efisiensi (e) mesin kalor merupakan perbandingan antara Usaha alias Keja (W) yang dilakukan mesin dengan masukan Kalor pada suhu tinggi (QH). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

hukum-kedua-termodinamik-7

W merupakan keuntungan yang kita terima, sedangkan QH merupakan biaya yang kita keluarkan untuk membeli dan membakar bahan bakar. Sebagai manusia yang selalu ingin memperoleh keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya ;) , kita sangat berharap bahwa keuntungan yang kita peroleh (W) sebanding dengan biaya yang kita keluarkan (QH). Mungkinkah itu terjadi ? Nantikan hasil pengoprekannya…

Berdasarkan kekekalan energi, Kalor masukan (QH) harus sama dengan Kerja (W) yang dilakukan + Kalor yang dibuang (QL). Secara matematis bisa diobok-obok seperti ini :

hukum-kedua-termodinamik-8

Kita gantikan W pada persamaan 1 dengan W pada persamaan 2 :

hukum-kedua-termodinamik-9

Jika ingin menyatakan efisiensi mesin kalor dalam persentase, kalikan saja persamaan efisiensi dengan 100 %.

Berdasarkan persamaan efisiensi di atas, tampak bahwa semakin banyak kalor yang dibuang (QL) oleh suatu mesin kalor, semakin tidak efisien mesin kalor tersebut (merugikan kita). Kita sangat menginginkan agar jumlah kalor yang dibuang (QL) sesedikit mungkin. Bagaimanapun kalor masukan (QH) biasanya diperoleh dengan membakar minyak, batu bara, gas dkk (bahan bakar yang kita bayar). Karenanya setiap mesin kalor pada dasarnya dirancang untuk memiliki efisiensi sebesar mungkin. Btw, walaupun kita sangat menginginkan keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya (prinsip ekonomi-kah ?), kenyataan menunjukkan bahwa efisiensi mesin uap biasanya sekitar 40 %, sedangkan efisiensi mesin pembakaran dalam sekitar 50 %. Hal ini menunjukkan bahwa setengah bagian kalor yang diperoleh dengan membakar bahan bakar (membakar duit kita ;) ) terbuang percuma. Hanya setengah bagian saja yang berubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan usaha alias kerja). Biar dirimu makin paham dengan penjelasan gurumuda, perhatikan contoh soal di bawah…

Entropi (Pernyataan umum hukum kedua termodinamika)

Pengantar

Dalam postingan sebelumnya kita sudah mempelajari beberapa pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Perlu diketahui bahwa pernyataan khusus tersebut hanya bisa menjelaskan beberapa proses ireversibel saja. Pernyataan om Clausius hanya menjelaskan perpindahan kalor dan kaitannya dengan prinsip kerja mesin pendingin. Sebaliknya pernyataan om Kelvin dan om Planck berkaitan dengan prinsip kerja mesin kalor. Walaupun tampaknya berbeda, tetapi pada dasarnya kedua pernyataan ini berhubungan dengan perpindahan kalor. Btw, masih banyakproses ireversibel lainnya tidak bisa dijelaskan menggunakan kedua pernyataan tersebut. Setelah mencium tanah, buah mangga yang lezat dan mengundang selera tidak pernah meluncur ke atas lagi. Buku yang kita dorong tidak pernah bergerak kembali ke posisinya semula. Ketika adikmu yang sangat nakal menjatuhkan gelas ke lantai hingga pecah, serpihan-serpihan gelas yang tercecer di lantai tidak pernah ngumpul lagi dan membentuk gelas hingga utuh seperti semula… Apalagi ya… masih banyak atuh. mikirin sendiri ya… hiks2… pisss…

Karena pernyataan khusus hukum kedua termodinamika tidak bisa menjelaskan semua proses ireversibel maka kita membutuhkan pernyataan yang lebih umum. Adanya pernyataan umum ini diharapkan bisa menjelaskan semua proses ireversibel yang terjadi di alam semesta. Pernyataan umum hukum kedua termodinamika baru dirumuskan pada pertengahan abad kesembilan belas, melalui sebuah besaranyang diberi julukan entropi (S). Entropi bisa dianggap sebagai ukuran kuantitatif dari ketidakteraturan. Mengenai hal ini akan dibahas kemudian… Besaran entropi pertama kali diperkenalkan oleh om Clausius dan diturunkan dari siklus om Carnot (mesin kalor sempurna). Menurut om Clausius, besarnya perubahan entropiyang 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 :

Hukum ketiga termodinamika

Hukum ketiga termodinamika merupakan hukum fisika yang jablai ;) Kurang populer karena jarang dibelai… Daripada hukum ketiga termodinamika menjadi jablai, alangkah baiknya jika gurumuda bahas saja, biar dirimu bisa membelainya…

Hukum ketiga termodinamika mengatakan bahwa mencapai suhu nol mutlak (0 K) adalah hal yang tidak mungkin terjadi. Untuk mengetahui alasan mengapa suhu nol mutlak tidak bisa dicapai, silahkan pelajari lagi materi teori kinetik gas… ulasannya sudah disertakan dalam pokok bahasan tersebut. Download saja di halaman ebook gratis…

Sekian dan sampai jumpa lagi pada episode berikutnya… Ini adalah pokok bahasan terpendek yang pernah kutulis :)

Leave a Comment more...