KONSEP HIGHT PRESSURE SISTEM TERISOLASI DAN HUKUM KE-2 TERMODINAMIKA

I.                   PENDAHULUAN

A.    Latar Belakang

Termodinamika (bahasa Yunani:  thermos 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi ,  panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.

Definisi gas yaitu suatu keadaan zat dalam ini molekul-molekulnya dapat bergerak sangat bebas, dan dapat mengisi seluruh ruangan yang ditempatinya. Gas adalah suatu fase benda. Seperti cairan, gas mempunyai kemampuan untuk mengalir dan dapat berubah bentuk. Namun berbeda dari cairan, gas yang tak tertahan tidak mengisi suatu volume yang telah ditentukan, sebaliknya mereka mengembang dan mengisi ruang apapun di mana mereka berada. Tenaga gerak/energi kinetis dalam suatu gas adalah bentuk zat terhebat kedua (setelah plasma). Karena penambahan energi kinetis ini, atom-atom gas dan molekul sering memantul antara satu sama lain, apalagi jika energi kinetis ini semakin bertambah.

Hukum kedua termodinamika berpusat pada masalah entropi. Hukum kedua termodinamika bisa dinyatakan sebagai berikut: “Entropi dapat diciptakan tetapi tidak dapat dimusnahkan.” Berdasarkan postulat ini, entropi yang ada pada sebuah proses bisa tetap tidak berubah dan bisa pula naik, namun tidak mungkin berkurang. Entropi hanya bisa tetap tidak berubah pada sebuah proses reversible (s1 = s2).

B.     Tujuan

Tujuan dari praktikum kali ini diantaranya adalah:

1.        Praktikan dapat memahami sistem terisolasi sesuai Hukum Termodinamika ke-2

2.        Praktikan dapat memahami aplikasi sistem terisolasi pada kehidupan sehari-hari

3.        Praktikan mampu menganalisa sistem terisolasi sesuai Hukum Termodinamika ke-2

I.       TINJAUAN PUSTAKA

Termodinamika mempelajari fenomena panas, energi dan kerja yang dilakukan pada suatu proses termodinamika. Dalam hal ini benda menjadi fokus perhatian disebut sistem, sedang yang lainnya disekitarnya disebut lingkungan.

Termodinamika merupakan suatu ilmu pengetahuan yang membahas hubungan antara panas dan kerja yang menyebabkan perubahan suatu zat. Maksudnya apabila suatu zat atau benda diberi panas (suhunya dinaikkan).

Gas adalah zat yang selalu dapat bercampur sempurna satu sama lain membentuk satu fase yang homogen. Jika dicampurkan gas-gas O2, N2, dan CO2 di dalam ruang tertutup, maka akan diperoleh suatu campuran yang homogen, karena tidak terdapat perbedaan secara fisik gas satu dengan yang lain. Secara umum gas dapat dikelompokkan menjadi dua macam golongan, yaitu gas ideal atau gas sempurna dan gas real / nyata atau sejati.

Gas adalah uap secara alami berkaitan dengan pangan dan sistem pengolahan pangan. Diantaranya adalah penggunaan uap air (steam) sebagai media pemanasan, dimana diperlukan pengetahuan tentang sifat-sifat gas tersebut. Demikian juga dalam proses evaporasi atau penguapan air dari bahan pangan akan terjadi perubahan fase dari air menjadi uap, dimana sifat-sifat dari cair dan fase uap akan berbeda.

Sifat-sifat gas dapat dirangkumkan sebagai berikut:

1.         Gas bersifat transparan.

2.         Gas terdistribusi merata dalam ruang apapun bentuk ruangnya

3.         Gas dalam ruang akan memberikan tekanan ke dinding

4.         Volume sejumlah gas sama dengan volume wadahnya. Bila gas tidak diwadahi, volume gas akan menjadi tak hingga besarnya, dan tekanannya akan menjadi tak hingga kecilnya

5.         Gas berdifusi ke segala arah tidak peduli ada atau tidak tekanan luar

6.         Bila dua atau lebih gas bercampur, gas-gas itu akan terdistribusi merata

7.         Gas dapat ditekan dengan tekanan luar. Bila tekanan luar dikurangi, gas akan mengembang

8.         Bila dipanaskan gas akan mengembang, bila didinginkan akan mengkerut.

Teori kinetik zat membicarakan sifat zat dipandang dari sudut momentum. Peninjauan teori ini bukan pada kelakuan sebuah partikel, tetapi diutamakan pada sifat zat secara keseluruhan sebagai hasil rata-rata kelakuan partikel-partikel zat tersebut.

Sifat gas umum sebagai berikut:

1.        Gas mudah berubah bentuk dan volumenya

2.        Gas dapat digolongkan sebagai fluida, hanya kerapatannya jauh lebih kecil.

Hukum kedua termodinamika berpusat pada masalah entropi. Hukum kedua termodinamika bisa dinyatakan sebagai berikut: “Entropi dapat diciptakan tetapi tidak dapat dimusnahkan.” Berdasarkan postulat ini, entropi yang ada pada sebuah proses bisa tetap tidak berubah dan bisa pula naik, namun tidak mungkin berkurang. Entropi hanya bisa tetap tidak berubah pada sebuah proses reversible (s1 = s2). Contoh sebuah proses reversible adalah ayunan bandul teoritis, dimana sama sekali tidak ada friksi yang menghambat ayunan. Dengan demikian, jika bandul diayunkan ke arah kanan sejauh x maka bandul akan kembali ke sebelah kiri sejauh x pula. Namun dalam kenyataannya, proses semacam ini sangat sulit ditemui karena friksi – meski hanya sedikit – pasti akan ada. Dalam kenyataannya, hampir semua proses yang terjadi di alam adalah irreversible. Dalam sebuah proses irreversible, pasti akan terjadi kenaikan entropi (s2 > s1).

Dengan kata lain, dalam sebuah proses reversible, tidak ada perubahan entropi. Adapun dalam sebuah proses irreversible, perubahan entropi tidaklah nol dan pasti bernilai positif.

 

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

A.    Hasil

Diketahui hasil praktikum sebagai berikut:

Kelompok 1 :

P1 = 1 atm = 100 kpa

T1 = 99,9 ⁰C

T2 = 103,2 ⁰C

P2 = 100 . 103,2 = 103,3 kpa

            99,9

Panci terbuka :

Volume uap = 4000 mL – 600

                    = 3400 mL

                    = 3,4 . 10^-3 m³

Volume spesifik

Interpolasi :

101,35-100  = 1,673-x

101,35-70,1 = 1,673-2,36

1,35   = 1,673-x

31,25 = -0,687

0,0432 = 1,673-x

            =-0,687

x          = 1,70

M uap = Volume uap

              Volume spesifik

            = 3,4 x 10^-3

                1,70

            = 2,0 x 10^-3 kg

Panci tertutup

Volume uap = 3,4 x 10^-3 m³

Volume spesifik

Interpolasi

120,8-103,3   = 1,42-x

120,8-101,35 = 1,42-1,673

17,5   = 1,42-x

19,45 = -0,253

-4,4273 = 27,619 – 19,45 x

-32,0465 = -19,45 x

x = 1,647 m³/kg

m uap = V uap

              v uap

            = 3,4 x 10^-3 m³

               1,647 m³/kg

            = 2,06 x 10^-3 kg

Kelompok 2 :

P1 = 1 atm = 100 kpa

T1 = 94,6 ⁰C

T2 = 101,7 ⁰C

P2 = 100 . 101,7 = 107,5 kpa

            94,6

Panci terbuka :

Volume uap = 8000 mL – 800

                    = 7200 mL

                    = 7,2 . 10^-3 m³

Volume spesifik

Interpolasi :

101,35-100  = 1,673-x

101,35-70,1 = 1,673-2,36

1,35   = 1,673-x

31,25 = -0,687

0,0432 = 1,673-x

            =-0,687

x          = 1,70

M uap = Volume uap

              Volume spesifik

            = 7,2 x 10^-3

                  1,70

            = 4,23 x 10^-3 kg

Panci tertutup

Volume uap = 7,2  x 10^-3 m³

Volume spesifik

Interpolasi

120,8-107,5   = 1,42-x

120,8-101,35 = 1,42-1,673

15,3   = 1,42-x

19,45 = -0,253

-3,3649 = 27,619 – 19,45 x

-30,9839 = -19,45 x

x = 1,59 m³/kg

m uap = V uap

              v uap

            = 7,2 x 10^-3 m³

               1,59 m³/kg

            = 4,52 x 10^-3 kg

Kelompok 3 :

P1 = 1 atm = 100 kpa

T1 = 96,3 ⁰C

T2 = 103,3 ⁰C

P2 = 100 . 103,3 = 107 kpa

            96,3

Panci terbuka :

Volume uap = 12000 mL – 1000

                    = 11000 mL

                    = 11 . 10^-3 m³

Volume spesifik

Interpolasi :

101,35-100  = 1,673-x

101,35-70,1 = 1,673-2,36

1,35   = 1,673-x

31,25 = -0,687

0,0432 = 1,673-x

            =-0,687

x          = 1,70

M uap = Volume uap

              Volume spesifik

            = 11 x 10^-3

                  1,70

            = 6,47 x 10^-3 kg

Panci tertutup

Volume uap = 11  x 10^-3 m³

Volume spesifik

Interpolasi

120,8-107   = 1,42-x

120,8-101,35 = 1,42-1,673

13,8   = 1,42-x

19,45 = -0,253

-3,4914 = 27,619 – 19,45 x

-31,1104 = -19,45 x

x = 1,60 m³/kg

m uap = V uap

              v uap

            = 11 x 10^-3 m³

               1,60 m³/kg

            = 6,875 x 10^-3 kg

A.    Pembahasan

Definisi gas yaitu suatu keadaan zat dalam ini molekul-molekulnya dapat bergerak sangat bebas, dan dapat mengisi seluruh ruangan yang ditempatinya. Gas adalah suatu fase benda. Seperti cairan, gas mempunyai kemampuan untuk mengalir dan dapat berubah bentuk.

Gas adalah zat yang selalu dapat bercampur sempurna satu sama lain membentuk satu fase yang homogen. Jika dicampurkan gas-gas O2, N2, dan CO2 di dalam ruang tertutup, maka akan diperoleh suatu campuran yang homogen, karena tidak terdapat perbedaan secara fisik gas satu dengan yang lain. Secara umum gas dapat dikelompokkan menjadi dua macam golongan, yaitu gas ideal atau gas sempurna dan gas real / nyata atau sejati.

Gas ideal adalah keadaan gas yang dianggap sempurna, memiliki sifat tertentu sehingga dapat diterapkan pada teorikinetik gas. Gas ideal adalah suatu gas yang diidekan oleh manusia, secara real gas ideal tidak ditemukan di permukaan bumi. Gas ideal adalah gas yang mematuhi persamaan gas umum dari PV = nRT dan hukum gas lainnya di semua suhu dan tekanan. Gas real pada tekanan di bawah kira-kira dua kali tekanan atmosfer dapat dilakukan sebagai gas ideal. Bahkan dalam hal uap jenuh pada kesetimbangan dengan uap cairnya persamaan keadaan gas ideal bisa dipakai jika tekanan uapnya rendah. Gas nyata tidak mematuhi persamaan gas umum dan hukum gas lainnya di semua kondisi suhu dan tekanan. Semua gas yang diketahui ada sebagai gas nyata dan menunjukkan perilaku yang ideal hanya sampai batas tertentu dalam kondisi tertentu. Ketika PV = nRT untuk gas ideal rasio adalah 1 atau Z = 1.

Kondisi gas ditentuhkan oleh tiga faktor yaitu : tekanan, suhu dan volume. Gas-gas yang kompresibel lebih pada tekanan rendah dan kurang kompresibel pada tekanan tinggi dari yang diharapkan dari perilaku ideal. Penyimpangan dari perilaku gas nyata kurang ideal dengan peningkatan suhu. Dengan demikian, gas nyata menunjukkan perilaku yang ideal pada tekanan rendah dan suhu tinggi.

Kriteria Gas Ideal:

1.        Partikel gas ideal tersebar merata dalam ruang yg sempit, jumlahnya banyak.

2.        Partikel gas ideal bergerak arahnya sembarangan (acak).

3.        Partikel gas memenuhhi hukum newton.

Sifat Gas Ideal :

1.        Molekul-molekul gas merupakan materi bermasa yang di anggap tidak mempunyai volume.

2.        Gaya tarik menarik atau tolak menolak antara molekul di anggap nol.

Termokopel / thermocouple merupakan sensor suhu yang paling sering  atau kebanyakan digunakan pada boiler, mesin press, oven, dan lain sebagainya. Termokopel dapat mengukur temperatur dalam jangkauan suhu yang cukup luas dengan batas kesalahan pengukuran kurang dari 1⁰ C. Termokopel  terdiri dari 2 jenis kawat logam konduktor yang digabung pada ujungnya sebagai ujung pengukuran. Konduktor ini kemudian akan mengalami gradiasi suhu dan dari perbedaan suhu antara ujung termokopel/ujung pengukuran dengan ujung kedua kawat logam konduktor  yang terpisah akan menghasilkan tegangan listrik. Hal ini disebut sebagai efek termo elektrik.

Perbedaan ini umumnya berkisar antara  1 hingga 70 microvolt setiap perbedaan satu derajat celcius untuk kisaran yang dihasilkan dari kombinasi logam modern. Jadi sangat penting untuk di ingat bahwa termokopel hanya mengukur  perbedaan temperatur diantara 2 titik, bukan temperatur absolut. Jadi temokopel tidak bisa digunakan untuk mengukur suhu ruangan karena tidak ada perbedaan antara ujung pengukuran dengan ujung referensi / ujung pada kedua kawat logam.

Termokopel hanya sebuah sensor suhu jadi dalam berbagai aplikasi seperti pada pengaturan suhu boiler, penggunaan termokopel biasanya digabung atau dihubungkan dengan temperatur controller sebagai pembaca dan pengatur temperatur boiler tersebut. Termokopel paling cocok digunakan untuk mengukur rentangan suhu yang luas, hingga 2300°C. Sebaliknya, kurang cocok untuk pengukuran dimana perbedaan suhu yang kecil harus diukur dengan akurasi tingkat tinggi, contohnya rentang suhu 0--100 °C dengan keakuratan 0.1 °C. Untuk aplikasi ini, Termistor dan RTD lebih cocok.

 

Dasar dari hukum kedua termodinamika  terletak pada perbedaan antara sifat alami energi dalam dan energi mekanik mikroskopik. Hukum kedua termodinamika berpusat pada masalah entropi. Hukum kedua termodinamika bisa dinyatakan sebagai berikut: “Entropi dapat diciptakan tetapi tidak dapat dimusnahkan.” Berdasarkan postulat ini, entropi yang ada pada sebuah proses bisa tetap tidak berubah dan bisa pula naik, namun tidak mungkin berkurang. Entropi hanya bisa tetap tidak berubah pada sebuah proses reversible (s1 = s2). Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah.

Interpolasi adalah teknik mencari harga suatu fungsi pada suatu titik diantara 2 titik yang nilai fungsi pada ke-2 titik tersebut sudah diketahui. Volume spesifik pada tekanan 1.537 atm, 1.893 atm, 3.51 atm.
Diketahui P = 1.537 atm = 153.7 kPa
(169.1-153.7)/(169.1-143.3)= (1.04-x)/(1.04-1.21)
15.4/25.8= (1.004-x)/(-0.17)
-2.618 = 26.832 – 25.8 x
x = 1.1415 m3/Kg
Diketahui P = 1.893 atm = 189.3 kPa
( 198.5-189.3)/(198.5-169.1)= (0.892-x)/(0.892-1.04)
9.2/29.4= (0.892-x)/(- 0.148)
-1.361=26.2248-29.4x
x=0.9383 m3/Kg
Diketahui P 3.51 atm = 351 kPa
( 361.3-351)/(361.3-313.0)= (0.509-x)/(0.509-0.582)
10.3/48.3= (0.509-x)/(-0.073)
-0.7519 = 24.5847 -48.3x
X = 0.5246 m3/Kg

Dengan kata lain, tidak semua proses di alam adalah reversible (arahnya dapat dibalik). Jika kita berbaring di atas tumpukan salju, kalor dari tubuh kita akan dapat mencairkan salju, tetapi kita tidak dapat mengambil energi dari salju untuk menghangatkan tubuh kita. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki arah, yaitu dari panas ke dingin. Contoh pengaplikasian hukum termodinamika ke-2 dalam kehidupan sehari-hari seperti misalnya mesin bensin pada mobil dan prinsip-prinsip yang membatasi efisiensinya, mesin pemanas ruang dalam rumah, mesin pendingin seperti air conditioner (AC) maupun kulkas/refrigerator.

Prinsip kerja panci presto adalah menaikan temperatur dengan menaikkan tekanan air dalam panci untuk mempercepat bahan masak dan lebih lunak. Ketika merebus atau mengukus, maka temperatur maksimal rebusan atau kukusan tidak akan lebih dari 100⁰C (pada tekanan atmosfer) selama masih terdapat air. Untuk menaikkan temperatur rebusan ini, kita perlu menaikkan tekanan air dalam panci, sehingga temperatur rebusan juga akan naik.

Interpolasi adalah teknik mencari harga suatu fungsi pada suatu titik diantara 2 titik yang nilai fungsi pada ke-2 titik tersebut sudah diketahui.

Pada praktikum kali ini, kami melakukan dua kali percobaan. Percobaan pertama menggunakan panci terbuka, sedangkan percobaan kedua menggunakan panci presto tertutup. Pada praktikum kali ini kami mengukur suhu air mendidih dengan menggunakan termokopel. Waktu yang diperlukan pada perbusan dengan keadaan panci terbuka, dibutuhkan waktu yang lebih lama dibandingkan dengan panci tertutup. Dengan kondisi panci yang tertutup air akan lebih cepat mendidih karena panas yang dialirkan dari sumbu ke panci akan terjebak dan menyebar dengan rata, hal ini menyebabkan tekanan lebih tinggi sehingga air lebih cepat mendidih.

Hasil praktikum kali ini menunjukan air lebih cepat mendidih dengan panci presto yang tertutup dibandingkan dengan panci presto yang terbuka. Rata-rata dari pengukuran suhu yang kita peroleh air mendidih pada suhu di sekitar 90 ⁰C – 104 ⁰C dengan rentan waktu 7 menit - 19 menit. Keadaan tersebut membuktikaan bahwa air lebih cepat mendidih pada kondisi panci tertutup. Meskipun adakalanya terjadi kesalahan pada alat termokopel sehingga air lebih cepat mendidih pada keadaan panci terbuka dibandingkan panci tertutup. Akan tetapi secara keseluruhan air lebih cepat mendidih pada keadaan panci presto tertutup.

Dalam pelaksanaan praktikum tidak semuanya dapat berjalan sesuai dengan rencana, tak terkecuali pada praktikum kali ini. Pada praktikum kali ini kami menemukan beberapa kendala seperti, ke eroran termokopel, minimnya ketersediaan alat praktikum praktikum, waktu yang praktikum yang terlalu singkat.  Waktu praktikum yang singkat serta terbatasnya fasilitas menyebabkan praktikum berjalan kurang efesien, dan terhambat. Tidak semua praktian dapat melakukan pengukuran suhu secara langsung.

V.    KESIMPULAN DAN SARAN

A.    Kesimpulan

                  Kesimpulan yang dapat ditarik dalam praktikum kali ini adalah sebagai berikut:

1.        Gas adalah zat yang selalu dapat bercampur sempurna satu sama lain membentuk satu fase yang homogen.

2.        Gas ideal adalah keadaan gas yang dianggap sempurna, memiliki sifat tertentu sehingga dapat diterapkan pada teorikinetik gas.

3.        Termokopel / thermocouple merupakan sensor suhu yang paling sering  atau kebanyakan digunakan pada boiler, mesin press, oven, dan lain sebagainya.

4.        Dengan kondisi panci yang tertutup air akan lebih cepat mendidih karena panas yang dialirkan dari sumbu ke panci akan terjebak dan menyebar dengan rata, hal ini menyebabkan tekanan lebih tinggi sehingga air lebih cepat mendidih.

B.     Saran

Praktikum sudah berjalan dengan lancar namun pengkondisian peserta praktikum belum otimal dan penyediaan alat praktikum juga masih sangat kurang.

DAFTAR PUSTAKA

Arstiyan Rasmiarso. Pemodelan Aspek Termodinamika Pengisian Tanki Gas Hidrogen. Skripsi, Jurusan Teknik Fisika, Universitas Gadjah Mada,

Yogyakarta, 2010.

Diktat termodinamika Dasar. Oleh : Ir. Sudjito, PhD. , Ir. Saifuddin Baedoewie, Agung Sugeng W., ST., MT.

Legiyon stephanus,2007.fisika sma.PT Grasindo:jakarta.

Giancoli, D. C.1997.Fisika .erlangga :jakarta

Nurachmadani setya,2007.fisika sma.gumunggung surakarta.

http://termodinamika_fisika.php. Diakses pada tanggal 12 November 2014.