Konsep Usaha atau Kerja Protoype Kapal Uap dan Hukum I Termodinamika
I.
PENDAHULUAN
A.
Latar Belakang
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. Sistem dipisahkan dari lingkungan oleh dinding pembatas.
Proses termodinamika terjadi pada sistem
yang bergerak dari suatu keadaan kesetimbangan ke kesetimbangan lainnya, dengan
berinteraksi dengan lingkungan. Bila suatu
zat diubah dari keadaan 1 ke 2 kemudian panas (Q) dan kerja (W) yang dilakukan
diukur, ternyata selisih Q-W sama untuk semua lintasan yang menghubungkan 1
dengan 2. Selisih Q-W menyatakan perubahan energi
dalam zat tersebut. Jadi :
dQ = dU + dW
Q = DU + W
Q - W
= U2 - U1
Besarnya
harga Q dan W tergantung pada lintasan sedangkan U tidak ter gantung pada lintasan (jenis proses) dan hanya dan hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem.
Persamaan
diatas menyatakan hukum ke-1 Termodinamika, dengan perjanjian :
Q (+) bila
kalor masuk sistem/gas
Q (-) bila
kalor keluar sistem/gas
W (+) bila
sistem/gas melakukan kerja
W(-) bila
sistem/gas dikenai kerja
∆U (+)
energi dalam sistem/gas naik
∆U (-)
energi dalam sistem/gasturun
B.
Tujuan
Tujuan dari praktikum kali ini diantaranya adalah:
1.
Praktikan memahami
bentuk perubahan energi kalor
2.
Praktikan dapat
memahami konsep Usahan atau Kerja dari Energi Kalor
3.
Praktikan dapat
memeahami aplikasi Hukum I Termodinamika
4.
Praktikan mampu
menganalisis sistem Hukum I Termodinamika
I.
TINJAUAN PUSTAKA
Hukum
pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari
kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk
perpindahanenergi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini
berbunyi: “Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding
dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan
kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya”. Kata lainnya yaitu
bahwa energi tidak dapat diubah dari suatu
bentuk ke bentuk lainnya, dan juga energi tidak dapat
diciptakan maupun dimusnahkan (Hukum Termodinamika I).
Hukum
termodinamika pertama ini berbicara mengenai hukum universal dari kekekalan
energi. Energi adalah kemampuan untuk melakukan
kerja. Terdapat banyak bentuk energi dan
semuanya dapat saling berubah bentuk. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa jumlah total energi di alam selalu konstan sama.
Berdasarkan
hukum kekekalan energy, maka hukum termodinamika 1 dirumuskan:
AU = Q + W
Dengan : AU = U2-U1
Jadi, Hukum pertama termodinamika adalah prinsip
kekekalan energi yang
dihasilkan pada kalor, usaha, dan energi dalam.
Hukum 1 termodinamika menyatakan bahwa kalor yang terlibat diubah menjadi
perubahan energi dalam dan
usaha.
Sebagai gagasan dasar dinyatakan
bahwa energi dapat disimpan di dalam suatu sistem dalam berbagai bentuk makroskopik. Energi juga dapat dikonversi dari satu bentuk ke bentuk lain
dan dipindahkan antar sistem.
III.
METODOLOGI
A. Alat dan Bahan
Alat dan bahan
yang digunakan dalam praktikum ini adalah :
1.
Prototype Perahu Uap
2.
Lilin
3.
Stop Watch/Jam
4.
Styrofoam
5.
Kardus
6.
Air
7.
Kolam
8.
Korek Api
9.
Alat Tulis
B. Prosedur Kerja
1.
Siapkan alat dan bahan
yang dibutuhkna
2.
Rakit prototype perahu
uap
3.
Masukan air separuh
volume kaleng prototype
4.
Nyalahkan lilin dan hitung
waktu yang dibutuhkan
5.
Hitung kebutuhan kalor
(Q)
6.
Ukur perpipndahan
tempat prototype
7.
Hitung kerja atau
usaha yang digunakan (W)
8.
Dan hitung energi
dalam pada sistem
W = F . s
= m . a . s
W = Usaha atau Kerja
F = Gaya
S = Perpindahan
m = Massa
a = Percepatan (m/s2)
Q = m . c . DT
= M . Uair
Q = Kalor (joule)
M = Massa
C = Kalor jenis air 4.200 joule/kg 0C
DT = Perubahan suhu (t2-t1)
U = Kalor uap air 2.268.000 joule/kg
du = d Q - dW
du = Jumlah energi dalam
dQ = Jumlah energi kalor
dW = Jumlah usaha / kerja
dQ = Q air + Q uap
Massa air = massa total-massa kaleng
C = 1 kalori/gram
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
A.
Hasil
Diketahui hasil praktikum sebagai berikut:
Hasil praktikum kelompok 1:
Massa kaleng kosong : 22,07 gram
Massa gabus dan lilin : 17,42 gram
Massa kaleng terisi : 110,54 gram
Waktu pertama bergerak : 4 menit
Banyak pergerakan 6 kali dengan waktu 10,27 menit = 627 s
Panjang lintasan = 36 x 6 =216 cm = 2,16 m
Massa total = massa kaleng terisi + massa gabus dan lilin
= 110,54 + 17,42
= 127,96 gram = 127,96 x 10-3kg
Massa = massa kaleng isi – massa kaleng kosong
= 110,54 – 22,07
= 88, 47 gram = 88,47 x
10-3kg
a =
a =
a =
a =
W = F. s
W = m.a.s
W = 127, 96 x 10-3 . 5,49 x 10-6 m/s2 . 2,16
= 1,52 x 10-6 joule
Qair = m . c . DT
= 88,47 x10-3 x
4200 x 69
= 25638,606 joule
Q uap = m.Uair
= 88,47 x 10-3
. 2268000
= 200649,96 joule
dQ = Q air + Q uap
= 25638,606 + 200649,96
= 226288,566
du = d Q - dW
= 226288,566 – 1,52 x 10-6
= 226288,566 joule
Hasil praktikum kelompok 2 :
Massa kaleng kosong : 20,80 gram
Massa gabus dan lilin : 17,59 gram
Massa kaleng terisi : 139,38 gram
Waktu mendidih : 370 s
Panjang lintasan = 1,75 m
Massa total = massa kaleng terisi + massa gabus dan lilin
= 156,97 gram = 156,97 x 10-3kg
Massa = massa kaleng isi – massa kaleng kosong
= 118, 78 gram = 118,78
x 10-3kg
W = F. s
W = m.a.s
W =
= 4,712 x 10-7 joule
Qair = m . c . DT
= 0,11878 x 4200 x 69
= 34422,44 joule
Q uap = m.Uair
= 0,11878 . 2268000
= 226939,04 joule
du = d Q – dW
= Qair + Quap - W
= ( 34422,44 + 269393,04 )–
4,7 x 10-7
= 303815,48 joule
Hasil praktikum kelompok 3 :
Massa kaleng kosong : 22,33 gram
Massa gabus dan lilin : 7,42 gram
Massa kaleng terisi : 134,42 gram
Waktu mendidih : 244 s
Panjang lintasan = 559 cm
Massa total = massa kaleng terisi + massa gabus dan lilin
= 141,84 gram
Massa = massa kaleng isi – massa kaleng kosong
= 112,09 gram
W = F. s
W = m.a.s
W =
= 8,18 x 10-6 joule
Qair = m . c . DT
= 112,09 x 10-3
x 4200 x 69
= 32483,68 joule
Q uap = m.Uair
=112,09 x 10-3 .
2268000
= 26422012 joule
du = d Q – dW
= Qair + Quap - W
= ( 132483,68 + 254220,12 )–
8,18 x 10-6
= 286703,8 joule
Hasil praktikum kelompok 4 :
Massa kaleng kosong : 19,83 gram
Massa gabus dan lilin : 14,13 gram
Massa kaleng terisi : 129,64 gram
Waktu mendidih : 334,2 s
Panjang lintasan = 3505 cm
Massa total = massa kaleng terisi + massa gabus dan lilin
= 143,77 gram
Massa = massa kaleng isi – massa kaleng kosong
= 112,09 gram
W = F. s
W = m.a.s
W =
= 2,4025 x 10-6 joule
Qair = m . c . DT
= 0,10981 x 4200 x 69
= 31822,938 joule
Q uap = m.Uair
=0,10981 . 2268000
= 249049,08 joule
du = d Q – dW
= Qair + Quap - W
= ( 31822,938+ 249049,08 )– 2,4025 x 10-6
= 280872,018 joule
Hasil praktikum kelompok 5 :
Massa kaleng kosong : 49,66 gram
Massa gabus dan lilin : 17,83 gram
Massa kaleng terisi : 105,069 gram
Waktu mendidih : 120,4 s
Panjang lintasan = 126 cm
Massa total = massa kaleng terisi + massa gabus dan lilin
= 122,95 gram
Massa = massa kaleng isi – massa kaleng kosong
= 55,40 gram
W = F. s
W = m.a.s
W =
= 1,832 x 10-6 joule
Qair = m . c . DT
= 55,40 x 10-3 x
4200 x 69
= 16054,92 joule
Q uap = m.Uair
=55,40 x 10-3
. 2268000
= 125647,2 joule
du = d Q – dW
= Qair + Quap - W
= ( 125647,4 + 16054,92 )– 1,832 x 10-6
= 141702,12 joule
B.
Pembahasan
Hukum
termodinamika pertama ini berbicara mengenai hukum universal dari kekekalan
energi. Energi adalah kemampuan untuk melakukan
kerja. Terdapat banyak bentuk energi dan
semuanya dapat saling berubah bentuk. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa jumlah total energi di alam selalu konstan sama.
Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Kita hanya dapat
mengubah bentuk energi, dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang
lain. Apabila suatu sistem diberi kalor, maka kalor tersebut akan digunakan
untuk melakukan usaha luar dan mengubah energi dalam.
Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa :
Untuk setiap proses, apabila
kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi
perubahan energi dalam DU = Q-W.
Pada praktikum kali ini kami melakukan percobaan
dengan menggunakan prototype kapal uap yang dibuat dari kaleng minuman ringan,
styrofoam, lilin, kawat kecil. Prinsip kerja prototype kapal uap adalah merubah
energi panas menjadi energi kinetik (gerak). Panas yang di bersumber dari lilin
dialirkan melalui kaleng yang berisi air, apabila air mendidih maka akan
terjadi perubahan energi yaitu energi panas yang berasal dari air yang mendidih
menimbulkan uap, uap yang keluar dari kaleng menyebabkan prototype kapal uap
bergerak. Hal inilah yang disebut perubahan energi dari energi panas menjadi
energi gerak.
Pada praktikum kali ini ada lima
kelompok yang melakukan percobaan. Percobaan kelompok pertama dengan massa air
88,47 gram, air mendidih pada waktu 4 menit dengan panjang lintasan 216 cm,
menghasilkan usaha sebesar 1,52 x 10-6
joule, kalor air sebesar 25638,606 joule dan kalor uap sebesar 200649,96 joule. Dari hasil kalor
air dan kalor uap didapatkan energi dalam sebesar 226288,566 joule. Sedangkan
pada percobaan kelompok 2 dengan massa air sebesar 118,78 gram, air mendidih
pada 370 s dengan panajang lintsan 175 cm, menghasilkan usaha sebesar 4,712 x 10-7 joule, kalor air sebesar 34422,44 joule dan kalor uap sebesar 226939,04
joule. Dari hasil kalor air dan kalor uap didapatkan energi dalam sebesar
303815,48 joule. Pada percobaan kelompok
3 dengan massa air sebesar 112,33 gram, air mendidih pada 244 s dengan panajang
lintsan 559 cm, menghasilkan usaha sebesar 8,18 x 10-6 joule, kalor air sebesar 32483,68 joule dan kalor uap sebesar 25422012
joule. Dari hasil kalor air dan kalor uap didapatkan energi dalam sebesar 286703,8 joule. Sedangkan pada percobaan kelompok 4
dengan massa air sebesar 109,81 gram, air mendidih pada 334,2 s dengan panajang
lintsan 3505 cm, menghasilkan usaha sebesar 2,4025 x 10-6 joule, kalor air sebesar 31822,938 joule dan kalor uap sebesar 249049,08
joule. Dari hasil kalor air dan kalor uap didapatkan energi dalam sebesar
280872,018 joule. Pada percobaan
kelompok 5 dengan massa air sebesar 55,40 gram, air mendidih pada 120,4 s
dengan panajang lintsan 126 cm, menghasilkan usaha sebesar 1,832 x 10-6 joule, kalor air sebesar 16054,92 joule dan kalor uap sebesar 125647,2
joule. Dari hasil kalor air dan kalor uap didapatkan energi dalam sebesar
141702,12 joule.
Meskipun praktikum dilakukan pada waktu yang sama dan menggunakan alat
yang sama pula, dari kelima kelompok tersebut didapatkan hasil usaha yang
berbeda-beda. Selain hasil usaha yang berbeda-beda, kalor air dan kalor uapnya
pun berbeda-beda serta jarak yang mampu ditempuh oleh prototype juga
berbeda-beda.
Dari hasil percobaan
tersebut diperoleh data usaha yang berbeda-beda, hal tersebut dipengaruhi oleh
beberapa faktor diantaranya adalah sebagai berikut:
1.
Massa air, semakin banyak massa air didalam kaleng maka akan semakin lama
air mendidih. Uap yang dihasilkan dari air yang mendidihlah yang mampu menggerakan
prototype kapal uap.
2.
Percepatan, percepatan diperoleh dari jarak dibagi waktu di kuadratkan.
Jarak yang ditempuh oleh prototype dan lamanya waktu yang digunakan berpengaruh
pada besar kecilnya usaha.
3.
Jarak, berpengaruh pada kecepatan dan usaha yang dilakukan prototype.
Selain faktor diatas ada beberapa faktor yang berpengaruh pada usaha yang
dilakukan prototype yaitu, angin, besar kecilnya nyala lilin. Angin berpengaruh
pada kecepatan laju prototype, karena angin dapat mengganggu nyala lilin yang
berakibat nyala lilin semakin besar maupun semakin kecil. Nyala lilin akan
berpengaruh pada cepat lambatnya air mendidih, semakin besar nyala lilin maka
akan semakin cepat air mendidih, ketika air mendidih akan menghasilkan uap air
dan uap air akan menggerakan prototype.
Ada berbagai implementasi yang menggunakan prinsip hukum termodinamika I,
alat tersebut ada yang digunakan dalam kehidupan sehari-hari yaitu:
1.
Mesin kendaraan bermotor.
Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan
sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian
campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder dan gas buangan keluar
sstem melalui kenalpot.
2.
Kereta api dengan tenaga uap
Pada kereta uap terdapat prinsip hukum termodinamika I, karena kereta uap
bergerak dengan prinsip perubahan energi dari energi panas yang dihasilkan oleh
batu bara/kayu bakar menjadi energi gerak (kinetik) yang menyebabkan kereta api
bergerak.
3.
Termos
Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum termodinamika I
dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang dugunakan
sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa
udara diantara tabung bagian dalam dan luar.
V. KESIMPULAN DAN
SARAN
A. Kesimpulan
Dari praktikum
kali ini dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut :
1.
Energi tidak dapat diciptakan dan
tidak dapat dimusnahkan
2. Faktor-faktor yang mempengaruhi besar kecilnya
usaha yang dilakukan prototype adalah percepatan, jarak, massa, angin, nyala
lilin.
3. Implementasi dari hukum termodinamika I dalam
kehidupan sehari-hari adalah mesin bermotor, kereta api dengan tenaga uap dan
termos.
B.
Saran
Praktikum sudah
berjalan dengan lancar akan tetapi penjelasan mengenai praktikum masih terlalu
cepat dan sedikit membingungkan. Pada praktikum kali ini perakitan prototype
kurang rapi dan alat-alat yang digunakan mudah mengalami kerusakan.
DAFTAR PUSTAKA
Ahmad, Yuri. 2011.
Konsep Dasar Termodinamika. http://ml.scribd.com/doc/55929073/makalah-termodinamika Brady, James E. Kimia Universitas, terj. Anas, Kamianti,
dkk.
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.
Young,
Hugh D dan Roger A. Freedman. 2002. “Fisika
Universitas/edisi kesepuluh/Jilid 1. Jakarta : Erlangga.
Komentar
Posting Komentar