Materi, Soal, dan Aplikasi Termodinamika

Apakah yang dimaksud dengan Termodinamika ?

Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari tentang kalor dan usaha mekanik pada suatu system (contoh : gas)

Salah satu penerapan konsep termodinamika dalam teknologi

Kesetimbangan kalor terjadi jika tidak ada pertukaran kalor antara kedua benda tersebut saat bersentuhan. Kondisi ini hanya dapat dicapai jika suhu kedua benda tersebut sama.

B. Besaran-besaran dalam Termodinamika

Usaha (W)

Menentukan Usaha (W) dapat dilakukan dengan rumus atau dengan Grafik P-V

1.Dengan rumus

W = p∆V= p(V₂ – V₁)                     Keterangan :

W = Usaha (J)

P = Tekanan (N/m²/Pa)

∆V = perubahan V, (V₂ – V₁)

 2.Dengan Grafik P-V

W = luas daerah arsir

        Gas memuai → W (+)

       W = luas daerah arsir

       Gas menyusut → W (-)

     W = LUAS ABCD = ∆P . ∆V

 

 Gas mengalami siklus

 Hukum ke-0 Termodinamika

Jika benda A berada dalam kesetimbangan kalor dengan benda B dan benda B berada dalam kesetimbangan kalor dengan benda C, maka benda A berada dalam kesetimbangan kalor dengan benda C.

Hukum ke-1 Termodinamika

Hukum pertama termodinamika beranggapan bahwa energy bersifat kekal

Artinya :

Kalor yang diterima digunakan untuk membuat perubahan energy dalam /∆U, dimana ∆U = Ek =  3/2 kT dan untuk melakukan usaha W

 

Hukum ke-2 Termodinamika

Hukum kedua termodinamika berisi pernyataan tentang proses yang dapat / tidak dapat terjadi di alam dan tentang aliran kalor yang memiliki arah.

Hukum ini dijelaskan oleh 2 rumusan

1. Rumusan Clausius

Agar kalor dapat mengalir dari reservoir (sumber bersuhu rendah ke tinggi), diperlukan W dari luar.

2. Rumusan Kelvin – Planck

Kalor yang masuk tidak mungkin jadi usaha W seluruhnya, sebagian besar terbuang jadi Q2

Mesin Carnot

Di alam, tidak ada mesin yang berefisiensi sempurna, tetapi ada 1 mesin yang dirancang ideal. → ɳ – nya tinggi (mesin carnot). Karena ɳ tinggi → Q sebanding dengan T, sehingga Q₂/Q₁ = T₂/T₁.

Diagram P-V mesin Carnot

 

Besaran-besaran yang sering ditanyakan dalam mesin carnot adalah usaha (W), kalor yang dimasukkan (Q1), kalor yang terbuang (Q2), efisiensi mesin, suhu (T). Beberapa rumus di bawah ini adalah sebagian rumus cepat yang bisa digunakan untuk menyelesaikan soal terkait siklus carnot.

Contoh Soal Termodinamika

1. Proses yang dilakukan sebuah gas pada ruang tertutup ditampilkan pada grafik P-V di bawah ini:

Besar usaha yang dilakukan gas per siklus adalah ….

1. 0,12 J
2. 0,60 J
3. 1,20 J
4. 6,00 J
5. 12,0 J

2. Suatu mesin Carnot yang bekerja pada suatu reservoir suhu rendah 300 K memiliki efisiensi 50 %. Agar efisiensinya naik menjadi 80 %, reservoir suhu tinggi harus dinaikkan menjadi….

1. 400 K
2. 600 K
3. 900 K
4. 1000 K
5. 1500 K

3. Volume suatu piston berubah dari 2 m³ menjadi 6 m³ pada tekanan 1 atm. Besarnya usaha yang dilakukan sistem adalah ….

1. 100 kJ
2. 200 kJ
3. 400 kJ
4. 500 kJ
5. 600 kJ

Belajar materi Gelombang dalam Fisika

Berdasarkan medium perambatannya, gelombang dikelompokkan menjadi dua, yaitu gelombang mekanik dan gelombang elektromagnetik. Gelombang mekanik yaitu gelombang yang memerlukan medium di dalam perambatannya. Contoh gelombang mekanik antara lain: gelombang bunyi, gelombang permukaan air, dan gelombang pada tali. Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang tidak memerlukan medium dalam perambatannya. Contoh gelombang elektromagnetik : cahaya, gelombang radio, gelombang TV, sinar – X, dan sinar gamma.
 
1. GELOMBANG MEKANIK

A. Terjadinya Gelombang
Gelombang terjadi karena adanya usikan yang merambat.Menurut konsep fisika, cerminan gelombang merupakan rambatan usikan, sedangkan mediumnya tetap. Jadi, gelombang merupakan rambatan pemindahan energi tanpa diikuti pemindahan massa medium.

Klik gambar untuk lihat animasinya

B. Pengertian Gelombang Mekanik
Gelombang mekanik adalah gelombang yang memerlukan medium dalam perambatannya.
Contoh gelombang mekanik :
- Gelombang yang terjadi pada tali jika salah satu ujungnya digerak-gerakkan.

- Gelombang yang terjadi pada permukaan air jika diberikan usikan padanya ( misal dengan menjatuhkan batu di atas permukaan air kolam yang tenang ).

C. Gelombang Transversal
Gelombang transversal adalah gelombang yang arah rambatannya tegak lurus arah getarannya ( usikannya ).
Perhatikan ilustrasi berikut ini !

Klik gambar untuk lihat animasinya

Contoh gelombang transversal :
- getaran sinar gitas yang dipetik
- getaran tali yang digoyang-goyangkan pada salah satu ujungnya

A. Gelombang Longitudinal
Gelombang longitudinal adalah gelombang yang arah rambatannya sejajar dengan arah getarnya ( arah usikannya )

Perhatikan ilustrasi berikut ini !

Contoh gelombang longitudinal :
- gelombang pada slinki yang diikatkan kedua ujungnya pada statif kemudian diberikan usikan pada salah satu ujungnya

- gelombang bunyi di udara

1. Panjang Gelombang
A. Pengertian Panjang Gelombang
Panjang satu gelombang sama dengan jarak yang ditempuh dalam waktu satu periode.
1) Panjang gelombang dari gelombang transversal
Perhatikan ilustrasi berikut!

Klik gambar untuk lihat animasinya

Pada gelombang transversal, satu gelombang terdiri atas 3 simpul dan 2 perut. Jarak antara dua simpul atau dua perut yang berurutan disebut setengah panjang gelombang atau ½ λ (lambda),
2) Panjang gelombang dari gelombang longitudinal
Perhatikan ilustrasi berikut !

Pada gelombang longitudinal, satu gelombang (1l) terdiri dari 1 rapatan dan 1 reggangan.

B. Cepat Rambat Gelombang
Jarak yang ditempuh oleh gelombang dalam satu sekon disebut cepat rambat gelombang. Cepat rambat gelombang dilambangkan dengan v dan satuannya m/s atau m s^-1. Hubungan antara v, f, λ, dan T adalah sebagai berikut :

Keterangan :
λ= panjang gelombang , satuannya meter ( m )
v = kecepatan rambatan gelombang, satuannya meter / sekon ( ms^-1 )
T = periode gelombang , satuannya detik atau sekon ( s )
f = frekuensi gelombang, satuannya 1/detik atau 1/sekon ( s^-1 )

2. Pemantulan Gelombang
Jika gelombang melalui suatu rintangan atau hambatan, misalnya benda padat, maka gelombang tersebut akan dipantulkan. Pemantulan ini merupakan salah satu sifat dari gelombang.
Berikut ini adalah contoh pemantulan pada gelombang tali

Pemantulan ujung terikat

Pemantulan ujung bebas

Pemantulan gelombang pada ujung tetap akan mengalami perubahan bentuk atau fase. Akan tetapi pemantulan gelombang pada ujung bebas tidak mengubah bentuk atau fasenya.
Contoh Soal :
1. Dalam 1 sekon dihasilkan gelombang seperti gambar di bawah ini

a. berapakah frekuensi gelombang tersebut?
b. Bila jarak PQ = 2 cm, maka berapakah ?
Penyelesaian :
Menurut gambar, gelombang yang terjadi sebanyak 2 gelombang. Berarti, f = 2 gelombang / sekon atau f = 2 Hz.
Pada gambar terjadi 2 gelombang ( 2λ ). Jadi 2 λ= 2 cm atau λ= 1 cm.
2. Seutas tali yang panjangnya 8 m direntangkan lalu digetarkan. Selama 2 sekon terjadi gelombang seperti pada gambar berikut! Tentukan λ, f, T, dan v.

Penyelesaian :
Dari gambar terjadi gelombang sebanyak 4 λ.
Berarti : 4λ= 8 m sehingga λ = 8/4 = 2 m
Selama 2 sekon terjadi 4 λ atau selama 1 sekon terjadi 2λ
Jadi, f = 2 gelombang / sekon atau f = 2 Hz
T = 1/f = ½ sekon sehingga v =λ f = 2 m x 2 Hz = 4 m s^-1

Susunan anggota tata surya

Tata surya terdiri atas Matahari, planet dan satelit-satelitnya. Selain itu, terdapat asteroid, meteor, dan komet. Menurut seorang ahli Astronomi bernama Nicolaus Copernicus, Matahari merupakan pusat tata surya, sedangkan benda-benda langit lainnya dalam keluarga tata surya beredar mengelilingi Matahari, dengan garis edar (orbit) berbentuk ellips. Hipotesis Copernicus ini dikenal dengan Paham Heliosentris. Planet mengelilingi Matahari dalam orbit (garis edar) yang berbeda.

Susunan anggota tata surya adalah sebagai berikut : 

1. Matahari 
Matahari adalah sebuah bintang yang berada di antara sekitar 100.000.000.000 bintang lain dalam galaksi Bima Sakti. Massa Matahari merupakan bola gas pijar, terdiri atas Hidrogen (H) (sekitar 80%), Helium (He) (19%), dan sisanya merupakan gabungan unsur-unsur Oksigen (O2), Magnesium (Mg), Nitrogen (N), Silikon (Si), Karbon (C), Belerang (S), Besi (Fe), Natrium (Na), Kalsium (Ca), Nikel (Ni), dan beberapa unsur mikro lainnya yang persentasenya kecil.  Suhu di permukaan Matahari diperkirakan sekitar 5.000°C– 6.000°C, sedangkan pada bagian intinya mencapai 14.000.000°C. Suhu Matahari yang sangat tinggi ini berasal dari reaksi nuklir maha dahsyat yang mengubah inti Hidrogen menjadi Helium. Suhu di permukaan Matahari ini cukup untuk memanasi dan mem berikan kehidupan makhluk di Bumi yang jaraknya sekitar 150 juta kilometer. Menurut pengamatan para ahli astronomi, diameter (garis tengah) Matahari diperkirakan sekitar 1.400.000 km atau lebih dari 100 kali ukuran bola Bumi.  
Bagian-bagian matahari yaitu :      -Inti, Memiliki tekanan 200 miliar kali tekanan permukaan bumi membuat ion hidrogen berfungsi menjadi helium.     
-Zona radiasi, Merupakan zona pantulan energi yang berasal dari inti sebelum muncul ke permukaan.     -Zona konveksi, Energi dari zona radiasi memasuki lapisan gas yang lebih dingin di zona konveksi. Gas yang panas naik ke permukaan, kemudian menurun dan jatuh kembali menjadi arus konveksi yang bergolak.     
-Fotosfer, Sebagian sinar Matahari yang terlihat berasal dari fotosfer yang tebalnya sekitar 300–400 km.     
-Kromosfer, Lapisan bawah atmosfer berisi gas menyala seperti kawah pijar.     
-Prominensa, Letusan besar dari korona (lidah api) yang meluas ke luar puluhan ribu kilometer, mempunyai hubungan yang sama dengan gangguan pada magnetik Matahari.  

2. Planet dan Satelit Alam 
Pada awalnya dalam sistem tata surya (solar system) terdapat sembilan planet. Namun, sejak diselenggarakannya pertemuan International Astronomical Union (IAU) ke-26 di Praha, Republik Ceko, pada 24 Agustus 2006 disepakati bahwa terdapat delapan planet dalam sistem tata surya. Delapan planet tersebut beredar mengelilingi Matahari dengan periode revolusi yang berbeda. Kedelapan planet tersebut yaitu Merkurius, Venus, Bumi, Mars, Yupiter, Saturnus, Uranus, dan Neptunus.  Pluto yang sebelumnya masuk ke dalam gugusan planet dalam tata surya hanya disetarakan dengan objek-objek kecil tata surya dengan garis orbit yang sudah pasti. Pusat Planet Minor (MPC) telah mendaftarkan bekas planet kesembilan itu sebagai asteroid ke-134340.  Secara umum planet-planet dalam tata surya dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu:      
a. Planet dalam (inferior), yang lintasannya berada di antara lintasan Bumi dengan Matahari meliputi planet Merkurius dan Venus;     

b. Planet luar (superior), planet yang lintasannya berada di luar lintasan Bumi meliputi planet Mars, Yupiter, Saturnus, Uranus, dan Neptunus.  Adapun yang menjadi pembatas antara keduanya adalah garis edar planet Bumi. 

3. Komet Komet lebih dikenal dengan istilah bintang berekor yang senantiasa datang mengunjungi Matahari dan keluarganya secara periodik. Sebagian besar tubuh komet dibentuk oleh berbagai gas, termasuk Sianogen (CN), Karbon (C), Karbon monoksida (CO), Nitrogen (N2), Hidroksil (OH), dan Nitrogen Hidrid (NH). Berdasarkan sifat fisiknya, tubuh komet terdiri atas dua bagian, yaitu inti dan ekor.  Pada suatu titik dalam orbitnya, sebuah komet akan berada paling dekat dengan Matahari. Titik ini disebut perihelion. Titik berlawanan dalam orbit ini yaitu yang terjauh dari Matahari, disebut afelion. Komet Halley berada di perihelion pada 1910. Pada 1948, komet ini berada di aphelion  Komet mengedari Matahari dengan bidang orbit yang berbeda-beda. Ada yang berbentuk elips sangat pipih, parabola, bahkan hiperbola. Pada saat komet sangat dekat dengan Matahari sebagian partikel-partikel tubuhnya mencair karena panas Matahari dan membentuk ekor yang semakin dekat Matahari, ekor komet tersebut semakin panjang. Adapun pada saat jaraknya jauh dari Matahari hampir semua bagian tubuhnya membeku sehingga tidak terdapat lagi ekor. 
Beberapa contoh komet yang pernah dilihat oleh manusia antara lain sebagai berikut:      
Komet Halley, Komet ini kali pertama ditemukan oleh Edmund Halley (1656–1742). Komet Halley adalah komet yang terpanjang lintasannya dan muncul setiap 76 tahun sekali.     

Komet Encke, Komet ini ditemukan oleh Johann Franz Encke (1791–1865). Komet ini muncul setiap 3,3 tahun sekali.     

Komet Biella, Komet ini muncul setiap 6,5 tahun satu kali. Biella pernah terlihat pada tahun 1832 dan 1986.  

4. Meteor 
Benda langit anggota tata surya lainnya adalah Meteor. Meteor adalah benda langit di angkasa baik terdiri atas senyawa logam maupun batuan. Jika meteor masuk ke dalam atmosfer Bumi, akan terjadi gesekan yang sangat kuat antara massa meteor dan partikel-partikel atmosfer. Gaya gesek ini mengakibatkan meteor terbakar sehingga terlihat dari Bumi sebagai bintang yang jatuh dari angkasa. Jika meteor sampai ke permukaan Bumi, dinamakan meteorit.  Benturan atau tumbukan yang sangat kuat antara meteorit yang jatuh dengan permukaan bumi, dapat mengakibatkan terjadinya cekungan muka Bumi menyerupai kawah. Seperti pernah terjadi di daerah Winslow Arizona, Amerika Serikat, yang dikenal dengan Barringer Crater. 

5. Asteroid 
Asteroid adalah benda-benda langit kecil sejenis planet yang tersebar di antara orbit planet Mars dan Yupiter, yaitu kira-kira 500 juta kilometer dari Matahari dari Bumi. Asteroid tampak bersinar karena benda ini sama seperti planet, menerima dan memantulkan cahaya Matahari. Beberapa contoh asteroid adalah Trojan, Apollo, dan Cerres.

Massa jenis zat padat, cair, dan gas

Materi Fisika SMP kelas 7

Materi kali ini adalah mengenal massa jenis suatu zat, kita akan mencoba memahami apa sebenarnya massa jenis itu. Dan bagaiman kita mengetahui massa jenis suatu zat.

Kamu tentu pernah minum air es atau es teh. Perhatikan, mengapa es batu selalu mengapung dalam air? Pernahkah kamu mencampur air dan minyak tanah? Mengapa minyak tanah selalu berada di atas air? Semua logam tenggelam di air, tetapi kayu atau gabus terapung di air. Apa yang menyebabkan semua ini? 

Kita bisa mengamati hal hal ini dengan mengambil 2 buah kantong yang masing-masing diisi dengan pasir dan kapas. Dalam kantong tersebut diisi pasir dan kapas dengan massa yang sama. Atau kita bisa melakukan hal yang berlawanan di mana masing-masing kanton diisi dengan pasir dan kapas tapi kali ini dengan volume yang sama. Apa yang terjadi??

Dengan memperhatikan hasil kegiatan percobaan tadi, diskusikan kembali tentang permisalan dua kantong plastik ukuran sama yang diisi kapas dan pasir, ketika kamu membahas massa. Meskipun volumenya sama, yaitu satu kantong plastik, ternyata pasir memiliki massa yang lebih besar dibanding kapas. Berdasarkan hal ini, dikatakan Massa Jenis pasir lebih besar daripada massa jenis kapas. Massa Jenis merupakan perbandingan antara massa dan volume.

Massa jenis benda sering disebut dengan kerapatan benda dan merupakan ciri khas setiap jenis benda. Massa Jenis tidak tergantung pada jumlah benda. Apabila jenisnya sama maka nilai massa jenisnya juga sama. Misalnya, setetes air dan seember air mempunyai nilai massa jenis sama yaitu 1 gram/cm^3. Berbagai logam memiliki nilai Massa Jenis besar dikarenakan atom-atom dalam susunan molekulnya memiliki kerapatan yang besar. Gabus atau sterofoam mempunyai Massa Jenis kecil karena susunan atom-atom dalam molekulnya memiliki kerapatan kecil.

Massa jenis dilambangkan dengan simbol ρ (dibaca rho), salah satu huruf Yunani.

Keterangan:

ρ = Massa Jenis (kg/m^3 atau g/cm^3)

m = massa benda (kg atau gram)

V = volume benda m^3 atau cm^3)

Tabel berbagai Massa Jenis zat

Dari tabel tersebut dapat diketahui bahwa kerapatan logam tertentu seperti platina atau emas jauh lebih besar dibandingkan zat-zat lainnya. Massa jenis berbagai zat berbeda-beda walaupun benda-benda tersebut jumlah atau volumenya sama. Massa Jenis zat yang umum digunakan sebagai patokan adalah Massa Jenis air dan Massa Jenis raksa. Massa Jenis air dalam wujud cair, yaitu 1000 kg/m^3 atau 1 g/cm^3, sedangkan raksa atau mercury memiliki Massa Jenis 13.600 kg/m^3 atau 13,6 g/cm^3.


Important : 1000 kg/m^3 = 1 g/cm^3