1
ii KATA PENGANTAR Assalamu'alaikum warahmatullahi wabarakatuh Puji syukur kita panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan karuniaNya sehingga penulis dapat menyusun modul bahan ajar ini. Modul bahan ajar ini disusun dengan tujuan untuk membantu peserta didik dalam memahami materi pembelajaran dengan lebih mudah dan menyenangkan. Selain itu modul ini juga dilengkapi dengan pembelajaran kemampuan sosial emosional beserta latihan-latihan praktis yang dapat membantu memperkuat kemampuan sosial emosional Anda. Saya berharap modul bahan ajar ini dapat menjadi media yang efektif dalam proses pembelajaran dan membantu Anda dalam meraih kesuksesan dalam pendidikan Anda. Meskipun modul ini dirancang dengan penuh perhatian dan dedikasi, saya mengakui bahwa tidak ada modul yang sempurna dan mungkin ada kekurangan dalam modul ini. Oleh karena itu, saya sangat menghargai umpan balik kalian tentang bagaimana kami dapat memperbaiki modul ini agar lebih membantu kalian dalam mengembangkan kemampuan sosial emosional kalian. Terima kasih kepada semua pihak yang telah membantu dalam penyusunan modul ini, semoga Allah SWT senantiasa memberikan keberkahan dan keberhasilan bagi kita semua. Wassalamu'alaikum warahmatullahi wabarakatuh. Penulis Aulia Afifatur Rasyidah
iii DAFTAR ISI KATA PENGANTAR.............................................................................................. ii DAFTAR ISI............................................................................................................iii DAFTAR GAMBAR................................................................................................ v PETA KONSEP ...................................................................................................... vi PENDAHULUAN .................................................................................................... 1 A. Capaian Pembelajaran................................................................................. 1 B. Alur Tujuan Pembelajaran .......................................................................... 1 C. Petunjuk Penggunaan Modul ...................................................................... 2 D. Lambang yang Harus Dipahami.................................................................. 3 Ayo Belajar 1......................................................................................................................... 4 Pembelajaran Sosial Emosional............................................................................................. 4 A. Perilaku Mikroskopis Gas ...................................................................................... 4 1. Hukum Boyle......................................................................................................... 5 2. Hukum Charles dan Gay- Lussac .......................................................................... 5 3. Hukum Gas Ideal ................................................................................................... 5 Contoh Soal ........................................................................................................................... 7 Ayo Berlatih .......................................................................................................................... 8 Pembelajaran Sosial Emosional ............................................................................................. 9 B. Usaha....................................................................................................................... 10 1. Usaha pada Tekanan Tetap (Isobar) .................................................................... 11 2. Usaha pada Suhu Tetap (Isotermal)..................................................................... 11 3. Usaha pada Volume Tetap (Isokhorik)................................................................ 12 4. Usaha pada Proses Adiabatik............................................................................... 13 Contoh Soal ......................................................................................................................... 14 Ayo Berlatih ........................................................................................................................ 15 Pembelajaran Sosial Emosional........................................................................................... 16 Ayo Belajar 2....................................................................................................................... 17 A. Hukum I Termodinamika..................................................................................... 17 B. Hukum I Termodinamika pada Berbagai Proses Termodinamika .................. 17 1. Isotermal (Suhu Tetap ) ....................................................................................... 17 2. Isokhorik (Volume Tetap) ................................................................................... 18 3. Isobarik ( Tekanan Tetap).................................................................................... 18
iv 4. Adiabatik ............................................................................................................. 18 C. Hukum II Termodinamika ....................................................................................... 18 1. Pengertian Siklus................................................................................................. 19 2. Siklus Carnot ....................................................................................................... 19 3. Mesin Pendingin ( Referigator) .......................................................................... 21 Contoh Soal Hukum I Termodinamika............................................................................... 22 Contoh Soal Hukum II Termodinamika .............................................................................. 23 Ayo Berlatih ........................................................................................................................ 24 Rangkuman.......................................................................................................................... 25 Pembelajaran Sosial Emosional........................................................................................... 28 Evaluasi ............................................................................................................................... 29 KUNCI JAWABAN........................................................................................................... 32 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................ 33
v DAFTAR GAMBAR Gambar 1. Robet Boyle ..................................................................................................... 5 Gambar 2. Sebuah Tabung yang Diisi Gas ..................................................................... 10 Gambar 3.Usaha pada Tekanan Tetap............................................................................. 11 Gambar 4. Usaha pada Proses Suhu Tetap..................................................................... 11 gambar 5. Usaha pada Volume Tetap ............................................................................. 12 Gambar 6. Usaha pada proses Adiabatik......................................................................... 13 Gambar 7. Mesin Pemanas Siklus Carnot....................................................................... 19 Gambar 8. Prinsip kerja refrigrator untuk menyerap panas dari tandon dingin diperlukan usaha dari luar....................................................................................................... 21
vi PETA KONSEP Persamaan Keadaan Gas Perilaku Mikroskopis Gas Hukum Boyle Hukum Charles dan Gay-Lussac Hukum Gas Ideal Usaha Usaha pada Tekanan Tetap Usaha pada Suhu Tetap Usaha pada Volume Tetap Usaha pada Proses Adiabatik Hukum Termodinamika Hukum 1 Termodinamika Hukum ke 2 Termodinamika Siklus Carnot Mesin Kalor Refrigerator
1 PENDAHULUAN A. Capaian Pembelajaran B. Alur Tujuan Pembelajaran Modul ini terbagi menjadi dua kegiatan pembelajaran dan di dalamnya terdapat uraian materi, rangkuman materi, latihan soal dan alat evaluasi pembelajaran. Kegiatan pertama dilaksanakan 2 jam pembelajaran dan kegiatan kedua 2 jam pembelajaran. Alur Alokasi Waktu Ruang Lingkup Materi Tujuan Pembelajaran 1. 2 JP 1. Perilaku Mikroskopis Gas a. Hukum Boyle b. Hukum Charles dan Gay-Lusac c. Hukum Gas Ideal 2. Mempelajari Usaha pada Proses Termodinamika 1. Melalui pembelajaran Problem Based Learning, peserta didik mampu menerapkan konsep perilaku mikroskopis gas dan prinsip usaha pada setiap proses termodinamika dengan tepat 2. 2 JP 1. Hukum Termodinamika a. Hukum I Termodinamika b. Hukum II Termodinamika 2. Melalui pembelajaran Problem Based Learning peserta didik mampu menerapkan konsep dan prinsip hukum I termodinamika dan hukum II termodinamika, setelah itu peserta didik bersama kelompok membuat poster mengenai alat/ mesin yang cara kerjanya menggunakan hukum II termodinamika dengan tepat. Pemahaman Fisika : Peserta didik mampu menerapkan prinsip dan konsep kalor dan termodinamika dengan berbagai perubahannya dalam mesin kalor. Ketrampilan Proses : Membuat karya / model penerapan Hukum II dan II Termodinamika dan makna Fisisnya dalam bentuk poster
2 C. Petunjuk Penggunaan Modul Agar kalian bisa memahami modul ini secara tuntas, maka bacalah modul ini secara runtut dengan langkah- langkah sebagai berikut : 1. Pelajari dan pahami peta materi yang disajikan modul untuk memberikan gambaran yang apa yang akan dipelajari 2. Pahami beberapa lambang pada modul ini. 3. Pahami capaian pembelajaran untuk mengetahui apa yang harus dikuasai dalam proses pembelajaran. 4. Pahami alur tujuan pembelajaran yang disajikan modul untuk mengetahui alur proses pembelajaran materi. 5. Modul ini disajikan pembelajaran sosial emosional, pahami alur pembelajarannya untuk bisa menerapkannya. 6. Pelajari setiap materi pada modul dengan baik 7. Pelajari contoh penerapan soal dan kerjakan latihannya 8. Diskusikan dengan teman materi yang belum dipahami
3 D. Lambang yang Harus Dipahami Berisi tujuan pembelajaran yang akan dipelajari oleh peserta didik. Ayo Belajar Pembelajaran Sosial Emosional Berisi pembelajaran sosial-emosional, peserta didik diharapkan mencoba menerapkan dalam proses belajar Berisi latihan soal Ayo Berlatih Berisi soal Evaluasi -soal yang dapat dikerjakan secara mandiri Contoh Soal Rangkuman Berisi ringkasan materi pada bab yang sudah dipelajari Berisi contoh penerapan soal
4 ISI MODUL A. Perilaku Mikroskopis Gas Pada kerapatan massa yang cukup rendah, semua jenis gas ternyata mempunyai perilaku yang bisa dikatakan serupa. Hal ini telah dibuktikan secara eksperimental. Perilaku tidak bergantung pada peubah-peubahnya, antara lain tekanan (P), volume gas (V), suhu temperatur (T),dan jumlah partikel (n). Segala macam gas yang memenuhi syarat keadaan seperti ini kemudian akan disebut sebagai gas ideal. Banyak cara yang dapat dilakukan untuk memperoleh sistem gas agar memenuhi sifat gas ideal. Salah satunya adalah dengan menempatkan gas sejati pada ruang yang memenuhi volume cukup besar. Ayo Kita Pelajari □ Perilaku Mikroskopis Gas □ Mempelajari Usaha pada Proses Termodinamika Ayo Belajar 1 Mengapa Penting ? Mempelajari materi ini dapat membantu kamu untuk memahami konsep perilaku mikroskopis gas dan prinsip usaha pada setiap proses termodinamika dengan tepat Manajemen Diri Sebelum melakukan aktivitas belajar, lingkari gambar di bawah ini untuk mengekspresikan bagaimana perasaanmu saat ini Selanjutnya mari kita lakukan kegiatan relaksasi dengan cara scan barcode di bawah ini. Pembelajaran Sosial Emosional
5 1. Hukum Boyle 2. Hukum Charles dan Gay- Lussac Dua fisikawan Prancis bernama Jacques Charles (1746-1823) dan Joseph Louis GayLussac (1778-1850) secara terpisah berhasil menemukan hubungan antara suhu gas dan volumenya ketika tekanan gas dijaga tetap. Mereka menunjukan bahwa suhu (T) gas selalu sebanding dengan volumenya (V), yaitu V T atau dapat dituliskan dengan (saat p konstan) (2) Jika volume (V) dalam bejana tertutup dijaga konstan, maka tekanan gas (P) sebanding dengan suhu (T) mutlaknya.Persamaan tersebut dapat ditulis (saat V kontan) (3) 3. Hukum Gas Ideal Karena menyatakan perilaku pada bahan sejenis, hukum Boyle dan hukum Charles serta Gay- Lussac dapat disatukan dalam sebuah pernyataan matematis berikut (4) Gambar 1. Robet Boyle (1627-1691) Sumber : https://images.app.goo.gl/4py3C EKBaExqsYnW7 Orang pertama kali melakukan penyelidikan secara seksama mengenai perilaku gas di bawah variasi suhu (T), tekanan (P), dan perubahan volume (V) adalah seorang kimiawan Inggris yang bernama Robert Boyle (1627-16910). Pada tahun 1662, Boyle menemukan kenyataan bahwa tekanan gas selalu berbanding terbalik terhadap volume gas ketika temperatur dijaga tetap. Perilaku ini terpenuhi oleh setiap gas yang mendekati sifat gas ideal. Selanjutnya perilaku gas tersebut dinamakan sebagai hukum Boyle. Pernyataan di atas dapat dinyatakan secara matematis sebagai (1) 1 P V PV konstan konstan V T konstan pV T konstan P T
6 Persamaan (3) terpenuhi pada sembarang temperatur, tekanan, dan volume gas. Ketika temperature dibuat tetap, persamaan di atas tereduksi kembali menjadi hukum Boyle. Begitu juga ketika tekanan gas dibuat tetap, persamaan di atas akan kembali tereduksi menjadi hukum Charles dan Gay-Lussac. Berdasarkan persamaan (3) apabila gas dapat diatur sedemikian rupa sehingga tekanan dan temperatur tetap. Dengan demikian, suku kostanta tersebut akan bergantung pada volume gas. Akibatnya, kostanta tersebut sebanding dengan jumlah molekul penyusun gas (N), pV kNT . Secara matematis dapat dituliskan dalam bentuk (5) Persamaan ini disebut juga persamaan keadaan gas ideal dengan k merupakan tetapan kesebandingan yang disebut tetapan Boltzman yang bernilai (6) pV kNT k = 1,380 x 10-23 J/K
7 Sejumlah gas berada dalam wadah volumeya nya 6 liter, tekanan 2 atm, dan suhu 27 ºC. Tentukan : a. Volume jika gas dimampatkan pada tekanan konstan sehingga sunya menjadi 227 ºC b. Tekanan gas jika dimuaikan sehingga mencapai dua kali semula dan suhunya dijaga konstan c. Tekanan gas bila suhu dinakan menjadi 627ºC dan volumenya 4 kali semula. Penyelesaian : Diketahui : V : 6 Liter P1 : 2 atm T1 : 27 + 273 : 300 K a. Menghitung V2 apabila T2 = 227 + 273= 500K pada proses tekanan tetap/ Isobarik (P1=P2) 1 2 1 2 2 1 2 1 6 500 10 300 V V V T V liter T T T b. Menghitung P2 bila V2= 2V1 = 12 liter pada proses suhu tetap / isotermik (T1= T2 ) 1 1 1 1 2 2 2 2 6 1atm 12 PV PV PV V c. Menghitung P2 bila T2 = 627 + 273 = 900 K, dan V2 = 4 V1 = 24 liter 1 1 2 2 1 1 2 2 1 2 1 2 2 6 900 1,5 24 300 PV PV PV T P atm T T TV Contoh Soal
8 1. Sebuah silinder berisi udara yang berada pada suhu 22ºC dan volume 5 liter. Silinder dilengkapi piston yang bebas bergerak sehingga menjamin tekanan di dalamnya selalu konstan. Berapa volume di udara jika suhunya dinaikan menjadi 140ºC. 2. Sejumlah gas ideal berada pada suhu 327ºC. Jika tekanannya dinaikkan sebesar 50 % dari semula, dan gas dimampatkan sehingga volumenya tinggal sepertiga kali semula, tentukan suhu gas pada keadaan akhir! Ayo Berlatih Jawaban
9 Pembelajaran Sosial Emosional Selamat, Anda sudah berusaha untuk memahami materi fisika mengenai perilaku mikroskopis gas, dan Anda juga sudah berusaha untuk mengerjakan soal-soal latihan. Kegiatan selanjutnya Anda mencoba untuk membangun kesadaran diri dengan cara menuliskan refleksi pengalaman yang hari ini Anda lakukan. Selamat Mencoba
10 B. Usaha Kita sudah mempelajari usaha di kelas X semester dua, dimana usaha adalah suatu dorongan yang menyebabkan benda berpindah. Apabila kita melakukan usaha pada sistem berti kita memindahkan tenaga kita ke sistem . Pada materi ini kita akan membahas mengenai usaha pada gas. Perhatikan Gambar (1) sebuah tabung yang terpasang dengan rapat, tutup tabung bisa digeser, kita asumsikan tidak ada gesekan. Tabung berisi gas. Bila tutup tabung kita gerakkan maka volume akan berubah, tekanan atau suhu, atau keduanya akan berubah, sesuai dengan persamaan keadaan gas. Begitu juga dengan gambar tabung di atas. Jika diberi kalor dari bawah maka suhunya berubah. Gambar 2. Sebuah Tabung yang Diisi Gas berdasarkan gambar tersebut, luas piston atau penghisap adalah A. Piston dapat bergeser sebesar ds, ds bisa ke atas atau ke bawah. Tekanan dalam tabung dapat menggerakan piston, apabila diatur suhunya dengan cara dipanasi, maka tekanan semakin tinggi dan gas akan mengembang secara perlahan serta memberikan tekanan pada tutup tabung. Gaya yang diberikan gas pada tutup tabung adalah PA, dengan A adalah luas tutup. Jika tutup bergeser sejauh ds maka usaha yang dilakukan gas pada tutup yaitu dW adalah: (7) Dari persamaan gas (7) kita tahu perubahan P akan diikuti V atau T atau keduanya. Demikian juga perubahan V akan diikuti perubahan T, V atau keduanya. Kita bisa mengatur agar salah satu dari besaran V, P atau T konstan. Kita bisa mengetahui keadaan gas dengan mengetahui dua besaran. Misalkan kedua besaran itu adalah P dan V, maka kita dapat menyatakan keadaan gas dengan diagram P berbanding V. Tiap titik pada diagram menyatakan keadaan tertentu dari gas. dW Fds PAdx PdV
11 1. Usaha pada Tekanan Tetap (Isobar) Yaitu proses yang berlangsung pada tekanan tetap (tekanan sama). Grafik tekanan gas (P) terhadap volume (V) adalah sebagai berikut : Gambar 3.Usaha pada Tekanan Tetap Dari grafik di atas pada tekanan yang sama (P1 = P2), volume gas berubah dari V1 menjadi V2. Usaha yang dilakukan gas pada proses isobar adalah : (8) Keterangan : W : Usaha gas (J) P : Tekanan gas (Pa) V1 : Volume gas mula-mula (m3 ) V2 : Volume gas akhir (m3 ) 2. Usaha pada Suhu Tetap (Isotermal) Yaitu proses yang berlangsung pada suhu tetap (suhu sama). Grafik tekanan gas (P) terhadap volume (V) adalah sebagai berikut : Gambar 4. Usaha pada Proses Suhu Tetap 2 1 W P V P V V ( ) Atau W= Luas daerah yang diarsir □ Jika V2 > V1 maka usaha yang dihasilkan positif, artinya gas melakukan usaha □ Jika V2 < V1 maka usaha yang dihasilkan negatif, artinya gas menerima usaha
12 tekananya berubah dari P1 menjadi P2. Usaha yang dilakukan gas pada proses isothermal adalah : (9) Keterangan : n : mol R: tetapan gas umum R = 8314 J/KmolºK T: suhu gas (K) 3. Usaha pada Volume Tetap (Isokhorik) Yaitu proses yang berlangsung pada volume tetap (volume sama). Grafik tekanan gas (P) terhadap volume (V) adalah sebagai berikut : Dari grafik di atas pada volume yang sama (V1 = V2), tekanan gas berubah dari P1 menjadi P2. Usaha yang dilakukan gas pada proses isovolume adalah sama dengan nol. (10) Keterangan : W : Usaha gas (J) P : Tekanan gas (Pa) V1 : Volume gas mula-mula (m3 ) V2 : Volume gas akhir (m3 ) 2 1 lnV W nRT V gambar 5. Usaha pada Volume Tetap 2 1 W P V P V V ( ) 0
13 4. Usaha pada Proses Adiabatik Yaitu proses perubahan keadaan gas dimana tidak ada kalor yang masuk maupun kalor yang keluar dari sistem (Q = 0). Grafik tekanan gas (P) terhadap volume (V) adalah sebagai berikut : Gambar 6. Usaha pada proses Adiabatik Dari grafik di atas pada suhu yang sama (T1 = T2), volume gas berubah dari V1 menjadi V2 dan tekananya berubah dari P1 menjadi P2. Usaha yang dilakukan gas pada proses adiabatik adalah : (11) Karena tekanan sama dan suhu berubah dari T1 menjadi T2, maka berlaku hukum Poisson : (12) Keterangan : tetapan laplace 1 2 1 1 2 2 3 2 atau 1 ( ) 1 W nR T T W PV PV 1 1 2 2 ( 1) ( 1) 1 1 2 2 PV PV atau TV T V
14 1. Berapa usaha yang dibutuhkan untuk memampatkan sejumlah gas dari volume 3 liter menjadi 1 liter, jika dilakukan pada tekanan tetap sebesar 4 atm ( 1 atm = 105 ) 2. Perhatikan gambar di bawah ini , berapa besar usaha yang dilakukan oleh sistem gas untuk lintasan ABC (1 siklus)? Pembahasan : 1.Pada soal nomor satu terdapat kata kunci pada tekanan tetap , maka persamaan yang digunakan dalam mengerjakan soal tersebut adalah Diketahui : (Sistem menerima usaha) 2. Soal nomor dua merupakan jenis soal usaha dengan tipe grafik, untuk mengerjakan jenis soal tersebut, untuk mencari besarnya usaha bisa menggunakan luas dibawah grafik. a. Siklus A ke B Apabila kita Tarik ke bawah membentuk bangun persegi panjang, maka besar WAB = Panjang x Lebar = (4-1) ( 2.106 ) = 6. 106 Joule b. Siklus B ke C tidak mengalami perubahan volume , maka V2-V1 = 0 maka besarnya usaha pada siklus B ke C adalah nol Besar usaha total adalah Wtotal =WAB + WBC = 6. 106 Joule + 0 = 6.106 Joule Contoh Soal
15 1. Sejenis gas berada dalam wadah yang volumenya 1 liter dan tekanan 2 atm (anggap 1 atm = 105 Pa). Tentukan usaha yang terjadi jika a. Gas memuai pada tekanan tetap , sehingga volumenya menjadi dua kali semula. b. Gas dimampatkan pada tekanan tetap sehingga volumenya menjadi setengah kali semula 2. Perhatikan gambar di bawah ini,berapa besar usaha yang dilakukan oleh sistem gas untuk lintasan P ke Q Ayo Berlatih Jawaban
16 Pembelajaran Sosial Emosional
17 A. Hukum I Termodinamika “Sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha (W) yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk mengubah energi dalam. Secara matematis dapat dituliskan sebaga berikut. (13) Dengan ketentuan, jika B. Hukum I Termodinamika pada Berbagai Proses Termodinamika 1. Isotermal (Suhu Tetap ) Perubahan energi dalam pada proses ini sama dengan nol sehingga persamaan matematisnya menjadi. 2 1 0 0 ln U Q W U Q W Q W V Q nRT V (14) Q U W ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Sistem menerima kalor Sistem melepas kalor Sistem melakukan usaha Sistem menerima usaha Terjadi penambahan energi dalam Terjadi penurunan energi dalam Q Q W W U U Ayo Kita Pelajari □ Hukum I Termodinamika □ Hukum II Termodinamika Ayo Belajar 2 Mengapa Penting ? Mempelajari materi ini dapat membantu kamu untuk memahami konsep dan prinsip hukum 1 termodinamika dan hukum 2 termodinamika, setelah itu peserta didik bersama kelompok membuat poster mengenai alat/ mesin yang cara kerjanya menggunakan hukum 2 termodinamika
18 2. Isokhorik (Volume Tetap) Usaha pada proses isokhorik bernilai nol sehingga persamaannya seperti berikut 0 0 U Q W W U Q U Q (15) 3. Isobarik ( Tekanan Tetap) Usaha pada proses isobarik adalah W= P(V2-V1) sehingga hukum I Termodinamika menghasilkan persamaan berikut. 2 1 2 1 U Q W W P V V ( ) U Q P V V (16) 4. Adiabatik Pada proses ini Q = 0 sehingga persamaannya seperti berikut. 2 1 1 2 0 1 ( ) 1 1 ( ) 1 U Q W Q U W W U W nR T T W nR T T (17) C. Hukum II Termodinamika Bunyi hukum II Termodinamika: “Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang lebih dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan usaha” Penjelasan hukum II Termodinamika sebagai berikut : a. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus , menerima kalor dari satu reservoir dan mengubah kalor seluruhnya menjadi usaha.
19 b. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus dengan mengambil kalor dan reservoir yang mempunyai suhu rendah dan memberikannya ke reservoir suhu tinggi tanpa usaha dari luar. c. Mesin yang bekerja di antara reservoir suhu T1 dan reservoir suhu T2 ( T1 > T2 ) memiliki efisiensi maksimum. Untuk memahami materi tentang penerapan hukum II termodinamika lebih lanjut, simak materi berikut. 1. Pengertian Siklus Siklus adalah serangkaian proses yang dimulai dari suatu keadaan awal dan berakhir pada keadaan yang sama dengan keadaan awalnya. Agar dapat melakukan usaha terus menerus, sistem harus bekerja dalam satu siklus. 2. Siklus Carnot Berdasarkan dari gambar 7. Dalam siklus Carnot terjadi empat siklus berikut. a. Pemuaian secara isotermal (a-b) Gas menyerap kalor Q1 pada temperatur T1 . Suhu sistem sama dengan suhu reservoir panas sehingga disebut proses isotermal. Gas memuai dan melakukan usaha pada penghisap. Karena energi dalam tetap, maka usaha yang dilakukan pada sistem sama dengan kalor yang diserap. b. Pemuaian secara adiabatik (b-c) Beban penghisap dikurangi sehingga gas memuai menurut proses adiabiatik . Terjadi pengurangan energi dalam dan suhu sistem menurun sampai dengan suhu pada reservoir dingin T2. c. Pemampatan secara isothermal ( c-d) Gas mengalami penyusutan secara isotermal dengan membuang kalor Q2 pada reservoir dingin pada temperatur T2 sehingga usahanya negatif ( usaha dilakukan pada sistem). d. Pemampatan secara adiabatik (d-a) Beban penghisap ditambah sehingga gas menyusut menurut proses adiabtik. Terjadi penambahan energi dalam dan suhu naik sampai sama dengan suhu reservoir panas T1 . Energi dalam gas kembali seperti pada awal siklus. Gambar 7. Mesin Pemanas Siklus Carnot
20 Usaha pada mesin pemanas Carnot : W= Q1-Q2 Karakteristik mesin Carnot dinyatakan dengan efesiensi mesin ( ) yaitu perbandingan antara usaha yang dilakukan dengan kalor yang diserap. Secara matematis ditulis sebagai berikut. 1 1 2 1 2 1 100% 100% 1 100% W Q Q Q Q Q Q (18) Efisensi suatu mesin kalor jenis apapun selalu lebih kecil dari efisiensi mesin ideal atau mesin Carnot, Kalor (Q) sebanding (T) sehingga pesersamaan dapat ditulis sebagai berikut. 1 1 2 2 Q T Q T Sehingga efisiensi juga dapat dituliskan sebagai berikut : 2 1 1 100% T T (19) Keterangan : 1 1 2 2 1 2 Efesiensi Carnot (%) Kalor yang diserap dari reservoir T ( ) Kalor yang dibuang pada reservoir T ( ) Suhu tinggi (K) Suhu rendah (K) Q Joule Q Joule T T
21 3. Mesin Pendingin ( Referigator) Refrigerator adalah mesin panas yang kerjanya berlawanan dengan sistem panas. Pada refrigerator usaha diberikan pada mesin untuk menyerap panas dari tandon dingin dan memberikan pada tandon panas. Mesin pendingin merupakan perlatan yang bekerja berdasarkan aliran kalor dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem. Contoh mesin pendingin : lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (AC). Skema kerja mesin pendingin atau refrigertor ditunjukkan pada Gambar berikut . Kita mengusahakan sebanyak mungkin kalor Qd yang dipindahkan dengan melakukan kerja sekecil mungkin. Gambar 8. Prinsip kerja refrigrator untuk menyerap panas dari tandon dingin diperlukan usaha dari luar Mesin pendingin mempunyai koefesien daya guna (koefesien performasi )yang besarnya: 2 2 2 1 2 1 2 P Q Q T K W Q Q T T (20) Keterangan : 2 2 1 1 1 2 Koefesien performasi mesin pendingin Kalor yang diserap dari reservoir suhu T Kalor yang diberikan dari reservoir suhu T Usaha yang diperlukan (Joule) Suhu tinggi (K) Suhu rendah (K) KP Q Q W T T
22 jadi 1. Suatu sistem gas menyerap kalor sebanyak 500 J, sehinggaa energi dalamnya bertambah sebanyak 300 J. Berapakah kerja yang terlibat pada kasus ini ? apakah sistem melakukan atau dikenai kerja ? 2. Dalam suatu proses adiabatik sejumlah gas dikenai kerja 400 J oleh lingkungan. Tentukan berapa perubahan energi dalam sistem, naik atau turunkah suhu sistem 3. Sejumlah gas melakukan kerja 300 J terhadap lingkungan. Jika pada saat yang sama energi dalamnya berkurang sebanyak 100 J. Tentukan a. Kalor yang dipertukarkan antara sistem dengan lingkungannya b. Apakah sistem menyerap atau melepas kalor. Jawab : 1. Gas menyerap kalor, maka kalor bernilai positif Q(+), energi terjadi penambahan maka perubahan energi dalam ( ) bernilai positif. Sehingga kerja yang dilakukan dapat dicari dengan menggunakan persamaan Usaha bernilai positif maka sistem melakukan kerja. 2. Proses yang terjadi adalah proses adiabatic dimana nilai perubahan energi dalam adalah Maka besarnya perubahan energi dalam bernilai –(-400)= 400 J, hal ini dikarenakan usaha dikenai kerja maka nilai usaha bernilai negatif (W(-)). Terjadi penurunan suhu. 3. Sejumlah gas melakukan kerja, berarti usaha bernilai positif (W(+)), selanjutnya energi dalam terjadi penurunan, maka nilai ( ) bernilai negatif, maka besarnya nilai kalor adalah Sistem menyerap kalor. Contoh Soal Hukum I Termodinamika
23 1. Mesin Carnot bekerja dengan reservoir suhu 300K dan 600K serta bisa menyerap kalor sebanyak 500kJ. Berapa kalor yang terbuang dari mesin Carnot? 2. Pada grafik P-V mesin Carnot berikut diketahui reservoir suhu tinggi 2000K dan suhu rendah 400K Berapakah besar efesiensi yang bekerja pada mesin tersebut Pembahasan : Diketahui : 2. Diketahui : T1=2000K, T2=400K, = ? 1. T1= 600K, T2= 300K, Q1= 500 Kj, Q2= ? 1 1 2 2 2 2 2 400 600 300 (400)(300) 600 200 Q T Q T Q Q kJ Q 2 1 1 100% 400 1 100 % 2000 2000 400 100 % 2000 1600 100% 80% 2000 T T Contoh Soal Hukum II Termodinamika
24 1. Anggap volume ban kendaraan selalu tetap untuk variasi suhu yang kecil. Bila pada pagi hari energi dalam gas dalam ban 70 J dan siang hari menjadi 80 J. Berapa banyak kalor yang diserap oleh udara dalam ban ? 2. Ketika reservoir tinggi pada suatu mesin ideal suhunya 440K, mesin mempunya efisiensi 25 % . Berapa kenaikan suhu pada reservoir tinggi agar didapatkan efisiensi Carnot 50% ( Kenaikan suhu= suhu akhir – suhu mula-mula) 3. Grafik P-V dari sebuah siklus Carnot terlihat seperti gambar berikut! Jika kalor yang di lepas ke lingkungan 3000 J, maka kalor yang diserap sistem adalah……. 4. Sebuah kulkas memiliki koefesien performasi 6,0. Jika suhu ruang di luar kulkas adalah 28ºC, berapa suhu paling rendah di dalam kulkas yang dapat diperoleh? Ayo Berlatih
25 □ Robret Boyle mengemukakan bahwa perilaku mikroskopis gas yaitu tekanan gas selalu berbanding terbalik terhadap volume gas ketika temperatur dijaga tetap. Perilaku ini terpenuhi oleh setiap gas yang mendekati sifat gas ideal □ Hukum Charles Gaylussac menyatakan bahwa suhu (T) gas selalu sebanding dengan volumenya (V), yaitu V T atau dapat dituliskan dengan □ Gas ideal merupakan gas yang memiliki karakteristik apabila gas dapat diatur sedemikian rupa sehingga tekanan dan temperatur tetap. Dengan demikian, suku kostanta tersebut akan bergantung pada volume gas. Akibatnya, kostanta tersebut sebanding dengan jumlah molekul penyusun gas (N), pV kNT . Secara matematis dapat dituliskan dalam bentuk □ Usaha pada tekanan tetap (Isobarik) merupakan usaha yang terjadi apabila tekanan yang sama (P1 = P2), volume gas berubah dari V1 menjadi V2. Usaha yang dilakukan gas pada proses isobar adalah : □ Usaha pada volume tetap ( Isokhorik) merupakan usaha yang terjadi apabila volume yang sama (V1 = V2), tekanan gas berubah dari P1 menjadi P2. Usaha yang dilakukan gas pada proses isovolume adalah sama dengan nol. Rangkuman Rangkuman 1 P V PV konstan konstan V T pV kNT 2 1 W P V P V V ( ) Atau W= Luas daerah yang diarsir Atau W= Luas daerah yang diarsir 2 1 W P V P V V ( ) 0
26 □ Usaha pada suhu tetap (Isotermal) merupakan usaha yang terjadi apabila suhu tetap dan tekananya berubah dari P1 menjadi P2. Usaha yang dilakukan gas pada proses isothermal adalah : □ Usaha pada proses adiabatik merupakan usaha yang terjadi apabila proses perubahan keadaan gas dimana tidak ada kalor yang masuk maupun kalor yang keluar dari sistem (Q = 0).persamaannya dapat dituliskan □ Hukum I Termodinamika berbunyi sejumlah kalor (Q) yang diterima dan usaha (W) yang dilakukan terhadap suatu gas dapat digunakan untuk mengubah energi dalam. Secara matematis dapat dituliskan sebaga berikut. □ Siklus adalah serangkaian proses yang dimulai dari suatu keadaan awal dan berakhir pada keadaan yang sama dengan keadaan awalnya. Agar dapat melakukan usaha terus menerus, sistem harus bekerja dalam satu siklus. 2 1 lnV W nRT V 1 2 1 1 2 2 3 2 atau 1 ( ) 1 W nR T T W PV PV Q U W
27 □ Karakteristik mesin Carnot dinyatakan dengan efesiensi mesin ( ) yaitu perbandingan antara usaha yang dilakukan dengan kalor yang diserap. Secara matematis ditulis sebagai berikut. □ Mesin pendingin merupakan perlatan yang bekerja berdasarkan aliran kalor dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem. □ Mesin pendingin mempunyai koefesien daya guna (koefesien performasi )yang besarnya: 1 1 2 1 2 1 100% 100% 1 100% W Q Q Q Q Q Q 2 1 1 100% T T 2 2 2 1 2 1 2 P Q Q T K W Q Q T T
28 Pembelajaran Sosial Emosional Pembelajaran Sosial Emosional
29 Pilihlah salah satu jawaban yang tepat 1. Gas dipanaskan pada tekanan tetap sebesar 3 atm. Suhunya diubah dari 47ºC menjadi 127ºC, jika volume mula-mula 20 L, tentukan nilai volume akhir A. 25 L B. 24 L C. 23 L D. 20 L E. 21 L 2. Sebuah tangka bervolume o,5 m3 diisi dengan udara bertekanan 4 atm saat temperaturnya 0ºC. Berapakah tekanan dalam tangka, apabila temperaturnya dinaikkan menjadi 150ºC? A. 6,5 atm B. 7,0 atm C. 8,1 atm D. 6,2 atm E. 5,6 atm 3. Gas mengalami proses isobarik dengan tekanan sebesar 3 x 105 Pa sehingga sistem melakukan usaha. Gas mengalami perubahan suhu dari 47ºC menjadi 87ºC. Jika volume mula-mula 4L dan kalor sebanyak 400 kal dilepaskan oleh sistem, tentukan besarnya usaha dan perubahan energi dalam ! A. 3000 J dan -4000 J B. 1500 J dan -3190 J C. 1500 J dan -3180 J D. 1200 J dan 4200 J E. 1650 J dan 4500 J 4. Sebanyak 4 liter gas ideal pada tekanan 2 atm dipanaskan sehingga volumenya mengembang dengan tekanan konstan sampai mencapai 6 l. Berapa usaha yang dilakukan oleh gas? A. 5 atm.l B. 2 atm.l Evaluasi Pembelajaran Sosial Emosional Evaluasi
30 C. 3atm.l D. 4 atm.l E. 1 atm.l 5. Sebuah mesin Carnot mengambil kalor dari tandon bersuhu 400 K dan saat itu efisiensinya 40%. Jika reservoir panas dinaikkan menjadi 640 K maka efisiensi mesin berubah menjadi… A. 50% B. 52,5% C. 57% D. 62,5% E. 64% 6. Diagram P-V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut! Usaha yang dilakukan pada gas helium pada proses ABC sebesar………. A. 660 kJ B. 400 kJ C. 280 kJ D. 120 kJ E. 60 kJ 7. Perhatikan gambar berikut ! Sejumlah gas melakukan proses ABCDA. Jika suhu di titik C = 499 K, maka : 1) kalor yang diserap gas per siklus 20 J 2) usaha gas 6 J 3) perubahan energi dalam 2 J
31 4) suhu di titik A = 500 K Pernyataan yang benar adalah ... A. 1,2,3 B. 1,3 C. 2,4 D. 4 Saja E. Semua benar 8. Grafik P-V dari sebuah siklus Carnot terlihat seperti gambar berikut! Jika kalor yang di lepas ke lingkungan 3000 J, maka kalor yang diserap sistem adalah……. A. 5000 J B. 3000J C. 4800 J D. 5200 J E. 1600 J 9. Pesawat pendingin Carnot mempunyai koefesien kinerja 5. Jika kalor yang diserap pada reservoir suhu tinggi 7500 J, kalor yang dibuang pada reservoir suhu rendah adalah….. A. 2000J B. 2250 J C. 3000 J D. 5000 J E. 6250 J 10. Suatu mesin pendingin memiliki suhu ruang pendingin -10ºC dan suhu di luar 27ºC, hitunglah koefesien performansi mesin tersebut ! A. 8 B. 9
32 C. 6 D. 7,9 E. 5 KUNCI JAWABAN 1. A 2. D 3. C 4. D 5. D 6. B 7. A 8. C 9. E 10. D
33 DAFTAR PUSTAKA Pariwara, Intan.(2020). Fisika untuk SMA/MA Peminatan Matematika dan Ilmu-Ilmu Alam.Yogyakarta : PT Penerbit Intan Pariwara Rosyid, Farchani. (2018). Kajian Konsep Fisika 2. Surakarta : PT Tiga Serangkai Sudiro. (2020).Modul Pembelajaran Fisika SMA. Jakarta: Direktorat SMA, Direktorat Jenderal PAUD, DIKDAS dan DIKMEN
34 BIODATA PENULIS Nama : Aulia Afifatur Rasyidah Tanggal Lahir : Banyumas, 09 Juli 1997 e-mail : [email protected] Pendidikan Terakhir : S1 Pendidikan Fisika (UIN Sunan Kalijaga Yogyakarta) Motto : “Bekerjalah untuk duniamu seakan akan engkau akan hidup selamanya. Dan bekerjalah untuk akhiratmu seakan-akan engkau akan mati besok”