Bagaimanakah proses termodinamika pada termos sehingga suhu air di dalam tetap

You're Reading a Free Preview
Pages 6 to 12 are not shown in this preview.

Secara alami kalor akan selalu berpindah dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Kalor berpindah dengan konveksi, konduksi, maupun radiasi. Bagaimana jika kita ingin menyimpan air hangat dalam waktu yang agak lama? Maka yang harus dipikirkan bagaimana cara mengurung panas dalam sebuah wadah dan mencegah panasnya mengalir ke luar.

 

Salah satu benda yang kita kenal sekarang ini yang digunakan untuk menjaga panas suatu benda adalah termos. Termos dibuat dengan menggunakan prinsip mencegah aliran kalor secara konveksi, konduksi, dan radiasi. Dengan terputusnya tiga jalur perpindahan kalor ini, panas benda yang terperangkap di dalam termos akan bertahan dalam waktu berjam-jam. Lalu bagaimana sebuah termos dibuat?

Gambar di atas merupakan bentuk bagian dalam termos. Wadah utama termos terbuat dari gelas yang merupakan isolator [penghantar panas yang buruk].

 

Gelas yang digunakan bukanlah gelas yang padat namun gelas yang berongga [terdapat ruang hampa udara]. Gelas berongga digunakan karena selain isolator juga untuk mencegah kalor berpindah secara konduksi. Bagian dalam dari gelas dilapisi oleh lapisan mengkilap [biasanya digunakan perak] untuk mencegah panas keluar dari tabung secara radiasi. 

 

Radiasi panas akan memantul lagi ke dalam tabung ketika membentur suatu media yang berwarna putih dan mengkilap. Sedangkan bagian atas tabung ditutup dengan gabus atau bahan plastik yang bersifat isolator untuk mencegah panas keluar secara konveksi dengan udara di sekitar tabung. Maka dengan bahan-bahan ini, kalor dapat dicegar bocor keluar baik secara konveksi, konduksi, maupun radiasi.

 

Selain digunakan untuk menyimpan air panas, termos juga bisa digunakan untuk menyimpan air dingin. Prinsip kerjanya sama dengan perpindahan kalor namun prosesnya terbalik, yaitu mencegah panas dari luar masuk ke dalam tabung.

Perlu diingat bahwa pada dasarnya termos hanya mengurangi laju perpindahan kalor menjadi lebih kecil. Bukan benar-benar menghentikan perpindahan kalor dari luar ke dalam atau sebaliknya. Ibaratnya sebuah gerbang yang bisa dilalui 10 mobil lalu gerbangnya diperkecil hingga hanya bisa dilewati satu mobil. Maka air panas dalam tabung semakin lama tidak sepanas ketika air dimasukkan di awal.

VERSI II

Penerapan Hukum I Termodinamika pada proses adiabatik adalah pada cara kerja termos air panas. Prinsip kerja termos itu sangat sederhana. 

 

Termos merupakan alat yang berfungsi menyimpan air, termos tidak hanya berfungsi sebagai temapat menyimpan air, tetapi juga berfungsi untuk menjaga suhu air agar tetap. Misalnya air panas yang dimasukkan ke dalam termos, suhunya akan tetap tinggi karena panas tidak bisa mearambat pada dinding termos.

Penemuan vacuum flask [tabung hampa udara] oleh Sir James Dewar merupakan awal dari adanya termos tempat menyimpan air panas ataupun dingin ini. Pada saat melakukan penelitian, Dewar tidak sengaja menemukan tabung hampa udara. Tabung hamppa udara ini, menggantikan bejana yang selama ini terbuat dari kaca. 

 

Termos merupakan adaptasi dari tabung hampa udara yang digunakan untuk pengiriman dan penyimpanan gas cair. Namun dengan kecerdasannya Dewar mengubah tabung hampa udara itu menjadi sebuah termos yang mampu mempertahankan suhu panas dan dingin.

Termos flask yang berbentuk botol yang terbuat dari kaca berdinding rangkap, ruang diantara kedua dinding dibuat hampa dan satu dinding dalam ruang hampa dilapisi perak. Dengan dinding semacam ini, air di dalam termos tidak dapat dipengaruhi oleh perubahan-perubahan keadaan di luar. 

Pada termos terdapat dinding kaca yang bagian dalam dan luarnya dibuat mengilap. Bagian dalam kaca dibuat mengilap agar kalor dari air panas tidak terserap pada dinding.sedangkan dibagian luar dinding kaca dibuat mengilap dengan dilapisi perak agar tidak terjadi perpindahan kalor secara radiasi.ruang hampa diantara bagian dalam dan luar berfungsi untuk mencegah perpindahan kalor secara konveksi. Tutup termos terbuat dari bahan isolator atau penghantar panas yang buruk, seperti gabus, untuk mencegah terjadinya perpindahan kalor secara konduksi.

Dengan dimasukkan ke dalam termos,suhu air akan tetap terjaga.Ini karena bagian lapisan struktur khusus.Termos terdiri dari dua lapisan:bagian dalam dan luar di lapisi perak putih,di tengahnya ada hampa udara sehingga energi tidak akan bisa dihantarkan,dan panas bagian dalamnya tidak bisa keluar.

 

Prinsip kerja termos air panas sangat sederhana. Termos menggunakan bahan yang bersifat adiabatik yaitu bahan yang dapat menghambat atau bahan yang tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan atau antara lingkungan dengan sistem. Dengan kata lain tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos yaitu air panas, dengan lingkungannya. Karena tidak ada pertukaran kalor dari sistem dengan lingkungannya, akibatnya tidak terjadi pertukaran temperatur. Dengan menggunakan bahan adiabatik, termos dapat mempertahankan suhu air yang ada di dalamnya. 

 

Termos merupakan contoh sistem terisolasi dalam termodinamika, karena tidak terjadi pertukaran kalor benda atau kerja dengan lingkungan.

Bahan utama termos adalah sebuah tabung kaca yang hampa udara disekeliling termos tersebut. Sementara penutup luarnya terbuat dari alumunium sebagai isolator antara tabung kaca dengan udara sekitar.

 

Cara kerjanya yaitu kalor yang masuk dalam tabung tidak bisa merambat keluar karena dihambat oleh kaca yang mempunyai warna putih dan mengilap. Karena warna putih lebih sedikit menyerap kalor dibandingkan warna yang gelap.

Setelah itu, kalor dihambat oleh celah yang hampa udara pada tabung kaca, lalu masih dihambat lagi oleh celah udara antara tabung dan dinding, karena udara merupakan penghantar panas yang kurang baik. Dan yang terakhir panas dihambat keluar oleh dinding termos yang biasa terbuat dari plastik atau logam yang penghantar panasnya kurang baik.

Pada termos terdapat proses adiabatik yang tidak memungkinkan untuk kalor masuk ataupun keluar oleh sistem [Q = 0]. Oleh karena itu, kerja atu usaha yang dilakukan gas, sama dengan perubahan energy dalamnya [W= ΔU], sehingga tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan. Dan tidak ada perpindahan kalor antara sistem dengan lingkungan, yang mengakibatkan tidak terjadi pertukaran temperature, sehingga suhu air dalam termos akan tetap panas.

Hukum I Termodinamika, meruapakn salah satu hukum dari pelajaran termodinamika yang membahas tentang kekekalan energi. Seperti yang telah kita ketahui bahwa energi di alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk.

Energy dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alamiah maupun melalui hasil rekayasa teknologi. Selain itu, energi bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan dan tidak dapat dihilangkan, namun yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk ke bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan.

 Sistem Termodinamika

 

Prinsip ini disebut sebagai prinsip kekekalan energi. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alamiah dalam kehidupan kita sehari-hari.Pada hukum I Termodinamika, kita akan membahas tentang sistem dan lingkungan.

1. Sistem adalah suatu benda atau objek yang ditinjau, yang menjadi pusat perhatian yang dibatasi oleh suatu permukaan tertutup. Sistem mempunyai beberapa jenis yaitu :

Sistem Terbuka

merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energy [panas dan kerja] antara sistem tersebut dan lingkungan.
Sistem Terisolasi 

merupakan sistem yang tidak memungkinkan terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan.

Sistem Tertutup

merupakan sistem yang dapat memungkinkan terjadi pertukaran energy [panas dan kerja] tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan.
Suatu sistem dikatakan dapat terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya, yaitu : pembatas adiabatik merupakan pembatas yang tidak membolehkan adanya pertukaran panas, sementara pembatas rigid merupakan pembatas yang tidak memperbolehkan adanya pertukaran kerja.

2. Lingkungan merupakan segala sesuatu yang berada di luar sistem yang mempengaruhi prilaku sistem secara langsung. Batas antara sistem dan lingkungan ada dua yaitu : dinding diatermik meruapakan batas antara sistem dan lingkungan yang memungkinkan terjadi pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan, dan dinding adiabatik yang merupakan batas antara sistem dengan lingkungan yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan.

Dalam Hukum I Termodinamika ini, kita juga mengenal kerja atau usaha [W]. Usaha pada Hukum I Termodinamika didefinisikan sebagai kerja yang dilakukan oleh sebuah sistem dari perubahan volume.

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa untuk setiap proses, apabila kalor diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha, maka selisih kalor adalah penjumlahan antara usaha dengan energy dalam.

Ketentuan tanda untuk Q dan W, adalah sebagai berikut :

apabila sistem melakukan usaha, maka nilai W positif; apabila sistem menerima usaha, maka nilai W negatif; apabila sistem menerima kalor, maka nilai Q positif; dan apabila sistem melepas kalor, maka nilai Q negatif.Ada beberapa proses yang akan diperkenalkan yang berhubungan dengan usaha yang akan dilakukan oleh gas terkait dengan perubahan volume, suhu, tekanan, dan energy dalam, pada Hukum I Termodinamika, antara lain :

1. Isobarik

Isobarik merupakan suatu proses pada pemakaian Hukum I Termodinamika dimana tekan pada sistem dipertahankan konstan atau tetap PB = PA . Berikut merupakan grafik dari proses isobarik :

Gambar grafik diatas menunjukkan usaha yang dilakukan oleh gas adalah sesuai dengan persamaan berikut :                               W = P[ΔV]                              W = P [ VB - VA ]Proses isobarik ini dapat kita jumpai pada kasus pemanasan air di dalam ketel mesin uap sampai ke titik didihnya dan diuapkan sampai air menjadi uap, kemudian uap tersebut disuperpanaskan dengan semua proses berlangsung pada suhu tekanan konstan.

2. Isokhorik

Isokhorik merupakan suatu proses pada pemakaian Hukum I Termodinamika dimana perubahan volume sistem dipertahankan konstan atau tetapan V2 = V1. Berikut merupakan grafik dari proses isokhorik :

                          W = P[ΔV]                          W = P [ V2 - V1 ] ; V2 = V1 = 0

                          W = 0

Pada gambar diatas, karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan nol.Proses isokhorik dapat kita jumpai pada sebuah kipas dan baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas berputar menggunakan energy yang disumbangkan baterai. Untuk kasus ini, kipas, batrai dan udara yang berada di dalam wadah dianggap sebagai sistem, ketika kipas berputar, kipas melakukan kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energy kinetic kipas berubah menjadi energy dalam. Contoh ini membuktikan bahwa pada proses isokhorik volumenya selalu konstan.

3. Isotermal

Isothermal merupakan suatu proses pada Hukum I Termodinamika, dimana suhu suatu sistem dipertahankan konstan atau tetap. Berikut merupakan grafik proses isotermal:  

 

Proses isothermal dapat kita jumpai pada penggunaan AC. Ketika disebuah ruangan yang tertutup dipasang AC, maka suhu di dalam di dalam ruangan tersebut akan sama.

4. Adiabatik

Adiabatik meruapakn suatu proses pada Hukum I Termodinamika dimana tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem ke lingkungan atau dari lingkungan ke sistem. Berikut merupakan grafik dari proses adiabatik:

Dari gambar grafik proses adiabatic diatas, terlihat kurva adiabatic lebih curam disbanding kurva isothermal.

Penerapan proses adiabatik ini, dapat kita jumpai pada cara kerja termos air panas. Nah penerapan proses adiabatik ini lah yang akan di bahas secara terperinci.

APLIKASI HUKUM I TERMODINAMIKA DALAM KEHIDUPAN SEHARI- HARI

TERMOS

Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.

KULKAS

 

 

Adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas. Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya. Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL [katakanlah, di dalam lemari Es], dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi Th [ruangan].Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor [kondensor] di dinding luar lemari Es dimana Qhdikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi , melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor [QL] dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali. Lemari Es yang sempurna [yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi] tidak mungkina ada. Ini merupakan pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak akan ada lemari Es yang sempurna.

MESIN MOTOR

 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 buang keluar sistem melalui knalpot.

PENDINGIN RUANGAN [AC] 

 

 

Air Conditioner [AC] alias Pengkondision Udara merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan ruangan yang kita inginkan, terutama mengkondisikan ruangan menjadi lebih rendah suhunya dibanding suhu lingkungan sekitarnya. Filter [penyaring] tambahan digunakan untuk menghilangkan polutan dari udara. AC yang digunakan dalam sebuah gedung biasanya menggunakan AC sentral. Selain itu, jenis AC lainnya yang umum adalah AC ruangan yang terpasang di sebuah jendela. Kunci utama dari AC adalah refrigerant, yang umumnya adalah fluorocarbon, yang mengalir dalam sistem, menjadi cair dan melepaskan panas saat dipompa [diberi tekanan], dan menjadi gas dan menyerap panas ketika tekanan dikurangi. Mekanisme berubahnya refrigerant menjadi cairan lalu gas dengan memberi atau mengurangi tekanan terbagi mejadi dua area. Sebuah penyaring udara, kipas, dan cooling coil [kumparan pendingin] yang ada pada sisi ruangan dan sebuah kompresor [pompa], condenser coil [kumparan penukar panas], dan kipas pada jendela luar.

Udara panas dari ruangan melewati filter, menuju ke cooling coil yang berisi cairan refrigerant yang dingin, sehingga udara menjadi dingin, lalu melalui teralis/kisi-kisi kembali ke dalam ruangan. Pada kompresor, gas refrigerant dari cooling coil lalu dipanaskan dengan cara pengompresan. Pada condenser coil, refrigerant melepaskan panas dan menjadi cairan, yang tersirkulasi kembali ke cooling coil. Sebuah thermostatmengontrol motor kompresor untuk mengatur suhu ruangan.