KONSEP KALOR DAN GAS IDEAL

Hukum Termodinamika: Pengertian, Proses, Rumus, Formulasi, dan Penerapannya

Written by Kamal N

Hukum Termodinamika – Grameds pasti sudah tahu jika energi kalor itu dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Nah, proses perpindahan itu dapat dipelajari dalam Ilmu Termodinamika. Secara umum, termodinamika adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang energi yang secara spesifik membahas hubungan antara energi panas dengan proses kerjanya. Bahkan teknologi yang kerap kita gunakan saat ini, sebut saja AC (Air Conditioner) dan rice cooker itu juga menjadi bentuk nyata dari penerapan Hukum Termodinamika.

Keberadaan Hukum Termodinamika menjadi bagian penting dari ilmu fisika dan memiliki tiga kajian hukumnya. Lalu, apa sih termodinamika itu? Bagaimana bunyi dari Hukum Termodinamika ini? Jika berkenaan dengan ilmu fisika, apakah Hukum Termodinamika lantas memiliki rumus tersendiri? Bagaimana pula penerapan Hukum Termodinamika ini pada teknologi rice cooker? Nah, supaya Grameds memahami hal-hal tersebut, yuk simak ulasan berikut ini!

Definisi Termodinamika

Pada dasarnya, termodinamika menjadi salah satu cabang dari sains dan teknik fisika. Jika dalam bidang sains, para ahli akan berusaha mempelajari perilaku dasar sifat fisika dan kimia dari sejumlah materi dalam keadaan berhenti (diam) dengan menggunakan prinsip termodinamika ini. Sementara di bidang teknik, para ahli (insinyur) biasanya akan menggunakan prinsip termodinamika untuk mempelajari sistem dan interaksinya dengan lingkungan. Lalu, apa sih definisi dari termodinamika hingga prinsip kerjanya saja mampu digunakan dalam dua cabang ilmu yang berbeda?

Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik akan membahas mengenai hubungan antara energi panas dengan cara kerjanya. Energi tersebut dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun melalui hasil rekayasa teknologi. Cara kerja di kebanyakan sistem teknologi dapat dijelaskan melalui termodinamika. Bahkan sering disebut-sebut juga bahwa termodinamika ini menjadi modal utama dari seorang sarjana teknik untuk merancang pompa termal, motor roket, rice cooker, AC, hingga penyuling kimia.

Singkatnya, termodinamika ini menjadi salah satu cabang dari bidang ilmu fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas dan perubahan dari panas menjadi bentuk energi lainnya. Istilah termodinamika memang berasal dari Bahasa Yunani, yaitu “Therme” yang berarti ‘panas’ dan “dynamis” yang berarti ‘gaya’. Keberadaan termodinamika ini tidak akan lepas dari kalor.

Apa Itu Kalor?

Kalor (Q) adalah sebuah energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Apabila berkaitan dengan sistem dan lingkungan, maka dapat dikatakan bahwa kalor menjadi energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, apabila suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju sistem.

Nah, apabila keberadaan Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis berkaitan dengan gerak). Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.

Sistem Termodinamika

Dalam sistem termodinamika, memiliki istilah-istilah tertentu, yakni:

• Batas Sistem adalah garis imajiner yang membatasi sistem dengan lingkungannya.
• Sistem Tertutup yaitu apabila sistem dan lingkungannya tidak terjadi pertukaran energi atau massa, dengan kata lain energy atau massa tidak melewati batas-batas sistem.
• Sistem Terbuka yaitu apabila energi dan massa dapat melintasi atau melewati batas-batas sistem. Sistem dengan lingkungannya ada interaksi.

Apa Bunyi Hukum Termodinamika?

Keberadaan Hukum Termodinamika ini memang ada tiga bentuk, semuanya berasal dari pondasi yang sama, yakni Hukum Awal alias Zeroth Law. Dalam Hukum Awal Termodinamika ini menyatakan bahwa: “Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain”. Nah, berikut adalah penjabaran Hukum Termodinamika I, II, dan III.

Hukum Termodinamika I

Pada Hukum Termodinamika I ini menyatakan bahwa “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja.” Sesuai dengan bunyinya, maka energi yang diberikan oleh kalor pasti sama dengan kerja eksternal yang dilakukan, ditambah dengan pemerolehan energi dalam karena adanya kenaikan temperatur. Secara tidak langsung, Hukum Termodinamika I ini berkaitan dengan kekekalan energi.

Apabila kalor diberikan pada sistem, maka volume dan suhu sistem tentu akan bertambah (terlihat dengan mengembang dan bertambah panasnya sistem). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, maka volume dan suhu sistem menjadi berkurang (terlihat dengan sistem akan mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip inilah yang menjadi hukum alam dan bentuk dari hukum kekekalan energi yang sejalan dengan Hukum Termodinamika I. Suatu sistem yang telah mengalami perubahan volume nantinya akan melakukan usaha. Sementara sistem yang mengalami perubahan suhu, akan cenderung mengalami perubahan energi dalam. Jadi, keberadaan kalor yang diberikan kepada sistem dapat menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam.

Proses-Proses Dalam Termodinamika I

Dalam Hukum Termodinamika I ini akan mengalami 4 proses, yakni:

1. Proses Isotermal (Suhu Tetap)

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika, dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Proses termodinamika yang berlangsung terutama dalam suhu konstan itulah yang disebut dengan proses isotermal. Berhubung prosesnya berlangsung dalam suhu konstan, maka tidak terjadi perubahan energi dalam. Proses isotermal ini dapat dibuktikan dalam kegiatan sehari-hari, misalnya popcorn di dalam panci.

Nah, jika mengacu pada Hukum Termodinamika I, maka kalor yang diberikan akan sama dengan usaha yang dilakukan oleh sistem (Q = W). Perlu diketahui bahwa proses ini juga dapat diberlakukan dengan Hukum Boyle, yakni menjadi:

Nah, berhubung suhunya tetap maka pada proses isotermal ini tidak akan terjadi perubahan energi dalam ∆U=O. Sementara usahanya tetap dapat dihitung dari luas daerah yang ada di bawah kurva, dengan rumus:

2. Proses Isokhorik (Volume Tetap)

Ketika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, maka gas tersebut tengah dalam proses isokhorik. Hal tersebut karena gas berada dalam volume konstan (∆V=0), sehingga gas tidak melakukan usaha (W=0) dan kalor yang diberikan juga akan sama dengan perubahan energi di dalamnya. Kalor dalam proses ini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV. Proses ini memiliki rumus berupa:

W = P dV = P.0 = 0

Sementara grafik dari proses isokhorik akan membentuk:

3. Proses Isobarik (Tekanan Tetap)

Ketika gas melakukan proses termodinamika supaya menjaga tekanan tetap konstan maka gas tersebut tengah melalui proses isobarik. Contoh penerapan proses isobarik ini adalah air mendidih pada tekanan konstan. Hal tersebut karena gas berada dalam tekanan konstan, sementara gas melakukan usaha ((W = p∆V). Keberadaan kalor dalam proses ini dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan (Qp ). Nah, jika proses isobarik ini jika didasarkan pada Hukum Termodinamika I, maka akan berlaku rumus:

Sementara grafik usaha gas dalam proses isobarik dapat dinyatakan sebagai:

4. Proses Adiabatik (Kalor Tetap)

Proses adiabatik adalah proses termodinamika yang cara kerjanya dilakukan oleh gas murni yang berasal dari perubahan energi internalnya. Tidak ada energi apapun yang masuk maupun keluar selama proses ini berjalan. Contoh penerapan proses adiabatik ini adalah penggunaan pompa sepeda motor. Jika didasarkan pada Hukum Termodinamika I maka akan menjadi: perubahan energi internal gas (dU) adalah banyaknya energi kalor yang disuplai (Q) dikurangi kerja yang dilakukan oleh gas (P.dV). Apabila Grameds bingung dengan uraian tersebut, berikut ini adalah rumusnya secara singkat:

dU = Q – P.dV = – P dV

P Vƴ = K (konstan)

Sementara grafik usaha gas dalam proses adiabatik dapat dinyatakan sebagai:

Rumus Hukum Termodinamika I 

Keterangan:

Q = kalor/panas yang diterima/dilepas (J)
W =  energi/usaha (J)
∆U = perubahan energi (J)

Hukum Termodinamika II

Dalam Hukum Termodinamika II ini berkaitan dengan entropi dan memiliki kecenderungan  yang dari waktu ke waktu, perbedaan suhu, tekanan, dan menyeimbangkan potensi kimia dalam terisolasinya sistem fisik. Perlu diketahui ya Grameds, entropi adalah keseimbangan termodinamis, terutama mengenai perubahan energi yang hukumnya disebut dengan Hukum Termodinamika II. Dalam Hukum Termodinamika II ini menyatakan bahwa: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.”

Sebenarnya, Hukum Termodinamika I dianggap tidak dapat menjelaskan apakah suatu proses mungkin terjadi ataukah tidak mungkin terjadi. Maka dari itu, muncullah Hukum Termodinamika II yang disusun tidak lepas dari usaha untuk mencari sifat atau besaran sistem yang ada.

Dari hasil percobaan para ahli menyimpulkan bahwa mustahil untuk membuat sebuah mesin kalor yang mengubah panas seluruhnya menjadi kerja, yaitu mesin dengan efisiensi termal 100%. Kemustahilan ini adalah dasar dari satu pernyataan hukum kedua termodinamika sebagai berikut :

“Adalah mustahil bagi sistem manapun untuk mengalami sebuah proses di mana sistem menyerap panas dari reservoir pada suhu tunggal dan mengubah panas seluruhnya menjadi kerja mekanik, dengan sistem berakhir pada keadaan yang sama seperti keadaan awalnya”.

Formulasi Dalam Hukum Termodinamika II

Dalam Hukum Termodinamika II ini terdapat dua formulasi yang berguna untuk memahami konversi energi panas ke energi mekanik, yakni:

1. Formulasi Kelvin-Planck

Formulasi yang pertama ini menyatakan bahwa “Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik”. Dengan kata lain, formulasi ini mengungkapkan bahwa memang tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari lautan. Sehingga lebih baik menggunakan energi tersebut untuk menjalankan generator listrik tanpa menimbulkan efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer. Maka dari itu, setiap alat atau mesin pastilah memiliki nilai efisiensi tertentu. Efisiensi ini akan menyatakan nilai perbandingan dari usaha mekanik yang telah diperolehnya dengan energi panas dari sumber suhu tertinggi.

2. Formulasi Clausius

Dalam formulasi ini menyatakan bahwa “Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas”. Dengan kata lain, seseorang tidak dapat mengambil energi dari sumber dingin (yang memiliki suhu rendah) dan memindahkan seluruhnya ke sumber panas (yang memiliki suhu tinggi) tanpa memberikan energi pada pompa untuk melakukan usaha.

Hukum Termodinamika III

Dalam Hukum Termodinamika III ini berkaitan dengan temperatur nol absolut. Hukum ini juga menyatakan bahwa “pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolute, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”. 

Penerapan Hukum Termodinamika Pada Rice Cooker

Hukum Termodinamika ini dapat diterapkan dalam teknologi yang membantu aktivitas manusia sehari-hari, salah satunya adalah rice cooker. Rice cooker adalah alat penanak nasi yang dapat juga dialihfungsikan untuk merebus sayur, mengukus kuah, dan lain-lain. Rice cooker tentu saja memanfaatkan listrik, mulai dari 300 watt, 500 watt, 800 watt, dan seterusnya. Dalam sebuah rice cooker, memiliki elemen pemanas yang berada di bawah, samping, dan atas.

Prinsip kerja sebuah rice cooker adalah saat saklar sudah terhubung dengan elemen pemanas utama, maka arus listrik akan langsung menuju ke elemen utama dan lampu di rice cooking menyala. Ketika suhu pemanas sudah mencapai maksimal dan nasi sudah matang, maka thermostat trip akan langsung menggerakkan tuas sehingga posisi saklar jadi berubah mengalirkan listrik menuju ke elemen penghangat nasi melewati thermostat.

Pada posisi penghangat, ketika suhu thermostat sudah maksimal maka arus yang menuju ke elemen penghangat akan terputus otomatis. Begitu pula ketika suhu pada thermostat berkurang, maka otomatis arus menuju elemen penghangat akan terhubung kembali secara otomatis. Proses ini akan berlangsung secara terus menerus. Jika didasarkan pada Hukum Termodinamika, maka cara kerja rice cooker akan berupa:

“Nasi yang awalnya berupa beras dan memiliki tekstur keras, ketika diberi air dan memanaskannya maka tekstur akan berubah menjadi lembut dan mudah untuk dimakan. Nah, suatu cairan akan menguap apabila tekanan uap gas yang berasal dari cairan itu sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (P uap = P cair).  Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal).

Jika pada rice cooker biasa, air akan  dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K). Sementara itu, pada penanak nasi yang memanipulasi tekanan (pressure cooker, atau electric pressure cooker) jika tutup lubang uapnya dibuka, maka pressure cooker akan bekerja seperti penanak nasi biasa, karena tekanan eksternalnya sama dengan tekanan udara luar.

Namun, jika tutup lubang uapnya (biasanya berupa katup) ditutup, akan ada perubahan pada tekanan udara di ruang dalam pressure cooker dan titik didih cairan akan berubah. Berbeda ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker. Berhubung ada tambahan massa, maka tekanan akan semakin tinggi dan titik kesetimbangan antar fase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.

Berikut ini komponen dalam rice cooker:

Pengertian Kalor – Dalam pelajaran fisika, materi kalor pasti sudah tidak asing Grameds temui dan pelajari. Sederhananya pengertian kalor adalah salah satu bentuk energy yang bisa diterima atau dilepaskan oleh benda. Kalor kemudian menggunakan satuan joule atau kalori yang mungkin sudah banyak dikenal orang. 

Pengertian Kalor

Dalam kehidupan sehari-hari Grameds pasti sudah tidak asing dengan energi panas atau energi kalor, seperti memasak atau memanaskan sesuatu. Nah saat itulah terjadi perubahan suhu benda dimana kalor telah bekerja. Perpindahan kalor antara benda satu ke benda lainnya dapat berupa hantara (konduksi), penyinaran (radiasi), dan aliran (konveksi).  

Kalor adalah salah satu bentuk energi yang bisa berpindah dari benda dengan suhu yang lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah jika keduanya dipertemukan atau bersentuhan. Dua benda yang memiliki suhu yang berbeda ketika dipertemukan maka akan muncul kalor yang mengalir atau berpindah. Misalnya saat Grameds mencampurkan air dingin dengan air panas, kemudian akan menghasilkan air hangat. 

 Suhu adalah suatu nialai yang dapat terukur dengan termometr, sedangkan kalor adalah energi yang mengalir pada suhu benda tersebut ke benda lainnya. Menurut SI atau MKS, satuan kalor adalah joule (J) sedangkan menurut CGS satuan kalor adalah erg dan untuk beberapa jenis makanan menggunakan satuan kalori. Dapat dihitung bahwa satu kalori adalah jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikan suhu 1 gram air hangat sampai naik menjadi 1 derajat celcius (◦C). Jadi dapat dikatakan satu kalori = 4,184 J atau biasa dibulatkan menjadi 4,2 J. 

Pengertian kalor juga dapat disebut sebagai energy panas yang dimiliki oleh suatu zat tertentu yang untuk mendeteksinya perlu menggunakan alat pengukur suhu benda tersebut. Grameds bisa perhatikan pada air panas yang dibiarkan diudara terbuka maka lama-kelamaan akan mendingin karena ada kalor yang dilepaskan dari zat air ke udara. Hal yang mampu mempengaruhi kenaikan dan penurunan suhu pada benda adalah jumlah kalor, massa benda dan jenis benda itu sendiri. 

Kalor secara alami akan berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah, sehingga bersifat cenderung menyamakan suhu kedua benda jika saling bertemu atau bersentuhan.  Jika suhu suatu benda itu tinggi maka kalor yang dikandungnya pun sangat besar. Sebaliknya, jika suhu suatu benda rendah maka kalornya pun sedikit. Jadi, dapat disimpulkan bahwa besar kecilnya kalor yang ada pada benda atau zat menyesuaikan dengan 3 faktor, yakni massa zat, jenis zat (kalor jenis), dan perubahan suhu. 

Kalor kemudian bisa menaikan atau menurunkan suhu, jadi semakin besar kenaikan suhu, kalor yang diterima pun semakin banyak. Sebaliknya, kenaikan suhu yang kecil akan membuat kalor yang diterima juga sedikit. Itu artinya, hubungan kalor (Q) akan berbanding lurus atau sebanding dengan kenaikan suhu (∆ T), jika massa (m) dan kalor jenis zat ( c) suatu benda itu tetap.  

Rumus Kalor

Berdasarkan pengertian kalor di atas, berikut ini rangkuman rumus-rumus yang berkaitan dengan materi kalor dalam pelajaran Fisika:

1. Rumus Perpindahan Kalor

Q = m.c.ΔT

Keterangan:

Q = banyaknya kalor yang diterima atau dilepas oleh suatu zat benda tertentu (J)

m  = massa benda yang menerima atau melepas kalor (kg)

c = kalor jenis zat (J/kg⁰C)

ΔT = perubahan suhu (⁰C)

2. Rumus Kalor Jenis

c = Q / m.ΔT

Keterangan:

c = kalor jenis zat (J/kg⁰C)

Q = banyaknya kalor yang dilepas atau diterima oleh suatu benda (Joule)

m = massa benda yang menerima atau melepas kalor (kg)

ΔT = perubahan suhu (⁰C)

3. Rumus Kapasitas Kalor

C = Q / ΔT

Keterangan:

C = kapasitas kalor (J/K)

Q = banyaknya kalor (J)

ΔT = perubahan suhu (K)

4. Rumus Menentukan Kapasitas Kalor Itu Sendiri

C = m.c

Keterangan:

C = kapasitas kalor (J/K)

M = massa benda yang menerima atau melepas kalor (kg)

c = kalor jenis zat (J/kg.K)

5. Rumus Kalor Lebur dan Uap

Kalor lebur
Q = m x L

Kalor uap
Q = m x U

ketentuan:

L = Kalor lebur zat (Joule/kilogram)

U = Kalor uap zat (Joule/kilogram)

Jenis-jenis Kalor

Kalor memiliki beberapa jenis yang dikategorikan berdasarkan proses bekerjanya pada zat benda tertentu. Berikut ini jenis-jenis kalor yang perlu Grameds ketahui agar bisa mengidentifikasi terjadinya perubahan kalor yang terjadi di kehidupan sehari-hari:

1. Kalor Pembentukan (∆Hf)

Kalor pembentukan kata adalah kalor yang menghasilkan atau dibutuhkan untuk membuat 1 mol senyawa dalam unsur- unsurnya, seperti berupa gas yang ditulis dengan rumus molekulnya. Contoh kalor pembentukan adalah C12, O2, Br2, H2.  

2. Kalor Penguraian (∆Hd)

Kalor penguraian adalah bentuk kalor yang dihasilkan atau dibutuhkan untuk mengurai 1 mol senyawa menjadi unsur- unsur yang lain. 

3. Kalor Pembakaran (∆Hc)

Kalor pembakaran adalah kalor yang didapat atau diperlukan untuk membakar 1 mol zat, yakni unsur atau senyawanya. 

4. Kalor Netralisasi (∆Hn)

Kalor netralisasi adalah jenis kalor yang didapatkan atau dibutuhkan untuk membentuk 1 mol H20 dari reaksi antara asam dan basa. Kalor ini termasuk dalam reaksi eksoterm karena adanya reaksi kenaikan suhu. 

5. Kalor Pelarutan (∆Hs)

Kalor pelarutan adalah jenis kalor yang didapatkan atau dibutuhkan untuk melarutkan 1 mol zat yang awalnya padat menjadi larutan. 

Kalor Jenis dan Kapasitas Kalor

Perlu Grameds ketahui bahwa juga bisa mengalir pada dua benda yang memiliki partikel zat yang berbeda sekalipun dan pula perusahan suhu yang berbeda. Contohnya saat minyak dan air dipanaskan dengan suhu yang sama maka akan menghasilkan suhu minyak yang mengalami perubahan lebih besar dibandingkan perubahan suhu air. Hal itu bisa terjadi karena adanya kalor jenis yang berbeda antara benda yang disatukan atau dipertemukan. 

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikan suhu dari 1 kg massa menjadi 1 ◦C. Satuan kalor jenis adalah kalori/gram ◦celcius atau dalam sistem internasional ditetapkan menggunakan satuan Joule/kg ◦celcius. Setiap zat benda memiliki kalor jenis yang masing-masing memiliki perbedaan.  Sedangkan Kapasitas kalor adalah jumlah kalor yang dibutuhkan atau diserap untuk menaikan suhu zat benda tertentu menjadi 1 ◦C. 

Perubahan Kalor

Dalam praktiknya, kalor bekerja dengan prinsip merubah dua zat yang dipertemukan atau bersentuhan. Berikut ini perubahan kalor apa saja yang terjadi pada zat benda jika dipertemukan atau disatukan:

1. Kalor Bisa Mengubah Suhu Zat

Masing- masing benda  pada dasarnya memiliki suhu yang lebih rendah dari nol mutlak, jadi zat benda tersebut pasti memiliki kalor. Kandungan inilah yang kemudian akan menjadikannya penentu seberapa kalor yang dimiliki suhu benda tersebut. Jika zat benda tersebut dipanaskan, maka akan menerima tambahan kalor sehingga suhunya menjadi meningkat atau bertambah. Sebaliknya, jika zat benda tersebut didinginkan maka akan melepaskan kalor yang menyebabkan suhunya menjadi turun.  

2. Kalor Bisa Mengubah Wujud Zat

Pada beberapa jenis zat benda jika diberikan kalor dalam satuan tertentu, maka zat benda tersebut akan mengalami perubahan. Misalnya es yang dipanaskan atau diberi kalor maka akan terjadi perubahan wujud dari yang semula padat menjadi cair atau bentuk gas. Jika proses pemanasan terus dilakukan maka zat air tersbut akan berubah lagi menjadi wujud zat gas. Hal ini terjadi ketika zat yang akan berubah bentuk dari titik zat cait menjadi titik lebur benda. 

Macam-macam Perpindahan Kalor

Dari penjelasan pengertian, jenis, rumus, dan perubahan kalor di atas jelas menunjukan bahwa kalor juga berpindah atas pertemuan benda yang bersentuhan atau mengatur. Dari gejala itu, ada beberapa jenis perpindahan kalor yang bisa terjadi seperti berikut ini:

1. Konduksi

Perpindahan kalor secara konduksi terjadi dengan melewati zat perantara seperti logam tanpa disertai perpindahan partikel- partikel secara permanen di dalam zat itu sendiri. Contohnya ketika memanaskan ujung logam, maka ujung logam lainnya juga ikut panas. Hal ini terjadi karena adanya hantaran kalor dari suhu yang tinggi menuju suhu yang lebih rendah. 

Memanaskan ujung logam akan membuat partikel logam membuat getaran pada partikel lain yang terhubung dengannya. Itulah sebabnya semua partikel logam akan bergetar meskipun hanya satu ujung logam yang dipanaskan karena hal ini merangsang terjadinya perpindahan kalor. 

Contoh lain yang terjadi pada jenis perpindahan konduksi adalah saat memegang kembang api yang sedang dibakar, knalpot motor menjadi panas setelah motor dinyalakan, tutup panci yang ikut panas saat digunakan untuk memasak, mentega yang meleleh saat dipanaskan, dan sebagainya. Dari keterangan diatas maka dapat ditampilkan persamaan untuk perpindahan kalor dengan cara konduksi dengan rumus berikut ini: 

Laju Kalor = Q/t = kA (T2 – T1)/x

2. Konveksi

Konveksi adalah salah satu perpindahan kalor yang melewati suatu zat disertai dengan perpindahan bagian-bagian zat- zat itu sendiri. Perpindahan secara konveksi ini bisa terjadi pada zat cair atau gas, sehingga jenis perpindahan ini dibagi menjadi dua seperti berikut ini:

• Konveksi Secara Ilmiah: Adalah perpindahan konveksi yang disebabkan oleh adanya gaya apung tanpa faktor luar dan dipengaruhi adanya perbedaan jenis benda. Misalnya yang terjadi pada pemanasan air, dimana massa jenis partikel air yang sudah panas akan naik menjauh dari api dan kemudian digantikan dengan partikel zat air lain yang suhunya lebih rendah. Proses tersebut menyebabkan semua partikel zat dapat panas secara keseluruhan secara sempurna.  
• Konveksi Paksa: Adalah perpindahan konveksi yang terjadi karena ada pengaruh faktor luar seperti tekanan dan perpindahan kalor terjadi dengan cara paksa atau disengaja. Itu artinya panas kalor dipaksa untuk berpindah ke tempat yang dituju dengan bantuan faktor luar seperti tekanan. Misalnya yang terjadi pada kipas angin yang membawa udara dingin ke tempat yang panas, radiator mobil yang memiliki sistem pendingin mesin, dan contoh lainnya. 

Contoh perpindahan secara konveksi antara lain seperti, gerakan naik turun air saat dipanaskan, gerakan naik turun biji kacang hijau saat direbus, terjadinya angin darat dan angin laut, gerakan balon udara, asap cerobong pabrik yang membumbung tinggi ke udara, dan contoh lainnya. Dari keterangan diatas maka dapat ditampilkan persamaan untuk perpindahan kalor dengan cara konveksi dengan rumus berikut ini: 

Laju Kalor = Q/t = hA (T2 – T1)

3. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan kalor yang tidak menggunakan zat perantara sama sekali. Radiasi tidak sama dengan konduksi dan konveksi dalam memindahkan kalor. Perpindahan kalor secara radiasi tidak selalu mengharuskan kedua benda untuk bertemu atau saling bersentuhan karena kalor tersebut dapat berpindah tanpa zat perantara. Itu artinya kalor akan dipancarkan ke semua arah oleh sumber panas dan kemudian mengalir ke semua arah yang bisa dituju. 

Sebenarnya setiap benda dapat memancarkan dan menyerap radiasi kalor, namun besarnya bergantung pada suhu benda dan warna zat benda tersebut. Semakin panas benda dibandingkan dengan suhu lingkungan sekitarnya, maka akan semakin besar pula kalor yang diradiasikan ke sekitarnya. Jadi semakin luas permukaan benda panas membuat semakin panas pula kalor yang diradiasikan ke sekitarnya. 

Misalnya yang terjadi pada saat Grameds membuat api unggun, maka kita akan merasakan kehangatan dari sumber api tersebut pada jarak tertentu. Grameds pasti pernah merasakan radiasi kalor saat telapak tangan terasa panas saat ketika dihadapkan ke bola lampu yang sedang menyala. Contoh lainnya yang paling umum adalah panas dari sinar matahari yang sampai ke bumi dan planet- planet lainnya.  

Dari keterangan diatas maka dapat ditampilkan persamaan untuk perpindahan kalor dengan cara radiasi dengan rumus berikut ini: 

Laju Kalor = Q/t = σeAT4

Karena sifat kalor yang mudah berpindah, Grameds tetap bisa mencegahnya agar tidak mudah terjadi perpindahan. Bagaimana cara mencegah perpindahan kalor secara konduksi, konveksi, dan radiasi? Grameds bisa mengisolasi ruangan tersebut, seperti pada termos yang berfungsi untuk menjaga suhu air agar tetap panas dengan cara mencegah perpindahan kalornya. 

1.Contoh soal 1 

Sebuah benda bersuhu 5⁰C menyerap kalor sebesar 1500 joule, kemudian suhunya menjadi naik menjadi 32⁰C. Berapa kapasitas kalor benda tersebut?

Diketahui :
Q = 1500 J
ΔT = 32 ⁰C – 5 ⁰C = 27 ⁰C = 300K
Ditanya :
C . . . ?
Jawab :
C = Q / ΔT
C = 1500J / 300K
C = 5J/K
Jadi, hasil kapasitas kalor benda tersebut sebesar 5 J/K 

2. Contoh Soal 2

Berapa kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan 2 kg air dengan suhu 23 ⁰C menjadi 100 ⁰C, jika diketahui kalor jens air adalah 1000 J/kg⁰C?

Diketahui: 

m = 2 kg

c = 1000 J/Kg⁰C

ΔT = 100 ⁰C – 23 ⁰C = 77 ⁰C

Ditanya : 

Q…..?

Jawab :

Q = m.c. ΔT

Q = 2. 1000. 77

Q = 154.000 J

Nah, itulah penjelasan tentang pengertian kalor, rumus, jenis-jenis, perpindahan, dan contoh- contoh soal kalor. Apakah Grameds sudah bisa memahami materi kalor di atas? Kalor adalah materi Fisika yang harus pahami apalagi jika Grameds masih duduk di bangku SMA. Jika Grameds masih butuh banyak referensi untuk memahami dan belajar lagi tentang kalor maka bisa kunjungi koleksi buku Gramedia di www.gramedia.com. Grameds bisa menemukan referensi buku pelajaran buku fisika yang lengkap, salah satu di dalamnya yang membahas tentang materi kalor lengkap dengan latihan soal-soal dan pembahasan. 

Kita semua sepakat jika pelajaran fisika memang tidak mudah dipahami atau dikuasai hanya dengan menghafalkan rumus-rumusnya saja. 

Materi Gas Ideal: Pengertian, Ciri-ciri, Syarat, Lengkap dengan Rumusnya

Pengertian gas ideal

Gas ideal adalah kumpulan dari partikel pada sebuah zat yang jaraknya cukup jauh dibandingkan dengan ukuran partikel tersebut. Partikel dalam gas yang selalu bergerak secara acak ke segala arah bisa bertumbukan satu sama lain, tetapi pada gas ideal, tumbukan yang terjadi adalah tumbukan lenting sempurna atau tumbukan yang tidak membuat partikel kehilangan energi.

Sebenarnya, dalam kehidupan sehari-hari kita, tidak ada yang namanya gas ideal. Gas-gas di kehidupan nyata berada pada tekanan rendah dan suhunya tidak mendekati dengan titik cair gas. Namun, karena gas yang berada di tekanan rendah dan suhunya tidak dekat dengan titik cair gas mendekati dengan karakter gas ideal, maka gas tersebut diasumsikan sebagai gas ideal di kehidupan nyata.

Ciri-ciri gas ideal

Ciri-ciri gas ideal sangat unik dibandingkan dengan gas lainnya, yaitu:

• Gas ideal terdiri dari molekul dengan jumlah yang sangat banyak dengan jarak antar molekulnya jauh lebih besar dibandingkan dengan ukuran molekul. Hal ini membuat gaya tarik molekul menjadi sangat kecil sehingga diabaikan.
• Molekul gas bergerak acak dengan kecepatan tetap dan memenuhi hukum gerak Newton.
• Molekul gas ideal mengalami tumbukan lenting sempurna satu sama lain atau dengan dinding wadah. Dinding wadah gas ideal sifatnya kaku sempurna dan tidak akan bergerak.
• Energi kinetik rata-rata molekul gas ideal sebanding dengan suhu mutlaknya.

Jenis-jenis gas ideal

Seperti yang disebutkan sebelumnya, gas ideal sebenarnya tidak ada. Namun, beberapa gas yang berada di temperatur tinggi dan tekanan rendah memiliki perilaku seperti gas ideal, yaitu melawan gaya intermolekuler menjadi jauh lebih kecil dibandingkan dengan energi kinetik partikel. Sementara itu, ukuran molekulnya jauh lebih kecil dibandingkan dengan ruangan kosong antara molekul.

Dari penjelasan tersebut, ada beberapa jenis gas di dunia yang masih bisa disebut dengan gas ideal, seperti nitrogen, oksigen, hidrogen, gas mulia, dan karbon dioksida.

Sifat gas ideal

Untuk membedakan gas ideal dengan gas lainnya, maka kamu perlu memahami sifat dari gas ideal dan selanjutnya untuk gas dengan sifat tersebut akan disebut sebagai gas ideal. Berikut ini adalah sifat-sifat gas ideal:

1. Volume molekulnya diabaikan terhadap volume ruang yang ditempati.
2. Gaya tarik antar molekul sangat kecil sehingga bisa diabaikan.
3. Tumbukan antar molekul atau partikel serta tumbuhan partikel atau molekul terhadap dinding sifatnya elastis, artinya tidak akan mengalami perubahan energi, bisa disebut dengan terjadi lenting sempurna.
4. Tekanan disebabkan karena tumbukan pada dinding tabung, sementara besar kecilnya tekanan pada gas karena jumlah tumbukan per satuan luas per detik.

Syarat gas ideal

Sebuah gas dikatakan ideal apabila memenuhi syarat-syarat di bawah ini:

1. Suatu gas yang terdiri dari molekul yang identik sehingga antar molekulnya tak bisa dibedakan.
2. Molekul dalam gas bergerak secara acak ke segala arah.
3. Molekul gas ideal tersebar merata di seluruh bagian.
4. Jarak antar molekul lebih besar dibandingkan ukuran molekulnya.
5. Tidak ada gaya interaksi antarmolekul, kecuali tumbukan antar molekul atau dengan dinding.
6. Semua tumbuhan dari molekul dengan molekul atau molekul dengan dinding adalah lenting sempurna.
7. Tumbukan molekul tersebut terjadi pada waktu yang sangat singkat.
8. Hukum Newton tentang gerak berlaku pada gas ideal.

Hukum gas ideal

Persamaan gas ideal didasarkan pada Hukum Boyle, Hukum Charles, dan Hukum Gay Lussac. Sehingga, kamu wajib memahami ketiga hukum pada gas tersebut yang akan dijelaskan di bawah ini:

Hukum Boyle

Hukum Boyle berbunyi bahwa untuk jumlah tetap gas ideal pada suhu sama, tekanan (P) dan volume (V) merupakan proporsional terbalik, yang satu ganda yang satunya setengah.

PV = Konstan atau P1 V1 = P2 V2

Dimana,

• P = tekanan gas pada suhu tetap (Pa)
• V = volume gas pada suhu tetap (m3)
• P1 = tekanan gas pada keadaan I (Pa)
• P2 = tekanan gas pada keadaan II (Pa)
• V1 = volume gas pada keadaan I (m3)
• V2 = volume gas pada keadaan II (m3)

Hukum Charles

Hukum Charles menyatakan apabila gas dalam sebuah ruang tertutup dengan tekanan yang dijaga konstan, membuat volume pada gas dalam jumlah tertentu akan berbanding lurus dengan temperatur mutlaknya.

Dari pernyataan Hukum Charles tersebut, berikut ini persamaannya:

V/T = Konstan atau V1/T1 = V2/T2

Dimana,

• V = volume gas pada tekanan tetap (m3)
• T = suhu gas pada tekanan tetap (K)
• V1 = volume gas pada keadaan I (m3)
• V2 = volume gas pada keadaan II (m3)
• T1 = suhu gas pada keadaan I (K)
• T2 = suhu gas pada keadaan II (K)

Hukum Gay Lussac

Hukum Gay Lussac menyebutkan bahwa tekanan dari massa gas berbanding lurus dengan suhu mutlak gas, saat volume dipertahankan dalam keadaan konstan.

P/T = konstan atau P1/T1 = P2/T2

• P = tekanan gas pada volume tetap (Pa)
• T = suhu gas pada volume tetap (K)
• P1 = tekanan gas pada keadaan I (Pa)
• P2 = tekanan gas pada keadaan II (Pa)
• T1 = suhu gas pada keadaan I (K)
• T2 = suhu gas pada keadaan II (K)

Rumus gas ideal

Persamaan gas ideal adalah persamaan yang menjelaskan terkait hubungan antara tekanan dan volume pada gas dengan temperatur dan jumlah mol gas. Rumus gas ideal ini didasari dari ketiga hukum yang sudah dibahas di atas. Berikut ini persamaan umum gas ideal

PV = nRT

PV = (m/M)RT

PM = RT

PV = (N/NA) RT

PV = NkT

Dimana,

• P = tekanan (Pa)
• V = volume (m3)
• n = jumlah mol (mol)
• T = suhu gas (K)
• R = tetapan umum gas (8,314 J/mol K)
• m = massa gas (kg)
• M = massa relatif gas (kg/mol)
• ρ = massa jenis (kg/m3)
• N = jumlah partikel
• NA = bilangan Avogadro (6,02 x 1026 partikel/kmol)
• k = tetapan Boltzman (1,38 x 10-23 J/K)

Perbedaan gas ideal dengan gas sejati

Berikut ini adalah perbedaan gas ideal dan gas sejati atau nyata:

• Gas ideal tidak memiliki gaya antarmolekul dan molekul gasnya dianggap partikel titik. Sementara gas nyata memiliki ukuran dan volume yang kemudian memiliki gaya antarmolekul.
• Sebenarnya, gas ideal tidak ada di kehidupan nyata. Namun, gas nyata bisa.
• Gas di kehidupan nyata yang mendekati dengan gas ideal berada di tekanan rendah dan suhu tinggi. Sementara, gas nyata berada di tekanan tinggi dan suhu rendah,
• Gas ideal bisa menggunakan persamaan PV = nRT = nKT. Gas nyata tidak bisa dan persamaannya lebih rumit.

contoh soal gas ideal

Soal 1

Suatu gas memiliki sebuah volume sebesar 4 m3 berada dalam bejana tertutup (tidak bocor) dan suhunya dijaga tetap, tekanan mula-mula gas tersebut adalah 4 Pa. Jika tekanannya dinaikkan menjadi 8 Pa, tentukanlah besar volumenya?

Pembahasan

Diketahui:

V1 = 4 m3

P1 = 4 Pa

P2 = 8 Pa

Ditanyakan: V2 = ….?

Jawab

P1 x V1 = p2 x V2

V2 = p1 x v1/p2

V2 = 4 x 4 / 8

v2 = 2 m3

Jadi, besar volumenya menjadi 2 m3.

Soal 2

Tekanan suatu gas dengan volume 5 m3 yang berada dalam bejana tertutup (tidak bocor) dijaga tetap. Suhu mutlaknya mula-mula mencapai 100 K. Jika volumenya diubah menjadi 6 m3, hitunglah berapa besar jumlah suhu mutlaknya

Pembahasan

Diketahui:

V1 = 5 m3

T1 = 100 K

V2 = 6 m3

Ditanyakan: 2 = ….?

Jawab

v1/t1 = v2/t2

t2 = v2 x t1 / v1

t2 = 6 x 100/5

t2 = 120 k

Jadi, suhu mutlaknya menjadi 120 K.

referensi:

https://www.quipper.com/id/blog/mapel/fisika/gas-ideal/

https://kumparan.com/ragam-info/2-contoh-soal-gas-ideal-beserta-pembahasannya-21Ppq87qHHs/full

https://www.gramedia.com/literasi/hukum-termodinamika/

https://www.gramedia.com/literasi/pengertian-kalor/