Hukum Ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika merupakan hukum fisika yang jablai Kurang populer karena jarang dibelai…  Daripada hukum ketiga termodinamika menjadi jablai, alangkah baiknya jika gurumuda bahas saja, biar dirimu bisa membelainya…

Hukum ketiga termodinamika mengatakan bahwa mencapai suhu nol mutlak (0 K) adalah hal yang tidak mungkin terjadi. Untuk mengetahui alasan mengapa suhu nol mutlak tidak bisa dicapai, silahkan pelajari lagi materi teori kinetik gas… ulasannya sudah disertakan dalam pokok bahasan tersebut.

Hukum Kedua Termodinamika

Untuk menjelaskan proses termodinamika yang hanya terjadi pada satu arah (proses ireversibel), para ilmuwan merumuskan hukum kedua termodinamika. Hukum kedua termodinamika menjelaskan proses apa saja yang bisa terjadi di alam semesta dan proses apa saja yang tidak bisa terjadi. Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822-1888) membuat sebuah pernyataan berikut :

Kalor berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah; kalor tidak akan berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Clausius).

Pernyataan eyang butut Clausius merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Disebut pernyataan khusus karena hanya berlaku untuk satu proses saja (berkaitan dengan perpindahan kalor). Karena pernyataan ini tidak berkaitan dengan proses lainnya, maka kita membutuhkan pernyataan yang lebih umum. Perkembangan pernyataan umum hukum kedua termodinamika sebagiannya didasarkan pada studi tentang mesin kalor. Karenanya terlebih dahulu kita bahas mesin kalor…

MESIN KALOR (heat engine)

Pada dasarnya setiap manusia, baik diriku, dirimu dan dirinya menginginkan kehidupan yang lebih nyaman dan mudah. Untuk melakukan kerja, biasanya kita memanfaatkan kekuatan otot. Btw, kekuatan otot kita sangat terbatas, karenanya kita ingin membuat alat yang bisa menggantikan atau mengurangi beban kerja otot. Misalnya dirimu sekarang tinggal di jakarta. Waktu liburan, dirimu ingin jalan-jalan ke surabaya… Apakah dirimu bisa jalan kaki dari jakarta menuju surabaya ? bisa si bisa, tapi kakimu akan kejang-kejang di sepanjang jalan Sudah gitu, berbulan-bulan baru dirimu tiba di surabaya. Syukur kalau tiba dengan selamat. Perjalanan yang jauh bisa ditempuh dengan mudah jika kita bisa membuat alat transportasi alias kendaraan. Kendaraan bisa bergerak kalau ada energi kinetik. Btw, kendaraan tidak mungkin bergerak dengan sendirinya karena tiba-tiba ia punya energi kinetik.

Contohnya batu. Batu tidak bisa bergerak dengan sendirinya karena tiba-tiba saja ia punya energi kinetik. Batu bisa bergerak kalau dirimu lempar. Ketika melempar batu, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah menjadi energi kinetik batu. Anak panah tidak mungkin tiba-tiba saja bergerak dengan sendirinya karena ia punya energi kinetik. Anak panah bisa bergerak karena tarikan busur dilepas. Ketika tarikan busur dilepas, energi potensial elastis busur berubah menjadi energi kinetik anak panah. Energi potensial elastis busur berasal dari energi potensial kimia orang yang memanah… Demikian halnya dengan kendaraan yang selalu kita gunakan, seperti mobil, sepeda motor, pesawat, bajaj, kereta api… Agar bisa bergerak maka kendaraan harus punya energi kinetik. Nah, energi kinetik kendaraan tidak mungkin muncul dengan sendirinya… Kita membutuhkan energi lain yang bisa diubah menjadi energi kinetik kendaraan. Ini hanya salah satu contoh saja…

Hampir semua energi yang kita gunakan berasal dari energi potensial kimia yang terkandung dalam minyak bumi, gas, batu bara. Btw, energi potensial kimia yang terkandung dalam minyak bumi, gas atau batu bara tidak bisa langsung digunakan. Minyak bumi, gas atau batu bara harus dibakar terlebih dahulu… Karena harus pake bakar segala, maka minyak bumi dkk biasa disebut sebagai bahan bakar. Lebih tepatnya bahan bakar fosil karena minyak bumi, gas dan batu bara berasal dari fosil makhluk hidup, baik tumbuhan atau hewan yang sudah mati dan membusuk dalam perut bumi selama beribu-ribu atau berjuta-juta tahun. Hewan atau tumbuhan punya energi potensial kimia juga. Setelah mati dan mengendap selama ribuan atau jutaan tahun, energi potensial kimia hewan atau tumbuhan berubah menjadi energi potensial kimia bahan bakar fosil…

Biasanya hasil pembakaran bahan bakar fosil (minyak bumi, gas dan batu bara) menghasilkan kalor alias panas… Kalor bisa kita gunakan secara langsung untuk memasak makanan, memanaskan ruangan. Untuk menggerakan sesuatu (misalnya menggerakkan kendaraan), kita harus mengubah kalor menjadi energi kinetik atau energi mekanik (energi mekanik = energi potensial + energi kinetik). Mengubah energi mekanik menjadi kalor adalah pekerjaan yang sangat mudah, tetapi mengubah kalor menjadi energi mekanik adalah pekerjaan sulit. Coba gosokan kedua telapak tanganmu… telapak tanganmu kepanasan khan ? Ketika kita menggosok kedua telapak tangan (kita melakukan usaha alias kerja), energi mekanik berubah menjadi kalor. Prosesnya sangat mudah… Bahkan kalor yang tak terbatas bisa dihasilkan dengan melakukan kerja. Tapi proses sebaliknya, yakni memanfaatkan kalor untuk melakukan kerja adalah pekerjaan yang sulit.

Alat yang digunakan untuk memanfaatkan kalor untuk melakukan kerja baru ditemukan pada tahun 1700. Alat yang dimaksud adalah mesin uap. Mesin uap pertama kali digunakan untuk memompa air keluar dari tambang batu bara. Perlu diketahui bahwa penggunaan mesin uap pertama terjadi sebelum para ilmuwan mengetahui bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu (hukum pertama termodinamika belum dirumuskan). Penggunaan mesin uap waktu itu mungkin didasarkan pada pengalaman sehari-hari yang menunjukkan bahwa uap bisa menggerakkan sesuatu (misalnya uap air menendang-nendang tutup panci).  Mesin uap termasuk mesin kalor (mesin kalor = alat yang mengubah kalor menjadi energi mekanik). Sekarang mesin uap digunakan untuk membangkitkan energi listrik… Mesin kalor modern adalah mesin pembakaran dalam (mesin mobil, mesin sepeda motor dkk).

Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram di bawah…

Amati diagram di atas… Suhu tinggi (T_H) dan suhu rendah (T_L) dikenal juga dengan julukan suhu operasi mesin (suhu = temperatur). Kalor yang mengalir dari tempat bersuhu tinggi diberi simbol Q_H, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu rendah diberi simbol Q_L. Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, sebagian Q_H diubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai Q_L. Sebenarnya kita sangat mengharapkan bahwa semua Q_H bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang. Dengan demikian, berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa Q_H = W + Q_L.

Sekarang mari kita tinjau mesin kalor yang biasa digunakan untuk mengubah kalor menjadi energi mekanik. Perlu diketahui bahwa kita hanya meninjau mesin kalor yang melakukan kerja secara terus menerus. Agar kerja bisa dilakukan secara terus menerus maka kalor harus mengalir secara terus menerus dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Jika kalor hanya mengalir sekali saja maka kerja yang dilakukan mesin kalor juga hanya sekali saja (energi mekanik yang dihasilkan sangat sedikit). Dengan demikian mesin kalor tersebut tidak bisa kita manfaatkan secara optimal. Mesin kalor bisa dimanfaatkan secara optimal jika ia melakukan kerja secara terus menerus. Dengan kata lain, stok energi mekanik yang dihasilkan mesin kalor cukup banyak sehingga bisa kita gunakan untuk menggerakkan sesuatu. Daripada kelamaan dan jadi basi, lebih baik kita langsung menuju ke sasaran… Sekarang siapkan sapu tangan atau sapi kaki sebanyak-banyaknya sebelum si mesin kalor bikin dirimu kepanasan Terlebih dahulu kita tinjau mesin uap. Mesin pembakaran dalam akan dibahas kemudian…

Mesin Uap

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi nuklir.

Mesin uap tipe bolak balik

Tataplah gambar kusam di bawah dengan penuh kelembutan…

Air dalam wadah biasanya dipanaskan pada tekanan yang tinggi. Karena dipanaskan pada tekanan yang tinggi maka proses pendidihan air terjadi pada suhu yang tinggi (ingat pembahasan mengenai pendidihan – Teori kinetik gas). Biasanya air mendidih (air mendidih = air berubah menjadi uap) sekitar suhu 500 ^oC. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Semakin tinggi suhu uap, semakin besar tekanan uap. Uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi tersebut bergerak melewati katup masukan dan memuai terhadap piston. Ketika memuai, uap mendorong piston sehingga piston meluncur ke kanan. Dalam hal ini, sebagian kalor alias panas pada uap berubah menjadi energi kinetik (uap melakukan kerja terhadap piston — W = Fs). Pada saat piston bergerak ke kanan, roda yang dihubungkan dengan piston berputar (1). Setelah melakukan setengah putaran, roda menekan piston kembali ke posisinya semula (2). Ketika piston bergerak ke kiri, katup masukan dengan sendirinya tertutup, sebaliknya katup pembuangan dengan sendirinya terbuka. Uap tersebut dikondensasi oleh kondensor sehingga berubah menjadi embun (embun = air yang berasal dari uap). Selanjutnya, air yang ada di dalam kondensor dipompa kembali ke wadah untuk dididihkan lagi. Demikian seterusnya… Karena prosesnya terjadi secara berulang-ulang maka piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus. Karena piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus maka roda pun berputar secara terus menerus. Putaran roda biasanya digunakan untuk menggerakan sesuatu…

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin uap tipe bolak balik di atas bisa dijelaskan seperti ini : Bahan bakar fosil (batu bara/minyak/gas) memiliki energi potensial kimia. Ketika bahan bakar fosil dibakar, energi potensial kimia berubah bentuk menjadi kalor alias panas. Kalor alias panas yang diperoleh dari hasil pembakaran bahan bakar fosil digunakan untuk memanaskan air (kalor berpindah menuju air dan uap). Selanjutnya sebagian kalor pada uap berubah bentuk menjadi energi kinetik translasi piston, sebagian lagi diubah menjadi energi dalam air. Sebagian besar energi kinetik translasi piston berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar, sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas (kalor alias panas timbul akibat adanya gesekan antara piston dengan silinder). Jika digunakan untuk membangkitkan listrik maka energi kinetik rotasi roda pemutar bentuk menjadi energi listrik. Dan seterusnya…

Turbin uap

Pada dasarnya prinsip kerja turbin uap sama dengan mesin uap tipe bolak balik. Bedanya mesin uap tipe bolak balik menggunakan piston, sedangkan turbin uap menggunakan turbin. Pada mesin uap tipe bolak balik, kalor diubah terlebih dahulu menjadi energi kinetik translasi piston. Setelah itu energi kinetik translasi piston diubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Nah, pada turbin uap, kalor langsung diubah menjadi energi kinetik rotasi turbin… Turbin bisa berputar akibat adanya perbedaan tekanan. Suhu uap sebelah atas bilah jauh lebih besar daripada suhu uap sebelah bawah bilah (bilah tuh lempeng tipis yang ada di tengah turbin). Ingat ya, suhu berbading lurus dengan tekanan. Karena suhu uap pada sebelah atas bilah lebih besar dari suhu uap pada sebelah bawah bilah maka tekanan uap pada sebelah atas bilah lebih besar daripada tekanan uap pada sebelah bawah bilah. Adanya perbedaan tekanan menyebabkan si uap mendorong bilah ke bawah sehingga turbin berputar. Arah putaran turbin tampak seperti gambar di bawah…

Perlu diketahui bahwa prinsip kerja mesin uap didasarkan pada diagram perpindahan energi yang telah dijelaskan di atas. Dalam hal ini, energi mekanik bisa dihasilkan apabila kita membiarkan kalor mengalir dari benda atau tempat bersuhu tinggi menuju benda atau tempat bersuhu rendah. Dengan demikian, perbedaan suhu sangat diperlukan pada mesin uap.

Btw, apabila dirimu perhatikan cara kerja mesin uap tipe bolak balik, tampak bahwa piston tetap bisa bergerak ke kanan dan ke kiri walaupun tidak ada perbedaan suhu (tidak ada kondensor dan pompa). Piston bisa bergerak ke kanan akibat adanya pemuaian uap bersuhu tinggi atau uap bertekanan tinggi. Dalam hal ini, sebagian kalor pada uap berubah menjadi energi kinetik translasi piston. Energi kinetik translasi piston kemudian berubah menjadi energi kinetik rotasi roda pemutar. Setelah melakukan setengah putaran, roda akan menekan piston kembali ke kiri. Ketika roda menekan piston kembali ke kiri, energi kinetik rotasi roda berubah lagi menjadi energi kinetik translasi piston. Ketika piston bergerak ke kiri, piston mendorong uap yang ada dalam silinder. Pada saat yang sama, katup pembuangan terbuka. Dengan demikian, uap yang didorong piston tadi akan mendorong temannya ada di sebelah bawah katup pembuangan. Nah, apabila suhu uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan = suhu uap yang didorong piston, maka semua energi kinetik translasi piston akan berubah lagi menjadi energi dalam uap. Energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Kalau energi dalam uap bertambah maka suhu uap meningkat. Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Kalau suhu uap meningkat maka tekanan uap juga meningkat. Dengan demikian, tekanan uap yang dibuang melalui katup pembuangan = tekanan uap yang masuk melalui katup masukan. Piston akan tetap bergerak ke kanan dan ke kiri seterusnya tetapi tidak akan ada energi kinetik total yang bisa dimanfaatkan (tidak ada kerja total yang dihasilkan). Jadi energi kinetik yang diterima oleh piston selama proses pemuaian (piston bergerak ke kanan) akan dikembalikan lagi kepada uap selama proses penekanan (piston bergerak ke kiri). Pahami perlahan-lahan ya…

Dari penjelasan panjang lebar dan bertele-tele sebelumnya, kita bisa menyimpulkan bahwa perbedaan suhu dalam mesin uap tetap diperlukan. Perbedaan suhu dalam mesin uap bisa diperoleh dengan memanfaatkan kondensor. Ketika suhu dan tekanan uap yang berada di sebelah bawah katup pembuangan jauh lebih kecil dari pada suhu dan tekanan uap yang berada di dalam silinder, maka ketika si piston bergerak kembali ke kiri, besarnya tekanan (P = F/A) yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya tekanan yang diberikan uap kepada piston ketika si piston bergerak ke kanan. Dengan kata lain, besarnya usaha alias kerja yang dilakukan piston terhadap uap jauh lebih kecil daripada besarnya kerja yang dilakukan uap terhadap piston (W = Fs). Jadi hanya sebagian kecil energi kinetik piston yang dikembalikan lagi pada uap. Dengan demikian akan ada energi kinetik total atau kerja total yang dihasilkan. Energi kinetik total ini yang dipakai untuk menggerakan sesuatu (membangkitkan listrik dkk…) Pembangkitan energi listrik akan dibahas secara mendalam pada pokok bahasan listrik dan magnet…

Sekarang mari kita lanjutkan perjalanan menuju mesin pembakaran dalam…

Mesin Pembakaran Dalam

Mesin sepeda motor dan mesin mobil merupakan contoh mesin pembakaran dalam. Disebut mesin pembakaran dalam karena proses pembakaran terjadi di dalam silinder tertutup. Adanya mesin pembakaran dalam merupakan hasil rekayasa konsep penekanan dan pemuaian adiabatik yang sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan hukum pertama termodinamika.

Pada kesempitan ini kita hanya meninjau mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin dan solar sebagai bahan bakar. Bensin dan solar termasuk minyak bumi, karenanya memiliki energi potensial kimia. Energi potensial kimia dalam bensin dan solar terlebih dahulu diubah menjadi kalor alias panas melalui proses pembakaran. Selanjutnya, kalor alias panas yang diperoleh melalui hasil pembakaran diubah menjadi energi mekanik. Adanya energi mekanik ini yang menyebabkan sepeda motor atau mobil bisa bergerak… Siklus pada mesin bensin disebut sebagai siklus otto, sedangkan siklus pada mesin solar disebut sebagai siklus diesel… Siklus = proses yang terjadi secara reversibel (bolak balik). Terlebih dahulu kita bahas siklus otto…

Siklus otto

Tataplah gambar aneh di bawah dengan penuh kelembutan…

Ini adalah gambar mesin pembakaran dalam empat langkah alias empat tak… Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi alias penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah diulangi…

Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga…  Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika si busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga…

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas… Panas timbul akibat adanya gesekan…

Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di bawah… (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin).

Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder (a). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin ditekan secara adiabatik (a-b). Perhatikan bahwa volume silinder berkurang… Campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan – campuran dibakar (b-c). Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d). Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder (d-a).

Siklus Diesel

Prinsip kerja mesin diesel mirip seperti mesin bensin. Perbedaannya terletak pada langkah awal kompresi alias penekanan adiabatik (penekanan adiabatik = penekanan yang dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor alias panas tidak sempat mengalir menuju atau keluar dari sistem. Sistem untuk kasus ini adalah silinder). Kalau dalam mesin bensin, yang ditekan adalah campuran udara dan uap bensin, maka dalam mesin diesel yang ditekan hanya udara saja… Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, si solar langsung terbakar… Tidak perlu pake busi lagi. Perhatikan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram di bawah… bandingkan dengan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram siklus otto… simpulkan sendiri ya

Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal alias sempurna… Mula-mula udara ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik alias injector menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (d-a). Selengkapnya bisa dipelajari di dunia perteknik-otomotifan Gurumuda hanya memberimu pengetahuan dasar saja.

Dari penjelasan yang bertele-tele di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja untuk mesin bensin  adalah udara dan uap bensin, zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (Q_H), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (Q_L).  Karena si energi kekal, maka Q_H = W + Q_L.

Efisiensi mesin kalor

Efisiensi (e) mesin kalor merupakan perbandingan antara Usaha alias Keja (W) yang dilakukan mesin dengan masukan Kalor pada suhu tinggi (Q_H). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

W merupakan keuntungan yang kita terima, sedangkan Q_H merupakan biaya yang kita keluarkan untuk membeli dan membakar bahan bakar. Sebagai manusia yang selalu ingin memperoleh keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya , kita sangat berharap bahwa keuntungan yang kita peroleh (W) sebanding dengan biaya yang kita keluarkan (Q_H). Mungkinkah itu terjadi ? Nantikan hasil pengoprekannya…

Berdasarkan kekekalan energi, Kalor masukan (Q_H) harus sama dengan Kerja (W) yang dilakukan + Kalor yang dibuang (Q_L). Secara matematis bisa diobok-obok seperti ini :

Kita gantikan W pada persamaan 1 dengan W pada persamaan 2 :

Jika ingin menyatakan efisiensi mesin kalor dalam persentase, kalikan saja persamaan efisiensi dengan 100 %.

Teori Kinetik gas

DIFUSI

Contoh yang telah gurumuda ulas sebelumnya merupakan beberapa peristiwa difusi yang sering kita alami dalam kehidupan sehari-hari… Difusi tuh apaan sich ? sejenis gorengan-kah ? Difusi tuh proses berpindahnya molekul-molekul zat dari tempat yang berkonsentrasi tinggi menuju tempat yang berkonsentrasi rendah… Yang dimaksudkan dengan konsetrasi di sini adalah banyaknya molekul/mol zat per volume. Tempat yang berkonsentrasi tinggi adalah tempat di mana terdapat banyak molekul zat per volume. Sebaliknya tempat yang berkonsetrasi rendah adalah tempat di mana terdapat sedikit molekul atau bahkan tidak ada molekul per volume.

Ketika dirimu membakar sampah, biasanya konsentrasi asap di sekitar tempat pembakaran sampah cukup tinggi… Ketika seseorang merokok, tempat di sekitar ujung rokok yang terbakar biasanya memiliki konsetrasi asap yang tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul asap secara otomatis menyebar dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Molekul-molekul asap yang pada mulanya ngumpul bareng akhirnya tercerai berai ke segala arah…

Ketika dirimu menyemprot parfum ke tubuh, tempat di mana parfum tersebut disemprot memiliki konsentrasi yang tinggi… karena terdapat perbedaan konsentrasi, maka molekul-molekul parfum bergerak dari tempat yang berkonsetrasi tinggi menuju tempat yang berkonsetrasi rendah… Pacar kesayangan yang lagi menunggu di ruang tamu pun kebagian rejeki… Seandainya molekul-molekul parfum tidak sampai pada tempat di mana pacarmu berada, tentu saja pacarmu tidak bisa menikmati harumnya parfum kesayanganmu…

Ketika dirimu memasukkan beberapa tetes tinta atau pewarna makanan ke dalam gelas yang berisi air bening, bagian air yang pertama kali ditetesi tinta atau pewarna makanan biasanya memiliki konsentrasi yang lebih tinggi… Karena terdapat perbedaan konsentrasi maka molekul-molekul tinta atau molekul-molekul pewarna makanan menyebar ke seluruh bagian air yang memiliki konsentrasi rendah… Proses difusi akan terhenti setelah konsentrasi molekul tinta dalam semua bagian air sama.

Perlu diketahui bahwa proses difusi bisa dijelaskan menggunakan teori kinetic (Teori kinetic mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari molekul-molekul dan molekul-molekul tersebut bergerak terus menerus secara acak). Untuk lebih memahami hal ini, gurumuda menggunakan ilustrasi saja… tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…

Anggap saja ini gambar sebuah wadah yang berbentuk silinder, di mana semua bagian wadah penuh terisi air. Karena ditetesi tinta, maka air yang berada di permukaan wadah memiliki konsentrasi yang lebih tinggi daripada air yang ada di bagian dasar…

C₁ adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi tinggi, sedangkan C₂ adalah bagian silinder atau bagian air yang memiliki konsentrasi rendah… Untuk mempermudah analisis maka kita hanya meninjau gerakan molekul-molekul tinta pada bagian tengah silinder (delta x).

Jumlah molekul-molekul tinta pada C₁ lebih banyak (konsentrasi tinggi) daripada molekul-molekul tinta pada C₂ (konsentrasi rendah). Karena molekul-molekul tinta bergerak terus menerus secara acak, maka molekul-molekul tinta yang berada di C₁ mempunyai kemungkinan yang lebih besar untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Sebaliknya, jumlah molekul-molekul tinta yang berada di C₂ sangat sedikit sehingga mempunyai kemungkinan yang sangat kecil untuk bergerak menuju bagian tengah silinder (delta x). Dengan demikian, akan ada aliran total molekul-molekul tinta dari C₁ menuju C₂… Nah, sesuai dengan penelitian yang dilakukan oleh seorang ahli fisiologi yang bernama om Adolf Fick (1829-1901), ditemukan bahwa laju difusi sebanding alias berbanding lurus dengan perbedaan konsentrasi (C₂-C₁). Semakin besar perbedaan konsentrasi, semakin besar laju aliran molekul-molekul zat. Sebliknya, semakin kecil perbedaan konsentrasi, semakin kecil laju aliran molekul-molekul zat. Hal ini mungkin sesuai dengan dugaan kita bahwa perbedaan konsentrasi turut mempengaruhi laju aliran molekul-molekul…

Catatan :

Selain berpindah tempat dengan cara difusi, molekul-molekul zat (khususnya zat gas) juga bisa mengungsi dari satu tempat ke tempat lain menggunakan bantuan angin.

Penerapan Difusi dalam kehidupan sehari-hari

Seandainya tidak ada difusi, pacar kesayangan tidak bisa menikmati harumnya parfummu. Tanpa difusi, aroma masakan ibu di dapur yang lezat dan mengundang selera juga tidak bisa membuyarkan lamunanmu dan pingin secepatnya menghabiskan santapan bergizi yang tersedia di meja makan hiks2… Masih banyak contoh lain… Btw, difusi juga memiliki peran yang sangat penting bagi kelangsungan hidup manusia, hewan, tumbuhan dkk…

Tumbuh-tumbuhan biasanya membutuhkan karbondioksida (CO₂) untuk melakukan fotosintesis. Karena terdapat perbedaan konsentrasi CO₂ antara bagian dalam daun dengan udara luar, maka molekul-molekul CO₂ berbondong-bondong mengungsi ke dalam daun. Si CO₂ berdifusi ke dalam daun melalui stomata… lega rasanya, kata daun. Untung ada difusi, kalau tidak diriku bisa mati karena kekurangan CO₂ Sebaliknya, uap air dan oksigen berdifusi keluar…

Selain tumbuhan, kucing, tikus dkk juga bisa mati lemas jika tidak ada difusi… Kalau tumbuhan membutuhkan CO₂ untuk melakukan fotosintesis, maka kucing, tikus dkk membutuhkan oksigen untuk setiap reaksi yang menghasilkan energi… agar bisa tiba dengan selamat dalam sel-sel maka molekul-molekul oksigen tentu saja menggunakan cara difusi…

Na, sekarang giliran manusia… dirimu dan diriku juga bisa mati lemas jika tidak ada difusi… biasanya manusia menyedot oksigen melalui proses pernafasan. Setelah tiba dengan selamat di paru-paru, oksigen berdifusi menuju darah. Selanjutnya darah akan menghantar molekul-molekul oskigen menuju sel-sel tubuh. Setelah menghantar molekul-molekul oskigen menuju sel-sel tubuh, darah menggiring molekul-molekul karbondioksida yang dihasilkan sel-sel tubuh menuju paru-paru. Selanjutnya molekul-molekul karbondioskida berbondong-bondong melakukan difusi menuju udara luar. Selengkapnya bisa dipelajari pada mata pelajaran kimia, biologi dkk… bye 

Besaran Yang Menyatakan Sifat Makroskopis dan Mikroskopis Gas

Pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas, gurumuda sudah menjelaskan beberapa besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas. Besaran-besaran yang dimaksud adalah suhu alias temperatur (T), volume (V), tekanan (T) dan massa (m). Ketiga besaran ini bisa diukur secara langsung. Suhu bisa kita ukur dengan termometer. Volume juga bisa diukur. Apalagi tekanan dan massa… Nah, selain besaran makroskopis, terdapat juga besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas. Besaran-besaran yang menyatakan sifat mikroskopis antara lain kecepatan atau kelajuan (v), gaya (F), momentum (P) dan energi kinetik (EK) atom-atom atau molekul-molekul penyusun gas. Berbeda dengan besaran makroskopis, besaran mikroskopis tidak bisa diukur secara langsung. Ya iyalah, atom atau molekul saja tidak kelihatan Walaupun demikian, kita bisa mengetahui sifat mikroskopis gas dengan meninjau keterkaitan antara besaran makroskopis dengan besaran mikroskopis.

Sebelum meninjau hubungan antara besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas (suhu, volume dan tekanan) dengan besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas (kecepatan, gaya, momentum dan energi kinetik), terlebih dahulu kita pahami kembali konsep teori kinetik gas dan gas ideal. Kedua konsep dasar ini sangat penting dan tentu saja berkaitan dengan pembahasan kita kali ini. Ikuti saja jalan ceritanya… Orang sabar disayang pacar

Teori Kinetik Gas

Perlu diketahui bahwa pemahaman kita mengenai sifat mikroskopis gas sebenarnya didasarkan pada teori kinetik gas. Teori kinetik gas merupakan pengembangan dari teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat terdiri dari atom atau molekul dan atom atau molekul tersebut bergerak terus menerus secara sembarangan. Dugaan teori kinetik ini cocok dengan situasi dan kondisi atom atau molekul penyusun gas. Gaya tarik antara atom-atom atau molekul-molekul penyusun gas sangat lemah, karenanya atom atau molekul bisa bergerak sesuka hatinya.

Ketika bergerak, atom atau molekul pasti punya kecepatan. Atom atau molekul juga punya massa. Karena punya massa (m) dan kecepatan (v), maka tentu saja atom atau molekul mempunyai energi kinetik (EK) dan momentum (p). Energi kinetik : EK = ½ mv². Sedangkan momentum : p = mv. Kayanya bukan cuma energi kinetik (EK) dan momentum (p) saja, tetapi gaya (F) juga. Atom atau molekul khan jumlahnya banyak tuh. Ketika mereka bergerak ke sana kemari, pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan. Jadi gaya muncul karena adanya perubahan momentum ketika terjadi tumbukan. Ingat lagi pembahasan mengenai impuls dan momentum. Energi kinetik, momentum dan gaya merupakan inti pembahasan kita pada materi dinamika (hukum newton, impuls dan momentum). Kita bisa mengatakan bahwa Teori kinetik gas sebenarnya menerapkan ilmu dinamika pada tingkat atom atau molekul penyusun zat gas.

Konsep Gas Ideal (berdasarkan sifat makroskopis gas)

Pada pembahasan mengenai hukum-hukum gas, gurumuda sudah menjelaskan secara panjang lebar mengenai tiga besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas riil (gas riil = gas nyata. Contoh : oksigen, karbondioksida, dkk). Ketiga besaran yang dimaksud adalah Suhu (T), volume (V) dan Tekanan (P). Hubungan antara ketiga besaran makroskopis ini dinyatakan dalam Hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay Lussac. Perlu diketahui bahwa ketiga hukum ini hanya berlaku untuk gas riil yang memiliki tekanan dan massa jenis (massa jenis = massa / volume) yang tidak terlalu besar. Ketiga hukum ini juga hanya berlaku untuk gas riil yang suhunya tidak mendekati titik didih.

Karena hukum om Boyle, hukum om Charles dan hukum om Gay-Lussac tidak berlaku untuk semua kondisi gas riil, maka kita bisa membuat model gas ideal alias gas sempurna. Gas ideal tidak ada dalam kehidupan sehari-hari; yang ada dalam kehidupan sehari-hari cuma gas riil alias gas nyata. Gas ideal hanya bentuk sempurna yang sengaja dibuat untuk membantu analisis kita, mirip seperti benda tegar dan fluida ideal. Jadi kita menganggap hukum Boyle, hukum Charles dan hukum Gay-Lussac berlaku untuk semua kondisi gas ideal. Adanya model gas ideal ini juga sangat membantu kita dalam meninjau hubungan antara ketiga hukum gas di atas. Dengan kata lain, model gas ideal membantu kita meninjau hubungan antara besaran-besaran makroskopis gas. Hubungan antara besaran-besaran makroskopis gas telah dioprek dalam pembahasan mengenai Hukum-Hukum Gas dan Hukum Gas Ideal.

Hukum gas ideal dinyatakan dalam dua persamaan yang membuat diriku dan dirimu mabuk kepayang — PV = nRT (hukum gas ideal dalam jumlah mol) dan PV = NkT (hukum gas ideal dalam jumlah molekul). Kita menganggap bahwa gas ideal memenuhi kedua persamaan ini. Dengan kata lain, hukum gas ideal berlaku untuk semua kondisi gas ideal, baik ketika tekanan atau massa jenis gas ideal sangat besar maupun ketika suhu gas ideal mendekati titik didih. Sebaliknya, hukum gas ideal tidak berlaku untuk semua kondisi gas riil. Hukum gas ideal hanya berlaku ketika tekanan dan massa jenis gas riil tidak terlalu besar. Hukum gas ideal juga hanya berlaku ketika suhu gas riil tidak mendekati titik didih. Dari uraian singkat ini, kita bisa mengatakan bahwa gas riil memiliki kemiripan sifat dengan gas ideal hanya ketika massa jenis dan tekanan gas riil tidak terlalu besar + ketika suhu gas riil tidak mendekati titik didih.

Konsep gas ideal yang sudah gurumuda jelaskan panjang pendek di atas baru ditinjau berdasarkan sifat makroskopis. Walaupun gas ideal hanya merupakan model ideal saja, gas ideal tetap dianggap sebagai gas yang terdiri dari atom atau molekul yang bergerak bebas hilir mudik ke sana kemari. Karenanya, alangkah baiknya jika kita bahas juga konsep gas ideal ditinjau dari sudut pandang mikroskopis….

Konsep Gas Ideal (berdasarkan sifat mikroskopis gas)

Berikut ini beberapa uraian singkat yang menggambarkan kondisi mikroskopis gas ideal, yang didasarkan pada teori kinetik gas :

1. Gas ideal terdiri dari partikel-partikel, yang dinamakan molekul-molekul. Jumlah molekul sangat banyak. Molekul-molekul gas ideal bisa saja terdiri dari satu atom atau beberapa atom. Setiap molekul mempunyai massa (m) dan bergerak secara acak/sembarangan ke segala arah dengan laju tertentu (v).

2. Jarak antara setiap molekul lebih besar dari diameter masing-masing molekul.

3. Molekul-molekul tersebut mematuhi hukum gerak (hukum mekanika warisan eyang Newton) dan saling berinteraksi ketika terjadi tumbukan.

4. Tumbukan antara molekul dengan molekul atau antara molekul dengan dinding wadah merupakan tumbukan lenting sempurna dan setiap tumbukan terjadi dalam waktu yang sangat singkat. Ingat ya, pada tumbukan lenting sempurna, berlaku hukum kekekalan energi (energi sebelum tumbukan = energi setelah tumbukan) dan hukum kekekalan momentum (momentum sebelum tumbukan = momentum setelah tumbukan).

Sampai di sini dirimu belum puyeng khan piss… Ok, kita lanjutkan perjalanan menuju pengoprekan rumus-rumus.

Hubungan antara sifat makroskopis dan sifat mikroskopis gas

Setelah puas jalan-jalan dengan gas ideal, sekarang mari kita tinjau hubungan kuantitatif antara besaran makroskopis dan besaran mikrokopis gas. Besaran-besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas adalah suhu (T), volume (V) dan tekanan (P). Sedangkan besaran-besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas adalah kecepatan aatau kelajuan (v), momentum (p), gaya (F) dan energi kinetik (EK) atom atau molekul penyusun gas. Dari pada kelamaan, nanti rumusnya bisa basi… Jadi lebih baik langsung kita oprek saja dalam tempo yang sesingkat-singkatnya….

Untuk membantu menurunkan hubungan ini, kita tinjau sejumlah molekul gas dalam sebuah wadah tertutup. Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan…. Atom atau molekulnya suangat banyak, tapi kalau gambar semua nanti tanganku pegal-pegal. he2… Anggap saja satu butir ini mewakili teman-temannya yang lain. Oya, ukuran atom atau molekul sangat kecil sehingga tidak bisa dilihat. Warnanya juga belum tentu hitam Gambar di bawah diperbesar. Btw, Ini cuma ilustrasi saja…

Panjang sisi kotak = l dan luas penampangnya = A.

Ingat ya, si molekul juga punya massa (m). Ketika hilir mudik ke sana ke mari, molekul bergerak dengan laju tertentu (v). Karena wadah tertutup maka pasti ada kemungkinan terjadi tumbukan antara molekul dengan dinding wadah yang mempunyai luas permukaan A.

Untuk mempermudah analisis, kita cukup meninjau tumbukan yang terjadi pada dinding sebelah kiri (dinding yang sejajar dengan sumbu z). Terlebih dahulu kita tinjau tumbukan yang dialami oleh satu molekul. Sebut saja molekul 1. Massa molekul 1 = m₁ dan laju gerakannya = v₁. Arah gerakan ke kiri ditetapkan bernilai negatif, sedangkan arah gerakan ke kanan ditetapkan bernilai positif.

Kita bisa mengandaikan bahwa sebelum menumbuk dinding wadah, gerakan molekul sejajar sumbu x dan arah gerakannya ke kiri. Karenanya terdapat komponen kecepatan pada sumbu x yang bernilai negatif (-v_1x). Karena punya massa (m₁) dan kecepatan (-v_1x), maka si molekul tentu saja punya momentum (p₁ = -m₁v_1x). Ini adalah momentum awal. Ketika menumbuk dinding, molekul memberikan gaya aksi pada dinding. Karena terdapat gaya aksi, maka dinding memberikan gaya reaksi. Adanya gaya reaksi dari dinding membuat si molekul bergerak kembali ke kanan. Istilah gaulnya, si molekul dipantulkan kembali. Karena arah gerakannya ke kanan maka komponen kecepatan molekul bernilai positif (v_1x). Momentum molekul setelah tumbukan adalah : p₂ = m₁v_1x. Ini adalah momentum akhir. Besarnya perubahan momentum akibat adanya tumbukan adalah :

Momentum total = momentum akhir – momentum awal

p_total = p₂ – p₁

p_total = m₁v_1x - (-m₁v_1x)

p_total = 2m₁v_1x

2m₁v_1x = momentum total untuk satu kali tumbukan. Karena tumbukan molekul merupakan tumbukan lenting sempurna, maka tumbukan yang terjadi tidak hanya sekali tetapi berulang kali. Ingat ya, pada tumbukan lenting sempurna berlaku hukum kekekalan energi dan hukum kekekalan momentum. Energi dan momentum sebelum tumbukan = energi dan momentum setelah tumbukan. Karenanya si molekul tidak akan pernah berhenti bergerak (energi kekal). Kecepatan molekul juga tidak pernah berkurang (momentum kekal)…

Setelah bertumbukan dengan dinding sebelah kiri, molekul bergerak ke kanan hingga menumbuk dinding sebelah kanan. Setelah menumbuk dinding sebelah kanan, molekul bergerak kembali ke kiri untuk menumbuk dinding sebelah kiri lagi. Karena panjang sisi kotak = l, maka setelah menumbuk dinding sebelah kiri untuk pertama kalinya, molekul akan menempuh jarak sejauh 2l sebelum menumbuk dinding sebelah kiri untuk kedua kalinya (2l = jarak pergi pulang). Sambil lihat gambar, biar tidak bingung… Ketika bergerak sejauh 2l, molekul pasti memerlukan selang waktu tertentu (sebut saja delta t). Besarnya selang waktu (delta t) yang diperlukan molekul untuk bergerak sejauh 2l, secara matematis ditulis seperti ini :

Bisa dikatakan bahwa Delta t adalah selang waktu antara setiap tumbukan. Ketika menumbuk dinding, molekul memberikan gaya aksi pada dinding. Karena mendapat gaya aksi maka dinding memberikan gaya reaksi. Adanya gaya reaksi tersebut membuat molekul bergerak lagi ke kanan. Dalam hal ini arah gerakan molekul berubah. Mula-mula molekul bergerak ke kiri (-v₁x), setelah menumbuk dinding, molekul bergerak ke kanan (v₁x). Perubahan arah gerakan menyebabkan terjadinya perubahan momentum (momentum akhir – momentum awal = m₁v_1x – (-m₁v_1x) = 2m₁v_1x). Kita bisa mengatakan bahwa perubahan momentum terjadi karena adanya gaya total yang diberikan oleh dinding. Ingat lagi hukum II Newton dalam bentuk momentum. Besarnya gaya total yang diberikan oleh dinding, secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Pada kotak di atas hanya digambarkan satu butir molekul. Ini tidak berarti bahwa molekul gas yang ada dalam kotak cuma satu. Satu butir molekul tersebut Cuma ilustrasi saja… Dalam kenyataannya terdapat banyak sekali molekul gas… Besarnya gaya total untuk semua molekul gas yang ada dalam kotak, secara matematis bisa ditulis seperti ini :

F = F₁ + F₂ + F₃ +….. + F_n

F₁ = gaya total untuk molekul 1

F₂ = gaya total untuk molekul 2

F₃ = gaya total untuk molekul 3

…… = dan seterusnya

F_n = gaya total untuk molekul 4

Jumlah molekul sangat banyak, sehingga kita cukup menulis simbol n. Simbol n = molekul yang terakhir. Lebih simpel dan tidak bikin pusink

m₁ = massa molekul 1, m₂ = massa molekul 2, m₃ = massa molekul 3, m_n = massa molekul terakhir. m₁ + m₂ + m₃ + ….. + m_n = m (massa gas yang ada dalam kotak). l = panjang sisi kotak. Semua molekul pasti menempuh l yang sama… Kita oprek lagi persamaan di atas :

v₁²x = kecepatan molekul 1, v₂²x = kecepatan molekul 2, v₃³x = kecepatan molekul 3, v_n²x = kecepatan molekul terakhir. Kecepatan setiap molekul berbeda-beda, karenanya kita perlu menghitung kecepatan rata-rata semua molekul. Untuk menghitung kecepatan rata-rata molekul, kita bisa membagi kecepatan semua molekul dengan jumlah molekul. Dalam teori kinetik gas, jumlah molekul biasanya diberi simbol N. Secara matematis, kecepatan rata-rata semua molekul ditulis seperti ini :

Kita gabungkan persamaan 2 dengan persamaan 1 :

Pada penjelasan sebelumnya, gurumuda membuat pengandaian bahwa gerakan molekul sejajar dengan sumbu x. Pengandaian ini dibuat untuk mempermudah analisis saja. Dalam kenyataannya, semua molekul gas dalam kotak bergerak ke segala arah secara acak alias sembarangan. Karena gerakannya terjadi secara acak, maka selain mempunyai komponen kecepatan rata-rata pada sumbu x, molekul juga mempunyai komponen kecepatan rata-rata pada sumbu y atau sumbu z. Dengan demikian, kecepatan rata-rata molekul gas = jumlah total komponen kecepatan rata-rata pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z. Secara matematis ditulis seperti ini :

Karena molekul bergerak secara acak, maka komponen kecepatan pada sumbu x, sumbu y dan sumbu z memiliki besar yang sama. Secara matematis ditulis seperti ini :

Kita gabungkan persamaan b dengan persamaan a :

Kita masukkan persamaan c ke dalam persamaan 3 (tuh di atas) :

F = besarnya gaya yang diberikan oleh molekul-molekul gas pada dinding wadah yang mempunyai luas permukaan A. Istirahat dulu dunk, masa gak capek

Hubungan antara Tekanan (P) dengan Besaran Mikroskopis

Tekanan (P) merupakan salah satu besaran yang menyatakan sifat makroskopis gas. Pada kesempatan ini kita mencoba meninjau Tekanan berdasarkan sifat mikroskopis gas.

Besarnya Tekanan yang diberikan oleh molekul gas pada dinding yang memiliki luas penampang A adalah :

Ini dia persamaan yang dicari.

Keterangan :

Hubungan antara Suhu alias Temperatur (T) dengan Besaran Mikroskopis

Selain tekanan, salah satu besaran yang menyatakan sifat mikroskopis gas adalah suhu (T). Sebelumnya kita sudah mengoprek Tekanan. Kali ini giliran si suhu alias temperatur. Sekarang tataplah persamaan Tekanan di atas dengan penuh kelembutan…

Apabila kita kalikan ruas kiri dan ruas kanan dengan V, maka persamaan Tekanan gas di atas berubah bentuk menjadi seperti ini :

Sekarang kita bongkar pasang ruas kanan persamaan ini :

Dirimu masih ingat persamaan Hukum Gas Ideal dalam bentuk jumlah molekul ? Kalo lupa, neh persamaannya :

Sekarang perhatikan persamaan a dan persamaan b. Mirip tapi tak sama ya…. Ruas kirinya sama, sedangkan ruas kanannya hampir sama. Karena ruas kirinya sama, maka kedua persamaan tersebut bisa kita gabungkan….

Jika kita kalikan ruas kiri dan ruas kanan dengan 3/2 maka persamaan ini akan berubah bentuk menjadi seperti ini :

Keterangan :

Tataplah persamaan Suhu mutlak vs Energi Kinetik translasi di atas. Tampak bahwa suhu alias temperatur (T) berbanding lurus dengan Energi Kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas. Semakin besar suhu, semakin besar energi kinetik tranlasi rata-rata; sebaliknya semakin kecil suhu, semakin kecil energi kinetik translasi rata-rata. Kita bisa menyimpulkan bahwa suhu merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata molekul.

Persamaan suhu mutlak vs Energi Kinetik translasi 2 bisa dioprek ke dalam bentuk yang berbeda :

Keterangan :
n = jumlah mol (mol)
R = konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)
T = Suhu mutlak (K = Kelvin)
EK rata2 Energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul gas (Kgm²/s² = Joule)
Keterangan rumus :

Ayo kita lakukan pembuktian rumus :

Catatan :

Pertama, energi kinetik translasi tuh energi kinetik yang dimiliki oleh benda atau molekul yang melakukan gerak translasi. gerak translasi bisa berupa gerak lurus, gerak miring atau gerak parabola. Temannya energi kinetik translasi adalah energi kinetik rotasi. Energi kinetik rotasi = energi kinetik yang dimiliki oleh benda atau molekul yang melakukan gerak rotasi…

Kedua, energi kinetik translasi rata-rata pada persamaan di atas hanya berlaku untuk gas monoatomik saja. Gas monoatomik tuh seperti He (helium), Ar (Argon) dkk… Selain gas monoatomik, ada juga yang namanya gas diatomik. Contoh gas diatomik adalah O₂ (oksigen), N₂ (nitrogen), CO (karbon monooksida) dkk. Ada juga yang namanya gas poliatomik. Contohnya CO₂ (karbondioksida) dkk…. Monoatomik = satu atom, diatomik = dua atom, poliatomik = banyak atom. Jadi gas monoatomik terdiri dari satu atom saja, gas diatomik terdiri dari dua atom dan gas poliatomik terdiri dari banyak atom… Energi kinetik translasi rata-rata untuk gas diatomik dan poliatomik akan kita oprek pada episode berikutnya (Pada pembahasan mengenai Teorema Ekipartisi Energi)

Ketiga, suhu mutlak harus dinyatakan dalam skala Klevin (K). Kalau suhu masih dalam skala Celcius (^oC), oprek terlebih dahulu ke dalam skala Kelvin (K).

Keempat, persamaan 1 dan persamaan 2 di atas tidak hanya berlaku pada zat gas saja, tetapi juga berlaku pada zat cair dan zat gas….

Contoh soal :

Berapakah energi kinetik translasi rata-rata dari molekul-molekul dalam gas pada suhu 40 ^oC ?

Panduan jawaban :

k = 1,38 x 10^-23 J/K

T = 40 ^oC + 273 = 313 K

Kecepatan Akar Kuadrat Rata-rata (v_rms)

Kecepatan akar kuadrat rata-rata = root mean square = v_rms. Kita bisa menurunkan persamaan v_rms dengan mengobok-obok persamaan Suhu vs Energi Kinetik translasi di atas.

Keterangan :

v rms = kecepatan atau laju akar kuadrat rata-rata (m/s)

k = Konstanta Boltzmann (k = 1,38 x 10^-23 J/K)

T = Suhu mutlak (K = Kelvin)

m = massa (kg)

Persamaan v rms di atas bisa diobok2 ke dalam bentuk lain :

Keterangan :

v rms = kecepatan atau laju akar kuadrat rata-rata (m/s)

R = Konstanta gas universal (R = 8,315 J/mol.K = 8315 kJ/kmol.K)

N_A = Jumlah molekul per mol = Bilangan avogadro (N_A = 6,02 x 10²³ /mol = 6,02 x 10²⁶ /kmol)

T = suhu (K)

M = massa molekul = massa molar (kg/kmol atau gram/mol)

Disribusi Kelajuan Molekul

Seperti yang telah gurumuda jelaskan sebelumnya, setiap molekul dalam gas tidak mempunyai laju yang sama. v_rms yang telah diturunkan di atas merrupakan laju rata-rata dari molekul-molekul dalam gas. Ada molekul yang lajunya lebih besar dari v_rms, ada juga molekul yang lajunya lebih kecil dari v_rms.

Pada tahun 1859, om James Clerk Maxwell (1831-1879) berhasil menemukan distribusi laju molekul-molekul dalam gas secara teoritis (tidak pake percobaan, tapi pake hitung-hitungan). Distribusi laju molekul temuan Om maxwell ini diperoleh berdasarkan teori kinetik, karenanya lebih tepat untuk molekul-molekul gas ideal. Distribusi laju molekul om Maxwell tampak seperti grafik di bawah…. Btw, dirimu ngerti distribusi tidak ? distribusi tuh apa ya…. bingung juga nyari bahasa sederhananya. Distribusi tuh penyebaran atau sebaran….

Pada tahun 1920, beberapa om ilmuwan melakukan percobaan untuk menyelidiki distribusi laju molekul-molekul gas riil alias gas nyata. Ternyata distribusi laju molekul gas riil yang ditemukan melalui percobaan persis seperti temuan om Maxwell. Hebat juga ya si om Maxwell… Kayanya rambutnya dah pada rontok tuh