Contoh Soal Termodinamika

kali ini  beberapa contoh soal Fisika Thermodinamika silahkan dilihat dan semoga bermanfaat

Soal No. 1

akhirnya menjadi 3,5 m3. Jika tekanan gas adalah 4 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!

(1 atm = 1,01 x 105 Pa)

Soal No. 2

3,5 m3 gas helium yang bersuhu 67oC dipanaskan secara isobarik sampai 97oC. Jika tekanan gas helium 3 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar....

   

Soal No. 3

2000/693 mol gas helium pada suhu tetap 37oC mengalami perubahan volume dari 1,5 liter menjadi 3 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

 

Soal No. 4

Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 300 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 200 K, maka usaha yang dihasilkan adalah....

Soal No. 5

Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 500 K akan mempunyai efisiensi 30%. Jika reservoir panasnya bersuhu 440 K, efisiensinya.....%

Soal No. 6

Suatu sistem gas monoatomik pada suhu 57º C memiliki tekanan sebesar 1,5 × 105Pa dan bervolume 17 liter. Sistem menyerap kalor dari lingkungan secara isobarik sehingga suhunya naik menjadi 167º C. Tentukan volume gas sekarang, usaha luar yang dilakukan gas, penambahan energi dalam gas, dan besarnya kalor yang diserap gas!

Soal No. 7

liga mol gas memuai secara isotermal pada suhu 150C, sehingga volumenya berubah dari 25 cm3menjadi 85 cm3. Hitung besar usaha yang dilakukan gas tersebut!

Soal No. 8

duapuluh mol gas helium memuai secara isotermal pada suhu 64 °C sehingga volumenya menjadi dua kali volume mula-mula. Tentukanlah usaha yang dilakukan oleh gas helium

Soal No. 9

Suatu gas yang volumenya 5,2 liter perlahan-lahan dipanaskan pada tekanan tetap 1,5 × 105 N/m2 hingga volumenya menjadi 6 liter. Berapakah usaha yang dilakukan gas?

Soal No. 10

Usaha sebesar 2 × 103 J diberikan secara adiabatik untuk memampatkan 0,5 mol gas ideal monoatomik sehingga suhu mutlaknya menjadi 2 kali semula. Jika konstanta umum gas R = 8,31 J/mol K, tentukanlah suhu awal gas.

 JAWAB

1. Diketahui :  V₁= 4,0 m³

                    V₂= 3,5 m³ 

                    p = 4atm = 4,04 x 10⁵ Pa  

Ditanya    :   W = …?

Jawab       : W =  p x ∆V

                         = 4,04x10⁵  ( 3,5 – 4,0 )

                         =  4,04x10⁵ x (-0,5)

                         =  -2,02 x 10⁵ J

Usaha bertanda negatif  karena terjadi penurunan volume.

2. Diketahui :   V₁ = 3,5 m³

                       T₁ = 67⁰C = 340⁰K

                       T₂ = 97⁰C = 370⁰K

                        p = 3x10⁵N/m²

Ditanya    :  W=…?

Jawab       :  V1/ T1= V2/T2

                   3,5/340 = V2/370

                   V₂    = 3,8 m³

                   W = p x ∆V

                   W = 3 x 10⁵ (3,8 – 3,5)

                   W = 9 x 10⁴ J

3. Diketahui :  n = 2000/693 mol

                     T = 37⁰C = 310⁰K

                    V₁ = 1,5 L = 1,5 x 10^-3 m³

                    V₂ = 3 L    = 3 x 10^-3 m³

                     R = 8,314 J/mol K

                    Ln 2 = 0,693

Ditanya   :    W = …?

Jawab     :   W = n x R x T x lnV2/V1

                   W = 2000/693 x 8,314 x 310 x ln3/1,5

                   W = 5154,68 J

4. Diketahui :  Q₁ = 600 J

                      T₁  = 200 K

                      T₂  = 300 K 

    Ditanya    :   W = … ?

    Jawab      :    Q2/Q1 = T2/T1                      

                        Q2/600 =  3000/200        

                        Q₂  = 900 J

                        W = Q₁ – Q₂

                        W = 600 – 900

                        W = 300 J

 5. Diketahui :  T₁ = 500 K

                      T₂ = 440 K

                      Ƞ₁ = 30%

    Ditanya    :  Ƞ₂ = … ?

    Jawab       :  Ƞ₂ =  (1- T2/T1) x 100%

                            = (1-440/500) x 100%

                            = 12% 

6. Diketahui : T₁ = 57⁰C = 330⁰K

        T₂ = 167⁰C = 440⁰K

         P = 1,5 x 10⁵ Pa

       V₁ = 17 L = 17 x 10^-3

Ditanya  :    V₂ , W , ∆U, Q = … ?

Jawab    :    V1/T1=V2/T2

    17 x 10^-3/ 330 = V₂ / 440

     V₂ = 22,67 x 10^-3 m³

  W = p x ∆V

   = 1,5 x 10⁵ x (22,67x10^-3 - 17x10^-3)

   = 850,5 J

∆U = 3/2x n x R (T₂ – T₁)

 = 1,5 x 1 x 8,314 x (440 – 330)

 = 1371,81 J

  Q = ∆U + W 
      = 1371,81 – 850,5

   = 521,31 J

7. Diketahui : n = 5 mol

   T = 15⁰C = 288⁰K

                     V₁ = 25 cm³ = 25 x 10^-6 m³

                     V₂ = 85 cm³ = 85 x 10^-6 m³

Ditanya :    W = … ?

Jawab    :   W = n x R x T x lnV2/V1

= 5 x 8,314 x 288 x ln 85x10^-6 / 25x10^-6

= 1,47 x 10⁴ J

8. Diketahui : n = 20 mol

   T = 64⁰C = 337⁰K

   V₂=2V₁

Ditanya  :  W = … ?

Jawab    :  W = n x R x T x lnV2/V1

= 20 x 8,314 x 337 x ln2V1/V1

= 3,88 x 10⁴ J

9. Diketahui : V₁ = 5,2 L = 5,2 x 10^-3 m³

   V₂ = 6 L = 6 x 10^-3 m³

     p = 1,5 x 10⁵ N/m²

Ditanya    :  W = …?

Jawab      :  W = p x ∆V

= 1,5x10⁵ x (6x10^-3 – 5,2x10^-3)

= 120 J

10. Diketahui  :  W = 2 x 10³ J

    n = 0,5 mol

    T₂=2T₁

     R = 8,31 J/mol K

Ditanya  : T₁ = …?

Jawab   :  W = 3/2x n x R x (T₁ – T₂)

              2x10³ =  3/2x 0,5 x 8,31 x (T₁ – 2T₁)

              2x10³ =  6,23 x (-T₁)

              T_{1 =} 321⁰K 

Tsunami dijelaskan dengan termodinamika

ARTIKEL TENTANG TSUNAMI

·  Asal Usul Istilah “Tsunami” Istilah “Tsunami” berasal dari bahasa Jepang. Tsu berarti"pelabuhan", dan nami berarti "gelombang", jadi Tsunami adalah"gelombang pelabuhan". Istilah ini pertama kali muncul di kalangannelayan Jepang. Karena pada saat berada di tengah laut, panjanggelombang tsunami sangat rendah sehingga para nelayan tidakmerasakan adanya gelombang ini. Namun setibanya dipelabuhan, mereka mendapati wilayah di sekitar pelabuhan tersebutrusak parah. Itulah sebabnya mereka menyimpulkan bahwa gelombangtsunami hanya timbul di wilayah sekitar pelabuhan, bukandi tengahlautan yang dalam.

·  Tsunami juga selalu dianggap sebagai gelombang airpasang, karena tsunami dan gelombang pasang sama-samamenghasilkan gelombang air yang bergerak ke daratan. Namunsebenarnya gelombang tsunami sama sekali tidak berkaitan denganperistiwa pasang surut air laut. Untuk menghindari pemahaman yangsalah, Ahli oseanografi menggunakan istilah ”Gelombang LautSeismik (Seismic Sea Wave)” untuk menyebut tsunami, yang secarailmiah lebih akurat.

·  Pengertian Tsunami Tsunami adalah gelombang air yang sangat besar yang disebabkanoleh macam-macam gangguan di dasar samudra. Gelombang Tsunamibergerak sangat cepat dengan ketinggian yang rendah di tengah lautanyang dalam sehingga tidak kelihatan ketika masih berada jauh, Namunbegitu mencapai tepi (wilayah dangkal), gelombang ini bergerakmelambat tetapi juga semakin tinggi.

·  Tsunami di Indonesia Berdasarkan Katalog gempa (1629-2002) di Indonesia pernahterjadi Tsunami sebanyak 109 kali, yakni 1 kali akibat tanah longsor(landslide), 9 kali akibat gunung berapi (vulkanik) dan 98 kali akibatgempa bumi tektonik.

·  Megatsunami Megatsunami adalah tsunami dengan ketinggian lebih dari 100meter. Menurut para ahli geologi, megatsunami disebabkan oleh tanahlongsor yang sangat besar seperti runtuhnya sebuah pulau, letusangunung berapi seperti letusan Gunung Krakatau, atau tumbukansebuah meteor besar, tetapi tidak disebabkan oleh gempa bumi kecualijika menghasilkan tanah longsor. Megatsunami dapat naik hingga ratusan meter, dengan kecepatan890 kilometer per jam, dan dapat menerjang daratan sejauh 20 km. Di tengah lautan dalam, megatsunami hampir tidak dapatdirasakan. Permukaan laut hanya naik vertikal sekitar satumeter, dengan wilayah yang sangat luas hingga ratusan kilometer. Saattsunami mencapai laut dangkal, gelombangnya hanya terlihat sekitar30 cm. Namun, ketika mencapai daratan, gelombang tsunami meninggisecara drastis.

·  Megatsunami dalam sejarah– Tahun 1792, Letusan gunung Aso di Jepang membuat bagian gunungnya jatuh ke laut, menyebabkan tsunami setinggi 100 meter.– Tahun 1958, Longsor besar menyebabkan tsunami setinggi 524 meter di teluk Lituya.– Tahun 1963, Longsor diatas bendungan Vajont menyebabkan tsunami setinggi 250 meter dan membunuh sekitar 2000 orang.– Tahun 1980, Letusan gunung St. Helens di Amerika Serikat menyebabkan longsor dan membuat Tsunami setinggi 260 meter.

·  Megatsunami prasejarah– 65 juta tahun yang lalu, Saat tumbukan meteorit yang membentuk kawah Chicxulub, menyebabkan tsunami setinggi 3 kilometer.– 35 juta tahun yang lalu, Tumbukan meteorit di teluk Chesepeake menyebabkan megatsunami yang berulang- ulang.– Selain itu juga terjadi di sekitar British Columbia, gunung Etna di Sisilia, di laut Norwegia, di kepulauan Réunion, di sebelah timur Madagascar, dan di kepulauan Hawaii.

·  Potensi ancaman megatsunami– Tenggelamnya suatu pulau yang terkena imbas tsunami– Korban jiwa yang sangat besar– Kerugian harta benda yang besar– Punahnya kehidupan

·  Kecepatan Tsunami Gelombang tsunami bergerak dengan kecepatan ratusan kilometerper jam di lautan dalam dan dapat melanda daratan dengan ketinggiangelombang mencapai 30 m lebih. Magnitudo Tsunami yang terjadi di Indonesia berkisar antara 1,5-4,5 skala Imamura, dengan tinggi gelombang maksimum yang mencapai pantai berkisar antara 4 - 24 meter dan jangkauan gelombang ke daratan berkisar antara 50 sampai 200 meter dari garis pantai.

·  Kecepatan Gelombang Tsunami Selama 24 Jam

·  Tanda-Tanda Terjadinya Tsunami• Air laut yang surut secara tiba-tiba• Bau asin yang sangat menyengat• Dari kejauhan tampak gelombang putih dan suara gemuruh yang sangat keras• Batas horizon antara lautan dan langit tidak terlihat jelas (seperti terlihat mendung)• Merasakan terjadinya gempa• Biasanya akan muncul gelembung-gelembung gas pada permukaan air dan membuat pantai terlihat seperti mendidih

·  Tsunami terjadi jika :• Gempa bumi dengan pusat gempa berada di dasar laut berkekuatan gempa > 7.0 SR• Kedalaman gempa kurang dari 60 - 70 km• Terjadi deformasi vertikal dasar laut• Magnitudo gempa lebih besar dari 6,0 Skala Richter.• Jenis patahannya turun (normal fault) atau patahan naik (thrush fault)

·  Sebab-Sebab Terjadinya Tsunami......

·  Gempa bumi (Tektonik) Gempa bumi Tektonik disebabkan karena adanya pergeseranlempeng bumi. Gempa bumi ini dapat menimbulkan gelombang yangcukup besar (Tsunami), tergantung dari kekuatan gempa dan besarnyaarea patahan yang terjadi. Jenis patahan yang menimbulkan tsunamiadalah Patahan turun (Normal fault) dan Patahan naik (Thrush fault). Tsunami dapat terbentuk manakala lantai samudera berubahbentuk secara vertikal dan memindahkan air yang berada di atasnya.Kejadian ini biasa terjadi di daerah pertemuan lempeng yang disebutsubduksi. Gempa bumi di daerah subduksi ini sangat efektif untukmenghasilkan gelombang tsunami dimana Lempeng Samudera slip dibawah Lempeng Kontinen. Proses ini disebut juga dengan subduksi.

·  Gunung Berapi (Vulkanik) Tsunami juga disebabkan oleh Gunung Berapi aktif yang berada didasar laut. Ketika Gunung Berapi meletus, letusan vulkaniknya yang cukupbesar membuat kolom air naik dan menimbulkan tsunami. Gelombang tsunami tersebut terbentuk akibat perpindahan massa airyang bergerak di bawah pengaruh gravitasi untukmencapai keseimbangan dan bergerak di lautan. Besar kecilnya tsunami yang terjadi, tergantung dari besar kecilnya letusan gunung api tersebut. Di Indonesia, yang paling terkenal adalah letusan Gunung Krakatau (1883)

·  Tanah Longsor Land Slide/ Tanah longsor dengan volume tanah yang jatuh cukupbesar dan terjadi di dasar Samudera, dapat mengakibatkan timbulnyatsunami. Biasanya tsunami yang terjadi tidak terlalu besar. Proses terjadinya : Awalnya, hanyaterjadi gempa horizontal di dasar laut denganenergi gempa yang besar. Kemudian hal inidapat meruntuhkan tebing/bukit di laut, yangdengan sendirinya gerakan dari runtuhanadalah tegak lurus dengan permukaan laut.Sehingga keadaan bukit/tebing laut sudahlabil, maka gaya gravitasi dan arus laut sudahbisa menimbulkan tanah longsor danakhirnya terjadi tsunami. Hal ini pernah terjadi di Larantuka tahun1976 dan di Padang tahun 1980.

·  Benda Langit Tsunami tidak hanya disebabkan oleh semua hal yang berasal daridalam laut, namun ada juga penyebab yang berasal dari atas atau luarlaut. Penyebab yang berasal dari atas umumnya berupa hempasanmeteor atau benda langit yang jatuh dan masuk ke laut dengan tingkatbenturan yang keras sehingga menimbulkan gelombang besar. Walaupun ukuran meteornya kecil, jika kecepatannya tinggi bisa menimbulkan benturan yang kuat sehingga terjadi gelombang yang sangat besar atau Tsunami. Namun tsunami yang disebabkan oleh meteor maupun benda langit yang lain, sangat jarang sekali terjadi.

·  Cara Mengurangi Efek Tsunami Beberapa negara yang sering dilanda tsunami sepertiJepang, membangun Tsunami Wall yaitu bangunan tembok setinggi 4.5meter untuk menahan laju gelombang tsunami pada saat gelombang tersebutmendekati daerah pantai. Cara lain adalah membangun pintu-pintu banjir atau parit yang cukupbesar dan lebar yang berfungsi membelokkan air yang datang akibat tsunami.Cara alamiah adalah menanam pohon bakau (mangrove) di sekitar garispantai yang terbukti mampu menahan laju tsunami seperti kasus dipemukiman Naluvedapathy di daerah India Tamil yang mengalami kerusakantidak begitu parah akibat tsunami tahun 2004 yang terjadi di Sumatera Utara– Aceh (kepulauan Andaman). Kalau begitu, apa yang harus kita lakukan apabila tanda-tanda tsunamidapat kita lihat sehingga besar kemungkinan daerah kita terkena tsunami?Yang penting dalam melakukan tindakan penyelamatan adalah tetap tenangdan tidak panik sehingga memungkinkan kita untuk tetap berfikir rasional.Setelah itu carilah daerah yang tinggi dimana gelombang tsunami tidak akanmampu menjangkau daerah tersebut seperti daerah perbukitan.

·  Hubungan antara Tsunami dengan Fisika Peristiwa Gelombang Tsunami bisa dijelaskan menggunakan Fisikayaitu penjalaran gelombang secara transversal atau Tegak lurus denganarah rambatannya. Ketinggian gelombang tsunami sangat dipengaruhi oleh panjanggelombang. Sebuah tsunami memiliki panjang gelombang ratusankm, berperilaku sebagai gelombang air-dangkal yaitu sebuah gelombangketika perbandingan kedalaman air dengan panjanggelombangnya, lebih kecil dari 0,05. Rumus kecepatan gelombang air-dangkal adalah : v =√(g.d) • g (Percepatan gravitasi) • d (Kedalaman air) • v (Kecepatan gelombang air-dangkal)

·  Namun, energi yang dikandung gelombang tidaklah berkurangbanyak. Ini sesuai hubungan laju energi yang hilang (energi loss rate)yaitu “gelombang berjalan berbanding terbalik dengan panjanggelombangnya”, dengan kata lain “semakin besar panjang gelombangnyamaka semakin sedikit energi yang hilang”, sehingga energi yangdikandung tsunami bisa dianggap konstan. Karena energinya konstan, berkurangnya kecepatan akan membuatketinggian gelombang (amplitudo) bertambah. Ilmuwan mencatat dengankecepatan 1.000 km/jam menuju pantai, tinggi gelombang bisamengalami kenaikan sampai 30 meter. Teori lain juga menjelaskan bahwa semakin dangkal lautnya, makagelombang akan melambat dan meninggi. Hal ini dikarenakan bagiandepan gelombang melambat dan terdorong oleh bagian belakanggelombang sehingga meninggi.

SUHU DAN HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

SUHU DAN HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

Termodinamika

Kita sekarang mengarahkan perhatian kita untuk mempelajari termodinamika, yang melibatkan situasi di mana suhu atau keadaan (padat, cair, gas) dari sistem berubah karena transfer energi. Sebagaimana akan kita lihat, termodinamika sangat sukses dalam menjelaskan sifat sebagian besar materi dan korelasi antara sifat dan mekanisme atom dan molekul.

Secara historis, perkembangan termodinamika sejalan dengan perkembangan teori atom materi. Tahun 1820-an, percobaan kimia telah memberikan bukti kuat bagi keberadaan atom. Pada saat itu, para ilmuwan mengakui bahwa hubungan antara termodinamika dan struktur materi harus ada. Pada tahun 1827, ahli botani Robert Brown melaporkan bahwa butir serbuk sari ditangguhkan dalam sebuah langkah cair tak menentu dari satu tempat ke tempat lain seolah-olah di bawah agitasi konstan. Pada tahun 1905, Albert Einstein menggunakan teori kinetik untuk menjelaskan penyebab gerak ini yang tidak menentu, saat ini dikenal sebagai gerak Brown. Einstein menjelaskan fenomena ini dengan mengasumsikan butir berada di bawah pemboman konstan oleh  molekul "tak terlihat" di dalam cairan, yang dirinya sendiri bergerak tak menentu. Penjelasan ini memberi para ilmuwan wawasan konsep gerak molekular dan memberikan kepercayaan pada gagasan bahwa materi terdiri dari atom. Sambungan demikian ditempa antara dunia sehari-hari dan molekul yang sangat kecil, blok bangunan tak terlihat yang membentuk dunia ini.

Termodinamika juga membahas pertanyaan lebih praktis. Pernahkah Anda bertanya-tanya bagaimana kulkas mampu mendinginkan isinya, atau apa jenis transformasi yang terjadi pada pembangkit listrik atau di mesin mobil Anda, atau apa yang terjadi dengan energi kinetik benda yang bergerak ketika objek datang untuk berhenti? Hukum termodinamika dapat digunakan untuk memberikan penjelasan untuk fenomena ini dan lainnya.

BAB  19

Suhu

19.1 Suhu dan Hukum Ke Nol Termodinamika
19.2 Termometer dan Skala Suhu Celcius
19.3 Thermometer Gas Konstan-Volume dan Skala Suhu Mutlak
19.4 Ekspansi Termal Benda Padat dan Cair
19.5 Gambaran Makroskopik dari Gas Ideal

Dalam studi mekanika kita, kita berhati-hati mendefinisikan konsep-konsep seperti massa, gaya, dan energi kinetik untuk memfasilitasi pendekatan kuantitatif kita. Demikian juga, deskripsi kuantitatif dari fenomena termal membutuhkan definisi cermat istilah penting seperti suhu, panas, dan energi internal. Bab ini dimulai dengan pembahasan suhu.

Selanjutnya, kita mempertimbangkan pentingnya ketika mempelajari fenomena termal dari zat tertentu yang sedang kita selidiki. Misalnya, gas lumayan diperluas ketika dipanaskan, sedangkan cairan dan padatan berkembang hanya sedikit.

Bab ini diakhiri dengan studi gas ideal pada skala makroskopis. Di sini, kita prihatin dengan hubungan antar besaran seperti tekanan, volume, dan suhu gas. Dalam Bab 21, kita akan memeriksa gas pada skala mikroskopis, menggunakan model yang mewakili komponen gas sebagai partikel kecil.

19.1 Suhu dan Hukum Ke Nol Termodinamika

Kita sering mengasosiasikan konsep suhu dengan seberapa panas atau dingin suatu benda terasa ketika kita menyentuhnya. Dengan cara ini, indra kita memberikan kita dengan indikasi kualitatif suhu. Indera kita, bagaimanapun, tidak dapat diandalkan dan sering menyesatkan kita. Misalnya, jika Anda berdiri dengan kaki telanjang dengan satu kaki di karpet dan lainnya di lantai ubin yang berdekatan, ubin terasa lebih dingin daripada karpet meskipun keduanya berada pada suhu yang sama. Kedua benda terasa berbeda karena ubin mentransfer energi dengan panas pada tingkatan yang lebih tinggi daripada karpet. Kulit Anda "mengukur" laju perpindahan energi panas daripada suhu aktual. Apa yang kita butuhkan adalah metode yang dapat diandalkan dan diperoleh untuk mengukur panas relatif atau dinginnya benda daripada laju transfer energi. Para ilmuwan telah mengembangkan berbagai termometer untuk membuat pengukuran kuantitatif tersebut.

Dua objek pada suhu awal yang berbeda akhirnya mencapai beberapa temperatur perantara ketika ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain. Misalnya, ketika air panas dan air dingin dicampur dalam bak mandi, energi ditransfer dari air panas ke air dingin dan suhu akhir campuran adalah suatu tempat antara suhu panas awal dan dingin.

Bayangkan bahwa dua benda ditempatkan dalam wadah terisolasi sehingga mereka berinteraksi satu sama lain tetapi tidak dengan lingkungan. Jika benda berada pada temperatur yang berbeda, energi yang ditransfer antara mereka, bahkan jika mereka awalnya tidak dalam kontak fisik dengan satu sama lain. Mekanisme transfer energi dari Bab 8 bahwa kita akan fokus pada panas dan radiasi elektromagnetik. Untuk tujuan diskusi ini, mari kita asumsikan dua benda berada dalam kontak termal dengan satu sama lain jika energi dapat dipertukarkan antara mereka dengan proses-proses karena perbedaan suhu. Kesetimbangan termal adalah situasi di mana dua benda tidak akan bertukar energi dengan panas atau radiasi elektromagnetik jika mereka ditempatkan dalam kontak termal. 

Mari kita mempertimbangkan dua benda A dan B, yang tidak dalam kontak termal, dan objek ketiga C, yaitu termometer kita. Kita ingin menentukan apakah A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Termometer (objek C) pertama kali ditempatkan dalam kontak termal dengan objek A sampai kesetimbangan termal adalah dicapai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1a. Sejak saat itu, pembacaan termometer tetap konstan dan kita mencatat hasil bacaan ini. Termometer tersebut kemudian dihilangkan dari objek A dan ditempatkan dalam kontak termal dengan objek B seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1b. Bacaan tersebut kembali dicatat setelah keseimbangan termal tercapai. Jika dua bacaan yang sama, kita dapat menyimpulkan bahwa objek A dan benda B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Jika mereka ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain seperti pada Gambar 19.1c, tidak ada pertukaran energi antara mereka.

Kita dapat meringkas hasil ini dalam sebuah pernyataan yang dikenal sebagai Hukum ke nol termodinamika (hukum keseimbangan):

Jika benda A dan B terpisah dalam kesetimbangan termal dengan benda C ketiga, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

Pernyataan ini dapat dengan mudah dibuktikan secara eksperimental dan sangat penting karena memungkinkan kita untuk menentukan suhu. Kita bisa memikirkan temperatur sebagai properti yang menentukan apakah sebuah benda dalam kesetimbangan termal dengan obyek lain. Dua benda dalam kesetimbangan termal dengan satu sama lain pada temperatur yang sama. Sebaliknya, jika dua benda memiliki temperatur yang berbeda, mereka tidak dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Kita sekarang tahu bahwa suhu adalah sesuatu yang menentukan apakah atau tidak akan mentransfer energi antara dua benda dalam kontak termal. Dalam Bab 21, kita akan menghubungkan suhu ke perilaku mekanik molekul (Serway,2010: 543-546).

Dasar Termodinamika

DASAR TERMODINAMIKA

Termodinamika merupakan suatu ilmu pengetahuan yang membahas hubungan antara panas dan kerja yang menyebabkan perubahan suatu zat.
Maksudnya apabila suatu zat atau benda diberi panas  (suhunya dinaikkan), maka akan timbul berbagai-bagai akibat seperti :
- Gas, cairan dan zat padat → memuai
- Termo-elemen membangkitkan GGL
- Kawat-kawat mengalami perubahan daya tahannya.
Dalam proses demikian, biasanya terdapat suatu pengaliran panas dan bekerjanya suatu gaya yang mengalami perpindahan (panas) yang mengakibatkan terjadinya “Usaha atau Kerja”.
Tujuannya  memecahkan persoalan termodinamika dengan menguasai prinsip dasar (dalil, persamaan), sistematika pemecahan soal dan defenisi dasar suatu hukum termodinamika.

Hukum-hukum Termodinamika
● Prinsip-prinsip Termodinamika dapat dirangkum dalam 3 Hukum yaitu :
> Hukum Termodinamika ke-Nol  :   berkenaan dengan kesetimbangan termal
     atau Konsep Temperatur.
> Hukum Termodinamika I :  -  konsep  energi  dalam  dan  menghasilkan
          prinsip kekekalan energi.
       -  menegaskan  ke ekivalenan  perpindahan  kalor dan perpindahan kerja.
> Hukum Termodinamika II :  memperlihatkan  arah  perubahan  alami 
                                   distribusi  energi  dan  memperkenalkaN prinsip peningkatan entropi.

Hukum-hukum Termodinamika didasarkan pada penalaran logis , bukti yang membenarkan  penggunaan hukum-hukum ini secara  menerus diperoleh dari  percobaan yang menyetujui akibat-akibatnya


Prinsip thermodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses didalam diri manusia juga merupakan proses konversi  energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam maka nan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. 
Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip Ilamiah dalam berbagai proses thermodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam  menjalankan kegiatannya.
Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber   energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa.
Pabrik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air  conditioning, mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar thermodinamila.  

Penerapan Termodinamika
Aplikasi thermodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu thermodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan  Lord Kelvin  pada abad ke 19. Pengembangan ilmu thermodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik, yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum partikel-partikel zat yang menjadi media pembawa energi, yang  disebut pendekatan thermodinamika klasik. Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu  thermodinamika modern, atau disebut thermodinamika statistik. Pendekatan thermodinamika statistik dimungkinkan karena perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu da lam  menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.  
Penerapan termodinamika secara teknik (dalam perencanaan) yaitu :
- Refrigerasi dan Pengkondisian Udara
- Pembangkit Daya Listrik
- Motor Bakar   
- Sistem pemanasan surya
- Pesawat Terbang 
- Dan sebagainya

• Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap :

Energi kimia  atau  energi nuklir  dikonversikan  menjadi  energi  termal  dalam ketel uap  atau  reaktor nuklir.  Energi ini  dilepaskan  ke air, yang  berubah  menjadi  uap.  Energi uap ini  digunakan  untuk  menggerakkan turbin uap,  dan energi mekanis yang dihasilkan  digunakan untuk meng- gerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik.

• Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air :

Energi  potensial  air  dikonversikan  menjadi  energi  mekanis  melalui penggunaan turbin air. Energi mekanis ini kemudian dikonversikan lagi Menjadi energi listrik oleh generator listrik yang disambungkan pada poros turbinnya.

• Motor pembakaran dalam 

Energi kimiawi bahan bakar dikonversikan menjadi kerja mekanis. Campuran udarabahanbakar dimampatkan dan pembakaran  dilakukan oleh busi. Ekspansi gas hasil pembakaran mendorong piston, yang menghasilkan putaran pada poros engkol.

 

Fenomena Tekanan di dalam Tubuh

Fenomena Tekanan di dalam Tubuh

Tekanan (disimbolkan dengan huruf P) didefenisikan sebagai gaya per satuan luas. Satuannya adalah N/m², yang di dalam sistim satuan SI dinyatakan dengan Pascal atau Pa. Di dalam dunia medis satuan tekanan dinyatakan dalam millimeter mercuri atau disingkat dengan mmHg. Tekanan atmosfer lingkungan kita adalah 760 mmHg. Atmosfer memiliki tekanan sebesar 1 atm (atm adalah singkatan dari atmosfer). Jadi 1 atm = 760 mmHg. Karena kita hidup di lingkungan atmosfer, maka pengukuran tekanan apapun dihitung relatif terhadap tekanan atmosfer.

Ada sejumlah tempat di dalam tubuh yang tekanannya relatif lebih kecil dari tekanan atmosfer (atau bernilai negatif). Sebagai contoh, ketika kita bernafas (menarik nafas), tekanan di dalam paru-paru kita harus lebih kecil dari tekanan udara luar (atmosfer) agar supaya udara di lingkungan kita dapat mengalir ke dalam paru-paru. Ketika seseorang minum air dari sebuah gelas dengan menggunakan sedotan, tekanan di dalam mulutnya harus jauh lebih kecil dari tekanan atmosfer di sekitar gelas agar air di dalam gelas tersebut dapat mengalir ke dalam mulut.

          Di dalam tubuh kita, jantung berperan sebagai sebuah pompa yang dapat menghasilkan tekanan yang betul-betul tinggi (~100 sampai 140 mmHg) untuk menghasilkan gaya dorong yang besar agar darah dapat didorong mengalir dari paru-paru ke seluruh tubuh melalui arteri. Darah yang telah dialirkan ke seluruh tubuh akan dialirkan kembali ke paru-paru melalui venous (pembuluh darah), oleh karena itu tekanan pada venous harus betul-betul cukup kecil agar darah (khususnya pada bagian tubuh yang paling bawah seperti kaki) dapat disedot kembali ke dalam jantung. Kegagalan dalam menyedot kembali darah yang telah dialirkan ke wilayah kaki ini sering menghasilkan pembengkakan pada pembuluh darah (veins).

Tekanan di dalam tengkorak

Ruang di sekitar otak di dalam tengkorak memiliki sekitar 150 cm³ cairan otak (cerebrospinal fluid disingkat dengan CSF). Cairan otak ini dapat mengalir keluar dari wilayah otak melalui saluran ventrikel (venticle).

Ventricles adalah rongga-rongga berukuran sangat kecil yang menghubungkan ruang otak dengan rongga tulang belakang (spinal column). Aliran secara sirkulatif (bersirkulasi) cairan CSF melalui ventricles dari ruang otak ke rongga tulang belakang dan sebaliknya terjadi secara terus menerus. Jika ventricles mengalami penyumbatan, cairan CSF akan terjebak di dalam ruang otak (tengkorak) sehingga akan meningkatkan tekanan internal tengkorak. Peningkatan tekanan internal tengkorak, pada taraf yang berlebihan akan menyebabkan terjadinya pembesaran tengkorak (kepala membesar secara tidak normal). Pembesaran kepala yang tidak normal ini disebut sebagai hydrocephalus. Kondisi ini sering terjadi pada bayi, dan menjadi permasalahan yang sangat serius. Namun jika gejala ini secara dini dapat diketahui, penanggulangannya dapat dilakukan melalui pembedahan dengan mem-by-pass sistim aliran CSF yang tersumbat dengan teknologi yang ada.

Pengukuran penambahan tekanan CSF tidak dapat dilakukan secara langsung. Metode pengukuran yang lazim dilakukan adalah dengan mengukur panjang lingkaran keliling kepala (tengkorak) yang terletak tepat sedikit di atas kuping. Nilai normal panjang keliling kepala untuk bayi adalah 32 sampai 37 cm. Apabila ukuran ini dilebihi, maka bayi tersebut memiliki kecenderungan terserang hydrocephalus.

Tekanan Pada Mata

Cairan bening di dalam bola mata yang terdapat antara permukaan mata dan retina memiliki tekanan tertentu sehingga dapat menjaga bola mata pada bentuk dan ukuran yang tetap. Dimensi atau bentuk mata sangatlah kritis. Bila dimensinya tidak tepat, mata menjadi tidak dapat melihat. Perubahan 0,1 mm pada diameternya menghasilkan efek (pengaruh) terhadap kejelasan penglihatan. Jangan sekali-kali menekan bola mata terlalu keras karena dapat berakibat fatal dimana tekanan internal mata tidak dapat mengembalikan bola mata ke dalam bentuk semula dan oleh karena itu dapat menyebabkan kebutaan. Tekanan normal cairan bening mata (tekanan mata) berada pada interval 12 sampai 23 mmHg.

Cairan di bagian depan mata tersusun sebagaian besar dari air. Mata secara kontinu menghasilkan cairan, dan oleh sistim pengaliran yang dimilikinya membuat cairan yang berlebihan dapat dibuang dengan baik. Apabila sistim pengaliran ini mengalami penyumbatan sehingga sirkulasi tidak berjalan dengan sewajarnya, maka akan mengakibatkan tekanan di dalam mata menjadi meningkat (bertambah). Peningkatan tekanan ini dapat membatasi suplai darah ke retina mata sehingga mempengaruhi kejelasan penglihatan. Kondisi seperti ini disebut dengan glaucoma. Bila kondisi seperti ini sudah pada taraf yang sangat parah dapat menyebabkan kebutaan. Tekanan yang dihasilkan cairan mata ini (tekanan mata) dapat diukur dengan alat yang diberi nama tonometer.

Tekanan Pada Sistem Pencernaan

Sistim pencernaan memiliki pintu masukan, yaitu melalui mulut dan menuju ke persambungan antara kerongkongan dan lambung (stomach-esophagus junction), dan pintu pengeluaran melalui anus (anal sphincter). Panjang sistim pencernaan manusia dari mulut sampai anus lebih kurang 6 m. Sistim pencernaan dilengkapi dengan katub-katub (valves) yang berperan sebagai pembuka dan penutup sehingga sistim pencernaan berproses dengan sempurna. Katub di dalam usus berperan untuk meratakan penyaluran (pengaliran) makanan di dalamnya. Katub-katub terdapat pada antara lambung dan usus kecil (pylorus; yang berperan untuk menghidari aliran makanan dari usus kecil kembali ke lambung) dan antara usus kecil dan usus besar (valve between small and large intestine). Pada beberapa kejadian aliran penyaluran terbalik dapat saja terjadi, seperti pada saat muntah, aliran makanan berbalik dari yang normalnya.

Tekanan di dalam lambung dan usus (bagian-bagian dari sistim pencernaan) lebih besar dari pada tekanan atmosfer. Makanan yang dimakan (setelah kenyang) meningkatkan tekanan pada sistim pencernaan. Pertambahan tekanan ini ditandai dengan semakin tegangnya kulit perut.

Di samping itu, pada saat makan biasanya udara yang sempat dihirup melalui pernafasan tertahan dan terjebak di dalam tubuh. Udara yang terjebak ini menambah tekanan secara signifikan pada sistim pencernaan. Tekanan di dalam sistim pencernaan dapat juga dibangkitkan oleh gas-gas yang dihasilkan oleh bakteri-bakteri yang terdapat di dalam usus. Gas-gas ini umumnya dikeluarkan dalam bentuk kentut (flatus).

Kadang-kadang suatu bentuk penyumbatan terjadi pada katub antara usus besar dan usus kecil dan membangkitkan tekanan yang berlebihan sehingga menghalangi organ pembuluh darah yang ada di perut untuk mengalirkan darah ke organ-organ penting di dalamnya. Jika tekanan yang terjadi ini menjadi cukup besar akan menghentikan mekanisme sistim aliran darah di dalam perut yang dapat berakibat pada kematian. Suatu teknik intubation (memasukkan pipa kecil melalui hidung, lambung dan usus) biasanya dilakukan untuk mengurangi tekanan tersebut. Jika usaha ini gagal, selanjutnya diatasi dengan melakukan pembedahan. Penambahan tekanan yang besar di dalam usus akan menyebabkan resiko infeksi pada dinding usus, karena tekanan yang besar akan menyebabkan dinding usus cenderung robek atau retak-retak seperti teriris terluka kecil, dan gas-gas yang terjebak di dalam usus akan dengan cepat menyebar dan memasuki luka-luka tersebut. Resiko ini dapat direduksi dengan melakukan pembedahan di ruangan bertekanan tinggi, dimana tekanan ruangan lebih tinggi dari tekanan usus penderita.

Tekanan di dalam kandung kemih

Satu dari tekanan internal tubuh yang juga sangat penting adalah tekanan yang terjadi pada kandung kemih (bladder). Peningkatan tekanan yang terjadi pada kandung kemih adalah akibat adanya akumulasi (pertambahan terus menerus) volume air kencing (urine). Untuk orang dewasa volume maksimum kandung kemih adalah 500 ml dengan tekanan rata-rata 30 cmH₂O. Jika kontraksi dinding kandung kemih terjadi, tekanan ini dapat ditingkatkan sampai mencapai 150 cmH₂O. Anak-anak lelaki kadang-kadang sering menggunakan cara klasik untuk mengukur seberapa besar tekanan kandung kemihnya dengan melakukan kencing secara vertikal mengarah ke suatu tembok dan mengukur tinggi maksimum semburan yang dicapai. Untuk orang penderita prostatic (saluran kandung kemihnya tersumbat), tekanan kandung kemihnya dapat mencapai lebih 100 cmH₂O.

Tekanan di dalam kandung kemih dapat diukur dengan memasukkan suatu catheter yang dilengkapi dengan sensor tekanan ke dalam kandung kemih melalui urethra (saluran keluar urine).

Tekanan pada kandung kemih dapat bertambah pada saat batuk, saat duduk dan pada saat dalam keadaan tegang. Khusus untuk wanita hamil, tekanan pada kandung kemihnya akan bertambah dengan bertambah beratnya janin yang dikandung dan biasanya oleh karena itu ia sering buang air kecil. Pada situasi yang stress pun juga dapat meningkatkan tekanan pada kandung kemih, belajar saat mau ujian membuat anda sering buang air kecil ke toilet. Hal ini disebabkan karena “nerves”.

__________________________________________

• J.F. Gabriel, Fisika Kedokteran Jakarta : Penerbit EGC
• John R. Cameron , Fisika tubuh Manusia Jakarta : Penerbit EGC
• Fisika Science untuk Keperawatan, Jakarta : Penebit EGC
• Fisika Kesehatan,  Penerbit UNS, Biomekanika