Dokumen tersebut membahas konsep-konsep dasar termodinamika seperti kerja, kalor, suhu, sistem dan lingkungan, serta hukum pertama termodinamika. Kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara gaya dan perpindahan, sedangkan kalor adalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan kalor yang diserap ditambah kerja

1. TERMODINAMIKA 1
Sejauh ini kita sudah berkenalan dengan dua jenis gerakan, yakni
gerak translasi (gerak lurus, gerak parabola dkk) dan gerak rotasi. Dengan
demikian, kita bisa mengelompokkan kerja menjadi dua bagian, yakni kerja
dalam gerak translasi dan kerja dalam gerak rotasi.
1. Kerja dalam gerak translasi
Dalam gerak translasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali
antara perpindahan
dengan komponen gaya yang searah dengan perpindahan. Secara matematis
bias ditulis seperti ini :
Keterangan :
W = Usaha alias kerja
F = gaya
s = perpindahan = perpindahan linear
Apabila benda yang dikenai gaya tidak mengalami perpindahan (s = 0),
maka usaha
alias kerja = 0. Demikian juga, apabila arah gaya tegak lurus arah perpindahan
(teta =
90o. Cos 90o = 0), maka usaha alias kerja = 0.
Usaha hanya memiliki besar dan tidak mempunyai arah, karenanya
termasuk besaran skalar. Walaupun gaya dan perpindahan termasuk besaran
vektor tetapi usaha merupakan besaran skalar karena diperoleh dari
perkalian skalar.
2. Kerja dalam gerak rotasi
Dalam gerak rotasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali
antara torsi dengan perpindahan sudut. Secara matematis bisa ditulis
seperti ini : Satuan Sistem Internasional (SI) untuk usaha alias kerja adalah
1

2. newton meter (Nm). Satuan newton meter dikenal dengan julukan Joule ( 1
Joule = 1 N.m).
3. SUHU (T)
Konsep suhu alias temperatur sebenarnya berawal dari rasa
panas dan dingin yang dialami oleh indera peraba kita. Berdasarkan apa
yang dirasakan oleh indera peraba, kita bisa mengatakan suatu benda lebih
panas dari benda yang lain. Atau suatu benda lebih dingin dari benda lain.
Ukuran panas atau dinginnya suatu benda ini dikenaldengan
julukan suhu alias temperatur. Benda yang terasa panas biasanya memiliki
suhu yang lebih tinggi. Sebaliknya, benda yang terasa dingin memiliki
suhu yang lebih rendah. Semakin dingin suatu benda, semakin rendah
suhunya.
Sebaliknya, semakin panas suatu benda, semakin tinggi suhunya.
Btw, ukuran panas ataudinginnya suatu benda yang hanya didasarkan
pada sentuhan (indera peraba) ini sebenarnya tidak terlalu jelas. Panas
yang dirasakan oleh setiap orang bisa saja berbeda.
Demikian juga, walaupun menyentuh benda yang sama, panas
yang dirasakan oleh bagian tubuh yang berbeda bisa saja berbeda. Dalam
pokok bahasan teori kinetik gas kita sudah mendefinisikan kembali
makna suhu.
Berdasarkan sudut pandang mikroskopis, suhu sebenarnya
merupakan ukuran dari energi kinetik translasi rata-rata molekul. Satuan
Sistem Internasional untuk suhu adalah Kelvin (K).
4. KALOR alias PANAS (Q
Apabila benda2 yang memiliki perbedaan suhu saling
bersentuhan, akan ada alirankalor dari benda yang bersuhu tinggi
menuju benda yang bersuhu rendah. Alirankalor akan terhenti setelah
kedua benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama.
Misalnya kalau kita mencampur air panas dengan air dingin,
biasanya kalor mengalir dari air panas menuju air dingin. Kalor berhenti
mengalir jika campuran air panas dan air dingin telah berubah menjadi
2

3. air hangat. Biasanya kalor mengalir dengan sendirinya dari benda yang
bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Aliran kalor cenderung
menyamakan suhu benda yang bersentuhan.
Pada abad ke-18, para ilmuwan berpikir bahwa aliran kalor
merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan
(fluida tuh zat yang dapat mengalir. Yang termasuk fluida adalah zat cair
dan zat gas. Misalnya air… air khan bisa mengalir. Atau udara…
Udara juga bisa mengalir). Fluida tersebut dinamakanCaloric. Teori
mengenai Caloric ini akhirnya tidak digunakan lagi karena
berdasarkan hasil percobaan, keberadaan si caloric ini tidak bisa
dibuktikan.
Pada abad ke-19, seorang pembuat minuman dari Inggris yang
bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara bagaimana agar
air yang ada di dalam sebuah wadah bisa dipanaskan menggunakan roda
pengaduk. Berikut ini kilasansingkat percobaan yang dilakukan oleh om
Jimi.
Ketika pengaduk berputar, pengaduk melakukan usaha alias kerja
pada air. Besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh pengaduk pada air
sebanding dengan besarnya kerja alias usaha yang dilakukan oleh gaya
gravitasi terhadap beban hingga bebanjatuh sejauh h.
Ingat rumus usaha alias kerja : Usaha (W) = Gaya (F) x
perpindahan(s) = Gaya berat beban (w) x perpindahan beban (h) = massa
beban (m) x percepatan gravitasi (g) x ketinggian (h). Ketika melakukan
kerja terhadap air, pengaduk menambahkan energi pada air (ingat konsep usaha
dan energi).
Karenanya kita bisa mengatakan bahwa kenaikan suhu air
disebabkan oleh energi yang dipindahkan dari pengaduk menuju air.
Semakin besar kerja yang dilakukan, semakin banyak energi yang
dipindahkan. Semakin banyak energi yang dipindahkan, semakin besar
kenaikan suhu air (air semakin panas).
Berdasarkan hasil percobaannya, om Jimi Joule membuat
perbandingan. Ketika ibu kesayangan hendak memanaskan air di dapur,
wadah yang berisi air disentuhkan dengan nyala api yang menyembur
3

4. dari kompor. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan,
kalor mengalir dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah) , aliran kalor
mampir sebentar di wadah. Karena ada aliran kalor dari api menuju air,
maka air yang pada mulanya kedinginan menjadi kepanasan (suhu air
meningkat).
Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air
karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat
adanya kerja yang dilakukan oleh pengaduk, om Jimi menyimpulkan
bahwa kalor sebenarnya merupakan energi yang berpindah. Ingat ya, kalor
bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu).
Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi
menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi-lah yang berpindah
dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Proses
perpindahan energi akan terhenti ketika benda-benda yang bersentuhan
mencapai suhu yang sama.
Berdasarkan penjelasan yang panjang pendek dan bertele2 di atas,
kita bisa menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah
dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.
Satuan kalor adalah kalori (disingkat kal). Satuan kalor yang
sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan
adalah kilokalori (kkal). 1 kkal = 1000 kalori. 1 kkal = 1 Kalori (huruf
K besar). Btw, kalori bukan satuan Sistem Internasional. Satuan Sistem
Internasional untuk kalor adalah Joule (J).
Berdasarkan penjelasan di atas, tampak bahwa kalor (Q) memiliki
kemiripan dengan usaha alias kerja (W). Kalor bisa diartikan sebagai
perpindahan energi yang disebabkan oleh adanya perbedaan suhu,
sedangkan usaha alias kerja bisa diartikan sebagai perpindahan energi
melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak).
4

5. 5. SISTEM dan LINGKUNGAN
Dalam termodinamika, kita selalu menganalisis proses
perpindahan energi dengan mengacu pada suatu sistem. Sistem adalah
sebuah benda atau sekumpulan benda yang hendak diteliti. Benda-benda
lainnya di alam semesta dinamakanLingkungan. Biasanya sistem
dipisahkan dengan lingkungan menggunakan penyekat/pembatas/pemisah.
Misalnya kita hendak menyelidiki air yang berada di dalam termos.
Air yang ada didalam termos merupakan sistem, sedangkan udara dan
benda-benda lainnya yang berada diluar termos merupakan lingkungan,
dinding termos, baik dinding kaca pada bagian dalam termos maupun
dinding plastik pada bagian luar termos berfungsi sebagai penyekat alias
pemisah.
Terdapat beberapa jenis sistem, yakni sistem terbuka dan sistem
tertutup. Sistem terbuka merupakan sistem yang memungkinkan
terjadinya pertukaran materi dan energi antara sistem tersebut dengan
lingkungan. Contoh sistem terbuka adalah tumbuh-tumbuhan, hewan.
Tumbuh-tumbuhan biasanya menyerap air dan karbondioksida dari
lingkungan (terjadi pertukaran materi). Tumbuhan juga membutuhkan kalor
yang dipancarkan matahari (terjadi pertukaran energi).
Sebaliknya, sistem tertutup merupakan sistem yang tidak
memungkinkan terjadinya pertukaran materi antara sistem tersebut
dengan lingkungan. Sistem tertutup dikatakan terisolasi jika tidak
adanya kemungkinan terjadi pertukaran energi antara sistem dengan
lingkungan. Sistem tertutup dikatakan tidak terisolasi jika bisa terjadi
pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan… Contoh sistem
tertutup yang terisolasi adalah termos air panas. Dinding bagian dalam
dari termos air panas biasanya terbuat dari bahan isolator (untuk
kasus ini, isolator = bahan yang tidak menghantarkan panas), buatan
yang tidak sangat ideal.
Minimal ada energi yang berpindah keluar, tapi jumlahnya
sangat kecil.
5

6. 6. ENERGI DALAM (U)
Energi dalam merupakan salah satu konsep paling penting dalam
termodinamika. Kita bisa mendefinisikan energi dalam dengan
mengacu pada teori kinetik. Teori kinetik mengatakan bahwa setiap zat
terdiri dari atom atau molekul, di mana atom atau molekul tersebut
bergerak terus menerus secara sembarangan. 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). Kita bisa mengatakan bahwa energi
dalam merupakan jumlah seluruh energi kinetik atom atau molekul,
ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya
interaksi antara atom atau molekul.
7. Proses Termodinamika
Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah dari satu benda
ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Berkaitan dengan sistem
dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor merupakan 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, jika suhu
lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari
lingkungan menuju sistem. Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan
energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan
perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis tuh
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.
6

7. Salah satu contoh sederhana berkaitan dengan perpindahan energi
antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja adalah
proses pembuatan popcorn.
8. Energi dalam dan Hukum Pertama Termodinamika
Pada postingan sebelumnya, gurumuda sudah menjelaskan
secara singkat mengenai energi dalam (U). Energi dalam sistem merupakan
jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah seluruh
energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul
sistem. Kita berharap bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan
menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam sistem akan
bertambah. Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja terhadap
lingkungan (sistem melepaskan energi), energi dalam sistem akan
berkurang.
Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan
bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem
(sistem menerima energi). Kerja yang dilakukan oleh sistem (sistem
melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini : Energi
dalam merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis system.
Jika besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem (energi
dalam) tidak bisa diketahui secara langsung, maka besaran yang menyatakan
keadaan makroskopis bisa diketahui secara langsung. Besaran yang
menyatakan keadaan makroskopis adalah suhu (T), tekanan (p), volume (V)
dan massa (m) atau jumlah mol (n). Ingat ya, Kalor dan Kerja hanya terlibat
dalam proses perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Kalor
dan Kerja bukan merupakan besaran yang menyatakan keadaan sistem.
9. Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan Kerja (W)
Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan
Hukum Pertama Termodinamika. Kalor (Q) dalam persamaan di atas
merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif), sedangkan
Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan oleh
sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q
7

8. bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada sistem, maka W
bernilai negatif.
10. SOAL DAN PENYELESAIANNYA
1. liter air berubah menjadi 1671 liter uap ketika dididihkan pada tekanan 1
atm. Tentukan perubahan energi dalam dan besarnya kerja yang dilakukan
air ketika menguap, (Kalor penguapan air = LV = 22,6 x 105 J/Kg)
jawaban :
Massa jenis air = 1000 Kg/m3
LV = 22,6 x 105 J/Kg
P = 1 atm = 1,013 x 105 Pa = 1,013 x 105 N/m2
V1 = 1 liter = 1 dm3 = 1 x 10-3 m3(Volume air)
V2 = 1671 liter = 1671 dm3 = 1671 x 10-3 m3(Volume uap)
a) Perubahan energi dalam
Perubahan energi dalam = Kalor yang ditambahkan pada air – Kerja
yang dilakukan air ketika menguap.
Terlebih dahulu kita hitung Kalor (Q) yang ditambahkan pada air…
Q = mLV
Massa (m) air berapa ?
Massa jenis air = massa air / volume air
Massa air (m) = (massa jenis air)(volume air)
Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(1 x 10-3 m3)
Massa air (m) = (1000 Kg/m3)(0,001 m3)
Massa air (m) = 1 Kg
Q = (1 Kg)(22,6 x 105 J/Kg)
8

9. Q = 22,6 x 105 J
Sekarang kita hitung Kerja (W) yang dilakukan oleh air ketika
menguap. Ingat ya, pendidihan air terjadi pada tekanan tetap (proses
isobarik).
W = p (V2 – V1)
W = 1,013 x 105 N/m2 (1671 x 10-3 m3 – 1 x 10-3 m3)
W = 1,013 x 105 N/m2 (1670 x 10-3 m3)
W = 1691,71 x 102 Joule
W = 1,7 x 105 Joule
9

10. Hukum kedua termodinamika
Menurut hukum pertama termodinamika, dalam suatu sistem tertutup
(alam semesta kita termasuk sistem tertutup), jumlah energi total selalu
kekal. Energi dapat berubah bentuk dan berpindah dari satu benda ke benda
yang lain, tetapi jumlah energi total selalu tetap. Benar bahwa hukum pertama
termodinamika mengatakan bahwa energi selalu kekal. Walaupun demikian,
hukum pertama termodinamika tidak menjelaskan bahwa ada bentuk energi
yang berguna, sedangkan ada bentuk energi yang tidak berguna.
Energi potensial kimia dalam minyak bumi merupakan salah satu bentuk
energi yang berguna. Energi potensial kimia dalam minyak bumi (bensi, solar,
minyak tanah, etc) bisa digunakan untuk menggerakkan kendaraan, memasak
makanan atau bisa juga digunakan untuk membangkitkan listrik.
Energi potensial gravitasi air di waduk gunakan untuk membangkitkan
listrik. Energi panas bumi juga digunakan untuk membangkitkan listrik. Energi
kinetic angin, energi panas matahari, energi nuklir, dan lain – lain. Pada
sebuah benda yang suhunya T1 bersinggungan dengan benda lain (reservoir)
yang suhunya T2 lebih tinggi daripada T1 maka sesuai dengan hukum alam,
sejumlah panas akan mengalir dari reservoir masuk ke dalam benda pertama,
sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang, suhu benda pertama menjadi sama
dengan suhu reservoir. Seperti diketahui reservoir adalah benda yang karena
ukurannya besar atau karena mendapat masukkan energi panas dari sistem lain,
maka walaupun sejumlah panas mengalir ke luar atau masuk ke dalamnya,
suhunya tidak berubah.
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 :
Proses suatu sistem terisolasi yang disertai dengan penurunan entropi tidak
mungkin terjadi. Dalam setiap proses yang terjadi pada sistem terisolasi, maka
10

11. entropi sistem tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah (Hukum kedua
termodinamika – pernyataan Clausius).
SOAL DAN PENYELESAIANNYA
1. Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan
usaha alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 2500 Joule (QL).
Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Jawaban :
2. Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan
usaha alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 2000 Joule (QL).
Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Jawaban :
11

12. 3. Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha
alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 1500 Joule (QL). Berapakah
efisiensi mesin kalor tersebut ?
Jawaban :
12

13. 13

14. 14

15. 15

16. 16

17. 17

18. 18

19. 19

20. 20

21. 21

22. 22

23. 23