THERMODINAMIKA /THERMOFISIKA

Thermodinamika berasal dari dua kata, yaitu thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan)

Jadi, thermodinamika adalah ilmu mengenai fenomena tentang energi yang berubah-ubah karena pengaliran panas dan usaha yang dilakukan.

Mempelajari thermodinamika bukan hanya mempelajari suhu, tetapi juga sifat-sifat gas, reaksi kimia, dll.

PENDAHULUAN

Konsep temperatur mudah dikenal karena adanya perasaan panas dan dingin.

Alat pengukur suhu adalah thermometer. Beberapa sifat fisik zat akan berubah jika

dipanaskan, hal ini yang disebut dengan termometrik zat.

Perubahan tersebut diantaranya panjang, volume, hambatan listrik, dsb

Sifat termometrik inilah yang dimanfaatkan termometer.

Temperatur

Dasar pembuatan termometer adalah perubahan volume zat cair ketika terjadinya perubahan suhu.

Zat cair yang digunakan pada termometer adalah air raksa atau alkohol yang diberi warna.

Air raksa memiliki titik beku – 39 C dan titik didih 357 C (sangat baik untuk mengukur suhu tinggi)

Sedangkan alkohol mempunyai titik beku -115 C dan titik didih 78 C (efektif mengukur suhu rendah ).

Didalam suatu zat, molekul satu dengan yang lain dikendalikan oleh gaya elastis yang analog dengan pegas.

Karena itu dalam satu zat didapati energi kinetik dan energi potensial.

Karena energi internal berkaitan dengan keadaan panas dan dingin maka dikenalah energi thermal.

Energi thermal adalah energi total benda yaitu jumlah energi potensial dan kinetik molekul tersebut.

Suhu dan Energi Thermal

Jika dua buah benda disinggungkan satu sama lain, maka energi termal akan ditransfer dari benda yang satu menuju yang lain.

Hal ini akan terus terjadi sampai terjadi keadaan seimbang yang dinamakan keseimbangan thermal.

Kedua benda dikatakan dalam kesetimbangan thermal jika dan hanya jika suhu kedua benda sama.

Suhu dapat diukur dengan besaran mekanik, optik maupun elektrik.

Alat yang biasa dipakai mengukur suhu adalah thermometer.

Thermometer umum saat ini terdiri dari tabung kaca dengan ruang di tengahnya yang diisi air raksa dan diberi warna merah.

Jika termometer disentuhkan pada benda panas maka air raksa akan memuai.

Pengukuran Suhu

Mudah dilihat Pemuaian teratur Tidak membasahi dinding Peka terhadap perubahan suhu Jangkauan pengukurannya luas.

Kelebihan air raksa :

Untuk menentukan sistem skala termometer, diperlukan 2 titik acuan :

1. Titik tetap bawah : menggunakan suhu es melebur, yaitu dimana es dan air berada dalam keseimbangan pada 1 atm

2. Titik tetap atas : menggunakan suhu air yang mendidih, yaitu suhu dimana air dan uap dalam kesetimbangan pada tekanan 1 atm.

Hubungan antara skala Celcius (C), reamur (R), dan Fahrenheit (F):

a. 0 C – 0 R – 32 F (tetap bawah)b. 100 C – 80 R – 212 F (tetap atas)c. 100 skala C = 80 skala R = 180 skala Fd. Perbandingan C:R:F = 5 : 4 : 9

T0C = (4/5 T) 0RT0R = (5/4 T) 0CT0C = (9/5 T + 32) 0FT0F = (9/4 T – 32) 0CT0R = (9/4 T + 32)0CT0F = (4/9 T – 32)0R

Suhu benda menunjukkan angka 200R, tentukan angka yang ditunjukkan oleh skala celcius!

Jawab :Tc = 5/4 TR

= 5/4. 20 = 25 0C

Contoh soal :

Burung dan mamalia digolongkan dalam worm blooded atau homotermal, yaitu suhu tubuhnya senantiasa konstan walaupun suhu lingkungan berubah

Tubuh manusia selalu berusaha mempertahankan temperatur agar tetap konstan

Pengaturan termal proses pengaturan secara fisiologis dimana terjadi keseimbangan antara produksi dan kehilangan panas.

Pengaturan Suhu Tubuh

Panas dapat hilang dan masuk ke lingkungan dengan cara konveksi, radiasi dan evaporasi.

Radiasi bila temperatur udara berhubungan langsung dengan tubuh, temperatur sekitar objek sangat rendah.

Konveksi bila suhu sekeliling objek lebih rendah.

Evaporasi terjadi pada kulit dan pernafasan.

Ketiga hal di atas diatur oleh syaraf untuk mencapai kesetimbangan.

Di kulit terdapat krause dan ruffini corpuscle yang mengatur temperatur panas dan dingin.

Di kulit juga terdapat counter current dimana terjadi pembesaran pembuluh darah pada suatu bagian sedangkan bagian lain mengalami penguncupan dimana hal ini diatur oleh saraf pusat, hal ini berguna untuk mengatur suhu tubuh.

Pada keadaan panas dan dingin kritis hipotalamus posterior akan berfungsi untuk mengatur keseimbangannya.

Suhu normal tubuh kita adalah 37 C. Untuk mengukur suhu biasanya di ketiak

(aksila), sub lingual, dan rektal. Suhu rektal biasanya 0,3-0,5 C lebih tinggi

dari suhu aksila

Topografi temperatur

Jika kalor diberikan pada suatu benda, maka temperatur benda itu akan naik.

Dalam penelitian dikatakan ‘ besar kalor Q yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat sebanding dengan massa m dan perubahan temperatur T, atau :

Q = m.c. T Dimana c adalah kalor jenis.

Kalor Jenis

Berapakah kalor yang diperlukan untuk memanaskan air 250 cm3 dari suhu 200C menjadi 350C?Jawab :Q = m.c. TQ = 250.1.15Q = 3750 cal.

Contoh soal :

Kalor dapat mengalir dari bagian benda bertemperatur tinggi menuju bagian benda yang bertemperatur lebih rendah hingga tercapai suatu keadaan dimana temperatur semua bagian benda sama.

Kehilangan kalor sebanyak satu bagian sistem sama dengan kalor yang didapat oleh bagian yang lain.

KALORIMETRI

Hukum kekekalan energi berperan dalam keadaan ini dimana :

kalor yang hilang = kalor yang diterima

Teknik pertukaran energi panas tersebut dikenal dengan nama kalorimetri.

Kalorimetri terdiri dari cairan yang akan diberi kalor yang berasal dari listrik melalui pemanas air.

Panas air di dalam kalorimetri berasal dari listrik yang membangkitkan energi :

Dengan V, tegangan listrik (volt), arus yang mengalir (ampere), dan t waktu lamanya pengaliran (sekon).

Energi listrik ini dipakai oleh cairan di dalam kalorimetri untuk menaikkan suhunya sebesar ToC.

W = VIt

Panas adalah bentuk energi yang bergerak. Ada beberapa prinsip perpindahan panas

yaitu : konduksi, konveksi, radiasi, dan evaporasi.

Energi panas yang hilang atau masuk ke dalam tubuh manusia melalui kulit dapat secara keempat prinsip tersebut.

Perpindahan Panas

Merupakan perpindahan panas oleh tumbukan antara molekul yang bertetangga, ataua proses perpindahan panas dari suatu objek yang bersuhu tinggi menuju yang bersuhu rendah dengan kontak langsung.

Misalnya kita memegang batang besi yang bagian ujungnya dipanaskan api, maka panas akan segera terasa oleh tangan kita.

Konduksi

Adalah aliran panas melalui fluida dari tempat yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah dengan gerakan atau aliran partikel-partikel fluida sendiri.

Contohnya terjadinya angin laut dan angin darat. Pada siang hari, suhu udara di darat lebuh rendah dari pada di laut sehingga angin berhembus dari laut ke darat.

Konveksi

Proses perpindahan panas oleh gelombang elektromagnetik.

Gelombang elektromagnetik bergerak dengan kecepatan 300 juta meter/s.

Contohnya ketika kita meletakkan tangan di samping api maka tangan akan terasa panas.

Sumber radiasi yang utama adalah matahari.

Radiasi

Termografi merupakan alat yang digunakan untuk mengukur jumlah radiasi infra merah yang hasilnya berupa perbedaan warna pada termogram.

Termogram dapat digunakan untuk mendeteksi kanker karena zat yang terkandung dalam kanker mempunyai suhu yang lebih tinggi dibandingkan sekitarnya.

Termograf juga dapat digunakan untuk mendeteksi penyakit pembuluh darah.

Termografi

Untuk menggunakan termografi terdapat beberapa syarat, yaitu :

1. Pakaian penderita harus dilepas2. Penderita sebelumnya harus ditempatkan

dalam ruangan yang suhunya 21oC selama 20 menit, dengan tujuan agar penderita beradaptasi terlebih dahulu sehingga pada waktu diperiksa akan tampak kontras dengan jelas.

Evaporasi adalah perpindahan panas dari bentuk cairan menjadi uap.

Manusia kehilangan sekitar 9.103 kalori /gram melalui penguapan paru-paru.Dengan aktifitas berat dan lingkungan yang panas, seseorang akan minum 4 liter/ jam, ini merupakan proses pertukaran energi thermal.

Evaporasi

Kehilangan panas secara evaporasi dapat terjadi bila :

1. Perbedaan tekanan uap air antara keringat pada kulit dengan udara lingkungan

2. Temperatur lingkungan lebih rendah dari normal

3. Adanya gerakan angin4. Adanya kelembaban

Kalor adalah tenaga yang mengalir dari satu benda ke benda lain karena perbedaan suhu.

Usaha adalah tenaga yang dipindahkan dari satu benda ke benda lain namun perbedaan suhu tidak terlibat secara langsung

Pada dasarnya perubahan suatu benda merupakan perubahan dari satu kesetimbangan ke kesetimbangan lain, hal ini disebut ‘proses termodinamika’

Kalor dan Usaha

Hukum termodinamika merupakan pernyataan kekekalan energi.

Isi dari hukumnya : untuk menaikkan suhu 1 gram air sebanyak 1o C dibutuhkan 1 kalori panas.

Dengan rumus : U = Q -W Dengan U adalah energi dalam sistem, Q

adalak kalor, dan W adalah total usaha yang dilakukan.

Hukum I Termodinamika

Proses perubahan energi yang terjadi dalam suatu organisme disebut metabolisme.

Metabolisme dipakai dalam menunjukkan serangkaian reaksi dari tipe-tipe makanan dan derivatnya

Contoh metabolisme karbohidrat yang paling kecil adalah glukosa.

Hukum termodinamika juga dipakai untuk proses metabolisme tubuh.

Metabolisme dan Konversi Energi

Udara terdiri dari 78% nitrogen, 21 % oksigen dan sejumlah kecil zat.

Tekanan yang diberikan oleh udara adalah tekanan parsial yang diberikan masing-masing gas yang membentuknya.

Dalam udara dengan volume tertentu, tekanan parsial tertentu: nitrogen, oksigen uap air, sama seperti jika gas itu menempati volume sendiri.

Artinya gas lain tidak akan mempengaruhi tekanan parsial suatu gas (hukum dalton).

Kelembaban Udara

Rasio tekanan parsial uap air terhadap tekanan uap untuk temperatur tertentu dinamakan kelembaban relatif yang biasanya dinyatakan dengan persen :

Kelembaban relatif = tekanan parsial x 100% tekanan uap

Metode konduksi 1. Kantong berisi air panas untuk nyeri

abdomen.2. Handuk panas untuk otot yang sakit.3. Mandi uap untuk relaksasi otot4. Mandi lumpur hangat untuk mencegah

kehilangan panas tubuh.

Penggunaan Energi Panas untuk Pengobatan

Metode radiasi :Memanaskan tubuh dengan sinar matahari atau nyala api.

Metode elektromagnetik :untuk mentransfer panas ke daerah tubuh dan memberikan efek relax pada jaringan otot.

1. Sebutkan 3 keuntungan menggunakan air raksa untuk membuat termometer ?

2. Jika suhu air 40 R, berapakah suhu dalam celcius ?

3. Sebutkan 3 cara perpindahan panas ?4. Sebutkan contoh penggunaan energi

panas untuk pengobatan!

Kuis