Simulasi dan Perhitungan dalam Hukum Termodinamika

Sumber : https://cerdika.com/termodinamika/

Halo, semua! Kali ini kita akan mengenal peristiwa-peristiwa yang berhubungan dengan hukum termodinamika melalui simulasi pembentukan dan perubahan energi. Tidak hanya itu, kita juga akan membahas contoh soal yang berkaitan dengan perhitungan hukum termodinamika. Sudah siap? OK, let's get started!

Kalian tentu tidak asing dengan bunyi hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa :

"Jumlah energi dari sebuah sistem tertutup itu tidak berubah, ia akan tetap sama. Energi tersebut tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, namun ia dapat berubah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lain."

Istilah ini berkaitan dengan hukum Termodinamika I yang melibatkan usaha (W), kalor (Q), dan perubahan energi dalam (ΔU). Peristiwa pembentukan dan perubahan energi juga sering kita temukan dalam kehidupan sehari-hari. Kira-kira, apa saja, ya contohnya? Mari kita pelajari bersama!

*Catatan :

a) E  =  energi mekanik

b) E  =  energi listrik

c) E  =  energi panas

d) E  =  energi cahaya

e) E  =  energi kimia

1. Perubahan Energi Mekanik (Air) menjadi Energi Cahaya

Sumber : https://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-forms-and-changes

     Dari simulasi di atas, terdapat keran air yang mengalir dan menyebabkan aliran air menggerakkan turbin kayu di bawahnya. Aliran air ini termasuk dalam energi mekanik karena terdiri dari energi potensial yang dimiliki keran dan gerakan aliran air ke bawah. Bergeraknya turbin kayu pun membuat generator dapat bekerja dan menghasilkan energi listrik. Generator terhubung langsung dengan bola lampu sehingga aliran listrik yang dihasilkan akan disalurkan menuju lampu dan membuat lampu menyala. Peristiwa ini termasuk dalam hukum Termodinamika I karena terjadi perubahan bentuk dari energi mekanik (air yang mengalir), menjadi energi listrik, dan kemudian berubah lagi menjadi energi cahaya yang dipancarkan lampu. 

     Tidak hanya itu, lampu yang menyala sesekali juga mengeluarkan energi panas. Hal ini dapat terjadi ketika arus listrik mengalir melalui filamen yang mempunyai resistivitas tinggi, kerugian daya dalam filamen akan menghasilkan energi panas yang terlihat dalam pijaran cahaya lampu. Pada simulasi tersebut, tampak usaha (W) yang dihasilkan generator sehingga dapat menyalurkan energi listrik, sementara kalor (Q) ditunjukkan oleh energi panas yang dihasilkan pada lampu yang menyala, dan perubahan energi dalamnya (ΔU) terdapat pada perubahan lampu yang sebelumnya padam menjadi menyala setelah dialiri listrik.

2. Perubahan Energi Uap menjadi Energi Mekanik

Sumber : https://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-forms-and-changes

     Pada tampilan tersebut, tampak teko air yang dipanaskan mengeluarkan uap yang kemudian menggerakkan turbin kayu. Akibatnya, generator menjadi menyala dan menghasilkan energi listrik. Energi listrik kemudian dapat disalurkan menuju kipas angin sehingga dapat bergerak dan menghasilkan tiupan angin. Uap air yang dihasilkan memiliki energi panas (kalor) dan energi mekanik karena sekaligus menggerakkan turbin kayu. Sementara itu, di sekitar area kipas angin, sistem juga tampak melepaskan energi panas. Kira-kira, mengapa, hal tersebut dapat terjadi, ya? Tentu kita ketahui, kipas yang terus bergerak akan menimbulkan gesekan di dalam mesinnya. Gesekan ini menimbulkan panas yang tidak dapat dihindarkan. Oleh sebab itu, di antara sela-sela kipas angin tampak ada energi panas yang sesekali keluar. 

        Bergeraknya baling-baling kipas termasuk dalam energi mekanik karena menimbulkan pergerakan. Keadaan ini termasuk dalam hukum Termodinamika I karena terjadi perubahan energi uap menjadi energi listrik, dan berubah kembali menjadi energi mekanik. Usaha (W) tampak dilakukan oleh sistem melalui generator yang menyala. Sementara itu, kalor (Q) ditunjukkan oleh panas api yang dibutuhkan untuk memanaskan teko, sedangkan perubahan energi dalam (ΔU) tampak pada kipas angin yang semulanya diam menjadi bergerak karena pengaruh energi listrik yang berasal dari generator.

3. Perubahan Energi Mekanik menjadi Energi Panas

Sumber : https://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-forms-and-changes

     Pada tampilan tersebut, tampak keran mengalirkan air yang kemudian mengenai turbin kayu sehingga turbin bergerak. Akibat bergeraknya turbin, membuat generator dapat menyala dan menghasilkan energi listrik yang disalurkan menuju tungku api sehingga tungku api pun menyala. Dengan adanya api, air di dalam tungku pun menjadi mendidih dan akhirnya menghasilkan uap-uap air. Peristiwa ini termasuk dalam hukum Termodinamika I, yaitu berubahnya energi dari bentuk energi mekanik menjadi energi listrik dan energi panas (uap air). Maka, dapat kita ambil kesimpulan bahwa energi yang dimiliki air adalah energi mekanik dan usaha (W) dihasilkan oleh generator yang menyala. Energi dalam (ΔU) ditunjukkan oleh perubahan keadaan air yang mendidih di dalam tungku, sedangkan kalor yang dilepas oleh sistem (Q) ditunjukkan oleh uap-uap air yang terangkat akibat air dipanaskan.

Contoh Soal dan Pembahasan 

Suatu keran mengalirkan air sehingga mengaktifkan generator yang terhubung pada tungku api. Generator tersebut melakukan usaha sebesar 270 joule untuk mengalirkan energi listrik sehingga tungku api menyala dan mengurangi energi dalam air sebanyak 450 joule. Berapa banyak (joule) kalor yang dikeluarkan dalam bantuk uap air?

Dik  :  W   =  270 joule (dilakukan oleh sistem)

           ΔU  =  -450 joule (bertanda (-) karena berkurang)

Dit   :  Q?

Dij   :  ΔU      =  Q - W

          -450     =  Q - 270

             -Q     =  - 270 + 450 

             -Q     =  180

              Q     =  -180 joule (bertanda (-) sebab kalor keluar dari sistem)

Jadi, kalor yang dikeluarkan dalam bentuk uap air sebanyak 180 joule.

Itu tadi adalah contoh dari simulasi hukum Termodinamika I, perhitungan, sekaligus pembahasannya. Semoga dapat bermanfaat dan menambah wawasan. Sampai jumpa pada pembahasan fisika lainnya!

*Sumber referensi lain : https://saintif.com/hukum-kekekalan-energi/