MODUL FISIKA SMK KELAS X

MODUL FISIKA SMK KELAS X

TIM MGMP FISIKA SMK

KOTA SUKABUMI 2015

MODUL FISIKA SMK KELAS X

TIM PENYUSUN : 1. Asep Hilman Mustaqim, S.Pd 2. Drs. Guslia Firmansyah 3. Leni Mardiana, S.Pd, M.Si 4. Dede Ahmad Hadi, S.Si 5. Nia Dewi Kania, S.T 6. R Ninoy hendriyani, S.Pt 7. Heri Ahmad Safari, S.Pd, M.T 8. Sindri Nurrafi, S.Pd 9. Endris Rukmana, S.Pd 10. Anna Rachmawati, S.Pd 11. Santi Lanjarsari, S.Pd 12. Supriyadi, S.T 13. Ida Farida, S.Tp 14. Irma Hermawati, S.Pd

EDITOR : 1. H. Edi Mulyana, MPd (Pengawas Mapel Fisika) 2. Dede Ahmad Hadi, S.Si 3. Asep Hilman Mustaqim, S.Pd

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah puji syukur kami panjatkan kehadirat Allah SWT, atas rahmat, taufiq dan hidayah serta karunia-Nya sehingga Modul Fisika SMK kota Sukabumi tahun 2015 dapat diselesaikan dengan baik. Modul ini hadir sebagai buku pendamping dari buku pegangan siswa kurikulum 2013 yang diterbitkan oleh Kementerian Pendidikan dan Kebudayaan Republik Indonesia untuk membantu siswa dalam memahami materi yang dianggap sulit. Seiring dengan penerapan Kurikulum 2013 pada kelas X , XI dan XII pada tahun 2015/2016 untuk seluruh Indonesia, Modul ini sangat strategis membantu dalam proses pembelajaran di kelas baik bagi siswa maupun bagi guru. Kami mengucapkan terima kasih dan memberikan penghargaan yang setinggi-tingginya kepada semua pihak, khususnya kepada Pemerintah kota Sukabumi serta Dinas Pendidikan dan Kebudayaan kota Sukabumi c.q bagian Dikmen yang memfasilitasi segala sesuatunya sehingga Modul ini dapat kami selesaikan. Terima kasih juga kami sampaikan kepada pengawas Mata Pelajaran, PJPP, serta semua pihak yang telah membantu kelancaran dalam penyusunan Modul ini. Semoga Allah membalas segala kebaikan tersebut dengan balasan yang lebih baik, amin. Kami menyadari Modul ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu saran,dan kritik yang bersifat membangun sangat kami harapkan.

Sukabumi, Penyusun

Oktober 2015

DAFTAR ISI Halaman Kata Pengantar .................................................................................................................................................................... i Sambutan dari Walikota Sukabumi .............................................................................................................................. ii Sambutan dari Kepala Dinas P dan K Kota Sukabumi ............................................................................................. iii Daftar Isi ................................................................................................................................................................................. iv Modul 6 ELASTISITAS BAHAN  Kemampuan yang diperoleh .............................................................................................................. 1  Peta Konsep ............................................................................................................................................ 1  Apersepsi .................................................................................................................................................. 2  Uraian Materi........................................................................................................................................... 3  Rangkuman Materi ................................................................................................................................ 22  Soal – soal Uji Kompetensi .................................................................................................................. 23  Soal-soal Remedial ................................................................................................................................ 25  Soal-soal Pengayaan ............................................................................................................................. 26 Modul 7 FLUIDA 

Kemampuan yang diperoleh .............................................................................................................. 27



Peta Konsep ............................................................................................................................................. 27



Apersepsi ................................................................................................................................................. 28



Uraian Materi........................................................................................................................................... 29



Rangkuman Materi ................................................................................................................................ 50



Soal-soal Uji Kompetensi Fluida........................................................................................................ 51

Modul 8 SUHU DAN KALOR  Peta Konsep .................................................................................................................................................. 53  Uraian Materi .............................................................................................................................................. 54  Uji Kompetensi Suhu dan Kalor ............................................................................................................. 67 Modul 9 TEORI KINETIK GAS (TKG)  Peta Konsep ................................................................................................................................................. 69  Kemampuan yang diperoleh ................................................................................................................ 69  Uraian Materi 1 ......................................................................................................................................... 70  Uraian Materi 2 ......................................................................................................................................... 77  Uji Kompetensi .......................................................................................................................................... 81 Modul 10 TERMODINAMIKA  Peta Konsep ................................................................................................................................................. 83  Kemampuan yang diperoleh ................................................................................................................. 84



Uraian Materi ............................................................................................................................................ 85

 Soal-soal Uji Kompetensi Termodinamika..................................................................................... 101 DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................................................................... 102

KOMPETENSI INTI DAN KOMPETENSI DASAR FISIKA SEKOLAH MENENGAH KEJURUAN (SMK)/MADRASAH ALIYAH KEJURUAN (MAK)

KELAS X KOMPETENSI INTI (KELAS X) KI-1 Menghayati dan mengamalkan agama yang dianutnya

KOMPETENSI DASAR ajaran

1.1. Menambah keimanan dengan menyadari hubungan keteraturan dan kompleksitas alam terhadap kebesaran Tuhan yang menciptakannya 1.2. Menyadari kebesaran Tuhan yang menciptakan dan mengatur karakteristik fenomena gerak, fluida, dan kalor

KI-2 Menghayati dan mengamalkan perilaku jujur, disiplin, tanggungjawab, peduli (gotong royong, kerjasama, toleran, damai), santun, responsif dan pro-aktif dan menunjukkan sikap sebagai bagian dari solusi atas berbagai permasalahan dalam berinteraksi secara efektif dengan lingkungan sosial dan alam serta dalam menempatkan diri sebagai cerminan bangsa dalam pergaulan dunia

2.1 Menunjukkan perilaku ilmiah (memiliki

KI-3 Memahami, menerapkan, dan menganalisis pengetahuan faktual, konseptual, dan prosedural, berdasarkan rasa ingin tahunya tentang ilmu pengetahuan, teknologi, seni, budaya, dan humaniora dengan wawasan kemanusiaan, kebangsaan, kenegaraan, dan peradaban terkait penyebab fenomena dan kejadian dalam bidang kerja yang spesifik untuk memecahkan masalah.

3.1 Memahami

rasa ingin tahu; objektif; jujur; teliti; cermat; tekun; hati-hati; bertanggung jawab; terbuka; kritis; kreatif; inovatif dan peduli lingkungan) dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi sikap dalam melakukan percobaan dan diskusi 2.2 Menghargai kerja individu dan kelompok dalam aktivitas sehari-hari sebagai wujud implementasi melaksanakan percobaan dan melaporkan hasil percobaan konsep besaran besaran turunan, dan satuan.

pokok,

3.2 Menerapkan prinsip penjumlahan vektor 3.3 Memahami konsep gerak benda titik melalui besaran-besaran fisika yang terkait

3.4 Menerapkan konsep gerak lurus dengan kecepatan tetap dan gerak lurus dengan percepatan tetap

3.5 Memahami gerak melingkar dengan laju

tetap dan gerak melingkar dengan percepatan sudut tetap

3.6 Menerapkan hukum Newton dan konsep gaya

3.7 Menerapkan konsep usaha, energi dan daya

3.8 Memahami hukum kekekalan energi 3.9 Memahami konsep impuls dan hukum kekekalan momentum

3.10 Menganalisis gerak translasi dan rotasi 3.11 Menerapkan konsep kesetimbangan benda tegar

3.12 Menerapkan konsep elastisitas bahan

KOMPETENSI INTI (KELAS X)

KOMPETENSI DASAR

3.13 Menerapkan hukum Hooke 3.14 Menerapkan hukum-hukum

yang berhubungan dengan fluida statik dan dinamik

3.15 Menerapkan konsep suhu dan kalor 3.16 Memahami pengaruh kalor terhadap zat 3.17 Memahami sifat–sifat gas ideal dan persamaan keadaan gas

3.18 Menerapkan

termodinamika

hukum-hukum

KI-4 4.1. Menyajikan hasil pengukuran besaran fisis menggunakan alat ukur dan teknik Mengolah, menalar, dan menyaji dalam yang tepat ranah konkret dan ranah abstrak terkait 4.2. Menyajikan hasil pengamatan terhadap dengan pengembangan dari yang gerak benda kedalam grafik dipelajarinya di sekolah secara mandiri, dan mampu melaksanakan tugas spesifik di 4.3. Menganalisis gerak lurus berubah beraturan menggunakan hukum Newton bawah pengawasan langsung. 4.4. Menyaji hasil percobaan menggunakan konsep usaha, energi dan daya 4.5. Menganalisis hubungan impuls dan momentum dalam perhitungan 4.6. Menyaji hasil analisis gerak benda berdasarkan konsep translasi dan rotasi 4.7. Memecahkan masalah kesetimbangan benda tegar 4.8. Memecahkan masalah yang berkaitan dengan tumbukan 4.9. Merencanakan dan melaksanakan percobaan untuk menentukan kekuatan bahan 4.10. Memecahkan persoalan dalam teknologi dan rekayasa yang berkaitan dengan hukum-hukum fluida statik dan dinamik. 4.11. Mengolah hasil penyelidikan yang berkaitan dengan suhu dan kalor 4.12. Menyaji hasil penyelidikan mengenai cara perpindahan kalor 4.13. Melakukan perhitungan berbagai proses berdasarkan hukum termodinamika

Modul

6 Sumber: Koleksi AHM

1. 2.

3. 4.

Kemampuan yang diperoleh Melalui peragaan menggunakan pegas dan plastisin, Anda dapat menjelaskan sifat elastisitas bahan dengan teliti dan cermat. Melalui pengamatan gambar-gambar mesin uji kekuatan mekanik logam, siswa dapat menjelaskan pengaruh tegangan dan regangan terhadap deforrnasi bahan dengan rasa ingin tahu dan objektif. Melalui diskusi tentang jenis-jenis bahan dan kekuatannya, Anda dapat menentukan ketahanan suatu benda ketika diberikan gaya dengan teliti, cermat, dan jujur. Melalui percobaan hukum Hooke pada pegas, siswa dapat menentukan hubungan gaya dan konstanta pegas dengan hati-hati, kritis, dan kreatif.

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

1

created@MGMP-FISIKA’15

Apersepsi

Aplikasi konsep Elastisitas Bahan (EB) ada pada teknologi yang kita gunakan, diantaranya motor, mobil, dan kereta. Masih ingat? Ketika kita mengambil mangga dengan ketapel dan ingin tidur yang lebih nyaman? Gunakan kasur yang ada pegasnya… Kalau pernah iseng membongkar neraca (timbangan), maka di dalamnya ternyata ada pegas. Kenapa harus pegas yah? Begitu juga kalau kita perhatikan bangunan rumah…kenapa bata ditumpuk-tumpuk?, lalu direkat dengan semen, ada balok kayu yg digunakan untuk menyangga pintu…kenapa begitu? Ingin tahu lebih mendetail…mari yuk…kita belajar EB!

Apa yang Akan Dipelajari?

Kata Kunci

1. Perbedaan rapat massa dan berat jenis

 Rapat massa & Berat jenis

2. Perbedaan benda elastis dan plastis

 Elastisitas & Plastis

3. Perbedaan tegangan dan regangan

 Tegangan & Regangan

4. Konsep Modulus

 Modulus

5. Penemuan Robert Hooke

 Konstanta pegas

6. Manfaat pegas

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

2


6.1 Uraian Materi Mempelajari dan menguasai konsep elastisitas bahan adalah sangat penting, karena dalam keseharian dan teknologi memegang peranan sangat penting, misalnya dalam sistem pesawat terbang, kapal laut, sepeda motor dan sebagainya, untuk meredam getaran digunakan suspensi pegas. Begitu juga karena pemahaman akan sifat elastisitas, struktur jembatan dibentuk lengkungan setengah lingkaran. Sifat mekanik suatu bahan mencerminkan hubungan antara rangsangan atau deformasi dengan gaya terpakai. Perilaku sifat mekanik ini sangat penting, seperti: kekuatan, kekerasan, elastisitas, dan ketangguhan bahan. Ada 2 (dua) sifat dasar suatu bahan, yaitu: rapat massa dan berat jenis.

6.1.1 Rapat Massa Massa jenis atau rapat massa suatu bahan didefinisikan sebagai massa zat persatuan volume. Ditulis dalam bentuk persamaan: dengan: m = massa bahan (kg) V = volume bahan (m3) .  = Rapat massa (kg/ m3)

6.1.2 Berat Jenis Berat Jenis suatu bahan didefinisikan sebagai berat zat itu persatuan volume. Secara matematis dinyatakan dengan persamaan:

 g atau Bj 

w mg V .g     .g V V V

dengan:

 g atau Bj=berat jenis (N/m3)

Contoh 1 : soal…choy! 1.

Sebuah kawat besi panjangnya 10 meter dan diameternya 7.10-1 cm. Jika massa jenis besi 7.900 kg/m3. Tentukan: a. Massa kawat b. Berat jenis kawat tersebut Langkah menjawabnya…

Diketahui;

Penyelesaian; a. Langkah untuk mencari massa kawat

Rumus m = .V Cari dulu V = r2 = 3,14 . (7.10-3)2 . 10 = 154.10-5 m3 Jadi m = 79.102 . 154.10-5 = 12166 . 10-3 kg = 12,166 kg…jawabannya b. Langkah menghitung berat jenis

Ditanyakan; m dan BJ M o d ul

F IS I K A

k el as

Rumus Bj = .g =79.102 .10 = 79.103 Nm-3

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

3


Soal Latihan ….seberapa pintarkah Anda? Lembar untuk jawaban 1. Sebuah benda panjangnya 100 cm dan diameternya 0,7 cm. Jika massa benda 12,166 kg. Tentukan : a. Massa jenis benda (316.103 kg/m3) b. Berat jenis benda tersebut (316.104 N/m3) 2. Sebatang tembaga volumenya 15 cm3. Bila rapat massa tembaga tersebut 8,9 gr/cm3, berapakah: a. Massa batang tembaga (1,335 kg) b. Berat jenis batang tembaga (89.000 N/m3) 3. Kubus yang terbuat dari besi pejal, rusuk-rusuknya 20 cm. Bila massa jenis besi 7,9 gr/cm3. Hitung Massa kubusnya? (63,2 kg) Pertolongan Pertama Pada Kepusingan (P3K):

1 gr/cm3 = 1000 kg/m3 1 cm3 = 10-6 m3 1 cm = 10-2 m = 0,01 m Volume kawat=Vk=πr2ℓ (r=jari-jari; ℓ=panjang kawat) Volume kubus =Vk = r3 Lembar coretan: ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………….

6.2 Elastisitas Pada umumnya, setiap benda atau bahan dapat mengalami perubahan bentuk jika diberikan gaya. Setelah gaya pada benda dihilangkan, mungkin saja benda akan kembali ke bentuknya semula, tetapi bisa juga benda akan berubah bentuk, betul..betul..betul?. Berdasarkan fenomena di atas ada dua macam sifat benda, yaitu: elastis adalah kemampuan suatu benda untuk kembali ke bentuk awalnya segera setelah gaya luar yang diberikan kepada benda itu ditiadakan (dibebaskan). Gambar pegas Sifat tak elastis adalah sifat yang sebaliknya dengan sifat elastis, adalah kemampuan suatu benda untuk tidak kembali ke bentuk awalnya segera setelah gaya luar yang diberikan kepada benda itu ditiadakan (dibebaskan). Gambar plastisin

Adapun contoh benda elastis adalah pegas dan karet, sedangkan benda plastis adalah tanah M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

4


liat (lempung), adonan tepung kue, dan lilin mainan (plastisin). Pada umumnya setiap benda elastis mempunyai sifat plastis. Coba Perhatikan Grafik perubahan bentuk benda yang diberi gaya. Dari grafik di bawah ini, Anda bisa mengambil kesimpulan bahwa urutan keelastisan suatu benda adalah elastis  plastis  patah. Sampai pada titik A, pegas masih bersifat elastis, dimana pertambahan panjang sebanding dengan pertambahan gaya. Namun setelah titik A ini jika beban kita tambah, ternyata pertambahan panjangnya sudah tidak sebanding dengan pertambahan gaya. Hal ini menyatakan bahwa batas linearitas pegas sudah terlampui, namun pegas masih bisa kembali ke bentuk semula. Bila gaya diperbesar lagi hingga melewati titik B, ternyata setelah gaya dihilangkan pegas tidak bisa kembali ke bentuk semula. Hal ini berarti batas elastisitas sudah terlampui. Pegas tidak lagi bersifat elastis namun bersifat plastis. Jika gaya diperbesar terus, pada suatu saat di titik C pegas akan patah. Oleh karena itu grafik antara O sampai dengan B disebut daerah elastis, yaitu daerah ketika pegas masih bersifat elastis. Sedangkan grafik antara B dan C, disebut daerah plastis yaitu daerah dimana pegas masih bersifat plastis. Titik pada daerah elastis yaitu titik A yang membatasi daerah linear (daerah Hukum Hooke) dan daerah nonlinear disebut batas linearitas. Titik yang membatasi antara daerah elastis dan daerah plastis yaitu titik B disebut batas elastisitas. Titik dimana pegas tidak mampu lagi menahan gaya yang diberikan, dinamakan titik patah. Contohnya begini....Jika pegas disimpangkan dengan gaya tarik yang semakin besar (daerah elastis), maka pada saat tertentu akan terjadi keadaan di mana pegas tidak dapat kembali ke bentuk semula (daerah plastis), sampai akhirnya pegas akan rusak apabila gaya tarik yang diberikan terus diperbesar (daerah titik patah).

Ayo Cari Tahu….! Tertarik dengan proses pembuatan plastik? Kunjungi situs di bawah ini!

1. http://www.sobatbumi.com/solusi/view/167/solusi-tips-pembuatan-plastik-ramahlingkungan-dari-kentang 2. http://ejournal.umm.ac.id 3. http://trisqei.wordpress.com/biji-plastik/

Ayo Berkreasi! Menemukan Contoh Perhatikan benda-benda dalam kehidupan sehari-hari kalian! Daftarlah sebanyak-banyaknya bahan elastis dan tak elastis yang kalian jumpai! Pilih pin kalian di bawah ini!

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

5


6.3 Sifat-sifat Bahan       

Sifat listrik (daya hantar atau conductivity; 1/ohm m) Sifat kimia (segregasi, ketahanan korosi) Sifat fisik (Massa jenis; kg/m3, struktur) Sifat teknologi (mampu mesin, mampu keras) Sifat magnetik (permeabilitas, histeresis) Sifat thermal (panas jenis, pemuaian, konduktifitas; W⁰C/m) Sifat mekanik (kekuatan; N/mm2, kekerasan, nilai impak dll)

6.3.1 Uji Kekuatan Mekanik Bahan Uji kekuatan mekanik Logam adalah untuk mendapatkan gambaran mengenai sifat mekanik suatu logam sehingga bisa dilakukan pemilihan secara tepat untuk penerapan praktisnya secara tepat. •

Kekuatan tarik, Diuji dengan uji tarik. Pengujian tarik bertujuan untuk mengetahui sifat-sifat mekanik dan perbuahan-perubahannya dari suatu logam terhadap pembebanan tarik. Pengujian ini umumnya diperuntukkan bagi pengujian beban-beban static. Beban tarik tersebut dimulai dari nol dan berhenti pada beban atau tegangan patah tarik dari logam bersangkutan. Beban uji yang telah dinormalisasikan ukurannya dipasang pada mesin tarik, kemudian diberi beban (Gaya tarik) secara perlahanlahan dari nol hingga maksimum.

•

Kekerasan Alat uji kekerasan Brinnel, Rockwell, Vickers. Pengujian kekerasan digunakan untuk mengetahui besarnya kekerasan permukaan suatu material. Pengujian ini menggunakan bola indentor yang terbuat dari baja, dimana metode pengujiannya adalah memberikan indentasi pada permukaan suatu material sehingga timbul tapak tekan.

•

Ketahanan Impak, Alat uji impak. Pengujian impak, yaitu mengetahui ketahanan terhadap pembebanan tiba-tiba pada berbagai tempeteratur sehingga dapat ditentukan temperature transisi dari sifat ulet dan sifat getas. Alat uji impact merupakan suatu alat yang digunakan untuk mengukur keuletan bahan atau kegetasan bahan terhadap beban tiba-tiba. Alat ini termasuk jenis charpy. Prinsif kerja alat ini adalah dengan cara memberikan pembebanan secara tiba-tiba pada benda uji yang akan di uji secara static. Pada alat uji impact ini terdapat beberapa bagian, yaitu: pendulum (godam), lengan pengayun poros pengayun, bearing, pisau pemukul, badan alat uji impact dan tempat benda uji, dimana

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

6


kesemua bagian tersebut disusun dan dirangkai menjadi satu kesatuan sehingga membentuk suatu alat uji impact.

•

Kekuatan lelah, Alat uji lelah Kekuatan lelah adalah uji pada suatu bahan untuk mengetahui factor-faktor penyebab kelelahan suatu bahan, yaitu faktor dari kelembaban lingkungan, tipe pembebanan, putaran, suhu, komposisi kimia bahan dan tegangan sisa.

6.3.2 Penerapan Sifat Elastis Bahan Dalam kehidupan sehari-hari, alat yang menerapkan sifat elastis bahan banyak dijumpai. Misalnya, pada mainan anak-anak seperti pistol-pistolan, mobil-mobilan, dan ketapel; perlengkapan rumah tangga seperti kursi sudut dan spring-bed. Di sini akan dikemukakan beberapa contoh pemanfaatan peranan sifat elastis bahan. a. Alat Ukur Gaya Tarik Kereta Api Alat ini dilengkapi dengan sejumlah pegas yang disusun sejajar. Pegas pegas ini dihubungkan ke gerbong kereta api saat kereta akan bergerak. Hal ini di lakukan untuk diukur gaya tarik kereta api sesaat sebelum meninggalkan stasiun. b. Peredam Getaran atau Goncangan Pada Mobil Penyangga badan mobil selalu dilengkapi pegas yang kuat sehingga goncangan yang terjadi pada saat mobil melewati jalan yang tidak rata dapat diredam. Dengan demikian, keseimbangan mobil dapat dikendalikan. c. Peranan Sifat Elastis dalam Rancang Bangun Untuk menentukan jenis logam yang akan digunakan dalam membangun sebuah jembatan, pesawat, rumah, dan sebagainya maka modulus Young, tetapan pegas, dan sifat elastis, logam secara umum harus diperhitungkan. d. Contoh-Contoh Pemanfaatan Sifat Elastis dalam Olahraga Di bidang olahraga, sifat elastis bahan diterapkan, antara lain, pada papan loncatan pada cabang olah raga loncat indah dan tali busur pada olahraga panahan. Karena adanya papan yang memberikan gaya Hooke pada atlit, maka atlit dapat meloncat lebih tinggi daripada tanpa papan. Sedangkan tali busur memberikan gaya pegas pada busur dan anak panah.

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

7


6.4 Tegangan Pernahkah kalian melihat Ibumu menjemur baju? Ketika baju masih basah, tali jemuran akan tertarik ke bawah oleh gaya berat yang diberikan baju dan air. Setelah terkena panas matahari, air akan menguap yang menyebabkan gaya berat yang diberikan semakin berkurang. Akibatnya, tali jemuran akan terangkat kembali walaupun belum kembali ke posisi awal sebelum digantungkan baju. setelah baju kering dan diangkat, barulah tali jemuran akan Gambar. Tali jemuran yang meregang benar-benar kembali ke posisi sebelumnya. Hal ini akibat gaya berat pakaian membuktikan bahwa tali jemuran memiliki sifat elastis. Pada saat tali jemuran mendapatkan gaya berat, tali mengalami tegangan yang disertai dengan regangan. Apakah yang dimaksud dengan regangan? Untuk lebih jelasnya kita akan membahas materi tegangan terlebih dahulu. Perubahan bentuk dan ukuran benda bergantung pada arah dan letak gaya luar yang diberikan. Ada beberapa jenis deformasi yang bergantung pada sifat elastisitas benda, antara lain tegangan (stress) dan regangan (strain). Ada tiga jenis tegangan yang dapat terjadi, yaitu tegangan:

1. Tarikan 2. Mampatan 3. Geseran

tegangan

Apa yang dimaksud dengan ? Tegangan (stress) adalah gaya yang bekerja pada satu satuan luas penampang bahan

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

8

Secara matematis ditulis:



F A

dengan:  = tegangan (Pa atau Nm-2) F = gaya (N) A = luas penampang (m2) 2 Satuannya 1 Pa = 1 N/m


6.5 Regangan Jika sebuah karet gelang diberi gaya maka akan terjadi tegangan rentang/ tarik dan menghasilkan pertambahan panjang tertentu. Bagian manakah yang mengalamai pertambangan panjang? Apakah hanya bagian ujung-ujungnya saja atau seluruh bagian? Ingin tahu...tahu banget...yuk ikuti terus! Gaya yang diberikan kepada benda dapat ditempatkan pada ujung-ujungnya saja, tetapi pengaruh yang ditimbulkannya terjadi secara menyeluruh terhadap setiap partikel-partikel benda. Kemudian bagaimana cara kita menentukan besarnya pertambahan panjang yang terjadi pada setiap partikel benda? Untuk menjawab pertanyaan di atas, dapat dipekenalkan bahwa suatu besaran yang menggambarkan hasil perubahan bentuk adalah regangan (strain) akibat dari pengaruh tegangan.

Regangan

(strain) adalah perubahan relatif bentuk benda yang mengalami

ukuran atau tegangan. Perubahan ukuran bisa berupa pertambahan atau pengurangan panjang

Secara matematis ditulis:    dengan:  = regangan (strain) (baca: Epsilon)   = pertambahan panjang (m)  = panjang mula-mula (m)

6.6 Modulus Young (E)/ Modulus Elastisitas Menurut percobaan Robert Hooke yang kemudian menjadi Hukum Hooke, diperoleh grafik hubungan antara stress dan strain pada suatu logam seperti gambar di samping ini yang memperlihatkan deformasi (perubahan bentuk). 1. Garis dari O ke B, deformasi kawat adalah elastis. Ini berarti jika tegangan dihilangkan kawan akan kembali ke bentuk semula. Daerah ini adalah daerah proposional untuk bunyi hukum hooke. Bunyi hukum Hooke: Perbandingan antara tegangan () dengan regangan () adalah konstan. Konstanta ini kemudian dikenal sebagai modulus Young yang diberi lambang E, yang juga merupakan gradien garis OA. 2. Titik B merupakan batas elastis. 3. Di atas titik B deformasi kawat adalah plastis. Jika tegangan dihilangkan kawat baja tidak akan kembali ke bentuk semula, tetapi mengalami deformasi permanen. 4. Titik C adalah titik tekuk atau merupakan yield point (pada daerah ini bahan mengalami kehilangan sifat elastisnya dan akhirnya berubah sifatnya menjadi plastis) 5. Titik D adalah tegangan maksimum yaitu tegangan paling besar yang diberikan pada kawat baja tepat sebelum kawat patah. 6. Titik E adalah titik patah/ putus M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

Jadi sebuah gaya yang diberikan pada benda dalam daerah elastis, maka benda akan berubah bentuk. Reaksi benda terhadap gaya yang diberikan oleh nilai suatu besaran yang disebut modulus elastis. Modulus Elastis merupakan konstanta perbandingan antara tegagan dan regangan yang dialami bahan.

Secara matematisnya begini lho…. F F F E A      A EA  dengan: E = Modulus Young (N/m2) Dimensinya: ML-1T-2

9


Nilai modulus Young hanya bergantung pada jenis benda

Sebaiknya Anda Tahu!

(komposisi benda), tidak bergantung pada ukuran atau bentuk benda. Nilai modulus Young beberapa jenis bahan dapat kalian lihat pada tabel. Satuan SI untuk E adalah Pascal (Pa) atau N/m2.

Contoh aplikasi tegangan dan regangan dalam pembangunan Tembok. Tali, rantai, atau kawat dapat dimanfaatkan jika dalam keadaan

tegang,

sementara

itu,

batu

bata

dapat

dimanfaatkan jika dalam keadaan mampat. Jika batu batu dimampatkan, ia akan memberikan gaya balik yang setara. Itulah dasar pembangunan tembok. Bobot batu bata, ditambah muatan seperti lantai dan atap, menekan bata bersamaan dan membentuk struktur kuat. Semen yang diselipkan diantara bata hanya untuk menyebarkan beban Thomas Young adalah seorang polymath Iggris yang juga merupakan ilmuwan terkemuka pada bidang cahaya, mekanika padat, energy, fisiologi, bahasa dan harmoni music. Selain memperkenalkan modulus elastis, dia juga melakukan banyak penemuan antara lain teori gelombang cahaya, warna Young, fenomena kapiler, dan tegangan permukaan.

agar merata diseluruh permukaannya.

Yuk…pahami langkah demi langkahnya!

Contoh Soal

1. Sebatang logam yang mempunyai panjang 1,5 m ditarik dengan gaya sebesar 100 N sehingga 2 panjangnya bertambah. Jika luas penampang kerja gaya pada batang 0,2 cm dan modulus 3 2 elastisitas batang logam tersebut adalah 4.10 Nm , tentukan pertambahan panjang batang tersebut! Penyelesaian: 2 -5 2 3 2 Dik.  =1,5 m; F = 100 N; A = 0,2 cm = 2.10 m ; E = 4.10 Nm Dit.  = …..m Jawab:

 

F 100  1,5 150    1875 m 3 5 EA 4.10 2  10 8  10 2







2. Diketahui regangan yang terjadi pada sebatang logam adalah 0,2 dan dikenakan tegangan sebesar 180.000 N/m2. Jika panjang mula-mula logam tersebut adalah 1,6 m dan luas penampang kerja bagi gaya tarik adalah 0,004 m2, tentukan pertambahan panjang yang terjadi pada batang logam jika ditarik gaya sebesar 360 N. Penyelesaian: Dik.  =0,2;  =18.104 Nm-2;

  =1,6 m; A = 4.10-3 m2; F = 360 N M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

10


Dit.  = …. M Jawab: Cari E (modulus Young) E = E  Maka:   3.

 18.10 4   9.10 5 1  2.10

F 360  1,6 576    0,16 m 5 3 EA 9.10 4  10 36  10 2







Hitung Modulus Young logam yang regangannya 0,01 dan tegangannya 270 N/m2.

Penyelesaian:

Dik.  =0,01;  =270 Nm-2; Dit. E = ...Pa Jawab: E 

 270   27000 Pa  0,01

4. Suatu batang baja panjangnya 30 cm, penampangnya berbentuk empat persegi panjang dengan ukuran 3 mm x 2 mm. Ujung batang ditarik dengan gaya 50 N. Jika modulus Young batang tersebut 2.105 Nmm-2, hitung pertambahan panjangnya! Penyelesaian: Dik.  =30 cm = 3.104 mm; A = 3 mm x 2 mm = 6 mm2 F = 50 N; E = 2.105 Nm-2 Dit.  = …. m Jawab:

 

F 50  3.10 4  15    1,25 mm EA 2.10 5 6 12

5. Bila kaki seorang pelari menyentuh tanah, gaya geser yang bekerja pada tanah setebal 8 mm adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar. Jika gaya 25 N didistribusikan pada luas 15 cm2, hitung sudut geser q bila diketahui modulus geser tanah adalah 1.9×105 Pa.

6. Seorang pemanjat tebing bermassa 95 kg jatuh dan bergantung pada tali sepanjang

15 m dan berdiameter 9.6 mm. Bila tali tersebut bertambah panjang 2.8 cm hitung a) regangan, b) tegangan dan c) modulus Young dari tali

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

11


Latihan Soal 1.

Mari berlatih yuk!

Sebatang tongkat baja berdiameter 16 mm, pada tongkat itu diberi dua buah tanda berjarak 9 cm satu sama lain. Kemudian batang baja dibebani hingga jarak kedua tanda bertambah 0,24 mm. Jika modulus Young baja 20.1010 N/m2. Tentukan: a. Massa beban b. Tegangan

2. Sebatang kawat dengan diameter 0,125 cm dan panjang 80 cm digantungi beban 100 N. Ternyata kawat bertambah panjang 0,51 mm. Hitung berapa Modulus Young kawat tersebut!

3. Suatu bahan yang akan digunakan untuk jembatan gantung memiliki

modulus young 2 x 1011 Nm-2. Untuk menahan berat jembatan digunakan beberapa buah batang baja berbentuk silinder yang masing-masing luas penampangnya 8 cm2 dan panjangnya 50 m. Setiap batang ditarik dengan gaya 4x104 N. Tentukan tegangan,

pertambahan panjang dan regangan.

2. Bila kaki seorang pelari menyentuh tanah, gaya geser yang bekerja pada tanah setebal 10 mm adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar. Jika gaya 45 N didistribusikan pada luas 10 cm2, hitung sudut geser q bila diketahui modulus geser tanah adalah 1.9×105 Pa.

3. Seorang

pemanjat tebing bermassa 75 kg jatuh dan bergantung pada tali sepanjang 10 m dan berdiameter 9 mm. Bila tali tersebut bertambah panjang 2.5 cm hitung a) regangan, b) tegangan dan c) modulus Young dari tali

Lembar coretan: ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………….

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

12


6.7 Hukum Hooke Seismograf vertikal, yaitu seismograf yang mencatat gelombang berarah vertikal. Massa stasioner pada seismograf ditahan oleh sebuah tangkai dan ditahan oleh pegas untuk mengimbangi gravitasi bumi. Ujung massa stasioner yang berjarum disetuhkan pada silinder yang dipasang vertikal sebagai perekam data gemba bumi. Seismograf bekerja berdasarkan prinsip hukum Hooke. Apakah kalian pernah mendengar istilah hukum Hooke? Kegiatan belajar kali ini akan membahas tentang hukum Hooke dan energi dalam sistem gas.

Gambar Seismograf Sifat elastic suatu zat, dimanfaatkan orang dalam pembuatan pegas. Menurut Hooke, bila sebuah pegas ditarik oleh pasangan gaya F maka pegas tersebut akan bertambah ∆x panjang sebanding Keterangan: dengan besarnya F = gaya yang bekerja pada pegas gaya yang ∆x = pertambahan panjang pegas mempengaruhi pegas tersebut. Untuk dua pegas yang berbeda, meskipun diberi gaya tarik yang sama, ternyata menghasilkan pertambahan panjang yang berbeda. Hal ini berarti bahwa ada besaran khusus untuk setiap pegas. Besaran ini disebut tetapan pegas (konstanta) Dari hasil percobaan Secara matematis Hukum Hooke ditulis:

didapat: F  (∆x) dan

F x

F = -k ∆x

selalu

Dengan: F = gaya pegas (N) K = konstanta pegas (N/m) ∆x = pertambahan panjang pegas (m)

konstan sehingga F =k x

Sebaiknya Anda Tahu!

Robert lahir pada 18 Juli 1635 di Freshwater, di Isle of Wight, Inggris. Kontribusi Hooke untuk biologi terutama Micrographia bukunya yang diterbitkan pada tahun 1665. Dia mengembangkan mikroskop majemuk dan sistem pencahayaan (salah satu yang terbaik mikroskop seperti waktu). Dia juga mengamati organisme beragam seperti serangga, spons, bryozoa, foraminifera, dan bulu burung. Ini adalah best-seller selama waktunyanya, kontribusi lain meliputi: hukum elastisitas, menarik prinsip gravitasi, ia memutuskan masalah pengukuran jarak ke bintang, itu dia yang benar-benar menciptakan pompa udara yang eksperimen Boyle bisa dilakukan,

Tanda minus menunjukkan bahwa gaya yang timbul pada pegas berlawanan arah dengan gaya penyebabnya. Tetapi Apabila yang kita lihat hanya gaya pegasnya saja, tanpa mempedulikan gaya penyebabnya tanda minus tidak dipakai.

Jadi… apa bunyi hukum Hooke itu? Begini bunyinya: “Jika gaya tarik tidak melampui batas elastik pegas, maka pertambahan panjang pegas berbanding lurus (sebanding) dengan gaya tariknya ”. Ojo lali yo….

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

13


Ayo Berkreasi!

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

Membuktikan Hukum Hooke

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

14


Contoh Hukum Hooke pada Pegas 1.

Ketika Agus yang bermassa 60 kg bergantung pada ujung sebuah pegas, pegas bertambah panjang 15 cm. Tentukan tetapan gaya pegas.

Strategi:

Pegas bertambah panjang ∆x dimana ∆x=L-Lo karena pegas ditarik ke bawah oleh berat beban mg. dengan menggunakan hokum Hooke, kita bias menghitung tetapan gaya pegas k, sebagai: F = k ∆x  mg= k ∆x  Jawab: Dik. m = 60 kg; ∆x = 15 cm = 15x10-2 m; g=10 m/s2 Dit. k = ?

Penyelesaian:

2. Sebuah pegas jika diberi gaya 10 N menyebabkan pertambahan panjang 2 cm. Berapakah konstanta pegas tersebut! Penyelesaian: Diketahui F = 10 N; ∆x = 2 cm = 2.10-2 m Ditanya k = .....N/m Jawab: F = k ∆x  k= 3.

F 10   500 Nm 1 2 x 2.10

Sebuah pegas yang digantungkan vertikal panjangnya 20 cm. Jika diregangkan dengan gaya sebesar 0,5 N panjang pegas menjadi 27 cm. Berapakah panjang pegas jika diregangkan dengan gaya 0,6 N? Penyelesaian: Dik.

 o =20 cm;  1 =27 cm  ∆x1 =27-20 = 7 cm F1 = 0,5 N; F2 = 0,6 N

 2 = …..cm F1 F 0,5 0,6  2    x 2  8,4 cm Jawab: k  x1 x 2 7 x 2  2 =  o + ∆x2 = 20 + 8,4 = 28,4 cm Dit

Latihan Soal | Hukum Hooke pada Pegas

1. Sebuah pegas yang panjangnya 20 cm tergantung bebas. Ketika pegas tersebut diberi beban 20 N, ternyata panjangnya menjadi 20,5 cm. Tentukan tetapan pegas tersebut! Penyelesaian Diketahui : jawab : x0 = … m F = ….x ….. xt = … m … =k.(…. – ….) F=…N … =k. …….. Ditanya : besarnya k = ……..? k = ……… N/m

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

15


2. Sebuah pegas yang panjangnya 30 cm tergantung bebas. ketetapan pegas tersebut 800 N/m, ternyata panjangnya menjadi 40,5 cm. Tentukan gaya pegas tersebut! Penyelesaian: Diketahui : jawab : x0 = …. m F =…… x …….. xt = …. m F = ….. (…… – ….) k = …. N/m F = ……… N Ditanya : F = ……..? 3.

Sebuah pegas meregang 10 mm ketika ditarik oleh gaya 2 N. a. Berapakah pertambahan panjangnya ketika ditarik oleh gaya 5 N? (2,5 x 10-2 m) b. Berapa gaya tarik yang perlu dikerjakan untuk meregangkan pegas sepanjang 6 mm? (12 N)

4. Sebuah pegas yang tergantung tanpa beban (pegas bebas) panjangnya 20 cm. Jika ujung bawah pegas bebas digantungi beban 100 gr, panjang pegas menjadi 24 cm. Berapakah panjang pegas bebas jika ujung bawahnya digantungi beban 150 gr? (26 cm) 5. Pegas baja panjangnya 25 cm dan tetapan pegasnya 1,2 x 105 N/m2. Apabila pegas ini ditarik dengan gaya 60N. Hitung pertambahan panjang pegasnya? (0,5 mm) Lembar coretan:

………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………….

6.8 Menentukan Konstanta Pegas (k) Anda harus tahu apa pengertian fisis dari konstanta pegas itu? Konstanta pegas (k) yaitu nilai kekuatan bahan bersifat elastis/ plastis. Maksudnya begini, untuk menentukan shocbreaker motor yang bagus, itu harus diuji berapa nilai konstanta pegasnya, kalau grafiknya tidak linear/ lurus berarti shocbreaker tersebut kualitasnya jelek (tidak empuk/ tidak elastis) M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

16




6.8.1 Pegas disusun secara Seri Baiklah, berikutnya kita akan meninjau sistem dua pegas yang disusun seri seperti pada gambar disamping ini Pegas 1 terletak di atas pegas 2. Pegas 1 mempunyai nilai konstanta pegas sebesar k1 dan pegas 2 mempunyai nilai kontanta pegas sebesar k2. Ketika sistem diberi gaya sebesar F, pegas 2 langsung merasakan pengaruh gaya sebesar F tersebut sehingga pegas itu akan mengalami p rtambahan panjang sebesar ∆l2 sesuai hukum Hooke. Selanjutnya, pegas 1 juga terkena pengaruh gaya dengan besar yang sama besar F sehingga bertambah panjang sebesar ∆l1 sesuai hukum Hooke. Pertambahan panjang total kedua pegas ∆l adalah jumlah tiaptiap pegas. Dari persamaan 1) dengan mendefinisikan: Secara matematis dapat kita tulis:

1 1 1   k s k1 k 2 maka diperoleh:  

   1   2

F …..2) ks



Persamaan 2) yang persis dengan persamaan pegas tunggal yang mempunyai konstanta pegas sebesar k s, sehingga dua pegas yang disusun seri dapat kita bayangkan sebagai pegas tunggal yang mempunyai nilai konstanta gabungan ks. Adapun sejumlah n pegas yang disusun seri, gunakan rumus:

F F  k1 k 2

1 1   F   .......1)  k1 k 2 

1 1 1 1 1     ...  k s k1 k 2 k 3 kn Ya betul, persamaan tersebut berbeda dengan rangkaian kapasitor, yaitu kebalikannya.

6.8.2 Pegas disusun secara Paralel Selanjutnya, kita tinjau sistem dua pegas yang disusun secara paralel. Pegas tersebut mempunyai nilai konstanta pegas sebesar kp

Coba perhatikan gambar pegas di atas! Sistem dikenai gaya F sehingga pegas 1 dan pegas 2 bertambah panjang dengan besar yang sama  . Gaya F yang diberikan pada sistem akan terdistribusi pada kedua pegas sehingga tiap-tiap besar gaya yang dirasakan pegas 1 dan pegas 2 adalah F 1 dan F2 sesuai dengan hukum Hooke dengan pertambahan panjang sebesar  . Secara matematis dapat kita tulis: F=F1+F2=k1  +k2  F=(k1+k2)  Dengan menyatakan kp=(k1+k2) maka diperoleh persamaan F= kp  Bentuk F= kp  merupakan persamaan Hooke untuk sistem pegas paralel yang bisa dianggap sebagai pegas tunggal dengan konstanta pegas kp. M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

17


Jika sistem terdiri atas n buah pegas masing-masing dengan konstanta pegas k1, k2, k3,...,kn yang disusun secara dihitung dengan persamaan:

paralel,

maka konstanta pegas tunggal pengganti k dapat

kp = k1+k2+k3+...+kn 6.8.3 Pegas disusun secara Seri-Paralel Prinsip susunan seri-paralel beberapa pegas, adalah sebagai berikut: 1. Tentukan terlebih dahulu konstanta pegas pengganti dari konstanta pegas yang tersusun secara paralel (k1 dan k2) 2. Lalu tentukan konstanta pegas pengganti secara seri dari konstanta pegas (kp dan k3), sehingga diperoleh: ks 

Contoh Menentukan Konstanta Pegas 1. Pada dua pegas yang disusun secara paralel digantungkan beban 3 kg. Konstanta kedua pegas masing-masing adalah 200 N/m dan 100 N/m. Hitung berapa pertambahan panjang pegasnya! Penyelesaian: Dik. m = 3 kg; k1 = 200 N/m; k2 = 100 N/m Dit ∆x = ......m Jawab: kp= k1 + k2 = 200 + 100 = 300 N/m

x 

F m.g 3.10    0,1 m kp kp 300

2. Beban seberat 30 N digantungkan pada sistem dua pegas yang disusun secara seri dengan konstanta kedua pegas masing-masing adalah 100 N/m dan 300 N/m. Hitung berapa pertambahan panjang pegasnya! Penyelesaian: Dik. F = 30 N; k1 = 100 N/m; k2 = 300 N/m Dit ∆x = ......m Jawab:

1 1 1 1 1 4 300       ks   75 N / m k s k1 k 2 100 300 300 4 F 30 x    0,4 m k s 75

3. Diketahui tiga buah pegas mempunyai konstanta masing-masing 6 Nm-1, 7 Nm-1, dan 8 Nm-1. Hitung konstanta pengganti (kp) pegas apabila pegas disusun secara seri dan paralel! Penyelesaian: Dik. k1 = 6 Nm-1; k2 = 7 Nm-1; k3 = 8 Nm-1; Dit ks dan kp?

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

18


Jawab:

a.

1 1 1 1 1 1 1 56  48  42 146         ks k1 k2 k3 6 7 8 336 336 336  2,30 N / m 146 b. Kpl = k1 + k2 + k3= 6+7+8 = 21 Nm-1 k p seri 

4. Sebuah benda bermassa M = 1,90 kg diikat dengan pegas yang ditanam pada sebuah dinding seperti gambar dibawah? Benda M kemudian ditembak dengan peluru bermassa m=0,10 kg. Jika peluru tertahan di dalam balok dan balok bergerak ke kiri hingga berhenti sejauh x=25 cm. Tentukan kecepatan peluru dan balok saat mulai bergerak jika nilai konstanta pegas adalah 200 N/m! Pembahasan: Kecepatan awal gerak balok (peluru ada di dalamnya) (

)

(

)

(

)(

)

√

Latihan Soal Susunan Pegas 1. Tentukan konstanta pegas dari masing-masing pegas yang tersusun secara seri berikut, jika k1 = k, k2 = 2k, mengalami pertambahan panjang 0,2 cm dengan massa beban 10 kg. 2. Pegas disusun pararel. Tentukan konstanta pegas dari masingmasing pegas yang tersusun secara paralel berikut, jika k1 =k, k2=2k dengan massa beban 20 kg, sehingga pegas secara total mengalami pertambahan panjang 0,1 cm. 3. Sebuah balok massanya 1200 gr bergerak dengan kecepatan 50 cm/s pada sebuah papan luncur yang licin. Pada ujung papan terdapat sebuah pegas k=30 N/m. Apabila papan menumbuk pegas, hitung panjang maksimum pegas akibat tertekan balok! 4. Susunan pegas berikut (lihat gambar disamping) memiliki konstanta pengganti sebesar..... 5. Sebuah benda bermassa M = 3,0 kg diikat dengan pegas yang ditanam pada sebuah dinding seperti gambar dibawah? Benda M kemudian ditembak dengan peluru bermassa m=0,05 kg. Jika peluru tertahan di dalam balok dan balok bergerak ke kiri hingga berhenti sejauh x=125 cm. Tentukan kecepatan M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

19


peluru dan balok saat mulai bergerak jika nilai konstanta pegas adalah 250 N/m!

6.9 Energi Potensial Elastis Pegas Apakah kalian pernah main ketapel? Cobalah Tarik ketapel dan rasakan adanya tenaga tarikan yang melawan gaya tarikan tangan kalian. Jika gaya tarikan tangan dilepas, maka ketapel akan melemparkan benda yang ditaruh di dalam sarungnya. Tenaga apa yang sebenarnya dimiliki ketapel? Untuk mengetahuinya mari kita pelajari bahasan berikut ini. Gambar ketapel

Begini lho….ketika ketapel diregangkan, kemudian dilepaskan, ketapel dapat melontarkan batu. Dalah hal ini, energy potensial elastis berubah menjadi energy kinetic batu. Ep ketapel = Ek batu ½ k x2 = ½ mv2 Jadi besaran v2 ini yang menyebabkan batu bisa terlontar jauh.

Ep = Energi potensial pegas (joule)

Hukum kekekalan energi pada sistem pegas Energi potensial pegas sama dengan nol ketika pegas tidak mengalami ditarik atau ditekan. Sebaliknya pegas akan menyimpan energi ketika pegas mengalami ditarik atau ditekan. Energi potensial pegas akan maksimum ketika pegas mengalami perubahan panjang maksimum. Sebuah peluru bermassa m bergerak dengan kecepatan v 1, menumbuk Sebuah pegas seperti gambar berikut:

Sebelum tumbukan

Setelah tumbukan

Sesuai hukum kekekalan energy mekanik, jumlah energy mekanik system sebelum tumbukan sama dengan jumlah energy mekanik system sesudah tumbukan dengan syarat tidak gaya gesekan mempengaruhi system. Persamaan kekekalan energi mekanik untuk sitem (benda dan pegas): EMawal = EMakhir (EMpeluru + EMpegas) awal = (EMpeluru + EMpegas) akhir EKpeluru + EPbenda + EPpegas = EK’peluru + EP’benda + EP’pegas

Contoh Soal (Cosol) Energi Potensial Pegas 1. Dalam keadaan menggantung tanpa beban, sebuah pegas panjangnya 20 cm. Ketika pegas digantungi beban seberat 4 kg panjang pegas menjadi 30 cm. Kemudian benda beban tersebut disimpangkan sebesar 8 cm. Berapa energi potensial elastis pegas saat itu? Penyelesaian: Dik. m = 4 kg; ∆x1= 30-20=10 cm = 10x10-2m=10-1 m; ∆x2=8cm=8x10-2 m Dit. Ep = .....J

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

20


Jawab:



,

lalu untuk menghitung energi potensialnya gunakan ∆x2.

(

)(

)

2. Sebuah pegas mempunyai konstanta pegas k =50 N/m. Berapakah beban yang harus diberikan pada pegas agar mempunyai energi potensial sebesar 1 joule? Penyelesaian: Dik. Ep = 1 J; k = 50 N/m Jawab:



Dit. F = w = ....?

Soal Latihan Energi Potensial 1. Berapakah beban (gaya) yang harus diberikan pada pegas, agar pada pegas timbul energi potensial sebesar 1 joule? Jika tetapan pegasnya 100 N/m 2. Sebuah pegas ketika ditarik dengan gaya 10 N bertambah panjang 4 cm. Berapa besar energi potensial yang dimiliki pegas saat itu? 3. Sebuah pegas menggantung dalam keadaan normal panjangnya 20 cm. Bila pada ujung pegas digantungkan sebuah benda yang mempunyai massa 50 gr, panjang pegas menjadi 25 cm. Kemudian benda tersebut disimpangkan sejauh 4 cm. Berapa energi potensial pada sistem tersebut? Lembar coretan: ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ………………………………………………………………………………………………………………………………. ……………………………………………………………………………………………………………………………….

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

21


Tugas Proyek

Kalian pasti sudah tidak asing lagi dengan pegas. Banyak peralatan yang digunakan oleh kita menggunakan pegas. Lakukan studi literature tentang macam-macam pegas. Buatlah berupa kliping yang meliputi: jenis pegas, desain pegas, penerapan pada alat, dan sifat-sifat pegas. Buatlah penerapan pegas sederhana (misal: seismograf

sederhana).

Kerjakan

Tugas

Proyek

ini

secara

berkelompok.

Bekerjasamalah supaya setiap anggota kelompok benar-benar memahami macammacam pegas dan penerapannya. Buatlah laporannya, kerjakan secara cermat dan teliti untuk mendapatkan hasil yang maksimal.

Rangkuman 1. Eastisitas adalah sifat sebuah benda yang dapat kembali ke bentuk semula. 2. Plastis adalah kemampuan suatu benda untuk tidak kembali ke bentuk awalnya segera setelah gaya luar yang diberikan kepada benda itu ditiadakan (dibebaskan). 3. Konstanta pegas (k) yaitu nilai kekuatan bahan bersifat elastis/ plastis.

4. Pegas yang disusun seri:

1 1 1 1 1     ...  k s k1 k 2 k 3 kn

elastis adalah kemampuan suatu benda untuk kembali ke bentuk awalnya segera setelah gaya luar yang diberikan kepada benda itu ditiadakan (dibebaskan). 9. Hukum Hooke: Jika gaya tarik tidak melampui batas elastic pegas, maka pertambahan panjang pegas berbanding lurus (sebanding) dengan gaya tariknya. Rumus hukum Hooke: F = -k ∆x 10. Pegas yang secara paralel, maka konstanta pegas tunggal pengganti k dapat dihitung dengan persamaan: kp = k1+k2+k3+...+kn 11. Tegangan (stress) adalah gaya yang bekerja pada satu satuan luas penampang bahan 8.

5. Regangan (strain) adalah perubahan 12. Modulus Young adalah perbandingan relatif ukuran atau bentuk benda antara tegangan () dengan yang mengalami tegangan regangan () 6. Modulus elastis adalah Reaksi benda 13. Batas elastisitas adalah Titik yang terhadap gaya yang diberikan oleh membatasi antara daerah elastis nilai suatu besaran dan daerah plastis yaitu titik B 7. titik patah adalah titik dimana pegas 14. Uji kekuatan mekanik Logam adalah untuk mendapatkan gambaran tidak mampu lagi menahan gaya mengenai sifat mekanik suatu logam yang diberikan. sehingga bisa dilakukan pemilihan secara tepat untuk penerapan praktisnya secara tepat.

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

22


Soal-soal Uji Kompetensi Elastisitas .... A. Pilihlah jawaban yang tepat!

Pojok untuk coretan

1. Sifat benda yang memungkinkan benda kembali pada bentuknya semula setelah gaya-gaya yang bekerja pada benda dihilangkan disebut..... a. elastisitas c. kompresibilitas b. plastisitas d. Stress e. Strain 2. Kelompok benda berikut yang termasuk benda elastis adalah..... a. kaca, karet, serat optik d. pegas, kaca, serat optik b. karet, kaleng, serat optik e. pegas, karet, serat optik c. kaca, tanah liat, serat optik 3. Kubus yang terbuat dari perunggu pejal, rusuk-rusuknya 25 cm. Bila massa jenis perunggu 8,5 gr/cm3, maka massa kubus tersebut adalah .....kg You can do it a. 120,7 c. 150,6 e. 182,3 b. 132,8 d. 175,4 4. Perhatikan tabel berikut! Tabel di atas menggambarkan hasil percobaan pegas yang salah satu ujungnya diberi beban. F menyatakan berat beban dan ΔL menyatakan pertambahan panjang. Maka usaha yang harus dilakukan untuk memperpanjang pegas sejauh 10 cm adalah…..joule a. 2 b. 2,5 c. 5 d. 7,6 e. 10 5. Perhatikan tabel massa jenis beberapa zat di bawah ini: Berdasarkan nilai dari E, maka bahan yang mudah ditarik adalah …. a. Besi c. beton e. kuningan b. Baja d. alumunium 6. Perhatikan grafik Gaya terhadap perubahan panjang pegas F ini: berikut Berdasarkan grafik tersebut, OB disebut ….. B A a. patah d. batas elastisitas C b. lengkung e. daerah elastisitas c. tekuk O

x

7. Benda yang diberi beban gaya F seperti gambar di samping akan mengalami ….. a. tarikan c. geseran e. mampatan F b. tekanan d. lengkung

F

8. Benda yang diberi gaya F seperti gambar di bawah ini akan mengalami ….. a. regangan b. tekanan

M o d ul

F IS I K A

c. geseran d. lengkung

k el as

X

S e m es t e r

e. mampatan

2

u n tu k

S MK

23


9. Berapa pertambahan panjang sebuah pegas yang mempunyai konstanta gaya 200 N/m2 dan diberi beban 5 kg, jika percepatan gravitasi bumi 10 m/s2 adalah…..m a. 400 b. 250 c. 25 d. 4 e. 0,25 10. Sebuah beban dengan massa 4 kg digantungkan pada tiga buah pegas yang dihubungkan paralel dan tetapan pegasnya masingmasing k1=100 N/m; k2=200 N/m; k3=100N/m. Maka pertambahan panjang susunan pegas tersebut adalah.....cm a. 10 b. 20 c. 25 d. 40 e. 45 11. Tiga buah pegas A, B, dan C disusun seri. Constanta gaya setiap pegas sebesar k. konstanta gaya pegas pengganti atau gabungannya adalah…..k a. c. e. b.

d.

12. Perhatikan gambar susunan pegas disamping. Jika diketahui k1=200 N/m; k2=400 N/m; k3=200 N/m dan Susunan pegas dipengaruhi beban B sehingga mengalami pertambahan panjang 5 cm. Jika g = 10 m/s2 dan pertambahan panjang pegas 1 dan 2 sama, maka massa beban B, adalah..... x 10-2 kg a. 17 c. 38 b. 28 d. 65 e. 75

k1

k2

k3 F

13. Perubahan bentuk yang dialami benda apabila pada benda diberikan dua buah gaya sama besar dan berlawanan pada ujung-ujung benda dengan arah menjauhi benda disebut….. a. tegangan c. geseran e. puntiran b. regangan d. mampatan 14. Perhatikan grafik berikut! Grafik hubungan gaya (F) terhadap pertambahan panjang (x) dari dua pegas A dan pegas B seperti pada gambar di atas, maka ….. 20 a. Konstanta A = Konstanta B b. Konstanta A < Konstanta B c. Konstanta A = 2 x Konstanta B d. Konstanta A = ½ x Konstanta B e. Konstanta A = 4 x Konstanta B 5

10

15. Dari hasil percobaan yang dilakukan di laboratorium pada sebuah pegas yang diberi beban diperoleh 40 hubungan antara beban yang digantungkan pada pegas terhadap pertambahan panjang pegas 20 tersebut seperti gambar di samping ini: maka besarnya konstanta pegas adalah.....N/m a. 5 c. 100 e. 5000 b. 10 d. 1000

2

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

24

4


Soal-soal bagi siswa yang Remedial! 1. Benda elastis akan berubah menjadi benda plastis apabila gaya yang mengenainya..... a. dihilangkan dengan tiba-tiba d. melampui batas elastis b. diperbesar dua kali semula e. didiamkan c. diperkecil ½ nya 2. Kubus alumunium pejal panjang rusuknya 20 cm. Bila rapat massa alumunium tersebut 2,7 gr/cm3, maka berat jenis alumunium tersebut adalah .....N/m3. It’s easy…choy! a. 27 c. 2.700 e. 270.000 b. 270 d. 27.000 3. Sebuah benda berbentuk balok berukuran 5 cm x 10 cm x 20 cm, jika massa benda tersebut adalah 1 kg , maka massa jenis benda tersebut adalah…..kg/m3 a. 10-1 b. 10-2 c. 10-3 d. 10-4 e. 10-5 4. Suatu pegas mempunyai konstanta pegas sebesar 10 Nm-1 saat simpangan 50 cm pegas tersebut mempunyai energi potensial sebesar…. Joule. a. 0,15 b. 1,25 c. 1,50 d. 12,5 e. 125 5. Sebuah pegas meregang 10 mm ketika ditarik oleh gaya 2 N. kemudian ditarik oleh gaya 5 N, maka pertambahan panjangnya adalah …..mm a. 5 b. 10 c. 15 d. 20 e. 25 6. Berikut ini adalah grafik hubungan F (gaya tarik pegas) terhadap ∆L (pertambahan panjang pegas). Bagian yang diarsir menyatakan besaran…..pegas a. Energi mekanik d. tekanan b. Energi kinetik e. gaya c. Energi potensial

F

∆L

7. Dua pegas dengan konstanta k1=100 N/m dan k2=300 N/m dihubungkan secara seri dan diberi gaya sebesar 30 N. Maka pertambahan panjang susunan kedua pegas tersebut adalah…..cm a. 0,4 b. 7,5 c. 40 d. 250 e. 400 8. Perbandingan antara tegangan dengan regangan disebut……….. a. tegangan d. modulus plastisitas b. regangan e. elastisitas c. modulus elastisitas 9. Satuan yang tepat untuk berat jenis adalah….. a. N b. N/m c. N/m2 d. N/m3

e. J

10. Dimensi dari modulus young identik dengan ….. a. tegangan c. gaya e. panjang b. regangan d. luas M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

25


Soal-soal bagi siswa yang Pengayaan! 1. Beberapa buah pegas disusun seperti gambar berikut!

Tentukan Perbandingan konstanta pegas pengganti antara susunan pegas (a) dan (b) …

2. Sebuah pipa vertikal terpasang di dalamnya sebuah pegas dan sebuah penampang lingkaran dari karet berjari-jari 10 cm seperti terlihat pada gambar berikut. Suatu zat cair dengan massa jenis 800 kg/m3 kemudian dimasukkan ke dalam pipa hingga setinggi 35 cm. Pegas tertekan ke bawah hingga posisinya setinggi h. Jika konstanta pegas adalah 200 N/m dan percepatan gravitasi 10 m/s 2 tentukan nilai h!

3. Sebuah benda bermassa M = 2,5 kg diikat dengan pegas yang ditanam pada sebuah dinding seperti gambar dibawah! Benda M kemudian ditembak dengan peluru bermassa m = 0,50 kg. Jika peluru tertahan di dalam balok dan balok bergerak ke kiri hingga berhenti sejauh x = 50 cm, tentukan kecepatan peluru dan balok saat mulai bergerak jika nilai konstanta pegas adalah 400 N/m!

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

26


Modul

FLUIDA

7 Kemampuan yang Diperoleh 1. Melalui kegiatan percobaan dan diskusi, siswa dapat menerapkan konsep tekanan

dalam memecahkan masalah fisika 2. Melalui kegiatan diskusi kelompok siswa dapat mengidentifikasi dan menentukan

besarnya variable yang mempengaruhi tekanan hidrostatis 3. Melalui kegiatan percobaan dan diskusi siswa dapat menjelaskan dan menerapkan persamaan hukum utama hidrostatika, hukum Pascal, hukum Archemedes, konsep tegangan permukaan pada zat cair, dan viskositas dalam pemecahan masalah fisika serta pemanfaatannya dalam kehidupan sehari-hari 4. Melalui pengamatan dan diskusi siswa dapat menjelaskan serta menerapkan asas Bernoulli dalam pemecahan masalah fisika

PETA KONSEP

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

27


Apersepsi

Mengapa kapal bisa terapung di atas air dan tidak tenggelam? Padahal ukuran kapal sangat besar dan terbuat dari bahan logam yang berat. Bandingkan dengan batu yang ukuran dan beratnya lebih kecil dengan kapal jika kita jatuhkan ke laut langsung tenggelam. Mengapa hal tersebut bisa terjadi …??? Perhatikan serangga yang sedang diam di atas permukaan air. Mengapa serangga tersebut dapat berdiri di atas permukaan air? Bagaimana hukum fisika menerangkan peristiwa-peristiwa tersebut? Ikuti terus pembahasan konsep FLUIDA STATIS dan DINAMIS berikut ini.

Apa yang Akan Dipelajari?

Kata Kunci     

1. Tekanan Hidrostatis 2. Hukum Utama Hidrostatis 3. Hukum Pascal 4. Hukum Archimedes 5. Tegangan Permukaan 6. Hukum Stokes 7. Kapilaritas 8. Fluida Kental 9. Asas Kontinuitas 10. Hukum Bernoulli 11. Aplikasi Bernoulli M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

28

Tekanan hidrostatis & Atmosfer Pascal & Archimedes Kapilaritas Viskositas Bernoulli


URAIAN MATERI PELAJARAN 7.1 Fluida Statis 7.1.1 Pengertian Fluida Ada tiga macam wujud zat, yaitu zat padat, cair dan gas. Zat padat memiliki molekul-molekul yang relatif tidak bergerak satu sama lain sehingga jarak antar molekul-molekul zat padat dapat dianggap tetap, sedangkan molekul-molekul zat cair dan gas relatif bergerak ayau mudah bergerak satu terhadap yang lain. Oleh sebab itu zat cair dan gas dikelompokkan ke dalam fluida atau zat alir, artinya zat yang dapat mengalir. Zat cair dibahas dalam mekanika fluida, sedangkan gas dibahas dalam teori kinetik gas. Fluida dapat diklasifikasikan meliputi fluida statis dan fluida dinamis. Fluida statis atau hidrosatis membahas zat cair dalam keadaan diam, sedangkan fluida dinamis membahas keadaan zat cair dalam keadaan mengalir. 7.1.2 Tekanan Pada Fluida Ada perbedaan kemampuan antara permukaan zat padat dengan zat cair dalam menerima gayagaya. Permukaan zat padat dengan batas-batas tertentu mampu menahan gaya tangensial yang bekerja pada permukaannya yang berarti mampu menahan tegangan geser. Sedangkan permukaan zat cair tidak dapat menahan gaya tangensial atau berarti tidak mampu menahan tegangan geser. Ketidakmampuan zat cair menahan gaya tangensial atau tegangan geser inilah menunjukkan kemampuan zat cair untuk mengalir atau berubah bentuk. Karena zat cair tidak memiliki kemampuan untuk melawan gaya tangensial, maka untuk membahas gaya-gaya yang bekerja pada permukaan zat cair perlu didefinisikan konsep tekanan. Pengertian tekanan akan mudah kita pahami setelah kita menjawab pertanyaan-pertanyaan di bawah ini. Mengapa pisau yang tajam lebih mudah memotong dari pada pisau yang tumpul? Mengapa paku yang runcing lebih mudah menancap ke dalam benda dibandingkan paku yang kurang runcing? Pertanyaan di atas sangat berhubungan dengan konsep tekanan. Konsep tekanan identik dengan gaya, gaya selalu menyertai pengertian tekanan. Tekanan yang besar dihasilkan dari gaya yang besar pula, sebaliknya tekanan yang kecil dihasilkan dari gaya yang kecil. Dari pernyataan di atas dapat dikatakan bahwa tekanan sebanding dengan gaya. Mari kita lihat orang memukul paku sebagai contoh. Orang menancapkan paku dengan gaya yang besar menghasilkan paku yang menancap lebih dalam dibandingkan dengan gaya yang kecil. Gambar orang menancapkan paku

Secara matematik dinyatakan dengan persamaan: Keterangan: P = Tekanan (N/m2) F = Gaya (N) A = Luas Permukaan (m2)

Catatan Perlu diingat, jangan lupa ya! 1 Pa = 1 Nm-2 ; 1 bar = 105 Pa ; 1 atm = 102,325 Pa : 1 cm Hg (76 cmHg = 1 atm) M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

29


7.1.3 Tekanan Hidrostatis Misalkan kita sedang berendam di dalam air, apa yang kita rasakan? Seolah-olah air menekan seluruh tubuh kita yang bersentuhan dengan air. Tekanan ini semakin besar apabila kita masuk lebih dalam ke dalam air. Fenomena apa yang ada dibalik peristiwa ini? Pernyataan ini mengandung pengertian bahwa fluida memberikan tekanan terhadap benda yang berada di dalamnya. Pengertian ini diperluas menjadi tekanan pada fluida tergantung pada ketebalannya atau lebih tepatnya kedalamannya. Udara/atmosfer terdiri dari gas-gas yang juga merupakan bentuk dari fluida. Maka udara juga akan memiliki tekanan seperti definisi di atas. Tekanan udara kita anggap sama untuk ketinggian tertentu di atas bumi namun untuk ketinggian yang sangat tinggi di atas permukaan bumi besarnya menjadi berbeda. Hal ini dapat dilakukan karena udara kita anggap kerapatannya kecil sehingga untuk titik-titik yang tidak terlalu jauh perbedaan ketinggiannya bisa dianggap sama. Gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, makin berat zat cair tersebut, sehingga makin besar juga tekanan zat cair pada dasar wadahnya. Besarnya tekanan pada suatu titik di dalam zat cair yang tidak bergerak sebanding dengan kedalaman titik tersebut dan massa jenis zat cair itu. Tekanan yang disebabkan oleh zat cair dalam keadaan diam atau dalam keseimbangan disebut tekanan hidrostatis Tekanan di dalam fluida disebut tekanan hidrostatis (Ph). Tekanan hidrostatis didefinisikan sebagai tekanan zat cair yang hanya disebabkan oleh berat zat cair gaya gravitasi menyebabkan zat cair dalam suatu wadah selalu tertarik ke bawah. Makin tinggi zat cair dalam wadah, maka semakin berat zat cair itu. Sehingga makin besar tekanan yang dikerjakan Perhatikan sebuah bejana berisi air seperti pada gambar berikut. Air h A

Gambar 7.1 Tekanan hidrostatis di titik A Untuk menentukan besarnya tekanan hidrostatis pada suatu titik di dasar bak akan berlaku persamaan

. Berat zat cair di dalam wadah (anggap berbentuk balok),

F = m.g, sedangkan massa zat cair di dalam wadah (balok) m =

, bisa dituliskan

m = ρ . P . l . h, besarnya tekanan hidrostatis pada dasar bak menjadi

Tekanan hidrostatis zat cair dengan massa jenis (ρ) pada kedalaman (h) dirumuskan: Keterangan Ph = Tekanan hidrostatis (Pa), g = gaya gravitasi (m/s-2) M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

30

ρ = massa jenis (kg/m-3) h = ketinggian (m) created@MGMP-FISIKA’15

Ayo Berkreasi!

Tekanan Hidrostatis

Judul Percobaan : Tekanan Hidrostatis Tujuan percobaan : Menentukan besar tekanan hidrostatis pada kedalaman tertentu pada zat cair Alat dan Bahan: 1. Pengaris 2. Botol air mineral 3. Selotip hitam 4. Air biasa 5. Paku Teori Dasar: Setiap benda selalu mendapat pengaruh gaya gravitasi bumi sehingga benda tersebut mempunyai berat. Untuk zat cair, tekanan yang disebabkan oleh beratnya sendiri disebut tekanan hidrostatis. Tekanan hidrostatis dapat dirumuskan sebagai berikut. Ph = ρ . g . h Keterangan: Ph = tekanan hidrostatis (N/m 2 atau Pa) ρ = massa jenis zat cair (kg/m 3) h = kedalaman (m) Dari persamaan diatas menunjukkan bahwa tekanan fluida diam berbanding lurus dengan kedalamannya. Untuk kedalamannya yang sama, besar tekanan adalah sama ke segala arah. Semakin dalam kedudukan suatu benda, semakin besar tekanan hidrostatis yang dialaminya. Prosedur Percobaan: 1. Berilah 4 buah lubang pada botol air mineral secara berurut dari atas ke bawah dengan jarak masing-masing botol diatur pada kedalaman 5, 10, 15 dan 20 cm, kemudian tutup setiap lubang dengan selotip hitam. Selanjutnya isilah botol tersebut dengan air hingga penuh. 2. Botol mineral dilubang pada kedalaman 5 cm dari permukaan air, amati tekan air yang keluar. 3. Botol mineral dilubang pada kedalaman 10 cm dari permukaan air, amati tekan air yang keluar. 4. Botol mineral dilubang pada kedalaman 15 cm dari permukaan air, amati tekan air yang keluar. 5. Botol mineral dilubang pada kedalaman 20 cm dari permukaan air, amati tekan air yang keluar. 6. Tanpa menggunakan selotip hitam amati air yang keluar dari empat kebocoran tersebut, kemudian catat ke dalam tabel pengamatan. Data Hasil Pengamatan: Dik. ρ = 1000kg/m3 dan g = 10 m/s2 No

1 2 3 4

Kedalaman (m)

Zat Cair

Tekanan Hidrostatis (Ph = gh)

h1 = ….. h2 = ….. h3 = ….. h4 = …..

Air

….. Pa ….. Pa ….. Pa ….. Pa

Pengamatan pada lajunya air

…….. …….. …….. ……..

Tugas: 1. Jika tanpa tutup (ceritakan hasil pengamatan Anda pada lajunya air, berikan analisis alasannya kenapa begitu?) 2. Jika memakai tutup (ceritakan hasil pengamatan Anda pada lajunya air, berikan analisis alasannya kenapa begitu) Kesimpulan: M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

31


7.1.4

Tekanan Mutlak

Pada lapisan atas zat cair bekerja tekanan atmosfir. Atmosfir adalah lapisan udara yang menyelubungi bumi dan setiap udara (atmosfer) bekerja gaya gravitasi bumi. Sehingga semakin ke bawah (mendekati permukaan bumi) maka gaya grafitasi (berat) yang dialami partikelnya dan ini berarti semakin besar tekanannya. Berdasarkan hasil percobaan Torricelli diperoleh kesimpulan bahwa tekanan atmosfer di permukaan laut (sebagai permukaan bumi) besarnya 76 cm Hg atau 1 atm. Dari uraian di atas maka tekanan yang sebenarnya di dalam zat cair bukan hanya tekanan hidrostatis oleh zat cair itu saja akan tetapi masih ditambah dengan tekanan atmosfer.

Po Zat cair

h P

Gambar 7.2 Pada permukaan zat cair bekerja tekanan atmosfer Po

Dengan demikian, tekanan mutlak pada suatu kedalaman tertentu di dalam zat cair dapat dirumuskan:

Keterangan: P = Tekanan Total (N/m2 , Pa) Po = Tekanan pada permukaan zat cair atauTekanan Atmosfir (atm, Pa) h = Kedalaman (m) g = Percepatan gravitasi (m/s2) ρ = massa jenis (kg/m3)

Tekanan mutlak pada kedalaman h dirumuskan: P = Po + ρ g h

Contoh Soal 7.1 Ayo kerjakan soal dibawah ini..... Pasti asyik loh!

Seekor ikan berada pada kedalaman 5 m dari permukaan air sebuah danau. Jika tekanan udara ditempat tersebut 1 atm, massa jenis air 1.000kg/m3 dan percepatan gravitasi 10 m/s2, tentukan tekanan hidrostatik yang dialami ikan !

Latihan I

Penyelesaian Diketahui : h = 5 m ; P0 = 1 atm = 1 x 105 N/m2 ρair = 1.000 kg/m3 Ditanyakan : P = .......? Jawab : P = P0 + ρ.g.h = (1 x 105) .+1.000 x 10x 5 = 1,5 x 105 N/m2

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

1.

Seorang penyelam mampu berada pada kedalaman 40 m di bawah permukaan laut. Jika massa jenis air laut 1,2 g/cm3 dan percepatan gravitasi 10 m/s2, maka hitunglah besar tekanan yang dialami penyelam!

2.

Suatu bak kecil berbentuk kubus dengan rusuk 10 cm, kemudian bak diisi minyak yang massanya 640 gram, massa jenis minyak 0,8 gram/cm3 dan g = 9,8 m/s2. Tentukan tekanan hidrostatis dasar bak!

S MK

32


7.1.5

Hukum Pokok Hidrostatika

Telah diketahui sebelumnya bahwa tekanan yang dilakukan oleh zat cair besarnya tergantung pada kedalamannya, . Hal ini menunjukkan bahwa titik-titik yang berada pada kedalaman yang sama mengalami tekanan hidrostatik yang sama pula. Fenomena ini dikenal dengan Hukum Pokok Hidrostatika yang dinyatakan: Semua titik yang terletak pada bidang datar yang sama dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan yang sama. Perhatikan gambar di samping :

h A

B

C

Gambar 7.2 Tekanan Hidrostatis pada kedalaman tertentu Berdasarkan Hukum Pokok Hidrostatika, maka tekanan di titik A, B dan C besarnya sama. PA = PB = PC = . Hukum Pokok Hidrostatika dapat digunakan untuk menentukan massa jenis zat cair dengan menggunakan pipa U. Zat Cair yang sudah h 1 h2 diketahui massa jenisnya (ρ2) dimasukkan dalam pipa U, kemudian zat cair yang akan dicari massa jenisnya (ρ1) B A dituangkan pada kaki yang lain setinggi h 1. Adapun h2 P1 P2 adalah tinggi zat cair mula-mula, diukur dari batas ke dua zat cair. Gambar 7.3 Pipa U berisi dua jenis zat cair yang berbeda pada kedua kolomnya. Berdasarkan Hukum Pokok Hidrostatika, maka: PA = PB ρ1 .g. h1 = ρ2.g.h2,

Keterangan: ρ1, ρ2 = massa jenis zat cair I dan 2 (kg/m3) h1, h2 = ketinggian zat cair I dan 2 (m)

ρ1 h1 = ρ2 h2

Hidrostatika dimanfaatkan antara lain dalam mendesain bendungan yaitu semakin ke bawah semakin tebal, serta dalam pemasangan infus, ketinggian di atur sedemikian rupa sehingga tekanan zat cair pada infus lebih besar daripada tekanan dalam tubuh Contoh Soal 7.2 Sebuah tabung berbetuk hurup U (seperti pada gambar) mula-mula disi dengan air yang massa jenisnya 1,0 gr/cm3. Pada kaki kiri tabung kenudian dituangkan minyak yang massa jenisnya 0,8 gr/cm. Tentukan perbedaan ketinggian permukaan air dan minyak pada kedua kaki tabung. Penyelesaian diketahui: ρa = 1,0 g/cm3 ρm = 0,8 g/cm3 hm = 10 cm Dtanyakan : Perbedaan ketngggian permukaan ( Jawab : untuk menghitung perbedaan ketinggian permukaan kedua zat cair dalam tabung maka kita gambarkan keadaan akhir (seimbang) zat cair tersebut

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

33


Latihan 2...... ayo dong Kerjakan lagi ! Sebuah pipa u berisi air dan minyak seperti pada gambar, jika massa jenis air 1000 kg/ , maka massa jenis minyak adalah...... A. 500 kg/m3 B. 600 kg/ m3 C. 700 kg/m3 D. 800 kg/m3 E. 900 kg/m3

7.1.6

Hukum Pascal

Tekanan zat cair pada dasar wadah tentu saja lebih besar dari tekanan zat cair pada bagian di atasnya (ingat kembali pembahasan mengenai Tekanan Pada Fluida). Semakin ke bawah, semakin besar tekanan zat cair tersebut, sebaliknya semakin mendekati permukaan atas wadah, semakin kecil tekanan zat cair. Besarnya tekanan sebanding dengan pgh (p = massa jenis, g = percepatan gravitasi dan h = ketinggian/kedalaman). Pada setiap titik pada kedalaman yang sama, besarnya tekanan sama. Hal ini berlaku untuk semua zat cair dalam wadah apapun dan tidak bergantung pada bentuk wadah tersebut. Apabila kita tambahkan tekanan luar, misalnya dengan menekan permukaan zat cair tersebut, pertambahan tekanan dalam zat cair adalah sama di mana-mana. Jadi apabila diberikan tekanan luar, setiap bagian zat cair mendapat “jatah” tekanan yang sama. Karenanya besar tekanan selalu sama di setiap titik pada kedalaman yang sama. Ini merupakan Prinsip Pascal. Prinsip Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diberikan pada cairan dalam suatu tempat tertutup akan diteruskan sama besar ke setiap bagian fluida dan dinding wadah  Prinsip kerja Hukum Pascal Jika suatu fluida yang dilengkapi dengan sebuah penghisap yang dapat bergerak maka tekanan di suatu titik tertentu tidak hanya ditentukan oleh berat fluida di atas permukaan air tetapi juga oleh gaya yang dikerahkan oleh penghisap. Berikut ini adalah gambar fluida yang dilengkapi oleh dua penghisap dengan luas penampang berbeda. Penghisap pertama memiliki luas penampang yang kecil (diameter kecil) dan penghisap yang kedua memiliki luas penampang yang besar (diameter besar). Gambar 7.4 Fluida yang Dilengkapi Penghisap dengan Luas Permukaan Berbeda

Tekanan dalam fluida dapat dirumuskan dengan persamaan P = F : A, sehingga persamaan hukum Pascal bisa ditulis sebagai berikut. P1 = P 2 F1 : A1 = F2 : A2

M o d ul

F IS I K A

k el as

Keterangan: P1, P2 = tekanan pada penampang pengisap 1 dan 2 (Pa) F1, F2 = gaya pada penampang pengisap 1 dan 2 (N) A1, A2 = luas penampang pengisap 1 dan 2 (m2). X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

34


Penerapan hukum Pascal dalam kehidupan sehari-hari antara lain diterapkan pada dongkrak hidrolik, rem hidrolik, dan pompa hidrolik, meja operasi di rumah sakit, kursi dokter gigi, mesin pengepres hidrolik, dan pengankat beban berat Contoh soal Dongkrak hidarolik memiliki penampang masing-masing berdiameter 2 mm dan 100 mm. Berapa gaya minimum yang harus dikerjakan pada penampang kecil untuk mengangkat mobil yang beratnya 6000 N? Penyelesaian Diketahui: D1 = 2 mm, D2 = 100 mm, F2 = 6000 N Ditanyakan : Gaya minimum yang harus dikerjakan (F 1) Jawab , Karena A =

, maka

Latihan 4.

Kegiatan 3

Sebuah dongkrak hidrolik memiliki pengisap kecil yang diameternya 6 cm dan pengisap besar yang berdimeter 30 cm. Bila pengisap kecil ditekan dengan gaya 400 N, berapa gaya yang dihasilkan pada pengisap besar? (10 000N)

7.1.7

Tugas Proyek 1. Rancanglah suatu alat sederhana yang menggunakan prinsip hukum Pascal (miniatur pompa hidrolik, pipa venturi) 2. Siapkan alat atau bahan yang sudah tidak terpakai (tabung spuit bekas , selang kecil, penjepit, papan) dan susunlah alat tersebut sedemikian rupa (perancangannya dapat bersumber literatur atau internet) 3. Buatlah dan presentasikan hasil laporannya

Hukum Archimedes

Dalam kehidupan sehari-hari, kita akan menemukan bahwa benda yang dimasukan ke dalam fluida seperti air misalnya, memiliki berat yang lebih kecil daripada ketika benda tidak berada di dalam fluida tersebut. Dirimu mungkin sulit mengangkat sebuah batu dari atas permukaan tanah tetapi batu yang sama dengan mudah diangkat dari dasar kolam. Hal ini disebabkan karena adanya gaya apung. Gaya apung terjadi karena adanya perbedaan tekanan fluida pada kedalaman yang berbeda. Ketika sebuah benda dimasukkan ke dalam fluida, maka akan terdapat perbedaan tekanan antara fluida pada bagian atas benda dan fluida pada bagian bawah benda. Gambar 7.4

Pada gambar di atas, tampak sebuah benda melayang di dalam air. Fluida yang berada dibagian bawah benda memiliki tekanan yang lebih besar daripada fluida yang terletak pada bagian atas benda. Hal ini disebabkan karena fluida yang berada di bawah benda memiliki kedalaman yang lebih besar daripada fluida yang berada di atas benda (h 2 > h1). Besarnya tekanan fluida pada kedalamana h 2 adalah :

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

35


Besarnya tekanan fluida pada kedalaman h1 adalah :

dengan F2 = gaya yang diberikan oleh fluida pada bagian bawah benda F1 = gaya yang diberikan oleh fluida pada bagian atas benda A = luas permukaan benda Selisih antara F2 dan F1 merupakan gaya total yang diberikan oleh fluida pada benda, yang kita kenal dengan istilah gaya apung. Besarnya gaya apung adalah :

, karena sehingga gaya apung dapat dituliskan menjadi:

dan

,

atau

Keterangan: = gaya apung atau gaya ke atas (N) = massa jenis fluida (kg/m3) = Volume benda yang tercelup dalam fluida/zat cair (m 3) = Percepatan gravitasi (m/s2) = Berat fluida (zat cair) yang dipindahkan (N) Berdasarkan persamaan di atas, kita bisa mengatakan bahwa gaya apung pada benda sama dengan berat fluida yang dipindahkan. Ingat bahwa yang dimaksudkan dengan fluida yang dipindahkan di sini adalah volume fluida yang sama dengan volume benda yang tercelup dalam fluida. 

Hukum Archimedes menyatakan bahwa : Ketika sebuah benda tercelup seluruhnya atau sebagian di dalam zat cair, zat cair akan memberikan gaya ke atas (gaya apung) pada benda, di mana besarnya gaya ke atas (gaya apung) sama dengan berat zat cair yang dipindahkan.

 Terapung, Tenggelam, dan Melayang Ada tiga keadaan benda yang tercelup dalam fluida yaitu terapung, tenggelam, dan melayang. a. Terapung Perhatikan gambar yang menunjukkan sebuah bola kayu yang terapung pada suatu fluida. Pada saat terapung, besarnya gaya apung Fa lebih besar dari berat benda W = mg, (F a >w). Pada peristiwa ini, hanya sebgaian benda yang terceluf dalam fluida sehingga volume benda yang dipindahkan lebih kecil dari volume totalGambar benda yang 7.6 mengapung. M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

36


g

=

Karena (Volume benda yang tercelup) lebih kecil dari (Volume benda total) dari maka syarat benda mengapung , artinya massa jenis benda harus lebih kecil daripada massa jenis fluida.

g

b. Melayang Perhatikan gambar yang menujukkan sebuah telur yang melayang pada suatu fluida. Pada saat melayang, besarnya gaya apung F a sama dengan berat benda W = mg, (Fa = w). Pada peristiwa ini, volume benda yang dipindahkan sama dengan volume total benda melayang.

g

=

Karena (Volume benda yang tercelup) sama besar dari (Volume benda total) maka syarat benda melayang , artinya, massa jenis benda harus sama dengan massa fluida.

g

c. Tenggelam Perhatikan gambar yang menujukkan sebuah bola besi yang tenggelam pada suatu fluida. Pada saat tenggelam, besarnya gaya apung Fa lebih kecil daripada berat benda W = mg, (Fa w). Pada peristiwa ini, volume benda yang yang tercelup di dalam fluida sama dengan volume total benda yang mengapung, namun bertumpu pada dasar bejana sehingga ada gaya normal dasar bejana pada benda sebesar N. Gambar 7.8 Karena (Volume benda yang tercelup) sama besar dari (Volume benda total) maka syarat benda tenggelam

Penerapan hukum Archimedes dapat kita jumpai dalam berbagai peralatan dari yang sederhana sampai yang canggih, misalnya hidrometer, jembatan ponton,kapal selam, galangan kapai, kapal laut, balon udara. Contoh soal 1. Berat benda di udara 40 N dan ketika di dalam air 36 N. Jika g = 10 m/s 2, tentukan : a. Gaya apung benda oleh air b. Massa jenis benda tersebut M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

37


Penyelesaian: Diketahui: , Ditanyakan : a.

36 N,

2. Sebuah balok es terapung di dalam bejana berisi air, jika massa jenis es dan air masing-masing 0,90 gram/cm3 dan1 gram/cm3, tentukan bagian es yang terendam dalam air! Penyelesaian : Diketahui:

1000 kg/m3 )

b. Massa Jenis benda ; kg/m3

1

Ditanyakan : volume balok yang terendam jawab

Latihan 5 1. Sebuah gunung es berada di tengah lautan. Berapa bagian es yang muncul apabila diketahuimassa jenis es 0,92 gram/cm3 dan massa jenis air laut 1,03 gram/cm3. (0,11 V) 2. Suatu benda diukur dengan neraca pegas. Ketika di udara beratnya 0,48 N, tetapi ketika benda dicelupkan ke dalam air (massa jenis air = 1000kg/m 3) beratnya 0,36 N. Tentukan massa jenis benda itu. (4 000 kg/m3)

Kegiatan 4

Menentukan gaya ke atas atau gaya apung yang bekerja pada suatu benda A. Alat dan Bahan Neraca pegas, gelas ukur beaker glass, beban , baskom, air B. Langkah kerja 1. Gantungkan beban pada kait neraca dan ukurlah bertanya di udara 2. Tuangkan air ke dalam beaker glass hingga kemulut beaker glass (hampir tumpah) 3. Masukkan perlahan-lahan beban pada butir (1) sampai tercelup seluruhnya ke dalam air yang terdapat dalam beaker glass 4. Perhatikan air yang tumpah dari beaker glass harus ditampung di dalam baskom 5. Ukurlah berat benda tadi dalam air pada skala neraca pegas 6. Tuangkan air yang tumpah di dalam baskom ke dalam gelas ukur 7. Ulangi kegiatan no 1 sampai dengan no 6 dengan jumlah beban yang berbeda 8. Tulislah hasil praktikum yang anda dapat pada tabel

No

beban

Massa beban (gr)

Berat beban di udara (N)

Berat beban di dalam air (N)

Gaya apung (N)

Volume air yang dipindahkan (m3)

Berat air yang dipindahkan (N)

1 2 dst Pertanyaan dan tugas 1. Bagaimana berat benda di udara bila dibandigkan dengan berat benda di dalam zat cair 2. Bagaimana perbandingan gaya apung dengan berat air yang dipindahkan oleh benda M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

38


7.1.8

Tegangan Permukaan

Untuk membantu kita menurunkan persamaan tegangan permukaan, kita tinjau sebuah kawat yang dibengkokkan membentuk huruf U. Sebuah kawat lain yang berbentuk lurus dikaitkan pada kedua kaki kawat U, di mana kawat lurus tersebut bisa digerakkan (lihat gambar di bawah).

Gambar 7.9 Kawat ke dua cenderung meluncur ke atas karena adanya gaya tegangan permukaan yang diimbangi gaya tarikan ke bawah

Jika kawat ini dimasukan ke dalam larutan sabun, maka setelah dikeluarkan akan terbentuk lapisan air sabun pada permukaan kawat tersebut. Mirip seperti ketika dirimu bermain gelembung sabun. Karena kawat lurus bisa digerakkan dan massanya tidak terlalu besar, maka lapisan air sabun akan memberikan gaya tegangan permukaan pada kawat lurus sehingga kawat lurus bergerak ke atas (perhatikan arah panah). Untuk mempertahankan kawat lurus tidak bergerak (kawat berada dalam kesetimbangan), maka diperlukan gaya total yang arahnya ke bawah, di mana besarnya gaya total adalah F = w + T. Dalam kesetimbangan, F = gaya tegangan permukaan yang dikerjakan oleh lapisan air sabun pada kawat lurus. Misalkan panjang kawat lurus adalah l. Karena lapisan air sabun yang menyentuh kawat lurus memiliki dua permukaan, maka gaya tegangan permukaan yang ditimbulkan oleh lapisan air sabun bekerja sepanjang 2l. Tegangan permukaan pada lapisan sabun merupakan perbandingan antara Gaya Tegangan Permukaan (F) dengan panjang permukaan di mana gaya bekerja (d). Untuk kasus ini, panjang permukaan adalah 2l. Secara matematis, ditulis : Keterangan: = tegangan permukaan (N/m) F = gaya tegangan (N) l = Panjang kawat (m) Karena tegangan permukaan merupakan perbandingan antara Gaya tegangan permukaan dengan Satuan panjang, maka satuan tegangan permukaan adalah Newton per meter (N/m) atau dyne per centimeter (dyn/cm). (1 dyn/cm = 10-3 N/m = 1 mN/m). Kegiatan 5 Yuk...Kita lakukan percobaan sederhana ini 1. 2. 3. 4. 5. 6.

M o d ul

Siapkan satu buah silet Siapkan gelas yang terisi air hampir penuh Letakkan silet tersebut di atas permukaan air secara perlahan-lahan Perhatikan apa yang terjadi dengan silet tersebut! Jelaskan mengapa silet dapat mengapung di permukaan air Buatlah laporan hasil pengamatanmu!

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

39


7.1.9

Kapilaritas

Apabila gaya kohesi cairan lebih besar dari gaya adhesi, maka permukaan cairan akan melengkung ke atas. Ketika kita memasukan tabung atau pipa tipis (pipa yang diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan yang lebih tinggi (Lihat digambar di samping). Dengan kata lain, cairan yang ada dalam wadah naik melalui kolom pipa tersebut. Hal ini disebabkan karena gaya tegangan permukaan total sepanjang dinding tabung bekerja ke atas. Ketinggian maksimum yang dapat dicapai cairan adalah ketika gaya tegangan permukaan sama atau setara dengan berat cairan yang berada dalam pipa.Jadi, cairan hanya mampu naik hingga ketinggian di mana gaya tegangan permukaan seimbang dengan berat cairan yang ada dalam pipa. Sebaliknya, jika gaya adhesi lebih besar daripada gaya kohesi cairan, maka permukaan cairan akan melengkung ke bawah. Ketika kita memasukan tabung atau pipa tipis (pipa yang diameternya lebih kecil dari wadah), maka akan terbentuk bagian cairan yang lebih rendah (lihat gambar di samping). Efek ini dikenal dengan julukan gerakan kapiler alias kapilaritas dan pipa tipis tersebut dinamakan pipa kapiler. Perlu diketahui bahwa pembuluh darah kita yang terkecil juga bisa disebut pipa kapiler, karena peredaran darah pada pembuluh darah yang kecil juga terjadi akibat adanya efek kapilaritas. Demikian juga fenomena naiknya leleh lilin atau minyak tanah melalui sumbu. Selain itu, kapilaritas juga diyakini berperan penting bagi perjalanan air dan zat bergizi dari akar ke daun melalui pembuluh xylem yang ukurannya sangat kecil. Bila tidak ada kapilaritas, permukaan tanah akan langsung mengering setelah turun hujan atau disirami air. Efek penting lainnya dari kapilartas adalah tertahannya air di celah-celah antara partikel tanah. Kenaikan atau penurunan zat cair dalam pipa kapiler bergantung pada besarnya sudut kontak, tegangan permukaan, percepatan gravitasi, dan jari-jari pipa kapiler. Secara matematis, besarnya kenaikan atau penurunan permukaan zat cair dalam pipa kapiler dirumuskan sebagai berikut. Keterangan: h = naik turunnya zat cair dalam pipa kapiler (m) = tegangan permukaan (N/m) = sudut kontak = massa jenis zat cair (kg/m3) g = Percepatan gravitasi (m/s2) r = jari-jari penampang pipa (m) Contoh Soal Sebuah pipa kapiler yang jari-jarinya 1 mm berisi raksa yang massa jenisnya 13,6 g/cm 3. Jika asudut kontak, tegangan permukaan, dan percepatan gravitasi berturut-turut , tentukan penurunan raksa dalam kapiler. Penyelesaian: Diketahui R=

; ;

,

Ditanyakan : Penurunan raksa pada pipa kapiler (h): Jawab:

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

40


Latihan 6 Sebuah pipa kapiler berjari-jari dimasukkan secara tegak lurus ke dalam sebuah bejana yang berisi zat cair yang massa jenisnya 1,92 g/cm 3. Sudut kontak zat cair dengan dinding pipa adalah 370 (cos 370 = 0,8). Bila tegangan permukaan zat cair adalah 0,06 N/m dan g=10 m/s2, berapa cm kenaikan zat cair dalam pipa kapiler ? (1,5 cm) 7.1.10 Viskositas Viskositas merupakan ukuran kekentalan fluida yang menyatakan besar kecilnya gesekan di dalam fluida. Makin besarnya viskositas suatu fluida maka makin sulit suatu fluida mengalir dan makin sulit suatu benda bergerak di dalam fluida tersebut. Besarnya viskositas pada suatu fluida dikenal sebagai koefisien viskositas, yang dilambangkan dengan (eta). Perhatikan gambar di samping! Sebuah kelereng (benda kecil) yang dimasukkan ke dalam fluida akan mengalami gaya stokes. Besar gaya stokes diberikan: Keterangan : = koefisien viskositas (N s/m2) r = jari-jari benda (m) v = kecepatan (m/s) Suatu saat kelereng akan mencapai kecepatan maksimum yang dinamakan kecepatan terminal dan dirumuskan: Keterangan = koefisien viskositas (N s/m2) r = jari-jari benda (m) vT = kecepatan terminal (m/s) ρb = massa jenis benda (kg/m3) ρf = massa jenis fluida (kg/m3) Contoh Soal Tentukan kelajuan dari sebuah bola logam yang mempunyai jari-jari 0,5 cm, massa jenis 12 gr/cm3 yang bergerak di dalam gliserin dengan koefisien viskositas 2,5 kg/m s dan massa jenis gliserin 3 gr/cm3 dengan menganggap percepatan gravitai 10 m/s! Penyelesaian Diketahui : R = 0,5 cm = 0,005 m ; N s/m2 ; ρb = 12 gr/cm3 = 12 000 kg/m3 ; ρf = 3000 kg/m3 ; g = 10 m/s Ditanyakan: VT Jawab:

7.2 Fluida Dinamis Dalam dinamika fluida kita akan mempelajari tentang fluida yang mengalir. Fluida dikatakan dinamis (mengalir) jika fluida itu bergerak secara terus-menerus (kontinu) terhadap sekitarnya. M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

41


Fluida mengalir yang akan dipelajari di sini dibatasi untuk fluida sederhana yang disebut fluida ideal. 1. Fluida Ideal Ciri-ciri umum fluida ideal adalah sebagai berikut. a. Tak kompresibel (tak termampatkan), artinya aliran fluida tidak mengalami perubahan volume ketika diberi tekanan (dimampatkan) b. Tak kental (nonviscous), artinya fluida itu mengalir tanpa mengalami gesekan akibat sifat kekentalan (viskositas) fluida itu, baik gesekan antara partikel fluida dengan tempatnya maupun gesekan antar-partikel fluida. c. Alirannya stasioner (tenang), artinya aliran fluida yang jejak aliran partikelpartikelnya mengikuti garis alir tertentu. Aliran fluida dibedakan menjadi dua yaitu aliran garis alir (Stream Line) dan aliran turbulen. Lintasan yang ditempuh oleh suatu partikel dalam fluida dinamakan garis alir (flow line) 1. Aliran garis alir (stream line) adalah aliran fluida yang mengikuti suatu garis (lurus atau melengkung) yang jelas ujung pangkalnya. pipa

garis arus 2. Aliran turbulen Adalah aliran fluida yang arah garis arusnya tidak jelas ujung pangkalnya, bahkan ditandai oleh adanya aliran berputar.

7.2.1

Persamaan Kontinuitas

a. Debit Aliran Apa yang dimaksud dengan debit aliran? Debit adalah besaran yng menyatakan volume fluida yang mengalir per satuan waktu. atau Q = A v

Keterangan: A = Luas penampang pipa (m2) V = Volume (m3) v = kecepatan atau laju fluida (m/s) t = waktu (s) Q = debit aliran (m3/s)

b. Persamaan Kontinuitas Untuk fluida yang tidak kompresibel, debit aliran Q untuk berbagai ukuran penampang haruslah sama. Perhatikan gambar A1 v1 v1 A2 dibawah ini. Jika pada penampang A 1 debit alirannya. Q = A1.v1 maka pada penampang A2 debit alirannya juga sebesar Q , dengan Q = A2.v2. Secara matematis dapat ditulis Q di A1 = Q di A2 atau Q1 = Q2, sehingga persamaan kontinuitas dapat dituliskan sebagai berikut. A1.v1 = A2.v2

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

A1, A2 = luas penampang pada pipa1 dan 2 (m2) v1, v2 = kecepatan partikel pad pipa 1 dan 2 (m/s) S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

42


Contoh Fluida ideal mengalir dengan kecepatan 12,5 m/s di dalam pipa yang berdiameter 8 cm. Berapakah kecepatan aliran fluida tersebut setelah masuk ke dalam pipa yang diameternya 5 cm. Penyelesaian Diketahui : V1 = 12,5 m/s D1 = 8 cm D2 = 5 cm Ditanyakan : V2 Jawab Perbandingan luas penampang pipa 1 dan pipa 2

Persamaan kontinuitas

Latihan 6 Sebuah pipa berdiameter 9 cm dialiri air berkecepatan 5 m/s, kemudian terhubung dengan pipa berdiameter 3 cm. Tentukan kecepatan air pada pipa yang berdiameter 3 cm! (45 m/s) 7.2.2

Azas Bernoulli

Hubungan antara tekanan dengan kecepatan di dalam fluida dibuktikan oleh Daniel Bernoulli, bahwa semakin besar kecepatan fluida , semakin kecil tekanannya dan begitu juga sebaliknya semakin kecil tekanan maka akan semakin besar kecepatan fluidanya.

Kegitan 6 Percobaan cepat Pegang dua kertas folio sejajar di depan mulut anda. Anda harus meniup dengan cukup kuat di daerah antara kedua bentangan kertas tersebut. Sebelum meniup perkirakanlah kemana kertas akan bergerak ketika anda meniup. Sekarang tiuplah dengan kuat dan amati ke arah mana kertas bergerak. Ulangi sekali lagi untuk meyakinkan hasil pengamatan anda. Jelaskan hasil pengamatan anda dengan menggunakan azas Bernoulli

Azas Bernoulli dinyatakan secara kuantitatif dalam bentuk persamaan yang disebut persamaan Bernoulli. Persamaan ini menyatakan hubungan antara tekanan, kecepatan dan tinggi-rendahnya (letak) berbagai titik pada aliran fluida. P1 A

1

v1 v1

h1

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

A

43

P2 2

h2 created@MGMP-FISIKA’15

Gambar di atas memperlihatkan fluida yang ditinjau pada keadaan (1) dan keadaan (2) Untuk Persamaan Bernoulli sebagai berikut : P1 +

Keterangan: P1 dan P2 = v1 dan v2 = h1 dan h2 = = g =

+

gh1 =

P2 +

+

gh2

tekanan di titik 1 dan 2 (N/m2) kecepatan fluida di titik 1 dan 2 (m/s) ketinggian di titik 1 dan 2 (m) massa jenis fluida (kg/m3) percepatan gravitasi (ms2)

Coba kita perhatikan contoh soal di bawah ini.......simak yaaa.... Sebuah pipa mendatar memiliki dua bagian diameter yang berbeda masing-masing 6 cm dan 3 cm. Jika pada diameter besar air memiliki kecepatan 1 m/s dan tekanan 150 KPa. Hitunglah kecepatan dan tekanan air pada diameter kecil. Penyelesaian Diketahui : d1 = 6 cm P1 = 150 KPa = 1,5 x 105 Pa d2 = 3 cm ρ = 1000 kg/m3 v1 = 1 m/s Ditanyakan : Kecepatan dan tekanan air pada diameter yang kecil ( v2 dan P2) Jawab Kecepatan fluida pada pipa berdiameter besar dapat dihitung dengan persamaan kontinuitas

(1) = 4 m/s

=

Tekanan fluida pada pipa berdiameter kecil dapat dihitung dengan persamaan Benoulli dengan memasukkan h1 = h2

Latihan 7

......................Latihan lagi yuk......

Air mengalir dalam suatu sistem pipa tertutup. Pada suatu titik, keceptan air 3 m/s, sedangkan pada titik yang terletak 1 m di atasnya memiliki kecepatan 4 m/s. Tentukan tekanan pada titik yang lebih tinggi, jika tekanan pada titik yang lebih rendah 20 Kpa. (g = 10 m/s 2)

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

44


Penerapan azas Bernoulli 1. Menentukan kecepatan dan debit air semburan air pada tangki yang bocor v = dan Q = A. Dengan : v = kecepatan semburan zat cair pada lubang bocoran (m/s) g = percepatan gravitasi bumi (m/s2) h = tinggi permukaan air diukur dari lubang (m) A = luas penampang bocoran (m2) Q = debit aliran (m3/s) Contoh soal Sebuah tabung berisi zat cair (ideal). Pada dindingnya terdapat lubang kecil sehingga zat cair memancar (seperti pada gambar) , tentukan besarnya x!

100 cm

zat cair 80cm x

Penyelesaian Diketahui :

Ditanyakan : x Jawab Air yang mengalir dari lubang hanya mempunyai kecepatan horisontal, maka: g Jarak yang dicapai air : Latihan 8 Tinggi permukaan air pada tangki 1,25 meter, sedangkan tempat lubang kebocoran 80 cm dari dasar tangki. Berapa jauhkah tempat jatuhnya air diukur dari tangki? (1,25 m) 2. Tabung venturi Tabung venturi adalah dasar venturimeter, yaitu alat yang dipasang pada suatu pipa aliran untuk mengukur kelajuan zat cair. a. Venturimeter tanpa manometer Zat cair yang akan diukur kelajuannya mengalir pada titik –titik yang tidak memiliki perbedaan ketinggian ( , sehingga berlaku persamaan :

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

45


Berdasarkan Persamaan tekanan hidrostatika akibat perbedaan ketinggian pada pipa vertikal, maka . Dengan melibatkan kedua persamaan yanag melibatkan perbedaan tekanan tersebut diperoleh kelajuan aliran fluida ,

Contoh Soal Air mengalir dalam venturimeter seperti pada gambar. Pada penampang 1 kecepatan air = 3 m/s. Selisih ketinggian antara dua kolom 15 cm, jika g = 10 m/s 2 tentukana kecepatan air pada penampang ke dua Penyelesaian Diketahui: ; Ditanyakan: Jawab Kecepatan pada penampang B dapat dihitung dengan menggabungkan persamaan pada horizontal dan vertikal Pipa horizontal : Pipa Vertikal : Maka diperoleh :

Latihan Soal Air mengalir dalam venturimeter seperti tampak pada gambar di samping ini. Bila kecepatan pada penampang ke 1 adalah 2 m/s, selisih ketinggian air pada antara dua kolom adalah 10 cm dan g = 10 m/s2 tentukan kecepatan pada penampang ke dua. ( m/s)

b. Venturimeter dengan manometer Pada prinsipnya, venturimeter dengan manometer hampir sama dengan venturimeter tanpa manometer. Hanya saja dalam venturimeter ini ada tabung U yang berisi raksa seperti gambar disamping ini. Dengan penurunan rumus yang sama diperoleh kelajuan aliran fluida v1, M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

46


Keterangan: (kg/m3) (kg/m3)

Contoh soal Udara yang massa jenisnya 1,36 kg/m3 mengalir melalui tabung utama horizontal pada sebuah venturimeter dengan manometer (seperti pada gambar). Tabung U pada sistem ini berisi raksa yang massa jenisnya 13,6 g/cm3. Hitung selisih ketinggian anatara dua kolom raksa, jika diameter tabung pertama dan ke dua berturut-turut 2 cm dan 1 cm, serta v1 = 20 m/s Penyelesaian Diketahui:

Ditanyakan : h Jawab Pipa horizontal : Pipa Vertikal : Maka diperoleh :

Dengan memasukkan persamaan (ii) ke persamaan (i) diperoleh :

Latihan soal Air mengalir dalam sebuah venturimeter dengan manometer. Diameter penampang 1 adalah 100 cm2 dan luas penampang 2 adalah 10 cm2. Jika perbedaan tinggi raksa pada manometer 3 cm, maka kecepatan air yang masuk pada penampang 1 adalah....( ). (v1 = 0,273 m/s)

2. Alat Penyemprot nyamuk Contoh sederhana yang kita gunakan alat penyemprot racun serangga seperti pada gambar disamping. Ketika menekan batang pengisap, udara dipaksa keluar dari tabung pompa melalui lubang sempit pada ujungnya. Semburan udara yang bergerak mampu menurunkan tekanan pada bagian atas M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

47


tabung tandon yang berisi cairan racun dan menybabkan tekanan atmosfir pada permukaan cairan memaksa cairan naik ke atas tabung. Semburan udara berkelajuan tinggi meniup cairan sehingga cairan dikeluarkan sebagai semburat halus. 3. Karburator 4. Tabung Pitot Alat ukur yang dapat kita gunakan untuk mengukur kelajuan gas adalah tabung pitot. Kecepatan aliran gas dapat dirumuskan sebagai berikut

Keterangan: (kg/m3) (kg/m3) h = selisih ketinggian zat cair (m) v = kelajuan aliran (m/s) g = percepatan gravitasi (m/s2)

5. Gaya angkat pesawat terbang Pesawat terbang dapat terangkat ke udara karena kelajuan udara yang melalui sayap pesawat, tidak seperti roket yang terangkat ke atas karena aksi-reaksi antara gas yang disemburkan roket dengan roket itu sendiri. Penampang sayap pesawat terbang mempunyai bagian belakang yang lebih tajamdan sisi bagian atas yang lebih melengkung daripada sisi bagian bawahnya. Garis arus pada sisi bagian atas lebih rapat daripada sisi bagian bawahnya; yang berarti kelajuan aliran udara pada sisi bagian atas v2 lebih besar daripada sisi bagian bawah sayap v1. Sesuai dengan azas Bernoulli tekanan pada sisi bagian atas P 2 lebih kecil daripada sisi bagian bawah P1 karena kelajuan udaranya lebih besar. Beda tekanan P1 - P2 menghasilkan gaya angkat sebesar : F1 = gaya pada bagian bawah sayap (N) F2 = gaya pada bagian atas sayap (N) = massa jenis udara (kg/m3) v1 = kelajuan udara bagian bawah sayap (m/s) v2 = kelajuan udara bagian atas sayap (m/s) A = Luas penampang sayap (m2) Pesawat terbang dapat terangkat ke atas jika gaya angkat lebih besar daripada berat pesawat . Contoh soal. Sebuah pesawat terbang yang mempunyai sayap dengan luas permukaan 80 m 2 Bergerak dengan kecepatan tertentu. Apabila kelajuan aliran udara di atas dan bagian bawah sayap berturut-turut 340 m/s dan 300 m/s, tentukan gaya angkat pesawat tersebut (ρ udara = 1,3 kg/m3). Penyelesaian Diketahui : A = 80 m2 ; v1=300 m/s ; v2 = 340 m/s ; ρ udara = 1,3 kg/m3 Ditanyakan : Gaya angkat pesawat (F1 - F2) Jawab: M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

48


Latihan soal Sebuah pesawat terbang mempunyai sayap dengan luas permukaan 85 m 2. Bergerak dengan kecepatan tertentu. Aliran kelajuan di atas dan di bawah sayap berturut-turut 400 m/s dan 380 m/s, tentukan gaya angkat pesawat tersebut ((ρ udara = 1,3 kg/m 3). (8,62 x 106 N)

Kegiatan 7 Tugas Kelompok A. Tujuan Mempelajari hukum Bernoulli B. Alat dan Bahan - Bejana berbentuk tabung (botol bekas aqua berukuran 2 liter) dengan lubang kecil pada didindingnya - Stopwatch - Meteran C. Langkah kerja 1. Isilah bejana dengan air sampai ketinggian di atas lubang kebocoraan dengan terlebih dahulu menutup lubang tersebut ! 2. Ukurlah tinggi air di atas lubang kebocoran (h) 3. Bukalah lubang kebocoran pada dinding bejana 4. Amati dan catat waktu yang diperlukan air untuk keluar dari lubang bocor sampai ke lantai (t) 5. Amati dan ukurlah jarak jatuhnya air di lantai terhadap bidang lantai yang tegak lurus dengan lubang bocor (x) 6. Hitunglah kecepatan pancaran air yang keluar dari lubang kebocoran! 7. Ulangi langkah ke 2 sampai 6 hingga 3 kali dengan ketinggian air di atas lubang kebocoran yang berbeda-beda! 8. Catat hasil pengamatanmu pada tabel dibawah ini No h (m)

t (s)

x (m)

1 2 3 Bahan Diskusi Kesimpulan apakah yang kalian peroleh kegiatan di atas ?

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

49


RANGKUMAN 1. Fluida adalah zat yang dapat mengalir dan memberikan sedikit hambatan terhadap perubahan bentuk ketika mengalami tekanan 2. Tekanan hidrostatika adalah tekanan di dalam zat cair yang disebabkan oleh adanya gaya gravitasi yang bekerja pada tiap-tiap bagian zat cair cair dan besarnya tergantung pada kedalaman, semakin dalam letak suatu bagian zat cair, semakin besr pula tekanannnya. 3. Hukum pokok hidrosatika menyatakan bahwa semua titik yang terletak pada suatu bidang datar di dalam zat cair yang sejenis memiliki tekanan yang sama 4. Tekanan mutlak pada suatu titik di dalam suatu fluida merupakan penjumlahan antara tekanan atmosfer (tekanan udara luar) dan tekanan hidrostatik 5. Hukum Pascal menyatakan bahwa tekanan yang diadakan dari luar kepada zat cair yang ada di dalam ruangan tertutup akan diteruskan oleh zat cair itu ke segala arah dengan sama rata. 6. Hukum Archemedes menyatakan bahwa sebuah benda yang tercelup sebagian atau seluruhnya ke dalam zat cair akan mengalami gaya ke atas yang besarnya sama dengan berat zat cair yang dipindahkan 7. Benda yang tercelup dalam fluida dapat mengalami tiga keadaan, yaitu terapung,melayang atau tenggelam dengan syarat sebagai berikut : a. Terapung, b. Melayang, c. Tenggelam, 8. Aplikasi hukum Archenedes dapat dijumpai dalam berbagai peralatan anatara lain hidrometer, kapal selam, galangan kapal, balon udara, jembatan ponton 9. Kohesi adalah gaya tarik menarik antara partikel atau molekul sejenis, sedangkan adhesi adalah gaya tarik menarik antara partikel atau molekul yang tidak sejenis 10. Tegangan mpermukaan merupakan sifat tegang permukaan zat cair akibat resultan gaya kohesi yang meyebabkan permukaan zat cair selalu menuju ke keadaan yang luas permuakaannya terkecil. Besar tegangan permukaan adalah 11. Gejala kapilaritas adalah gejala naik turunnya permukaan zat cair dalam pipa kapiler . Besar kenaikan atau penurunn permukaan zat cair dapat dihitung dengan rumus :

12. Viskositas merupakan ukuran kekekantalan fluida yang menyatakan besar atau kecilnya gesekan atau hambatan di dalam fluida 13. Kecepatan terminal adalah kecepatan akhir yang besarnya konstan bila suatu benda mengalami gerak jatuh bebas di dalam fluida. Persamaannya

14. Fluida ideal adalah fluida yang digunakan sebagai suatu model idealisasi dan bermanfaat untuk mendapat perkiraan awal tentang sifat-sifat aliran fluida. a. Tak kompresibel (tak termampatkan), artinya aliran fluida tidak mengalami perubahan volume ketika diberi tekanan (dimampatkan) b. Tak kental (nonviscous), artinya fluida itu mengalir tanpa mengalami gesekan akibat sifat kekentalan (viskositas) fluida itu, baik gesekan antara partikel fluida dengan tempatnya maupun gesekan antar-partikel fluida. c. Alirannya stasioner (tenang), artinya aliran fluida yang jejak aliran partikel-partikelnya mengikuti garis alir tertentu. 15. Persamaan kontinuitas menyatakan bahwa debit fluida yang memasuki pipa sama dengan debit fluida yang keluar dari pipa A1.v1 = A2.v2 16. Azas Bernoulli menyatakan bahwa semakin besar kecepatan fluida, semakin kecil tekanannyadan begitu juga sebaliknya semakin kecil kecepatan fluida semakin besar tekanannya. Persamaan Bernoulli secara matematis adalah sebagai berikut P1 + + gh1 = P2 + + gh2 17. Aplikasi asas Bernoulli diterapakan antara lain pada tangki berlubang, alat penyemprot nyamuk, karburator, venturimeter, tabung pitot, gaya angkat pesawat

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

50


Soal-soal Uji Kompetensi Fluida .... A. Pilihlah salah satu jawaban yang tepat 1.

Salah satu perisriwa yang menunjukkan berlakunya hukum archimedes adalah..... a. Kempa hidrolik d. Jembatan ponton b. Aliran air pada kran e. Alat penyemprot nyamuk c. Resapan minyak pada sumbu kompor

2.

Sebuah pralon dialiri air. Jika perbandingan A 1 : A2 = 4 : 1 ternyata kecepatan di A1 = 2 m/s, maka kecepatan alir di A2 adalah..... a. 2 m/s b. 4 m/s c. 8 m/s d. 10 m/s e. 12 m/s

3.

Peristiwa di bawah ini yang menunjukkan gejala kapilaritas adalah..... a. Air naik pada batang-batang tumbuhan b. Kapur tulis menyerap tinta c. Minyak naik pada sumbu lampu d. Naiknya air pada sumur bor e. Sistem penyerapan zat makanan oleh rambut

4.

Balok kayu terapung dalam air ternyata ¾ bagian volumenya tenggelam, maka massa jenis kayu adalah..... a. 2/3 gr cm-3 b. 3/4 gr cm-3 c. 1/2 gr cm-3 d. 1/3 gr cm-3 e. 1/4 gr cm-3

5.

Pompa hidrolik dengan perbandingan luas penampang 1 : 50. Jika hendak mengangkat mobil seberat 4000 N, maka gaya terkecil yang harus digunakan sebesar..... a. 25 N b. 50 N c. 80 N d. 3950 N e. 4050 N

6.

Kapal selam berada pada kedalaman 30 m di bawah permukaan air laut yang massa jenisnya 1030 kgm-3. Jika tekanan udara di atas air laut 1,5 . 10 5 Pa., maka tekanan pada kapal tersebut adalah..... a. 11,50.105 Pa c. 11,00.105 Pa 5 b. 8,97.10 Pa d. 6.89.105 Pa e. 4,59.105 Pa

7.

Apabila benda yang terapung di air mendapat gaya ke atas (F), maka..... a. F > mg b. F = m c. F < mg d. F < m e. F = mg

8.

Penerapan hukum archemedes dalam kehidupan sehari-hari dapat dijumpai, diantaranya..... a. Dongkrak hidrolik b. Gaya angkat pesawat c. Alat penyemprot nyamuk d. Pipa kapiler e. Kapal selam

9.

Bila kita berdiri di dekat rel dan kebetulan lewat serangkaian kereta api cepat maka kita..... a. merasa ditarik menuju rel b. merasa didorong menjauhi rel c. kadang-kadang merasa ditarik d. ditarik atau didorong tergantung kecepatan kereta api e. tidak merasa apa-apa.

10.

Sebuah tangki air diletakkan di tanah. Tinggi permukaan air adalah 1,25 m dari tanah. Pada ketinggian 0,8 m dari tanah terdapat lubang kebocoran sehingga air mengalir melalui lubang tersebut dan jatuh didepan tangki pada jarak ....... a. 0,45 m b. 1,2 m c. 3 m d. 4 m e. 5 m

11.

Jika fluida mengalir di dalam sebuah pipa yang diameter dan ketinggian ujungnya tidak sama, maka besaran yang konstan adalah..... a. Energi potensial b. Energi kinetik c. Kecepatan d. Tekanan e. Debit

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

51


12.

Berdasarkan gambar di bawah ini, bila g = 10ms-2, maka besarnya kecepatan air yang keluar dari bidang A adalah........ a. 4 m/s b. 6 m/s c. 8 m/s 2m d. 10 m/s e. 14 m/s 600 20 cm

13.

Dari gambar berikut, P1 dan V1 adalah tekanan dan kecepatan udara di atas sayap, P2 dan v2 adalah tekanan dan kecepatan udara dibawah sayap. Agar sayap pesawat dapat mengangkat pesawat maka syaratnya....... a. P1 = P2 dan v1 < v2 P1;V1 b. P1 < P2 dan v1 < v2 P2;V2 c. P1 > P2 dan v1 > v2 d. P1 < P2 dan v1 > v2 e. P1 > P2 dan v1 < v2

14.

Perhatikan gambar berikut! 20 cm A1

v1

A2

Air mengalir dalam venturimeter dengan luas penampang A 1 dan A2 masing-masing 5 cm2 dan 3 cm2, jika g =10ms-2 maka kecepatan air yang mengalir masuk ke dalam venturimeter (v1) adalah.... a. 1,5 m/s b. 2,0 m/s c. 4,0 m/s d. 5,0 m/s e. 9,0 m/s 15.

Kecepatan fluida pada penampang A 1 adalah 20 m/s. Jika luas penampang A1 = 20 cm2 dan A2 = 5 cm2, maka kecepatan fluida pada penampang A2 adalah.... a. 1 m/s b. 5 m/s c. 20 m/s d. 80 m/s e. 100 m/s

II. Jawablah Pertanyaan di bawah ini! 1.

Jelaskan mengapa kapal yang terbuat dari bahan baja dapat terapung di atas permukaan air laut

2.

Seseorang menyelam di danau yang mempunyai massa jenis 1000kgm-3 sedalam 4 . Jika g = 9,8 ms-2, tentukan tekanan hidrostatisnya!

3.

Pipa kapiler berjari-jari 6.10-4 m berisi air dengan sudut kontak 15 0. permukaan air 6 . 10-4 Nm-1, berapa kenaikan air pada pipa ?

4.

Pipa U diisi dengan massa jenis 1 gr/cm3, salah satu kakinya diisi minyak dengan massa jenis 0,8 gr/cm3 sehingga selisih tinggi air 10 cm. Berapa tinggi minyak yang harus dituangkan?

5.

Kecepatan aliran dalam pipa berdiameter 16 cm adalah 0,5 m/s. Jika diameter pipa mengecil hingga diameter 8 cm, hitunglah kecepatan pada diameter ini untuk aliran kontinyu?

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

52

Jika tegangan


MODUL

Fisika itu mudah dan menyenangkan lho…

SUHU DAN KALOR

Peta Konsep Alat Ukur

Pengukuran

Keseimbangan Suhu

Penentuan Skala Termometer

Azas Black Kalor Jenis Perubahan Wujud

Kalor

Kapasitas Kalor Kalor Laten

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

53


8.1 Uraian Materi 8.1.1 Pengertian dan Alat Ukur Suhu Suhu dan kalor adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang suhu, panas dan segala sesuatu yang berhubungan dengannya mulai dari perubahan wujud benda hingga bagaimana panas bisa berpindah. Sungguh menarik jika kita memperhatikan fenomena alam yang berhubungan dengan konsep suhu dan kalor. Saat duduk di kantin sekolah bersama teman special dan memesan es teh setelah belajar fisika. Pernahkah terpikir bahwa ada fenomena fisika pada segelas teh yang kita pesan. Bagaimana es itu bisa mencair? Dan bagaimana teh yang pada dasarnya tidak dingin menjadi dingin ketika diberi es. Semua akan terjawab dalam modul ini, dimana suhu dan kalor serta fenomena yang menyertainya adalah sebuah keindahan fenomena alam yang tercipta oleh Sang Maha Pencipta. Misalnya benda panas dikatakan mempunyai suhu yang tinggi dan benda Suhu adalah ukuran dingin mempunyai suhu rendah. derajat panas atau dinginnya suatu benda. Termometer Termometer sendiri ada banyak jenisnya tergantung pada pemakaian. Termometer terdiri dari beberapa skala tergantung pada daerah yang adalah alat menggunakan skala tersebut. Termometer merupakan tabung tertutup dan untuk transparan dan diberi skala yang menunjukkan ukuran nilai tertentu. Di dalam mengukur termometer terdapat zat cair, umumnya air raksa dan alkohol, yang akan suhu menunjukkan skala tertentu ketika digunakan. Air raksa membeku pada -39oC dan menguap pada 357oC, alkohol membeku pada -115oC dan menguap pada 78oC. Karena itu ditempat-tempat yang mencapai suhu sangat dingin digunakan alkohol sebagai pengisi termometer. Keuntungan lain alkohol adalah koefisien muainya 6 kali koefisien muai raksa sehingga dapat mengukur perubahan suhu sangat kecil. Tetapi umumnya raksa lebih sering dipilih sebagai pengisi termometer daripada alkohol karena alasanalasan sebagai berikut: 1. Raksa tidak membasahi dinding tabung sehingga pengukurannya lebih teliti, sedangkan alkohol membasahi dinding; 2. Raksa tidak menguap di bagian atas tabung, sebaliknya alkohol menguap; 3. Raksa mudah dilihat karena mengkilat, sedangkan alkohol harus diberi zat pewarna; 4. Raksa merupakan penghantar panas lebih baik dari alkohol, karena itu raksa segera mengambil panas dari benda yang diukur suhunya sehingga suhu raksa segera sama dengan suhu yang diukur. Perubahan sifat fisis benda itu antara lain: perubahan Perubahan volume, panjang, hambatan listrik, tekanan dan perubahan sifat fisis Tugas Kelompok benda akibat warna Berdasarkan sifat termometrik zat , termometer terbagi Waktunya melatih mental yang adanya menjadi: perubahan : a. Termometer Zat Cair suhu atau b Termometer Bimetal sifat c. Termometer Hambatan . Buat suatu artikel kepekaan d. Termokopel tentang jenis-jenis benda e. Termometer Gas thermometer. terhadap f. Pyrometer Berdasarkan tampilan hasil pengukuran, ada dua jenis Cakupan artikelnya perubahan suhu disebut termometer yaitu: meliputi:

kreatif

sifat termometrik

M o d ul

FI SI K A

a. termometer analog, b. termorneter digital.

Berdasarkan manfaat

atau tempatnya. ada beberapa macam termometer, yakni: a. termometer badan atau termometer klinis, b termometer dinding, c. termometer maksimun-minimum, dan d. termometer batang. k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

54

gambar, prinsif kerja, dan manfaatnya


8.1.2 Penentuan Skala Termometer  Skala  Titik tetap  Titik didih air  Titik lebur es

Suatu skala dan satuan suhu dibuat dengan terlebih dahulu memilih dua suhu, disebut sebagai dua titik tetap, yaitu titik tetap terbawah dan titik tetap teratas. Kemudian selang diantara dua titik tetap ini dibagi atas sejumlah bagian-bagian yang sama panjang, dengan tiap bagian satu derajat. Umumnya dipilih sebagai titik tetap terbawah adalah titik lebur es dan titik tetap teratas adalah titik didih air. Perbandingan skala beberapa termometer diperlihatkan pada gambar berikut: 100

C = Skala Celcius R = Skala Reamur

o

C

F = Skala Fahrenheit K = Skala Kelvin

0

80

R o

0

o

212

o

373

F o

o

Titik didih

Sebaiknya Anda Tahu! Skala Kelvin (skala standar).

Lord Kelvin menetapkan nol mutlak sebagai titik bawah. Pada suhu ini partikel akan rehat (berhenti) dari aktivitas-nya, sehingga tidak ada panas yang akan terukur karena panas sebanding dengan energy kinetic tiap partikel.

K

32

o

273

o

Secara matematika dirumuskan dengan persamaan:

Titik beku

Merupakan perbandingan antara selisih suhu yang terbaca dengan suhu bawah dan suhu tinggi dengan suhu bawah:

Atau

Contoh Soal 8.2 1. Sebuah thermometer celcius memiliki suhu 27oC. maka apabila dibaca dalam skala kelvin suhunya adalah … Pembahasan: K=  Mudah... ya! 2. Sebuah thermometer X memiliki skala dengan titik beku air pada -40oX dan titik didih air pada 160oX. Jika pada thermometer itu suhu suatu benda adalah 15oX, maka suhu pada termometer celcius adalah … Pembahasan: 

Mudah... ya! 3. Dalam skala Fahrenheit dan Celcius akan menunjukkan skala yang sama pada … Pembahasan: Misalkan suhu yang dicari = x, maka oF =oC =x 

Gampang... ya! Jadi jawabnya -40

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

55


Latihan Soal 8.1.2 1.

Suhu tubuh seorang yang sedang sakit panas mencapai 104oF. suhu tersebut jika dinyatakan dalam skala Celcius, Reamur dan skala Kelvin berturut-turut adalah …

2. Termometer X menunjukkan angka -20 pada titik beku air dan 180 pada titik didih air. Suhu 40oX sama dengan … 3.

Pada sebuah thermometer X, titik beku air 50oX dan titik didih air 200oX. a. Jika sebuah benda diukur dengan thermometer Celcius menunjukkan suhu 40oC, berapa suhu benda tersebut jika diukur dengan thermometer X ? b. Pada angka berapa thermometer Celcius dan X menunjukkan angka yang sama?

8.1.3 Pengertian Kalor

Kalor adalah sebuah bentuk

energi

Kalor menyatakan jumlah panas. Kalor dapat dikatakan sebagai bentuk energi yang pindah bila benda yang suhunya lebih tinggi bersentuhan dengan benda yang suhunya lebih rendah. Atau bahwa kalor adalah bentuk energi yang dapat menaikkan suhu benda, jika bentuk energi itu diberikan kepada benda itu. Bila pemberian kalor menyebabkan perubahan wujud, suhu benda tidak naik. Satuan kalor dalam sistem Inggris adalah kalori, disingkat kal, sedangkan dalam SI adalah Joule, disingkat J. Satu kalori didefinisikan sebagai banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 gram zat sebesar 1oC. Hubungan antar satuan: 1 J = 0,24 kal atau 1 kal = 4,2 J

8.1.3.1 Kalor Jenis Kalor jenis zat adalah bilangan yang menyatakan banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu 1 gram (atau 1 kg) zat itu sebesar 1 oC. Secara matematis: dengan: Q = kalor (kal atau J) m = massa zat (g atau kg) c = kalor jenis (kal/goC atau J/kgoC) =perubahan suhu (oC)

Kalor Jenis (c)

8.1.3.2 Kapasitas Kalor Kapasitas kalor (C) Secara matematis:

Hubungan C dan c

Kapasitas kalor adalah bilangan yang menunjukkan banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat untuk menaikkan suhu zat itu sebesar 1 oC. dengan: C = kapasitas kalor (kal/oC atau J/oC)

Secara matematika dinyatakan:

C=m.c M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

atau 56

c = Q/m created@MGMP-FISIKA’15

Tabel. Kalor jenis dari beberapa zat

Tabel Harga kalor lebur dan kalor uap dari beberapa zat

8.1.3.3 Asas Black Hukum kekekalan Energi kalor (Azas Black)

”Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat bersuhu tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat bersuhu lebih rendah.” Hukum tersebut berlaku hanya untuk sistem tertutup. Kalorimeter adalah alat yang digunakan untuk mengukur kalor. Adapun jenis-jenis kalorimeter adalah seperti di bawah ini:  Kalorimeter alumunium  Kalorimeter elektrik, digunakan untuk mengukur kalor jenis zat cair  Kalorimeter bom, digunakan untuk menentukan kandungan energi dalam makanan dan lemak.

Secara matematis:

Qlepas = Qterima Dengan Q = mc(T’ – T) Baca: Q masih cinta T’iTu

8.1.3.4 Perubahan Wujud Zat

Kalor laten (L) adalah kalor yang diperlukan untuk mengubah wujud 1 gram atau 1 kg zat dari wujud satu ke wujud lainnya pada suhu tetap. Besarnya kalor yang diperlukan atau dilepaskan selama proses perubahan wujud zat memenuhi persamaan:

Q=m.L

dengan

L = kalor laten (kal/goC atau J/kgoC)

Baca: Q makan Lumpia

Ada tiga perubahan wujud zat, yaitu zat padat, cair, dan gas. Apabila sebuah zat diberikan kalor, maka pada zat tersebut akan terjadi perubahan wujud (seperti skema perubahan wujud di bawah). Pada proses melebur, menguap, dan deposisi diperlukan kalor (panah yang terletak di dalam). Sedangkan pada proses membeku, mengembun, dan menyublim dilepaskan kalor (panah yang terletak diluar/arah ke bawah dan ke kiri).

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

57


GAS

Menyublim

Mengembun Menguap

Melenyap/ Deposisi

MENCAIR / MELEBUR

PADAT

CAIR

MEMBEKU

1.

2. 3.

4.

5.

6.

Contoh Perubahan Wujud Zat Benda atau zat padat berubah menjadi benda cair = Mencair atau Pencairan Contoh: es krim yang berubah menjadi cair terkena suhu panas, permen atau coklat yang mencair terkena suhu panas Benda atau zat cair berubah menjadi benda padat = Membeku atau Pembekuan Contoh: membuat es kebo dari air sirup dalam plastic, membuat agar-agar atau jelly Benda atau zat padat berubah menjadi benda gas = Menyublim atau Penyubliman atau Sublim Contoh: kapur barus yang menyublim menjadi gas berbau wangi dan Biang es didalam kotak es tongtong untuk mendinginkan es. Benda atau zat gas berubah menjadi benda padat = Menghablur atau Penghabluran atau hablur atau mengkristal atau pengkristalan Contoh: pembuatan ammonium sulfat dan ammonium nitrat bahan pupuk Benda atau zat gas berubah menjadi benda cair = Mengembun atau Pengembunan Contoh: Hujan di malam minggu berasal dari uap awan yang menjadi air, Udara lembab dan dingin di pagi hari membuat embun di pucuk daun Benda atau zat cair berubah menjadi benda gas = Menguap atau Penguapan Contoh: Air comberan menguap menjadi uap terkena sinar matahari, Spirtus atau spiritus menguap saat terkena udara

8.1.3.5 Grafik Perjalanan Kalor Perubahan suhu atau kondisi suatu zat terhadap kalor yang diperlukannya dapat digambarkan sebagai berikut: Q5

Uap

o

Q1=mes.ces.∆T Q2=mes.Les Q3=mair.cair.∆T Q4=mair.Uair Q5=muap.cuap.∆T

Q4

100 C Q3

air Q2

0oC es

M o d ul

Q1

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

58


Contoh Soal 8.1.3 1.

20 g air berada pada sebuah panci dengan suhu 25oC. jika kalor jenis air adalah 1 kal/gr, maka kalor yang diserap oleh air saat suhunya naik menjadi 75oc tersebut adalah …

Pembahasan: Q = mc (T’-T) = 20.1.(75-25) = 1000 kalori 2. Bila kalor jenis es = 0,5 kal/groC, maka untuk menaikkan suhu 800 gr es dari -12oC menjadi 0oC dibutuhkan kalor sebanyak … Pembahasan:

Q = mes.ces. (T’ – T) = 800 . 0,5 . (o-(-12)) = 4,8 x 103 kalori 3.

Sebuah ketel listrik 50 W digunakan untuk memanaskan 225 gr air. Setelah 3 menit sejak sakelar penghubung ketel ke sumber daya listrik dinyalakan, suhu air naik dari 17 oC menjadi 37oC. jika seluruh energy listrik diubah menjadi kalor untuk memanaskan air (artinya efisiensi ketel adalah 100%) maka kapasitas kalor air adalah … Pembahasan:

4. Biaya untuk memanaskan 10 liter air dari suhu 20oC menjadi 100oC bila setiap 1 kWh harganya 300 rupiah adalah … Pembahasan:

10 liter air = 10 kg 1 kWH = 3600.000 J cair = 4200 J/kgoC Q = mair.cair (T’ – T) = 10 . 4200. (100-20) = 3.360.000 = Biaya memanaskan air: (14/15).300 = 280 rupiah 5. Air bermassa 200 gr dan bersuhu 30oC dicampur air mendidih bermassa 100 gr dan bersuhu 90oC (cair = 1 kal/groC). suhu akhir campuran pada saat kesetimbangan termal adalah … Pembahasan: Qserap = Qterima m1c1(Tc-T1) = m2c2(T2-Tc) 200.1.(Tc-30) = 100.1.(90-Tc) 200Tc-6000 = 9000-100Tc 200Tc+100Tc = 9000+6000 300Tc = 15000 Tc 50oC 6.

Satu kg es yang suhunya -10°C dipanaskan sampai seluruhnya mendidih menjadi uap yang bersuhu 100°C. (kalor jenis es 2100 J/kg.K, kalor lebur es 3,3 x 105 J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kg.K, kalor uap 2,2. 106 J/kg .) a. hitung kalor total yang dibutuhkan. b. jika digunakan alat pemanas listrik berdaya 1000 watt, berapa lama dan kalor waktu yang diperlukan untuk itu?

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

59


Pembahasan: Langkah 1 : Buatlah grafik hubungan suhu (T) dan Kalor (Q) diketahui: m = 1 kg tes = -10 0C tuap = 100 0C 100 Q4 Ces = 2100 J/kgK Cair = 4200 J/kgK Q3 Les = 3,3. 105 J/K Luap= 2,2. 106 J/K Q2 0 Q1 -10 jawab: a. Dit. Qtot = ? Qtot = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 = m ces  Tes + m. Les + m cair  Tair + m. Luap = 1. 2100. 10 + 1. 3,3. 105 + 1. 4200. 100 + 1. 2,2. 106 = 2971000 = 2,971. 107 J b. Dit t = ?, jika P = 1000 W Q = P. t 2,971. 107 J = 1000 t  t

=

2,971. 10 7 1000

= 2,971. 104 s = 8,253 jam

Latihan Soal 8.1.3 1.

Sebatang besi bermassa 5 kg akan dinaikkan suhunya sebesar 10 K. Jika kalor yang dibutuhkan sebesar 20 kJ, berapakah: (a) kalor jenis dan (b) kapasitas kalor besi tersebut!

2. 200 gr es bersuhu -5oC dipanaskan hingga menjadi air yang bersuhu 10oC. Jika kalor jenis es 2100 J/kgoC, kalor lebur es 336.000 J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kgoC, maka kalor yang dibutuhkan adalah ... 3.

100 gr es bersuhu -10oC dimasukkan ke dalam 1 lt air yang bersuhu 10oC. Jika kalor jenis es 2100 J/kgoC, kalor lebur es 336.000 J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kgoC maka suhu campuran ketika mencapai kesetimbangan adalah ...

4. Biaya untuk memanaskan 20 liter air dari suhu 30oC menjadi 100oC bila setiap 1 kWh harganya 450 rupiah adalah … 5. Satu kg es yang suhunya -5°C dipanaskan sampai seluruhnya mendidih menjadi uap yang bersuhu 100°C. (kalor jenis es 2100 J/kg.K, kalor lebur es 3,3 x 105 J/kg dan kalor jenis air 4200 J/kg.K, kalor uap 2,2. 106 J/kg .) a. hitung kalor total yang dibutuhkan. b. jika digunakan alat pemanas listrik berdaya 1500 watt, berapa lama dan kalor waktu yang diperlukan untuk itu? M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

60


8.2.1 Pemuaian Bila kalor diberikan pada suatu zat, maka ada tiga kemungkinan yang dialami zat itu, antara lain: terjadi kenaikan suhu, terjadi perubahan wujud, dan terjadi pemuaian zat. Mengapa bisa demikian? Telah kita ketahui bahwa semua zat baik padat, cair, maupun gas tersusun dari molekul-molekul atau atom-atom yang senantiasa bergetar dan tarik-menarik. Jika suhu zat tersebut dinaikkan, molekul-molekul atau atom-atom itu bergetar makin cepat, tetapi gaya tarik-menariknya makin lemah sehingga jarak antara molekul-molekul atau atom-atom semakin besar. Keadaan demikian dikatakan benda itu memuai. Jadi Pemuaian dapat didefinisikan sebagai keadaan perubahan ukuran zat/benda yang diakibatkan oleh kenaikan suhu.

Pemuaian dapat menimbulkan masalah, tetapi juga dapat dimanfaatkan. Masalahmasalah yang ditimbulkan pemuaian antara lain: rel kereta api dan jembatan beton melengkung, kaca jendela rumah atau mobil retak, pipa minyak membengkok, kawat telepon sengaja dibiarkan kendor agar tidak putus ketika menyusut. Manfaat pemuaian antara lain: pengelingan pelat logam pada pembuatan badan kapal; keping bimetal yang dimanfaatkan pada saklar termal, termostat bimetal, termometer bimetal, dan lampu sen mobil; pemanasan ban baja sehingga memuai dan roda pas masuk ke ban baja dan ketika ban baja dingin, ia akan menyusut dan memegang roda dengan kuat. 8.2.2 Pemuaian Zat Zat Padat yang dipanaskan menga-lami pemuaian panjang, pemuaian luas, dan pemuaian volume

Hubungan antara

Muai Panjang

ΔL = α L0 ΔT Sehingga: Lt = L0 (1 + α ΔT ) dengan: L0 = panjang mula-mula (m) Lt = panjang setelah dipanaskan (m)  = koefisien muai panjang (K-1)  T= perubahan suhu (K)  L= pertambahan panjang (m) Koefisien muai panjang (  ) yaitu pertambahan panjang tiap 1 m pada kenaikan suhu 1 K. Muai Luas atau muai bidang

ΔA =  A0 ΔT

koefisien muai panjang dan luas

Sehingga:

At = A0 ( 1 +  ΔT )

dapat dinyatakan:

 =2 

M o d ul

FI SI K A

dengan: A0 = luas mula-mula (m2) At = luas setelah dipanaskan (m2)  = koefisien muai luas (K-1)  T= perubahan suhu (K) Koefisien muai luas(  ) yaitu pertambahan luas tiap 1 meter persegi bahan pada kenaikan suhu 1 K. k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

61


Hubungan antara

Muai Volume atau muai ruang

ΔV =

koefisien muai panjang dan

sehingga:

volum dapat dinyatakan:

 = 3

Zat cair yang dipanaskan hanya mengalami pemuaian volum saja.



V0 ΔT

Vt = V0 ( 1 +  ΔT )

dengan: V0 = Volum mula-mula(m3) Vt = volum setelah dipanaskan(m3)  = koefisien muai Volum (K-1)  T = perubahan suhu (K) Muai Volume atau muai ruang ΔV =  V0 ΔT sehingga: Vt = V0 ( 1 +  ΔT ) Pada zat cair, ketika suhunya naik, volumnya akan bertambah, sementara massa tetap. Akibatnya massa jenisnya berkurang. Dengan = massa jenis zat mula-mula (g/cm3) Jika zat cair pada keadaan awal memenuhi wadah maka untuk menentukan banyaknya zat cair yang tumpah dapat ditentukan dengan cara: - menghitung koefisien muai nyata (  nyata )

 nyata =  zat cair -  wadah menghitung volume zat cair yang tumpah Vtumpah =  nyata V0 ΔT

-

Tetapi rumus di atas tidak berlaku bagi air dibawah 4 oC. Dalam hal ini, jika es dipanaskn maka sampai suhu es 0 oC, es akan memuai seperti zat padat lainnya. Setelah es mulai melebur disertai penyusutan volume kira-kira 8%. Diantara 0oC dan 4oC air masih menyusut dan mencapai volume minimum pada suhu 4 oC. Diatas suhu 4oC air akan memuai. Sifat pemuaian air yang tidak teratur ini disebut anomali air. Zat gas yang dipanaskan hanya mengalami

Ada 3 hukum tentang gas yang berkaitan dengan pemuaian gas, yaitu: 1. Pemuaian gas pada suhu tetap P1V1 = P2V2 atau PV = konstan 2. Pemuaian gas pada tekanan tetap

pemuaian volum

atau

saja.

3. Pemuaian gas pada volume tetap.

Besar koefisien muai volume untuk

atau

semua jenis gas adalah sama, yaitu:

M o d ul

FI SI K A

k el as

Dengan: V1=P1=T1= volum, tekanan, suhu sebelum memuai V2=P2=T2= volum, tekanan, suhu sesudah memuai T = suhu (K) X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

62


Contoh Soal 8.2.1 1.

Karena suhunya dinaikkan dari 0oC menjadi 100oC suatu baja yang panjangnya 1 m bertambah panjang 1 mm. berapa pertambahan panjang batang baja yang mula-mula panjangnya 60 cm, bila dipanaskan dari 00C menjadi 120oC ? … Pembahasan: Mencari koefisien muai panjang utk baja 1o-5 /oC Untuk baja yang panjangnya 60 cm

1o-5 . 600 . 120 = 0,72 mm

2. Sebatang baja (angka muai linear 1o-5 /oC) panjangnya 100 cm pada suhu 30oC. bila panjang batang baja itu 100,1 cm, maka suhunya adalah … Pembahasan: L = Lo(1+ T)  100,1 = 100(1+10-5. )  =100 o

 T = 30 + 100 = 130 C

Karena T = To + 3.

Sebatang bola berongga terbuat dari besi (koefisien muai panjang 1,2 x 10 -5/oC) pada suhu 10oC jari-jarinya 1m. jika bola tersebut dipanaskan sampai 90oC, maka pertambahan luas permukaan bola adalah …m2. Pembahasan: =β Ao  = (2α) (4πRo2)(T-To)  =(2. 1,2 x 10-5) (4π.12)(90-10) 

-3

=7,68 x 10 π m2

4. Pada suhu 20oC volum tabung kaca 200 cm3. Tabung diisi penuh air raksa. Volum air raksa yang tumpah jika dipanaskan sampai suhu 120oC adalah …cm3. (jika koefisien muai panjang kaca 3 x 10-6 /oC dan koefisien muai volum air raksa 5,4 x 10-4/oC Pembahasan: Untuk tabung kaca: Vo = (3 α)(Vo)(T-To) = (3. 3 x 10-6)(200)(120-20) = 0,18 cm Untuk air raksa: k= k

3

Vo = ( a)(Vo)(T-To) = (5,4 x 10-4)(200)(120-20) = 10,80 cm Volum air raksa yang tumpah adalah a= a

=10,80-0,18 = 10,62 cm

3

3

5. Suatu gas yang suhunya 27oC dipanaskan pada tekanan tetap sehingga volumnya menjadi empat kali semula. Suhu gas itu sekarang adalah… Pembahasan: Proses tekanan tetap 

 T2 =4 x 300 = 1200 K = (1200-273) = 927oC

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

63


Latihan Soal 8.2.1 1. Karena suhunya dinaikkan dari 0 oC menjadi 70oC suatu baja yang panjangnya 1,5 m bertambah panjang 0,5 mm. berapa pertambahan panjang batang baja yang mula-mula panjangnya 80 cm, bila dipanaskan dari 00C menjadi 150oC ? … 2. Sebatang bola berongga terbuat dari besi (koefisien muai panjang 1,2 x 10-5/oC) pada suhu 15oC jari-jarinya 0,5 m. jika bola tersebut dipanaskan sampai 75oC, maka pertambahan luas permukaan bola adalah …m2. 3. Pada suhu 10oC volum tabung kaca 400 cm3. Tabung diisi penuh air raksa. Volum air raksa yang tumpah jika dipanaskan sampai suhu 100oC adalah …cm3. (jika koefisien muai panjang kaca 3 x 10-6 /oC dan koefisien muai volum air raksa 5,4 x 10 -4/oC

8.3.1 Perambatan Kalor Kalor dapat berpindah dari tempat atau benda yang suhunya tinggi ke tempat atau benda yang bersuhu rendah. Ada tiga cara perpindahan kalor yang diketahui yaitu:  cara konduksi (hantaran),  cara konveksi (aliran),  cara radiasi (pancaran). Laju konduksi kalor yang melalui sebuah dinding bergantung pada 4 besaran, yaitu: adalah proses a. Suhu, jika perbedaan suhu diantara kedua permukaan makin besar, perpindahan kalor maka perpindahan kalor makin cepat. tanpa disertai b. Ketebalan dinding (d), makin tebal dinding, maka perpindahan kalor perpindahan semakin cepat partikel c. Luas permukaan (A), makin besar luas permukaan, maka perpindahan kalor makin cepat d. Konduktivitas termal zat (k) merupakan ukuran kemampuan untuk zat menghantarkan kalor, makin besar nilai k, maka perpindahan kalor makin besar. Secara matematika:

Konduksi

H= dengan: H = jumlah kalor yang merambat tiap satuan waktu/ laju aliran kalor (J/s) Q = jumlah kalor yang mengalir (J) t = selang waktu (s) k = koefisien konduksi termal (W/mK) A = luas penampang (m2) T =suhu (oC) d = panjang batang/ tebal dinding (m) M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

64


Konveksi adalah proses perpindahan kalor yang dilakukan oleh pergerakan fluida akibat perbedaan massa jenis.

Radiasi atau pancaran adalah perpindahan energy kalor dalam bentuk gelombang elektromagnetik.

Ada 2 jenis konveksi, yaitu konveksi alamiah (terjadinya angin laut dan darat) dan konveksi buatan (kipas angin, hairdryer, dll). Secara matematis:

H= dengan: h = koefisien konveksi termal (W/m2K) Contohnya perpindahan kalor dari matahari ke permukaan bumi dan sel surya, yaitu lempengan yang merubah cahaya matahari jadi listrik. Setiap benda mampu menyerap panas yang dipancarkan secara radiasi. Namun ternyata warna benda berpengaruh dalam penyerapan panas. Benda yang berwarna putih lebih cenderung memantulkan panas, sedangkan benda berwarna hitam akan mudah menyerap panas. Kemudian kehitaman sebuah benda dinyatakan dengan istilah emisivitas bahan (e). yaitu seberapa hitam sebuah benda menyerap panas radiasi. Laju energy radiasi yang dipancarkan oleh setiap benda, menurut StefanBoltzman, dirumuskan sebagai berikut bahwa Laju kalor :

Dibaca: Pak Stefan elek Abang TanTe TuTik

dengan: e = 1 (emisivitas benda/ sifat hitam benda) = 5,67 x 10-8W/m2K4 (konstanta Stevan) A = luas permukaan benda (m2) = perubahan suhu (K4) Contoh Soal 8.3.1 1. Sebuah benda memiliki tebal 2 mm. jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 100oC dan diukur laju aliran kalor per satuan luas 8 kW/m2. Maka konduktivitas termal logam adalah … Pembahasan:  k = 0,16 W/mK 2. Sebuah gas berada di dalam ruang. Jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 100oC dan diukur laju aliran kalor per satuan volume 8 kW/m3. Maka koefisien konveksi gas adalah … Pembahasan:  k = 80 W/mK 3. Sebuah benda hitam sempurna mempunyai luas permukaan 1000 cm 2 dengan suhu 727oC. maka energy yang dipancarkan dalam satu menit adalah…

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

65


Pembahasan: E=P.t= E = (5,67.10-8) (1) ( 1000.10-4) (727+273)4 = 5.670J 4. Suhu kulit seorang kira-kira 32oC. jika orang yang luas permukaan tubuhnya kira-kira 1,6 m2 berada dalam ruang yang suhunya 22oC, maka kalor yang dilepaskan tubuh orang itu melalui konveksi selama 5 menit adalah …(h=77 W/m2K) Pembahasan:

= 33.600

J

5. Kawat lampu pijar yan luasnya 50 mm2 meradiasikan energy dengan laju 2,835 W. jika kawat pijar dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna, maka suhu permukaannya adalah… Pembahasan:

T = 1000 K

Latihan Soal 8.4 1. Sebuah benda memiliki tebal 1 mm. jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 120 oC dan diukur laju aliran kalor per satuan luas 10 kW/m2. Maka konduktivitas termal logam adalah … 2. Sebuah gas berada di dalam ruang. Jika terjadi perubahan (kenaikan atau penurunan) suhu sebesar 130 oC dan diukur laju aliran kalor per satuan volume 10 kW/m3. Maka koefisien konveksi gas adalah … 3. Sebuah benda hitam sempurna mempunyai luas permukaan 500 cm2 dengan suhu 45oC. maka energy yang dipancarkan dalam setengah menit adalah… 4. Suhu kulit seorang kira-kira 32oC. jika orang yang luas permukaan tubuhnya kira-kira 1,2 m2 berada dalam ruang yang suhunya 32oC, maka kalor yang dilepaskan tubuh orang itu melalui konveksi selama 10 menit adalah …(h=77 W/m2K) 5. Kawat lampu pijar yan luasnya 150 mm2 meradiasikan energy dengan laju 2,835 W. jika kawat pijar dapat dianggap sebagai benda hitam sempurna, maka suhu permukaannya adalah…

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

66


UJI KOMPETENSI SUHU DAN KALOR 1. Berikut ini pernyataan-pernyataan tentang suhu dan termometer. 1) Suhu adalah derajat panas atau dinginnya suatu tempat atau benda. 2) Alat yang digunakan untuk mengukur suhu adalah termometer. 3) Termometer dibuat dengan memanfaatkan sifat termometrik zat. 4) Indera peraba kita dapat mengukur suhu suatu tempat atau benda. Pernyataan tersebut yang tidak benar adalah..... a. 1,2 dan 3 c. 2 dan 4 b. 1 dan 3 d. 4 saja e. Semua benar 2. Berikut ini adalah pengertian kalor:

1) Benda yang menerima kalor, maka suhu benda akan naik atau wujudnya berubah. 2) Benda yang melepaskan kalor, maka suhu benda akan turun atau wujudnya berubah. 3) Kalor berpindah dari suhu yang lebih rendah ke suhu yang lebih tinggi.

Pernyataan-pernyataan tersebut yang tidak benar adalah ..... a. 1 dan 2 c. 2 dan 4 b. 1 dan 3 d. 3 saja e. Semua benar 3. Perhatikan pernyataan Berikut ini: 1. pemuaian zat padat 2. radiasi benda

3. Tekanan zat cair 4. perubahan wujud

Pernyataan-pernyataan tersebut yang merupakan sifat termometrik bahan adalah ..... a. 1, 2 dan 3 c. 3 dan 4 b. 1, 2 dan 4 d. 4 saja e. Semua benar 4. Sifat logam yang memuai jika dipanaskan merupakan prinsif kerja termometer….. a. Bimetal c. pyrometer b. hambatan d. termokopel e. gas 5. Termometer Celcius dan Fahrenheit menunjukkan skala yang sama pada suhu ….. a. 0o b. -40o c. -23,6o d. 17,7o e. 32o 6. Pada suatu termometer X, titik beku air 40oX dan titik didih air 240oX. bila suatu benda diukur dengan termometer Celcius bersuhu 50oC, maka bila diukur dengan termometer X, suhunya sama dengan …..oX a. 80 b. 100 c. 120 d. 140 e. 160 7. Enam puluh dua derajat Fahrenheit sama dengan ……oC a. 16,7 b. 22,2 c. 34,4 d. 52,2 e. 54,0 8. Sebatang baja (angka muai linear 10-5/oC) panjangnya 100,0 cm pada suhu 30 oC. Bila Panjang batang baja itu 100,1 cm, maka suhunya adalah….. K a. 343 b. 373 c. 403 d. 1273 e. 303 9. Sepotong logam massanya 1 kg dan suhunya 80oC dimasukkan ke dalam 2 kg air yang suhunya 20 oC. Setelah keadaan seimbang M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

67


suhu campuran menjadi 23°C. Bila kalor jenis air 1 kal/g°C, maka kalor jenis logam adalah….. kal/g°C a. 1,05 b. 0,105 c. 1,105 d. 2,051 e. 2,105 10. Satu kilogram es suhunya -2°C. Bila titik lebur es = 0°C, kalor jenis es = 0,5 kal/g°C, kalor jenis air = 1 kal/g°C, kalor lebur es = 80 kal/g, dan 1 kal = 4,2 joule, maka kalor yang diperlukan untuk meleburkan seluruh es tersebut adalah…..J a. 2,856 x 105 c. 3,402 x 105 5 b. 3,15 x 10 d. 3,69 x 105 e. 3,78 x 105 8.4 Mengenal cara perpindahan kalor

11. Perpindahan kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel zat pengantarnya adalah pengertian dari….. a. Konduksi c. radiasi b. konveksi d. pemuaian e. konduktivitas

12. Yang merupakan contoh dari perpindahan kalor secara konduksi adalah…. a. b. c. d. e.

Pancaran sinar matahari Panasnya tutup panci saat mendidihkan air Pengeringan teh atau kopi dalam oven Pemakaian cerobong asap Panasnya sendok pada saat mengaduk teh panas

13. Prinsif kerja pada lemari pendingin adalah perpindahan kalor secara…. a. Absorpsi c. radiasi b. evaporasi d. konduksi e. konveksi 14. Kalor yang mengalir per satuan waktu melalui suatu konduktor adalah….. 1. Sebanding dengan luas penampang konduktor 2. Sebanding dengan selisih suhu antara kedua ujungnya 3. Berbanding terbalik dengan panjang konduktor 4. Tergantung pada macam konduktor

Pernyataan-pernyataan tersebut yang benar adalah ….. a. (1), (2) dan (3) c. (2) dan (4) b. (1) dan (3) d. (4) saja e. semua benar 15. Batang baja dan kuningan yang luas penampang dan panjangnya sama, salah satu ujungnya dihubungkan. Suju ujung batang baja yang bebas 250oC, sedangkan suhu ujung batang kuningan yang bebas 100oC. jika koefisien konduksi kalor baja dan kuningan masing-masing 0,12 dan 0,24 kal/s cm, maka suhu pada titik hubung kedua batang tersebut adalah …oC a. 225 b. 200 c. 175 d. 150 e. 125

M o d ul

FI SI K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n t uk

SM K

68


Modul

9 Peta Konsep Ciri-ciri Gas Ideal

Hukum-hukum Gas Persamaan Umum Keadaan Gas Ideal Teori Kinetik

Tekanan Energi kinetic dan Energi Dalam Kecepatan efektif

Kemampuan yang diperoleh: Siswa dapat menyebutkan sifat-sifat gas ideal. Siswa dapat memformulasikan persamaan hukum Boyle Gay Lussac. Siswa dapat memformulasikan persamaan umum gas ideal. Siswa dapat menerapkan persamaan umum gas ideal untuk proses isotermik, isobaric dan isokhorik. 5. Siswa dapat memformulasikan persamaan energy kinetik rata-rata. 6. Siswa dapat menentukan kecepatan rata-rata partikel gas. 7. Siswa dapat menerapkan persamaan energi dalam gas mono atomik dan diatomik. 1. 2. 3. 4.

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

69


URAIAN MATERI 1

A. Pendahuluan Di pertengahan abad ke-19, ilmuwan mengembangkan suatu teori baru untuk menggantikan teori kalorik. Teori ini bedasarkan pada anggapan bahwa zat disusun oleh partikel-partikel sangat kecil yang selalu bergerak. Bunyi teori Kinetik adalah sebagai berikut: Dalam benda yang panas, partikel-partikel bergerak lebih cepat dan karena itu memiliki energi yang lebih besar daripada partikel-partikel dalam benda yang lebih dingin Teori Kinetik (atau teori kinetik pada gas) berupaya menjelaskan sifat-sifat makroscopik gas, seperti tekanan, suhu, atau volume, dengan memperhatikan komposisi molekular mereka dan gerakannya. Intinya, teori ini menyatakan bahwa tekanan tidaklah disebabkan oleh denyutdenyut statis di antara molekul-molekul, seperti yang diduga Isaac Newton, melainkan disebabkan oleh tumbukan antarmolekul yang bergerak pada kecepatan yang berbeda-beda. Teori Kinetik dikenal pula sebagai Teori Kinetik-Molekular atau Teori Tumbukan atau Teori.

B. Teori Kinetik Gas Teori Kinetik Gas adalah konsep yang mempelajari sifat-sifat gasberdasarkan kelakuan partikel/molekul penyusun gas yang bergerak acak. Setiap benda, baik cairan, padatan, maupun gas tersusun atas atomatom, molekul-molekul, atau partikel-partikel. Oksigen, nitrogen, hidrogen,uap air, bahkan udara di sekitar kita merupakan contoh gas. Sifat-sifat gas dapat dibedakan menjadi sifat makroskopis dan sifat mikroskopis. Sifat makroskopis gas dapat kita amati dan kita ukur, seperti temperatur, tekanan, dan volume. Sifat mikroskopis tidak bisa diamati dan diukur, seperti kelajuan, massa tiap-tiap partikel penyusun inti, momentum, serta energi yang dikaitkan dengan tingkah laku partikel gas. Dalam kehidupan sehari-hari terdapat peristiwa-peristiwa yang berhubungan dengan teori kinetik gas. Misalnya, apabila sebuah balon yang sudah di tiup sampai besar di simpan di tempat yang panas, lama kelamaan akan meletus, karena partikel-partikel gas yang berada dalam balon terus memuai dan menekan dinding balon, sehingga ketika dinding balon sudah tidak mampu lagi menahan tekanan gas, maka balon akan meletus.

Lakukan kegiatan berikut ini secara berkelompok! 1. Pengamatan Amatilah perubahan pada balon ketika ditambahkan air cuka dan soda. 2. Alat dan Bahan: a) Air cuka b) Soda kue c) Gelas dan Sendok d) Balon M o d ul

F IS I K A

k el as

X

secukupnya secukupnya masing-masing 1 buah 3 buah S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

70


3. Prosedur dan tabel pengamatan serta diskusikan! No 1. 2. 3

Amati dan catat perubahannya

Lakukan

Isi balon dengan 1 sendok air cuka dan 2 sendok soda ….. kue, lalu ikat dan kocok-kocok balonnya. Isi balon dengan 3 soda kue dan 2 sendok air cuka, lalu ….. ikat dan kocok-kocok balonnya. Isi balon dengan 4 soda kue dan 3 sendok air cuka, lalu ….. ikat dan kocok-kocok..

4. Kesimpulan dan Laporan! Buat kesimpulan dari gejala yang Anda amati. Buat laporan singkat dan sampaikan di depan kelas dengan santun dan rendah hati menerima kritik dan saran. C. Ciri-ciri Gas Ideal Teori kinetik gas membahas keadaan gerak partikel gas ideal yang dikaitkan dengan besaran suhu T, volume V dan tekanan P gas tersebut. Gas ideal adalah gas yang mempunyai ciri-ciri sebagai berikut: 1. Gas terdiri dari partikel-partikel padat kecil yang bergerak tetap, cepat dan sembarang. 2. Partikel-partikel bergerak menurut garis lurus dan geraknya hanya disebabkan oleh tumbukan dengan partikel lain atau dengan dinding ruangnya. Anggapan ini berarti gaya tarikmenarik antara molekul-molekul kecil sekali (dapat diabaikan). 3. Semua tumbukan adalah lenting sempurna. 4. Waktu tumbukan antara satu partikel dengan partikel lain berlangsung sangat singkat dan boleh diabaikan. 5. Volume molekul sangat kecil dibandingkan dengan ruang atau tempat molekul itu bergerak. 6. Berlaku hukum newton tentang gerak.

D. Hukum-hukum Gas Gas mempunyai tiga variabel (perubah) yaitu tekanan (p), volum (V), dan suhu (T). Bila gas dipanaskan atau dinaikan suhunya, ini berarti variabel T diubah, maka tekanan p dan volum V juga berubah. Hukum-hukum membahas bagaimana hubungan variabel variabel tersebut. 1) Hukum Boyle Misalkan sebuah gas terletak dalam sebuah wadah (seperti piston diisi dengan gas). Jika piston digerakkan sementara suhu tetap maka tekanan gas akan berubah mengikuti sistematika tertentu. Fenomena ini dipelajari oleh Robert Boyle (1966), yang akhirnya ia menemukan hukum yang berlaku untuk fenomena tersebut. Secara umum, data eksperimennya menunjukkan grafik perubahan P-V seperti pada gambar disamping. M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

71


Berdasarkan grafik tersebut, Boyle menyimpulkan bahwa Proses gas yang berlangsung pada suhu tetap (isothermal), maka hasil kali antara tekanan dan volume gas bersifat konstan. ( P.V = konstan)

P

Penurunan formulasi matematisnya sbg berikut:

T2

P ~ 1/V atau PV = konstan sehingga (T2>T1)

T1 V

P1. V1 = P2. V2

Kesimpulan yang didapat dari percobaan yang dilakukan oleh V Joseph Gay Lussac (1778-1850) bahwa Proses gas yang berlangsung pada tekanan tetap (isobarik), maka hasil perbandingan antara vulume dan suhu gas bersifat konstan. (V / T = konstan). (V ~ T V2

V 1 T 1

V

2 T 2



P

V1 T (K)

T1

T2

Percobaan yang dilakukan oleh Jacques Charles (1747-1823), menyatakan bahwa Proses gas yang berlangsung pada volume tetap (isokhorik), maka hasil perbandingan antara tekanan dan suhu gas bersifat konstan. ( P / T = konstan)

P 1 T 1

P 2 T 2



Dari ketiga hukum tersebut (dikenal hukum Boyle-Gay-Lussac), diperoleh Perbandingan antara hasil kali tekanan dan volume gas dengan suhu mutlak gas adalah konstan ( PV / T = konstan )

P1V1 T1

P2V 2 T2



Dari persamaan di atas kita lebih mengenal sebagai persamaan gas ideal. Perlu diingat bahwa dalam pemuaian gas, suhu gas harus dalam Kelvin.

Contoh Soal hukum-hukum Gas 1. Gas Oksigen pada suhu 270C memiliki volume 40 liter dan tekanan 1,01x10 5 N/m. Tentukan volumenya ketika tekanannya 14x10 4 N/m2 dan suhunya 100oC! M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

72


Penyelesaian: T1 = 27oC = 273 + 27 = 300 K T2 = 100oC = 100 + 273 = 373 K P1 = 1,01 x 105 N/m2 P2 = 14x104 N/m2 V1 = 40 dm3=0,04 m3 V2= …..?

2. Suatu gas ideal mula-mula menempati ruang yang volumenya V dan tekanan P. Jika suhu gas menjadi 5/4 T dan volumenya menjadi 3/4 V, maka tekanannya menjadi…

Pembahasan no.2

3. Di dalam ruang tertutup suhu suatu gas 27°C, tekanan 1 atm dan volume 0,5 liter. Jika suhu gas dinaikkan menjadi 327°C dan tekanan menjadi 2 atm, maka volume gas menjadi.... Pembahasan: P1V1 P2V2  T1 = 27°C = 300 K T1 T2 P1 = 1 atm TVP V1 = 0,5 liter V2  2 1 1 T2 = 327°C = 600 K P2T1 P2 = 2 atm 600  0,5  2 V2 = .......... 

2.300  0,5 liter

Tugas Mandiri – Hukum-hukum Gas (Kerjakan dengan sukacita) Lembar untuk jawaban 3

1. Sebuah tangki bervolume 3000 cm berisi gas oksigen pada suhu 20oC dan tekanan relatif pada alat 25 atm. Jika massa molar oksigen 32 kg/kmol. Tekanan udara luar 1 atm, tentukan Massa oksigen di dalam tangki tersebut? (Jawab: 0,1 Kg)

2. Suatu gas ideal mula-mula menempati ruang yang volumenya V pada suhu T dan tekanan P. jika suhu gas menjadi 2T dan tekanan menjadi P, hitung volume gas? ( v)

3. Suatu gas ideal mula-mula menempati ruang yang volumenya V

dan tekanan P. Jika suhu gas menjadi dua T dan volumenya menjadi V, maka tekanannya menjadi….(jawab: coba sendiri)

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

73


E. Persamaan Keadaan Gas Ideal Persamaan dari hukum Boyle-Gay-Lussac digunakan untuk menyelesaikan keadaan gas yang massanya tetap atau jumlah partikel konstan dalam ruang yang tertutup rapat. Tetapi ketika balon diisi ditiup, saat itu jumlah gas dalam berubah. Oleh karena itu persamaan dari hukum Boyle-Gay-Lussac tidak dapat digunakan, sehingga kita gunakan persamaan yang disebut dengan persamaan keadaan gas ideal, yaitu:

PV  Nk  PV  NkT T dengan: P = tekanan gas (N/m2) V = volume gas (m3) N = banyaknya partikel gas K = konstanta Boltzmann = 1,381 x 10 -23 J/K T = suhu mutlak (K) Atau ... Dari persamaan di atas, maka PV=nNAkT, selanjutnya kita definisikan R=NAk sehingga diperoleh:

Catatan: 1 kmol = 103 mol Massa 1 mol dinamakan dengan Massa molekul relative (Mr)

PV  nR  PV  nRT T

m = nMr dengan: n = jumlah mol; R = tetapan umum gas (8,31 x 10 3 J/kmol K atau 8,31 J/mol K)

Pada umumnya, penulisan jumlah gas dinyatakan dalam jumlah mol. Satu mol sebuah zat didefinisikan sebagai banyaknya gas yang mengandung partikel atau molekul atau atom sebanyak bilangan Avogadro. Bilangan Avogadro ditulis dalam N A yang didefinisikan sebagai banyaknya atom karbon dalam 12 gram

12

C. Besarnya bilangan Avogadro tersebut yaitu: NA =

6,022 x 1023 atom/mol. Sehingga, jika banyak mol gas adalah n, maka dapat ditulis:

n

N atau N  nNa NA

Massa jenis gas ideal dinyatakan dengan Catatan penting! 1. Hati-hati memilih satuan R. Sesuaikan satuan R dengan satuan-satuan besaran yang lain. Dalam hal ini, ada kalanya diperlukan factor konversi: 1 atm =10 5 Pascal (Pa) , 2. Jangan lupa T adalah suhu mutlak, satuannya harus kelvin (K) 3. Apabila m dalam gram dan Mr dalam gr/mol, maka n dalam mol, tetapi apabila m dalam kg dan Mr dalam kg/kmol, maka n dalam kmol. 4. Dalam keadaan standar (STP), yaitu tekanan P=1 atm=10 5 Pa, dan suhu gas t=0 oC atau T=273 K, maka setiap n=1 mol gas apa saja memiliki volume 22,4 liter. M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

74


Contoh Soal Persamaan Keadaan Gas Ideal 1. Berapa tekanan dari 10 mol gas yang berada dalam tangki yang memiliki volume 100 liter, jika suhunya 87oC dan g = 9,8 m/s2? Pembahasan: n = 10 mol = 0,01 kmol V = 100 liter = 0,1 m3 T = 87oC = 273 + 87 = 360 K

nRT 0,01  8,314  360   299304 N / m2 V 0,1 299304 P  2,96 atmosfer 13600  9,8  0,76

P

2. Pada keadaan normal (T = 0 oC dan P = 1 atm), 4 gram gas oksigen (berat molekul Mr = 32) memiliki volume sebesar ...(Jika: R 8314 J/kmol = K; 1 atm = 10 5 N/m2) Pembahasan: T = 0oC = 273 K P = atm = 105 N/m2 R = 8314 J/kmol K = 8,314 J/mol K dengan: Gunakan rumus: PV = nRT  V = 2,8.10-3 m3

Motivasi:

Berkahlah orang yang bekerja keras & jarang mengeluh, namun juga pandai bersyukur, jauh dari serakah, dan suka menolong orang lain 3. 16 gram gas Oksigen (M = 32 gr/mol) berada pada tekanan 1 atm dan suhu 27 oC. Tentukan volume gas jika diberikan nilai R = 8,314 J/mol.K Pembahasan:

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

75


Latihan Soal Persamaan Keadaan Gas Ideal Kerjakan dengan ikhlas dan cerdas…sebagai tugas mandiri. Lembar Jawaban o

1. Gas bermassa 4 kg bersuhu 27 C berada dalam tabung yang berlubang.

Jika tabung dipanasi hingga suhu 127 oC dan pemuaian tabung diabaikan. Tentukan massa gas yang tersisa di tabung?

2. Pada keadaan normal (0oC dan 1 atm), jika R = 8,314 J/kmol K, massa 4 gr oksigen O2 (berat molekul, M =32). Hitung volumenya? …

3. Satu mol gas yang volumenya 1000 mm3 memiliki suhu 27oC. hitung tekanan gas tersebut …?

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

76


URAIAN MATERI 2

A. Tekanan Gas Salah satu sifat gas ideal adalah molekul-molekulnya dapat bergerak bebas (acak). Sekarang kita akan membahas pengaruh gerak molekul-molekul gas terhadap sifat gas secara umum dengan Teori Kinetik Gas. Beberapa konsep yang dibicarakan dalam teori kinetik gas antara lain tekanan akibat gerak molekul gas, kecepatan molekul gas, dan energi kinetik gas. Tekanan gas yang akan kita bahas adalah tekanan gas akibat gerak molekul. Jika gas tersebut berada di dalam ruangan tertutup, molekul-molekulnya akan menumbuk dinding ruangan dengan kecepatan tertentu. Tekanan gas di dalam sebuah ruangan tertutup sama dengan tekanan gas pada dindingnya akibat ditumbuk molekul gas. Gaya tumbukan yang merupakan laju momentum terhadap dinding inilah yang memberikan tekanan gas. Walaupun arah kecepatan molekul tidak sama, namun besar kecepatan (kelajuan) molekul gas ke semua arah dapat dianggap sama (v x = vy = vz). Maka, besar tekanan gas dinyatakan dengan rumus: ; atau PV = 1/3 Nmv2 atau PV = 1/3 v2 dengan: v = kecepatan partikel gas, V =volume gas

Lakukan kegiatan berikut ini secara berkelompok! Percobaan: Tekanan Gas dalam ruang Tertutup

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

77


B. Energi Kinetik Rata-rata Partikel Gas Dalam ruang, partikel gas selalu bergerak cepat dan acak. Karena itu masing-masing partikel akan mempunyai energi kinetik. Energi kinetik rata-rata satu partikel gas adalah: EK 

3 3 PV k .T  2 2 N

dengan: E K = energi kinetik rata-rata satu partikel gas (J) T = suhu mutlak gas (K) Karena E K dapat juga ditulis : EK 

3.k .T 1 m 0 v 2 maka v 2  2 m0

Hubungan Tekanan Gas dengan Energi Kinetik Gas

Keterangan: P = tekanan gas (N/m2) N = jumlah molekul m = massa satu molekul gas (kg) v2 = rata-rata kuadrat kelajuan molekul (m/s) ρ = massa jenis gas (kg/m3)

C. Kecepatan Efektif Kecepatan efektif (rms = root mean square) dari satu partikel gas adalah: v rm s  v 2

3kT = mo

dan v rm s 

3R.T = m

3P



dengan: mo =massa tiap satuan partikel (kg); m = massa tiap satuan mol (kg); = massa jenis gas (kg/m3); P = tekanan gas (N/m2) Contoh Soal 1. Massa atom relative oksigen 16, massa sebuah atom hydrogen 1,66 x 10 -27 kg dan konstanta Boltzmann k = 1,38 x 10 -23 J/K. jika suhu gas 270C, berapa kecepatan rata-rata molekul gas oksigen? Pembahasan: T = 27oC = 300 K Ar=16 M(O2) = 2 x 16 = 32 m = 32 x 1,66 x 10-27 = 53,12 x 10-27 kg K = 1,38 X 10-23 J/K V = …?

3kT 3  1,38  10 23  300 v rms    483,54 m / s mo 53,12  10 27 M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

78


2. Tentukan kecepatan rata-rata molekul gas nitrogen pada suhu 0 o C pada tekanan 76 cmHg jika massa jenis nitrogen 1,251 kg/m3 dan g=9,8 m/s2 Pembahasan: T = 273 K P = 76 cmHg = 0,76 m g = 9,8 m/s2 3 (massa jenis air raksa)=13600 kg/m vrms =

3P

N



3gh

N

3  13600  9,8  0,76  492,86 m/s 1,251



D. Teori Ekipartisi Bila partikel gas dalam ruang hanya bergerak translasi, maka orientasi arah geraknya selalu dapat diproyeksikan ke arah sumbu X, Y maupun Z. Energi kinetik partikel gas yang bergerak searah sumbu X, Y dan Z selalu sama (ekipartisi energi). Dalam teori kinetik gas, partikel gas demikian dikatakan mempunyai 3 derajat kebebasan. Derajad kebebasan tidak hanya berhubungan dengan gerak translasi partikel gas saja, tetapi juga berkaitan dengan gerak rotasi dan vibrasinya. Teori Ekipartisi Energi: “Sistem gas yang bersuhu mutlak T dengan  derajat kebebasan, energi kinetik rata-rata satu Molekul gas adalah E K    k .T  .” 1 2



Dari teori ini tampak bahwa, untuk setiap derajat kebebasan, energi kinetik satu partikel gas adalah ½ k . T.  Gas Monoatomik hanya bisa bergerak translasi ke arah sumbu X, Y dan Z. Sehingga gas ini

1 2

hanya memiliki 3 derajad kebebasan. E K  3. k .T  Gas diatomik pada suhu kamar, selain bergerak translasi juga berotasi. Derajad 1 2

kebebasannya 5, diperoleh dari 3 gerak translasi dan 2 rotasi. E K  5. k .T (pada suhu kamar) Energi dalam gas adalah jumlah energi kinetik seluruh molekul gas dalam ruang tertutup. U  N .E K 1 U  N .. k .T 2

dengan: U = energi dalam gas (J) N = jumlah partikel gas Untuk gas monoatomic, contoh: He, Ne, Ar U = EK =

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

3 3 Nk.T  nR.T 2 2

u n tu k

S MK

79


Untuk gas diatomik, seperti: H2, N2, O2 didapat:

3 3 Nk.T  nR.T 2 2 5 5 Pada suhu sedang (± 500K): U = EK = Nk.T  nR.T 2 2 7 7 Pada suhu tinggi (± 1000K): U = EK = Nk.T  nR.T 2 2 Pada suhu rendah (± 300K): U = EK =

Catatan: ½ kT disebut sebagai 1 derajat kebebasan. Contoh Soal

1. Hitung energi kinetik rata-rata dari gas suatu gas monoatomik yang bersuhu 400 K. Penyelesaian: T = 300 K k = 1,38 x 10-23 J/K

Ek 

3 3 k T  (1,38 x 10 -23 J/K) (400 K) = 8,28 x 10-23 J 2 2

2. Tentukan energi dalam 2 mol gas diatomik pada suhu 500 K. Penyelesaian. n = 1 mol T = 500 K NA = 6,02 x 1023 molekul /mol

U

5 5 N k T  (n. N A ) k T 2 2 5  (2 )(6,02 x10 23 )(1,38 x10 23 J / K )(500 K ) 2 = 207,69 J

Latihan Soal 1. Sebuah tabung gas dengan volume tertentu berisi gas ideal dengan tekanan P. akar rata-rata kuadrat laju molekul gas disebut v rms. Jika ke dalam gas dipompakkan gas sejenis sehingga tekanannya menjadi 2P dan suhunya dibuat tetap, nilai v rms menjadi … 2. Jika k = 1,38 x 10-23 J/K, besar energy kinetic sebuah atom helium pada suhu 227oC adalah … 3. Suatu gas dalam ruang tertutup dengan volum V dan suhu 27 oC mempunyai tekanan 1,5 . 10 5 Pa. Jika kemudian gas ditekan perlahan-lahan hingga volumnya menjadi 1⁄4V, berapakah tekanan gas sekarang? 4. Suatu gas monoatomik sebanyak 0,2 mol berada dalam ruang tertutup pada suhu 47oC. Berapakah energi dalam gas tersebut? 5. Tentukan energi dalam 4 mol gas diatomik pada suhu 500 K M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

80


Petunjuk! Pilihlah jawaban yang paling tepat.

Ruang untuk coretan

1. Partikel-partikel gas ideal memiliki sifat-sifat antara lain …. 1) selalu bergerak 2) tidak tarik menarik 3) bertumbukan lenting sempurna 4) tidak mengikuti Hukum Newton tentang gerak Pernyataan yang benar adalah … A. 1, 2, dan 3 C. 1, 3, dan 4 B. 2, 3, dan 4 D. 1 dan 3 E. 2 dan 4 2. Pada keadaan normal (T = 0°C dan p = 1 atm), 4 gram gas oksigen (O2) dengan berat molekul Mr = 32 memiliki volume sebesar …. (R = 8.314 J/kmol K; 1 atm = 105 N/m2) A. 1,4 × 10–6 m3 D. 2,8 m3 –3 3 B. 2,8 × 10 m E. 22,4 m3 –3 3 C. 22,4 × 10 m 3. Jika suatu gas ideal dimampatkan secara isotermal sampai volumenya menjadi setengah dari volume semula maka …. A. tekanan dan suhu tetap B. tekanan menjadi dua kali dan suhu tetap C. tekanan tetap dan suhu menjadi dua kalinya D. tekanan menjadi dua kalinya dan suhu menjadi setengahnya E. tekanan dan suhu menjadi setengahnya. 4. Sebuah tangki diisi dengan gas ideal bermassa 10 kg pada tekanan 4 atm dan suhu 47°C. Tangki tersebut memiliki lubang kecil sehingga memungkinkan gas dapat lolos keluar. Ketika suhu 27°C dan tekanan gas 3 atm, massa gas yang lolos keluar dari tangki jika 1 atm = 10 5 Pa adalah ….kg A. 2 B. 3 C. 4 D. 5 E. 6 5. Perhatikan gambar berikut!

Diketahui volume bola B dua kali volume bola A. Kedua bola terisi gas ideal. Volume tabung penghubung dapat diabaikan. Gas A berada pada suhu 300 K. Jika jumlah molekul gas dalam bola A adalah N dan jumlah molekul gas dalam bola B adalah 3 N, suhu gas dalam bola B adalah ….K A. 150 B. 200 C. 300 D. 450 E. 600 6. Sejumlah gas ideal dalam suatu ruang mengalami proses isobarik sehingga volumenya menjadi dua kali volume semula. Suhu gas tersebut akan berubah dari 27°C menjadi ….°C a. 54 B. 108 C. 327 D. 427 E. 600 M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

81


7. Grafik yang menunjukkan hubungan antara variabel tekanan gas p yang massanya tertentu pada volume tetap sebagai fungsi dari suhu mutlak T adalah …

A

B

D

E

C

8. Sebuah ban sepeda memiliki volume = 100 cm3. Tekanan awal di dalam ban sepeda = 0,5 atmosfer. Ban tersebut dipompa dengan suatu pompa yang volumenya = 50 cm3. Tekanan udara luar = 76 cmHg dan temperatur tidak berubah. Tekanan ban sepeda setelah dipompa sebanyak 4 kali adalah ….atm A. 1,0 B. 2,5 C. 4,0 D. 4,5 E. 5,0 9. Perhatikan gambar!

Dalam tabung U seperti tampak pada gambar, terdapat sejenis gas ideal. Jika diketahui tekanan udara luar = 75 cmHg, volume gas = 50 cm 3 , dan suhunya = 27°C, volume gas pada suhu –3°C jika tekanannya = 90 cmHg adalah ….cm3 A. 50 B. 35 C. 80 D. 20 E. 40

10. Rapat massa suatu gas pada suhu T dan tekanan P adalah p. Jika tekanan gas tersebut dijadikan 2P dan suhunya diturunkan menjadi 0,5T, maka rapat massa gas menjadi ... kali semula. A. 4 D. 0,25 B. 2 E. salah semua C. 0,5

“Kita harus mencari kesempatan dalam setiap kesulitan bukannya dilumpuhkan karena memikirkan kesulitan dalam setiap kesempatan.” M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

82


Modul

10 Peta Konsep

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

83


Kemampuan yang diperoleh : Setelah mengamati demonstrasi, melakukan percobaan, dan berdiskusi diharapkan : 1. Siswa mampu menjelaskan pengertian usaha dalam proses isotermal melalui diskusi 2. Siswa mampu membuat grafik usaha dalam proses isotermal melalui diskusi 3. Siswa mampu memformulasikan usaha dalam proses isotermal melalui diskusi 4. Siswa mampu menjelaskan pengertian usaha dalam proses isokhorik melalui diskusi 5. Siswa mampu membuat grafik usaha dalam proses isokhorik melalui diskusi 6. Siswa mampu memformulasikan usaha dalam proses isokhorik melalui diskusi 7. Siswa mampu menjelaskan pengertian usaha dalam proses isobarik melalui diskusi 8. Siswa mampu membuat grafik usaha dalam proses isobarik melalui diskusi 9. Siswa mampu memformulasikan usaha dalam proses isobarik melalui diskusi 10. Siswa mampu menyebutkan hukum I termodinamika melalui diskusi 11. Siswa mampu menjelaskan hukum II termodinamika melalui diskusi 12. Siswa mampu menjelaskan aplikasi hukum II termodinamika melalui diskusi

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

84


URAIAN MATERI

A. Apa itu Termodinamika? Kata Termodinamika berasal dari bahasa Yunani therme (kalor) dan dynamis (gaya). Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari tentang kalor dan usaha mekanik pada suatu system (contoh : gas). Meskipun berbagai aspek dari apa yang dikenal sebagai termodinamika telah menarik perhatian sejak dulu kala, kajian termodinamika secara formal dimulai pada awal abad ke-19 melalui pemikiran mengenai pergerakan daya dari kalor (heat), yaitu kemampuan benda panas untuk menghasilkan kerja (work). Kehadiran mesin sebagai alat pengubah energy kalor menjadi energy mekanik atau usaha telah mengubah kehidupan manusia menjadi lebih mudah, lebih cepat, dan lebih efisien. Mesin pabrik, mesin mobil, mesin kapal, dan mesin kereta api telah meringankan usaha yang dibutuhkan manusia untuk beraktivitas dan membuat suatu produk. Bagaimanakah cara kerja kalor bekerja? Tahukah Anda jenis usaha yang dilakukan mesin kalor dalam proses kerjanya? Prinsif yang mendasari cara kerja mesin kalor secara umum dapat Anda pelajari dalam pembahasan berikut ini. Selamat mempelajarinya!

A.1. Usaha dan Proses dalam Termodinamika Dalam melakukan pengamatan mengenai aliran energy antara panas dan usaha ini dikenal dua istilah, yaitu system dan lingkungan. Apakah yang dimaksud dengan system dan lingkungan dalam termodinamika? Untuk memahaminya, perhatikan gambar disamping. Misalkan Anda mengamati aliran kalor antara besi panas dan air dingin. Ketika bola besi tersebut dimasukkan ke dalam air. Bola besi dan air disebut system karena kedua benda tersebut menjadi objek pengamatan dan perhatian Anda. Adapun, wadah air dan udara luar disebut lingkungan karena berada di luar system, tetapi dapat mempengaruhi system tersebut. Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang digunakan adalah besaran makroskopis suatu system, yaitu tekanan P, suhu T dan volume V serta entropi, kalor dan usaha dan energy dalam. Usaha yang dilakukan oleh system (gas) terhadap lingkungannya bergantung pada proses-proses dalam termodinamika, diantaranya proses isobaric, isokhorik, isothermal, dan adibatik. A.2. Usaha Sistem terhadap Lingkungan

a. Usaha Luar M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

85

2 created@MGMP-FISIKA’15

V 1

Gas

Gas dalam ruang tertutup dipanasi sehingga tekanannya akan mendorong piston dari kedudukan 1 ke kedudukan 2. Gas tersebut dikatakan telah melakukan usaha (W). Usaha pada proses ini:

W = P. V = P (V2 – V1) dengan: W = usaha oleh / pada gas (J) P = tekanan gas (Pa) V = perubahan volume gas (m3)

b. Menentukan Usaha Luar secara Grafik W bisa bernilai negative atau positif tergantung ketentuan berikut: a. Jika gas memuai (proses ke arah kanan, V 2>V1, ∆V>0, W sama dengan luas daerah dibawah kurva yang diarsir dengan batas volume awal dan volume akhir) sehingga perubahan volumenya berharga positif, gas (system) tersebut dikatakan melakukan usaha yang menyebabkan volumenya bertambah. Dengan demikian, usaha W system berharga positif. b. Jika gas dimampatkan atau ditekan (proses ke arah kiri, V 2
c. Usaha pada mesin Perhatikanlah mesin berikut. Gambar tersebut memperlihatkan pembakaran yang terjadi secara terus menerus pada ruang mesin (mesin diesel). Dalam hal ini yang berperan sebagai sistem adalah udara di dalam ruang mesin. Mula-mula udara masuk ke ruang mesin (intake), sehingga volume ruang mesin membesar. Saat volume udara sudah cukup, piston terdorong ke dalam dan saat itu juga bahan bakar (fuel) bertekanan tinggi diinjeksikan, sehingga terjadi pembekaran. Saat terjadi pembakaran, udara dalam mesin menjadi panas, sehingga tekanannya meningkat. Tekanan yang meningkat menyebabkan piston terdorong keluar dari ruang mesin. Beberapa saat kemudian piston terdorong ke dalam lagi bersamaan dengan membukanya katup pembuangan, sehingga sisa pembakaran akan terdorong keluar. Piston dihubungkan dengan sebuah roda, sehingga setiap gerakan piston menyebabkan roda berputar. Saat piston terdorong keluar, sistem dikatakan melakukan usaha, karena volume sistem membesar. Saat piston terdorong ke dalam, lingkungan dikatakan melakukan usaha karena volume sistem berkurang (usaha sistem negatif). M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

86


Contoh Soal 1. Suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap sehingga memuai, seperti terlihat pada gambar berikut:

Tentukan usaha yang dilakukan gas ( 1 atm = 105 N/m2)

Penyelesaian: Diketahui: p = 2 atm; V1 = 0,3 L; dan V2 = 0,5 L; 1 liter = 1 dm3 = 10-3 m3 Rumus: W = p ∆V = p (V2 – V1) = 2.105 (0,5 – 0,2) . 10-3 = 60 J

2. Gambar berikut menunjukkan suatu siklus termodinamika dari suatu gas ideal, Tentukan usaha yang dilakukan gas: a. dari keadaan A ke B b. dari B ke C c. dari D ke D d. dari D ke A, dan e. dari A kembali ke A melalui B, C, dan D Penyelesaian: Diketahui: p = pB = 2 N/m2; pD = pC = 1 N/m2; VA = VD = 2 m3; dan VB= VC = 3 m3

a. b. c. d. e.

W AB = p(VB – VA) = 2.105 (3-2).10-3 = 200 J W BC = 0 W CD = p(VD - VC) = 1.105 (2-3)10-3 = - 100 J W DA = 0 W ABCDA = W siklus = 200 + 0 – 100 + 0 = 100 J

Tugas Mandiri – Usaha dan Proses Termodinamika (Kerjakan dengan sukacita)

Lembar untuk jawaban 1. Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m 3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 105 Pa) Jwb: 5,05 x 105 joule

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

87


2. 1,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar.... Jwb: 60 kJ

B. Proses dalam Gas Terdapat empat proses dalam gas, yaitu proses isothermal, isobaric, isokhorik, dan adiabatic. a. Proses Isotermal Proses isothermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Menurut hokum Boyle, proes isothermal dapat dinyatakan dengan persamaan: P . V = konstan Q =W U = CV . T = 0 (T = 0) W = n R T In ( ) = n R T In ( ) W = 2,3 n R T log( ) Contoh Soal 1. Sepuluh mol gas helium memuai secara isotermal pada suhu 47 oC sehingga volumenya menjadi dual kali volume mula-mula. Tentukanlah usaha yang dilakukan oleh gas helium? Jawab: Diketahui T = 47oC = (47+273)K= 320 K dan V2 = 2V1 Usaha yang dilakukan gas pada proses isotermal: )( ) ( ) W = n R T In ( ) ( )( 2. Tiga mol gas memuai secara isothermal pada suhu 270C, sehingga volumenya berubah dari 20 cm3 menjadi 50 cm3. Hitunglah besar usaha yang dilakukan gas tersebut!

Pembahasan: Diketahui

: n = 3 mol R = 8,314 J/mol K T = 270C + 273 = 300 K V1 = 2 × 10-5 m3 V2 = 5 × 10-5m3 Ditanya : W….? Penyelesaian : W = nRT In = (3) (8,314) (300) In = 6.852,94 Joule b. Proses Isokhorik M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

88


Proses isokhorik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada volume tetap. Menurut hukum Gay-Lussac proses ishokhorik pada gas dinyakatan dengan persamaan: P / T = konstan Q = QV = CV . T U = CV . T W = P . V = 0 (V = 0)

Contoh Soal

1. Kalor sebanyak 3000 Joule ditambahkan pada sistem dan system melakukan usaha 2500 Joule pada lingkungan. Perubahan energi dalam sistem adalah …… Pembahasan : Diketahui : Kalor (Q) = + 3000 Joule Usaha (W) = + 2500 Joule Ditanya : Perubahan energi dalam Jawab : Hukum I Termodinamika : ΔU = Q – W Aturan tanda :  Q posiitif jika kalor ditambahkan pada sistem  W positif jika sistem melakukan usaha pada lingkungan  Q negatif jika kalor dilepaskan sistem  W negatif jika lingkungan melakukan usaha pada sistem Perubahan energi dalam system : ΔU = 3000 – 2500 Joule ΔU = 500 Joule Energy dalam sistem bertambah 500 Joule. 2. Kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem dan lingkungan melakukan usaha 2500 Joule pada sistem. Perubahan energi dalam sistem adalah….. Pembahasan : Diketahui : Kalor (Q) = + 2000 Joule Usaha (W) = - 2500 Joule Ditanya : Perubahan Energi dalam system Jawab : ΔU = Q – W ΔU = 2000 – (-2500) Joule ΔU = 2000 + 2500 Joule ΔU = 4500 Joule Energi dalam sistem bertambah 4500 Joule. 3. Kalor sebanyak 2000 Joule dilepaskan sistem dan lingkungan melakukan usaha 3000 Joule pada sistem. Perubahan energi dalam sistem adalah …. Pembahasan : M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

89


Diketahui

: Kalor (Q) = - 2000 Joule Usaha (W) = - 3000 Joule Ditanya : Perubahan energi dalam sistem Jawab : ΔU = Q – W ΔU = -2000 – (-3000) ΔU = - 2000 + 3000 ΔU = 1000 Joule Energi dalam sistem bertambah 1000 Joule c. Proses Isobaris Yaitu proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap (P = tetap). Menurut hokum Charles, persamaan keadaan gas pada proses isobaric dinyatakan dengan persamaan: V / T = konstan Q = QP = CP . T U = CV . T W = P . V = P (V2 – V1) Contoh Soal 1. Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume

akhirnya menjadi 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 105 Pa) Pembahasan Data : V2 = 4,5 m3 ; V1 = 2,0 m3 ; P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa Isobaris → Tekanan Tetap W = P (ΔV) = P(V2 − V1) = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule 2. 1,5 m3 gas helium yang bersuhu 27 oC dipanaskan secara isobarik sampai 87 oC. Jika

tekanan gas helium 2 x 105 N/m2, gas helium melakukan usaha luar sebesar.... Pembahasan Data : V1 = 1,5 m3 T1 = 27oC = 300 K; T2 = 87oC = 360 K; P = 2 x 105 N/m2 W = PΔV Mencari V2 : V2/T2 = V1/T1 V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3 W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ 3. Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti

gambar berikut!

Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar.... Pembahasan W AC = W AB + W BC W AC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

90


d. Proses Adiabatis Yaitu suatu proses perubahan keadaan gas dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari system (gas). Proses ini dapat dilakukan dengan cara mengisolasi system menggunakan bahan yang tidak mudah menghantarkan kalor disebut bahan diatermik. Proses adiabatic ini mengikuti Persamaan Poisson sebagai berikut:

p

=konstan

atau

= Oleh karena persamaan gas ideal dinyatakan sebagai pV = nRT, maka persamaan diatas dapat ditulis:

= Dengan = =konstanta Laplace dan

>1, Cp adalah kapasitas kalor gas pada tekanan

tetap. Cv adalah kalor gas pada volume tetap. Perhatikan gambar berikut: Dari gambar berikut:

1. Kurva proses adiabatik lebih curam daripada kurva proses isotermal 2. Suhu, tekanan, maupun volume pada proses adiabatik tidak tetap. Besarnya usaha pada proses adiabatik tersebut dinyatakan dengan persamaan berikut: W = nR (T1- T2) = (p1V1-p2V2) Contoh Soal 1. Suatu sitem mengalami proses Adiabatik. Pada system dilakukan usaha 100 Joule.

Jika perubahan energy dalam system adalah ΔU dan kalor yang diserap system adalah Q. maka.. Pembahasan : Pada proses Adiabatik, berlaku : dQ = NOL, karena terjadi pertukaran kalor dU = - W, Karena dQ = 0 bisa diasumsikan menjadi dU + dQ = - 100 Joule. 2. Sebuah mesin memiliki rasio pemampatan 12:1 yang berarti bahwa setelah

pemampatan, volume gas menjadi 1/12 volume awalnya. Anggap bahan bakar bercampur udara pada suhu 35oC, tekanan 1 atm dan  = 1,4. Jika proses pemampatan terjadi secara adiabatik, hitunglah tekanan pada keadaan akhir dan suhu campuran.

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

91


3

3. Usaha sebesar 2 x 10 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. tentaukan suhu awal gas

Tugas Mandiri –Proses dalam Gas (Kerjakan dengan sukacita)

Lembar untuk jawaban 1. Suatu gas ideal monoatomik di dalam ruang tertutup memiliki tekanan 1,2 x 105 N/m2 dan volume 40 liter. Jika gas memuai secara isobarik sehingga volumenya menjadi 50 liter, gas akan menyerap kalor dari lingkungan sebesar 2 kJ a. Usaha yang dilakukan gas, dan b. Perubahan energi dalam Gas 2. Perhatikan gambar berikut! Besar usaha yang dilakukan sistem adalah .....

3. Suatu gas ideal mengalami proses menurut siklus, seperti diagram P-V berikut!

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

92


Tentukan kerja yang dihasilkan pada proses berdasarkan siklus tersebut!

C. Hukum-hukum Termodinamika Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu: HUKUM AWAL (ZEROTH LAW) TERMODINAMIKA. Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. 1. Hukum I Termodinamika Hukum pertama Termodinamika adalah perluasan bentuk dari hukum kekekalan energy dalam mekanika. Hukum ini menyatakan: ”Perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem”. Q = U + W dengan: Q = perubahan kalor (J) U = perubahan energi dalam (J) W = usaha oleh / pada gas (J)

Perjanjian: Kalor masuk dalam system Kalor keluar dari sistem Gas melakukan usaha Gas dikenai usaha Energi dalam gas naik Energi dalam gas turun

: Q  atau system menerima kalor : Q atau system melepas kalor : W  atau sisem melakukan kerja :W atau system menerima kerja : U : U

Contoh Soal

1. Kalor sebanyak 3000 Joule ditambahkan pada sistem dan sistem melakukan usaha 2500 Joule pada lingkungan. Perubahan energi dalam sistem adalah… Pembahasan Diketahui : Kalor (Q) = +3000 Joule M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

93


Usaha (W) = +2500 Joule Ditanya : perubahan energi dalam Jawab : Hukum I Termodinamika : Aturan tanda: Q positif jika kalor ditambahkan pada sistem W positif jika sistem melakukan usaha pada lingkungan Q negatif jika kalor dilepaskan sistem W negatif jika lingkungan melakukan usaha pada sistem Perubahan energi dalam sistem :

Energi dalam sistem bertambah 500 Joule. 2. Kalor sebanyak 2000 Joule ditambahkan pada sistem dan lingkungan melakukan

usaha 2500 Joule pada sistem. Perubahan energi dalam sistem adalah… Pembahasan Diketahui : Kalor (Q) = +2000 Joule Usaha (W) = -2500 Joule Ditanya : perubahan energi dalam sistem Jawab :

Energi dalam sistem bertambah 4500 Joule.

3. Kalor sebanyak 2000 Joule dilepaskan sistem dan lingkungan melakukan usaha 3000 Joule pada sistem. Perubahan energi dalam sistem adalah… Pembahasan Diketahui : Kalor (Q) = -2000 Joule Usaha (W) = -3000 Joule Ditanya : perubahan energi dalam sistem Jawab :

Energi dalam sistem bertambah 1000 Joule. Kesimpulan : – Jika sistem menyerap kalor dari lingkungan maka energi dalam sistem bertambah – Jika sistem melepaskan kalor pada lingkungan maka energi dalam sistem berkurang M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

94


– Jika sistem melakukan usaha pada lingkungan maka energi dalam sistem berkurang – Jika lingkungan melakukan usaha pada sistem maka energi dalam sistem bertambah

2. Hukum II Termodinamika Siklus ideal adalah proses termodinamika yang terjadi selama proses tersebut mampu mengubah seluruh energy kalor menjadi usaha dan tidak ada energy yang hilang. Siklus ideal tidak pernah ditemui dalam kehidupan nyata. Sebagai contoh sederhana, misalkan Anda memasukkan sebuah bola besi panas ke dalam bejana yang berisi air dingin. Anda tentunya telah memahami bahwa kalor akan berpindah dari bola besi ke air sehingga suhu keduanya sama atau dikatakan keduanya telah berada dalam kesetimbangan termal. Namun, jika Anda membalik proses ini dengan cara memasukkan bola besi dingin ke dalam air panas, mungkinkan suhu bola besi tersebut naik dan suhu air turun dan keduanya mencapai kesetimbangan termal yang sama, seperti pada keadaan sebelumnya? Proses termodinamika yang melakukan proses aliran kalor dari benda (reservoir) bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi, tidak mungkin secara spontan (tanpa ada usaha yang diberikan ke dalam system). Hal inilah yang kemudian diteliti oleh Clausius dan Kelvin-Planck sehingga menghasilkan rumusan hukum kedua Termodinamika. Hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan dengan berbagai cara, yaitu: 1. Hukum kedua termodinamika: pernyataan aliran kalor Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya. 2. Hukum kedua termodinamika dinyatakan dalam entropi Total entropi jagad raya tidak berubah ketika proses reversible terjadi (∆S bertambah ketika proses ireversibel terjadi (∆S jagad raya > O)

jagad raya

= O) dan

3. Hukum kedua termodinamika tentang mesin kalor Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang sematamata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar. Apa itu Entropi? Secara umum, proses irreversible menyebabkan kehilangan sejumlah kalor, tetapi tidak seluruhnya sehingga mesin masih mampu melakukan usaha. Bagian kalor yang hilang dapat dinyatakan dengan suatu variable keadaan termodinamika baru yang disebut entropi. Entropi adalah suatu ukuran banyaknya energy atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Jika suatu system pada suhu mutlak T mengalami suatu proses reversible dengan menyerap sejumlah kalor Q, maka kenaikan entropi ∆S dirumuskan sebagai berikut: Perubahan entropi ∆S hanya bergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal. Proses reversible tidak mengubah total entropi dari jagad raya, tetapi setiap proses ireversibel selalu menaikkan entropi jagad raya. ( ) M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

95


Contoh Soal Reservoir panas 600 K

Gambar disamping menunjukkan bahwa 1200 J kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas bersuhu 600 K ke reservoir dingin bersuhu 300 K. Tentukanlah jumlah entropi dari system tersebut. Anggap tidak ada perubahan lain yang terjadi.

Batang Tembaga Q = 1200 J 300 K

Reservoir dingin

3. Hukum III Termodinamika Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Ada 3 hukum termodinamika. Dalam bahasa yg mudah dicerna, nggak bikin sembelit ato mencret, kurang lebih sbb: 1. Hukum kekekalan energi: Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dihancurkan/dihilangkan. Tetapi dapat ditransfer dengan berbagai cara Aplikasi: Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi. Semuanya hanya mentransfer energi, tidak menciptakan dan menghilangkan. Catatan: Dengan adanya kesetaraan massa dan energi dari Einstein, energi "seolah-olah" bisa diciptakan dari materi (massa). Sehingga sekarang diamandemen menjadi "Hukum kekekalan massa-energi". Ketiga hukum tetmodinamika untuk energi jadi berlaku juga untuk massa. M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

96


2. Hukum keseimbangan / kenaikan entropi: Panas tidak bisa mengalir dari material yang dingin ke yang lebih panas secara spontan. Entropi adalah tingkat keacakan energi. Jika satu ujung material panas, dan ujung satunya dingin, dikatakan tidak acak, karena ada konsentrasi energi. Dikatakan entropinya rendah. Setelah rata menjadi hangat, dikatakan entropinya naik. Aplikasi: Kulkas harus mempunyai pembuang panas di belakangnya, yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak Panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar.

3. Hukum suhu 0 Kelvin (-273,15 Celcius): Teori termodinamika menyatakan bahwa panas (dan tekanan gas) terjadi karena gerakan kinetik dalam skala molekular. Jika gerakan ini dihentikan, maka suhu material tsb akan mencapai 0 derajat kelvin. Aplikasi: Kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu sangat rendah, karena tidak banyak keacakan gerakan kinetik dalam skala molekular yang menggangu aliran elektron.

D. Siklus Carnot dan Efisiensi Mesin Keadaan suatu system dalam termodinamika dapat berubah-ubah, berdasarkan percobaan besaran-besaran keadaan system tersebut. Namun, besaran-besaran keadaan tersebut hanya berarti jika system berada dalam keadaan setimbang. Misalnya, jika Anda mengamati suatu gas yang sedang memuai di dalam tabung, temperature dan tekanan gas tersebut di setiap bagian tabung dapat berubah-ubah. Oleh karena itu, Anda tidak dapat menentukan suhu dan temperature gas saat kedua besaran tersebut masih berubah. Agar dapat menentukan besaranbesaran keadaan gas, has harus dalam keadaan reversible, yaitu proses dalam system dimana system hampir selalu berada dalam keadaan setimbang. Siklus carnot Siklus carnot terdiri dari 2 proses isothermik dan proses adiabatik

Menurut kurva hubungan p-V dari siklus Carnot, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas daerah di dalam kurva p-V siklus tersebut. Oleh karena siklus selalu kembali ke keadaannya semula, ∆Usiklus = 0, sehingga persamaan siklus (W siklus) dapat dituliskan menjadi: W siklus = ∆Qsiklus = (Q1 – Q2) Dengan Q1 = kalor yang diserap sistem dan Q2 = kalor yang dilepaskan sistem. M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

97


Ketika mesin mengubah energi kalor menjadi energi mekanik (usaha). Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energi kalor yang diserapnya (Q1) disebut juga efisiensi mesin. Persamaan matematis efisiensi mesin ini dituliskan dengan persamaan:

dengan

adalah efisiensi mesin.

Oleh karena usaha dalam suatu siklus termodinamika dinyatakan dengan W = Q1-Q2, maka persamaannya menjadi:

(

)

Contoh Soal

1. Perhatikan gambar berikut ini!

Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan : a. Efisiensi mesin Carnot b. Usaha mesin Carnot c. Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot d. Jenis proses ab, bc, cd dan da Pembahasan a) Efisiensi mesin Carnot Data : Tt = 227oC = 500 K Tr = 27oC = 300 K η = ( 1 − Tr/Tt) x 100% η = ( 1 − 300/500) x 100% = 40% b) Usaha mesin Carnot η = W /Q1 4 /10 = W /1200 W = 480 joule c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot Q2 = Q1 − W = 1200 − 480 = 720 joule Q2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2 d) Jenis proses ab, bc, cd dan da ab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap) bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun) M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

98


cd → pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap) da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik) Saatnya Uji Kreatif….!!! Kerjakan dengan Kelompok Selain siklus Carnot, terdapat dua siklus termodinamika lainnya, yakni siklus Otto dan Siklus Diesel. Buat sebuah artikel yang menerangkan tentang kedua siklus tersebut dan aplikasinya pada mesin Otto dan mesin diesel. Kemudian, presentasikanlah artikel yang Anda buat tersebut!

2. Suatu mesin Carnot bekerja di antara suhu 600 K dan 300 K serta menerima kalor sebesar 1000 J (seperti terlihat pada gambar). Hitung usaha yang dilakukan mesin dalam satu siklus adalah ….

3. Sebuah mesin carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K memiliki efisiensi 40%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 50%, Tentukanlah kenaikan suhu yang harus dilakukan pada reservoir suhu tinggi?

Latihan Soal 1. Suatu gas monoatomic mengalami proses termodinamika seperti grafik berikut ini.

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

99


Tentukanlah: a. Usaha yang dilakukan gas selama proses ABC b. Perubahan energy dalam c. Kalor yang diserap selama proses ABC 2. Suatu gas ideal diekspansikan secara adiabatic sehingga volumenya menjadi dua kali volume mula-mula. Pada proses tersebut gas melakukan kerja sebesar 1860 J. a. Berapakah kalor yang diterima gas? b. Berapakah perubahan energy galam gas? 3. Suhu reservoir bersuhu tinggi suatu mesin carnot adalah 800 K dan efisiensinya 40%. Agar efisiensinya menjadi 50%, maka suhu reservoir bersuhu tinggi harus dinaikkan menjadi ….

E. Mesin Pendingin (Refrigerator) Kalor dapat dipaksa mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada system. Peralatan yang bekerja dengan cara Reservoir panas T1 seperti ini disebut mesin pendingin. Contohnya lemari es dan AC. Q1

Berdasarkan gambar disamping, dengan melakukan usaha W pada Pendingin system pendingin, sejumlah kalor Q2 diambil dari reservoir bersuhu Q2 T2 rendah (T2). Kemudian sejumlah kalor Q1 dibuang ke reservoir bersuhu tinggi T1 (misalnya, lingkungan di sekitar lemari es). Reservoir dingin Ukuran kemampuan sebuah mesin pendingin dinyatakan sebagai koefisien daya guna yang diberi lambing Kp dan dirumuskan dengan persamaan:

Oleh karena usaha yang diberikan pada mesin pendingin tersebut dinyatakan dengan W=Q 1Q2, persamaan diatas dapat ditulis menjadi: atau Semakin tinggi nilai Kp, maka semakin baik mesin pendingin tersebut.

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

100


Soal-soal Uji Kompetensi Termodinamika I. Pilihan ganda. (Pilihlah jawaban yang paling tepat!) 1. Suatu sistem mengalami proses adiabatis. Pada sistem dilakukan usaha 100 J. Jika perubahan energi dalam sistem adalah ΔV dan kalor yang diserap ΔQ, maka ….J a. ΔV = 100 J c. ΔV = 0 b. ΔV = 10 J d. Q = 100 J e. ΔV + Q = -100 J 2. Derajat kebebasan gas ideal monoatomik adalah …. a. 1 b. 2 c. 3 d. 4

Pojok Jawaban

e. 5

3. Sistem mengalami proses isokhorik, maka …. a. suhu tetap d. energi dalam tetap b. tekanan sistem tetap e. energi dalam sistem = nol c. usaha yang dilakukan oleh atau pada sistem = nol 4. Suatu gas ideal mengalami proses seperti gambar diatas. Besar usaha yang dilakukan oleh gas pada proses A ke B adalah ….x 10-5 J a. 1,4 c. 3,4 b. 2,4 d. 4,4 e. 4,9 5. Berikut ini pernyataan yang berkaitan dengan termodinamika. 1) pada isokhoris, gas tidak melakukan usaha 2) pada isobarik, gas melakukan usaha 3) pada isotermal, energi dlaam gas berubah 4) pada adiabatik, gas selalu melakukan usaha Pernyataan yang tepat adalah nomor …. a. 1) dan 2) c. 1) dan 4) b. 1), 2) dan 3) d. 2, 3) dan 4) e. 3) dan 4)

proses

6. Dalam suatu tabung terdapat 1 kg gas nitrogen dan suhu mula-mula 12oC dinaikan menjadi 92oC melalui proses isibarik. Besar perubahan energi dalam yang terjadi adalah …. a. 2,9 x 104 J c. 4,9 x 104 J 4 b. 3,9 x 10 J d. 5,9 x 104 J e. 6,9 x 104 J 7. Jika 5 mol gas ideal yang suhunya 27 oC memuai secara isothermal dari 0,5 m3 menjadi 1m3, maka besar usaha yang dilakukan gas adalah ….J a. 3.184 c. 4.189 b. 4.184 d. 4.282 e. 5.184 8. Hukum I Termodinamika dinyatakan dengan persamaan …. a. Q = ΔU + W c. W = Q + ΔU b. ΔU = Q + W d. Q = ΔV/W e. W = Q/ ΔV M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

101


9. Dalam suatu keadaan 2 mol gas ideal monoatomik suhunya dinaikan dari 27oC menjadi 127oC pada tekanan tetap. Besar energi dalam yang dilakukan gas adalah ….J a. 2.493 b. 3.493 c. 5.493 d. 6.493 e. 6.593 10. Jika suatu proses berawal dari (P o, Vo) dan volumenya digandakan, maka proses berikut ini yang akan menghasilkan usaha terbedar adalah... a. adiabatik c. isokhorik b. isobaric d. isothermal e. seismografis

DAFTAR PUSTAKA

Purwanto, Budi. 2008. Dasar- DasarFisika Kejuruan untuk kelas XI SMK dan MAK Kelompok Pertanian, Teknologi dan Kesehatan, Solo : Tiga Serangkai Pustaka Mandiri Sumarsono, Jono. 2010. Depdiknas

Fisika Untuk SMA/MA Kelas X, Bandung : Pusat Perbukuan

http://fisikastudycenter.com Darmawan,B.1990. Termodinamika. Bandung : Jurusan Fisika FMIPA - ITB Foster, Bob, 2000. Fisika SMU Kelas 2. Jakarta : Penerbit Erlangga. Halliday dan Resnick, 1991. Fisika Jilid I (Terjemahan). Jakarta: Penerbit Erlangga. Kanginan, M., 2001. Fisika 2000 SMU Kelas 2. Jakarta : Penerbit Erlangga http://cendekiaislamiccenter.blogspot.co.id https://fisikaven.wordpress.com Permendikbud Nomor 70 ttg Kerangka Dasar dan Struktur Kurikulum SMK-MAK

M o d ul

F IS I K A

k el as

X

S e m es t e r

2

u n tu k

S MK

102


MODUL FISIKA SMK KELAS X

Recommend Documents