buku ajar fisika - simdos.unud.ac.id · jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana...

59
i BUKU AJAR FISIKA (MAHASISIWA TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN) Oleh I Ketut Wijaya (Dipergunakan di lingkungan sendiri sebagai buku ajar mata kuliah Statistik dasar) JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTASTEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA JULI 2014

Upload: others

Post on 24-Nov-2020

20 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

i

BUKU AJAR FISIKA

(MAHASISIWA TEKNIK ELEKTRO

UNIVERSITAS UDAYANA

BUKIT JIMBARAN)

Oleh

I Ketut Wijaya

(Dipergunakan di lingkungan sendiri sebagai buku ajar mata kuliah

Statistik dasar)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTASTEKNIK

UNIVERSITAS UDAYANA

JULI 2014

Page 2: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

ii

HALAMAN PENGESAHAN

Judul Buku ajar : Buku Ajar Fisika

Mata Kuliah : Fisika

Kode Mata Kuliah : TE...

Nama Penulis : Dr. Ir. I Ketut Wijaya, M.Erg.

NIP : 19591012 198702 1 001

Mengetahui

Ketua Jurusan

Teknik Elektro dan Komputer

Fakultas Teknik Unud

Wayan Gede Ariastina

NIP. 19690413 199412 1 001

Page 3: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

iii

KATA PENGANTAR

Saya bersyukur kepada Tuhan Yang Maha Esa, telah diberikan

kesempatan untuk menyelesaikan buku Buku Ajar Fisika ini yang sangat

sederhana ini dalam waktu singkat.

Buku pedoman Buku Ajar Fisika ini diambil dari beberapa buku

statistik dengan beberapa pengarang. Buku ini disajikan untuk

mahasiswa DI Jurusan Teknik Elektro Universitas Udayana Bukit

Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam

mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini

juga tidak terlalu mendalam dan sangatlah dangkal serta sangat perlu

perubahan disetiap saat diperlukan.

Buku pedoman Buku Ajar ini disusun sebagai pegangan dan dipakai

dikalangan sendiri. Penyusun buku pedoman Buku Ajar sangat

berterimakasih kepada teman-teman dan pegawai di jurusan yang telah

banyak membantu dalam terselesainya buku pedoman ini.

Buku pedoman ini diharapkan banyak membantu mahasiswa di Jurusan

Teknik Elektro dalam kaitan menyelesaikan tugas di bidang Fisika.

Bukit Jimmbaran, 21 Juli 2014

Penyusun

I Ketut Wijaya

Page 4: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

iv

Kontrak Perkuliahan

1 Identitas Mata Kuliah

Nama Mata Kuliah

Kode Mata Kuliah

Jumlah SKS

Semester

: FISIKA

: TE

: 2 SKS

: 1

2 Manfaat Mata Kuliah : Mahasiswa dapat menjelaskan konsep dasar

dari Statistik

3 Diskripsi Mata Kuliah : Kegiatan kuliah Fisika dilakukan secara

berkesinambungan antara teori dan tugas

yang diberikan

4 Standar Kopetensi : Statistik diberikan secara terstruktur yang

diselesaikan dalam satu semester dengan 2

SKS

5 Kopetensi Dasar : Mampu memahami teori-teori dasar dalam

penerapan dan mempraktikan dalam tugas

yang diberikan

6 Strategi Perkuliahan : Menggunakan strategi Student Centred

Learning (STL) dengan memberikan

beberapa topik yang dibahas mahasiswa

secara berkelompok ataupun perorangan

7 Materi Pokok : Materi bahan-bahan yang dipergunakan

pada pemberian kuliah dan tugas

8 Buku Bacaan : Buku-buku yang berkaitan dengan materi

bahan-bahan yang dipergunakan pada

penyelesaian tugas dengan Statistik

9 Tugas-tugas : Yang berkaitan dengan hubungan Statistik

dan aplikasi pada penerapan Statistik

10 Kreteria Penilaian : Penilaian berdasarkan kontrak perkuliahan

dengan mahasiswa dengan bobot 60% nilai

perkuliahan dan 40% nilai tugas-tugas

11 Rancangan Acara

Perkuliahan

: Perkuliahan dilakukan secara menyeluruh

sebanyak 16 kali pertemuan dengan 2 SKS

teori dan tugas-tugas yang diserahkan pada

minggu berikutnya

Wakil Mahasiswa Bukit Jimbaran, 21 Juli 2014

Pengampu

Page 5: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

v

SAP (Satuan Acara Perkuliahan)

No Kompetensi Dasar Indikator Capaian Materi Pokok

1 2 3 4

1 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Getaran Dan

Gelombang

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimplementasikan

perspektif tentang

Getaran Dan

Gelombang.

2. Menganalisis Teori

Getaran Dan

Gelombang yang

diberikan.

1. Pengertian

tentang Teori

Getaran Dan

Gelombang

secara global. 2. Mampu

memahami

tentang teori

Getaran Dan

Gelombang

yang

diberikan.

2 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Elastisitas.

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan

perspektif tentang

Elastisitas.

2. Menganalisis Elastisitas

1. Pengertian

tentang

Elastisitas

2. Mampu

memahami

tentang

Elastisitas.

3 A. Mendeskripsikan

perspektif

tentang

Hidrostatis

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan

perspektif tentang

Hidrostatis

2. Menganalisis tentang

Hidrostatis

1. Pengertian tentang

Hidrostatis.

2. Mampu

memahami

tentang

Hidrostatis.

4 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

1. Pengertian tentang

Page 6: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

vi

Dinamika Fluida

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan

perspektif tentang

Dinamika Fluida

2. Menganalisis

Dinamika Fluida

Dinamika

Fluida.

2. Mampu

memahami

Dinamika

Fluida

5 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Pemuaian.

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan

perspektif tentang

Pemuaian.

2. Menganalisis tentang

Pemuaian.

1. Pengertian tentang

Pemuaian.

2. Mampu

memahami

Pemuaian.

6 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Perpindahan panas

.

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan perspektif tentang

Perpindahan panas

2. Menganalisis

Perpindahan panas

1. Pengertian

Perpindaha

n panas 2. Mampu

memahami

Perpindaha

n panas

7 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Gas Ideal

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan

perspektif tentang Gas

Ideal

2. Menganalisis Gas

Ideal

1. Pengertian

tentang Gas

Ideal 2. Mampu

memahami

Gas Ideal

8 Mendeskripsikan

perspektif tentang Setelah mengikuti 1. Pengertian

Page 7: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

vii

Kalor Dan Kerja perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan perspektif tentang

Kalor Dan Kerja

2. Menganalisis Kalor

Dan Kerja

tentang Kalor

Dan Kerja

2. Mampu

memahami

Kalor Dan

Kerja

9 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Hukum

Termodinamika 1, II

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1 Mengimlementasikan perspektif tentang

Hukum

Termodinamika 1, II

2. Menganalisis

Termodinamika 1, II

1 Pengertian

tentang

Hukum

Termodinami

ka 1, II 2 Mampu

memahami

Hukum

Termodinami

ka 1, II

10 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Kerja Dan Energi

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1. Mengimlementasikan perspektif tentang

Kerja Dan Energi

2. Menganalisis Kerja

Dan Energi

1. Pengertian

tentang Kerja

Dan Energi 2. Mampu

memahami

Kerja Dan

Energi

11 Mendeskripsikan

perspektif tentang

Entropi Dan Entalpi

Setelah mengikuti

perkuliahan ini,

mahasiswa diharapkan

dapat :

1 Mengimlementasikan perspektif tentang

Entropi Dan Entalpi

2 Menganalisis Entropi

Dan Entalpi

1. Pengertian

tentang

Entropi Dan

Entalpi 2. Mampu

memahami

Entropi Dan

Entalpi

Page 8: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

viii

DAFTAR ISI

Lembar Judul ................................................................................. i

HalamanPengesahan ...................................................................... ii

Kata Pengantar ............................................................................... iii

Kontrak Perkuliahan ...................................................................... iv

SAP ................................................................................................ v

BAB I. Getaran Dan Gelombang .................................................. 1

BAB II. Elastisitas ........................................................................ 6

BAB III. Hidrostatis ..................................................................... 11

BAB IV. Dinamika Fluida ............................................................ 15

BAB V. Pemuaian ........................................................................ 19

BAB VI. Perpindahan Panas ......................................................... 26

BAB VII. Gas Ideal ...................................................................... 31

BAB VIII. Kalor Dan Kerja ......................................................... 35

BAB IX. Hukum Termodinamika 1, II ........................................ 39

BAB X. Kerja Dan Energi ........................................................... 43

BAB XI. Entropi Dan Entalpi ...................................................... 46

DAFTAR PUSTAKA ................................................................ 49

Page 9: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

ix

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1. Gelombang Transversal ................................................ 2

Gambar 2. Puncak Dan Lembah Gelombang ................................ 3

Gambar 3. Gelombang Longitudinal ............................................. 4

Gambar 4. Tegangan, Regangan, dan Modulus Elastisitas ........... 7

Gambar 5. Perbandingan Tegangan Terhadap Regangan

Untuk Baja Dan Aluminium ...................................... 9

Gambar 6. Tekanan Fluida ........................................................... 16

Gambar 7. HK. Pascal .................................................................. 17

Gambar 8. Alat Ukur Muai Panjang Musschenbroek .................. 21

Gambar 9. Alat Ukur Muai Ruang/

Muai Volume gelang s’Gravesande ........................... 24

Gambar 10. Perpindahan Panas pada Benda Padat ...................... 27

Gambar 11. Perpindahan Panas Secara Konveksi ........................ 29

Gambar 12 Perpindahan Panas Secara Konduksi,

Konveksi, dan Radiasi .............................................. 30

Gambar 13. Gesekan .................................................................. 36

Gambar 14. Benda Jatuh Bebas ................................................... 37

Gambar 15. Sebuah Sistem Termodinamika ............................... 39

Gambar 16. Perpindahan Benda .................................................. 43

Gambar 17. Energi Potensial ....................................................... 44

Page 10: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

x

DAFTAR TABEL

Tabel 1. Nilai Modulus Young Untuk Beberapa Jenis Bahan ........ 10

Tabel 2. Satuan Pengukuran ........................................................... 16

Page 11: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

1

BAB I

GETARAN DAN GELOMBANG

A. PENGERTIAN GETARAN DAN GELOMBANG a) Getaran Getaran adalah gerak bolak – bolik secara berkala melalui

suatu titik keseimbangan. Pada umumnya setiap benda dapat

melakukan getaran. Suatu benda dikatakan bergetar bila benda itu

bergerak bolak bolik secara berkala melalui titik keseimbangan

Atau :

b) Getaran adalah gerakan bolak-balik dalam suatu interval waktu

tertentu. Gelombang adalah suatu getaran yang merambat, selama

perambatannya gelombang membawa energi. Pada gelombang,

materi yang merambat memerlukan medium, tetapi medium tidak

ikut berpindah.

B. JENIS-JENIS GELOMBANG Walaupun terdapat banyak contoh gelombang dalam kehidupan kita,

secara umum hanya terdapat dua jenis gelombang saja, yakni gelombang

mekanik dan gelombang elektromagnetik. Pembagian jenis gelombang

ini didasarkan pada medium perambatan gelombang.

1) Gelombang Mekanik Gelombang mekanik merupakan gelombang yang membutuhkan

medium untuk berpindah tempat. Gelombang laut, gelombang tali atau

gelombang bunyi termasuk dalam gelombang mekanik. Kita dapat

menyaksikan gulungan gelombang laut karena gelombang menggunakan

laut sebagai perantara. Kita bisa mendengarkan musik karena gelombang

bunyi merambat melalui udara hingga sampai ke telinga kita. Tanpa

udara kita tidak akan mendengarkan bunyi. Dalam hal ini udara berperan

sebagai medium perambatan bagi gelombang bunyi.

a) Gelombang mekanik terdiri dari dua jenis, yakni gelombang

transversal (transverse wave) dan

b) gelombang longitudinal (longitudinal wave).

Gelombang Transversal Suatu gelombang dapat dikelompokkan menjadi gelombang

trasnversal jika partikel-partikel mediumnya bergetar ke atas dan ke

bawah dalam arah tegak lurus terhadap gerak gelombang. Contoh

gelombang transversal adalah gelombang tali. Ketika kita

Page 12: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

2

menggerakan tali naik turun, tampak bahwa tali bergerak naik turun

dalam arah tegak lurus dengan arah gerak gelombang. Bentuk

gelombang transversal tampak seperti gambar di bawah.

Gambar 1. Gelombang Transversal

Berdasarkan gambar di atas, tampak bahwa gelombang merambat

ke kanan pada bidang horisontal, sedangkan arah getaran naik-turun

pada bidang vertikal. Garis putus-putus yang digambarkan di tengah

sepanjang arah rambat gelombang menyatakan posisi setimbang medium

(misalnya tali atau air).

Page 13: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

3

Gambar 2. Puncak Dan Lembah Gelombang

Titik tertinggi gelombang disebut puncak sedangkan titik terendah

disebut lembah. Amplitudo adalah ketinggian maksimum puncak atau

kedalaman maksimum lembah, diukur dari posisi setimbang. Jarak dari

dua titik yang sama dan berurutan pada gelombang disebut panjang

gelombang (disebut lambda – huruf yunani). Panjang gelombang juga

bisa juga dianggap sebagai jarak dari puncak ke puncak atau jarak dari

lembah ke lembah.

Gelombang Longitudinal

Selain gelombang transversal, terdapat juga gelombang longitudinal.

Jika pada gelombang transversal arah getaran medium tegak lurus arah

rambatan, maka pada gelombang longitudinal, arah getaran medium

sejajar dengan arah rambat gelombang. Jika dirimu bingung dengan

penjelasan ini, bayangkanlah getaran sebuah pegas. Perhatikan gambar

di bawah…

Page 14: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

4

Gambar 3. Gelombang Longitudinal

Pada gambar di atas tampak bahwa arah getaran sejajar dengan

arah rambatan gelombang. Serangkaian rapatan dan regangan

merambat sepanjang pegas. Rapatan merupakan daerah di mana

kumparan pegas saling mendekat, sedangkan regangan merupakan

daerah di mana kumparan pegas saling menjahui. Jika gelombang

tranversal memiliki pola berupa puncak dan lembah, maka gelombang

longitudinal terdiri dari pola rapatan dan regangan. Panjang gelombang

adalah jarak antara rapatan yang berurutan atau regangan yang

berurutan. Yang dimaksudkan di sini adalah jarak dari dua titik yang

sama dan berurutan pada rapatan atau regangan (lihat contoh pada

gambar di atas).

Salah satu contoh gelombang logitudinal adalah gelombang suara

di udara. Udara sebagai medium perambatan gelombang suara, merapat

dan meregang sepanjang arah rambat gelombang udara. Berbeda dengan

gelombang air atau gelombang tali, gelombang bunyi tidak bisa kita lihat

menggunakan mata.

Beberapa contoh getaran yang dapat kita jumpai dalam kehidupan

sehari – hari antara lain :

• sinar gitar yang dipetik.

• bandul jam dinding yang sedang bergoyang.

• ayunan anak-anak yang sedang dimainkan.

Page 15: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

5

• mistar plastik yang dijepit pada salah satu ujungnya, lalu ujung lain

diberi simpangan dengan cara menariknya, kemudian dilepaskan

tarikannya.

• Pegas yang diberi beban.

C. ISTILAH DALAM GELOMBANG

a) Amplitudo adalah simpangan terbesar dihitung dari kedudukan

seimbang. Amplitudo diberi simbol A, dengan satuan meter (m).

b) Periode getaran adalah waktu yang digunakan dalam satu getaran

dan diberi simbol T.

c) Frekuensi getaran adalah jumlah getaran yang dilakukan oleh

sistem dalam satu detik, diberi simbol f.

d) EFEK DOPPLER adalah frekuensi yang didengar oleh pengamat

mengalami perubahan sacara tiba-tiba manakala sumber bunyi

(misal klakson mobil) bergerak mendekati atau menjauhi

menurut pengamat yang diam. Fenomena ini dikenal sebagai

Efek Doppler, yaitu perbedaan frekuensi yang diterima oleh

pendengar dengan frekuensi asli sumber getarnya relatif antara

pendengar dan sumber bunyi. Bila kedudukan antara pengamat

dan sumber saling mendekat, maka pengamat mendengar

frekuensi yang lebih tinggi, dan bila kedudukannya saling

menjauh maka pengamat mendengar frekuensi yang lebih rendah.

2) Gelombang Elektromagnetik

Gelombang elektromagnetik adalah gelombang yang dapat merambat

tanpa medium, misalnya gelombang radio, gelombang cahaya, Komputer

dan gelombang radar. Gelombang ini banyak mempengaruhi manusia

tanpa diketahui. Gelombang elektromagnetik dapat mempengaruhi

manusia manakala manusia bekerja dengan komputer, handphone dll.

Gelombang elektromagntik dapat memepengaruhi kesehatan manusia

baik lelaki maupun wanita. Gelombang elektromagnetik banyak

disebabkan oleh barang-barang yang terbuat dari elektronika.

Page 16: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

6

BAB II

ELASTISITAS

Elastisitas adalah kecenderungan bahan padat untuk kembali ke

bentuk aslinya setelah terdeformasi. Benda padat akan mengalami

deformasi ketika gaya diaplikasikan padanya. Jika bahan tersebut elastis,

benda tersebut akan kembali ke bentuk dan ukuran awalnya ketika gaya

dihilangkan.

Elastisitas sempurna hanya merupakan perkiraan dari yang

sebenarnya dan beberapa bahan tetap murni elastis bahkan setelah

deformasi yang sangat kecil. Dalam rekayasa, jumlah elastisitas suatu

material ditentukan oleh dua jenis parameter material. Jenis pertama

parameter material disebut modulus yang mengukur jumlah gaya per

satuan luas (stress) yang diperlukan untuk mencapai sejumlah deformasi

tertentu. Satuan modulus adalah pascal (Pa) atau pon gaya per inci

persegi (psi, juga lbf/in 2). Modulus yang lebih tinggi biasanya

menunjukkan bahwa bahan tersebut sulit untuk mengalami deformasi.

Tipe kedua parameter mengukur batas elastis. Batas dapat menjadi stres

luar di mana materi tidak lagi elastis atau deformasi luar di mana

elastisitas hilang.

Ketika menggambarkan elastisitas relatif dari dua bahan, baik

modulus dan batas elastis harus diperhitungkan. Karet biasanya memiliki

modulus rendah dan cenderung untuk meregang jauh (yaitu, mereka

memiliki batas elastis tinggi) dan tampak lebih elastis daripada logam

(modulus tinggi dan batas elastis rendah) dalam kehidupan sehari-hari.

Dari dua bahan karet dengan batas elastis yang sama, satu dengan

modulus yang lebih rendah akan tampak lebih elastis.

A. Elastisitas linear

Seperti disebutkan di atas, untuk deformasi kecil, bahan yang paling

elastis seperti pegas menunjukkan elastisitas linier dan dijelaskan oleh

hubungan linear antara tegangan dan regangan. Hubungan ini dikenal

sebagai hukum Hooke. Sebuah versi tergantung geometri ide pertama

kali dirumuskan oleh Robert Hooke pada tahun 1675 sebagai anagram

Latin, "ceiiinosssttuv". Ia menerbitkan jawabannya pada tahun 1678: "Ut

tensio, sic vis" yang berarti "Sebagai perpanjangan, sehingga kekuatan,

hubungan linear yang biasa disebut sebagai hukum Hooke. Hukum ini

dapat dinyatakan sebagai hubungan antara gaya F dan perpindahan x,

Page 17: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

7

di mana k adalah konstanta pegas. Dapat juga dituliskan sebagai

hubungan antara tegangan σ dan regangan :

dengan E adalah modulus elastisitas atau modulus Young.

B. Pengertian Tegangan, Regangan, dan Modulus Elastisitas

Gambar 4. Tegangan, Regangan, dan Modulus Elastisitas

1) Regangan.

Renggangan merupakan perubahan bentuk yang dialami sebuah

benda jika dua buah gaya yang berlawanan arah (menjauhi pusat benda)

dikenakan pada ujung-ujung benda.

2) Mampatan.

Mampatan adalah perubahan bentuk yang dialami sebuah benda

jika dua buah gaya yang berlawanan arah (menuju pusat benda)

dikenakan pada ujung-ujung benda.

3) Geseran.

Geseran adalah perubahan bentuk yang dialami sebuah benda

jika dua buah gaya yang berlawanan arah dikenakan pada sisi-sisi bidang

benda.

C. Tegangan (stress)

Tegangan (stress) pada benda, misalnya kawat besi, didefinisikan

sebagai gaya persatuan luas penampang benda tersebut. Tegangan diberi

simbol ζ (dibaca sigma). Secara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

(a) Normal (b) Regangan (c) Mampatan (d) Gesekan

Page 18: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

8

Keterangan:

F : besar gaya tekan/tarik (N)

A : luas penampang (m2)

ζ : tegangan (N/m2)

Bila dua buah kawat dari bahan yang sama tetapi luas

penampangnya berbeda diberi gaya, maka kedua kawat tersebut akan

mengalami tegangan yang berbeda. Kawat dengan penampang kecil

mengalami tegangan yang lebih besar dibandingkan kawat dengan

penampang lebih besar. Tegangan benda sangat diperhitungkan dalam

menentukan ukuran dan jenis bahan penyangga atau penopang suatu

beban, misalnya penyangga jembatan gantung dan bangunan bertingkat.

D. Regangan (strain) pada Devinisi Rumus

Regangan (strain) didefinisikan sebagai perbandingan antara

penambahan panjang benda ΔX terhadap panjang mula-mula X.

Regangan dirumuskan sebagai berikut.

Keterangan:

ε : regangan strain (tanpa satuan)

ΔX : pertambahan panjang (m)

X : panjang mula-mula (m)

Makin besar tegangan pada sebuah benda, makin besar juga

regangannya. Artinya, ΔX juga makin besar. Berdasarkan berbagai

percobaan di laboratorium, diperoleh hubungan antara tegangan dan

regangan untuk baja dan aluminium seperti tampak pada gambar berikut.

Page 19: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

9

Gambar 5. Perbandingan Tegangan Terhadap Regangan Untuk Baja

Dan Aluminium

Berdasarkan grafik pada gambar diatas, untuk tegangan yang sama,

misalnya 1 × 108 N/m

2, regangan pada aluminium sudah mencapai

0,0014, sedangkan pada baja baru berkisar pada 0,00045. Jadi, baja lebih

kuat dari aluminium. Itulah sebabnya baja banyak digunakan sebagai

kerangka (otot) bangunan-bangunan besar seperti jembatan, gedung

bertingkat, dan jalan layang.

E. Modulus Elastisitas (Modulus Young )

Selama gaya F yang bekerja pada benda elastis tidak melampaui

batas elastisitasnya, maka perbandingan antara tegangan (ζ) dengan

regangan (ε) adalah konstan. Bilangan (konstanta) tersebut dinamakan

modulus elastis atau modulus Young (E). Jadi, modulus elastis atau

modulus Young merupakan perbandingan antara tegangan dengan

regangan yang dialami oleh suatu benda. Secara matematis ditulis seperti

berikut.

Keterangan:

E : modulus Young (N/m2 atau Pascall)

Page 20: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

10

Tabel 1. Nilai Modulus Young Untuk Beberapa Jenis Bahan

Page 21: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

11

BAB III

HIDROSTATIS

A. Gaya Hidrostatika 1) Bila sebuah permukaan bidang tenggelam dalam fluida

(inkompresibel) maka gaya-gaya akan bekerja pada permukaan

karena fluida tersebut. Gaya tersebut dinamakan Gaya

Hidrostatika.

2) Penentuan gaya-gaya adalah sangat penting dalam perancangan:

tangki-tangki penyimpanan, kapal laut, bendungan dan struktur-

struktur hidrolik lainnya.

3) Pada fluida diam, gaya-gaya hidrostatika mempunyai arah tegak

lurus permukaan bidang, karena tidak ada tegangan geser.

4) Tekanan fluida (inkompresibel) akan berubah secara linier

menurut kedalamannya. p = γh

B. Macam-Macam Gaya Hidrostatika 1) Gaya hidrostatika pada permukaan bidang datar:

(1) Bidang horizontal

(2) Bidang vertikal

(3) Bidang miring (dengan kemiringan θ)

2) Gaya hidrostatika pada permukaan bidang lengkung:

(1) Gaya hidrostatika horizontal

(2) Gaya hidrostatika vertikal

(3) Gaya hidrostatika resultan

1. Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Datar Besarnya gaya hidrostatika resultan:

F = ρg hcgA = γhcgA

F = gaya hidrostatika resultan pada permukaan

ρ= rapat massa fluida

γ= berat jenis fluida

hcg = kedalaman/jarak pusat massa/titik berat bidang

dihitung dari permukaan fluida.

A = luas permukaan bidang

g = percepatan gravitasi

Page 22: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

12

2. Posisi Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Datar Posisi gaya hidrostatika pada bidang yang terbenam fluida (dengan

posisi kemiringan θterhadap horizontal) dihitung dari permukaan

fluida ( y cp) :

Ycp = (I cg/ycg A) + ycg

y cg = Posisi pusat massa bidang dari permukaan fluida dihitung

sejajar bidang yang terbenam fluida

I cg = Momen inersia/kelembaman luas bidang terhadap pusat

massa

A = Luas permukaan bidang yang terbenam fluida

3. Posisi Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Datar Bila bidang datar yang terbenam fluida dengan posisi vertikal/tegak

lurus permukaan fluida, maka posisi gaya hidrostatika (h cp) dihitung

dengan:

h cp= (I cg/h cgA) + h cg

h cp= posisi gaya hidrostatika dihitung secara vertikal

h cp= y cpsin θ

h cg= posisi pusat massa bidang yang terbenam fluida

h cg= y cgsin θ

Soal Latihan 1: Sebuah plat lingkaran berdiamater 1,50 meter dibenamkan ke dalam air

dengan posisi miring, bagian atas dan bagian bawah plat itu berturut-

turut terletak pada pada kedalaman 2 dan 3 meter.

(a) Berapakah gaya yang ditimbulkan oleh air pada salah satu sisi

plat itu?

(b) Berapakah kedalaman pusat tekanan itu?

Soal Latihan 2: Tentukan besar dan letak gaya resultan pada salah satu sisi sebuah pintu

air vertikal berbentuk persegi panjang dengan lebar 5 ft dan tinggi 10 ft

yang tepi bagian atasnya terletak 12 ft di bawah permukaan bebas air?

(a) Jika air tersebut diganti dengan fluida yang berbeda rapat

massanya berubahkah gaya tersebut?

Page 23: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

13

(b) Berubahkah juga letak gaya resultannya?

4. Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Lengkung 1) Banyak permukaan bidang yang terbenam fluida inkompresibel

bukan bidang datar tetapi berupa permukaan yang lengkung,

seperti misalnya: pipa-pipa, tangki dan juga bendungan air.

2) Gaya hidrostatika fluida resultan pada permukaan bidang

lengkung memang dapat ditentukan dengan integral seperti pada

permukaan bidang datar, tetapi merupakan proses yang

menjemukan karena tidak ada rumus-rumus yang tidak sederhana

yang berlaku umum. Oleh karena itu diperlukan pendekatan

alternatif.

5. Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Lengkung 1) Berdasarkan analisis pada permukaan bidang datar, gaya

hidrostatika mempunyai arah tegak lurus bidang datar tersebut.

Bagaimanakah kalau bidangnya berbentuk lengkung? Gaya

hidrostatik pada permukaan bidang lengkung akan banyak

jumlahnya dan mempunyai arah yang berbeda-beda. Hal ini

merupakan hal yang tidak sederhana.

2) Oleh karena itu gaya-gaya hidrostatika yang banyak jumlahnya

pada permukaan bidang lengkung tersebut akan disederhanakan

jumlah dan arahnya.

6. Analisis Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Lengkung Gaya-gaya statik yang bekerja pada permukaan bidang lengkung yang

terbenam fluida disederhanakan menjadi 2 (dua) yaitu:

(1) menurut komponen horizontal, dan

(2) menurut komponen vertikal.

7. Analisis Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Lengkung 1) Komponen horizontal (FH), sama dengan gaya yang dialami oleh

proyeksi permukaan lengkung tersebut pad sebuah bidang vertikal

(dalam hal besar dan titik kerjanya)

2) Komponen vertikal (FV), sama dengan berat dari volume fluida

yang menempati ruang tepat di atas permukaan bidang lengkung

sampai ke sebuah permukaan bebas bebas fluida dan bekerja pada

sentroid volume tersebut.

Page 24: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

14

8. Analisis Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Lengkung 1) Komponen horizontal gaya hidrostatika:

FH = γhcgA

2) Titik kerja gaya hidrostatika tersebut:

h cp= (I cg/h cgA) + h cg

9. Analisis Gaya Hidrostatika pada Permukaan Bidang Lengkung 1) Komponen vertikal gaya hidrostatika:

FV= W = m g = ρυg = ρg υ= ρg A (b)

Jadi:

FV= ρg A (b) = γg A (b)

FV = Komponen vertikal gaya hidrostatika

b = Lebar bidang lengkung yang terbenam fluida

A = Luas bidang lengkung yang terbenam fluida

ρ= Rapat massa fluida; Γ= berat jenis

g = Percepatan gravitasi

Soal Latihan 1: Berapakah gaya resultan per meter panjang yang dialami oleh sebuah

silinder bundar berdiameter 2 meter yang diletakkan secara horizontal

apabila kedalaman air adalah 2 meter pada sisi yang satu dan 1 meter

pada sisi yang lain ?

Soal Latihan 2: Saluran drainase dengan diameter 6 ft, separuhnya terisi air dalam

keadaan diam. Tentukan besarnya dan garis kerja gaya resultan yang

diberikan oleh air pada bagian lengkung sepanjang 1 ft pada dinding

saluran.

Page 25: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

15

BAB IV

DINAMIKA FLUIDA

Dinamika fluida adalah salah satu disiplin ilmu yang mengkaji

perilaku dari zat cair dan gas dalam keadaan diam ataupun bergerak dan

interaksinya dengan benda padat. Dinamika fluida sering dikatakan

sebagai persoalan fisika klasik terbesar yang belum terpecahkan.

Sesuatu yang dapat mengalir

A. Apakah fluida itu?

1) Cairan

2) Gas

3) Sesuatu yang dapat mengalir

4) Sesuatu yang dapat berubah mengikuti bentuk wadah

B. Keadaan Bahan

1) Padat

2) Cair

3) Gas

4) Plasma

C. Kerapatan

Kerapatan bahan yang komposisinya uniform

didefinisikan sebagai massa bahan per satuan volume:

Contoh:

ρ =

Contoh :

VBola, VSilinder, VKubus

- Kerapatan dari kebanyakan cairan dan padat tidak berubah secara

tajam dengan perubahan temperatur dan tekanan.

- Kerapatan dari gas berubah secara tajam dengan perubahan

temperatur dan tekanan.

Page 26: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

16

Tabel 2. Satuan Pengukuran

Satuan

SI Kg/m3

CGS

Kg/Cm3

(Kg/Cm3 = 1000

Kg/m3)

C. Tekanan

Tekanan dari fluida adalah perbandingan dari gaya yang diberikan

oleh fluida pada benda terhadap luas benda yang dikenai gaya.

P =

Satuan

SI Pa = N/m

Gambar 6. Tekanan Fluida

D. Prinsip Paskal

1) Tekanan yang diberikan pada suatu cairan yang tertutup

diteruskan tanpa berkurang ketiap titik dalam fluida dan

kedinding bejana.

Page 27: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

17

2) Dongkrak hidrolik adalah aplikasi yang penting dari Prinsip

Paskal

P =

3) Juga digunakan dalam rem hidrolik, pengangkat mobil dll.

Gambar 7. HK. Pascal

E. Prinsip Archimedes

Sebuah benda yang tenggelam seluruhnya atau sebagian dalam suatu

fluida diangkat ke atas oleh sebuah gaya yang sama dengan berat fluida

yang dipindahkan.

Penyebab fisis: perbedaan tekanan antara bagian atas dan bagian bawah

benda.

Prinsip Archimedes :

Untuk Benda Terendam

1) Gaya apung ke atas adalah B=ρfluidagVbenda

2) Gaya gravitasi ke bawah adalah w=mg=ρbendagVbenda

3) Gaya neto adalah B-w=(ρfluida-ρbenda)gVbenda

Page 28: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

18

Benda akan mengapung atau tenggelam, bergatung pada arah gaya

F. Persamaan Bernoulli

1) Menghubungkan tekanan dengan laju fluida dan ketinggian

2) Persamaan Bernoulli adalah konsekuensi darikekekalan energi

yang diaplikasikan pada fluida ideal

3) Asumsinya fluid incompressible, nonviskos, dan mengalir tanpa

turbulen

4) Menyatakan bahwa jumlah tekanan, energi kinetik per satuan

volume, dan energi potensial per satuan volume mempunyai nilai

yang sama pada semua titik sepanjang streamlin.

P +

ρV

2 + ρGY = Tetap

Page 29: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

19

BAB V

PEMUAIAN

A. Pemuaian Panas

Pemuaian panas adalah perubahan suatu benda yang bisa menjadi

bertambah panjang, lebar, luas, atau berubah volumenya karena terkena

panas (kalor). Singkatnya, pemuaian panas adalah perubahan benda yang

terjadi karena panas. Pemuaian tiap-tiap benda akan berbeda, tergantung

pada suhu di sekitar dan koefisien muai atau daya muai dari benda

tersebut. Perubahan panjang akibat panas ini, sebagai contoh, akan

mengikuti:

di mana

adalah panjang pada suhu t,

adalah panjang pada suhu awal,

adalah koefisien muai panjang / kofisien muai linier, dan

adalah besarnya perubahan suhu.

Suatu benda akan mengalami muai panjang apabila benda itu

hanya memiliki (dominan dengan) ukuran panjangnya saja. Muai luas

terjadi pada benda apabila benda itu memiliki ukuran panjang & lebar,

sedangkan muai volum terjadi apabila benda itu memiliki ukuran

panjang, lebar, & tinggi.

di mana

adalah luas (Area) pada suhu t,

adalah luas pada suhu awal,

( 2 kali ) adalah koefisien muai luas, dan

adalah besarnya perubahan suhu.

Dan untuk perubahan volum:

Page 30: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

20

di mana

adalah volum pada suhu t,

adalah volum pada suhu awal,

( 3 kali ) adalah koefisien muai volum, dan

adalah besarnya perubahan suhu.

B. Pemuaian Zat Padat

Hampir semua zat padat akan memuai jika dipanaskan. Setiap benda

padat yang dipanaskan akan mengalami pemuaian panjang, pemuaian

luas dan pemuaian volume. Pemuaian itu dapat berupa bertambah

panjang (linear), bertambah luas, atau bertambah volumenya. Hal ini

karena partikel-partikel benda akan bergerak lebih cepat jika suhunya

dinaikkan. Karena gerakan inilah partikel membutuhkan ruang yang

lebih luas untuk bergerak. Akibatnya, volume zat padat tersebut

bertambah besar.

Pemuaian zat padat dapat ditinjau dari pemuaian panjang, pemuaian

luas, dan pemuaian volume. Pemuaian zat padat terjadi karena bedan

padat tersebut mengalami perubahan suhu dari suhu rendah ke

tinggi. Besarnya pemuaian zat padat tergantung dari koefisien muai dari

benda padat tersebut.

C. Jenis Pemuaian Pada Zat Padat

Muai panjang berbagai macam benda padat dapat diselidiki dengan

alat Musschenbroek. Jika batang logam yang dipasang pada alat

Musschenbroek dipanaskan maka batang logam akan bertambah

panjang. Namun, pertambahan panjang batang logam yang satu dengan

yang lain berbeda. Artinya, tingkat pemuaian logam-logam tersebut juga

berbeda. Logam yang paling besar pemuaiannya akan mendorong jarum

penunjuk hingga berputar paling jauh, sedangkan logam yang

pemuaiannya paling kecil akan mendorong jarum penunjuk berputar

paling dekat. Jika digunakan batang logam aluminium, baja, dan besi

maka logam aluminium memuai paling besar, sedangkan besi adalah

logam yang memuai paling kecil.

Page 31: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

21

Gambar 8. Alat Ukur Muai Panjang Musschenbroek

Alat Musschenbroek dapat menunjukkan

a. pemuaian dan pertambahan panjang zat padat jika dipanaskan;

b. pemuaian zat padat tergantung pada jenis zat padat itu;

c. pemuaian zat padat sebanding dengan kenaikan suhunya.

1) Koefisien Muai Panjang

Untuk memahami koefisien muai panjang zat padat, mari kita

perhatikan uraian berikut ini.

Sebatang tongkat tembaga pada suhu 0oC panjangnya 10 m. Jika

tongkat tembaga tersebut dipanaskan sampai 100oC maka panjangnya

menjadi 10,017 m. Berapakah pertambahan panjang tembaga jika

Page 32: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

22

suhunya hanya naik 1oC? Pada suhu 0

oC, panjang tembaga 10 m (l0),

pada suhu 100oC (t) panjangnya 10,017 m (lt).

Pertambahan panjang 10 m tembaga jika suhu naik dari 0oC – 100

oC

= 10,017 m – 10 m

= lt – l0

Pertambahan panjang 10 m tembaga jika suhu naik dari 0oC – 1

oC

Pertambahan panjang 1 m tembaga jika suhunya naik dari 0oC – 1

oC

adalah

Pertambahan panjang 1 m benda tiap kenaikan suhu 1oC ini disebut

koefisien muai panjang (α). Jadi, koefisien muai panjang suatu benda

adalah bilangan yang menunjukkan pertambahan panjang suatu benda

tiap satuan panjang jika suhu benda tersebut naik 1oC. Dengan demikian,

jika dinyatakan bahwa koefisien muai panjang tembaga adalah

0,000017/oC maka berarti setiap 1 meter tembaga yang suhunya

dinaikkan 1oC akan bertambah panjang 0,000017 meter. Jika ditulis

dalam persamaan maka :

atau dapat juga dituliskan dalam bentuk

Sebatang tongkat logam pada suhu t1 panjangnya l1 dan pada suhu t2

panjangnya l2. Dengan proses matematika dapat diperoleh persamaan

sebagai berikut.

Page 33: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

23

Satuan koefisien muai panjang ini adalah …/oC atau …/K.

Tabel 3. Koefisien Muai Panjang Zat Padat

2) Muai Luas Zat Padat

Pemuaian dalam zat padat sebenarnya terjadi ke semua arah, yaitu

memanjang, melebar, dan menebal. Namun, pengukuran pemuaian

panjang pada benda padat sudah dianggap cukup memadai untuk

mewakili pemuaian luas. Misalnya, menghitung pemuaian luas sebuah

benda yang berupa lembaran tipis berbentuk persegi panjang dengan

menghitung terlebih dahulu muai panjang dan muai lebarnya dengan

persamaan yang berlaku pada pemuaian panjang.

Jika pada suhu t1 luas benda adalah A1 dan pada suhu t2 luasnya

A2 maka berlaku persamaan muai luas dengan pendekatan sebagai

berikut.

A2 = A1 {1+2α (t2-t1)}

Atau

A2 = A1 {1+β (t2-t1)}

A2 = A1 {1+β . Δt}

β = 2α

β = koefisien muai luas

Page 34: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

24

Persamaan di atas cukup memadai untuk menghitung persoalan

sederhana sehubungan dengan pemuaian luas benda padat (terutama

untuk benda-benda padat dengan koefisien muai panjang yang kecil).

Koefisien muai luas zat padat adalah bilangan yang menunjukkan

pertambahan luas suatu benda tiap satuan luas jika suhunya naik 1oC.

a) Muai Ruang / Muai Volume Zat Padat Masih ingatkah kita, muai apa yang terjadi pada benda yang

berbentuk pipa dan berbentuk keping? Bagaimana pada benda yang

berbentuk bola? Untuk membuktikan adanya muai ruang pada benda

yang berbentuk bola dapat menggunakan alat s’Gravesande.

Jika bola dipanaskan, bola memuai, volumenya bertambah besar

sehingga tidak dapat masuk ke dalam gelang. Setelah beberapa saat,

gelang ikut panas dan bola dapat masuk kembali ke dalam gelang. Itu

berarti, panas pindah dari bola ke gelang dan diameter gelang membesar.

Gambar 9. Alat Ukur Muai Ruang/Muai Volume gelang s’Gravesande

Dengan gelang s’Gravesande dapat dibuktikan bahwa

a. zat padat jika dipanaskan akan memuai dan volumenya

bertambah besar;

b. pemuaian benda berongga akan memperbesar rongganya (arah

pemuaiannya kel uar rongga);

c. panas dapat berpindah dari satu benda ke benda lainnya.

Page 35: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

25

Pemuaian volume zat tergantung jenis zat padatnya. Sebuah benda padat

pada suhu 0oC volumenya V0, pada suhu t

oC, volumenya Vt.

Pertambahan volume tiap satuan suhu benda padat adalah sebesar :

Bilangan yang menunjukkan pertambahan volume suatu benda tiap

satuan volume jika suhunya naik 1oC disebut koefisien muai ruang (γ).

Jadi,

Persamaan di atas dapat diubah menjadi persamaan berikut ini.

Vt = V0 (1 + γt)

Jika volume zat padat pada t1 adalah V1 dan volume pada t2 adalah V2

maka berlaku

Untuk zat padat yang angka muainya sangat kecil, berlaku persamaan

V2 = V1 {1 + γ (t2-t1)}

V2 = V1 {1 + γ Δt}

Hubungan antara koefisien muai ruang (γ) dengan koefisien muai

panjang (α) dapat dinyatakan dalam persamaan sebagai berikut.

γ = 3α

Pada konstruksi jembatan, pada setiap sambungan diberikan ruang

kosong (spasi) yang berfungsi untuk menghindari tekanan antara bagian

jembatan dengan jalan akibat terjadinya pemuaian zat padat.

Page 36: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

26

BAB VI

PERPINDAHAN PANAS

A. Perpindahan panas Perpindahan panas adalah salah satu dari displin ilmu teknik termal

yang mempelajari cara menghasilkan panas, menggunakan panas,

mengubah panas, dan menukarkan panas di antara sistem fisik.

Perpindahan panas diklasifikasikan menjadi konduktivitas termal,

konveksi termal, radiasi termal, dan perpindahan panas melalui

perubahan fasa.

1) Konduksi termal adalah pertukaran mikroskopis langsung dari

energi kinetik partikel melalui batas antara dua sistem. Ketika

suatu objek memiliki temperatur yang berbeda dari benda atau

lingkungan di sekitarnya, panas mengalir sehingga keduanya

memiliki temperatur yang sama pada suatu titik kesetimbangan

termal. Perpindahan panas secara spontan terjadi dari tempat

bertemperatur tinggi ke tempat bertemperatur rendah, seperti

yang dijelaskan oleh hukum kedua termodinamika.

a) Konduksi termal. Pada skala mikroskopik, konduksi panas

muncul sebagai "rasa panas", atom yang bergetar atau

berpindah sedemikian cepat berinteraksi dengan atom dan

molekul sekelilingnya sehingga memindahkan sejumlah energi

mereka ke partikel di sekelilingnya. Dengan kata lain, panas

dipindahkan dengan konduksi ketika atom yang saling

berdampingan menggetarkan satu sama lain, atau ketika

elektron berpindah dari satu atom ke atom lain. Konduksi

adalah bentuk perpindahan panas paling umum pada benda

padat pada kontak termal. Fluida-terutama gas-kurang

konduktif. Konduktansi kontak termal adalah studi konduksi

panas antara benda padat yang saling bersentuhan.

b) Konduksi steady state (lihat hukum Fourier) adalah bentuk

konduksi yang terjadi ketika perbedaan temperatur yang

terjadi pada konduksi berlangsung spontan, maka setelah

waktu kesetimbangan, distribusi spasial temperatur pada

benda terkonduksi tidak berubah-ubah lagi. Pada konduksi

steady state, jumlah panas yang memasuki suatu bagian sama

dengan jumlah panas yang keluar.

c) Konduksi transient (lihat persamaan panas) muncul ketika

temperatur objek berubah sebagai fungsi waktu. Analisis pada

Page 37: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

27

sistem transient lebih kompeks dan sering dipakai untuk

aplikasi dari analisis numerik oleh komputer.

Dasar : Hukum Fourier

Gambar 10. Perpindahan Panas pada Benda Padat

2) Konveksi terjadi ketika aliran bahan curah atau fluida (gas atau

cairan) membawa panas bersama dengan aliran materi. Aliran

Page 38: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

28

fluida dapat terjadi karena proses eksternal, seperti gravitasi atau

gaya apung akibat energi panas mengembangkan volume fluida.

Konveksi paksa terjadi ketika fluida dipaksa mengalir

menggunakan pompa, kipas, atau cara mekanis lainnya.

a) Perpindahan panas konveksi atau konveksi adalah

perpindahan panas dari satu tempat ke tempat lain karena

adanya perpindahan fluida, proses perpindahan panas melalui

perpindahan massa. Gerak serempak fluida menambah

perpindahan panas pada banyak kondisi, seperti misalnya

antara permukaan solid dan permukaan fluida. Konveksi

adalah perpindahan panas yang umum pada cairan dan gas.

b) Konveksi bebas muncul ketika gerak fluida disebabkan oleh

gaya apung yang berasal dari perbedaan massa jenis akibat

perbedaan temperatur di dalam fluida. Konveksi tak bebas

adalah istilah yang digunakan ketika aliran di dalam fluida

diinduksi oleh benda eksternal, seperti kipas, pengaduk, dan

pompa, sehingga menyebabkan konveksi induksi buatan.

c) Pendinginan atau pemanasan konveksi di banyak kasus dapat

dijelaskan oleh Hukum Newton tentang pendinginan:

"Kecepatan hilangnya panas pada benda sebanding dengan

perbedaan temperatur antara benda tersebut dengan

lingkungannya." Meskipun begitu, dari definisinya, hukum

Newton tentang pendinginan ini membutuhkan kecepatan

panas hilang yang membentuk garis linear pada grafik fungsi

("sebanding dengan"). Padahal, secara umum, konveksi tidak

pernah membentuk gradien garis lurus. Maka, hukum

Newton tidak berlaku.

Dasar : Hukum Newton

Page 39: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

29

Gambar 11. Perpindahan Panas Secara Konveksi

3) Evaporasi (penguapan) Dalam pemindahan panas yang didasarkan pada evaporasi,

sumber panas hanya dapat kehilangan panas. Misalnya panas

yang dihasilkan oleh tubuh manusia, kelembaban dipermukaan

kulit menguap ketika udara melintasi tubuh.

4) Radiasi termal terjadi melalui ruang vakum atau medium

trasparan. Energi ditransfer melalui foton dalam gelombang

eltromagnetik.

a) Radiasi termal adalah energi yang dilepaskan oleh benda

sebagai gelombang elektromagnetik, karena adanya

tumpukan energi termal pada semua benda dengan suhu di

atas nol mutlak.

b) Radiasi termal muncul sebagai akibat perpindahan acak dari

atom dan molekul benda. Karena atom dan molekul ini terdiri

dari partikel bermuatan (proton dan elektron), pergerakan

mereka menghasilkan pelepasan radiasi elektromagnetik yang

membawa energi.

c) Radiasi dari matahari dapat digunakan untuk panas dan

tenaga listrik. Tidak seperti konduksi dan konveksi, radiasi

termal dapat dikumpulkan di sebuah titik kecil menggunakan

kaca pemantul, kemudian dimanfaatkan untuk pembangkit

listrik solar.

Page 40: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

30

Dasar : Hukum Stefan-Boltzman

Gambar 12 Perpindahan Panas Secara Konduksi, Konveksi, dan Radiasi

Page 41: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

31

BAB VII

GAS IDEAL

1. Pengertian Gas Ideal Seperti yang telah diketahui fase zat ada tiga yaitu padat, cair dan

gas. Udara merupakan contoh dari fase gas. Gas ideal merupakan

kumpulan dari partikel-partikel suatu zat yang jaraknya cukup jauh

dibandingkan dengan ukuran partikelnya. Partikel-partikel itu selalu

bergerak secara acak ke segala arah. Pada saat partikel-partikel gas ideal

itu bertumbukan antar partikel atau dengan dinding akan terjadi

tumbukan lenting sempurna sehingga tidak terjadi kehilangan

energi. Apa yang dinamakan gas monoatomik? mono berarti satu atomik

berarti atom. Jadi gas monoatomik berarti gas yang partikel-partikelnya

berupa atom tunggal. Contoh gas monoatomik adalah gas helium, neon,

dan argon. Sebenarnya ada gas yang lain, seperti gas diatomik; oksigen

(O2), Nitrogen (N2), dan ada lagi gas triatomik; Karbondioksida

(CO2) dan uap air (H2O). Untuk mengetahui sifat-sifat lain tentang gas

monoatomik dapat kalian cermati penjelasan berikut.

2. Persamaan Umum Gas

Pernah melihat atau mendengar alat masak Preswere Cooler (Presto).

Alat tersebut digunakan untuk memasak dengan memanfaatkan tekanan

gas. Tekanan gas dapat diatur dengan mengatur suhu dan

volumenya. Dari penjelasan ini dapat diketahui bahwa gas

memiliki besaran-besaran diantaranya adalah tekanan P, volume V dan

suhu T. Hubungan ketiga besaran inilah yang dipelajari dalam bagian ini.

a. Hukum Boyle – Guy Lussac Keadaan tekanan, volume dan suhu gas dimulai penjelasannya oleh

Boyle. Boyle mengalami keadaan gas yang suhunya tetap. Pada saat gas

ditekan ternyata volumenya mengecil dan saat volumenya

diperbesar tekanannya kecil. Keadaan di atas menjelaskan bahwa pada

suhu yang tetap tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya.

Persamaan di atas yang kemudian dikenal sebagai hukum Boyle.

Keadaan berikutnya dijelaskan oleh Guy Lussac. Menurut Guy Lussac,

pada gas yang tekanannya tetap maka volumenya akan sebanding

dengan suhunya. Jika ada gas dalam ruang tertutup dengan P = tetap

Page 42: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

32

dipanaskan maka volumenya akan berubah. Persamaan yang

dapat menggambarkan keadaan perubahan P, V dan T (tidak ada yang

tetap). Persamaan gabungan itulah yang dinamakan hukum Boyle-Guy

Lussac. Persamaannya dapat kalian lihat di bawah.

b. Persamaan umum gas

Kalian tentu sering melihat balon yang ditiup. Meniup balon berarti

menambah jumlah partikel. Pada saat itu volume benda akan bertambah.

Berarti jumlah partikel sebanding dengan volumenya.

Contoh kedua adalah saat memompa ban dalam roda sepeda atau mobil.

Saat dipompa berarti jumlah partikelnya bertambah. Pertambahan itu

dapat memperbesar tekanan sedangkan volume dan suhu tetap.

Dari penjelasan itu terlihat bahwa sebanding dengan jumlah partikelnya.

Pembandingnya dinamakan konstanta Stefan-Boltzmann, dan

disimbolkan k.

Dengan :

P = tekanan gas (N/m2 atau Pa)

V = volume gas (m3)

T = suhu gas (K)

N = jumlah partikel

k = 1,38 . 10-23

J/K

3. Azas Ekuipartisi

Setiap gas mengandung partikel-partikel yang selalu bergerak.

Mengapa selalu bergerak? Partikel-partikel itu dapat bergerak karena

memiliki energi. Energinya dinamakan energi kinetik.

―Jika pada gas berlaku hukum Newton maka semua derajat kebebasan

gerak partikel akan menyumbang energi kinetik sebesar 1/2 kT.‖

Page 43: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

33

Dengan :

=energi kinetik rata-rata partikel (joule)

T = suhu gas (K)

f = derajat kebebasan

k = ketetapan Baltzum.

Aturan di atas itulah yang dikenal sebagai Azas ekuipartisi atau azas

bagi rata.

a. Energi gaya monoatomik

Partikel-partikel gas monoatomik memiliki tiga derajat

kebebasan. Berarti energi kinetik rata-rata partikelnya memenuhi

persamaan berikut.

Dalam sejumlah gas dapat mengandung banyak partikel (N partikel).

Setiap partikel tersebut memiliki energi, jumlah semua energi kinetik

partikel-partikel itu dinamakan energi dalam gas dan disimbulkan U

sesuai persamaan berikut.

b. Kecepatan efektif

adalah nilai rata-rata kecepatan partikel kuadrat. Jika diakarkan akan

mendapatkan nilai yang dinamakan road mean square velsiti (vrms). Nilai

akar rata-rata kuadrat dalam bahasa Indonesia dikenal sebagai nilai

efektif. Jadi

Dengan :

vef = kecepatan efektif partikel

T = suhu gas (K)

m = massa partikel (kg)

k = 1,38 . 10-23

J/K

Page 44: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

34

Konstanta gas (disebut juga konstanta gas ideal, molar, semesta,

atau universal, biasanya dilambangkan dengan huruf R) adalah sebuah

konstanta fisika yang sering muncul dalam banyak persamaan

fundamental fisika, seperti hukum gas ideal dan persamaan Nernst.

Konstanta ini ekuivalen dengan konstanta Boltzmann, tetapi dinyatakan

dalam satuan energi per kelvin per mol (daripada energi per kelvin per

partikel).

Harganya adalah:

R = 8.314472(15) J · K-1

· mol-1

Konstanta gas didapatkan dari persamaan keadaan paling

sederhana, hukum gas ideal, sebagai berikut:

dengan:

adalah tekanan absolut

adalah temperatur absolut

adalah volume "ruang" yang ditempati adalah jumlah gas (jumlah

molekul gas, biasanya dalam mol)

Vm adalah volume molar

4. Hubungan Dengan Konstanta Boltzmann

Konstanta Boltzmann kB (kadang disingkat k) dapat digunakan

sebagai konstanta gas ideal dengan menghitung jumlah partikel, N,

daripada jumlah substansi, n, dengan:

dengan NA adalah konstanta Avogadro. Sebagai contoh, hukum gas ideal

dengan menggunakan konstanta Boltzmann adalah :

dengan N adalah jumlah partikel/molekul.

Page 45: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

35

BAB 8

KALOR DAN KERJA

A. USAHA alias KERJA Sejauh ini kita sudah berkenalan dengan dua jenis gerakan, yakni

gerak translasi (gerak lurus, gerak parabola dkk) dan gerak rotasi.

Dengan demikian, kita bisa mengelompokkan kerja menjadi dua bagian,

yakni kerja dalam gerak translasi dan kerja dalam gerak rotasi.

B. Kerja Dalam Gerak Translasi Dalam gerak translasi, kerja didefinisikan sebagai hasil kali antara

perpindahan dengan komponen gaya yang searah dengan perpindahan.

Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

Keterangan :

W = Usaha alias kerja

F = gaya

s = perpindahan = perpindahan linear

Apabila benda yang dikenai gaya tidak mengalami perpindahan (s = 0),

maka usaha alias kerja = 0. Demikian juga, apabila arah gaya tegak lurus

arah perpindahan (teta = 90o. Cos 90

o = 0), maka usaha alias kerja = 0.

Usaha hanya memiliki besar dan tidak mempunyai arah, karenanya

termasuk besaran skalar. Walaupun gaya dan perpindahan termasuk

besaran vektor tetapi usaha merupakan besaran skalar karena diperoleh

dari perkalian skalar.

C. Hubungan Antara Usaha Dengan Energi Usaha alias kerja berkaitan erat dengan energi. Untuk memahami hal

ini, gurumuda menggunakan contoh saja… Misalnya dirimu mendorong

sepeda motor yang lagi mogok. Sepeda motor bisa bergerak sejauh jarak

tertentu (s) akibat adanya gaya dorong (F). Dalam hal ini, sepeda motor

bisa bergerak karena dirimu melakukan usaha alias kerja pada sepeda

motor tersebut. Ingat : Usaha alias kerja = W = Gaya dorong (F) x

Perpindahan (s). Nah, ketika mendorong sepeda motor, dirimu kelelahan

alias cape juga khan ? Hal itu disebabkan karena energi potensial kimia

dalam tubuhmu berkurang. Sebagian energi potensial kimia dalam

tubuhmu dipindahkan ke sepeda motor tersebut. Ketika bergerak, sepeda

motor juga punya energi (energi kinetik = EK = ½ mv2. m = massa

motor, v = kecepatan motor). Kita bisa mengatakan bahwa ketika dirimu

Page 46: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

36

melakukan usaha alias kerja pada motor, energi dalam tubuhmu

dipindahkan pada sepeda motor.

Bisa disimpulkan bahwa usaha alias kerja merupakan proses

perpindahan energi melalui cara-cara mekanis (mekanis berhubungan

dengan gerak menggerak)

D. Hubungan antara KERJA, PANAS, dan ENERGI

Jika gaya F beraksi pada sebuah balok yang bergeser diatas

permukaan tanpa gesekan, maka

Gambar 13. Gesekan

Fdt

vdM maka

Fdt

dvM

Permukaan licin

tanpa gesekan

X

Massa M

Massa M

X1 X2

Gaya F

Fdt

vdM maka F

dt

dvM

dimana v = kecepatan massa dalam arah x

vdx

dvM

dt

dx

dx

dvM

dt

dvMF

sehingga MvdvFdx

integrasi kedua sisi dari posisi balok 1 ke 2

2

1

2

1

vdvMFdx jadi KEW2

Mv

2

MvFdx 21

11

22

2

1

Fdx adalah energi yang dipakai untuk memindahkan balok

kerja yang terjadi W1-2 dilakukan oleh F

Page 47: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

37

Gambar 14. Benda Jatuh Bebas

Benda Jatuh Bebas

F=mg

Massa

m

Massa

m

h1

y

h2

2

1

21

2

1

21 hhmgdymgydFW

Gravitasi memiliki potensial untuk melakukan kerja dan kuantitasnya

mgh adalah sesuatu yang disebut sebagai Energi Potensial.

Kerja yang dihasilkan oleh resultan gravitasi dalam jatuhnya obyek

dalam energi potensial adalah KEW 21

seperti contoh sebelumnya.

KEPE2

mv

2

mvhhmg

21

22

21

Massa PE dikonversikan ke KE melalui kerja yang diakibatkan oleh gravitasi.

Page 48: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

38

Melalui devinisi sebuah sifat keadaan yang dievaluasi pada suatu waktu

tertentu dan bebas dari proses, maka kerja adalah bukan sifat-sifat

sistem.

Sifat diferensial “exact” tergantung uraian prosesnya seperti

12

2

1

EEdE

diferensial dari kerja adalah “inexact” integral yang diikuti tak dapat

dievaluasi tanpa mengetahui rincian proses

WW

2

1

laju transfer energi oleh kerja disebut daya (power) dan disingkat dengan

W secara umum; vFW

dan kerja yang timbul selama waktu

tertentu adalah

dtvFdtWW

2

1

2

1

dimana v adalah kecepatan

E. Transfer Energi oleh Kerja

Umumnya, kerja yang terjadi dievaluasi menggunakan

persamaan

sdFW

2

1

21

Kerja adalah energi yang dipindahkan rerata, dimana tidak peduli

apakah ditransfer atau disimpan dalam sistem.

Harga W1

2 tergantung rincian interaksi yang diambil antara sistem

dan sekeliling lingkungannya selama proses seperti F(s), dan tidak

hanya keadaan awal dan akhir saja.

Page 49: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

39

BAB 9

HUKUM TERMODINAMIKA 1, II

Termodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari

energi (terutama energi panas) dan transformasinya. Dalam kajian

termodinamika, terdapat hukum-hukum yg mengatur perilaku

termodinamis antara sistem dan lingkungan yg dinamakan hukum

termodinamika. Bagaimana bunyi hukum termodinamika tersebut?

Berikut ini akan kami berikan Bunyi Hukum Termodinamika I dan II.

A. Hukum I Termodinamika Apabila sistem gas menyerap kalor dari lingkungan sebesar Q1,

maka oleh sistem mungkin akan diubah menjadi :

1) usaha luar (W) dan perubahan energi dalam ( Δ U),

2) energi dalam saja (U), dan

3) usaha luar saja (W).

Secara sistematis, peristiwa di atas dapat dinyatakan sebagai:

Gambar 15. Sebuah Sistem Termodinamika

Q = W + U

Persamaan ini dikenal sebagai persamaan untuk hukum I

Termodinamika. Bunyi hukum I Termodinamika adalah “Energi tidak

dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah

bentuknya saja.” Berdasarkan uraian tersebut terbukti bahwa kalor (Q)

Page 50: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

40

yg diserap sistem tidak hilang. Oleh sistem, kalor ini akan diubah

menjadi usaha luar (W) dan atau penambahan energi dalam.

Perubahan energi dalam ΔUdari sebuah sistem hanya tergantung

pada transfer panas ke dalam sistem (Q) dan kerja yang dilakukan oleh

sistem (W) dan tidak tergantung pada proses yang terjadi

ΔU = Q – W

a) Bentuk persamaan diferensial dari Hk. Termodinamika ke-1 :

dU = dQ-dW

b) U menunjukkan sifat dari sebuah sistem, sedangkan W dan Q tidak

c) W dan Q bukan fungsi variabel keadaan, tetapi termasuk dalam proses

termodinamika yang dapat merubah suatu keadaan ke keadaan lainnya

d) U merupakan fungsi variabel keadaan (P, V, T, n)

Laju Aliran Energi

=

-

Dimana :

dU/dt : laju perubahan energi dalam dari sistem

dQ/dt : laju transfer panas ke dalam sistem

dW/dt : laju kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungan

B. Hukum II Termodinamika Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal,

tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat

berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda

dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan

memenuhi hukum kekekalan energi. Namun, kenyataannya tidak

demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda

menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat

bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat

bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah

menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi.

Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan

sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi

Page 51: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

41

menumbuk tanah, mungkinkah energy ini akan berubah menjadi energi

kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola

besi dapat naik.

Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan

sampai meleleh sekalipun. Hal ini menunjukkan proses perubahan

bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak

dapat dibalik. Proses yg tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses

irreversibel. Proses yg dapat dibalik arahnya dinamakan proses

reversibel. Peristiwa di atas mengilhami terbentuknya hukum II

termidinamika. Hukum II termodinamika membatasi perubahan

energi mana yg dapat terjadi dan yg tidak dapat terjadi. Pembatasan ini

dapat dinyatakan dgn berbagai cara, antara lain :

1) Bunyi :hukum II termodinamika dalam 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 II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor“.

Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yg bekerja dalam

suatu siklus yg semata-mata menyerap kalor dari sebuah

reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar”;

3) hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total

entropi semesta tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan

bertambah ketika proses ireversibel terjadi”.

Hukum ini berbunyi: “Ada batas tertentu dari jumlah energi

mekanik, yang diperoleh dari sejumlah energi panas”.

Pada umumnya perubahan yang terjadi di alam disertai dengan perubahan

energi. Dalam proses perubahan energi ini ada dua aspek penting, yaitu

arahpemindahan energi dan pengubahan energi dari satu bentuk ke bentuk yang

lain.Walaupun hukum pertama termodinamika menetapkan hubungan antara

kalor yangdiserap dengan kerja yang dilakukan oleh sistem, tetapi hukum ini

tidak menunjukkanbatas-batas mengenai sumber maupun arah aliran

energi.Hukum kedua termodinamika dirumuskan untuk menyatakan

pembatasan-pembatasan yang berhubungan dengan pengubahan kalor menjadi

kerja, dan jugauntuk menunjukkan arah perubahan proses di alam. Dalam

bentuknya yang palingumum, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan

mempergunakan suatu fungsi keadaan yang disebut entropi.

Hukum termodinamika ini telah dinyatakan oleh Claussius dalam

bentuk yang sedikit berbeda: “adalah tidak mungkin bagi mesin yang

bekerja sendiri bekerja dalam proses siklik, untuk mentransfer panas dari

benda dengan temperatur lebih rendah ke benda dengan temperatur yang

Page 52: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

42

lebih tinggi, tanpa adanya bantuan pihak luar”. Atau dengan kata lain,

panas tidak bisa mengalir dengan sendirinya dari benda dingin ke benda

panas tanpa bantuan pihak eksternal.

Hukum ini juga dinyatakan oleh Kelvin-Planck sebagai: “adalah

tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam proses siklik yang

tujuan tunggalnya untuk mengkonversi energi panas ke energi kerja”.

Dengan kata lain, tidak ada mesin panas sebenarnya, bekerja dalam

proses siklik, bisa merubah energi panas yang diberikan menjadi kerja

mekanik. Artinya terjadi penurunan energi dalam proses menghasilkan

kerja mekanik dari panas. Berdasarkan pernyataan ini, hukum kedua

termodinamika kadang-kadang disebut sebagai hukum degradasi energi.

Jika ∆S as ialah perubahan entropi yang terjadi di alam semesta, maka

bagi setiap proses spontan berlaku, ∆S as > 0. Dengan memandang alam

semesta itu sebagai sistem dan lingkungan, maka dapatpula dikatakan bahwa

untuk semua proses spontan berlaku,

∆S Sistem + ∆S lingkungan > 0

Dengan ∆S sistem ialah perubahan entropi sistem dan ∆S lingkungan ialah

perubahan entropi lingkungan.

Page 53: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

43

BAB 10

KERJA DAN ENERGI

A. Usaha dan Energi

a. Usaha

1) Menyatakan hubungan antara gaya dan energi

2) Energi menyatakan kemampuan melakukan usaha

3) Usaha, W, yang dilakukan oleh gaya konstan pada sebuah benda

didefinisikan sebagai perkalian antara komponen gaya sepanjang

arah perpindahan dengan besarnya perpindahan

W = (F cos Q ) x

- (F cos ') komponen dari gaya sepanjang arah perpindahan.

- x adalah besar perpindahan.

Gambar 16. Perpindahan Benda

b. Energi Kinetik

_ Energi diasosiasikan dengan gerak sebuah benda

_ Besaran skalar, satuannya sama dengan usaha

_ Kerja berhubungan dengan energi kinetik

_ Misalkan F adalah sebuah gaya konstan:

Wnet = Fs (ma)s, sedangkan :

Page 54: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

44

V2 = Vo

2+ 2a.S a.S =

Sehingga :Wnet = m{

} =

Besaran ini disebut Energi Kinetik : Ek = =

c. Usaha-Energi Kinetik

Ketika usaha dilakukan oleh gaya neto pada sebuah benda dan benda

hanya mengalami perubahan laju, usaha yang dilakukan sama dengan

perubahan energi kinetik benda.

Wnet = KEf – KEi = KE

- Laju akan bertambah jika kerja positif

- Laju akan berkurang jika kerja negatif

d. Energi Potensial

1) Energi Potensial diasosiasikan dengan posisi sebuah benda dalam

sebuah sistem :

a) Energi potensial adalah sifat dari sistem, bukan benda

b) Sebuah sistem adalah kumpulan dari benda atau partikel yang

saling berinteraksi melalui gaya

2) Satuan dari Energi Potensial adalah sama dengan Usaha dan

Energi kinetik.

Gambar 17. Energi Potensial

Page 55: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

45

Tinjau sebuah buku bermassa m pada ketinggian awal yi

Usaha yang dilakukan oleh gaya gravitasi :

Wgraf = (F Cos Q) S = (mg Cos q) S, dengan :

S = Y1 – Yf , Cos Q = 1

Sehingga :Wgraf = mg(yi – yf ) = mgyi – mgyf

Besaran ini disebut besaran Potensial :

EP = mgY

Catatan :

Wgraf = EPi – EPf Beda Ptensial

Page 56: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

46

BAB 11

ENTROPI DAN ENTALPI

Es yang meleleh pada suhu ruangan merupakan contoh dari naiknya

entropi, dijelaskan pada tahun 1862 oleh Rudolf Clausius sebagai

kenaikan disgregasi molekul air pada es.

A. Entropi Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur

energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan

untuk melakukan usaha. Mungkin manifestasi yang paling umum dari

entropi adalah (mengikuti hukum termodinamika), entropi dari sebuah

sistem tertutup selalu naik dan pada kondisi transfer panas, energi panas

berpindah dari komponen yang bersuhu lebih tinggi ke komponen yang

bersuhu lebih rendah. Pada suatu sistem yang panasnya terisolasi,

entropi hanya berjalan satu arah (bukan proses reversibel/bolak-balik).

Entropi suatu sistem perlu diukur untuk menentukan bahwa energi tidak

dapat dipakai untuk melakukan usaha pada proses-proses

termodinamika. Proses-proses ini hanya bisa dilakukan oleh energi yang

sudah diubah bentuknya, dan ketika energi diubah menjadi kerja/usaha,

maka secara teoritis mempunyai efisiensi maksimum tertentu. Selama

kerja/usaha tersebut, entropi akan terkumpul pada sistem, yang lalu

terdisipasi dalam bentuk panas buangan.

Pada termodinamika klasik, konsep entropi didefinisikan pada

hukum kedua termodinamika, yang menyatakan bahwa entropi dari

sistem yang terisolasi selalu bertambah atau tetap konstan. Maka, entropi

juga dapat menjadi ukuran kecenderungan suatu proses, apakah proses

tersebut cenderung akan "terentropikan" atau akan berlangsung ke arah

tertentu. Entropi juga menunjukkan bahwa energi panas selalu mengalir

secara spontan dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang

suhunya lebih rendah.

Entropi termodinamika mempunyai dimensi energi dibagi

temperatur, yang mempunyai Satuan Internasional joule per kelvin (J/K).

Kata entropi pertama kali dicetuskan oleh Rudolf Clausius pada

tahun 1865, berasal dari bahasa Yunani ενηροπία [entropía], εν- [en-]

(masuk) dan ηροπή [tropē] (mengubah, mengonversi).

Page 57: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

47

B. Entalpi

Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan

jumlah energi dari suatu sistem termodinamika. Entalpi terdiri dari

energi dalam sistem, termasuk satu dari lima potensial termodinamika

dan fungsi keadaan, juga volume dan tekanannya (merupakan besaran

ekstensif. Satuan SI dari entalpi adalah joule, namun digunakan juga

satuan British thermal unit dan kalori.

Total entalpi (H) tidak bisa diukur langsung. Sama seperti pada

mekanika klasik, hanya perubahannya yang dapat dinilai. Entalpi

merupakan potensial termodinamika, maka untuk mengukur entalpi

suatu sistem, kita harus menentukan titik reference terlebih dahulu, baru

kita dapat mengukur perubahan entalpi ΔH. . Perubahan ΔH bernilai

positif untuk reaksi endoterm dan negatif untuk eksoterm.

Untuk proses dengan tekanan konstan, ΔH sama dengan perubahan

energi dalam sistem ditambah kerja yang dilakukan sistem pada

lingkungannya.[1]

Maka, perubahan entalpi pada kondisi ini adalah panas

yang diserap atau dilepas melalui reaksi kimia atau perpindahan panas

eksternal.

Entalpi gas ideal, solid, dan liquid tidak tergantung pada tekanan.

Benda nyata pada temperatur dan tekanan ruang biasanya kurang lebih

mengikuti sifat ini, sehingga dapat menyederhanakan perhitungan

entalpi.

1) Definisi formal

Entalpi dari suatu sistem homogen didefinisikan sebagai :

di mana:

H = entalpi sistem (joule)

U = energi dalam (joule)

P = tekanan dari sistem (Pa)

V = volume sistem ( )

Entalpi adalah properti ekstensif yang berarti untuk sistem homogen,

besarnya berbanding lurus dengan ukuran sistem. Terkadang digunakan

juga entalpi spesifik h =H/m dengan m adalah massa sistem, atau entalpi

molar Hm = H/n, dengan n adalah jumlah mol (h dan Hm adalah properti

intensif. Untuk sistem tak homogen, entalpi adalah jumlahan entalpi dari

beberapa subsistem

Page 58: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

48

dengan k merujuk pada beberapa subsistem. Pada kasus untuk nilai p,

T, dan komposisi yang berbeda-beda maka jumlah menjadi integral:

dengan ρ adalah densitas.

Entalpi H(S,p) dari suatu sistem homogen dapat diturunkan sebagai

fungsi karakteristik S dan tekanan p sebagai berikut: kita mulai dari

hukum pertama termodinamika untuk sistem tertutup

Disini, δQ adalah sejumlah kecil panas yang ditambahkan dalam

sistem dan δW adalah sejumlah kerja yang dilakukan sistem. Untuk

sistem homohen hanya proses reversibel yang dapat berlangsung

sehingga hukum kedua termodinamika menyatakan δQ = TdS dengan T

adalah temperatur absolut sistem. Jika hanya kerja PV yang ada, δW =

pdV. Sehingga :

Menambahkan d(pV) di kedua sisi sehingga menjadi

Atau

Maka

Page 59: BUKU AJAR FISIKA - simdos.unud.ac.id · Jimbaran, terbatas pada cara praktis dan sangat sederhana dalam mempelajari Fisika. Materi dalam buku pedoman Buku Ajar Fisika ini juga tidak

49

DAFTAR PUSTAKA

1. Abbott, J.M. Smith, H.C. Van Ness, M.M. (2005). Introduction to

chemical engineering thermodynamics (7th ed. ed.). Boston ;

Montreal: McGraw-Hill.

2. Çengel, Yunus (2003). Heat Transfer: a practical approach.

McGraw-Hill series in mechanical engineering. (2nd ed.). Boston:

McGraw-Hill.

3. E.A. Guggenheim, Thermodynamics, North-Holland Publisching

Company, Amsterdam, 1959

4. G.J. Van Wylen and R.E. Sonntag (1985), Fundamentals of Classical

Thermodynamics, Section 5.5 (3rd edition), John Wiley & Sons Inc.

New York. ISBN 0-471-82933-1

5. Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta :

Penerbit Erlangga

6. Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta :

Penerbit Erlangga

7. Kays, W. M dan Crawford, M. E., 1993, “Convective Heat and Mass

Transfer”, McGraw-Hill, Inc, New York.

8. Kreith, F dan Priyono, A., 1986 “Prinsip-Prinsip Perpindahan

Panas”, Edisi ketiga, Penerbit Erlangga, Jakarta.

9. Mojiri, A., Spectral beam splitting for efficient conversion of solar

energy—A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews

Volume 28, December 2013, Pages 654–663

10. Naylor, D dan Oosthuzen, P. H., 1999, “Introduction to Convective

Heat Transfer Analysis”, McGraw- Hill, New York.

11. Taylor, R.A., Applicability of Nanofluids in High Flux Solar

Collectors JOURNAL OF RENEWABLE AND SUSTAINABLE

ENERGY 3, 023104, 2011

12. Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I

(terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga

13. Wark. K. Jr. dan Richards D. E., 1999, “Termodinamics”, Sixth

edition, McGraw-Hill, Singapore.

14. Young, Hugh D. & Freedman, Roger A., 2002, Fisika Universitas

(terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga

15. Zumdahl, Steven S. (2008). "Thermochemistry". Chemistry. Cengage

Learning. p. 243. ISBN 978-0-547-12532-9.