Eksperimen Joule (Hanif Nur Rozaq/ 16630009)

Eksperimen Joule (Hanif Nur Rozaq/ 16630009)

   Desember 06, 2017       Unknown

---

EKSPERIMEN JOULE

Oleh: Hanif Nur Rozaq

16630009

Jurusan Kimia Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam Negeri Maulana Malik Ibrahim Malang

Agniyanurrozaq20gmail.com

Abstrak: Salah satu asumsi dasar dari Kinetic Theory of Gases adalah bahwa tidak ada atraksi antara molekul dari gas. Ideal gas dapat dianggap sebagai satu yang akan digunakan adalah molekular atraksi diabaikan. Percobaan Joule merupakan cikal bakal adanya Hukum Pertama Termodinamika yang berbunyi energy dalam suatu system besarnya tetap kecuali jika diubah dengan melakukan kerja atau dengan adanya pemanasan. Hukum termodinamika pertama diterapkan pula oleh Joule dengan menghubungkan dua bejana untuk menentukan kesetaraan energy keduanya.

Kata Kunci:  Hukum termodinamika I, Kalor, Usaha, Eksperimen Joule

Dasar Teori

Energi internal system merupakan jumlah total semua energy molekul dalam system. Energi  internal system akan meningkat jika usaha yang dikerjakan oleh system atau jika kalor ditambahkan padanya. Demikian pula energy internal akan berkuang jika kalor mengalir keluar dari system atau jika usaha dilakukan oleh system terhadap suatu benda yang ada disekitarnya. Peubahan energy internal merupakan sebuah system tertutup, atau ∆U yang nilainya akan sama dengan energy yang ditambahkan ke system melalui pemanasan ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh system pada sekelilingnya. Dalam bentuk persamaan kita dapat menuliskannya( Giancolli, 2014).

∆U= Q +W

Di mana Q adalah kalor neto yang ditambahkan pada system dan W adalah usaha neto yang dilakukan oleh system. Persamaan 1 dikenal sebagai hukum termodinamika pertama.

Bunyi dari hukum termodinamika pertama yaitu(Atkins, 1990):

“Energi dalam (entalpi) suatu system besarnya tetap kecuali jika diubah dengan melakukan kerja atau dengan pemanasan”.

Hukum ini merupakan salah satu hukum penerapan dalam bidang fisika yang hebat dan validitasnya bergantung pada eksperimen (seperti eksperimen joule) dimana tidak ada perkecualian pernah terlihat. Karena Q dan W mempresentasikan energy yang dipindahkan ke dalam atau hukum termodinamika pertama merupakan pernyataan yang hebat dan luas jika dikaitkan dengan hukum konservasi energy(Giancolli, 2011).

Terdapat integrasi dalam al- Qur’an yang dikiaskan dengan hukum termodinamika 1 berkaitan dengan penambahan kerja berupa pemanasan, yaitu pada Surah an- Nahl ayat 13 yang berbunyi:

وَمَا ذَرَأَ لَكُمْ فِي الْأَرْضِ مُخْتَلِفًا أَلْوَانُهُ ۗ إِنَّ فِي ذَٰلِكَ لَآيَةً لِقَوْمٍ يَذَّكَّرُونَ

(١٣: النحل)

Artinya: “dan (Dia juga mengendalikan) apa yang Dia ciptakan untukmu di bumi ini dengan berbagai jenis dan macam warnanya. Sungguh, pada yang demikian itu benar-benar terdapat tanda (kekuasaan Allah) bagi kaum yang mengambil pelajaran.” (Q.S an- Nahl ayat 13).

Dalam ayat diatas disebutkan bahwa Allah menciptakan untuk manusia di bumi dengan berbagai macam baik warna dan jenis agar manusia dapat mengambil pelajaran darinya. Ayat ini dapat dikiaskan bahwa Allah menciptakan sesuatu yang tidak dapat dilihat oleh manusia akan tetapi masih bisa dirasakan contohnya adalah kalor atau panas. Allah menciptakan kalor atau panas yang sangat dibutuhkan oleh makhluk hidup maupun untuk kepentingan sains agar manusia dapat mengambil suatu hikmah dari penciptaan kalor atau panas.

James Prescott Joule, seorang ilmuan Inggris yang namanya diabadikan dalam satuan Joule lahir di Salford, Lancashire, Inggris pada tanggal 24 Desember 1818. Joule merumuskan hukum kekekalan energy yaitu “energy tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan”.(Moran,2007).

Joule melakukan beberapa percobaan yang terkenal dan pada akhirnya beliau merumuskan adanya hukum termodinamika pertama satu diantaranya yaitu sebuah percobaan yang tidak akan melibatkan arus listrik. Peralatannya hanya terdiri  dari roda jantera kuningan yang memutar air di dalam wadah tembaga. Ketika jatuh, beban tadi memiliki energy mekanis atau gerak. Joule menjatuhkan beban tadi berkali- kali. Jumlah kenaikannya bergantung pada jarak beban yang dijatuhkan. Hal ini membuktikan bahwa energy gerak beban juga bisa diperoleh dengan memanaskan air diatas kompor. Joule menentukan bahwa sejuamlah kerja tertentu yang dilakukan selalu ekivalen dengan sejumlah masukn kalor tertentu. Joule menghubungkan kalor dengan usaha yaitu(Kaufman,2002):

a.       Kalor merupakan suatu bentuk energy yang dapat berpindah dari lingkungan ke suatu system atau sebaliknya karena ada perbedaan suhu antara suatu system dengan lingkungannya tanpa pengaruh dari luar, kalor akan selalu berpindah dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah.

b.      Usaha juga merupakan suatu bentuk perpindahan energy melalui gaya yang dilakukan system pada lingkungan atau sebaliknya dimana titik tangkap gaya mengalami perpindahan.

Pada percobaan Joule tersebut terjadi kenaikan suhu air yang dapat disebabkan oleh adanya aliran kalor akibat usaha yang dilakukan. Perubahan suhu air tentu akan menyebabkan perubahan energy kinetic partikel- partikel air dan pada akhirnya akan mengakibatkan perubahan energy dalam air(Kaufman,2002).

Selain itu, pada tahun 1834 Joule melakukan eksperimen untuk menentukan ketergantungan perubahan energy internal tehadap perubahan volume

  melalui pengukuran temperature(Fatimah, 2015 ).James Joule berpendapat ia dapat mengukur 

dengan mengamati perubahan temperature gas jika gas itu dibiarkan memuai ke ruang hampa udara(Atkins, 2014). Eksperimen ini diulangi oleh Keynes dan Sears pada tahun 1924 dengan skema kerja sebagaimana gambar 1. Alat ini terdiri dari dua bejana yaitu bejana A dan bejana B yabg ditempatkan pada tempat adiabatic. Pada awalnya bejana A diisi dengan gas dan bejana B dibuat dalam keadaan vakum. Jika katub antara kedua bejana dibuka maka akan terjadi aliran gas dari A ke B sehingga mencapai kesetimbangan. Perubahan temperature pada perubahan kesetimbangan ini dapat diukur(Fatimah, 2015 ).

Oleh karena kedua system dilindungi oleh keadaan adiabatic maka nilai 

artinya tidak ada panas yang keluar dari system serta aliran dari A ke B bersifat irreversible. Kedua system berada dengan volume masing- masing bejana tetap dan tidak ada perubahan tekanan dari luar system sehingga perubahan kerja juga nol(Fatimah, 2015 ).

Gambar 1. Skema eksperimen Joule (Fatimah, 2015)

Secara keseluruhan,

                 

                                               

Sehingga dapat diartikan bahwa proses adalah berada pada energy konstan. Secara ringkas dapat dikatakan bahwa eksperimen mempengaruhi perubahan temperature pada perubahan volume dengan kondisi internal konstan. Tetapan perubahan temperature seiring dengan perubahan volume kemudian sering disebut dengan koefisien Joule- Thomson  (Fatimah, 2015 ):

Perubahan energy internal merupakan fungsi keadaan sehingga merupakan deferensial eksak. Sebagai diferensal eksak, perubahan energy internal seiring dengan perubahan volume dan perubahan temperature dapat dinyakan dalam turunan parsial(Fatimah, 2015 ):

Oleh karena seting peralatan yang minim sehingga disimpulkan bahwa  

sangat kecil dan tidak sama dengan nol. Pada tahun 1853 John dan William Thomson melakukan eksperimen serupa dengan Joule tetapi dengan akurasi yang lebih baik(Fatimah, 2015).

Terdapat masalah dengan eksperimen Joule dalam praktiknya yaitu  meskipun memungkinkan mengisolasi bejana yang mengandung gas, bejana itu sendiri dan suhu yang ada dalam benjana akan menarik perangkat yang akan dipanaskan dengan menggunakan gas, hal tersebut  sangat mengurangi perubahan suhu yang teramati, karena koefisien Joule bernilai nol untuk gas ideal. Akan tetapi dapat menjadi kecil untuk gas nyata. Joule tidak mengamati perubahan suhu saat dia melakukan eksperimen di tahun 1840an. Kemudian, pengukuran yang lebih hati-hati memberi hasil yang bisa diamati, namun dengan sedikit presisi. Eksperimen ini setara dengan eksperimen Boyle yang menggali sifat pembatas yang penting yaitu sifat gas sempurna tanpa menemukan penyimpangan kecil yang merupakan sifat gas nyata(Atkins, 2014).

Kesimpulan

Hukum pertama termodinamika merupakan salah satu hukum penerapan dalam bidang fisika yang validitasnya bergantung pada eksperimen (seperti eksperimen joule). Eksperimen Joule meliputi dua aspek, aspek pertama yaitu Joule menghubungkan kenaikan suhu akibat dari usaha yang dilakukan sehingga berakibat perubahan energy kinetic partikel- partikel air dan mengakibatkan perubahan energy dalam air. Aspek kedua yaitu pengisolasian dua bejana yang satu diberi tekanan dan yang satu dibuat hampa udara. Jika katub yang memisahkan kedua bejana dibuka maka akan terjadi kesetimbangan yang dapat diukur. Akan tetapi terdapat kelemahan dari eksperimen Joule ini yaitu kapasitas kalor bejana sangat besar yang mengakibatkan perubahan suhu gas nyata sulit diukur.

Daftar Pustaka

Atkins, P. W. 1990. Kimia Fisika Jilid I Edisi Keempat. Diterjemahkan oleh: Irma I. Kartohadiprodjo. Jakarta: Erlangga.

Fatimah, Is. 2015. Kimia Fisika Edisi I Cetakan I. Yogyakarta. Deepublish.

Giancolli, C Douglas.2014. Fisika: Prinsip dan Aplikasi Edisi Ke Tujuh Jilid I.     Diterjemahkan oleh: Irzam Ardiansyah. Jakarta: Erlangga.

 

Kaufman, Myron. 2002. Principles of Thermodynamics. New York: Marcel Dekker, Inc.

Moran, Michael J. 2007. Termodinamika Teknik Jilid 2. Diterjemahkan oleh: Yulianto Sulistyo Nugroho. Jakarta: Erlangga.