MODUL 1 – Pengenalan Pengenalan Berbagai Bentuk Energi dan Penentuan Energi
Dalam
1.1. Tujuan Percobaan
Tujuan percobaan pada modul 1 adalah sebagai berikut:
- Membedakan berbagai jenis energi.
-
Membuktikan perubahan kerja (W) menjadi panas dan sebaliknya.
- Merumuskan neraca energi yang disusun dari hukum I Termodinamika.
-
Menghitung energi dalam pada sistem yang tertutup (proses yang tidak mengalir).
1.2. Metodologi Metodologi Percobaan
a. Alat dan Bahan Alat dan bahan yang digunakan di modul 1 adalah sebagai berikut: -
Air kran
-
Air aquades
-
Minyak goreng
-
Erlenmayer 250 ml dan 500 ml
-
Termometer 100 oC
-
Ultrasonic Vibrator
-
Statif
-
Bak plastik
-
Kain lap
- Neraca digital -
Gelas ukur
-
Alat pengubah arus (rectifier (rectifier ) atau sumber listrik DC, 1 buah
-
Alat pengukur arus, 1 buah
-
Alat pengukur tegangan, 1 buah
-
Kalorimeter tara kalor listrik, 1 unit
-
Stopwatch, Stopwatch, 1 buah.
b. Diagram Alir Percobaan Menuang air kran sebanyak 250 ml ke dalam ultrasonic vibrator.
Memasang termometer ke ultrasonic vibrator pada posisi ujung termometer tercelup.
Menyalakan ultrasonic vibrator dan mengamati temperatur dengan interval 5 menit selama 30 menit.
Mendinginkan erlenmeyer yang berisi air yang telah diamati dengan merendamnya dalam air.
Mengamati temperatur dalam erlenmeyer dengan interval 1 menit sampai temperatur kembali ke mula-mula.
Menggambar kurva perbandingan waktu dan temperatur pada vibrator maupun yang didinginkan.
Mengulangi prosedur dengan mengganti variabel dengan minyak goreng. Gambar 1.1. Diagram alir percobaan pengenalan berbagai bentuk energi.
Gambar 1.2 Rangkaian Percobaan Penentuan Energi Dalam.
Memasukan Air kran 50ml kedalam Kalorimeter.
Mmbaca dan mencatat suhu dalam kalorimeter.
Mengatur tegangan pada posisi terendah (4,5 volt).
Menyalakan Sumber listrik dan stopwatch secara bersama.
Membaca dan pembacaan alat pengukur arus dan tegangan.
Mengamati dan catat kenaikan suhu pada termometer, matikan sumber arus dan stopwatch
Mengulangi (interval 5 menit) hingga 30 menit.
Mengulangi seluruh prosedur dengan tegangan yang berbeda.
Gambar 1.3. Diagram alir percobaan Penentuan Energi Dalam.
1.3. Hasil Percobaan Hasil percobaan pada modul 1 sebagai berikut:
Tabel 1.1. hasil pengamatan temperatur pada alat ultrasonic vibrator. Air Pemanasan Waktu (Menit)
T(OC)
Minyak Pendinginan Waktu (Menit)
Pemanasan
T(OC)
Waktu (Menit)
Pendinginan
T(OC)
Waktu (Menit)
T(OC)
0
25
0
27,5
0
26,5
0
34
5
25,5
1
27
5
30
1
32
10
26
2
26,5
10
32
2
31,5
15
26,5
3
26
15
34
3
30,5
20
27
4
26
20
34
4
30
25
27
5
25,5
25
34
5
29,5
30
27,5
6
25,5
30
34
6
29
7
25
7
28,5
8
25
8
27,5
9
9
27,5
10
10
27
11
11
27
12
12
27
13
13
27
14
14
26,5
36 34 32 30
C ˚ u28 h u s
air
26
minyak
24 22 20 0
5
10
15
20
25
30
35
waktu (menit) 35 34 Gambar 1.4 Hubungan antara waktu terhadap suhu pada pemanasan air dan minyak. 33 32 31
) 30 C ˚ ( 29 u28 h u s 27
air minyak
26 25 24 23 22 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
waktu (menit)
Gambar 1.5 Hubungan antara waktu terhadap suhu pada pendinginan air dan minyak. Tabel 1.2 Hasil pengamatan hubungan suhu, waktu, volt dan arus pada alat kalorimeter. Tegangan 8 volt Waktu (menit)
T (ºC)
Volt (V)
Arus (mA)
Energi Dalam (J)
Energi Listrik (J)
0
25
0
0
0
0
5
41,6
11,6
0,88
68346,5
3,062
10
58,1
11,61
0,87
136281
6,06
15
71,4
11,62
0,87
191041
9,098
20
73,2
11,62
0,87
198452
12,131
25
73,6
11,62
0,87
200099
15,164
30
72,8
11,62
0,87
196805
18,196
Tegangan 12 volt Waktu (menit)
T (ºC)
Volt (V)
Arus (mA)
Energi Dalam (J)
Energi Listrik (J)
0
25
0
0
0
0
5
41,6
11,6
0,88
68346,5
3,062
10
58,1
11,61
0,87
136281
6,06
15
71,4
11,62
0,87
191041
9,098
20
73,2
11,62
0,87
198452
12,131
25
73,6
11,62
0,87
200099
15,164
30
72,8
11,62
0,87
196805
18,196
Contoh perhitungan untuk energi dalam dan energi listrik. Perhitungan Energi Dalam Q = m c ∆T = 0,9803 x 4200 x 10,4 = 42819,50 J
Perhitungan Energi Listrik Q = m c ∆T = 0,9803 x 4200 x 16,6 = 68346,52 J
75 70 65 60 55 50
) 45 ℃ ( 40 u35 h u s 30
∆U (kJ)
25 20 15 10 5 0 0
5
10
15
20
waktu (menit)
25
30
35
Gambar 1.6 Hubungan antara energi dalam dan energi listrik variabel 8 volt. 80 75 70 65 60 55
) 50 45 ℃ ( 40 u h 35 u s 30
∆U (kJ)
25 20 15 10 5 0 0
5
10
15
20
25
30
35
waktu (menit)
Gambar 1.7 hubungan antara energi dalam dan energi listrik variabel 12 volt. 1.4. Pembahasan
Praktikum yang kami lakukan yaitu satu judul dengan dua jenis praktikum. pertama yaitu pengenalan jenis energi dan kedua penentuan energi dalam. Pengenalan jenis energi kita menggunakan vibrator ultrasonik . ada 3 jenis getaran yang menimbulkan bunyi yaitu infasonik dengan frekuensi < 20 Hz, audiosonik dengan frekuensi 20 Hz < x < 20.000 Hz, dan getaran ultrasonik > 20.000 Hz (website: file.upi.edu). Penggunaan getaran ultrasonik bertujuan untuk mempercepat perubahan panas yang terjadi. Perubahan yang terjadi yaitu mengubah energi gerak yang ditimbulkan oleh alat ultrasonic vibrator menjadi energi panas yang dialami oleh air atau minyak. Hal ini sesuai dengan hukum termodinamika 1 “ Meskipun energi memiliki banyak bentuk, kuantitas total energinya konstan, dan ketika energi menghilang dalam satu bentuk, ia muncul secara bersamaan dalam bentuk lain. ”(Smith, 2001) hukum tersebut dapat disederhanakan bahwa energi tidak dapat diciptakan namun dapat berubah bentuk yang lainnya.
Perubahan energi gerak ke energi panas dapat diliat secara fis ik dari perubahan suhu yang timbulkan oleh sistem melalui termometer. Energi gerak dapat juga disebut sebagai energi kinetik yang dapat juga disebut sebagai kerja(W). Kerja dapat berupa transfer ke sistem (yaitu kerja yang dilakukan pada sistem) meningkatkan energi dari sistem, dan transfer kerja dari suatu sistem (yaitu, kerja yang dilakukan oleh sistem) menurunkannya sejak energi ditransfer keluar saat pekerjaan datang dari energi yang terkandung dalam sistem. (Cengel, 2011) Prinsip yang digunakan yaitu kerja yang berupa transfer ke sistem. kerja dari ultrasonic vibrator itu mengubah sistem yaitu air atau minyak menjadi panas. Semakin tinggi kerja yang dilakukan maka semakin cepat pula energi yang berubah. Karena dalam hukum termodinamika nol yang intinya menjelaskan bahwa “ kerja itu pasti panas, panas belum tentu kerja” hal inilah yang menyebabkan timbulnya panas pada air dan minyak yang menjadi variabel dalam praktikum ini. Pola kurva waktu dengan suhu pada percobaan air dan minyak mengalami perbedaan. Pola grafik pemanasan pada air cenderung lebih stabil mengalami kenaikan. Namun, pada kurva minyak mengalami kenaikan drastis pada waktu 015 menit selanjutnya dari 15-30 menit mengalami posisi cenderung stasioner. Hal ini juga berbeda pada pendinginannya. Pola kurva pada air lebih cepat dngin sedangkan minyak lebih lambat daripada air. Penyebab perbedaan pada kondisi air dan minyak yaitu berbedanya kapasitas kalornya. Kapasitas kalor adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu dari suatu sampel bahan sebesar 1℃ Kapasitas panas mempunyai beberapa sifat yaitu sifat ekstensif dan intensif. Sifat ekstensif dari kapasitas panas yaitu jumlahnya tergantung dari besar sampel, sedangkan sifat intensif dari kapasitas panas berhubungan dengan panas jenis (c) yang didefenisikan sebagai jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari 1g massa bahan s ebesar 1 oC. Semakin kecil kapasitas panas jenis suatu benda, semakin mudah naik suhunya bila dipanasi, demikian juga sebaliknya semakin besar kapasitas panas jenis suatu benda semakin banyak panas yang harus diberikan untuk menaikkan suhunya. (Simbolon)
Kapasitas jenis kalor yang dimiliki air yaitu 4182 J/kg oC dan kapasitas jenis kalor minyak yaitu 1790 J/kg oC (sehingga saat proses perubahan energi gerak menjadi energi panas memberikan efek ke minyak memiliki suhu yang lebih tinggi daripada air dalam perlakuan waktu yang sama. Data yang kami dapatkan dari perubahan energi yang terjadi pada air dan minyak yaitu adanya perbedaan dalam kernaikan suhu. Pemanasan pada air mengalami perubahan konstan yaitu mulai dari suhu normal 25 ℃ terus meningkat 0,5 ℃ dengan perlakuan interval 5 menit. 5 menit pertama air naik ke suhu 25,5℃ dan terus meningkat hingga mencapai suhu 27 pada menit ke 20. Air juga memiliki suhu jenuh yaitu setelah menit ke 20 kondisi suhu pada air naik dengan kenaikan lebih kecil yaitu 0,2-0,3℃. Perlakuan kami hentikan pada menit ke 30 seba gai perlakuan sama. Pemanasan selanjutnya yaitu dengan menggunakan minyak, untuk perlakuan waktu dibuat sama dengan air yaitu diukur setiap 5 menit. Suhu awal sebelum dimasukkan dalam vibrator yaitu 26,5℃. Selanjutnya dari waktu 0 menit hingga 15 menit minyak mengalami perubahan suhu yaitu pada waktu 0-5 menit suhunya naik 3,5 ℃ selanjutnya dari waktu 5-10 menit suhunya naik 2 ℃ pada waktu 10-15 menit suhunya naik 2 ℃ hingga suhu mencapai 34 ℃ pada suhu ini suhu tidak meningkat lagi dengan begitu berarti minyak telah mengalami masa jenuh. Perbandingan pemanasan air dan minyak sesuai dengan literatur bahwa jika semakin tinggi kapasitas kalornya maka semakin banyak panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhunya. Pada air memiliki kapasitas kalor lebih tinggi daripada minyak oleh karena itu suhu kenaikan pada minyak sangat tinggi namun minyak lebih cepat jenuh untuk tidak menaikkan suhunya daripada air. Perbandingan pendinginan air dengan minyak juga beda. Pada air lebih mudah turun daripada minyak hal itu karena kapasitas kalor. Minyak memiliki kapsitas kalor lebih rendah daripada air sehingga minyak mudah menangkap suhu dari lingkungan.
Praktikum kedua kami melakukan percobaan penentuan energi dalam. Energi dalam adalah energi yang dikandung dalam suatu sistem dengan pengecualian energi kinetik dan energi potensial sistem akibat gaya – gaya dari luar. Percobaan penentuan energi dalam menggunakan prinsip hukum termodinamika 1 yang menjelaskan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, melainkan hanya diubah dari bentuk satu menjadi bentuk lain. Praktikum ini mengubah bentuk energi listrik menjadi energi panas. Konsep percobaan dasar ini perubahan energi sistem sama dengan perubahan energi lingkungan. Kalorimeter di percobaan ini berperan sebagai sistem dan Sumber tegangan DC berperan sebagai lingkungan. Sumber tegangan akan melakukan usaha terhadap cklorimeter yang menyebabkan air didalam kalori meter akan mengalami kenaikan suhu Energi listrik dapat diubah menjadi energi panas karena energi listrik dihasilkan oleh elemen pemanas listrik tersebut selama t sekon sebesar W = V I t. Kemudian, energi tersebut diubah menjadi energi kalor sebesar Q = m c ∆T. Secara matematis, perubahan energi listrik W menjadi energi kalor Q dapat dituliskan W = Q, V I t = m c ∆T. (Dudi, 2007) Data yang kami dapatkan menunjukkan bahwa suhu pada variable 8 Volt lebih rendah dari pada suhu air pada variable 12 Volt seperti yang terlihat pada tabel pengamatan. Suhu rata- rata variabel 8 Volt adalah 54,1ºC, sedangkan suhu ratarata variabel 12 Volt adalah 65,3ºC. Energi dalam dan energi listrik pada variable 8 volt juga lebih rendah daripada energi listrik dan energi di dalam 12 volt . Energi dalam rata- rata dan energi listrik rata-rata variabel 8 Volt berturut- turut adalah 119,88 kJ dan 4,22 J, sedangkan energi dalam dan energi listrik pada variabel 12 Volt berturut- turut adalah 165,17 kJ dan 10,62 J. Hal tersebut dikarenakan sesuai dengan energi listrik yang berbanding lurus dengan tegangan dan juga energi dalam berbanding lurus dengan suhu. Grafik yang terbentuk antara energi dalam dan energi listrik pada variable 8 volt terlihat mendekati kesetaraan meskipun pada grafik masih terlihat perbedaan yang tidak sesuai dengan literatur begitupun dengan grafik antara energi dalam dan energi listrik pada variable 12 volt tidak sesuai dengan literatur, dimana seharusnya grafik antara energi dalam dan energi listrik terbentuk garis lurus seperti garis linier
pada grafik. Kesetaraan grafik energi dalam dan energi listrik seharusnya terbentuk garis yang lurus karena pada percobaan ini menggunakan sistem termodinamika tertutup terhadap lingkungan. Berdasarkan konsep pada sistem tertutup, energi kinetic dan energi potensial pada sistem dianggap nol karena nilainya relative kecil terhadap kalor dan juga kerja yang dilakukan oleh lingkungan di anggap kecil sehingga bisa diabaikan. Sedangkan sistem mendapatkan kalor yang terbentuk oleh jumlah energi listrik yang dihasilkan oleh hasil kali voltase, arus, dan waktu Faktor- faktor yang mempengaruhi percobaan tidak sesuai dengan literatur adalah: 1. Tidak sempurnanya sistem yang digunakan. Sistem yang digunakan adalah sistem tertutup namun sistem tiddak tertutup sempurna sehigga dapat memungkinkan ada energi yang diserap oleh benda lain atau ada energi panas yang terlepas ke udara sehigga mempengaruhi energi kalor yang diserap. 2. Keselarasan kalor yang berbeda juga disebabkan oleh peralatan yang digunakan pada percobaan ini telah digunakan pada percobaa sebelumnya sehingga peralatan lebih peka menyerap energi.
1.5. Kesimpulan
Dari praktikum yang telah kami lakukan, maka dapat disimpulkan : 1. Terdapat berbagai bentuk energi didunia antra lain, energi mekanik, ener gi listrik, energi kimia, energi nuklir,enrgi cahaya, energi bunyi, kalor, kinetik dan potensial. 2. Kerja dapat berubah menjad panas molekul getaran yang dihasilkan pada vibrator. 3. Berdasarkan hukum termodinamika I, energi tidak dapat dimusnahkan teteapi dapat diubah menjadi bentuk lain. 4. Untuk mencari energi listrik dapat digunakan rumus: Q=VIt 5. Untuk mencari energi dalam dapat digunakan rumus: ∆U = Q – W ∆U = Q = m c ∆T 6. Semakin tinggi nilai energi listrik, semakin tinggi nilai energi dalam. 7. Energi dalam pada input DC 6 dan 8 Volt berturut- turut 119,88 kJ dan 165,17 kJ.
1.6. Daftar Pustaka
Indrajid, Dudi. 2007. Mudah dan Aktif Belajar Fisika untuk Kelas X Sekolah Menengah Atas/ Aliyah program Ilmu Pengetahuan Alam. PT. Setia Inves. Bandung. Simbolon,Henni,Dkk. Penentuan Massa Molar Beberapa Jenis Logam Menggunakan Hukum Dulong-Petit.Fakultas Matematika Dan Ilmu Pengetahuan Alam. Universitas Riau Website
link
http://file.upi.edu/Direktori/DUAL-
MODES/KONSEP_DASAR_FISIKA/BBM_7_%28Gelombang_dan_Bunyi %29__KD_Fisika.pdf (diakses pada tanggal 1 April 2018) Smith, J.M, dkk.2001.chemical engineering thermodynamics sixth edition. McGrawHill Education (Asia) Website
link
https://www.engineeringtoolbox.com/specific-heat-capacity-
d_391.html (diakses pada tanggal 1 April 2018) Modul ajar Praktikum Thermodinamika Politeknik Negeri Malang
