TERMODINAMIKA

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana hubungan termodinamika berasal.
Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.
Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.
Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.
Menurut Arief MS Termodinamika adalah suatu konsep mekanika perpindahan Energi. Seperti panas, dimana konsep perpindahan panas adalah panas secara spontan akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Pada termodinamika inilah konsep mekanika itu akan di bahas.

Hukum-hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

• Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.

• Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.

• Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang dikeluarkan oleh kelvin-plank dan clausius. Pernyataan clausius: tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu ke sistem dengan temperatur yang lebih tinggi. Pernyataan kelvin-planck: tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja kesekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir termal.(sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran J., Shapiro N.M. - 6th ed. - 2007 - Wiley) Bab5). "total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya hal ini disebut dengan prinsip kenaikan entropi" merupakan korolari dari kedua pernyataan diatas (analisis Hukum kedua termodinamika untuk proses dengan menggunakan sifat entropi)(sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran J., Shapiro N.M. - 6th ed. - 2007 - Wiley) Bab6).

• Hukum ketiga Termodinamika

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

Keadaan termodinamika

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).
Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.

Sistem termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.
Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

• sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
• sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkanh sebagai sifat pembatasnya:
  • pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
  • pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
• sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Sifat-Sifat Energi Panas

Sifat-sifat energi panas anatra lain sebagai berikut :
1. Tidak dapat dilihat
2. Tidak dapat didengar
3. Tidak mempunyai bau
4. Dapat berpindah ke tempat lain

Selain memiliki sifat-sifat energi secara umum energi panas juga memiliki sifat khusus. Ketika kita berada di dekat kompor, kita merasa hangat. Ketika kita menjauh dari kompor panasnya akan berkurang. Hal ini menunjukkan bahwa panas mempunyai sifat dapat berpindah ke tempat lain. Semakin dekat dengan sumber panas, panas yang berpindah ke tubuh kita semakin banyak. Semakin menjauhi sumber panas, semakin sedikit pula panas yang berpindah ke tubuh kita.

Perpindahan panas dari satu benda ke benda lain terjadi apabila terdapat perbedaan suhu di antara kedua benda tersebut. Panas berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Perpindahan ini berlangsung terus-menerus hingga kedua benda memiliki suhu yang sama. Misalnya apabila kamu membuat teh panas dan menuangkannya ke dalam cangkir. Apabila air teh tersebut dibiarkan, lama-kelamaan air teh yang semula panas menjadi dingin, sesuai dengan suhu lingkungan. Hal ini karena panas telah dipindahkan dari cangkir ke lingkungannya.

Proses perpindahan panas dibedakan menjadi tiga yaitu konduksi, konveksi, dan radiasi.

• Konduksi yaitu perpindahan panas melalui benda padat. Perpindahan panas tersebut tidak diikuti oleh perpindahan bagian-bagian benda. Biasanya  perpindahan panas yang terjadi pada logam;
• Konveksi merupakan perpindahan panas pada benda yang mengalir. Perpindahan panas tersebut selalu diikuti perpindahan bagian-bagian benda.
• Sementara itu, radiasi merupakan proses perpindahan panas yang berasal dari sumbernya dengan cara dipancarkan.

Pada konduksi dan konveksi panas dapat berpindah jika ada penghantar panas. Penghantar panas dapat dibedakan menjadi dua, yaitu konduktor dan isolator. Konduktor merupakan benda yang dapat menghantarkan panas dengan baik. Sementara itu, isolator merupakan benda yang tidak dapat atau sulit menghantarkan panas.

Sifat energi panas yang lain yaitu dapat membuat zat atau benda memuai. Memuai artinya bertambah besar secara sementara. Setelah dingin, ukuran zat atau benda tersebut kembali seperti semula.

manfaat sinar matahari bagi hewan, asal energi panas dan cahaya yang di pancarkan matahari, mengapa energi dapat terbentuk saat 2 benda bergesekan, pengertian energi panas dan contohnya, contoh energi kimia dalam kehidupan sehari-hari, kegunaan cahaya matahari bagi hewan, Asal energi panas dan cahaya yg di pancarkan matahari, pengaruh energi panas dalam kehidupan sehari-hari, pembagian energi, asal energi panas dan cahaya yang dipancarkan oleh matahari, contoh energi panas dalam kehidupan sehari-hari, mengapa energi dapat terbentuk saat 2 benda bergesekan ?, contoh gesekan benda yang tidak menimbulkan panas, kliping tentang macam macam minuman panas dan dingin, contoh energi panas, jelaskan asal energi panas dan cahaya yg di pancarkan oleh mataharihari, kegunaan cahaya dan panas matahari untuk hewan, fungsi cahaya matahari bagi hewan, makalah perpindahan panas, pengertian energi kimia, benda yang bergerak akan menghasilkan, benda yang dapat menghasilkan energi disebut, contoh penggunaan energi panas dalam kehidupan sehari-hari, bentuk energi yang disebabkan oleh benda bergetar disebut energi apa, mengapa energi dapat terbentuk saat 2 benda bergesekan?

Pengaruh Energi Panas Dalam Kehidupan Sehari-Hari

Energi panas adalah segala kemampuan yang terjadi akibat adanya pengaruh panas. Matahari merupakan sumber energi utama pada bumi. Panas merupakan salah satu bentuk energi yang penting bagi makhluk hidup. Energi panas sering disebut kalor.

1. Sumber Energi Panas

Semua benda yang dapat menghasilkan panas disebut sumber energi panas. Gesekan dua buah benda dapat menimbulkan energi panas. Dua telapak tangan yang saling bergesekan dapat menghasilkan panas. Panas dapat ditimbulkan karena gesekan terus menerus. Makin kasar permukaan benda yang digesekan, semakin cepat panas. Energi panas  dapat timbul dari api., untuk membuat api  membutuhkan bahan bakar dan udara.

Sementara itu, dua batu yang digesekkan satu sama lain juga dapat menghasilkan panas.  Lama-kelamaan akan muncul percikan api dari kedua batu tersebut. Api ini dapat digunakan sebagai sumber api.  Cara seperti ini masih sering dilakukan oleh orang-orang yang tersesat di dalam hutan.

Matahari merupakan sumber energi panas terbesar di muka Bumi. Bumi menjadi hangat karena adanya energi panas matahari. Panas matahari membuat suhu udara di Bumi sesuai untuk kehidupan. Panas matahari ini banyak dimanfaatkan oleh manusia. Di antaranya untuk mengeringkan pakaian. Panas matahari juga untuk mengeringkan bahan-bahan makanan. Bahan makanan tersebut seperti ikan asin, kerupuk, dan garam. Seiring dengan perkembangan teknologi, panas matahari telah banyak dimanfaatkan untuk menghasilkan listrik.

Panas suatu benda dapat diukur. Derajat panas suatu benda dinyatakan dengan suhu yang diukur dengan termometer. Jadi, termometer dapat menunjukkan suhu benda. Benda yang panas mempunyai suhu yang tinggi.

Cara Menggunakan Termometer

Termometer berisi zat cair (raksa) yang akan mengembang jika terkena panas. Sebelum digunakan termometer harus digoyang-goyangkan dahulu. Hal ini bertujuan agar zat cair kembali ke wadahnya semula. Setelah itu, gunakan penjepit kayu untuk memegang batang termometer. Tempatkan termometer pada benda yang ingin diukur suhunya. Usahakan bagian yang bersentuhan dengan benda yang diukur suhunya berupa wadah zat cair pengisi termometer.

HEAT DEATH OF THE UNIVERSE ― KEMATIAN PANAS SANG SEMESTA

Sesuai dengan hukum termodnamika tentang "entropi", jika semesta (universe) kita asumsikan atau anggap sebagai satu sistem terisolasi, maka entropi total dari semesta adalah senantiasa meningkat ke maksimum, kebalikan dari perosotan energi panas secara berkesinambungan, sampai tak ada lagi energi panas bisa diperoleh oleh semesta untuk beroperasi, dan dinamika semesta berhenti total alias semesta mencapai status statika, yang dinamakan "the heat death of the universe."

Ini jika kita meninjau bahwa semesta mengalami proses irreversibel. Tapi tak akan terjadi bila semesta mengalami proses reversibel. Semesta lahir dari satu Dentum Besar (Big Bang) lalu mengalami ekspansi atau pengembangan. Kemudian berhenti. Kemudian mengalami kontraksi atau pengerutan dan akan mati dalam satu Kersik Besar (Big Crunch). Apakah semesta akan mengalami proses reversibel dalam siklus oskilasi berulang kali, kita tidak tahu.

Ini juga hanya asumsi, untuk menggambarkan entropi sistem termodinamik. Sedangkan energi dalam semesta tak dapat diciptakan dan tak dapat pula dimusnahkan, dan kita tak tahu bagaimana semesta mencatu energi dari luar semesta; sementara semesta yang kita ketahui sementara ini adalah takberbatas dan takberhingga (unounded and infinite).

ENTALPI DAN ENERGI BEBAS

● Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup termodinamik, kuantitas energi panas dikandung sistem, dinamakan "entalpi" (enthalpy) atau kandungan panas (heat content), dan adalah setara dengan jumlah total kuantitas energi internal dan produk tekanan dan volume sistem.

● H = Q = U + p.V

dimana,
● H, entalpi atau kandungan panas, dalam J (Joule)
● Q, kuantitas energi panas, dalam J
● U, energi interal, dalam J
● p, tekanan atau desakan, dalam Pa (Pascal) atau N/m²(Newton per meter persegi) atau J/m³(Joule per meter kubik)
● V, volume, dalam m³(meter kubik)

Jika sistem menyerap energi panas pada tekanan tetap, maka kerja mekanik dihasilkan bergantung pada dan ditentukan oleh perubahan volume, dan dimana perubahan entalpi setara dengan kerja dihasilkan.

● ∂H = ∂Q = ∂U + p.∂V

● Kuantitas energi internal suatu sistem termodinamik, bergantung pada dampak perubahan energi panasa bebas digunakan oleh sistem dan perubahan temperatur sistem.

● U = Ef ― T.(∂Ef/∂T)

dimana,
∂Ef, perubahan energi bebas, dalam J
∂T, perubahan temperatur termodinamik, dalam K

HUKUM KETIGA TERMODINAMIKA

SISTEM IDEAL DAN REAL, ENTROPI NOL, DAN TEMPERATUR NOL ABSOLUT TERMODINAMIK

● Entropi, sebagaimana propertas dan atribut lain termodinamik, seperti tekanan dan temperatur, bergantung hanya pada status sistem, dan tak pada lintasan dan arah digunakan untuk mencapai status terebut.

● Untuk sistem "quasi-static" atau dalam statu "quasi-stable" dari sistem sistem terisolasi atau tertutup termodinamik yang senantiasa mempertahankan "status-quo", nilai entropi pada dasarnya adalah nol atau tetap, karena tak ada perubahan energi atau kuantitas energi adalah tetap. Dalam, sistem termodinamika, yang signifikan bukanlah entropi, tapi perubahan entropi.

● Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup proses reversibel lengkap, kuantitas energi panas tak pernah merosot atau habis, karena perubahan status tiap proses selalu dikembalikan oleh proses balik ke status semula, sehingga entropi adalah tetap atau perubahan entropi adalah nol.

● Jika perubahan fisik dan atau kimawi berlangsung pada temperatur nol mutlak termodinamik, diantara solida kristalin murni, maka tak ada perubahan entropi, karena entropi awal atau sebelum perubahan dan entropi akhir atau setelah perubahan adalah setara. Atau, perubahan entropi pada temperatur nol mutlak termodinamik untuk material dalam fasa terkondensasi adalah nol.

● Dalam suatu sistem termodinamik, dimana terdapat kandungan energi panas, temperatur nol mutlak termodinamik(thermodynamic absolute zero) adalah ideal dan tak pernah dapat dicapai secara real, dimana temperatur termodinamik nol K (Kelvin) adalah setara ― 273,15 °C (Celcius, Centigrade) dan ― 459,67 °F (Fahrenheit).

● Karena temperatur nol mutlak termodinamik adalah ideal dan tak pernah dapat dicapai secara real, suatu sistem termodinamik sempurna secara lengkap (completely perfect) adalah ideal. Secara real, dalam praktek, tiap sistem adalah tak sempurna, dan yang dapat dicapai hanya mendekati sempurna. Sebagai konsekuensi, dalam tiap sistem termodinamik selalu ada sejumlah ketakteraturan, yang membuat sistem selalu memiliki suatu "entropi konfigurasional" yang tak samadengan nol.

Hukum Ketiga Termodinamika terutama menyangkut Teorema Carnot dan Clausius dan Clapeyron, Teorema Panas Nernst, Fungsi Gibbs dan Fungsi Hemholtz.

EFISIENSI, EFIKASI, REDUNDANSI, DAN PERFORMANSI MESIN TERMODINAMIK

● Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup proses reversibel, untuk perubahan tenaga panas atau energi termal ke tenaga gerak atau energi mekanik, kehematan atau efisiensi sistem dari seluruh siklus yang beroperasi diantara beberapa titik operasional yang memiliki temperatur sama, adalah sama, dan efisiensi ini bergantung hanya pada temperatur, tak pada bahan digunakan, sehingga perubahan temperatur menentukan perubahan efisiensi.

● Tak ada mesin termodinamik dapat bekerja lebih efisien daripada mesin reversibel termodinamik yang bekerja diantara titik operasional yang memiliki temperatur sama.

● Efisiensi (efficiency) atau kehematan suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, rasio antara hasil (result) dan upaya (effort), atau rasio antara kuantitas energi efektiv atau berdayaguna dari keluaran (output) terhadap energi total masukan (input), atau setara dengan rasio antara daya keluaran (output power) dan daya masukan (input power), dimana untuk mesin termodinamik, adalah setara dengan rasio kerja eksternal diunjukkerjakan oleh mesin dan energi digunakan oleh mesin untuk menghasilkan kerja tersebut pada temperatur lebih tinggi. Untuk mesin proses reversibel termodinamik, dimana efisiensi bergantung hanya pada temperatur, dapat dinyatakan secara matematik sebagai berikut.

● η = Wout/Qinp
● η = (Qinp ― Qout)/Qinp = Qinp/Qinp ― Qout/Qinp = 1 ― Qout/Qinp
● η = (Tinp ― Tout)/Tinp = Tinp/Tinp ― Tout/Tinp = 1 ― Tout/Tinp

● η% = η x 100%

dimana,
● η, efisiensi
● η%, efisiensi, dalam % (per cent)
● Wout, kerja dihasilkan, dalam J; apa yang kita peroleh, sebagai bagian apa yang kita bayar
● Qinp, kuantitas energi panas masukan, dalam J; apa yang kita bayar
● Qout, kuantitas energi panas keluaran, dalam J; apa yang kita bayar, tapi terbuang
● Tinp, temperatur masukan atau sebelum kerja dilakukan, dalam K
● Tout, temperatur keluaran atau sesudah kerja dilakukan, dalam K

Untuk Qout setara Qinp, atau Tout samadengan Tinp, efisiensi adalah maksimum, 1 atau 100%.

Maksud efisiensi adalah memperoleh Wout sebesar mungkin dengan Qout sekecil mungkin, dimana Wout > Qout, tapi Qout minimum samadengan 0 adalah ideal, sehingga efisiensi maksimum tak pernah dapat dicapai.

● Efisiensi maksimum adalah ideal, dan tak akan pernah dicapai secara real, dan yang dapat dicapai hanya mendekati maksimum.

Untuk suatu mesin tertentu termodinamik, penetapan rangkum temperatur operasional adalah penting untuk menset efisiensi optimum, dimana efisiensi merosot bila, temperatur merosot atau sebaliknya temperatur meningkat, diluar rangkum temperatur optimum.

Konsep dan prinsip efisiensi tak hanya berlaku untuk sistem termodinamik atau termal, tapi berlaku generik atau universal untuk segala mesin. Tentang ini akan dibahas dalam topik tersendiri.

● Efikasi (efficacy) atau efektivitas (effectiveness) atau kedayagunaan suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, ukuran kuantitas efektiv (effective quantity) sistem, yang merupakan rasio kuantitas keluaran terhadap kuantias masukan. Untuk sistem termodinamik proses reversibel, efikasi dinyatakan sebagai berikut.

● ε = Qout/Qinp = Tout/Tinp
● η = 1 ― Qout/Qinp = 1 ― ε

● ε% = ε x 100%
● η% = (1 ― ε) x 100%

dimana,
● ε, efikasi
● ε%, efikasi, dalam % (per cent)

Untuk Qout setara Q inp, atau Tout samadengan Tinp, efikasi adalah maksimum, 1 atau 100%.

● Efikasi maksimum adalah ideal, dan tak akan pernah dicapai secara real, dan yang dapat dicapai hanya mendekati maksimum.

● Redundansi (redundancy) atau pemborosan, disebut juga irreversibilitas suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, ukuran kuantitas terbuang atau takdigunakan (unused quantity) sistem, yang merupakan beda atau selisih antara kuantitas masukan dan kuantitas keluaran. Untuk sistem termodinamik proses reversibel, redundansi dinyatakan sebagai berikut.

● ρ = Qinp ― Qout
● η = (Qinp ― Qout)/Qinp = ρ/Qinp

● ρ% = ρ x 100%

dimana,
● ρ, redundansi
● ρ%, redundansi, dalam % (per cent)

Untuk Qout setara Q inp, redundansi adalah minimum, 0 atau 0%.

● Redundansi minimum adalah ideal, dan tak akan pernah dicapai secara real, dan yang dapat dicapai hanya mendekati minimum.

● Koefisien performasi (coeficient of performace) atau unjukkerja suatu mesin atau sistem konversi energi adalah, rasio antara kuantitas energi keluaran (output) terhadap kerja total masukan (input), yang dapat dinyatakan secara matematik sebagai berikut.

● δ = Qout/Winp
● δ = Qout/(Qinp ― Qout) = Qout/Qinp ― Qout/Qout = Qout/Qinp ― 1

● δ% = δ x 100%

dimana,
● δ, koefisien performansi
● δ%, koefisien performansi, dalam % (per cent)
● Winp, kerja dilakukan, dalam J; apa yang kita bayar
● Qinp, kuantitas energi panas masukan atau diserap, dalam J; apa yang kita bayar, tapi terbuang
● Qout, kuantitas energi panas keluaran atau dibuang, dalam J; apa yang kita peroleh, sebagai bagian apa yang kita bayar

Maksud koefisien performansi adalah memperoleh Qout sebesar mungkin dengan Qinp sekecil mungkin, dimana Qout =< W inp dan Qout >> Qinp, sehingga, tak seperti efisiensi, karena Qinp selalu lebih kecil daripada Qout, koefisien performansi bisa jauh melampaui 1 atau 100%, tapi Qinp minimum samadengan 0 adalah ideal, sehingga koefsisien performansi maksimum atau takterhingga tak pernah dapat dicapai.

Hukum Kedua Termodinamika menjadi landasan pembuatan mesin panas Carnot (Carnot heat engine) dan mesin desakan Diesel (Diesel compression engine). Perangkat teknologi seperti, lemari-es (refrigerator), lemari-pendingin atau kulkas (cool-case), penyejuk-udara (air-conditioner, AC), mesin bakar (combustion engine) atau mesin bensin (gasoline engine) dan mesin desak (compression engine) atau mesin solar dari berbagai kendaraan bermotor (RANMOR), mencakup sepedamotor dan mobil, dirancang berdasarkan pada prinsip Hukum Kedua Termodinamika.

Jika koefisien performansi maksimum ingin diperoleh diterapkan pada mesin dingin: refrigerator, kulkas, AC, dan semacamnya, maka efiesiensi maksimum ingin diperoleh diterapkan pada mesin panas: RANMOR, dan semacamnya.

PERUBAHAN ENTROPI

Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup, perubahan entropi adalah selalu:

● tetap, dalam proses reversibel, karena perubahan entropi dalam proses dikompensasi oleh perubahan entropi dalam proses balik.

● meningkat, dalam proses irreversible, karena tak ada pembalikan proses.

Dengan demikian, perubahan entropi dapat dihitung hanya untuk proses reversibel. Sedangkan untuk proses irreversibel, perhitungan perubahan entropi hanya dapat dilakukan dengan mempostulasikan proses tersebut sebagai proses reversibel secara teoritik dan asumptiv.

Perubahan entropi sistem dalam proses reversibel adalah setara dengan rasio perubahan kuantitas energi panas diserap atau digunakan untuk melakukan kerja mekanik, dan temperatur mutlak termodinamik sistem.

● ∂S = ∂Q / T

dimana.
● ∂S, perubahan entropi, dalam J/K (Joule per Kelvin)
● ∂Q, perubahan kuantitas energi panas, dalam J
● T, temperatur mutlak termodinamik, dalam K

Mengacu ke Hukum Pertama Termodinamika, formula diatas dapat dinyatakan sebagai berikut.

● ∂S = ∂Q/T = (∂U + ∂W)/T
● ∂Q = T.∂S = ∂U + ∂W

Karena temperatur adalah tetap, maka energi luar akan menghasilkan gaya luar dan desakan atau tekanan, yang berdampak pada perubahan volume, sehingga formula dapat dinyatakan sebagai berikut.

● ∂S = ∂Q/T = (∂U + ∂W)/T = (∂U + p.∂V)/T
● ∂Q = T.∂S = ∂U + ∂W = ∂U + p.∂V

dimana,
● p, tekanan atau desakan, dalam Pa (Pascal) atau N/m²(Newton per meter persegi) atau J/m³(Joule per meter kubik)
● ∂V, perubahan volume, dalam m³(meter kubik)

Hukum Kedua Termodinamika terutama menyangkut Teorema Panas Carnot dan Teorema Desakan Diesel tentang mesin termodinamik.

HUKUM PERPINDAHAN PANAS DAN ENTROPI

● Tanpa sumber energi eksternal, energi panas tak dapat ditransfer, dialihkan atau dipindahkan, dalam proses swa-sembada (self-sustained), dari obyek dingin atau temperatur rendah ke obyek panas atau temperatur tinggi; karena secara alami, energi panas mengalir dari titik temperatur tinggi ke titik temperatur rendah, seperti air mengalir dari tempat tinggi ke tempat rendah karena gravitasi.

● Jika suatu sistem terisolasi atau tertutup (isolated or closed system), mengalami perubahan energi dalam sistem, karena digunakan untuk melakukan kerja, maka sistem akan mengalami perubahan status, dari semula teratur (ordered) ke takteratur (disordered), dan selaras dengan waktu secara kumulativ, makin lama makin banyak energi digunakan, makin takteratur sistem. Ketersediaan energi bisadiperoleh (available) atau bisadigunakan (usable) dalam sistem, dimana terjadi penurunan kuantitas energi karena digunakan untuk melakukan kerja, menjadi ukuran keteraturan sistem, dinamakan "entropi."

● Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup, entropi adalah ukuran kuantitas energi bisadiperoleh atau bisadigunakan dan sekaligus ukuran keteraturan dari sistem, dimana entropi berubah selaras dengan waktu dan secara terbalik dengan perubahan kuantitas energi sistem, dimana perubahan entropi meningkat ketika perubahan kuantitas energi merosot, sebaliknya, secara teoritik, perubahan entropi merosot bila perubahan energi meningkat.

Adalah tak mungkin (impossible) untuk membuat dan mengoperasikan suatu sistem secara terus-menerus atau berkesinambungan (continuously), untuk mengalihkan energi panas dari obyek dingin atau temperatur rendah ke obyek panas atau temperatur tinggi, dengan menggunakan energi panas dalam sistem untuk melakukan kerja mekanik, yang makin lama makin berkurang dan makin mendinginkan temperatur sistem, atau menguras sumber energi panas dari luar sistem, yang ditambahkan sebagai sumber energi eksternal, untuk mengoperasikan sistem, agar dapat melakukan kerja, tanpa menghasilkan efek lain atau akibat samping terhadap sistem, yang disebut sebagai entropi.

PROSES REVERSIBEL VS IRREVERSIBEL

Adalah tak mungkin (impossible) untuk membuat dan mengoperasikan suatu sistem secara terus-menerus atau berkesinambungan (continuously), tanpa menambahkan atau memberikan suatu sumber energi eksternal ke sistem, karena ketika sistem dioperasikan untuk melakukan suatu kerja, energi akan digunakan, sehingga kuantitas energi sistem makin lama makin berkurang dan akhirnya habis, kecuali kuantitas energi digunakan, yang diubah menjadi lain bentuk energi dan dilepas keluar, dapat disirkulasi dan dikembalikan untuk diumpanbalikkan ke sistem, tanpa keterlibatan energi lain, sedemikian sehingga sistem beroperasi secara swa-sembada (self-sustained).

Suatu proses dalam sistem sistem termodinamik dikatakan "reversibel" atau bisabalik, "bidireksional" atau dua-arah (two-way) secara bolak-balik, bila status sistem yang berubah karena perubahan energi sistem dapat dikembalikan ke status semula sebelum perubahan terjadi, dengan cara melakukan proses kebalikannya atau dalam arah berkebalikan. Kontras dengan ini, suatu proses dalam sistem sistem termodinamik dikatakan "irreversibel" atau takbisabalik, "unidireksional" atau satu-arah (one-way), bila status sistem tak dapat dikembalikan ke status semula. Dua proses berbeda ini mempunyai implikasi berbeda dalam perubahan energi sistem.

Perubahan kuantitas energi panas diumpankan ke sistem adalah setara dengan perubahan kuantitas energi internal dan perubahan kerja dihasilkan. Dapat dinyatakan secara matematik dalam formula sebagai berikut.

● ∂Q = ∂U + ∂W

dimana,
● ∂Q, perubahan kuantitas energi panas, dalam J (Joule)
● ∂U, perubahan energi internal, dalam J
● ∂W, perubahan kerja dilakukan, dalam J

LINGKUP DAN PENERAPAN TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah satu cabang dari fisika dinamika, yang mempelajari tentang perilaku gerakan energi dan materi, termasuk panas atau bahang (heat, therm) sebagai tenaga atau energi, dan juga mencakup dinamika fluida (fluid dynamics) yang mempalajari tentang aliran fluida (fluid flow), seperti gas, udara, air, dan benda bergerak didalamnya, materi atau pun energi. Dinamika fluida mencakup aerodinamika dan hidrodinamika.

Ada perbedaan mendasar antara termodinamika dengan aerodinamika dan hidrodinamika. Termodinamika hanya berurusan dengan perilaku panas sebagai tenaga, perubahan kuantitas, perpindahan, aliran, perubahan status, dan efek terjadi karena perubahan, tapi tak dengan mekanisme bagaimana perubahan tersebut terjadi. Sedangkan aerodinamika dan hidrodinamika berurusan dengan mekanisme pergerakan dalam aliran. Sehingga dalam kategori, termodinamika dibahas tersendiri sebagai cabang khusus fisika tentang panas, sementara mekanisme aerodinamika dan hidrodinamika dibahas dalam dinamika mekanika. Meski demikian, ada hubungan dan keterkaitan antara tiga cabang fisika ini dalam konteks dinamika.

Pembahasan termodinamika dilakukan dalam sistem makro yang mengandung sangat banyak partikel, sehingga variabel atau ubahan termodinamik adalah kuantitas statistik, seperti kompresi atau desakan atau presur [p] atau tekanan, temperatur [T] atau suhu, dan volume [V] ruang lingkup suatu sistem terisolasi, dimana dalam hal ini termodinamika berhubungan dengan dinamika fluida gas, udara, dan air. Meski demikian, dalam konteks tertentu, konsep termodinamika bisa diberlakukan untuk sistem mikro.

Termodinamika dan pembahasan termodinamik berlandaskan pada tiga hukum dasar dinamika panas, yang dinamakan sebagai hukum-hukum termodinamik (laws of thermodynamics).

Termodinamika memiliki penerapan sangat luas dalam fisika dan berbagai cabangnya dan disiplin ilmu lain berkaitan dengan fisika, dalam sains murni dan sais terapan dan teknologi rekayasa; mulai dari sistem molekular dalam kimia, hingga ke sistem stelar dan galaktik dalam kosmomofisika, dan semesta (universe) sendiri sebagai suatu sistem secara keseluruhan; teknologi rekayasa pendinginan dan pemanasan, mencakup teknologi rekayasa, mulai dari permesinan, otomotiv, hingga penerbangan.

Deret Radioaktif

Deret radioaktif merupakan deret nuklida radioaktif. Pada deret ini setiap anggotanya terbentuk dari hasil peluruhan nuklida sebelumnya. Deret akan berakhir dengan nuklida stabil. Ada empat deret radioaktif alamiah, yaitu deret torium, neptunium, uranium, dan aktinium.

3.1. Deret Torium

Deret torium dimulai dari inti induk  dan berakhir pada inti  Deret ini juga disebut dengan deret 4n, sebab nomor massanya selalu kelipatan 4.

3.2. Deret Neptunium

Deret neptunium dimulai dari induk  dan berakhir pada inti  Deret ini juga disebut deret (4n + 1), karena nomor massanya selalu dapat dinyatakan dalam bentuk 4n +1.

3.3. Deret Uranium

Deret uranium dimulai dari inti induk dan berakhir pada  Deret ini disebut juga deret (4n +2), karena nomor massanya selalu dapat dinyatakan dalam bentuk 4n + 2.

3.4. Deret Aktinium

Deret aktinium dimulai dari inti induk U dan berakhir pada Pb. Deret ini juga disebut deret (4n +3), sebab nomor massanya selalu dapat dinyatakan dalam bentuk 4n + 3.

Peluruhan Sinar Gamma

Suatu inti atom yang berada dalam keadaan tereksitasi dapat kembali ke keadaan dasar (ground state) yang lebih stabil dengan memancarkan sinar gamma. Peristiwa ini dinamakan peluruhan sinar gamma. Atom yang tereksitasi biasanya terjadi pada atom yang memancarkan sinar alfa maupun sinar beta, karena pemancaran sinar gamma biasanya menyertai pemancaran sinar alfa dan sinar beta. Peluruhan gamma hanya mengurangi energi saja, tetapi tidak mengubah susunan inti.

Gambar2. Peluruhan radioaktif. [2]

Seperti dalam atom, inti atom dapat berada pada keadaan eksitasi, yaitu keadaan inti yang tingkat energinya lebih tinggi dari keadaan dasarnya. Inti yang berada pada keadaan eksitasi diberi tanda star (*). Keadaan eksitasi inti ini dihasilkan dari tumbukan dengan partikel lain.

Persamaan peluruhan sinar gamma:

Inti yang berada dalam keadaan eksitasi pada umumnya terjadi setelah peluruhan. Misalnya:

Peluruhan Sinar Beta

Peluruhan Sinar Beta

Salah satu bentuk peluruhan sinar beta adalah peluruhan neutron. Neutron akan meluruh menjadi proton, elektron, dan antineutrino. Antineutrino merupakan partikel netral yang mempunyai energi, tetapi tidak memiliki massa. Bentuk peluruhan sinar beta yang lain adalah peluruhan proton. Proton akan meluruh menjadi neutron, positron, dan neutrino. Neutrino memiliki sifat yang sama dengan antineutrino. Peluruhan sinar beta bertujuan agar perbandingan antara proton dan neutron di dalam inti atom menjadi seimbang sehingga inti atom tetap stabil.

Jika inti radioaktif memancarkan sinar beta (β) maka nomor massa inti tetap (jumlah nukleon tetap), tetapi nomor atom berubah. Terjadi dua proses peluruhan sinar beta, yaitu:

Contoh peluruhan sinar beta :

2.3. Peluruhan Sinar Gamma

Peluruhan Sinar Alfa

Suatu inti yang tidak stabil dapat meluruh menjadi inti yang lebih ringan dengan memancarkan partikel alfa (inti atom helium). Pada peluruhan alfa terjadi pembebasan energi. Energi yang dibebaskan akan menjadi energi kinetik partikel alfa dan inti anak. Inti anak memiliki energi ikat per nukleon yang lebih tinggi dibandingkan induknya.

Jika inti memancarkan sinar α (inti , maka inti tersebut kehilangan 2 proton dan 2 neutron, sehingga Z berkurang 2, n berkurang 2, dan A berkurang 4.

Persamaan peluruhannya sinar alfa:

Contoh peluruhan sinar alfa:

Ernest Rutherford menemukan bahwa partikel α adalah atom-atom helium tanpa elektron dan partikel α atau β keluar dari atom, jenis atom berubah. Perubahan demikian dapat menyebabkan radiasi γ.

Peluruhan alfa menyebabkan nomor atom berkurang dua dan nomor massa berkurang empat, dan karena itu sebuah inti baru akan terbentuk. Adapun pada peluruhan beta akan menambah atau mengurangi nomor atom sebesar satu (nomor massa tetap sama). 

Prinsip Kerja dan Fungsi Transformator

Transformator adalah alat yang digunakan untuk menaikkan atau menurunkan tegangan AC. Piranti ini memindahkan energi listrik dari suatu rangkaian arus listrik bolak-balik ke rangkaian lain diikuti dengan perubahan tegangan, arus, fase, atau impedansi.

Gambar 5. Transformator pada tiang listrik. [2]

Transformator terdiri atas dua kumparan kawat yang membungkus inti besi, yaitu kumparan primer dan sekunder. Transformator dirancang sedemikian rupa sehingga hampir seluruh fluks magnet yang dihasilkan arus pada kumparan primer dapat masuk ke kumparan sekunder.

Ada dua macam transformator, yaitu transformator stepup dan transformator step-down. Transformator step-up digunakan untuk memperbesar tegangan arus bolak-balik. Pada transformator ini jumlah lilitan sekunder (Ns) lebih banyak daripada jumlah lilitan primer (Np). Transformator step-down digunakan untuk menurunkan tegangan listrik arus bolak-balik, dengan jumlah lilitan primer (Np) lebih banyak daripada jumlah lilitan sekunder (Ns).

Gambar 6. Transformator (a) step-up (b) step-down.

Apabila tegangan bolak-balik diberikan pada kumparan primer, perubahan medan magnetik yang dihasilkan akan menginduksi tegangan bolak-balik berfrekuensi sama pada kumparan sekunder. Tetapi, tegangan yang timbul berbeda, sesuai dengan jumlah lilitan pada tiap kumparan. Berdasarkan Hukum Faraday, bahwa tegangan atau ggl terinduksi pada kumparan sekunder adalah:

Dengan Ns menyatakan banyaknya lilitan pada kumparan sekunder, sedangkan (ΔΦ_B / Δt) adalah laju perubahan fluks magnetik. Tegangan masukan pada kumparan primer juga memenuhi hubungan persamaan dengan laju perubahan fluks magnetik, yaitu:

Dengan menganggap tidak ada kerugian daya di dalam inti, maka dari kedua persamaan tersebut akan diperoleh:

V_S/V_P = I_S/I_P ............................................................. (5)

Persamaan (5) adalah persamaan umum transformator, yang menunjukkan bahwa tegangan sekunder berhubungan dengan tegangan primer.

Hukum Kekekalan Energi menyatakan bahwa daya keluaran tidak bisa lebih besar dari daya masukan. Daya masukan pada dasarnya sama dengan daya keluaran. Daya

P = V.I, sehingga diperoleh:

Vp.Ip = Vs.Is ............................................................. (6)

atau

I_S/I_P = N_P/N_S .............................................................. (7)

Jadi, pada transformator berlaku hubungan:

N_S/N_P = V_S/V_P = I_S/I_P ..................................................... (8)

Transformator ideal (efisiensi η = 100%) adalah transformator yang dapat memindahkan energi listrik dari kumparan primer ke kumparan sekunder dengan tidak ada energi yang hilang. Namun, pada kenyataannya, terdapat hubungan magnetik yang tidak lengkap antarkumparan, dan terjadi kerugian pemanasan di dalam kumparan itu sendiri, sehingga menyebabkan daya output lebih kecil dari daya input. Perbandingan antara daya output dan input dinyatakan dalam konsep efisiensi, yang dirumuskan:

Transformator berperan penting dalam transmisi listrik. Listrik yang dihasilkan generator di dalam pembangkit mencapai rumah-rumah melalui suatu jaringan kabel atau “jaringan listrik”. Hambatan menyebabkan sebagian daya hilang menjadi panas. Untuk menghindari hal tersebut, listrik didistribusikan pada tegangan tinggi dan arus yang rendah untuk memperkecil hilangnya daya. Pusat pembangkit mengirim listrik ke gardu-gardu induk, di mana transformator step-up menaikkan tegangan untuk distribusi. Sementara itu, pada gardugardu step-down, tegangan dikurangi oleh transformator untuk memasok tegangan yang sesuai baik untuk industri maupun perumahan.

Gambar 7. Jaringan listrik. [3]

Contoh Soal 1 :

Sebuah generator armaturnya berbentuk bujur sangkar dengan sisi 8 cm dan terdiri atas 100 lilitan. Jika armaturnya berada dalam medan magnet 0,50 T, berapakah frekuensi putarnya supaya menimbulkan tegangan maksimum 20 volt?

Penyelesaian:

Diketahui: 

A = 8 cm × 8 cm = 64 cm² = 64 × 10^-4 m²

B = 0,50 T

N = 100 lilitan

ε _m = 20 volt

Ditanya: f = ... ?

Pembahasan :

ε _m = N.B.A.ω = N.B.A.2π.f

Contoh Soal 2 :

Sebuah transformator dapat digunakan untuk menghubungkan radio transistor 9 volt AC, dari tegangan sumber 120 volt. Kumparan sekunder transistor terdiri atas 30 lilitan. Jika kuat arus yang diperlukan oleh radio transistor 400 mA, hitunglah:

a. jumlah lilitan primer,

b. kuat arus primer,

c. daya yang dihasilkan transformator!

Penyelesaian:

Diketahui: 

V_p = 120 V 

N_s = 30

V_s = 9 V 

I_s = 400 mA = 0,4 A

Ditanya: 

a. N_p = ... ?

b. I_p = ... ?

c. P = ... ?

Pembahasan :

Fungsi dan Pengertian Generator

Generator adalah alat yang digunakan utuk mengubah energi mekanik menjadi energi listrik. Prinsip kerjanya adalah peristiwa induksi elektromagnetik. Jika kumparan penghantar digerakkan di dalam medan magnetik dan memotong medan magnetik, maka pada kumparan terjadi ggl (gaya gerak listrik) induksi. Hal ini dapat dilakukan dengan memutar kawat di dalam medan magnet homogen.

Gambar 1. Generator pada pembangkit listrik. [1]

1.1. Bagian-bagian dan Prinsip Kerja Generator AC

Gambar 2. menunjukkan skema sebuah generator AC, yang memiliki beberapa kumparan yang dililitkan pada angker yang dapat bergerak dalam medan magnetik. Sumber diputar secara mekanis dan ggl diinduksi pada kumparan yang berputar. 

Gambar 2. Generator AC.

Keluaran dari generator tersebut berupa arus listrik, yaitu arus bolak-balik. Skema induksi gaya gerak listrik dapat diamati pada Gambar 3, yang menunjukkan kecepatan sesaat sisi a - b dan c - d, ketika loop diputar searah jarum jam di dalam medan magnet seragam B. 

Gambar 3. Gaya gerak listrik ggl induksi pada potongan a-b dan c-d.

Ggl hanya dibangkitkan oleh gaya-gaya yang bekerja pada bagian a - b dan c - d. Dengan menggunakan kaidah tangan kanan, dapat ditentukan bahwa arah arus induksi pada a - b mengalir dari a ke b. Sementara itu, pada sisi c - d, aliran dari c ke d, sehingga aliran menjadi kontinu dalam loop. Besarnya ggl yang ditimbulkan dalam a - b adalah:

ε = B.l.v

Persamaan tersebut berlaku jika komponen v tegak lurus terhadap B. Panjang a - b dinyatakan oleh l. Dari gambar diperoleh v = v sin θ , dengan θ merupakan sudut antara permukaan kumparan dengan garis vertikal.

Resultan ggl yang terjadi merupakan jumlah ggl terinduksi di a - b dan c - d, yang memiliki besar dan arah yang sama, sehingga diperoleh:

ε = 2N.B.l.v sin θ .............................................. (1)

Dengan N merupakan jumlah loop dalam kumparan. Apabila kumparan berputar dengan kecepatan anguler konstan ω, maka besar sudutnya adalah θ =ωt . Diketahui bahwa:

v = ω.r atau v = ω (h/2)

dengan h adalah panjang b - c atau a - d.

Jadi, dari persamaan (1) diperoleh:

ε = 2N.B.l. ω (h/2) sin ωt .................................... (2)

atau

ε = N.B.A. ω sin ωt ............................................ (3)

Dengan A menyatakan luas loop yang nilainya setara dengan lh. Harga ε maksimum bila ωt = 90^o, sehingga sin ωt = 1. Jadi,

ε _maksimum = N.B.A. ω ................................................ (4)

 

Bagian-bagian dan Prinsip Kerja Generator DC

Generator DC hampir sama seperti generator AC. Perbedaannya terletak pada cincin komutator yang digunakannya, yang ditunjukkan pada Gambar 4(a). 

Gambar 4. Generator DC (a) dengan satu set komutator (b) dengan banyak komutator.

Keluaran generator dapat ditunjukkan oleh grafik hubungan V terhadap t, dan dapat diperhalus dengan memasang kapasitor secara paralel pada keluarannya. Atau dengan menggunakan beberapa kumparan pada angker, sehingga dihasilkan keluaran yang lebih halus Gambar 4(b). Generator elektromagnetik merupakan sumber utama listrik dan dapat digerakkan oleh turbin uap, turbin air, mesin pembakaran dalam, kincir angin, atau bagian dari mesin lain yang bergerak. Pada pembangkit tenaga listrik, generator menghasilkan arus bolak-balik dan sering disebut alternator.

Percobaan Fisika Sederhana / Praktikum Induksi Elektromagnetik

Tujuan : Memahami terjadinya induksi elektromagnetik.

Alat dan bahan : Magnet batang, kumparan, galvanometer. 

Cara Kerja :

1. Ambillah sebuah kumparan dan hubungkan di antara kedua ujung kawat kumparan dengan sebuah galvanometer.
2. Ambillah sebuah magnet batang yang cukup kuat kemagnetannya.
3. Gerakkan magnet ke dalam kumparan dan amatilah jarum galvanometer.
4. Gerakkan magnet ke luar kumparan dan amatilah kembali jarum galvanometer.
5. Gerakkan magnet maju mundur dan amatilah kondisi jarum galvanometer.
6. Catatlah hasil percobaan dengan mengikuti format berikut ini.

No.	Kondisi Magnet	Keadaan Jarum Galvanometer
1.	Magnet masuk kumparan
2.	Magnet keluar kumparan
3.	Magnet keluar masuk kumparan

Diskusi :

1. Jelaskan yang dimaksud induksi elektromagnetik!
2. Bagaimana frekuensi arus bolak-balik ketika magnet keluar masuk kumparan?
3. Tulislah kesimpulan dari percobaan yang telah kalian lakukan!

Faktor Penyebab Timbulnya Gaya Gerak Listrik Induksi

Penyebab utama timbulnya ggl induksi adalah terjadinya perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh suatu loop kawat. Besarnya fluks magnetik telah dinyatakan pada persamaan (1). Dengan demikian, ada tiga faktor penyebab timbulnya ggl pada suatu kumparan, yaitu:

a. perubahan luas bidang kumparan (A),

b. perubahan orientasi sudut kumparan θ terhadap medan,

c. perubahan induksi magnetik.

1.3.1. Gaya Gerak Listrik Akibat Perluasan Kumparan dalam Medan Elektromagnetik

Gambar 3. Perubahan luas kumparan karena pergerakan batang penghantar pada konduktor U.

Gambar 3 memperlihatkan induksi ggl elektromagnetik. Kita asumsikan medan B tegak lurus terhadap permukaan yang dibatasi sebuah konduktor berbentuk U. Sebuah konduktor lain yang dapat bergerak dengan kecepatan v dipasang pada konduktor U. Dalam waktu Δt konduktor yang bergerak tersebut menempuh jarak:

Δx = v.Δt ................................................................. (5)

Sehingga, luas bidang kumparan bertambah sebesar:

ΔA = l . Δx = l .v .Δt .............................................. (6)

Berdasarkan Hukum Faraday, akan timbul ggl induksi yang besarnya dinyatakan dalam persamaan berikut ini.

Dengan substitusi persamaan (6), maka akan diperoleh:

Persamaan (9) hanya berlaku pada keadaan B, l, dan v saling tegak lurus.

Contoh Soal 2 :

Sebuah kawat yang panjangnya 2 m bergerak tegak lurus pada medan magnetik dengan kecepatan 12 m/s, pada ujung-ujung kawat timbul beda potensial 1,8 V. Tentukan besarnya induksi magnetik!

Penyelesaian:

Diketahui: l = 2 m; v = 12 m/s; ε = 1,8 volt

Ditanya: B = ... ?

Pembahasan :

Karena V ⊥ B, maka besar induksi magnetiknya adalah:

ε = B.l.v

1,8 = B × 2 × 12

1,8 = 24 B

B = 1,8/24 = 0,075 T

1.3.2. Gaya Gerak Listrik Induksi Akibat Perubahan Orientasi Sudut Kumparan θ Terhadap Medan Elektromagnetik

Perubahan sudut antara induksi magnetik B dan arah bidang normal dapat menyebabkan timbulnya ggl induksi, yang besarnya dapat ditentukan melalui persamaan (4).

Karena nilai B dan A konstan, maka akan diperoleh:

Jika laju perubahan cos θ tetap, persamaan (10) menjadi:

Dengan θ₁ dan θ₂ masing-masing menyatakan sudut awal dan sudut akhir antara arah normal bidang dengan arah induksi.

1.3.3.  Gaya Gerak Listrik Induksi Akibat Perubahan Induksi Magnetik

Perubahan induksi magnetik juga dapat menimbulkan ggl induksi pada luasan bidang kumparan yang konstan, yang dinyatakan sebagai berikut:

Untuk laju perubahan induksi magnetik tetap, persamaan (12) menjadi:

Contoh Soal 3 :

Medan magnet B = ( ) tesla menembus tegak lurus kumparan seluas 100 cm² yang terdiri atas 50 lilitan dan hambatan kumparan 5 ohm. Berapakah kuat arus induksi maksimum yang timbul pada kumparan?

Penyelesaian:

Diketahui: 

B = 

A = 100 cm² = 10^-2 m²

N= 50

R = 5Ω

Ditanya: I_maksimum = ... ?

Pembahasan :

Bunyi Hukum Lenz

Apabila ggl induksi dihubungkan dengan suatu rangkaian tertutup dengan hambatan tertentu, maka mengalirlah arus listrik. Arus ini dinamakan dengan arus induksi. Arus induksi dan ggl induksi hanya ada selama perubahan fluks magnetik terjadi.

Hukum Lenz menjelaskan mengenai arus induksi, yangberarti bahwa hukum tersebut berlaku hanya kepada rangkaian penghantar yang tertutup. Hukum ini dinyatakan oleh Heinrich Friedrich Lenz (1804 - 1865), yang sebenarnya merupakan suatu bentuk hukum kekekalan energi. Hukum Lenz menyatakan bahwa:

“ggl induksi selalu membangkitkan arus yang medan magnetnya berlawanan dengan asal perubahan fluks”.

Perubahan fluks akan menginduksi ggl yang menimbulkan arus di dalam kumparan, dan arus induksi ini membangkitkan medan magnetnya sendiri.

Gambar 2. Penerapan Hukum Lenz pada arah arus induksi.

Gambar 2. menunjukkan penerapan Hukum Lenz pada arah arus induksi. Pada Gambar 2(a) dan 2(d), magnet diam sehingga tidak ada perubahan fluks magnetik yang dilingkupi oleh kumparan. Pada Gambar 2(b) menunjukkan fluks magnetik utama yang menembus kumparan dengan arah ke bawah akan bertambah pada saat kutub utara magnet didekatkan kumparan. Arah induksi pada Gambar 2(c), 2(e), dan 2(f ), juga dapat diketahui dengan menerapkan Hukum Lenz.

Contoh Soal 1 :

Fluks magnetik yang dilingkupi oleh suatu kumparan berkurang dari 0,5 Wb menjadi 0,1 Wb dalam waktu 5 sekon. Kumparan terdiri atas 200 lilitan dengan hambatan 4 Ω. Berapakah kuat arus listrik yang mengalir melalui kumparan?

Penyelesaian:

Diketahui: 

Φ₁ = 0,5 Wb

Φ₂ = 0,1 Wb

N = 200 lilitan

R = 4Ω

Δt = 5 sekon

Ditanya: I ... ?

Pembahasan :

Ggl induksi dihitung dengan persamaan:

tanda (-) menyatakan reaksi atas perubahan fluks, yaitu fluks induksi berlawanan arah dengan fluks magnetik utama. Arus yang mengalir melalui kumparan adalah:

I = ε/R = 16/4 = 4 A