Termodinamika

Sebuah pabrik makanan ingin mengganti mesin pemanas lama dengan mesin baru yang lebih efisien secara termal untuk mengurangi pemborosan energi sesuai dengan prinsip Hukum II Termodinamika. Mesin lama memiliki efisiensi hanya 20%, sehingga banyak energi terbuang sebagai kalor ke lingkungan. Pabrik tetap ingin mempertahankan output energi yang sama sebesar 2000 J untuk proses produksi tanpa meningkatkan konsumsi energi secara signifikan.

Berikut adalah data dari beberapa merk mesin pemanas baru :

Seleksilah dengan tepat! Mesin pemanas manakah yang paling sesuai dengan kebutuhan pabrik dan sesuai prinsip efisiensi energi?

Answer explanation

Decomposition

·       Data target : Target output >2000 J

·       Hitung energi output masing-masing mesin)

 

Rumus Efisiensi Mesin Panas

η = Wout/Qinput x 100% à Qinput = Wout/ η

 

Merk A

Wout = 0,4 x 5000 = 2000 J

Merk B

Wout = 0,7 x 3000 = 2100 J

Merk C

Wout = 0,6 x 3500 = 2100 J

 

Seleksi pilihan berdasarkan Prinsip Hukum II Termodinamika (meminimalkan entropi/kalor terbuang)

Merk A output pas 2000 J, tapi efisiensi rendah

Merk B dan C output lebih dari 2100 J, efisiensi lebih tinggi, lebih hemat energi

Diantara Merk B dan C harga lebih terjangkau yang Merk C

“Pencairan es di kutub utara menyebabkan naiknya permukaan air laut secara global. Dalam laporan IPCC, suhu rata-rata bumi telah meningkat sekitar 1,1°C sejak era pra-industri, dan ini menyebabkan percepatan pencairan es yang drastis. Para peneliti menghitung bahwa untuk mencairkan 1 km³ es diperlukan energi sebesar 3,34 × 10¹⁷ J (dengan asumsi es pada 0°C dan menggunakan kalor lebur es 3,34 × 10⁵ J/kg dan massa jenis es 917 kg/m³).”

 Kelompok A menyarankan penghentian seluruh aktivitas industri besar secara global agar tidak menambah panas ke atmosfer.

Berdasarkan pernyataan kelompok A, Silahkan perjelas kebenaran (true/false) dari solusinya dan berikan alasan ilmiah berdasarkan prinsip termodinamika dan efisiensi energi!

Answer explanation

Redefine problem

False

Penghentian total industri besar secara global tidak realistis secara ekonomi dan sosial. Selain itu, tidak semua energi panas berasal dari industri saja—aktivitas rumah tangga dan transportasi juga menyumbang emisi besar. Dari sudut pandang efisiensi energi dan hukum I Termodinamika, sistem dunia tidak bisa langsung menghentikan semua sumber kalor, tetapi harus mengalihkan sumber energi ke yang lebih ramah lingkungan serta meningkatkan efisiensi.

 

(C5) Evaluasi (mengevaluasi pernyataan dari kelompok A)

Masalah perlu diredefinisi: bukan menghentikan industri, tetapi menurunkan total emisi karbon melalui pendekatan energi terbarukan, efisiensi energi, dan perubahan perilaku masyarakat. Ini adalah solusi yang sejalan dengan prinsip termodinamika dan konsep efisiensi energi global.

Ayu sedang merancang sebuah sistem untuk menghangatkan rumah kaca selama musim dingin dengan menggunakan elemen pemanas yang digerakkan oleh listrik. Sistem ini harus memanaskan 5.000 kg air dari suhu 15°C hingga 65°C setiap hari agar suhu tetap stabil. Kapasitas panas spesifik air adalah 4.200 J/kg°C. Jika setiap elemen pemanas menghasilkan 1,5 × 10⁶ J per jam.

 

Hitunglah dengan tepat berapakah jumlah total kalor yang dibutuhkan setiap hari?

Answer explanation

Abstraction (menghilangkan detail yang tidak penting dan memfokuskan pada elemen inti)

Informasi Penting:

Massa air: 5.000 kg

Suhu awal: 15°C

Suhu akhir: 65°C

Kalor jenis air: 4.200 J/kg°C

 

Bukan Fokus Utama

Setiap elemen pemanas: 1.5 × 10⁶ J/jam

 

Fokus Utama:

Hitung energi yang dibutuhkan

 

Penyelesaian C3

Hitung Kalor Total

 Q = m.c. T

Q = 5000 x 4.200 x (65-15) = 1.050.000.000 J

Pada Mata Kuliah Fisika Lingkungan, Zidny ditugaskan untuk merancang wadah termos untuk menyimpan air panas selama 8 jam dalam semalam. Tantangannya adalah mengurangi kehilangan panas sebanyak mungkin dengan hanya menggunakan bahan yang tersedia secara lokal seperti busa, aluminium foil, plastik, dan kapas. Maka data-data yang dikumpulkan adalah:

1.      Suhu air awal-akhir

2.      Durasi waktu penyimpanan

3.      Jenis bahan isolasi

4.      Suhu udara

5.      Massa air

6.      Tekanan dalam wadah

7.      Volume wadah

8.      Kapasitas panas spesifik air

 

Berdasarkan data ini, Analisislah secara akurat variabel mana yang paling relevan dalam menentukan panas yang hilang selama proses penyimpanan

Answer explanation

Modularity

Tujuan utama, data yang dipakai, hubungan antar data.

Analisa

Memilah data mana yang digunakan untuk menghitung kalor hilang

 

Penyelesaian

Untuk mengetahui variabel mana yang paling relevan dalam menentukan panas yang hilang selama proses penyimpanan dapat melihat dari rumus (Q = mcdeltaT) dan hukum 1 termodinamika (deltaU = Q -W)

m = massa air (5)

c = kapasitas panas/kalor jenis air (8)

deltaT = Suhu air awal-akhir (1)

 

Variabel 1, 5, 8 relevan

Variabel 2 lumayan relevan

Variabel 3, 4, 6 kurang relevan

Seorang teknisi diminta untuk memilih sistem turbin uap yang paling efisien dari empat opsi yang tersedia untuk digunakan dalam sistem pembangkit listrik tenaga uap terbuka yang beroperasi kontinu. Dengan menggunakan prinsip Hukum I Termodinamika untuk sistem terbuka.

Analisislah secara tepat dan efisien data berikut untuk menentukan turbin yang paling optimal dalam penggunaan energi!

Answer explanation

Algorithmic Design

Identifikasi rumus à Menghitung daya teoritis tiap turbin à Hitung efisiensi masing-masing turbin à Simpulkan.

 

1.      Identifikasi Rumus

Wteoritis = m x (h1-h2)

 

2.      Hitung daya teoritis tiap turbin

A = 2.0 × (3000 – 2500) = 1000 kW

B = 2.5 × (2900 – 2450) = 1125 kW

C = 3.0 × (2800 – 2400) = 1200 kW

D = 3.5 × (2750 – 2350) = 1400 kW

 

3.      Hitung efisiensi masing-masing turbin

A = 950 / 1000 = 95%

B = 1100 / 1125 = 97.8%

C = 1250 / 1200 = 104.1% ❌

D = 1200 / 1400 = 85.7%

 

4.      Simpulkan

Turbin B adalah pilihan paling efisien secara teoritis dan realistis

Dalam Termodinamika, Hukum Ketiga menyatakan bahwa entropi kristal sempurna pada suhu nol mutlak adalah nol. Dengan meningkatnya suhu, entropi pun meningkat. Data berikut ini menunjukkan hubungan antara suhu (T) dan entropi (S) untuk zat kristal tertentu di bawah tekanan standar

Gambarkanlah secara detail grafik yang menunjukkan hubungan antar suhu dan entropi!

Answer explanation

Semakin mendekati 0K, sistem menjadi lebih teratur

Entropi menurun secara signifikan dan mencapai nol tepat pada suhu 0K, sesuai hukum ketiga termodinamika

Grafik berikut menunjukkan hubungan antara suhu reservoir panas (Th) dan efisiensi mesin Carnot, saat suhu reservoir dingin (Tc) tetap 300 K.

Berdasarkan grafik, terapkan sesuai pengetahuanmu tentang Hukum II Termodinamika dan efisiensi Carnot untuk menjelaskan :

1.      Mengapa efisensi meningkat seiring bertambahnya Th?

Mengapa efisiensi tidak pernah mencapai 100%, meskipun Th sangat tinggi?

Answer explanation

1.      Efisiensi meningkat seiring bertambahnya Th?

η = 1 – Tc/Th

Tc tetap konstan (300 K), sehingga jika Th meningkat (nilai Tc/Th makin kecil, η =1 – Tc/Th akan semakin besar, jadi, efisieni meningkat karena rasio suhu antara Tc dan Th mengecil, membuat mesin dapat mengubah lebih banyak panas menjadi kerja

2.      Efisiensi tidak pernah mencapai 100% meskipun Th sangat tinggi?

Jika Th à tak hingga , maka Tc/Th à 0, dan efisiensi mendekati 1 (atau 100%)

 

Namun, efisiensi tidak pernah benar-benar 100%, karena:

• Hukum II Termodinamika menyatakan bahwa tidak ada mesin yang dapat mengubah seluruh energi panas menjadi kerja tanpa membuang sebagian ke reservoir dingin.

• Selalu akan ada kehilangan energi dalam bentuk panas buangan.

Maka, secara teoritis efisiensi bisa mendekati 100%, tapi tidak akan pernah mencapainya — inilah batas yang ditetapkan oleh hukum termodinamika itu sendiri.

Dalam Simulasi bantuan bencana, dua wadah yang berisi air ditempatkan di ruang terisolasi untuk pertukaran panas. Wadah A berisi 1 kg air pada suhu 90°C, dan wadah B berisi 1,5 kg air pada suhu 30°C. seorang siswa berpendapat bahwa karena sistem terisolasi, suhu akhir adalah rata-rata dari dua suhu awal.

 

Buatlah argumen yang dapat dipertanggungjawabkan secara ilmiah dalam bentuk penjelasan tertulis (minimal 100 kata) yang mengevaluasi keakuratan penalaran siswa tersebut dan buatlak rekomendasi untuk meperbaiki kesalahpahamannya. Dukung jawaban anda dengan perhitungan konservasi energi yang tepat untuk mencapai prediksi suhu akhir yang benar dengan kesalahan kurang dari 1°C

Answer explanation

Dalam sistem terisolasi, tidak ada pertukaran energi dengan lingkungan, sehingga:

Qdilepas = Qditerima

 

Rumus pertukaran kalor

m1c(T1-Tf) = m2c(Tf-T2)

Dengan :

m1 = 1 kg, T1 = 90°C

m2 = 1,5 kg, T2 = 30°C

c = 4186 J/kg°C

Tf = suhu akhir

 

Kalor spesifik dapat dicoret dari kedua ruas

1(90 – Tf) = 1,5(Tf – 30)

90 – Tf = 1,5Tf – 45

90 + 45 = 2,5Tf à Tf = 135/2,5 = 54°C

 

Pendapat siswa yang menyatakan suhu akhir adalah rata-rata adalah salah

Alasannya : suhu akhir bukan rata-rata aritmatika, melainkan ditentukan oleh konservasi energi, yang meperhitungkan massa dan panas jenis.

 

Dengan perhitungan yang benar, suhu akhir adlaah 54°C, lebih rendah dari rata-rata karena massa air dingin lebih banyak.

 

Decision

Pendidikan konsep sistem terisolasi harus menekankan prinsip fisika, bukan intuisi rata-rata. Dalam praktiknya, konservasi energi adalah dasar utama estimasi perubahan suhu.

Sebuah tim insinyur sedang merancang sistem pelindung panas untuk kapsul luar angkasa yang akan memasuki atmosfer bumi. Selama proses masuk atmosfer, kapsul akan mengalami gesekan ekstrem dengan udara yang menyebabkan kenaikan suhu yang tajam di permukaan kapsul.

Untuk merancang pelindung yang aman, mereka mengidentifikasi sejumlah variabel berikut:

1.      Jenis bahan pelindung panas (logam, keramik, komposit)

2.      Massa pelindung panas

3.      Kalor jenis bahan pelindung

4.      Luas permukaan kapsul

5.      Laju perubahan suhu saat masuk atmosfer

6.      Durasi paparan terhadap gesekan atmosfer

7.      Konduktivitas termal bahan

8.      Suhu maksimum toleransi material

9.      Ketebalan pelindung panas

10.   Koefisien perpindahan panas

 

Berdasarkan variabel diatas, Kelompokkan menjadi dua kelompok dengan tepat :

1.      Penghantar kalor ke dalam bahan pelindung

2.      Ketahanan termal bahan terhadap suhu ekstrem

Answer explanation

Perlu memahami bagaimana kalor berpindah dan bagaimana bahan menahan kalor tersebut

Kelompok 1 (mempengaruhi besarnya kalor yang masuk)

6. Luas permukaan

9. Konduktivitas Termal bahan

8. Durasi gesekan

12. Koefisien perpindahan panas

 

Kelompok 2 (kemampuan bahan menahan kalor)

5. Kalor jenis

4. Massa

10. Suhu maksimum bahan

Dalam sebuah eksperimen sains, siswa kelas XI IPA C ditugaskan untuk menganalisis energi panas yang dibutuhkan untuk mengubah suhu berbagai balok logam yang digunakan dalam sebuah sistem tertutup. Setiap balok logam memiliki massa dan kapasitas kalor jenis yang berbeda. Tujuannya adalah untuk menentukan balok logam mana yang membutuhkan energi paling sedikit ketika dipanaskan dari 25°C hingga 75°C dalam sistem tertutup di mana tidak ada panas yang hilang ke lingkungan. Berikut ini adalah data balok logam yang digunakan:

Berdasarkan data di atas, Tentukan secara tepat blok logam yang membutuhkan energi panas paling sedikit apabila dipanaskan dalam sistem tertutup dari 25°C hingga 75°C  !

Answer explanation

Q = mcDeltaT = mc (75 – 25) = mc x 50

Hitung untuk masing-masing logam :

 

A:

Q = 2 x 900 x 50 = 90.000 J

 

B:

Q = 1,5 x 1000 x 50 = 75.000 J

 

C:

Q = 2,5 x 800 x 50 = 100.000 J

 

D = 3 x 700 x 50 = 105.000 J

 

Logam B membutuhkan energi paling sedikit, yaitu 75.000 J