PENERAPAN TIK DALAM PEMBELAJARAN FISIKA

Pemanfaatan TIK dalam Pembelajaran Fisika

Pemanfaatan TIK dalam pembelajaran Fisika, selain bertumpu pada interaksi user dengan teknologi itu sendiri juga terkait langsung dengan proses pembelajaran sains (fisika). Sudah bukan rahasia lagi, fisika –dan matematika– dipandang sebagai mata pelajaran yang sulit  dan “menakutkan” bagi sebagian besar peserta didik. Sesungguhnya hal ini lebih kepada persoalan interaksi peserta didik dan guru dalam penyampaian materi, dan bukan ilmu fisika nya yang bermasalah. Fisika sama halnya ilmu-ilmu yang lain bersifat netral. Sebagian besar konsep fisika bersifat abstrak yang mungkin sangat sulit dipahami peserta didik. Keterbatasan alat-alat percobaan juga menjadi kendala, padahal dengan melakukan percobaan diharapkan siswa menjadi mudah memahami suatu konsep yang sulit. Untuk itu dalam penyajian pembelajaran di kelas guru fisika dituntut untuk dapat berkreasi dan menciptakan suasana kelas yang menyenangkan sehingga siswa tidak menjadi takut pada pelajaran fisika, bahkan dapat mengubah image pelajaran fisika itu sulit dan menakutkan, menjadi pelajaran yang disukai peserta didik. Bukan hal yang mudah bagi guru untuk membuat suasana kelas fisika menjadi kelas yang menyenangkan. Persoalannya adalah, mengupayakan agar konsep-konsep abstrak fisika ini dapat ditampilkan secara nyata sehingga peserta didik mendapatkan pengalaman baru dalam pembelajaran yang melekat di benak mereka.

Telah kita pahami bahwa kadangkala kegiatan belajar mengajar (KBM) seringkali dihadapkan pada materi yang abstrak dan di luar pengalaman siswa sehari-hari, sehingga materi ini menjadi sulit diajarkan guru dan sulit dipahami siswa. Visualisasi adalah salah satu cara yang dapat dilakukan untuk mengkonkritkan sesuatu yang abstrak. TIK akan dengan mudah memvisualisasikan dalam bentuk gambar bergerak (animasi) yang juga dapat ditambahkan suara. Sajian audio visual yang dikenal dengan multimedia ini akan menjadikan visualisasi menjadi lebih menarik.Kapan multimedia dapat efektif digunakan dalam pembelajaran? Untuk menjawabnya perlu memahami level-level multimedia yang menurut Mayer (2001), mempunyai tiga level yaitu: Level teknis, yaitu multimedia berkaitan dengan alat-alat teknis; alat-alat ini dapat diartikan sebagai wahana yang meliputi tanda-tanda (sign). Level semiotik, yaitu representasi hasil multimedia seperti teks, gambar, grafik, tabel, dll. Level sensorik, yaitu yang berkaitan dengan saluran sensorik yang berfungsi untuk menerima tanda (sign).

Dengan memanfaatkan ketiga level di atas diharapkan dapat mengoptimalkan multimedia dan mendapatkan efektivitas pemanfaatan multimedia dalam proses pembelajaran. Dalam membuat suatu multimedia pembelajaran, tidak harus seluruh media ditampilkan. Penggunaan media yang kurang tepat justru akan mengaburkan konten yang ingin disampaikan. Pemilihan jenis media yang digunakan tergantung pada konten materi yang disajikan, karena setiap media memiliki karakteristik masing-masing. Jenis multimedia dalam pembelajaran meliputi:

1. Multimedia Presentasi

Multimedia presentasi digunakan untuk menjelaskan materi-materi yang sifatnya teoritis, digunakan dalam pembelajaran klasikal dengan kelompok belajar yang cukup banyak. Media ini cukup efektif sebab menggunakan multimedia proyektor yang memiliki jangkauan pancar cukup besar. Kelebihan media ini adalah menggabungkan semua unsur media seperti teks, video, animasi, image, grafik dan sound menjadi satu kesatuan penyajian, sehingga mengakomodasi sesuai dengan modalitas belajar siswa. Program ini dapat mengakomodasi siswa yang memiliki tipe visual, auditor maupun kinestetik (Rusman, geocities.com).

2. Multimedia interaktif

Menurut Rusman (geocities.com) diperkuat Samsudin (2008), CD interaktif merupakan media yang bersifat interaktif dan multimedia karena terdapat unsur-unsur media secara lengkap meliputi sound, animasi, video, teks dan grafis. Beberapa model multimedia interaktif yaitu: (1) Model Drill: merupakan salah satu strategi pembelajaran yang bertujuan memberikan pengalaman belajar yang lebih konkrit melalui penciptaan tiruan-tiruan bentuk pengalaman yang mendekati suasana sebenarnya (biasanya dalam bentuk latihan soal-soal), (2) Model Tutorial: merupakan program pembelajaran dengan menggunakan perangkat lunak berupa program komputer yang berisi tujuan, materi pelajaran dan evaluasi, (3) Model Simulasi: pengajaran dengan komputer untuk simulasi pada suatu keadaan khusus, atau sistem di mana siswa dapat berinteraksi, (4) Model Games: model permainan ini dikembangkan berdasarkan atas ”pembelajaran yang menyenangkan”, dimana peserta didik akan dihadapkan pada beberapa petunjuk dan aturan permainan.

Adapun tujuan utama pemanfaatan TIK dalam sains (fisika) terbagi dalam empat cakupan wilayah yaitu: penanganan data, informasi, komunikasi, dan eksplorasi. Guna menunjang penggunaan TIK yang optimal perlu didukung perangkat lunak dan perangkat keras yang memadai. Kebutuhan akan peralatan pendukung dapat digolongkan menjadi 4 bagian yaitu: (1) peralatan pemasukan data dan video digital untuk menangkap data berupa gambar, (2) spreadsheets dan alat pembuat grafik untuk penanganan dan analisis data.
(3) alat pemodelan dan simulasi termasuk animasi virtual.
(4) sumber-sumber informasi seperti internet atau CD-ROM.

Kegiatan pembelajaran fisika tidak terlepas dari penyampaian materi di kelas dan kegiatan praktek yang menunjang pembelajaran. Praktikum dimaksudkan untuk meningkatkan penguasaan materi dan keterampilan ilmiah melalui pengamatan langsung dan berbagai aktifitas laboratorium. Model implementasi pemanfaatan TIK dalam pembelajaran di kelas dan aktifitas di laboratorium sedikitnya dapat digolongkan menjadi 3 yaitu : (1) MBL/CBL (Microcomputer Based Laboratory/Calculator Based Laboratory), (2) VBL/VBD (Video Based Laboratory/Video Based Demonstration), (3) SBL/ISE (Simulation Based Laboratory/Interactive Screen Experiment). Pada Microcomputer Based Laboratory (MBL) adalah penggunaan komputer yang difokuskan pada proses pencacatan data eksperimental fisika secara otomatis. Dalam prosesnya pengambilan data menggunakan berbagai jenis sensor sehingga dapat melakukan pengukuran secara lengkap dan otomatis. Penggunaan komputer dalam Video Based Laboratory (VBL) difokuskan pada analisis fenomena/gejala fisika yang teramati pada rekaman video digital (sebelumnya menggunakan photographs atau stroboscopic photographs). Simulation Based Laboratory (SBL) merupakan kategori yang sudah cukup dikenal, yang penerapannya membuat gejala sains (fisika) melalui simulasi dengan komputer yang bertumpu pada model matematis. Kekuatan utama dalam SBL adalah kemampuannya memvariasi parameter-parameter eksperimen untuk memunculkan respon yang berbeda dari besaran-besaran fisika yang diamati.

Ada cara lain dalam memanfaatkan TIK, salah satunya dengan membuat multimedia sederhana selayaknya sebuah sajian film (cinematografi) untuk pembelajaran fisika. Untuk membuatnya perlu didukung kompetensi guru dalam menguasai TI. Penguasaan TI bagi guru adalah salah satu dampak dari kemajuan Teknologi Informasi pada dunia pendidikan. Sudah sepatutnya guru tidak boleh ketinggalan untuk selalu mengupdate kemampuan dalam TI, karena banyak manfaat yang didapat dari TI untuk dunia pendidikan. Salah satu manfaat tersebut adalah untuk membuat media pembelajaran berbasis TI yang dapat memvisualkan konsep fisika yang abstrak dan sulit dipahami, sehingga pelajaran Fisika menjadi mudah dipahami.

Membuat media pembelajaran fisika berbasis TI yang sederhana, hanya dibutuhkan kompetensi penguasaan power point untuk penyajian (minimal mampu menggunakan variasi background-teks-warna-grafik, variasi custom animation, menggabungkan file, hyperlink, navigasi, insert picture-audio-video, insert file flash dan insert file applet) dan koneksi internet untuk browsing gambar/animasi/video yang disisipkan pada power point tersebut. Software pendukung yang digunakan adalah Java Applet, Shockwave Player, Macromedia Flash, Quick Time Player dan Macromedia Breeze. Selain itu dibutuhkan pula software pendukung yang biasanya digunakan dalam editing foto/video seperti Ulead Video Studio, 3D Album, Xilisoft Video Converter dan Camtasia. Dalam pembuatan media pembelajaran dituntut kreatifitas seorang guru agar media tersebut menarik untuk disajikan. Salah satu yang dapat lakukan adalah dengan membuat media yang disajikan layaknya sebuah sajian film yang menarik dan menghibur. Dalam hal ini guru bertindak sebagai sutradara sekaligus produser sebuah film. Melalui tayangan gambar maupun ilustrasi bergerak seperti multimedia buatan sendiri tersebut, diharapkan siswa terpacu belajar dan semakin menyenangi fisika. Selain itu, tentu saja agar materi tersampaikan secara efektif dan mudah dipahami, daripada sekedar menjejali peserta didik dengan rumus-rumus “bisu” di papan tulis.

Dewasa ini telah banyak beredar perangkat lunak pendukung pembelajaran fisika yang bisa dengan mudah diperoleh di internet, baik versi gratis maupun berbayar/membeli lisensi. Ada banyak sekali aplikasi pendukung pembelajaran fisika di dunia maya, tergantung kepada sejauh mana kita memanfaatkannya seoptimal mungkin. Tersedianya berbagai perangkat lunak ini dapat dipandang sebagai peluang sekaligus tantangan bagi para pelaku pendidikan di era penguasaan teknologi informasi seperti sekarang ini. Berdasarkan fungsi dan pemanfaatannya, perangkat lunak tersebut dapat dikategorikan menjadi (1) animasi fisika: MS Powerpoint, Macromedia flash, (2) Simulasi fisika: PhET, Interactive physics, (3) Analisis Video: OSP Tracker, Logger Pro, (4) pemodelan dan simulasi: MS Excel, Modellus/Easy Java Simulation (EJS), (5) Data logging: Vernier LabPro, LabQuest, (6) Analisis grafik dan data: MS Excel, OSPdatatools. Beberapa software lainnya yang menarik untuk dicoba: Audacity, Overtone, Scope, Microsoft Student dan Microsoft Encarta.

Contoh untuk membuat simulasi fisika tentang Gerak Lurus Berubah Beraturan (GLBB) kita bisa memanfaatkan aplikasi Modellus. Dengan sofware ini akan diperoleh simulasi visual dua dimensi berupa animasi informatif dilengkapi tabel dan grafik. Modellus mampu menampilkan beragam simulasi pembelajaran fisika dasar dari yang sederhana sampai yang cukup rumit. Untuk menampilkan simulasi, terlebih dahulu masukkan persamaan matematis pada menu mathematical model. Setelah itu tambahkan beberapa settingan agar simulasi bisa dijalankan. Peserta didik dapat berkreasi membuat percobaan visual sendiri untuk memahami konsep-konsep fisika yang dianggap abstrak. Bagi siswa kelas X SMA yang tidak memahami pokok bahasan kinematika atau Hukum Newton tentang gerak dengan hanya sepintas mendengarkan penjelasan guru di kelas, dengan “mengutak-atik” Modellus ini akan mendapatkan suatu pengalaman baru bagaimana memahami dan memvisualkan konsep-konsep abstrak tersebut dalam tataran yang lebih nyata.

Selain berbagai aplikasi yang sudah dikemukakan di atas, untuk membuat simulasi pembelajaran fisika kita bisa juga menggunakan PhET, software interaktif yang dibuat oleh University of Colorado at Boulder (Amerika Serikat). PhET merupakan aplikasi simulasi berbasis bahasa pemrograman Java. Interface PhET bisa dikatakan hampir mirip dengan Modellus dimana menonjolkan tampilan animasi dua dimensi dan grafik. Software ini dapat digunakan secara offline maupun online. Pada tabs menu, pengguna bisa leluasa memilih percobaan dari berbagai bidang ilmu seperti biologi, kimia, ilmu kebumian, dan fisika. Contoh percobaan fisika tentang interferensi gelombang cahaya dan suara terdapat pada sub menu cahaya dan radiasi. Pengguna dapat mendownload percobaan ini, atau menyaksikannya secara online. PhET menyediakan fasilitas search bagi para pengguna agar lebih mudah mencari percobaan yang diinginkan disamping ratusan juta simulasi percobaan ilmiah yang sudah terupload di database.

Software interaktif lainnya yang tidak kalah menarik adalah Microsoft Encarta. Software buatan raksasa operating system Microsoft Corporation, bertajuk Ensiklopedia yang merangkum berbagai topik yang sangat luas dari mulai sejarah, ekonomi, politik, budaya, ilmu sosial, matematika, komputer, sains, biologi, kimia, dan tentu saja fisika. Tidak seperti software simulasi yang kadangkala  membutuhkan input persamaan matematis atau data logging, Microsoft Encarta sangat mudah digunakan (easy usage), tidak memerlukan input apapun karena semua data sudah tersimpan dalam database program. Tampil dengan interface warna-warni (dapat kita temukan di Encarta Kids) menjadikannya atraktif dan cukup menggoda anak-anak khususnya siswa tingkat SD dan SMP untuk mencobanya. Pengguna cukup mengklik tabs menu yang tersedia  maka akan muncul informasi berupa teks, gambar, animasi, clips dan video pendek. Terdapat kuis trivia untuk sekedar merefresh pikiran sambil “menguji” seberapa baik pengusaan materi setelah puas mengaduk-aduk isi ensiklopedia ini. Microsoft Encarta semudah mengakses Google atau Wikipedia, bahkan pada beberapa hal memberikan informasi yang lebih terorganisasi dan terperinci. Pengguna juga dapat memanfaatkan fasilitas search yang terdapat pada sisi kanan atas layar. Ketikkan kata kunci pada menu search dan Microsoft Encarta akan menampilkan hasil pencarian.

Selain itu, kemasan simulasi PhET bersifat kontekstual seperti yang ditemukan dalam kehidupan sehari-hari sampai ke hal-hal mikroskopis yang tida dapat dibayangkan atau tergambarkan secara nyata. Misalnya simulasi radiasa elektromagnetik yang dapat divisualisasikan sehingga pengguna dapat mengetahui proses radiasi tersebut secara mokro dan dapat melakukan analisis kuantitatifnya.

Manfaat dari simulasi PhET yang telah diuji dapat diuraikan sebagai berikut:

1. Dapat dijadikan suatu pendekatan pembelajaran yang membutuhkan keterlibatan dan interaksi dengan siswa
2. Memberikan feedback yang dinamis
3. Mendidika siswa agar memiliki pola berfikir kontruktivisme, dimana siswa dapat menggabungkan pengetahuan awal dengan temuan-temuan virtual dari simulasi yang dijalankan
4. Membuat pembelajaran lebih menarik karena sisa dapat belajar sekaligus bermain pada simulasi tersebut
5. Menvisualisasi konsep-konsep fisika dalam bentuk model. Seperti electron, photon, molekul dll.

Gambar :  Software aplikasi PhET

TIK dan Pembelajaran Fisika

Memasuki abad ke-21, bidang TIK berkembang dengan pesat yang dipicu oleh temuan dalam bidang rekayasa mikroelektronika. Perkembangan ini berpengaruh besar terhadap berbagai aspek kehidupan, bahkan perilaku dan aktivitas manusia kini banyak tergantung kepada TIK. Perkembangan TIK telah memberikan pengaruh terhadap dunia pendidikan khususnya dalam proses pembelajaran. Terjadi pergeseran dalam proses pembelajaran yaitu: dari "ruang kelas" ke "di mana saja", dari "waktu siklus" ke "waktu nyata", dari "kertas" ke "online", dan dari "fasilitas fisik" ke "fasilitas jaringan kerja".

Interaksi antara guru dan siswa tidak hanya dilakukan melalui hubungan tatap muka, tetapi dapat juga dilakukan dengan menggunakan media-media komunikasi seperti telepon, sms, dan e-mail. Guru dapat memberikan layanan tanpa harus berhadapan langsung dengan siswa. Demikian pula, siswa dapat memperoleh informasi dalam lingkup yang luas dari berbagai sumber melalui internet.

Informasi yang diwakilkan oleh komputer yang terhubung dengan internet sebagai media utamanya mampu memberikan kontribusi yang demikian besar bagi proses pendidikan. Teknologi interaktif ini memberikan katalis bagi terjadinya perubahan mendasar terhadap peran guru: dari informasi ke transformasi.

Sebagai seorang professional, guru memiliki lima tugas pokok, yaitu merencanakan pembelajaran, melaksanakan pembelajaran, mengevaluasi hasil pembelajaran, menindaklanjuti hasil pembelajaran, serta melakukan bimbingan dan konseling. TIK tentunya dapat berperan pada kelima tugas pokok tersebut.

Dalam pembelajaran fisika yang paling penting ditekankan adalah keterampilan dalam proses berpikir. Siswa dilatih untuk dapat mengembangkan kemampuan berpikir logis, analitis, sistematis, dan konsisten. Untuk membantu dalam proses berpikir tersebut, gambar dan atau animasi dapat digunakan. TIK dapat berperan di sini. Dalam perencanaan pembelajaran guru dapat memperkaya materi yang akan disampaikan dengan mengambil beberapa contoh kontekstual yang ada di dunia maya dengan bantuan internet.

Pada saat pelaksanaan pembelajaran, komputer dapat digunakan sebagai media. Komputer bisa menyajikan media dalam bentuk grafis dan audiovideo. Tentunya ini akan menambah daya tarik bagi siswa dalam belajar. Sifat kemonotonan penyajian pada pengajaran ‘konvensional’ dapat dikurangi. Pembelajaran fisika yang selama ini dianggap sangat ‘menakutkan’ tidak perlu terjadi karena prosesnya diberikan secara menarik dan menyenangkan oleh guru mata pelajaran tersebut. Dengan bantuan beberapa perangkat lunak beberapa konsep fisika seperti materi gelombang, listrik, dengan mudah dapat diterangkan dan bukti-bukti fisika dapat disajikan dengan lebih menarik.

Dengan TIK, soal evaluasi dapat dengan mudah dibuat beragam. Soal-soal dengan mudah dapat dikombinasikan untuk mendapatkan beberapa paket soal. Ini tentunya akan membantu mengurangi kecurangan dalam pengerjaannya. Walaupun soal dibuat beraneka ragam, dengan bantuan TIK proses penilaian masih dapat dibuat cepat. Selanjutnya, dengan e-mail atau jalinan komunikasi antara guru dengan siswa atau dengan orang tua siswa dapat ditingkatkan. Jika terdapat masalah pada peserta pembelajaran, maka akan cepat didiskusikan cara penyelesaiannya. Tentunya ini akan meningkatkan mutu pembelajaran. Selain itu, guru atau siswa dengan bantuan internet dapat dengan mudah untuk mendapatkan informasi tambahan yang akan membantu memperkaya wawasan.

TERMODINAMIKA

Pengertian Termodinamika

Termodinamika adalah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas,dan perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk energi yang lain.Istilah ini diturunkan dari bahasa yunani Therme (panas) dan dinamis (gaya).Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua prinsip dasar yang aslinya diturunkan dari eksperimen,tapi kini dianggap sebagai aksiom.prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi,yang mengambil bentuk hukum kesetaraan panas dan kerja.Prinsip yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak dapat mengalir dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahan dikedua benda tersebut.

Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁V₂ pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya. menjadi volume akhir

W = p∆V= p(V₂ – V₁)

Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan volume yang ditulis sebagai

Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V₂ > V₁. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V₂ < V₁ dan usaha gas bernilai negatif.

Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai

untuk gas monoatomik

untuk gas diatomik

Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol⁻¹ K⁻¹, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

•  Sistem termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagad raya yang diperhitungkan.semua batasan yang nyata atau imajinasi memisahkansistem dengan jagad raya,yang disebut lingkungan.

Ada tiga jenis sistem termodinamika berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara

sistem dan  lingkungan:

• Sistem Terisolasi

Sistem ini tidak terjadi pertukaran panas,benda atau kerja dengan lingkungan.Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi,seperti tabung gas terisolasi.

• Sistem Tertutup

Pada sistem ini terjai pertukaran energi tapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan.Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup dimana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas,kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya.Pembatasadibiatik yaitu tidak diperbolehkan pertukaran panas sedangkan pembatas rigid yaitu tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

• Sistem Terbuka

Pada sistem ini terjadi pertukaran energi dan benda dan lingkungannya.sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebutpermeabel.Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

KeadaanTermodinamika

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 di spesifikasikan.Properti ini tidak bergantung dengan jalur dimana sistem ini membentuk keadaan tersebut,disebut fungsi keadaan dari sistem.Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti,yang merupakanfungsi keadaan.

Hukum – hukum Dasar Termodinamika

Hukum –hukum termodinamika pada prinsipnya menjelaskan peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika.Terdapat 4 hukum dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika,yaitu:
 

• Hukum Awal

Termodinamika hukum ini menyatakan bahwa apabila dua buah benda yang berada didalam kesetimbangan thermal digabungkan dengan sebuah benda lain,maka ketiga-tiganya berada dalam kesetimbangan thermal.
 

• Hukum I Termodinamika

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum kekekalan energi .Hukum termodinamika pertama berbunyi “Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain”.Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama,energi didalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda.Hukum pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.

Aplikasi : Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi.Semuanya hanya mentransfer dengan berbagai cara.

pada hukum I Termodinamika : 

“Pada saat gas dalam ruang tertutup diberi kalor maka kalor tersebut akan dimanfaatkan untuk melakukan usaha dan merubah energi dalamnya.”

Hubungan di atas dapat dinamakan kekekalan energi dan dituliskan sebagai berikut.

Dengan :

       = perubahan kalor sistem
     = usaha sistem
 = perubahan energi dalam

untuk gas ideal monoatomik berlaku persamaan berikut.

atau

• Hukum kedua

Termodinamika hukum kedua terkait dengan entropi.Entropi adalah tingkat keacakan energi.Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkatkan waktu,mendekati nilai maksimumnya.

Aplikasi : kulkas harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya,yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar.Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar.
 

• Hukum ketiga

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

Aplikasi : kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhuyang sangat rendah,karena tidak banyak acakan gerakan kinetik dalam skala mokuler yang mengganggu aliran elektron.

Proses-proses termodinamika

Proses termodinamika adalah perubahan keadaan gas, yaitu tekanan, volume dan suhunya. Perubahan ini diiringi dengan perubahan kalor, usaha dan energi dalamnya. Proses-proses yang memiliki sifat-sifat khusus ada empat contoh seperti berikut.

a. Proses Isobarik

Proses isobarik adalah proses perubahan gas dengan tahanan tetap. Pada garis P – V proses isobarik dapat digambarkan seperti pada berikut.

Proses Isobarik

Usaha proses isobarik dapat ditentukan dari luas kurva di bawah grafik P – V.

b. Proses Isotermis

Proses isotermis adalah proses perubahan gas dengan suhu tetap. Perhatikan grafikk pada Gambar berikut.

Proses Isotermis

Pada proses ini berlaku hukum Boyle.

Karena suhunya tetap maka pada proses isotermis ini tidak terjadi perubahan energi dalam . Sedang usahanya dapat dihitung dari luas daerah di bawah kurva, besarnya seperti berikut.

c. Proses Isokhoris

Proses isokhoris adalah proses perubahan gas dengan volume tetap. Pada grafik P.V dapat digambarkan seperti pada Gambar berikut.

Proses Isokhoris

Karena volumenya tetap berarti usaha pada gas ini nol, W = 0.

d. Adiabatik

Pada proses isotermis sudah kalian ketahui, U = 0 dan pada proses isokoris, W = 0. Bagaiaman jika terjadi proses termodinamika tetapi Q = 0 ?

Proses adiabatis

Proses yang inilah yang dinamakan proses adiabatis. Berdasarkan hukum I Termodinamika maka proses adiabatis memiliki sifat dibawah.

e. Proses lain dan gabungan proses

Proses-proses selain 4 proses ideal diatas dapat terjadi. Untuk memudahkan penyelesaian dapat digambarkan grafik P – V prosesnya. Dari grafik tersebut dapat ditentukan usaha proses sama dengan luas kurva dan perubahan energi dalamnya . Sedangkan gabungan proses adalah gabungan dua proses adiabatik yang berkelanjutan. Pada gabungan proses ini berlaku hukum I termodinamika secara menyeluruh.

Persamaan Keadaan Gas
Hukum Gay-Lussac
Tekanan tetap → V/T = Konstan → V1/T1 = V2/T2

Hukum Charles
Volume tetap → P/T = Konstan → P1/T1 = P2/T2

Hukum Boyle
Suhu tetap → PV = Konstan → P1V1 = P2V2

P, V, T Berubah (non adiabatis)
(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)

Adiabatis
P1V1 γ= P2V2γ
T1V1 γ − 1= T2V2γ − 1
γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = Cp/Cv 

UsahaW = P(ΔV) → Isobaris
W = 0 → Isokhoris
W = nRT ln (V2 / V1) → Isotermis
W = − 3/2 nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik) 
Keterangan :
T = suhu (Kelvin, jangan Celcius)
P = tekanan (Pa = N/m2)
V = volume (m3)
n = jumlah mol
1 liter = 10−3m3
1 atm = 105 Pa ( atau ikut soal!)
Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693 



Mesin Carnot
η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %
η = ( W / Q1 ) x 100%
W = Q1 − Q2
Keterangan :
η = efisiensi mesin Carnot (%)
Tr = suhu reservoir rendah (Kelvin)
Tt = suhu reservoir tinggi (Kelvin)
W = usaha (joule)
Q1 = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)
Q2 = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

SIKLUS CARNOT

Siklus Carnot adalah sebuah siklus reversibel, yang pertama kali dikemukakan oleh Sadi Carnot pada tahun 1824, seorang insinyur Perancis. Mesin teoritis yang menggunakan siklus Carnot disebut dengan Mesin Kalor Carnot. Siklus Carnot yang dibalik dinamakan dengan siklus Carnot terbalik dan mesin yang menggunakan siklus carnot terbalik. Urutan proses pada siklus Carnot adalah sebagai berikut :

1.      Ekspansi isotermal reversibel.

2.      Ekspansi adiabatis reversibel

3.      Kompresi isotermal reversibel

4.      Kompresi adiabatis reversibel

PRINSIP KERJA MESIN CARNOT

Hukum   termodinamika   kedua   meletakkan   pembatasan   pada   operasi peralatan siklus

seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank dan Clausius. Sebuah mesin kalor tidak dapat

beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak

dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar.

MESIN KALOR CARNOT

Efisiensi  termal  dari  semua  mesin  kalor   reversibel  atau  irreversibel  dapat dituliskan sebagai berikut :

hth	= 1  -	QL	(5-11)
		QH

dimana QH adalah panas yang ditransfer ke mesin kalor pada temperatur TH, dan QL adalah panas yang diteransfer ke mesin kalor pada temperatur TL.

Hubungan di atas adalah hubungan yang mengacu pada efisiensi Carnot, karena mesin kalor Carnot adalah mesin reversibel yang baik. Perlu dicatat bahwa TL dan TH adalah temperatur absolut. Penggunaan ^oC atau ^oF akan sering menimbulkan kesalahan.

Efisiensi termal dari suatu mesin kalor aktual dan reversibel yang beroperasi pada batas temperatur yang sama adalah sebagai berikut

ì	<	h
ï
hth   í	=	h
ï	>	h
î

mesin  kalor  irreversibel

mesin  kalor  revesibel

mesin  kalor impossible

Hampir semua mesin kalor mempunyai efisiensi termal dibawah 40 persen, yang sebenarnya relatif rendah jika dibandingkan dengan 100 persen. Tetapi bagaimanapun, ketika performance dari mesin kalor diperoleh tidak harus dibandingkan dengan 100 persen, tetapi harus dibandingkan dengan efisiensi sebuah mesin kalor reversibel yang beroperasi diantara batas temperatur yang sama.

Kualitas Energi

Sebuah mesin kalor Carnot jika menerima panas dari sebuah sumber pada temperatur 925 K dan mengubahnya 67,2 persen menjadi kerja, kemudian membuang sisanya (32,8 persent) ke si nk pada 303 K. Sekarang jika dievaluasi bagaimana efisiensi termal jika sumbertemperatur bervairiasi dengan temperatur sink dijaga konstan.

Jika suplai panas dari temperatur sumber 500 K (bandingkan dengan 925 K), maka efisiensi termal turun drastis menjadi dari 67,2 ke 39,4 persen. Dan jika temperatur sumbersebesar 350 K, maka fraksi panas yang dikonversi hanya 13,4 persen.

Harga efisiensi menunjukkan bahwa energi mempunyai kualitas sama seperti mempunyai kunatitas. Semakin tinggi temperatur, semakin tinggi kualitas energi.

Contoh misalnya, jumlah yang besar dari energi matahari , jika disimpan dalam sebuah benda (body) yang disebut solar pond akan mempunyai temperatur kurang lebih 350 K. Jika hal ini disuplaikan ke sebuah mesin kalor , maka efisiensinya hanya kurang lebih 5 persen.

Contoh soal dan pembahasan

Soal No. 1
Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!
(1 atm = 1,01 x 105 Pa)

Pembahasan
Data :
V2 = 4,5 m3
V1 = 2,0 m3
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Isobaris → Tekanan Tetap

W = P (ΔV)
W = P(V2 − V1)
W = 2,02 x 105 (4,5 − 2,0) = 5,05 x 105 joule

Soal No. 2
1,5 m3 gas helium yang bersuhu 27oC dipanaskan secara isobarik sampai 87oC. Jika tekanan gas helium 2 x 105 N/m2 , gas helium melakukan usaha luar sebesar....

Pembahasan
Data :
V1 = 1,5 m3
T1 = 27oC = 300 K
T2 = 87oC = 360 K
P = 2 x 105 N/m2

W = PΔV
Mencari V2 :
V2/T2 = V1/T1
V2 = ( V1/T1 ) x T2 = ( 1,5/300 ) x 360 = 1,8 m3
W = PΔV = 2 x 105(1,8 − 1,5) = 0,6 x 105 = 60 x 103 = 60 kJ

Soal No. 3
2000/693 mol gas helium pada suhu tetap 27oC mengalami perubahan volume dari 2,5 liter menjadi 5 liter. Jika R = 8,314 J/mol K dan ln 2 = 0,693 tentukan usaha yang dilakukan gas helium!

Pembahasan
Data :
n = 2000/693 mol
V2 = 5 L
V1 = 2,5 L
T = 27oC = 300 K

Usaha yang dilakukan gas :
W = nRT ln (V2 / V1)
W = (2000/693 mol) ( 8,314 J/mol K)(300 K) ln ( 5 L / 2,5 L )
W = (2000/693) (8,314) (300) (0,693) = 4988,4 joule

Soal No. 4
Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah....

Pembahasan
η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %
Hilangkan saja 100% untuk memudahkan perhitungan :
η = ( 1 − 400/600) = 1/3
η = ( W / Q1 )
1/3 = W/600
W = 200 J

Soal No. 5
Diagram P−V dari gas helium yang mengalami proses termodinamika ditunjukkan seperti gambar berikut!



Usaha yang dilakukan gas helium pada proses ABC sebesar....
Pembahasan
WAC = WAB + WBC
WAC = 0 + (2 x 105)(3,5 − 1,5) = 4 x 105 = 400 kJ

Soal No. 6
Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya.....%
Pembahasan

Data pertama:
η = 40% = 4 / 10
Tt = 400 K
Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:
η = 1 − (Tr/Tt)
4 / 10 = 1 − (Tr/400)
(Tr/400) = 6 / 10
Tr = 240 K

Data kedua :
Tt = 640 K
Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama)
η = ( 1 − Tr/Tt) x 100%
η = ( 1 − 240/640) x 100%
η = ( 5 / 8 ) x 100% = 62,5%

Soal No. 7
Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, maka suhu reservoir suhu tinggi dinaikkan menjadi....
Pembahasan

Rumus efisiensi (tanpa %)

Data dari Efisiensi pertama,
Tt = 800 K
η = 40% = 0,4 → (1 − η) = 0,6

Dari sini diperoleh suhu rendah Tr


Dari data efisiensi kedua,
η = 50% = 0,5 → (1 − η) = 0,5
Tr = 480 K

Suhu tingginya:


Soal No. 8
Sebuah mesin Carnot bekerja pada pada suhu tinggi 627°C memiliki efisiensi 50%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 70% pada suhu rendah yang tetap, maka suhu tingginya harus dinaikkan menjadi....

A. 1500°C
B. 1227°C
C. 1127°C
D. 1073°C
E. 927°C

Soal No. 9
Perhatikan gambar berikut ini!



Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :
a) Efisiensi mesin Carnot
b) Usaha mesin Carnot
c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
d) Jenis proses ab, bc, cd dan da

Pembahasan
a) Efisiensi mesin Carnot
Data :
Tt = 227oC = 500 K
Tr = 27oC = 300 K
η = ( 1 − Tr/Tt) x 100%
η = ( 1 − 300/500) x 100% = 40%

b) Usaha mesin Carnot
η = W/Q1
4/10 = W/1200
W = 480 joule

c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
Q2 = Q1 − W = 1200 − 480 = 720 joule
Q2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2

d) Jenis proses ab, bc, cd dan da
ab → pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)
bc → pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)
cd → pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)
da → pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik)

Soal No. 10
Sejumlah gas ideal mengalami proses seperti gambar berikut.



Proses yang menggambarkan adiabatis dan isokhorik berturut-turut ditunjukkan pada nomor...
A. 1 – 2 dan 3 – 4
B. 1 – 2 dan 4 – 5
C. 2 – 3 dan 1 – 2
D. 2 – 3 dan 1 – 2
E. 2 – 3 dan 3 – 4

Pembahasan
Adiabatis : proses dimana tidak ada kalor masuk atau keluar. Ciri garisnya melengkung curam. Seperti garis 2 - 3.
Isokhorik : proses pada volume tetap. Garisnya yang tegak lurus sumbu V. Bisa 5 - 1, juga 3 - 4.

Pilihan yang ada sesuai adiabatis dan isokhoris adalah 2 - 3 dan 3 - 4.

Soal No. 11



Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P − V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah....KJ
Pembahasan

W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda
W = ab x bc
W = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule

Soal No. 12
Suatu pesawat pendingin Carnot mempunyai koefisien kinerja 6,5. Jika reservoir yang tinggi 27°C, maka reservoir yang bersuhu rendah adalah....
A. −5 °C
B. −8 °C
C. −10 °C
D. −12 °C
E. −13 °C
(Dari soal Soal UMPTN 1994)

Pembahasan
Data dari soal adalah:
Tt = 27°C = 27 + 273 = 300 K
Cp = 6,5
Tr = .....

Dari rumus koefisien performansi mesin atau pesawat pendingin:



Dimana
Cp = koefisien performansi
Tt = suhu tinggi (Kelvin)
Tr = suhu rendah (Kelvin)

Masuk datanya:



Soal No. 13
Sebuah mesin pendingin memiliki reservoir suhu rendah sebesar −15°C. Jika selisih suhu antara reservoir suhu tinggi dan suhu rendahnya sebesar 40°C, tentukan koefisien performansi mesin tersebut!

Pembahasan
Data mesin
Tr = − 15°C = (− 15 + 273) K = 258 K
Tt − Tr = 40°C
Cp =....



Soal No. 14
Sebuah kulkas memiliki suhu rendah − 13°C dan suhu tinggi 27°C. Jika kalor yang dipindahkan dari reservoir suhu rendah adalah 1300 joule, tentukan usaha yang diperlukan kulkas!

Pembahasan
Data mesin pendingin
Tr = − 13°C = (− 13 + 273) K = 260 K
Tt = 27°C = 300 K
Qr = 1300 j
W = ....

Rumus koefisien performansi jika diketahui usaha dan kalor



Dimana
W = usaha yang diperlukan untuk memindahkan kalor dari suhu rendah
Qr = kalor yang dipindahkan dari suhu rendah

Sehingga jika digabung dengan rumus dari no sebelumnya diperoleh: