Hukum Keadaan Standar Dan Hukum Gas Ideal

Hukum Keadaan Standar
Untuk melakukan pengukuran terhadap volume gas, diperlukan suatu keadaan standar untuk digunakan sebagai titik acuan. Keadaan ini yang juga dikenal sebagai STP (Standart Temperature and Pressure) yaitu keadaan dimana gas mempunyai tekanan sebesar 1 atm (760 mmHg) dan suhu °C (273,15 K).
Satu mol gas ideal, yaitu gas yang memenuhi ketentuan semua hukum-hukum gas akan mempunyai volume sebanyak 22,414 liter pada keadaan standar ini.
Hukum Gas Ideal
Definisi mikroskopik gas ideal, antara lain:

1. Suatu gas yang terdiri dari partikel-partikel yang dinamakan molekul.
2. Molekul-molekul bergerak secara serampangan dan memenuhi hukum-hukum gerak Newton.
3. Jumlah seluruh molekul adalah besar
4. Volume molekul adalah pecahan kecil yang diabaikan dari volume yang ditempati oleh gas tersebut.
5. Tidak ada gaya yang cukup besar yang beraksi pada molekul tersebut kecuali selama tumbukan.
6. Tumbukannya elastik (sempurna) dan terjadi dalam waktu yang sangat singkat.

Gambaran Gas Ideal
Apabila jumlah gas dinyatakan dalam mol (n), maka suatu bentuk persamaan umum mengenai sifat-sifat gas dapat diformasikan. Sebenarnya hukum Avogadro menyatakan bahwa 1 mol gas ideal mempunyai volume yang sama apabila suhu dan tekanannya sama. Dengan menggabungkan persamaan Boyle, Charles dan persamaan Avogadro akan didapat sebuah persamaan umum yang dikenal sebagai persamaan gas ideal.

atau PV = nRT
R adalah konstanta kesebandingan dan mempunyai suatu nilai tunggal yang berlaku untuk semua gas yang bersifat ideal. Persamaan di atas akan sangat berguna dalam perhitungan-perhitungan volume gas.
Nilai numerik dari konstanta gas dapat diperoleh dengan mengasumsikan gas berada pada keadaan STP, maka:

Dalam satuan SI, satuan tekanan harus dinyatakan dalam Nm^-2 dan karena 1 atm ekivalen dengan 101,325 Nm^-2, maka dengan menggunakan persamaan diatas dapat diperoleh harga R dalam satuan SI, sebagai berikut:

Contoh :
Balon cuaca yang diisi dengan helium mempunyai volume 1,0 x 10⁴ L pada 1,00 atm dan 30 °C. Balon ini sampai ketinggian yang tekanannya turun menjadi 0,6 atm dan suhunya -20°C. Berapa volume balon sekarang? Andaikan balon melentur sedemikian sehingga tekanan di dalam tetap mendekati tekanan di luar.
Penyelesaian:
Karena jumlah helium tidak berubah, kita dapat menentukan n₁ sama dengan n₂ dan menghapusnya dari persamaan gas ideal menjadi:

Tekanan dan Suhu

Tekanan
Tekanan gas adalah gaya yang diberikan oleh gas pada satu satuan luas dinding wadah. Torricelli (Gambar 1.17), ilmuan dari Italia yang menjadi asisten Galileo adalah orang pertama yang melakukan penelitian tentang tekanan gas ia menutup tabung kaca panjang di satu ujungnya dan mengisi dengan merkuri. Kemudian ia menutup ujung yang terbuka dengan ibu jarinya, membalikkan tabung itu dan mencelupkannya dalam mangkuk berisi merkuri, dengan hati-hati agar tidak ada udara yang masuk. Merkuri dalam tabung turun, meninggalkan ruang yang nyaris hampa pada ujung yang tertutup, tetapi tidak semuanya turun dari tabung. Merkuri ini berhenti jika mencapai 76 cm di atas aras merkuri dalam mangkuk (seperti pada gambar dibawah). Toricelli menunjukkan bahwa tinggi aras yang tepat sedikit beragam dari hari ke hari dan dari satu tempat ke tempat yang lain, hal ini terjadi karena dipengaruhi oleh atmosfer bergantung pada cuaca ditempat tersebut. Peralatan sederhana ini yang disebut Barometer.

Barometer
Hubungan antara temuan Toricelli dan tekanan atmosfer dapat dimengerti berdasarkan hokum kedua Newton mengenai gerakan, yang menyatakan bahwa:
Gaya = massa x percepatan
F = m x a
Dengan percepatan benda (a) adalah laju yang mengubah kecepatan. Semua benda saling tarik-menarik karena gravitasi, dan gaya tarik mempengaruhi percepatan setiap benda. Percepatan baku akibat medan gravitasi bumi (biasanya dilambangkan dengan g, bukannya a) ialah g = 9,80665 m s^-2. Telah disebutkan di atas bahwa tekanan adalah gaya persatuan luas, sehingga :

Karena volume merkuri dalam tabung adalah

Suhu
Dalam kehidupan sehari-hari kita dapat merasakan panas atau dingin. Kita bisa mendeskripsikan bahwa kutub utara mempunyai suhu yang sangat dingin atau mendeskripsikan bahwa Surabaya atau Jakarta mempunyai suhu yang panas pada siang hari. Ilustrasi diatas merupakan dua ekspresi dari suhu, akan tetapi apakah kita tau definisi dari suhu itu sendiri? Definisi suhu merupakan hal yang sepele tapi sulit untuk disampaikan tetapi lebih mudah untuk dideskripsikan. Penelitian pertama mengenai suhu dilakukan oleh ilmuan Perancis yang bernama Jacques Charles.
Campuran Gas
Pengamatan pertama mengenai perilaku campuran gas dalam sebuah wadah dilakukan oleh Dalton (Gambar 1.19), ia menyatakan bahwa tekanan total, P_tol, adalah jumlah tekanan parsial setiap gas. Pernyataan ini selanjutnya disebut sebagai Hukum Dalton, hukum ini berlaku untuk gas dalam keadaan ideal. Tekanan parsial setiap komponen dalam campuran gas ideal ialah tekanan total dikalikan dengan fraksi mol komponen tersebut.


Tekanan total dan parsial
Contoh :
Berapa tekanan total dalam wadah (container) yang mengandung:

• Metana dengan tekanan parsial 0.75 atm,
• Hidrogen dengan tekanan parsial 0.40 atm
• Propana dengan tekanan parsial 0.50 atm?

Ptot = P_metana + P_hidrogen + P_propana
Ptot = 0.75 atm + 0.40 atm + 0.50 atm Ptot = 1.65 atm

Padatan, Cairan

Gas, cairan, dan padatan dibedakan, yang pertama atas dasar struktur fisik dan sifat kimianya(Gambar 1.21 – 1.23). Struktur fisik mempengaruhi interaksi antara partikel-partikel dan partikellingkungan. Gambaran mengenai fase gas telah diilustrasikan pada sub-bab sebelumnya. Pada sub-bab ini, pembahasan akan dititikberatkan pada fase cairan dan padatan.

Gambar Padatan

Gambar Cairan

Gambar Gas mengisi balon

Cairan

Secara umum ciri-ciri fase cairan berada diantara fase gas dan fase padat, antara lain :

1. Mempunyai kerapatan yang lebih tinggi bila dibanding dengan gas, namun lebih rendah bila dibandingkan dengan padatan
2. Jarak antar partikel lebih dekat dekat
3. Merupakan fase yang terkondensasi
4. Merupakan fase yang bisa dikatakan tidak terkompresi
5. Bentuk cairan akan menyesuaikan dengan wadahnya

Pengamatan fisik dari fase cair dapat dilihat pada gambar struktur molekul dalam sub-bab sebelumnya.

Padatan

Sedangkan ciri-ciri fase padat, antara lain :

1. Kerapatannya sangat tinggi, jauh lebih tinggi daripada gas dan cairan
2. Jarak antar partikel sangat dekat
3. Merupakan fase yang terkondensasi
4. Merupakan fase yang bisa dikatakan tidak terkompresi
5. Mampu mempertahankan bentuknya

Berikut ini adalah gambar beberapa contoh padatan:

Dinamika Gerak Melingkar Beraturan

Sebuah benda yang mengalami percepatan harus memiliki resultan gaya yang bekerja padanya (Hukum II Newton). Benda yang bergerak membentuk lingkaran, seperti sebuah bola di ujung seutas tali, harus mempunyai gaya yang diberikan padanya untuk mempertahankan geraknya dalam lingkaran itu. Dengan demikian, diperlukan resultan gaya untuk memberinya percepatan sentripetal. Besar gaya yang dibutuhkan dapat dihitung dengan menggunakan Hukum II Newton.

Resultan gaya pada komponen radialnya adalah ΣFR = m.aR di mana aR adalah percepatan sentripetal, sedangkan ΣFR adalah resultan gaya dalam arah radial.

Oleh karena aR diarahkan menuju pusat lingkaran pada setiap waktu, resultan gaya juga harus diarahkan ke pusat lingkaran. Resultan gaya jelas diperlukan, karena jika tidak ada resultan gaya yang bekerja, benda tersebut tidak akan bergerak membentuk lingkaran melainkan bergerak pada garis lurus. Pada gerak melingkar beraturan, gaya ke samping ini harus bekerja menuju pusat lingkaran (perhatikan gambar di samping kiri). Arah resultan gaya dengan demikian terus berubah sehingga selalu diarahkan ke pusat lingkaran. Gaya ini sering disebut gaya sentripetal (“menuju ke pusat”). Istilah ini hanya mendeskripsikan arah resultan gaya, bahwa resultan gaya diarahkan menuju pusat lingkaran. Gaya harus diberikan oleh benda lain. Sebagai contoh, ketika seseorang memutar bola di ujung sebuah tali membentuk lingkaran, orang tersebut menarik tali dan tali memberikan gaya pada bola.

1. Bola yang Berputar Membentuk Lingkaran Horizontal

Gambar di samping menunjukkan dua gaya yang bekerja pada bola, yaitu gaya gravitasi m.g dan gaya tegangan FT yang diberikan oleh tali (yang terjadi karena orang itu memberikan gaya yang sama pada tali). Jika berat bola itu cukup kecil, dapat kita abaikan. Dengan demikian, FT akan bekerja secara horizontal ( θ ≈ 0) dan menyediakan gaya yang diperlukan untuk memberi percepatan sentripetal pada bola. Berdasarkan Hukum II Newton untuk arah radial pada bidang horizontal (misalnya dianggap sebagai komponen sumbu x) berlaku:

2. Ayunan Konikal (Ayuna Kerucut)

Gambar di samping menunjukkan permainan bola tambatan yang dimainkan dengan cara mengikatkan sebuah bola ke tiang dengan tali. Ketika bola dipukul, ia akan berputar mengelilingi tiang. Kemudian yang menjadi pertanyaan, ke arah mana percepatan bola, dan apa yang menyebabkan percepatan itu?

Percepatan menunjuk arah horizontal yang menuju pusat lintasan melingkar bola (bukan ke puncak tiang). Gaya yang menyebabkan percepatan mungkin tidak jelas pada saat pertama kali, karena tampaknya tidak ada gaya yang langsung mempunyai arah horizontal. Tetapi resultan gayalah (dalam hal ini jumlah m.g dan FT) yang pasti menunjuk arah percepatan. Komponen vertikal tegangan tali mengimbangi berat bola, m.g. Komponen horizontal tegangan tali, FTx adalah gaya yang menghasilkan percepatan sentripetal menuju pusat.

3.Bola yang Berputar Membentuk Lingkaran Vertikal

Gambar di samping menunjukkan sebuah benda diikat dengan seutas tali yang diputar membentuk lingkaran vertikal. Bagaimanakah menentukan laju minimum bola pada puncak lintasannya sehingga bola itu bisa terus bergerak dalam lingkaran?
Pada saat bola berada di puncak (titik A), dua gaya bekerja pada bola, yaitu gaya berat m.g, dan gaya tegangan, FTA, yang diberikan tali pada titik A. Keduanya bekerja dengan arah ke bawah, dan jumlah vektornya memberikan percepatan sentripetal as kepada bola. Berdasarkan Hukum II Newton, untuk arah vertikal dengan memilih arah ke bawah (menuju pusat) positif berlaku:

Persamaan di atas menunjukkan bahwa gaya gravitasi dan tegangan tali bersama-sama memberikan percepatan sentripetal. Gaya tegangan FTA pada A akan menjadi bertambah besar jika vA (laju bola di puncak lingkaran) dibuat lebih besar, sebagaimana telah diperkirakan. Tetapi yang ditanyakan adalah laju minimum untuk menjaga agar bola tetap bergerak dalam lingkaran. Tali akan tetap tegang selama ada tegangan padanya, tetapi jika tegangan hilang (karena vA terlalu kecil) tali akan melengkung, dan bola akan keluar dari lintasannya. Dengan demikian, laju minimum akan terjadi jika FTA = 0, sehingga diperoleh:

Di mana vA adalah laju minimum di puncak lingkaran jika bola harus meneruskan geraknya dalam lintasan lingkaran. Sementara itu, di bagian bawah lingkaran, tali memberikan gaya tegangan FTB ke atas, sementara gaya gravitasi bekerja ke bawah. Sehingga, Hukum II Newton, untuk arah ke atas (menuju pusat lingkaran) sebagai arah positif, didapatkan:

Laju vB diketahui dua kali lipat laju vA. Dalam hal ini, laju berubah karena gravitasi bekerja pada bola di semua titik sepanjang lintasan. Persamaan untuk menentukan FTB di atas menunjukkan resultan gaya pada bola dalam arah radial, sehingga dalam hal ini juga melibatkan gravitasi. Jelas bahwa tegangan tali tidak hanya memberikan percepatan sentripetal, tetapi harus lebih besar dari m.as untuk mengimbangi gaya gravitasi ke bawah.

 

SOAL ULANGAN USAHA DAN ENERGI

Soal-soal Pilihan Ganda

Pilihlah jawaban yang paling tepat!

1. Sebuah balok ditarik di atas lantai dengan gaya 25 N mendatar sejauh 8 m. Usaha yang dilakukan pada balok adalah … .

a. 25 joule d. 200 joule

b. 50 joule e. 250 joule

c. 100 joule

2. Gaya 40 N digunakan untuk menarik sebuah benda pada lantai datar. Jika tali yang digunakan untuk menarik benda membentuk sudut 45°, sehingga benda berpindah sejauh 4Ö2 m, maka besar usaha yang dilakukan adalah … .

a. 40 joule d. 210 Ö2 joule

b. 120 joule e. 450 Ö2 joule

c. 160 joule

3. Sebuah mobil mainan mempunyai kedudukan yang ditunjukkan oleh grafik pada gambar berikut. Usaha yang dilakukan mobil mainan untuk berpindah dari titik asal ke kedudukan sejauh 8 meter adalah … .

a. 30 joule d. 46 joule

b. 44 joule e. 98 joule

c. 45 joule

4. Sebuah balok bermassa 3 kg didorong ke atas bidang miring kasar. Jika gaya dorong 24 N ke atas sejajar bidang miring dengan kemiringan 37° dan gaya gesek balok dan bidang miring 3 N, sehingga balok berpindah sejauh 2 m, maka usaha total pada balok adalah … .

a. 6 joule d. 9 joule

b. 7 joule e. 10 joule

c. 8 joule

5. Sebuah bola bemassa 1 kg menggelinding dengan kecepatan tetap 4 m/s, maka energi kinetik bola adalah … .

a. 1 joule d. 4 joule

b. 2 joule e. 8 joule

c. 3 joule

6. Energi potensial benda bermassa 6 kg pada ketinggian 5 meter adalah … .

a. 150 joule d. 450 joule

b. 200 joule e. 600 joule

c. 300 joule

7. Usaha untuk memindahkan balok bermassa 0,25 kg dari ketinggian 1 m ke ketinggian 6 m adalah … .

a. – 12,5 joule d. 8,25 joule

b. – 8,25 joule e. 12,25 joule

c. – 6 joule

8. Usaha untuk menggerakkan sepeda bermassa 100 kg dari keadaan diam menjadi berkecepatan 18 km/jam adalah … .

a. 12.500 joule d. 19.500 joule

b. 18.000 joule e. 20.500 joule

c. 18.500 joule

9. Kelereng dilempar ke atas dari permukaan tanah dengan kecepatan 8 m/s. Kecepatan kelereng saat ketinggiannya 2 m saat bergerak ke atas adalah … .

a. 3Ö6 m/s d. Ö8 m/s

b. 2Ö6 m/s e. Ö6 m/s

c. 2 m/s

10. Sebuah balok bermassa 400 gram dijatuhkan dari ketinggian 2 m ke permukaan tanah. Jika di permukaan tanah terdapat pegas dengan konstanta 100 N/m, maka pegas akan tertekan sebesar … .

a. 0,1 m d. 0,4 m

b. 0,2 m e. 0,5 m

c. 0,3 m

11. Agar sebuah motor bermassa 300 kg berhenti dari kecepatan 36 km/jam sejauh 5 m, maka besar gaya pengereman yang perlu dilakukan adalah … .

a. 1.000 N d. 4.000 N

b. 2.000 N e. 5.000 N

c. 3.000 N

12. Sebuah mesin dapat menurunkan benda 10 kg dari ketinggian 4 m ke permukaan tanah dalam 2 sekon. Daya dari mesin tersebut adalah … .

a. 125 watt d. 275 watt

b. 200 watt e. 300 wat

c. 250 watt

13. Sebuah mobil mempunyai mesin dengan kekuatan 1000 daya kuda. Jika 1 hp = 746 watt, maka daya keluaran mesin dengan efisiensi mesin 90 % adalah … .

a. 7,460 . 10⁵ watt d. 6,714 . 10⁵ watt

b. 7,460 . 10⁴ watt e. 6,714 . 10⁴ watt

c. 7,460 . 10³ watt

14. Air terjun pada ketinggian 40 m mengalirkan air sebanyak 150.000 kg/menit. Jika efisiensi generator 50 %, maka daya yang dihasilkan generator adalah … .

a. 525 kW d. 450 kW

b. 500 kW e. 400 kW

c. 475 kW

15. Benda bermassa 840 gram jatuh dari ketinggian 10 m. Jika seluruh energi potensial benda dapat diubah menjadi kalor (1 kalori = 4,2 joule), maka energi kalor yang terjadi (dalam kalori) adalah … .

a. 5 d. 20

b. 10 e. 30

c. 15

16. Sebuah benda jatuh bebas dari ketinggian 125 m. Jika energi potensial awalnya 2500 joule, maka :

(1) massa benda 2,5 kg

(2) benda sampai di tanah setelah 6,25 sekon

(3) kecepatan saat mencapai tanah adalah 50 m/s

(4) tepat saat menyentuh tanah energi kinetiknya 1250 joule

Dari pernyataan di atas yang benar adalah … .

a. (1), (2), dan (3) d. (4) saja

b. (1) dan (3) e. semua benar

c. (2) dan (4)

17. Sebuah motor dengan kecepatan 18 km/jam dalam waktu 5 sekon diberhentikan. Jika massa motor 100 kg, maka:

(1) perlambatan motor sebesar 1 m/s²

(2) usaha yang diperlukan untuk menghentikan motor adalah – 1.250 joule

(3) gaya rem untuk menghentikan gerak motor sebesar – 100 N

(4) motor berhenti setelah menempuh jarak 12,5 m

Dari pernyataan di atas yang benar adalah….

a. (1), (2) dan (3) d. (4) saja

b. (1) dan (3) e. semua benar

c. (2) dan (4)

18. Sebuah pegas yang digetarkan, maka pada titik setimbangnya berlaku :

(1) Energi kinetik maksimum

(2) Energi potensial minimum

(3) percepatan nol

(4) energi potensial nol

Dari pernyataan di atas yang benar adalah….

a. (1), (2) dan (3) d. (4) saja

b. (1) dan (3) e. semua benar

c. (2) dan (4)

19. Saat sebuah peluru ditembakkan vertikal ke atas dari permukaan tanah, maka berlaku …

(1) di permukaan tanah energi kinetik minimum

(2) di permukaan tanah energi potensial maksimum

(3) di titik tertinggi energi kinetik maksimum

(4) di titik tertinggi energi potensial maksimum

Dari pernyataan di atas yang benar adalah….

a. (1), (2) dan (3) d. (4) saja

b. (1) dan (3) e. semua benar

c. (2) dan (4)

20. Saat sebuah benda mengalami gerak jatuh bebas dari ketinggian h, maka berlaku …

(1) di titik tertinggi energi kinetiknya maksimum

(2) di titik tertinggi energi kinetiknya minimum

(3) di titik terendah energi potensialnya maksimum

(4) di titik terendah energi potensialnya minimum

Dari pernyataan di atas yang benar adalah….

a. (1), (2) dan (3) d. (4) saja

b. (1) dan (3) e. semua benar

c. (2) dan (4)

Jawablah dengan singkat dan jelas!

1. Sebuah balok dengan massa 5 kg ditarik gaya mendatar 6 N. Tentukan usaha untuk memindahkan balok sejauh 3 m!

2. Jika balok ditarik gaya 7 N, dan gaya gesek yang menghambat gerak balok 2 N, sehingga balok berpindah 2 m, maka tentukan usaha yang dilakukan!

3. Tentukan usaha untuk memindahkan buku 200 gram yang terletak di permukaan tanah, agar dapat diletakkan di atas meja setinggi 1,25 m!

4. Buah apel bermassa 100 gram jatuh dari ketinggian 2 m. Tentukan kecepatan buah apel saat menyentuh tanah!

5. Tentukan besar usaha yang diperlukan, jika balok bermassa 10 kg di atas lantai licin ditarik gaya 20 N membentuk sudut 63° terhadap horisontal, sehingga balok berpindah sejauh 5 m!

6. Tentukan energi potensial benda bermassa 2,5 kg pada ketinggian 3 m!

7. Tentukan energi kinetik benda 3 kg berkecepatan 18 km/jam !

8. Benda 1 kg jatuh bebas dari ketinggian 6,25 m. Tentukan kecepatan benda saat mencapai tanah!

9. Pada puncak bidang miring licin dengan kemiringan 37° sebuah balok diam dilepaskan. Jika panjang bidang miring 2 m, dan massa balok 0,5 kg, tentukan kecepatan balok di dasar bidang miring!

10. Sebuah mobil dengan rem blong dan berkecepatan 36 km/jam menaiki tanjakan dengan kemiringan 37°. Berapa besar gaya gesek roda dan jalan tanjakan itu sehingga mobil berhenti?

11. Akmal menaiki tangga setinggi 4 m dalam waktu 5 sekon. Tentukan daya yang dimiliki Akmal!

12. Sebuah balok 200 gram dengan kecepatan 2 m/s bergerak di atas lantai datar licin. Jika di depan balok terdapat pegas dengan konstanta 200 N/m, maka tentukan berapa besar pegas akan tertekan hingga balok tersebut berhenti!

13. Jika benda 2 kg yang bergerak dengan kecepatan 2 m/s dilewatkan pada bidang kasar sehingga berhenti dalam 0,5 m, maka tentukan gaya gesek yang menghentikan balok tersebut!

14. Jika kelereng 100 gram dilempar Hafidz dengan kecepatan awal 10 m/s, maka tentukan energi potensial kelereng saat ketinggiannya ½ dari ketinggian maksimalnya!

15. Sebuah peluru bermassa 40 gram ditembakkan Kopral Joko dengan sudut elevasi 53° dan kecepatan awal 20 m/s. Tentukan energi total peluru di titik tertinggi!

Soal dan Pembahasan Usaha dan Energi

1) Sebuah balok bermassa 1 kg di atas lantai licin. Jika gaya mendatar 2 N digunakan untuk menarik balok, maka tentukan usaha yang dilakukan agar balok berpindah sejauh 3 m!

Penyelesaian:

W = F . s

W = 2 . 3

W = 6 joule

2) Sebuah balok bermassa 5 kg di atas lantai licin ditarik gaya 4 N membentuk sudut 60° terhadap bidang horisontal. Jika balok berpindah sejauh 2 m, maka tentukan usaha yang dilakukan!

Penyelesaian:

W = F . s . cos a

W = 4 . 2 . cos 60°

W = 4 joule

3) Sebuah benda diberi gaya dari 3 N hingga 8 N dalam 5 sekon. Jika benda mengalami perpindahan dari kedudukan 2 m hingga 10 m, seperti pada grafik, maka tentukan usaha yang dilakukan!

Penyelesaian:

Usaha = luas trapesium

Usaha = jumlah garis sejajar x ½ . tinggi

Usaha = ( 3 + 8 ) x ½ . ( 10 – 2 )

Usaha = 44 joule

4) Buah kelapa bermassa 2 kg berada pada ketinggian 8 m. Tentukan energi potensial yang dimilikibuah kelapa terhadap permukaan bumi!

Penyelesaian:

Ep = m . g . h

Ep = 2 . 10 . 8

Ep = 160 N

5) Sebuah sepeda dan penumpangnya bermassa 100 kg. Jika kecepatan sepeda dan penumpannya 72 km/jam, tentukan energio kinetik yang dilakukan pemiliki sepeda!

Penyelesaian:

E_k = ½ . m . v² ( v = 72 km/jam = 72 x 1000 m / 3600s)

E_k = ½ . 100 . 20²

E_k = 20.000 joule

6) Sebuah pegas dengan konstanta pegas 200 N/m diberi gaya sehingga meregang sejauh 10 cm. Tentukan energi potensial pegas yang dialami pegas tersebut!

Penyelesaian:

Ep = ½ . k . Dx²

Ep = ½ . 200 . 0,1²

Ep = ½ joule

7) Suatu benda pada permukaan bumi menerima energi gravitasi Newton sebesar 10 joule. Tentukan energi potensial gravitasi Newton yang dialami benda pada ketinggian satu kali jari-jari bumi dari permukaan bumi!

Penyelesaian:

= 2,5 joule

8) Buah kelapa 4 kg jatuh dari pohon setinggi 12,5 m. Tentukan kecepatan kelapa saat menyentuh tanah!

Penyelesaian:

Kelapa jatuh memiliki arti jatuh bebas, sehingga kecepatan awalnya nol. Saat jatuh di tanah berarti ketinggian tanah adalah nol, jadi:

m.g.h₁ + ½ . m v₁² = m.g.h₂ + ½ . m . v₂²

jika semua ruas dibagi dengan m maka diperoleh :

g.h₁ + ½ .v₁² = g.h₂ + ½ . v₂²

10.12,5 + ½ .0² = 10 . 0 + ½ .v₂²

125 + 0 = 0 + ½ v₂²

v₂ =

v₂ = 15,8 m/s

9) Sebuah benda jatuh dari ketinggian 4 m, kemudian melewati bidang lengkung seperempat lingkaran licin dengan jari-jari 2 m. Tentukan kecepatan saat lepas dari bidang lengkung tersebut!

Penyelesaian :

Bila bidang licin, maka sama saja dengan

gerak jatuh bebas buah kelapa, lintasan

dari gerak benda tidak perlu diperhatikan,

sehingga diperoleh :

m.g.h₁ + ½ . m v₁² = m.g.h₂ + ½ . m . v₂²

g.h₁ + ½ .v₁² = g.h₂ + ½ . v₂²

10.6 + ½ .0² = 10 . 0 + ½ .v₂²

60 + 0 = 0 + ½ v₂²

v₂ =

v₂ = 10,95 m/s

10) Sebuah mobil yang mula-mula diam, dipacu dalam 4 sekon, sehingga mempunyai kecepatan 108 km/jam. Jika massa mobil 500 kg, tentukan usaha yang dilakukan!

Penyelesaian:

Pada soal ini telah terdapat perubahan kecepatan pada mobil, yang berarti telah terjadi perubahan energi kinetiknya, sehingga usaha atau kerja yang dilakukan adalah :

W = ½ m v₂² – ½ m v₁²

W = ½ . 500 . 30³ – ½ . 500 . 0² ( catatan : 108 km/jam = 30 m/s)

W = 225.000 joule

11) Tentukan usaha untuk mengangkat balok 10 kg dari permukaan tanah ke atas meja setinggi 1,5 m!

Penyelesaian:

Dalam hal ini telah terjadi perubahan kedudukan benda terhadap suatu titik acuan, yang berarti telah terdapat perubahan energi potensial gravitasi, sehingga berlaku persamaan:

W = m g (h₁ – h₂)

W = 10 . 10 . (0 – 1,5)

W = – 150 joule

Tanda (– ) berarti diperlukan sejumlah energi untuk mengangkat balok tersebut.

12) Sebuah air terjun setinggi 100 m, menumpahkan air melalui sebuah pipa dengan luas penampang 0,5 m². Jika laju aliran air yang melalui pipa adalah 2 m/s, maka tentukan energi yang dihasilkan air terjun tiap detik yang dapat digunakan untuk menggerakkan turbin di dasar air terjun!

Penyelesaian:

Telah terjadi perubahan kedudukan air terjun, dari ketinggian 100 m menuju ke tanah yang ketinggiannya 0 m, jadi energi yang dihasilkan adalah :

W = m g (h₁ – h₂)

Untuk menentukan massa air terjun tiap detik adalah:

Q = A . v (Q = debit air melalui pipa , A = luas penampang , v = laju aliran air)

Q = 0,5 . 2

Q = 1 m³/s

Q = (V = volume, t = waktu, dimana t = 1 detik)

1 =

V = 1 m³

r = (r = massa jenis air = 1000 kg/m³, m = massa air)

1000 =

m = 1000 kg

W = m g (h₁ – h₂)

W = 1000 . 10 . (100 – 0)

W = 1.000.000 joule

13) Sebuah peluru 20 gram ditembakkan dengan sudut elevasi 30° dan kecepatan awal 40 m/s. Jika gaya gesek dengan udara diabaikan, maka tentukan energi potensial peluru pada titik tertinggi!

Penyelesaian:

Tinggi maksimum peluru dicapai saat vy = 0 sehingga :

v_y = v_o sin a – g .t

0 = 40 . sin 30° – 10 . t

t = 2 s

Sehingga tinggi maksimum peluru adalah :

y = v_o . sin a . t – ½ . g . t²

y = 40 . sin 30° . 2 – ½ . 10 . 2²

y = 20 m (y dapat dilambangkan h, yang berarti ketinggian)

Jadi energi potensialnya :

E_p = m . g . h (20 gram = 0,02 kg)

E_p = 0,02 . 10 . 20

E_p = 4 joule

14) Sebuah benda bermassa 0,1 kg jatuh bebas dari ketinggian 2 m ke hamparan pasir. Jika benda masuk sedalam 2 cm ke dalam pasir kemudian berhenti, maka tentukan besar gaya rata-rata yang dilakukan pasir pada benda tersebut!

Penyelesaian:

Terjadi perubahan kedudukan, sehingga usaha yang dialami benda:

W = m g (h₁ – h₂)

W = 0,1 . 10 . (2 – 0)

W = 2 joule

W = – F . s

2 = – F . 0,02 ( 2 cm = 0,02 m)

F = – 100 N

tanda (-) berarti gaya yang diberikan berlawanan dengan arah gerak benda!

15) Sebuah mobil bermassa 1 ton dipacu dari kecepatan 36 km/jam menjadi berkecepatan 144 km/jam dalam 4 sekon. Jika efisiensi mobil 80 %, tentukan daya yang dihasilkan mobil!

Penyelesaian:

Terjadi perubahan kecepatan, maka usaha yang dilakukan adalah:

W = ½ m v₂² – ½ m v₁² (1 ton = 1000 kg, 144 km/jam = 40 m/s, 36 km/jam = 10 m/s)

W = ½ 1.000 .(40)² – ½ 1.000 . (10 )²

W = 750.000 joule

P =

P =

P = 187.500 watt

h =

80 % =

P_out = 150.000 watt

Kaitan Antara Energi dan Usaha

Teorema usaha-energi apabila dalam sistem hanya berlaku energi kinetik saja dapat ditentukan sebagai berikut.

W = F . s

W = m a.s

W = ½ m.2as

Karena v²₂ = v²₁ + 2as dan 2as = v²₂ – v²₁ maka

W = ½ m (v²₂ – v²₁)

W = ½ m v²₂ – ½ m v²₁

W = D E_p

Untuk berbagai kasus dengan beberapa gaya dapat ditentukan resultan gaya sebagai berikut.

· Pada bidang datar

- fk . s

=

½ m (Vt2 – Vo2)

F cos a – f_k . s = ½ m (V_t² – V_o²)

• · Pada bidang miring

- w sin a – f_k . s =
½ m (V_t² – V_o²)

(F cos b – w sin a – f_k) . s = ½ m (V_t² – V_o²)

Kerja Mandiri

1. Gaya besarnya 80 newton bekerja pada benda massanya 50 kg. Arah gaya membentuk sudut 60^o dengan horizontal. Hitung kecepatan benda setelah berpindah sejauh 10 m.

D. Daya

Daya adalah kemampuan untuk mengubah suatu bentuk energi menjadi suatu bentuk energi lain. Sebagai contoh, jika terdapat sebuah lampu 100 watt yang efisiensinya 100 %, maka tiap detik lampu tersebut akan mengubah 100 joule energi listrik yang memasuki lampu menjadi 100 joule energi cahaya. Semakin besar daya suatu alat, maka semakin besar kemampuan alat itu mengubah suatu bentuk energi menjadi bentuk energi lain.

Kerja Kelompok

Percobaan

Tujuan:

Menunjukkan adanya perubahan suatu bentuk energi menjadi energi lain.

Metode pelaksanaan:

Tempelkan sebuah pegas pada balok yang cukup besar, kemudian di ujung pegas diberi bola kecil. Semua benda di lantai, maka saat bola kecil ditarik dan kemudian dilepaskan, selidikilah perubahan energi apa saja yang terjadi dalam percobaan tersebut.

Jika seluruh energi yang masuk diubah menjadi energi dalam bentuk lain, maka dikatakan efisiensi alat tersebut adalah 100 % dan besar daya dirumuskan:

P = W / t

P = daya (watt)

W = usaha (joule)

t = waktu (s)

Namun mengingat dalam kehidupan sehari-hari sukar ditemukan kondisi ideal, maka dikenallah konsep efisiensi. Konsep efisiensi yaitu suatu perbandingan antara energi atau daya yang dihasilkan dibandingkan dengan usaha atau daya masukan. Efisiensi dirumuskan sebagai berikut.

e = Wout / Win x 100 % atau e = Pout / Pin x 100 %

e = efisiensi (%)

W_out = usaha yang dihasilkan (joule)

W_in = usaha yang dimasukkan atau diperlukan (joule)

P_out = daya yang dihasilkan (watt)

P_in = daya yang dimasukkan atau dibutuhkan (watt)

Kerja Mandiri

Selesaiakan permasalahan berikut ini!

Berilah gambaran singkat tentang ilustrasi berikut ini! Bergantung pada faktor apa sajakah usaha bangsa Mesir primitif dalam membengun piramid? Berapa daya yang dibutuhkan? Jelaskan pula efisiensinya!

USAHA ENERGI DAN DAYA

A. Usaha

Perhatikanlah gambar orang yang sedang menarik balok sejaruh d meter! Orang tersebut dikatakan telah melakukan kerja atau usaha. Namun perhatikan pula orang yang mendorong dinding tembok dengan sekuat tenaga. Orang yang mendorong dinding tembok dikatakan tidak melakukan usaha atau kerja. Meskipun orang tersebut mengeluarkan gaya tekan yang sangat besar, namun karena tidak terdapat perpindahan kedudukan dari tembok, maka orang tersebut dikatakan tidak melakukan kerja.

Gambar:

Usaha akan bernilai bila ada perpindahan

Kata kerja memiliki berbagai arti dalam bahasa sehari-hari, namun dalam fisika kata kerja diberi arti yang spesifik untuk mendeskripsikan apa yang dihasilkan gaya ketika gaya itu bekerja pada suatu benda. Kata ’kerja’ dalam fisika disamakan dengan kata usaha. Kerja atau Usaha secara spesifik dapat juga didefinisikan sebagai hasil kali besar perpindahan dengan komponen gaya yang sejajar dengan perpindahan.

Jika suatu gaya F menyebabkan perpindahan sejauh s, maka gaya F melakukan usaha sebesar W, yaitu

Persamaan usaha dapat dirumuskan sebagai berikut.

W = SF . s

W = usaha (joule)

F = gaya yang sejajar dengan perpindahan (N)

s = perpindahan (m)

Jika suatu benda melakukan perpindahan sejajar bidang horisontal, namun gaya yang diberikan membentuk sudut a terhadap perpindahan, maka besar usaha yang dikerjakan pada benda adalah :

W = F . cos a . s

Kerja Mandiri

1. Sebuah benda meluncur di atas papan kasar sejauh 5 m, mendapat perlawanan gesekan dengan papan sebesar 180 newton. Berapa besarnya usaha dilakukan oleh benda tersebut.

2. Gaya besarnya 60 newton bekerja pada sebuah gaya. Arah gaya membentuk sudut 30^o dengan bidang horizontal. Jika benda berpindah sejauh 50 m. Berapa besarnya usaha ?

Lalu bagaimana menentukan besarnya usaha, jika gaya yang diberikan tidak teratur. Sebagai misal, saat 5 sekon pertama, gaya yang diberikan pada suatu benda membesar dari 2 N menjadi 8 N, sehingga benda berpindah kedudukan dari 3 m menjadi 12 m. Untuk menentukan kerja yang dilakukan oleh gaya yang tidak teratur, maka kita gambarkan gaya yang sejajar dengan perpindahan sebagai fungsi jarak s. Kita bagi jarak menjadi segmen-segmen kecil Ds. Untuk setiap segmen, rata-rata gaya ditunjukkan dari garis putus-putus. Kemudian usaha yang dilakukan merupakan luas persegi panjang dengan lebar Ds dan tinggi atau panjang F. Jika kita membagi lagi jarak menjadi lebih banyak segmen, Ds dapat lebih kecil dan perkiraan kita mengenai kerja yang dilakukan bisa lebih akurat. Pada limit Ds mendekati nol, luas total dari banyak persegi panjang kecil tersebut mendekati luas dibawah kurva.

Jadi usaha yang dilakukan oleh gaya yang tidak beraturan pada waktu memindahkan sebuah benda antara dua titik sama dengan luas daerah di bawah kurva.

Pada contoh di samping :

W = ½ . alas . tinggi

W = ½ . ( 12 – 3 ) . ( 8 – 2 )

W = 27 joule

Kerja Kelompok

Lakukan diskusi tentang besar usaha yang dilakukan suatu benda, jika lintasan tempuh yang dilakukan benda berbeda-beda! Buatlah argumen yang dapat menunjukkan alasan-alasan yang dikemukaan, baik dalam bentuk narasi maupun dalam bentuk diagram dan gambar!

B. Energi

Energi merupakan salah satu konsep yang penting dalam sains. Meski energi tidak dapat diberikan sebagai suatu definisi umum yang sederhana dalam beberapa kata saja, namun secara tradisional, energi dapat diartikan sebagai suatu kemampuan untuk melakukan usaha atau kerja. Untuk sementara suatu pengertian kuantitas energi yang setara dengan massa suatu benda kita abaikan terlebih dahulu, karena pada bab ini, hanya akan dibicarakan energi dalam cakupan mekanika klasik dalam sistem diskrit.

Cobalah kalian sebutkan beberapa jenis energi yang kamu kenal ! Apakah energi-energi yang kalian kenal bersifat kekal, artinya ia tetap ada namun dapat berubah wujud ? Jelaskanlah salah satu bentuk energi yang kalian kenali dalam melakukan suatu usaha atau gerak!

Beberapa energi yang akan dibahas dalam bab ini adalah sebagai berikut.

1. Energi Potensial

Energi potensial adalah energi yang berkaitan dengan kedudukan suatu benda terhadap suatu titik acuan. Dengan demikian, titik acuan akan menjadi tolok ukur penentuan ketinggian suatu benda.

Misalkan sebuah benda bermassa m digantung seperti di bawah ini.

Energi potensial dinyatakan dalam persamaan:

Ep = m . g . h

E_p = energi potensial (joule)

m = massa (joule)

g = percepatan gravitasi (m/s²)

h = ketinggian terhadap titik acuan (m)

Persamaan energi seperti di atas lebih tepat dikatakan sebagai energi potensial gravitasi. Di samping energi potensial gravitasi, juga terdapat energi potensial pegas yang mempunyai persamaan:

Ep = ½ . k. Dx² atau Ep = ½ . F . Dx

E_p = energi potensial pegas (joule)

k = konstanta pegas (N/m)

Dx = pertambahan panjang (m)

F = gaya yang bekerja pada pegas (N)

Di samping energi potensial pegas, juga dikenal energi potensial gravitasi Newton, yang berlaku untuk semua benda angkasa di jagad raya, yang dirumuskan:

E_p = – G M.m / r2

E_p = energi potensial gravitasi Newton (joule) selalu bernilai negatif. Hal ini menunjukkan bahwa untuk memindahkan suatu benda dari suatu posisi tertentu ke posisi lain yang jaraknya lebih jauh dari pusat planet diperlukan sejumlah energi (joule)

M = massa planet (kg)

m = massa benda (kg)

r = jarak benda ke pusat planet (m)

G = tetapan gravitasi universal = 6,672 x 10^-11 N.m²/kg²

2. Energi Kinetik

Energi kinetik adalah energi yang berkaitan dengan gerakan suatu benda. Jadi, setiap benda yang bergerak, dikatakan memiliki energi kinetik. Meski gerak suatu benda dapat dilihat sebagai suatu sikap relatif, namun penentuan kerangka acuan dari gerak harus tetap dilakukan untuk menentukan gerak itu sendiri.

Persamaan energi kinetik adalah :

Ek = ½ m v²

E_k = energi kinetik (joule)

m = massa benda (kg)

v = kecepatan gerak suatu benda (m/s)

3. Energi Mekanik

Energi mekanik adalah energi total yang dimiliki benda, sehingga energi mekanik dapat dinyatakan dalam sebuah persamaan:

E_m = E_p + E_k

Energi mekanik sebagai energi total dari suatu benda bersifat kekal, tidak dapat dimusnahkan, namun dapat berubah wujud, sehingga berlakulah hukum kekekalan energi yang dirumuskan:

E_p1 + E_k1 = E_p2 + E_k2

Mengingat suatu kerja atau usaha dapat terjadi manakala adanya sejumlah energi, maka perlu diketahui, bahwa berbagai bentuk perubahan energi berikut akan menghasilkan sejumlah usaha, yaitu:

W = F . s

W = m g (h₁ – h₂)

W = Ep₁ – Ep₂

W = ½ m v₂² – ½ m v₁²

W = ½ F Dx

W = ½ k Dx²

Keterangan :

W = usaha (joule)

F = gaya (N)

m = massa benda (kg)

g = percepatan gravitasi (umumnya 10 m/s² untuk di bumi, sedang untuk di planet

lain dinyatakan dalam persamaan g = G M/r2)

h₁ = ketinggian awal (m)

h₂ = ketinggian akhir (m)

v₁ = kecepatan awal (m)

v₂ = kecepatan akhir (m)

k = konstanta pegas (N/m)

Dx = pertambahan panjang (m)

Ep₁ = energi potensial awal (joule)

Ep₂ = energi potensial akhir (joule)

Dengan mengkombinasi persamaan-persamaan di atas, maka dapat ditentukan berbagai nilai yang berkaitan dengan energi. Di samping itu perlu pula dicatat tentang percobaan James Prescott Joule, yang menyatakan kesetaraan kalor – mekanik. Dari percobaannya Joule menemukan hubungan antara satuan SI joule dan kalori, yaitu :

1 kalori = 4,185 joule atau

1 joule = 0,24 kalor