Metabolisme dan Hukum Pertama Termodinamika

Apabila Anda melakukan kerja, seperti berjalan, berlari, atau mengangkat benda, maka Anda membutuhkan energi. Energi juga dibutuhkan untuk pertumbuhan, yaitu untuk membuat sel-sel baru dan mengganti sel-sel lama yang telah mati. Banyak proses perubahan bentuk energi yang terjadi dalam satu organisme, dan proses ini disebut sebagai metabolisme.

Metabolisme adalah istilah yang dipakai untuk mengidentifikasikan perubahan yang terjadi dalam kehidupan organisme yang bernyawa. Dalam arti luas, metabolisme sinonim dengan jumlah total reaksi kimia atau fisika yang diperlukan untuk kehidupan. Metabolisme juga dipakai dalam batasan untuk menunjukkan serangkaian reaksi dari tipe-tipe makanan (food stuff) atau derivatnya.

Terdapat perubahan bentuk energi berkelanjutan dalam tubuh ketika bekerja ataupun tidak. Kita dapat menerapkan hukum termodinamika pertama, ΔU = Q – W untuk semua organisme. Dimana ΔU adalah perubahan cadangan energi, Q adalah kalor yang hilang atau diperoleh , dan W adalah kerja yang dilakukan oleh tubuh dalam berbagai kegiatan. Jika hasilnya tidak berupa penurunan energi dalam tubuh (dan temperatur), energi harus ditambahkan untuk mengimbangi kekurangan energi. Energi dalam tubuh tidak dipertahankan oleh aliran kalor Q ke dalam tubuh. Biasanya, temperatur tubuh lebih tinggi dari lingkungannya, sehingga kalor mengalir keluar tubuh. Bahkan pada hari yang sangat panas ketika kalor diserap, tubuh tidak menggunakan kalor ini untuk menunjang proses vitalnya. Dengan demikian yang menjadi sumber energi adalah energi dalam (energi kimia) yang tersimpan dalam makanan. Pada sistem tertutup, energi dalam berubah hanya sebagai hasil aliran kalor atau kerja yang dilakukan.

Pada sistem terbuka, seperti hewan, energi dalam mengalir ke dalam atau keluar sistem. Ketika kita menyantap makanan, maka energi dalam masuk ke dalam tubuh kita, kemudian menaikkan energi dalam total U pada tubuh. Energi ini akhirnya dipakai untuk kerja dan aliran kalor dari tubuh menurut hukum pertama. Laju metabolisme adalah laju perubahan energi dalam pada tubuh menjadi kalor di dalam tubuh. Proses ini disebut sebagai laju metabolisme. Laju metabolisme dinyatakan dalam kJ/jam atau dalam J/s (watt). Laju metabolisme dapat mencapai nilai terendah 250-300 kJ/jam. Seseorang yang berjalan dengan tenang memiliki laju metobolisme sebesar 900 kJ/jam. Jika fisik seseorang tidak sehat, laju metabolism enya dapat mencapai 6000 kJ/jam atau lebih selama beberapa menit aktivitas berat.

Perubahan wujud zat

Perubahan wujud zat digolongkan menjadi enam peristiwa sebagai berikut:

1. Membeku

Peristiwa perubahan wujud dari cair menjadi padat. Dalam peristiwa ini zatmelepaskan energi panas. Contoh peristiwa mencair yaitu air yangdimasukkan dalam freezer akan menjadi es batu, lilin cair yangdidinginkan.

2. Mencair

Peristiwa perubahan wujud zat dari padat menjadi cair. Dalam peristiwa inizat memerlukan energi panas. Contoh peristiwa mencair yaitu pada batu esyang berubah menjadi air, lilin yang dipanaskan.

3. Menguap

Peristiwa perubahan wujud dari cair menjadi gas. Dalam peristiwa ini zatmemerlukan energi panas. Contohnya air yang direbus jika dibiarkan lama-kelamaan akan habis, bensin yang dibiarkan berada pada tempat terbukalama-lama juga akan habis berubah menjadi gas.

4. Mengembun

Peristiwa perubahan wujud dari gas menjadi cair. Dalam peristiwa ini zatmelepaskan energi panas. Contoh mengembun adalah ketika kitamenyimpan es batu dalam sebuah gelas maka bagian luar gelas akan basah,atau rumput di lapangan pada pagi hari menjadi basah padahal sore harinyatidak hujan

5. Menyublim

Peristiwa perubahan wujud dari padat menjadi gas. Dalam peristiwa ini zatmemerlukan energi panas. Contoh menyublim yaitu pada kapur barus(kamper) yang disimpan pada lemari pakaian lama-lama akan habis.

6. Pemuaian dan Penyusutan

Pemuaian dan Peyusutan Setiap benda (padat, cair dan gas) akanmemuai jika dipanaskan. Memuai adalah bertambahnya ukuran benda.Contoh peristiwa pemuaian yang terjadi dalam peristiwa sehari - hari :a. Pemuaian pada benda padat Salah satu contoh pemuaian pada benda padat adalah sambungan pada rel kereta. Sambungan rel kereta dibuatrenggang. Hal ini bertujuan untuk memberi ruang muai apabila relkereta api terkena panas.Penyusutan adalah kebalikan dari pemuaian. Contoh peristiwa pemuaian benda dalam kehidupan sehari-hari adalah sebagai berikut : a.Penyusutan pada benda padat. Salah satu contoh penyusutan pada benda padat adalah keadaan kabel telepon pada pagi hari jika dibandingkandengan siang hari. Kabel telepon pada siang hari mengendur dan pada pagi hari esoknya akan mengencang, hal itu karena pada sore hari danmalam harinya ada penurunan suhu

Pemuaian Zat Cair dan Gas

Pemuaian Zat Cair

Pada zat cair tidak melibatkan muai panjang ataupun muai luas, tetapi hanya dikenal muai ruang atau muai volume saja. Semakin tinggi suhu yang diberikan pada zat cair itu maka semakin besar muai volumenya. Pemuaian zat cair untuk masing-masing jenis zat cair berbeda-beda, akibatnya walaupun mula-mula volume zat cair sama tetapi setelah dipanaskan volumenya menjadi berbeda-beda. Pemuaian volume zat cair terkait dengan pemuaian tekanan karena peningkatan suhu. Titik pertemuan antara wujud cair, padat dan gas disebut titik tripel.

Anomali Air

Khusus untuk air, pada kenaikan suhu dari 0º C sampai 4º C volumenya tidak bertambah, akan tetapi justru menyusut. Pengecualian ini disebut dengan anomali air. Oleh karena itu, pada suhu 4ºC air mempunyai volume terendah. Hubungan volume dengan suhu pada air dapat digambarkan pada grafik berikut.

Pada suhu 4ºC, air menempati posisi terkecil sehingga pada suhu itu air memiliki massa jenis terbesar. Jadi air bila suhunya dinaikkan dari 0ºC – 4ºC akan menyusut, dan bila suhunya dinaikkan dari 4ºC ke atas akan memuai. Biasanya pada setiap benda bila suhunya bertambah pasti mengalami pemuaian. Peristiwa yang terjadi pada air itu disebut anomali air. Hal yang sama juga terjadi pada bismuth dengan suhu yang berbeda. Lakukan kegiatan berikut untuk menyelidiki kecepatan pemuaian pada berbagai macam zat cair.

Pemuaian pada Gas

Mungkin kamu pernah menyaksikan mobil atau motor yang sedang melaju di jalan tiba-tiba bannya meletus?. Ban mobil tersebut meletus karena terjadi pemuaian udara atau gas di dalam ban. Pemuaian tersebut terjadi karena adanya kenaikan suhu udara di ban mobil akibat gesekan roda dengan aspal.

Pemuaian pada gas adalah pemuaian volume yang dirumuskan sebagai

γ adalah koefisien muai volume. Nilai γ sama untuk semua gas, yaitu 1/273 ºC^-1

Pemuaian gas dibedakan tiga macam, yaitu:

a. pemuaian gas pada suhu tetap (isotermal),

b. pemuaian gas pada tekanan tetap (isobar), dan

c. pemuaian gas pada volume tetap (isokhorik).

1. Pemuaian Gas pada Suhu Tetap (Isotermal)

Pernahkah kalian memompa ban dengan pompa manual. Apa yang kalian rasakan ketika baru pertama kali menekan pompa tersebut? Apa yang kalian rasakan ketika kalian menekannya lebih jauh? Awalnya mungkin terasa ringan. Namun, lama kelamaan menjadi berat. Hal ini karena ketika kita menekan pompa, itu berarti volume gas tersebut mengecil. Pemuaian gas pada suhu tetap berlaku hukum Boyle, yaitu gas di dalam ruang tertutup yang suhunya dijaga tetap, maka hasil kali tekanan dan volume gas adalah tetap. Dirumuskan sebagai:

 Keterangan:

P = tekanan gas (atm)

V = volume gas (L)

2. Pemuaian Gas pada Tekanan Tetap (Isobar)

Pemuaian gas pada tekanan tetap berlaku hukum Gay Lussac, yaitu gas di dalam ruang tertutup dengan tekanan dijaga tetap, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Dalam bentuk persamaan dapat dituliskan sebagai:

Keterangan:
V = volume (L)

T = suhu (K)

3. Pemuaian Gas Pada Volume Tetap (Isokhorik)

Pemuaian gas pada volume tetap berlaku hukum Boyle-Gay Lussac, yaitu jika volume gas di dalam ruang tertutup dijaga tetap, maka tekanan gas sebanding dengan suhu mutlaknya. Hukum Boyle-Gay Lussac dirumuskan sebagai

Dengan menggabungkan hukum boyle dan hukum Gay Lussac diperoleh persamaan 

Keterangan:
P = tekanan (atm)

V = volume (L)

T = suhu (K)

Pemuaian

Pemuaian adalah volume suatu benda yang bertambah luas, panjang atau lebar karena terkena panas. Pemuaian tiap-tiap benda berbeda, tergantung suhu di sekitar dan koefisien muai atau daya muai benda tersebut. Benda tersebut akan mengalami : a. Muai panjang apabila benda itu hanya memiliki ukuran panjang saja, b. Muai luas terjadi pada benda apabila benda itu memiliki ukuran panjang & lebar, c. Muai volume terjadi apabila benda itu memiliki ukuran panjang, lebar, & tinggi. Jadi pemuaian adalah suatu pertambahan panjang dan lebar suatu benda yang disebabkan oleh kalor (panas). 

Pemuaian zat padat 

a. Pemuaian panjang 

Koefisien muai panjang didefinisikan sebagai perbandingan antara pertambahan panjang zat ( l), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu ( T) 

 b. Pemuaian luas
 Koefisien muai luas suatu zat ( ) adalah perbandingan antara pertambahan luas zat ( A) dengan luas semula (Ao), untuk setiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu ( T).

c. Pemuaian volume 

Koefisien muai volume suatu zat ( ) adalah perbandingan antara pertambahan volume ( V) dengan volume semula (Vo), untuk tiap kenaikan suhu sebesar satu satuan suhu ( T).

Tabel. Koefisien berbagai jenis bahan

SKALA SUHU

Skala Kelvin (simbol: K) adalah skala suhu di mana nol absolut didefinisikan sebagai 0 K. Satuan untuk skala Kelvin adalah kelvin (lambang K), dan merupakan salah satu dari tujuh unit dasar SI. Satuan kelvin didefinisikan oleh dua fakta: nol kelvin adalah nol absolut (ketika gerakan molekuler berhenti), dan satu kelvin adalah pecahan 1/273,16 dari suhu termodinamik triple point air (0,01 °C).

Rumus konversi suhu kelvin


Satuan dasar untuk suhu (temperature) pada sistem Inggris didefinisikan sebagai Rankin. Antara derajat Fahrenheit (oF) dan Rankin mempunyai hubungan yaitu 0°R = -460 oF. Derajat suhu mutlak (temperature absolut) yaitu Rankin, karena tidak mungkin ada suhu lebih dingin daripada 0°R.

1. Termometer Celcius
Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 100. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 100 skala.

2. Termometer Reamur
Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala.

 3. Termometer Fahrenheit
Titik lebur es diberi angka 32, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 180 skala.

 4. Termometer Kelvin
Titik lebur es diberi angka 0, sedangkan titik didih air diberi angka 212. Daerah antara kedua titik tetap ini dibagi dalam 80 skala.

Perbandingan pembagian skala C, R, dan F C : R : F = 100 skala : 80 skala : 180 skala atau
C : R : F = 5 : 4 : 9

Suhu dalam skala derajat Celcius menunjukkan angka 30oC. Berapakah angka yang ditunjukkan dalam skala derajat :
Reamur ?
 Fahrenheit ?
 Kelvin ?

a. Hubungan antara C dengan R C : R = 5 : 4
b. Hubungan antara R dengan F R : (F-32) = 5 : 9
c. Hubungan antara C dan F C : (F-32) = 4 : 9 d. Hubungan antara C dengan K

Membuktikan Hukum Boyle dan Hukum Gay-Lussac

Robert Boyle ialah seorang ilmuwan Fisika berkebangsaan Inggris. Melalui usaha dan kerja kerasnya, ia berhasil menemukan pompa vakum. Ia pun menemukan Hukum Boyle berdasarkan penelitian yang dilakukan dengan cermat dan teliti pada gas. Hukum Boyle banyak diterapkan dalam teknologi dan telah memberikan banyak manfaat dalam kehidupan manusia.

Agar Anda dapat lebih memahami Hukum Boyle dan Hukum Gay- Lussac, lakukanlah kegiatan Percobaan Fisika Sederhana 1 :

Percobaan Fisika Sederhana 1

Membuktikan Hukum Boyle dan Hukum Gay-Lussac

Alat dan Bahan :

1. Bola tembaga dengan katup dan alat pengukur tekanan
2. Alat pengisap
3. Pembakar bunsen
4. Gelas kimia
5. Penyangga kaki tiga
6. Termometer
7. Beban dan jangka sorong
8. Klem dan statip

Prosedur :

A. Percobaan Gay-Lussac

1. Susunlah alat-alat percobaan, seperti terlihat pada gambar.

2. Bukalah katup, kemudian tutuplah katup pada bola tembaga pada suhu kamar. Catatlah nilai tekanan gas di dalam bola tembaga yang ditunjukkan oleh alat pengukur tekanan. Catatlah kedua nilai besaran tersebut ke dalam tabel berikut.

3. Benamkan bola tembaga ke dalam air es. Pastikan jumlah es yang terdapat di dalam gelas kimia cukup banyak sehingga dicapai suhu stabil sistem antara 0 –10° C. Pastikan juga bahwa bola tembaga tidak menyentuh dasar gelas kimia dan air es menutupi seluruh bola tembaga.

4. Masukkan termometer ke dalam gelas kimia (perhatikan agar termometer tidak menyentuh bola tembaga dan dasar gelas kimia).

5. Setelah temperatur stabil, catatlah nilai temperatur dan tekanan tersebut ke dalam tabel.

6. Nyalakanlah pembakar bunsen. Kemudian, catatlah nilai tekanan dan temperatur untuk setiap kenaikan tekanan yang ditunjukkan oleh alat pengukur tekanan.

7. Lakukanlah langkah ke-6 sampai air di dalam gelas kimia mendidih.

8. Bagaimanakah hubungan antara suhu dan tekanan yang Anda peroleh dari data pengamatan?

9. Sesuaikan hasil data pengamatan Anda dengan Hukum Gay-Lussac? Jika tidak sesuai, dapatkah Anda menjelaskan bagian apa yang menyebabkan timbulnya perbedaan tersebut? Diskusikanlah dengan teman-teman kelompok dan guru Fisika Anda.

B. Percobaan Boyle

1. Dalam percobaan Boyle ini, digunakan pompa yang memiliki katup yang dapat ditutup. Sejumlah gas yang telah ditentukan banyaknya, terperangkap di dalam pompa. Temperatur gas selalu sama dengan temperatur kamar, sedangkan tekanan gas diubah dengan cara menggantungkan beban yang berbeda-beda pada silinder pompa.

2. Bukalah katup di ujung pompa, kemudian aturlah pompa agar menunjukkan volume udara sebesar 9 cm³. Tutuplah katup pompa. Catatlah tekanan dan volume gas pada tabel berikut.

Oleh karena tekanan gas yang diperhitungkan dalam percobaan ini adalah tekanan netto gas, Anda dapat menganggap tekanan udara luar pada keadaan awal gas adalah nol.

3. Tambahkan beban 200 g ke dalam pengisap. Bacalah volume gas dalam pengisap. Catatlah massa dan volume tersebut ke dalam tabel di atas.

4. Lakukanlah langkah k-3 hingga massa beban mencapai 1,6 kg.

5. Hitunglah tekanan di dalam pengisap dengan cara membagi gaya yang diberikan pada pengisap dengan luas penampang pengisap.

6. Ukurlah diameter pengisap menggunakan jangka sorong, kemudian hitunglah luas penampang pengisap tersebut.

7. Bagaimanakah hubungan antara tekanan dan volume pada percobaan tersebut?

8. Sesuaikah hasil data pengamatan Anda dengan Hukum Boyle?

Hukum-Hukum tentang Gas

Teori kinetik gas membahas hubungan antara besaran-besaran yang menentukan keadaan suatu gas. Jika gas yang diamati berada di dalam ruangan tertutup, besaran-besaran yang menentukan keadaan gas tersebut adalah volume (V), tekanan (p), dan suhu gas (T). Menurut proses atau perlakuan yang diberikan pada gas, terdapat tiga jenis proses, yaitu isotermal, isobarik, dan isokhorik. Pembahasan mengenai setiap proses gas tersebut dapat Anda pelajari dalam uraian berikut.

a. Hukum Boyle

Perhatikanlah Gambar 1. berikut.

Suatu gas yang berada di dalam tabung dengan tutup yang dapat diturunkan atau dinaikkan, sedang diukur tekanannya. Dari gambar tersebut dapat Anda lihat bahwa saat tuas tutup tabung ditekan, volume gas akan mengecil dan mengakibatkan tekanan gas yang terukur oleh alat pengukur menjadi membesar. Hubungan antara tekanan (p) dan volume (V) suatu gas yang berada di ruang tertutup ini diteliti oleh Robert Boyle.

Saat melakukan percobaan tentang hubungan antara tekanan dan volume gas dalam suatu ruang tertutup, Robert Boyle menjaga agar tidak terjadi perubahan temperatur pada gas (isotermal). Dari data hasil pengamatannya, Boyle mendapatkan bahwa hasil kali antara tekanan (p) dan volume (V) gas pada suhu tetap adalah konstan. Hasil pengamatan Boyle tersebut kemudian dikenal sebagai Hukum Boyle yang secara matematis dinyatakan dengan persamaan :

pV = konstan                                        (1–1)

atau

p₁V₁ = p₂V₂                                         (1–2)

Dalam bentuk grafik, hubungan antara tekanan (p) dan volume (V) dapat dilihat pada Gambar 2.

b. Hukum Gay-Lussac

Gay-Lussac, seorang ilmuwan asal Prancis, meneliti hubungan antara volume gas (V) dan temperatur (T) gas pada tekanan tetap (isobarik). Perhatikanlah Gambar 3.

Misalnya, Anda memasukkan gas ideal ke dalam tabung yang memiliki tutup piston di atasnya. Pada keadaan awal, gas tersebut memiliki volume 4 m³ dan temperatur 300 K.

Jika kemudian pemanas gas tersebut dimatikan dan gas didinginkan hingga mencapai temperatur 225 K, volume gas itu menurun hingga 3 m³. Jika Anda membuat perbandingan antara volume terhadap suhu pada kedua keadaan gas tersebut (V/T) , Anda akan mendapatkan suatu nilai konstan (4/300 = 3/225 = 0,013).

Berdasarkan hasil penelitiannya mengenai hubungan antara volume dan temperatur gas pada tekanan tetap, Gay-Lussac menyatakan Hukum Gay-Lussac, yaitu hasil bagi antara volume (V) dengan temperatur (T) gas pada tekanan tetap adalah konstan.

V/T = Konstan       (1–3)

atau

V₁/T₁ = V₂/T₂       (1–4)

c. Hukum Charles

Seorang ilmuwan Perancis lainnya, Charles, menyatakan hubungan antara tekanan (p) terhadap temperatur (T) suatu gas yang berada pada volume tetap (isokhorik). Hasil penelitiannya kemudian dikenal sebagai Hukum Charles yang menyatakan hasil bagi tekanan (p) dengan temperatur (T) suatu gas pada volume tetap adalah konstan.

Persamaan matematis dari Hukum Charles dinyatakan dengan :

P/T = Konstan                   (1–5)

atau

p₁/T₁ = p₂/T₂                         (–6)

d. Persamaan Keadaan Gas Ideal

Pada proses isobarik, tekanan gas tetap, sedangkan volume dan temperatur gas berubah. Demikian juga dalam proses isokhorik dan isotermal, terdapat satu variabel atau besaran gas yang berada dalam keadaan tetap, sedangkan kedua variabel gas lainnya berubah. Bagaimanakah jika ketiga besaran yang menyatakan keadaan gas tersebut (tekanan, volume, dan suhu) berubah?

Dari ketiga hubungan antara tekanan, volume, dan suhu gas yang didapatkan dari Hukum Boyle dan Hukum Gay-Lussac dapat diturunkan suatu persamaan yang disebut persamaan keadaan gas ideal. Secara matematis, persamaan keadaan gas ideal dinyatakan dengan persamaan :

PV/T = Konstan               (1–7)

atau

p₁V₁/T₁ = p₂V₂/T₂          (1–8)

Oleh karena setiap proses yang dilakukan pada gas berada dalam ruang tertutup, jumlah molekul gas yang terdapat di dalam ruang tersebut dapat ditentukan sebagai jumlah mol gas (n) yang jumlahnya selalu tetap. Anda tentu sudah mengetahui bahwa mol adalah suatu besaran yang digunakan untuk menyatakan massa suatu zat dalam gram yang besarnya sama dengan jumlah molekul zat tersebut. Dengan demikian, persamaan keadaan gas ideal dapat dituliskan menjadi :

pV/T = nR                     (1–9)

atau

pV = nRT                      (1–10)

dengan : 

n = jumlah mol gas,

R = tetapan umum gas = 8,31 × 10³ J/kmolK (SI) = 8,31 J/molK,

p = tekanan (N/m²),

V = volume (m³), dan

T = temperatur (K).

Dari definisi mol zat yang menyatakan bahwa :

jumlah mol = massa / massa relatif molekul

atau

n = m / Mr

Persamaan (1–10) dapat dituliskan menjadi :

pV = (m/Mr) RT                       (1–11)

Anda telah mempelajari bahwa massa jenis suatu zat adalah perbandingan antara massa dengan volume zat tersebut. Oleh karena itu, dari Persamaan (1–11) dapat diperoleh persamaan massa jenis gas :

ρ = m/V = p Mr/RT                  (1–12)

Menurut prinsip Avogadro, satu mol gas mengandung jumlah molekul gas yang sama. Jumlah molekul gas ini dinyatakan dengan bilangan Avogadro (NA) yang besarnya sama dengan 6,02 × 10²³ molekul/mol. Dengan demikian, Persamaan (1–12) dapat dinyatakan menjadi :

pV = (N/N_A) RT

atau

pV = N(R/N_A) T                      (1–13)

dengan: 

N = Banyak partikel gas, dan

N_A = Bilangan avogadro = 6,02 × 10²³ molekul/mol

Oleh karena nilai pada Persamaan (1–13) merupakan suatu nilai tetapan yang disebut konstanta Boltzmann, k, di mana k = 1,38 × 10^-23 J/K maka persamaan keadaan gas ideal dapat juga dituliskan menjadi persamaan berikut.

pV = NkT                                 (1–14)