Eksperimen Joule

Eksperimen Joule merupakan suatu bentuk percobaan yang dilakukan untuk mengukur perubahan energi dalam pada saat gas memuai dalam keadaan isotermal. Kalor yang diserap sebanding dengan perubahan termperatur. Hal tersebut sesuai dengan rumus yaitu Q = mc∆T , dimana kalor sebanding dengan perubahan suhu dan massa. Gambar disamping menurut Atkins, Eksperimen joule mengungkapkan bahwa dalam pemuaian ruang hampa, tidak ada kerja yang dilakukan sehingga W = 0 dan q = 0. Konsekuensinya ketepatan eksperimen,  ∆U = 0 (Atkins,1996) Jadi, jika didalam suatu sistem tidak ada kerja yang diberikan maka tidak ada kalor yang dapat memasuki atau meninggalkan sistem tersebut. Dengan demikian energi yang diberikan tidak banyak berubah jika gas memuai dalam keadaan isotermal. James Joule berpendapat bahwa ia dapat mengukur πT dengan mengamati temperatur gas jika gas itu dibiarkan memuai ke ruang hampa udara. 

James Prescott Joule (1818-1889) merupakan orang yang mengemukakan tentang hukum pertama termodinamika. Hukum pertama termodinamika adalah pernyataan kekekalan energi. Hukum ini menggambarkan hasil banyak eksperimen yang menghubungkan usaha yang dilakukan pada sistem, panas yang ditambahkan pada atau dikurangi dari sistem, dan energi internal sistem. Hasil eksperimen joule dan eksperimen orang-orang lain sesudahnya adalah bahwa dibutuhkan 4,18 satuan usaha mekanika (joule) untuk menaikkan 1 g air dengan 1ᵒC. Hasil bahwa 4,18 J energi mekanika adalah ekuivalen dengan 1 kal energi panas dikenal sebagai ekuivalensi mekanika panas (Tipler,1998).

Pada gambar diatas merupakan diagram skematik peralatan Joule yang digunakan dalam eksperimennya yang paling terkenal dimana ia menentukan jumlah usaha yang ekuivalen  dengan sejumlah panas tertentu, yaitu jumlah usaha yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu gram air dengan satu derajat celsius. Ketika ekuivalensi panas dan energi eksperimental ditetapkan, eksperimen Joule dapat digambarkan sebagai menentukan ukuran kalori dalam satuan energi yang biasa (Tipler,1998). 

Misalkan kita melakukan eksperimen Joule namun mengganti dinding tabung yang menginsulasi dengan dinding yang mengkonduksi. Kita dapatkan bahwa usaha yang dibutuhkan untuk menghasilkan perubahan temperatur pada sistem dalam jumlah tertentu tidak selalu sama tergantung dari berapa banyak panas yang diperlukan atau dikurangkan dari sistem secara konduksi melalui dinding-dinding. Namun, jika kita ukur panas yang ditambahkan atau dikurangkan dari sistem dan usaha yang dilakukan pada sistem kita dapatkan bahwa jumlah usaha yang dilakukan pada sistem dan panas neto yang ditambahkan pada sistem selalu sama untuk perubahan temperatur tertentu. Artinya jumlah panas yang ditambahkan dan usaha yang dilakukan pada sistem sama dengan perubahan energi internal sistem. Ini adalah rumus hukum pertama termodinamika, (Tipler,1998)

Q + (-W) = ∆U         atau            Q = ∆U + W

Ket :     -W apabila usaha dilakukan pada sistem, W apabila usaha dilakukan oleh sistem
              Q positif jika diberikan kepada sistem dan negatif jika keluar dari sistem

Sebuah proses yang sangat penting dari segi teoritis adalah proses ekspansi bebas (free expantion). Proses ini adalah sebuah proses adiabatik didalam mana tidak ada kerja yang dilakukan pada sistem atau oleh sistem. Sebuah proses yang mirip seperti ini dapat dicapai dengan menghubungkan sebuah bejana yang mengandung suatu gas kepada sebuah bejana lain yang dikosongkan dengan sebuah hubungan keran penyumbat, dan seluruh sistem dikelilingi dengan isolasitermal (Gambar 22-14). Jika keran penyumbat tersebut tiba-tiba dibuka, maka gas akan memasuki vakum dan berekspansi secara bebas. Karena isolasi kalor maka proses ini adalah adiabatik, dan karena dinding-dinding bejana adalah tegar (rigid) maka tidak ada kerja luar yang dilakukan pada sistem tersebut. Maka, didalam hukum pertama kita memperoleh Q = 0 dan W = 0, sehingga Ui = Uf untuk proses ini. Tenaga dakhil mula-mula dan tenaga dakhil akhir adalah sana dalam proses ekspansi bebas (Halliday dan Resnick, 1998).

Didalam ekspansi bebas, setelah kita membuka keran penyumbat maka kita dapat lagi mengontrol proses tersebut lebih lanjut. Pada keadaan-keadaan perantara maka tekanan, volume dan temperatur tidak mempunyai nilai-nilai yang unik yang merupakan ciri dari sistem secara keseluruhan, yakni sistem tersebut lewat melalui keadaan-keadaan ketakseimbangan sehingga kita tidak dapat menggambarkan jalannya proses dengan sebuah kurva pada sebuah diagram p – V. Kita dapat menggambarkan keadaaan mula-mula dan keadaan akhir sebagai titik-titik pada gambar seperti itu karena keadaan-keadaan tersebut didefinisikan dengan pasti, yakni yang merupakan keadaan-keadaan kesetimbangan. Ekspansi bebas tersebut adalah sebuah contoh yang baik mengenai sebuah proses tak terbalikkan (Halliday dan Resnick, 1998).

Gambar 22-14

Hukum pertama termodinamika dikemukakan oleh Joule Thompson, (Barsasella,2010)
1.    Konsep energi dalam dan menghasilkan prinsip kekekalan energi
2.    Menegaskan ekuivalenan perpindahan kalor dan perpindahan kerja

Daftar Pustaka :
Atkins, P W.1996.Kimia Fisika Jilid 1 edisi keempat.Jakarta : Erlangga.
Barsasella, diana.2010.Fisika untuk Mahasiswa Kesehatan.Jakarta Timur : CV.Trans Info Media.
Halliday,david dan Resnick,robert.1998.Fisika Jilid 1 edisi ke-3.Jakarta : Erlangga.
Tipler, paul.A.1998.Fisika untuk Sains dan Teknik.Jakarta : Erlangga.