CONTOH SOAL FISIKA MODERN : RELATIVITAS

1. Seorang pengamat mengamati sebuah jam di sebuah menara menunjukkan pukul 12.00. Jika si pengamat bergerak menjauhi menara dengan kecepatan cahaya, jelaskan bagaimana gerak jarum jam raksasa menurut pengamat tersebut.

Jawab :

Jika pengamat menjauhi menara dengan kecepatan cahaya, maka pengamat (di luar angkasa) akan melihat gerak jarum jam berjalan dengan cepat. Untuk membandingkannya, kita anggap bahwa pengamat juga membawa jam (sudah diatur sesuai dengan jam di menara) dan mempunyai teleskop sensitif yang mampu melihat atau memantau gerak jam di menara. Dalam kasus ini, gerak jam pengamat di angkasa akan berjalan lambat dan gerak jam di menara lebih cepat (mulur waktu). Hal ini karena semakin besar kecepatan pengamat, menyebabkan gerak jam di menara (di bumi) terlihat semakin cepat atau waktu telah lama terlewati. Adanya medan gravitasi menyebabkan bumi dan sekitarnya bergerak lebih cepat, termasuk jam di menara tersebut.

2. Apakah mungkin mempercepat gerak benda bermassa m hingga mendekati kecepatan cahaya ?

Jawab :

Iya, mungkin mempercepat benda mendekati kecepatan cahaya. Asalkan nilai gaya F besar (Hukum II Newton berlaku), maka hal ini mungkin terjadi. Selain itu, asalkan energi besar memungkinkan benda bermassa m mendekati kecepatan cahaya. Benda yang mendekati kecepatan cahaya ini akan tampak mengecil atau berkurang panjang fisiknya dan mengalami pemelaran waktu dalam arti ruang serta waktu bergerak melambat terhadapnya.

Kalau kita tinjau dari rumus.

Jika kecepatan v mendekati kecepatan cahaya maka nilai penyebut akan menjadi sangat kecil, maka nilai massa benda m menjadi besar.

Dari sini kita dapat lihat bahwa kita dapat mempercepat benda bermassa m mendekati kecepatan cahaya. Ini berarti untuk benda dengan kecepatan sama dengan kecepatan cahaya menjadi m = mo / 0. Tapi ini tidak mungkin karena haruslah massa nol atau diam (mo = 0).

Jadi, kita dapat dapat mempercepat gerakan benda mendekati kecepatan cahaya, namun tidak dapat mempercepatnya sama besar atau melebihi kecepatan cahaya. Para ilmuwan juga telah menyimpulkan bahwa kecepatan cahaya menjadi batas akhir kecepatan.

3. Bagaimana kontraksi panjang pesawat di luar angkasa menurut astronot yang juga ada di dalam pesawat ?

Jawab :

Benda yang bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya akan tampak lebih pendek bila diukur dari kerangka diam atau orang lain di bumi. Namun, pengamat di luar angkasa tidak merasa ada konstraksi panjang pesawat yang ia gunakan dalam perjalanannya ke ruang angkasa (tidak ada perubahan apa-apa). Sebenarnya yang terjadi saat pesawat bergerak dengan kecepatan tinggi atau mendekati cahaya, bukan saja waktu namun seluruh benda termasuk pengamat bergerak semakin lambat sehingga pengamat melihatnya normal-normal saja, termasuk ia tidak merasa ada perubahan atau kontraksi panjang pesawat.

4. (a) Orang menjatuhkan bola ke tanah dan (b) orang bergerak mendekati kecepatan cahaya dan menjatuhkan boleh ke tanah, apakah perbedaan dari dua peristiwa tersebut ?

Jawab :

Pada peristiwa (a) bola mengalami gerak jatuh bebas. Pada peristiwa ini percepatannya tetap karena setiap benda yang dijatuhkan dari ketinggian h ataupun bahkan dilempar ke atas akan jatuh ke bumi karena adanya gaya tarik bumi (gravitasi). Selain itu, peristiwa ini merupakan gerak lurus berubah beraturan dengan kelajuan tetap, kecepatan awal vo = 0 dan mengalami percepatan a = g. Semua benda yang jatuh di bumi akan selalu memiliki percepatan yang sama, tidak bergantung pada ukuran, berat, susunan benda, dan jika hambatan udara diabaikan.

Pada peristiwa (b) yaitu seseorang yang bergerak mendekati kecepatan cahaya. Dapat ditinjau dua kemungkinan yaitu.

- (1) Jika masih di bumi, maka bola akan mengalami gerak jatuh bebas juga karena masih terpengaruh gaya gravitasi seperti pada peristiwa (a).

- (2) Jika orang tersebut bergerak mendekati kecepatan cahaya dan berada di luar angkasa, maka peristiwa ini berada di ruang hampa udara yang tidak ada hambatan udara. Karena tidak ada hambatan udara, maka bola akan terjatuh perlahan-lahan.

Sehingga, bola yang jatuh di bumi akan lebih cepat dibandingkan di luar angkasa karena gaya gravitasi di luar angkasa memiliki kerapatan dan tekanan yang sangat kecil sehingga bola jatuh terus-menerus secara perlahan.

5. Jelaskan perubahan yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari jika kecepatan cahaya adalah 50 m/s.

Jawab :

Jarak matahari ke bumi yaitu kurang lebih 150.000.000 km. Waktu yang dibutuhkan agar cahaya matahari sampai ke bumi rata-rata 8 menit dan 20 detik (500 sekon) dengan kecepatan cahaya 300.000 km/s. Jika kecepatan cahaya menjadi 50 m/s, tidak mungkin ada kehidupan di bumi. Bumi akan menjadi gelap gulita dan dingin.

6. Jelaskan teori relativitas khusus dan umum Einstein.

Jawab :

Teori Relativitas Khusus (1905)

Teori relativitas khusus membahasa tentang kerangka acuan yang bergerak relatif terhadap kerangka acuan lain. Teori ini didasarkan pada 2 Postulat Einstein yaitu.

1. "Hukum-hukum fisika memiliki bentuk yang sama pada semua kerangka acuan yang bergerak dengan kecepatan tetap (kerangka acuan inersia)". Postulat pertama dikemukakan karena tidak adanya kerangka acuan universal sebagai acuan mutlak dan merupakan perluasan relativitas Newton untuk memasukkan tidak hanya hukum-hukum Mekanika tetapi juga hukum fisika lainnya termasuk listrik dan magnet.

2. "Kelajuan cahaya di ruang hampa ke segala arah adalah sama untuk semua pengamat, tidak bergantung pada gerak sumber cahaya maupun pengamat". Postulat kedua memiliki implikasi yang sangat luas dimana kecepatan, panjang, waktu, dan massa benda semuanya bersifat relatif sehingga relativitas Newton dan Transformasi Galileo tidak dapat digunakan.

Teori Relativitas Umum (1916)

Teori relativitas umum menggantikan Hukum Gravitasi Newton. Teori ini menggunakan matematika geometri, diferensial, dan tensor untuk menjelaskan gravitasi. Teori ini memiliki bentuk yang sama bagi seluruh pengamat, baik bagi pengamat yang bergerak dalam kerangka acuan yang dipercepat atau lembam. Dalam relativitas umum, gravitasi bukan lagi sebuah gaya (seperti dalam Hukum Gravitasi Newton), tetapi merupakan konsekuensi dari kelengkungan ruang-waktu. Relativitas umum menunjukkan bahwa kelengkungan ruang-waktu terjadi akibat kehadiran massa, yaitu massa objek terhadap ruang dan waktu.

MEMBUAT PROGRAM MENEBAK NAMA BUAH DAN PROGRAM BOLA MEMANTUL DENGAN BAHASA PEMROGRAMAN PYTHON

CODING PROGRAM MENEBAK NAMA BUAH

import random

print 'Program Tebak Nama Buah'

 

while True :

    print 'Apakah anda ingin bermain tebak nama buah?'

    print 'Pilihan :'

    print ' 1. Ya'

    print ' 2. Tidak'

    m=int(raw_input ('Silahkan tentukan pilihan anda (Ya/Tidak) :'))

    if m==1:

buah=['alpukat','anggur','apel','belimbing','blewah','cempedak','ceri','delima','duku','durian','jambu','jeruk','kedongdong','kelapa','kelengkeng','kiwi','leci','lemon','mangga','manggis','markisa','melon','nanas','nangka','pepaya','pir','pisang','rambutan','salak','sawo','semangka','sirsak','srikaya','stroberi']

        a=random.choice(buah)

        nyawa=len(a)

        garis='_ '

        b=garis*len(a)

        x=' '

        print 'nyawa anda:',nyawa

        print b

        tebak=raw_input('Masukkan tebakan anda:')

        while nyawa >0:

            if garis in b:

                K=0

                for huruf in a :

                    if huruf in x :

                        print huruf,

                    else :

                        print '_',

                        K+=1

            if garis not in b or K==0:

                print 'Selamat! Tebakan Anda benar. Buah yang dimaksud adalah',a

                break

            print

            if tebak not in a:

                print 'Huruf', tebak, 'Tidak ada dalam nama buah'

                nyawa-=1

            if nyawa==0:

                print 'Maaf, Anda gagal! Buah yang dimaksud adalah',a

                break

            if nyawa >0:

                print 'nyawa anda:',nyawa

                tebak=raw_input('Masukkan tebakan anda:')

                x+= tebak

               

    else:

        print 'Terima kasih'

        print 'Semoga anda terhibur :) '

        break

CODING PROGRAM BOLA MEMANTUL

#Program Bola Memantul

import pygame,time, sys

from pygame.locals import *

 

pygame.init()

 

# SET UP THE WINDOW

ukuran = width, height = 1300,600

layar = pygame.display.set_mode ( ukuran )

pygame.display.set_caption('Bola Memantul')

 

# SET UP THE COLOUR

BLACK       = (  0,   0,   0)

WHITE       = (255, 255, 255)

RED         = (255,   0,   0)

GREEN       = (  0, 255,   0)

BLUE        = (  0,   0, 255)

GRAY        = (185, 185, 185)

YELLOW      = (255, 255,   0)

ORANGE      = (255, 140,   0)

MAGENTA     = (255,   0, 255)

GRENOBLE    = (204, 204, 112)

 

FPS = 100 # Frame per Second Setting

fpsClock = pygame.time.Clock()

 

# PICTURE & SOUND

gambar = pygame.image.load('ball.gif')

suara = pygame.mixer.Sound('bouncing ball.wav')

 

# DRAW ON SURFACE OBJECT

posx = 0

posy = 200

arah = 'down'

n=20

m=500

 

while True:

    layar.fill(GRENOBLE)

    layar.blit (gambar,(posx,posy))

    pygame.display.update()

    suara.play()

    fpsClock.tick(FPS)

    if arah == 'down':

        posy += 10

        if posy == m:

            n+=20

            arah = 'up'    

    elif arah == 'up':

        posy -= 5

        posx+=1

        if posy == n:

            arah = 'down'

        elif posy < n :

            break

   

    for event in pygame.event.get():

        if event.type == QUIT:

            pygame.quit()

            sys.exit()

MENGHITUNG PELURUHAN MASSA RADIOAKTIF DENGAN BAHASA PEMROGRAMAN MATLAB (MATRIX LABORATORY)

Peluruhan radioaktif dimodelkan sebagai berikut.

1. Buat program menghitung N pada t = 100 s dengan metode Euler (Numerik).

Berikut ini adalah output yang diperoleh dengan metode Euler.

2. Plot grafik t vs N tiap t tersebut.

3. Cari N saat t = 100 s dengan analitik dan plot grafik t vs N tiap t tersebut.

4. Hitung error hasil numerik (metode Euler) dibandingkan analitik.

Lampiran Program Matlab

CONTOH SOAL TERMODINAMIKA : KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

1. Apa perbedaan antara pendekatan termodinamika klasik dan statistik ?

Jawab :

Pendekatan termodinamika klasik yaitu pendekatan termodinamika yang menggunakan pandangan makroskopik yang tidak memperhatikan struktur materi dalam skala atomik dan interaksi antara atom-atom penyusun materi tersebut.

Pendekatan termodinamika statistik yaitu pendekatan termodinamika yang menggunakan pandangan mikroskopik yang didasarkan pada perilaku sejumlah besar molekul penyusun sistem.

2. Seorang karyawan di kantor menyatakan bahwa segelas kopi dingin di mejanya dapat dipanaskan sampai suhu 80°C hanya dengan suhu di sekitar ruangan sebesar 25°C. Apakah pernyataannya benar ? Apakah ini melanggar Hukum Termodinamika ?

Jawab :

Pernyataan karyawan kantor itu tidak benar. Proses ini melanggar Hukum Kedua Termodinamika. Hukum Kedua Termodinamika menyatakan bahwa aliran kalor memiliki arah dan tidak semua proses di alam semesta adalah reversibel (dapat dibalikkan arahnya). Pada kasus ini, tidak mungkin udara sekitar yang hanya 25°C memanaskan kopi dingin mencapai 80° C. Hal ini karena kopi dingin tidak dapat melebihi suhu sekitar dan kesetimbangan suhunya pastinya akan berada di bawah 25°C (di bawah dari lingkungan sekitar).

3. Apa perbedaan antara energi makroskopik dan mikroskopik ?

Jawab :

Energi makroskopik yaitu keberadaan energi yang ditandai dari posisinya terhadap lingkungan, berhubungan dengan gerakan massa pembawa energi dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi, tegangan permukaan fluida, dan sebagainya. Contohnya yaitu energi kinetik dan energi potensial.

Energi mikroskopik yaitu keberadaan energi yang ditentukan oleh struktur internal dari zat pembawa energi sendiri dan tidak bergantung kepada lingkungannya, yaitu struktur dan gerakan molekul dari zat tersebut.

4. Apa perbedaan antara sifat intensif dan ekstensif ?

Jawab :

Sifat intensif yaitu sifat yang tidak bergantung langsung pada massa (tidak bergantung pada ukuran dan kuantitas bahan), seperti suhu, tekanan, viskositas, intensitas listrik, dan tegangan permukaan.

Sifat ekstensif yaitu sifat yang bergantung langsung pada massa (bergantung pada ukuran dan kuantitas bahan), seperti volume, panjang, berat atau massa, energi atau kerja, dan luas permukaan.

5. Definisikan proses isotermal, isobarik, dan isokhorik.

Jawab :

Proses isotermal yaitu proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada suhu tetap.

Proses isobarik yaitu proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada tekanan tetap.

Proses isokhorik yaitu proses gas dalam ruang tertutup yang berlangsung pada volume tetap.

6. Apa perbedaan antara tekanan gauge dan tekanan mutlak ?

Jawab :

Tekanan Gauge yaitu perbedaan antara tekanan sesungguhnya dengan tekanan atmosfer.

Tekanan Mutlak yaitu tekanan sesungguhnya di suatu titik di dalam zat alir yang diukur relatif terhadap tekanan nol mutlak.

7. Kebanyakan energi dihasilkan oleh mesin mobil dikeluarkan ke udara oleh radiator melalui sirkulasi air. Apakah radiator dianalisa sebagai sistem terbuka atau tertutup ?

Jawab :

Radiator dianalisa sebagai sistem terbuka. Hal ini karena pada kasus ini ada transfer panas pada mesin mobil yang terbuang oleh radiator melalui sirkulasi air dan air yang didinginkan dalam radiator ini kembali masuk ke mesin mobil setelah didinginkan oleh udara (ada transfer massa) dengan bantuan pompa air.

8. Kaleng softdrink pada suhu ruang dimasukkan ke dalam kulkas sehingga menjadi dingin. Apakah kaleng softdrink dianalisa sebagai sistem terbuka atau tertutup ?

Jawab :

Kaleng softdrink pada kulkas dianalisa sebagai sistem tertutup. Jika kaleng softdrink didinginkan, maka panas keluar dari kaleng ke dalam kulkas saat udara dingin dari kulkas mengalir ke kaleng (ada transfer panas). Namun, pada kasus ini tidak terdapat transfer massa, maksudnya tidak ada air yang dilepaskan atau dikeluarkan selama waktu pendinginan.

9. Apa hukum ke nol Termodinamika ?

Jawab :

Hukum ke nol Termodinamika berbunyi jika dua benda dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda itu berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.

10. Apa yang dimaksud dengan proses kuasi ekuilibrium ?

Jawab : 

Proses kuasi ekuilibrium yaitu proses yang terjadi dengan hanya sedikit sekali penyimpangan dari kesetimbangan.

CONTOH SOAL FISIKA POLIMER : POLIMER SAINS DAN TEKNOLOGI

1. Cari nama komersilnya.

Jawab :

a. Polyethylene = Kantong Plastik

b. Poly (vinyl x) = Pipa PVC (Paralon)

c. Polystyrene = Styrofoam

d. Polyoxymethylene = Flexy Glass

e. Poly (ethylene terephthalate) = Dakron

f. Polyisobutylene = Karet Sintetis

2. Bagaimana menetukan derajat polimerasi ?

Jawab :

Derajat polimerasi merupakan banyaknya kesatuan unit yang berulang dari suatu polimer dalam rantai. Semakin besar derajat polimerasi, polimer semakin keras dan kaku. Semakin kecil derajat polimerasi, maka polimer akan semakin elastis. Cara menentukan derajat polimerasi yaitu dengan :

a. Rasio perbandingan berat molekul polimer dengan berat molekul monomernya

b. Metode viskositas atau viskometri

Pertama-tama menentukan berat molekul menggunakan Persamaan Mark - Houwink, yaitu

Kemudian mencari nilai derajat polimerisasi.

3. Definisi akrilik dan rumus molekul kimianya.

Jawab :

Akrilik merupakan plastik yang menyerupai kaca (disebut polimetil metakrilat) yang bersifat termoplastis, transparasi, memiliki daya lentur yang baik, dan tahan ultraviolet. Rumus kimianya yaitu (C5O2H8)n.

4. Ban termasuk termoplas atau termoset ? Jelaskan perbedaannya.

Jawab :

Termoplastik

- Jenis polimer yang melunak ketika terkena panas dan mengeras kembali setelah didinginkan.

- Dapat didaur ulang.

- Berat molekul kecil, mudah diregangkan, fleksibel, titik leleh rendah, mudah larut dalam pelarut, dan memiliki struktur linear atau bercabang.

- Contohnya adalah polistirena, polietilena, polipropilena, acrylonitryl butadine styrene, polymethil metacrylate.

Termosetting

- Jenis polimer yang tetap keras (tidak melunak) ketika terkena panas.

- Tidak dapat didaur ulang karena akan langsung mengeras dan menjadi arang jika dipanaskan.

- Keras dan kaku (tidak fleksibel), tidak dapat larut dalam pelarut apapun, tahan terhadap asam basa, dan mempunyai ikatan silang atau rantai molekul.

- Contohnya adalah bakelit, fenol formaldehida, urea formaldehida, melamine formaldehida, alkyds, epoxyresin, polyorethane, silicones, polycarbonat, teflon, PVC, nilon, cellulosics, dan polyfluorocarbon.

Dari perbedaan di atas, maka dapat diketahui bahwa ban termasuk termoplastik.

5. Bagaimana hubungan antara panjang ikatan dengan panjang rantai ?

Jawab :

Panjang ikatan merupakan jarak antara dua buah atom yang saling berikatan dalam suatu molekul.

Panjang rantai menunjukkan banyak sedikitnya jumlah monomer.

Umumnya, semakin pendek ikatan maka rantainya juga semakin pendek. Ikatan yang lebih pendek akan lebih stabil dan kuat dibandingkan ikatan yang panjang. Hal ini dikarenakan ikatan yang pendek berikatan rangkap (dua atau lebih tinggi) sehingga akan lebih sulit diputuskan. Sedangkan, ikatan yang panjang maka rantai semakin besar dan tidak stabil. Ikatan yang panjang akan memiliki rantai lurus atau bercabang (terlihat banyak) akan lebih mudah diputuskan di bagian tertentu. Untuk rantai panjang juga titik didihnya semakin tinggi, fleksibilitas meningkat, gaya tarik antar molekulnya kuat tetapi kurang stabil.

6. Bagaimana hubungan antara panjang rantai dan panjang ikatan dengan volume jenis ?

Jawab :

Volume jenis merupakan volume dari polimer yang tidak terhuni oleh molekul itu sendiri (ada kekosongan).

Semakin tinggi volume jenis polimer, maka akan ada banyak ruang bagi molekul untuk bergerak. Untuk panjang ikatan dan rantai yang pendek, maka molekul di dalamnya memiliki keleluasaan untuk berotasi di sekitar ikatannya. Ini disebut dengan mobilitas internal rantai. Hal ini karena pada rantai yang panjang, jumlah molekul dalam volume benda lebih banyak. Berarti panjang ikatan yang pendek, volume jenisnya semakin besar karena partikelnya ditinjau lebih besar molekulnya.

7. Bagaimana hubungan antara panjang rantai dan panjang ikatan dengan Tg ?

Jawab :

Tg (Temperatur Transisi Glass) merupakan temperatur dimana terjadi perubahan fasa dari fasa glassy atau rigid (kaku) menjadi fasa rubbery (lentur).

Tiap polimer mempunyai Tg yang karakteristik. Salah satu faktor yang mempengaruhi Tg adalah gaya tarik antarmolekul. Semakin kuat molekul polimer terikat satu sama lain, maka energi termal yang diperlukan untuk menghasilkan gerakan semakin besar. Akibatnya, Tg lebih tinggi daripada temperatur degradasinya (penurunannya). Berarti, karena panjang ikatan maka panjang rantainya semakin besar memiliki gaya tarik molekul besar maka dapat disimpulkan semakin besar panjang rantai dan panjang ikatan, maka akan memiliki Tg yang lebih besar. Selain itu, rantai yang panjang umumnya rapat-rapat apalagi rantai yang lurus mengakibatkan rantai menjadi kaku, maka dibutuhkan Tg yang lebih besar.

8. Jelaskan perbedaan  dan persamaan Spektroskopi Inframerah dan Raman.

Jawab :

Perbedaan

Inframerah (IR)

- Serapan IR perlu modus getar yang mempunyai perubahan momen dipol (distribusi muatan) dalam molekul diikuti penyerapan energi ke tingkat energi vibrasi.

- Menyangkut pada perubahan momen dipol.

- Infrared inactive jika tidak ada momen dipol (molekul-molekul homonuclear) walau terjadi regangan, serapan radiasi di frekuensi getar tidak tercapai.

- Pada teknik IR, frekuensi radiasi yang diberikan divariasikan kemudian kuantitas radiasi yang terabsorpsi atau ditransmisikan diukur.

Raman

- Emisi Raman memerlukan distorsi distribusi elektron di sekitar ikatan (pada saat itu terjadi polarisasi molekul) diikuti emisi kembali energi radiasi.

- Menyangkut pada perubahan polarisasinya (kepolaran).

- Raman active pada saat regang terbesar (jarak 2 atom terbesar) dan kepolaran ikatan paling tinggi.

- Pada teknik Raman, sampel disinari dengan sinar monokromatik hingga dihasilkan dua cahaya sebaran.

Persamaan

- Keduanya melibatkan transisi molekul pada tingkat energi vibrasi pertama dengan pergeseran energi yang sama.

- Atom-atom dalam molekul tidak dapat diam, melainkan bervibrasi (bergetar).

- Sama-sama digunakan dalam analisa sampel berupa komposisi kimianya ataupun lainnya.

- Kedua teknik ini saling melengkapi karena kebanyakan efek Raman dan IR muncul bersamaan.

CONTOH SOAL FISIKA ZAT PADAT : TRANSFORMASI FASA PADA LOGAM

1. Untuk beberapa transformasi memiliki kinetika yang sesuai dengan persamaan Avrami, parameter n diketahui memiliki nilai 1,5. Jika setelah 125 s, reaksi telah komplit 25%, berapa lama (total waktu) yang akan diperlukan sehingga transformasi menjadi komplit 90% ?

Penyelesaian :

2. Diketahui bahwa kinetika kristal rekristalisasi untuk beberapa paduan sesuai dengan persamaan Avrami, dan nilai n dalam eksponensial adalah 5,0. Jika pada suatu temperatur fraksi rekristalisasi adalah 0,30 setelah 100 menit, tentukan nilai rekristalisasi pada temperatur tersebut.

Penyelesaian :

3. Secara singkat deskripisikan fenomena dari superheating dan supercooling ? Mengapa fenomena tersebut muncul ?

Penyelesaian :

Superheating dan supercooling berhubungan bertutut-turut dengan panas atau dingin di atas atau di bawah suhu transisi fasa tanpa terjadinya transformasi. Fenomena tersebut muncul karena tepat terjadi di suhu transisisi fasa, gaya pengendali (driving force) tidak cukup untuk menyebabkan transformasi terjadi. Gaya pengendali meningkat selama superheating atau supercooling.

4. Secara singkat jelaskan perbedaan antara perlit, bainit, dan spereodit sesuai dengan mikrostruktur dan sifat mekaniknya.

Penyelesaian :

Mikrostruktur perlit, bainit, spereodit semuanya terdiri atas fasa α-ferit dan sementit. Untuk perlit, fasa ada sebagai lapisan dimana berubah satu sama lain. Bainit terdiri dari bentuk sangat halus dan sejajar dari partikel sementit yang dikelilingi oleh matriks α-ferit. Untuk spereodit, matriksnya adalah ferit, dan fasa sementit berbentuk partikel bola.

5. Gunakan diagram transformasi isotermal untuk paduan besi-karbon komposisi eutectoid, tentukan mikrostruktur akhir dari spesimen kecil yang telah dipelajari berdasarkan perlakuan panas-waktu. Di kasus lain asumsikan spesimen dimulai pada suhu 760°C (1460°F) dan telah dimulai cukup lama untuk menghasilkan struktur austenisasi yang komplit dan homogen.

Penyelesaian :

6. Secara singkat jelaskan mengapa perlit halus lebih keras dan kuat daripada perlit kasar, dimana sebaliknya perlit kasar adalah lebih kuat dan keras dibanding spereodit.

Penyelesaian :

Kekerasan dan kekuatan paduan besi-karbon yang memiliki mikrostruktur yang terdiri dari fasa α-ferit dan sementit bergantung pada area batas diantara dua fasa. Area yang lebih besar, kekerasan dan kekuatan paduan karena (1) batas halangan gerak dislokasi, dan (2) fasa sementit membatasi deformasi fasa ferit dalam wilayah berdekatan ke fasa batas. Perlit halus lebih keras dan kuat dari perlit kasar karena perubahan lapisan ferit-sementit lebih tipis untuk perlit halus, dan karena itu, terdapat lebih area batas fasa. Batas fasa antara partikel bola sementit dan matriks ferit tak sebanyak pada spereodit dan perubahan lapisan mikrostruktur ditemukan pada perlit kasar.

7. Tentukan.

Penyelesaian :

8. Secara singkat jelaskan mengapa tidak terdapat wilayah transformasi bainit pada diagram transformasi dingin kontinu untuk paduan besi-karbon dari komposisi eutectoid.

Penyelesaian :

Tidak ada transformasi bainit pada diagram transformasi dingin kontinu untuk paduan besi-karbon dari komposisi eutectoid karena dengan waktu kurva dingin (cooling) telah melewati wilayah bainit, seluruh spesimen paduan akan ditransformasi ke perlit.

9. Secara singkat deskripsikan prosedur perlakuan panas dingin kontinu (continuous cooling) pada perubahan baja 4340 dari satu mikrostruktur ke lainnya.
(a) (Martensit + ferit + bainit) ke (martensit + ferit + perlit + bainit)
(b) (Martensit + ferit + bainit) ke spereodit
(c) (Martensit + bainit +ferit) ke martensit

Penyelesaian :

(a) Untuk mengkonversi dari (martensit + ferit + bainit) ke (martensit + ferit + perlit + bainit) diperlukan suhu di atas 720°C, memenuhi austenisasi secara komplit, maka dingin ke suhu kamar pada nilai antara 0,02 dan 0,006°C/s.

(b) Untuk mengkonversi (martensit + ferit + bainit) ke spereodit paduan harus dipanaskan sekitar suhu 700°C untuk beberapa jam.

(c) Untuk mengkonversi (martensit + bainit +ferit) ke martensit diperlukan suhu di atas 720°C, memenuhi austenisasi secara komplit, berikutnya dingin ke suhu kamar pada nilai lebih besar dari 8,3°C/s dan akhirnya perlakuan panas paduan secara isotermal di temperatur antara 400 dan 550°C selama sekitar 1 jam.

10. Urutkan paduan besi-karbon dan hubungkan dari terkeras sampai terlunak : (a) 0,25 wt% C dengan perlit kasar, (b) 0,80 wt% C dengan spereodit, 0,25 wt% C dengan spereodit, dan (d) 0,80 wt% C dengan perlit halus.

Penyelesaian :

Urutan untuk komposisi dan mikrostruktur berdasarkan kekerasannya, yaitu :

0,80 wt% C dengan perlit halus
0,80 wt% C dengan spereodit
0,25 wt% C dengan perlit kasar
0,25 wt% C dengan spereodit

0,25 wt% C dengan perlit kasar lebih keras daripada 0,25 wt% C dengan spereodit walaupun komposisi paduan keduanya sama. 0,80 wt% C dengan spereodit lebih keras daripada 0,25 wt% C dengan perlit kasar. 0,80 wt% C dengan perlit halus lebih keras daripada 0,80 wt% C dengan spereodit karena banyaknya fasa batas ferit-sementit  pada perlit halus.

11. Buatlah salinan diagram transformasi isotermal untuk 1,13 wt% C paduan besi-karbon berikutnya sketsalah dan labelkan waktu-suhu berdasarkan mikrostruktur :

(a) 6,2 % sementit proeutectoid dan 93,8 % perlit kasar

(b) 50 % perlit halus dan 50 % bainit

(c) 100 % martensit

(d) 100 % martensit kasar

Penyelesaian :

LASER GAS : LASER CO2

 Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)

Laser merupakan suatu alat yang dapat memancarkan cahaya mulai dari panjang gelombang inframerah yang paling jauh, daerah cahaya tampak, sampai pada daerah vakum ultraviolet serta daerah sinar-X. Cahaya yang dipancarkan oleh laser dihasilkan dari stimulasi emisi radiasi dari medium dalam laser. Emisi tersebut dikuatkan sehingga menghasilkan cahaya bersifat monokromatis (satu panjang gelombang), koheren, tearah, dan memiliki kecerahan (brightness) yang tinggi.

Tiap laser memiliki karakteristik masing-masing sehingga penggunaannya biasanya digunakan untuk keperluan praktis yang spesifik. Salah satu komponen penting dalam laser, yaitu medium laser. Medium laser mengandung atom-atom yang mempunyai tingkat energi metastabil yang dapat dieksitasi dengan menyerap energi dari luar. Medium ini dapat berupa zat padat, cair, gas, maupun semikonduktor. Laser biasanya ditentukan oleh jenis medium yang digunakan untuk penguatnya, seperti laser CO2 (laser yang menggunakan medium gas, yakni gas CO2).

Dalam paper ini, penulis tertarik untuk membahas mengenai salah satu jenis laser gas, yaitu laser CO2. Laser gas mampu memancarkan radiasi dengan panjang gelombang mulai dari ultraungu sampai dengan inframerah. Laser CO2 merupakan salah satu jenis laser yang umum digunakan. Laser ini adalah salah satu laser yang menghasilkan energi yang tinggi (energi yang dihasilkan lebih dari 100kW) dan salah satu laser yang efisien (slope efisiensinya dapat mencapai 30%). 

Pada laser ini, molekul CO2 berosilasi pada panjang gelombang daerah inframerah. Transisi yang penting terjadi diantara tingkat energi vibrasi dari molekul CO2. Laser CO2 merupakan laser yang beroperasi secara kontinu, pulsa, atau Q-switching. Bahkan dengan daya beberapa watt, laser CO2 mampu memancarkan sepersekian watt yang dapat memotong beberapa material. Laser CO2 saat ini banyak digunakan dalam pemotongan logam, bahan tenunan, dan pengelasan logam. Dalam paper ini, akan dibahas lebih lengkap mengenai laser CO2. Diharapkan dalam paper ini mampu memberikan pemahaman mendalam mengenai laser CO2.

Prinsip Dasar Molekul CO2

Untuk memahami bagaimana laser CO2 bekerja, kita perlu mengingat kembali mengenai spektrum rotasi dan vibrasi molekul CO2. Tiga buah atom dianggap sebagai suatu jaringan pada garis lurus, bagian luar atom O dengan atom karbon C pada bagian pusat. Terdapat tiga moda vibrasi dan dalam setiap moda pusat gravitasi dibuat tetap.

1. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1a, atom karbon berada tetap pada posisinya dan setiap atom oksigen dapat bervibrasi dalam arah berlawanan secara simetris terhadap atom karbon dalam garis lurus dan dikenal sebagai vibrasi dari moda simetris. Frekuensi yang sesuai disebut sebagai frekuensi peregangan simetris.
2. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, atom oksigen dan karbon bervibrasi pada sudut yang tepat terhadap garis yang melalui pusat gravitasi. Ini dikenal sebagai moda lentur (bending) dan frekuensi yang sesuai disebut frekuensi lentur.
3. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, dalam moda asimetris, dua atom oksigen bervibrasi menuju pusat atom karbon secara asimetris. Di saat yang sama, atom karbon juga bervibrasi dari posisinya. Frekuensi yang sesuai disebut sebagai frekuensi peregangan asimetris.

Sebagai tambahan dari ketiga moda vibrasi di atas, bahwa molekul juga dapat berotasi. Oleh karena itu, tingkat energi rotasi terkuantisasi juga memungkinkan. Setiap tingkat energi rotasi berhubungan dengan setiap tingkat energi vibrasinya.

Karakteristik Laser CO2

Laser CO2 merupakan salah satu jenis laser gas yang paling umum. Laser ini ditemukan oleh Kumar Patel pada tahun 1964.  Untuk membentuknya, digunakan medium yang merupakan campuran gas helium (He), nitrogen (N2), dan karbon dioksida (CO2) dalam sebuah tabung. Beberapa jenis laser CO2 juga memerlukan sejumlah kecil CO, H2 atau Xe dalam campuran laser gas. Komposisi campuran laser gas yang bervariasi tergantung pada jenis laser (laser type), daya (power), dan pabrikan (manufacturer). Laser gas biasanya diberikan dalam tabung gas yang terpisah atau tabung gas tunggal.

Pengotor (impurity) dalam campuran laser gas dapat mengurangi kinerja laser CO2, yaitu menurunkan daya output, membuat debit listrik yang tidak stabil atau meningkatkan konsumsi laser gas. Selanjutnya, pengotor akan memengaruhi sifat optik internal, misalnya  dengan membentuk kondensasi pada optik dan mengubah reflektifitasnya. Akibatnya, proporsi yang lebih tinggi dari sinar laser diserap oleh optik yang kemudian menyebabkan kerusakan. Untungnya, proses ini dimulai sangat lambat dan dapat dikompensasikan sampai batas tertentu dengan mengubah pengaturannya. Selama beberapa tahun, diketahui fakta bahwa uap air dan hidrokarbon adalah pengotor yang paling merugikan untuk laser daya tinggi. Maka, jumlah uap air dan hidrokarbon dalam laser gas harus diminimalkan.

Laser CO2 berosilasi pada panjang gelombang 10,6μm dalam daerah inframerah. Laser CO2 sebenarnya juga dapat bekerja dengan output 9,6μm tetapi umumnya tidak banyak digunakan. Divergensi cahaya dari laser CO2 mempunyai jarak 1 sampai 10 mili radian. Lebar cahaya bervariasi dari 3 mm untuk laser berdaya rendah sampai 100mm untuk laser berdaya tinggi. 

Laser CO2 dapat beroperasi baik dengan moda CW (Continue Wave) atau pulsa umumnya. Output daya gelombang kontinu (CW) dapat melebihi 15.000Watt. Dalam moda pulsa, puncak output daya dapat mencapai jutaan Watt. Ini menunjukkan laser CO2 menyediakan keluaran daya yang tinggi dan terus menerus. Laser CO2 juga memiliki konversi efisiensi mencapai 20% dan kerapatan daya yang rendah. Selain itu, laser ini memerlukan waktu operasi yang relatif singkat sehingga menjadikannya sebagai jenis laser yang paling menjanjikan dalam proses produksi. Frekuensi pengoperasian untuk laser CO2 secara normal sekitar 10% tetapi secara teori dapat lebih besar dari itu.

Konstruksi Laser CO2

Ciri khusus laser CO2 adalah kebergantungannya dengan daya radiasi, yaitu daya output pada diameter tabung. Daya output dapat ditingkatkan dengan memperbesar diameter tabung. Dalam laser CO2 yang berdaya tinggi, panjang dari tabung debit adalah beberapa meter dan diameternya beberapa sentimeter yang ditunjukkan pada Gambar. 2.

Konstruksi laser molekul gas sederhana dan output dari lasernya adalah kontinu. Dalam laser molekul gas, osilasi laser dicapai saat transisi antara tingkat vibrasi dan rotasi molekul.  Laser ini didukung dengan suplai frekuensi AC sebanyak 50 siklus atau suplai DC. Agar mendapatkan output daya yang tinggi, sebuah cermin logam emas dipakai untuk pantulan (refleksi) yang tepat. Efisiensi laser CO2 adalah sekitar 30%. Campuran gas dapat dipompa baik secara longitudinal atau transversal ke dalam tabung debit gas.

Laser gas CO2 dikonstruksi dengan berbagai konfigurasi. Setiap konfigurasi terdapat cara khusus dimana gas mengalir dalam tabung. Konfigurasi penting laser CO2, meliputi : 

1. Desain tabung tertutup (sealed tube design)

Dalam desain ini gas tertutup dalam tabung kaca. Konfigurasi laser ini dapat dipompa baik dengan metode eksitasi DC atau RF (Radio Frequency). Jika eksitasi DC digunakan dalam laser CO2 tabung tertutup akan terlihat seperti konstruksi laser gas He-Ne, tetapi ini dibutuhkan untuk mempunyai laser dengan sistem pendingin yang baik. Jika eksitasi RF yang digunakan dalam laser CO2 tabung tertutup kemudian daya pemompa diberikan oleh penyuplai daya RF. Energinya bertambah pada laser yang menggunakan transformator bertara (matching transformator), didesain untuk transfer daya maksimum. Output dari penyuplai RF bertambah dengan banyaknya jumlah elektroda yang terdapat di sekitar tabung laser. Energi RF diserap dengan kenaikan temperatur yang sangat kecil.

2. Desain aliran transversal (transverse flow design)

Disini blower menyebarkan gas CO2 bertekanan rendah di sekitar bagian dalam tabung laser. Aliran arus yang melalui tabung tegak lurus dengan pergerakan gas. Rongga optik tegak lurus baik dengan pergerakan gas maupun aliran arus. Ketika gas (bergerak dengan kecepatan tinggi) mengalir di sekitar bagian dalam tabung, kemudian gas akan keluar melalui heat exchanger. Metode pendingin ini mengijinkan jenis laser mencapai daya tinggi per satuan panjang gas (power per unit length of the gas). Kekurangan laser aliran transversal adalah rongga optik yang pendek dan tebal. Rongga dalam bentuk ini agak menyerupai sinar multimoda (multimode beams) daripada cahaya TEM00.

3. Desain TEA (TEA design)

Desain TEA (Transverse Excitation at Atmospheric-pressure) dianggap sebagai variasi dari desain aliran transversal. Dengan desain ini gas yang mengalir melalui bagian dalam tabung dipertahankan mendekati tekanan atmosfer. Kerapatan tinggi gas memungkinkan secara ekstrim ouput daya yang tinggi, tetapi ini sangat sulit untuk mempertahankan ionisasi gas ketika gas berada dalam tekanan tinggi. Secara umum tegangan yang dibutuhkan untuk mempertahankan jenis operasi ini secara ekstrim besar, maka dari itu desain TEA hanyak dapat dioperasikan dalam moda pulsa. Yang perlu diingat bahwa diameter cahaya untuk jenis laser ini bervariasi dari 5 sampai 10mm dan divergensi cahaya secara khas 1 sampai 2mm dengan efisiensi bervariasi dari 1 sampai 10%.

Prinsip Kerja Laser CO2

Lasor CO2 secara umum menggunakan dua gas tambahan, yaitu N2 (nitrogen) dan He (helium). Nitrogen berperan seperti He dalam laser He-Ne. Molekul nitrogen menuju ke dalam keadaan eksitasi dikarenakan tumbukan pertama dengan elektron.

Eksitsasi atom N2 kemudian mengalami tumbukan kedua dan membuat molekul CO2 tereksitasi.

Frekuensi laser CO2 dapat digambarkan dalam diagram tingkat energi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6.

Ketika tingkat energi 001 dari CO2 sangat dekat dengan tingkat eksitasi atom N2, populasi tingkat energi 001 dari CO2 meningkat secara cepat dibanding tingkat energi terendah lainnya yaitu 100 atau 010. Dengan demikian, populasi inversi antara tingkat 001 dan tingkat terendah 020 dan 100 akan tercapai menghasilkan radiasi output 9,6 dan 10,6μm.

Karena berbagai faktor, transisi yang paling kuat pada laser CO2 dalam temperatur operasi normal terjadi pada 10,6μm. Temperatur operasi berperan penting dalam menentukan daya output laser. Kontaminasi dari karbon monoksida dan oksigen akan juga mempunyai beberapa dampak pada kinerja laser. Gas-gas yang tidak terpakai harus dipompa keluar dan CO2 baru harus dimasukkan ke dalam. Temperatur dapat diturunkan dengan mempersempit diameter tabung dan juga penambahan helium pada campuran N2 dan He. Helium tidak hanya meningkatkan konduktivitas panas pada dinding tabung, tetapi juga menurunkan populasi pada tingkat terendah. Daya output yang dihasilkan dari laser ini adalah 10kW.

Kekurangan dan Kelebihan Laser CO2

Kekurangan laser CO2 yaitu.

1. Beberapa laser CO2 mempunyai kerugian dari rongga optik yang pendek dan tebal.
2. Sistem pendingin (cooling system) dalam beberapa konfigurasi juga merugikan.
3. Dalam desain laser TEA CO2 ini sulit untuk mempertahankan ionisasi dalam gas.
4. Laser CO2 berbahaya karena laser ini memancarkan cahaya dalam daerah inframerah dan daerah gelombang mikro dari spektrum gelombang. Radiasi inframerah akan menghasilkan panas dan laser ini akan melelehkan benda-benda yang menjadi sasarannya sehingga penggunaanya tidak bisa sembarangan.

Kelebihan laser CO2 yaitu.

1. Laser CO2 berdaya tinggi yang ditemukan dapat menghasilkan daya hingga 15.000W.
2. Laser gas CO2 merupakan laser serbaguna dan tersedia dalam banyak konfigurasi.
3. Efisiensi laser gas CO2 (10% atau lebih besar) mengalahkan laser He-Ne dan Argon.
4. Laser CO2 telah menjadi suatu alat untuk pemrosesan industri karena biayanya yang rendah (dibawah $100 per watt). 
5. Output pulsa dapat dihasilkan dari laser TEA CO2, membuatnya lebih efisien.
6. Lebar bentuk gelombang (waveform) outputnya bervariasi.
7. Daya serap yang tinggi dari ouput panjang gelombangnya untuk berbagai material, seperti keramik, oksida, plastik, kaca (glass), dan lainnya.
8. Ukuran kecil per watt dari daya output.

Aplikasi Laser CO2

Laser CO2 merupakan salah satu jenis laser yang paling berguna dan efisien yang telah ditemukan sampai sekarang. Aplikasinya dapat meliputi.

1. Untuk tingkat daya laser gas CO2 tinggi, laser CO2 biasanya digunakan dalam bidang industri untuk tujuan pengelasan dan pemotongan. Sedangkan laser CO2 berdaya rendah biasanya digunakan untuk pengukiran (engraving).
2. Laser CO2 digunakan dalam proses SILEX (Separation of Isotopes by Laser Excitation) untuk memperkaya (enrich) uranium. Dalam proses ini, ditunjukkan aliran dingin campuran molekul Heksafluorida Uranium (UF6) dan gas pembawa (carrier) terhadap energi dari laser pulsa.
3. Dalam bidang kemiliteran, digunakan dalam teknik LIDAR (Light Detection and Ranging). LIDAR merupakan teknologi penginderaan jauh yang mengukur jarak jarak dengan menyinari target dengan laser dan menganalisa cahaya yang dipantulkan.
4. Laser CO2 digunakan dalam bidang medis. Laser CO2 bertindak sebagai alat bedah dalam ruang operasi.

Kesimpulan

Dari paper di atas, maka dapat disimpulkan yaitu

1. Laser gas mampu memancarkan radiasi dengan panjang gelombang mulai dari ultraungu sampai dengan inframerah.
2. Pada laser CO2 umumnya digunakan medium yang merupakan campuran gas karbon dioksida (CO2) helium (He), dan nitrogen (N2) dalam sebuah tabung.
3. Laser CO2 berosilasi pada panjang gelombang 10,6μm dalam daerah inframerah dan beroperasi baik secara kontinu, pulsa, atau Q-switching.
4. Laser CO2 bekerja ditandai dengan adanya transisi di tingkat rotasi dan vibrasi molekul CO2.
5. Laser CO2 adalah laser yang paling banyak digunakan untuk pengolahan bahan, seperti pemotongan, pengelasan, dan perlakuan permukaan (surface treatment).

Daftar Pustaka

Cheo, P.K. 1971. CO2 Lasers. New Jersey : Bell Telephone Laboratories, Inc.

Rajendran V. 2009. Engineering Physics. New Delhi : The McGraw – Hill Companies.

http://www.daenotes.com/electronics/microwave-radar/co2-gas-laser

http://www.laserk.com/newsletters/whiteCO.html

https://www.rp-photonics.com/co2_lasers.html