Termodinamika

Ilmu termodinamika ini mempelajari pertukaran energi pada bentuk kalor serta kerja serta sistem pembatas dan juga lingkungan.

Penerapan dari cara kerja termodinamika dapat kalian lihat pada kehidupan sehari – hari seperti meniup kopi panas, tubuh manusia, mobil, perkakas elektronik, pembangkit listrik dan industri.

Berikut ini akan kami bahas selengkapnya terkait termodinamika, simak baik – baik ya.

Pengertian Termodinamika

Secara bahasa, termodinamika asalnya dari bahasa Yunani “thermos” yang berarti panas serta “dynamic” yang berarti perubahan.

Ini adalah suatu ilmu yang menunjukan upaya dalam mengubah kalor (perpindahan energi yang dikarenakan perbedaan suhu) menjadi energi dan sifat – sifat pendukungnya.

Termodinamika ini memiliki kaitan yang sangat erat dengan fisika energi, kerja, panas, kespontanan proses, entropi, serta mekanika statik.

Prinsip – Prinsip Termodinamika

Gambar 1 dibawah menunjukan penerapan prinsip termodinamika yang meliputi Mekanika, Panas, dan Kalkulus Diferensial.

Gambar 2 menggambarkan jika penyelesaian sebuah masalah secara termodinamika dikerjakan lewat beberapa tahapan.

Keterangan:

1. Formulasi Problem ke dalam Besaran dan Bentuk Termodinamika.

Hal tersebut disebut dengan mengubah bahasa ke dalam problem ke dalam bahasa termodinamika, lalu merumuskannya dengan memakai berbagai besaran termodinamika.

2. Evaluasi Sifat & Fungsi Termodinamika.

Artinya mengerjakan analisis pada formulasi yang sudah disusun di langkah pertama (1).

Tahap satu ini memerlukan pemahaman pengetahuan termodinamika yang memadai supaya tidak terjadi adanya kesalahan persepsi pada arah / tujuan masalah tersebut.

3. Penyelesaian Problem Termodinamika.

Dalam tahap ini diperlukan dukungan pengetahuan matematika atau kalkulus (diferensial, integral) sehingga bisa mendapatkan jawaban yang valid atau dapat dipertanggungjawabkan.

Ketiga langkah untuk menyelesaikan termodinamika di atas harus berpijak dengan dalil / kaidah pada termodinamika.

Sehingga dapat disimpulkan:

Prinsip termodinamika adalah suatu hal alami yang berlangsung di dalam kehidupan sehari – hari. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan & teknologi, termodinamika ini direkayasa sedemikian rupa sehingga menjadi sebuah wujud mekanisme yang dapat membantu manusia pada aktivitasnya.

Penerapan termodinamika yang sangat luas dimungkinkan sebab adanya perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17.

Pengembangan ilmu termodinamika ini diawali dengan adanya pendekatan makroskopik yaitu perilaku umum partikel zat yang menjadi sarana pembawa energi.

Sistem Termodinamika

Sistem termodinamika merupakan suatu bagian dari jagat raya yang juga turut diperhitungkan.

Suatu batasan yang nyata maupun imajinasi memisahkan suatu sistem dengan jagat raya, yang disebut sebagai lingkungan.

Pengelompokan dari sistem termodinamika dilihat dari:

• Sifat batas sistem-lingkungan, dan
• Perpindahan materi, kalor serta entropi antara sistem dan lingkungan.

Sementara berdasarkan jenis pertukaran yang berlangsung antara sistem dan lingkungan, sistem termodinamika terbagi menjadi tiga jenis, antara lain:

1. Sistem Terisolasi

Tidak terjadi adanya pertukaran panas, benda maupun kerja dengan lingkungan.

Contoh sistem terisolasi: Wadah terisolasi (tabung gas terisolasi).

2. Sistem Tertutup

Terjadi adanya pertukaran energi (panas serta kerja) namun tidak ada pertukaran benda dengan lingkungan.

Contoh sistem tertutup: Rumah hijau, sebab disana terjadi pertukaran panas namun tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.

Untuk mempertimbahan apakah sebuah sistem terjadi pertukaran panas, kerja maupun keduanya, maka ada dua sifat pembatasnya, yaitu:

• Pembatas adiabatik: Tidak dapat terjadi pertukaran panas.
• Pembatas rigid: Tidak dapat terjadi pertukaran kerja.

3. Sistem Terbuka

Berlangsung pertukaran energi (panas serta kerja) dan benda yang berada di lingkungannya.

Suatu pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut sebagai permeabel.

Contoh sistem terbuka: Samudra.

Pada kenyataan, suatu sistem tidak bisa terisolasi dengan sepenuhnya dari lingkungan, sebab pasti ada terjadi sedikit pencampuran, walaupun hanya menerima sedikit penarikan gravitasi.

Pada analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke dalam sistem sama dengan energi yang keluar dari dalam sistem.

Keadaan Termodinamika

Pada saat sistem dalam kondisi yang seimbang pada kondisi yang ditentukan, hal tersebut disebut sebagai kondisi pasti (atau keadaan sistem).

Dalam keadaan termodinamika tertentu, banyak terdapat sifat dari sistem yang dispesifikasikan.

Fungsi keadaan dari sistem merupakan properti yang tak tergantung pada jalur dimana sistem tersebut membentuk keadaan tersebut.

Bagian berikutnya pada seksi ini hanya akan mempertimbangkan properti yang menjadi fungsi keadaan.

Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan dalam menerangkan kondisi dari suatu sistem tertentu ditentukan oleh adanya Hukum fase Gibbs. Pada umumnya, seseorang yang berhadapan pada properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal itu.

Pengembangan hubungan diantara properti dari kondisi yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan merupakan contoh dari hubungan tersebut.

Hukum Dasar Termodinamika

Hukum termodinamika ada 4, yakni Hukum 0 Termodinamika, Hukum I Termodinamika, Hukum II Termodinamika, serta Hukum III Termodinamika.

Berikut penjelasannya:

1. Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum awal menyebutkan bahwa dua sistem di dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya ada dalam kondisi saling setimbang antara satu dengan yang lainnya.

2. Hukum Pertama Termodinamika

Berbunyi:

“Energi tidak bisa diciptakan maupun dimusnahkan, melainkan hanya dapat diubah bentuknya saja.”

Bunyi hukum di atas berkaitan erat dengan kasus kekekalan energi.

Hukum tersebut menyebutkan perubahan energi dalam dari sebuah sistem termodinamika tertutup, sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disalurkan menuju dalam sistem serta kerja yang dikerjakan pada sistem.

Hukum satu ini bisa dijabarkan ke dalam beberapa proses seperti:

• Isobarik (Tekanan tetap / konstan)
• Isokhorik (Volume tetap / konstan)
• Isotermik (Suhu tetap /  konstan)
• Adiabatik (sistem diisolasi supaya tidak terdapat kalor yang keluar atau masuk atau tidak mengalami pertukaran kalor).

Adapun rumus atau formula untuk hukum ini, yaitu:

Q = W + ∆U

Keterangan:

• Q = Kalor atau panas yang diterima / dilepas (J).
• W = Energi / usaha (J).
• ∆U = Perubahan energi dalam (J).

Untuk rumus di atas, kalian harus mengetahui aturan nilai positif serta negatif berikut ini:

• Q bertanda positif (+) apabila sistem menyerap kalor, negatif (-) apabila sistem melepas kalor.
• W bertanda positif (+) apabila sistem mengerjakan kerja, negatif (-) apabila sistem diberikan kerja.
• ΔU bertanda positif (+) apabila sistem mengalami kenaikan suhu, negatif (-) apabila sistem mengalami penurunan suhu.

3. Hukum Kedua Termodinamika

Hukum kedua ini berkaitan dengan entropi.

Tidak ada bunyi dalam hukum kedua, namun ada pernyataan kenyataan eksperimental yang diterbitkan oleh kelvin-plank serta clausius, yaitu:

a. Pernyataan Clausius

Tidak mungkin sebuah sistem apa pun bekerja sedemikian rupa sehingga hasil satu – satunya berupa perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu menuju sistem dengan temperatur yang lebih tinggi.

b. Pernyataan Kelvin-Planck

Tidak mungkin sebuah sistem berjalan pada siklus termodinamika serta memberikan sejumlah netto kerja ke sekeliling sembari menerima energi panas dari sebuah reservoir termal.

Prinsip kenaikan entropi menyatakan total entropi dari sebuah sistem termodinamika terisolasi cenderung meningkat seiring dengan meningkatnya waktu dan mendekati nilai maksimumnya.

Korolari untuk kedua pernyataan di atas yaitu:

• Analisis Hukum kedua termodinamika untuk proses dengan menggunakan sifat entropi.
• Sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran J., Shapiro N.M. – 6th ed. – 2007 – Wiley) Bab.

4. Hukum Ketiga Termodinamika

Hukum ketiga ini berkaitan dengan temperatur nol absolut.

Hukum satu ini menyatakan jika pada waktu sebuah sistem meraih temperatur nol absolut, maka seluruh proses akan berhenti serta entropi sistem akan mendekati nilai minimum.

Pada hukum ketiga ini juga menyatakan jika entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut, maka nilainya nol.

Contoh Soal

Untuk memahami uraian di atas, berikut kami sajikan contoh soal termodinamika yang dapat kalian pelajari, yaitu: