KimintekHijau.com: “Apa Itu Termodinamika?”

“Apa Itu Termodinamika?”

Oleh : Yanuar Yovan Timothy (@W17-YANUAR)

Pendahuluan

Jadi, ilmu ini menggambarkan usaha untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses.

Selain itu, Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu Fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan Termodinamika bisa terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri, adalah peristiwa Termodinamika yang paling dekat dengan kehidupan sehari-hari.

Prinsip Termodinamika

Prinsip termodinamika sebenarnya yaitu hal alami yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, termodinamika direkayasa sedemikian rupa sehingga menjadi suatu bentuk mekanisme yang bisa membantu manusia dalam kegiatannya. Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena adanya perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17. Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik yakni perilaku umum partikel zat yang menjadi media pembawa energi.

Sistem Termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

1.Sistem tertutup

Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

Pembatas Adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas

Pembatas Rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

2.Sistem terisolasi

Tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

3.Sistem terbuka

Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

PENJELASAN KALOR

1. Pengertian kalor yaitu bentuk energi yang berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah ketika benda bersentuhan.

2. Satuan kalor menurut SI atau MKS yaitu joule ( J ) sedang menurut cgs yaitu erg adapun untuk jenis makanan yaitu kalori.

3. Tara Kalor Mekanik yaitu ” penyetaraan satuan energi kalor dengan energi mekanik ”

1 kalori = 4,2 joule ; 1 joule = 0,24 kalori

1 kkal (kilokalori) = 1000 kal ( kalori ) = 4200 joule = 4,2 kj (kilojoule)

4. Kalor dapat menaikkan atau menurunkan suhu.Semakinbesar kenaikan suhu maka kalor yang diterima semakin banyak.Semakin kecil kenaikan suhu maka kalor yang diterima semakin sedikit. Maka hubungan kalor (Q) berbanding lurus atau sebanding dengan kenaikan suhu (∆ T) jika massa (m) dan kalor jenis zat (c) tetap.

5. Semakin besar massa zat (m) maka kalor (Q) yang diterimasemakin banyak. Semakin kecil massa zat (m) maka kalor (Q) yang diterima semakin sedikit. Maka hubungan kalor (Q)berbanding lurus atau sebanding dengan massa zat (m) jika kenaikan suhu (∆ T) dan kalor jenis zat (c) tetap.

6. Semakin besar kalor jenis zat (c) maka kalor (Q) yang diterimasemakin banyak. Semakin kecil kalor jenis zat (c) maka kalor (Q) yang diterima semakin sedikit. Maka hubungan kalor (Q)berbanding lurus atau sebanding dengan kalor jenis zat (c) jika kenaikan suhu (∆ T) dan massa zat (m) tetap.

7. Kalor jenis zat (c) yaitu banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 °C.

8. Persamaan energi kalor yaitu : Q = m c ∆T

Keterangan :

Q = banyaknya kalor satuan joule (J)

c = kalor jenis zat satuan J / kg °C

m = massa zat satuan kg

∆ T = perubahan suhu satuan °C

FUNGSI ENERGI INTERNAL

Fungsi energi internal atau energi dalam (U) merupakan fungsi keadaan suatu sistem. Perubahan energi dalam suatu sistem akan meningkat sebanding dengan jumlah kalor yang ditambahkan pada suatu sistem. Banyaknya fungsi koordinat termodinamik (P,V,) sama dengan energi yang diperlukan untuk melakukan keadaan suatu sistem. Jadi energi internal dapat dikatakan sebagai fungsi dari dua koordinat termodinamika. Misalnya di dalam sistem termodinamika, terdapat tiga fungsi koordinat termodinamika P, V, . Apabila diukur maka akan ada satu variable yang kehilangan kebebasannya. Jadi pengukuran hanya ditentukan oleh dua koordinat saja, sehingga yang ketiga itu ditentukan oleh persamaan keadaan. Contohnya, ketika mengukur nilai V dengan P dan nilainya sembarang. Maka V merupakan variable terikat, sedangkan P dan T variable bebas. Apabila koordinat yang dipakai untuk menghitung kedua keadaan hanya berbeda infinitesimal, maka perubahan energi dalamnya adalah dU. Infinitesimal yaitu perubahan keadaan yang sangat kecil sehingga tidak boleh diukur.

Hukum I Termodinamika

“untuk setiap proses apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ΔU = Q – W”.

Dimana U menunjukkan sifat dari sebuah sistem, sedangkan W dan Q tidak. W dan Q bukan fungsi Variabel keadaan, tetapi termasuk dalam proses termodinamika yang bisa merubah keadaan. U merupakan fungsi variabel keadaan (P,V,T,n). W bertanda positif bila sistem melakukan usaha terhadap lingkungan dan negatif jika menerima usaha lingkungan.

Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan dan negatif jika melepas kalor pada lingkungan. Perubahan energi dari sebuah sistem hanya tergantung pada transfer panas ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem dan tidak bergantung pada proses yang terjadi. Pada hukum ini tidak ada petunjuk adanya arah perubahan dan batasan-batasan lain.

Rumus Hukum Termodinamika 1

Secara matematis hukum I termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut:

Q = ∆U+W

Dengan ketentuan, jika:
Q(+) → sistem menerima kalor
OR → sistem melepas kalor
W(+) → sistem melakukan usaha
W(-) → sistem dikenai usaha
∆U(+) → terjadi penambahan energi dalam
∆U(-) → terjadi penurunan energi dalam

ΔU = Q − W

Keterangan :
ΔU = perubahan energi dalam (joule)
Q = kalor (joule)
W = usaha (joule)

Proses-proses
Isobaris → tekanan tetap
Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0
Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0
Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0
Siklus → daur → ΔU = 0

Persamaan Keadaan Gas

Hukum Gay-Lussac
Tekanan tetap → V/T = Konstan → V1/T1 = V2/T2

Hukum Charles
Volume tetap → P/T = Konstan → P1/T1 = P2/T2

Hukum Boyle
Suhu tetap → PV = Konstan → P1V1 = P2V2

P, V, T Berubah (non adiabatis)
(P1V1) / (T1) = (P2V2) / (T2)

Adiabatis
P1V1 γ= P2V2γ
T1V1 γ − 1= T2V2γ − 1
γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = Cp/Cv

Usaha
W = P(ΔV) → Isobaris
W = 0 → Isokhoris
W = nRT ln (V2 / V1) → Isotermis
W = − 3/2 nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik)

Keterangan :
T = suhu (Kelvin, jangan Celcius)
P = tekanan (Pa = N/m2)
V = volume (m3)
n = jumlah mol
1 liter = 10−3m3
1 atm = 105 Pa ( atau ikut soal!)
Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693

Mesin Carnot
η = ( 1 − Tr / Tt ) x 100 %
η = ( W / Q1 ) x 100%
W = Q1 − Q2

Keterangan :
η = efisiensi mesin Carnot (%)
Tr = suhu reservoir rendah (Kelvin)
Tt = suhu reservoir tinggi (Kelvin)
W = usaha (joule)
Q1 = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)
Q2 = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

Hukum II Termodinamika

Memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi. Hukum Kekekalan Energi yang dinyatakan dalam Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa energi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Misalnya, perubahan usaha (energi potensial) menjadi energi kalor atau sebaliknya. Akan tetapi, tidak semua perubahan energi yang terjadi di alam ini prosesnya dapat dibalik seperti pada Hukum I Termodinamika. Contoh, sebuah benda yang jatuh dari ketinggian h sehingga menumbuk lantai. Pada peristiwa ini terjadi perubahan energi kinetik menjadi energi kalor (panas) dan sebagian kecil menjadi energi bunyi. Mungkinkah energi-energi kalor dapat berubah menjadi energi kinetik dan menggerakkan benda setinggi h? Jelas bahwa hal ini akan terjadi, meskipun benda kita panaskan terus-menerus.

Bagan transfer kalor pada mesin pemanas

Hukum II Termodinamika Memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan.

Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck).

Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).

Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).

Bunyi Hukum II Termodinamika

Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas para ilmuwan merumuskan prinsip baru, yaitu Hukum II Termodinamika, dengan pernyataan : “kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas”.

Pengertian Entropi

Termodinamika menyatakan bahwa proses alami cenderung bergerak menuju ke keadaan ketidakteraturan yang lebih besar. Ukuran ketidakteraturan ini dikenal dengan sistem entropi. Entropi merupakan besaran termodinamika yang menyerupai perubahan setiap keadaan, dari keadaan awal hingga keadaan akhir sistem. Semakin tinggi entropi suatu sistem menunjukkan sistem semakin tidak teratur. Entropi sama seperti halnya tekanan dan temperatur, yang merupakan salah satu sifat dari sifat fisis yang dapat diukur dari sebuah sistem. Apabila sejumlah kalor Q diberikan pada suatu sistem dengan proses reversibel pada suhu konstan, maka besarnya perubahan entropi sistem adalah :

$\Delta S=\frac{Q}{T}$

dengan:

ΔS = perubahan entropi ( J/K)
Q = kalor ( J)
T = suhu (K)

Mesin Pendingin

Mesin pendingin merupakan peralatan yang prinsip kerjanya berkebalikan dengan mesin kalor. Pada mesin pendingin terjadi aliran kalor dari reservoir bersuhu rendah ke reservoir bersuhu tinggi dengan melakukan usaha pada sistem. Contohnya, pada lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (AC). Bagan mesin pendingin dapat dilihat pada gambar berikut.

Bagan proses penyerapan kalor pada mesin pendingin

Ukuran kinerja mesin pendingin yang dinyatakan dengan koefisien daya guna merupakan hasil bagi kalor yang dipindahkan dari reservoir bersuhu rendah Q2 terhadap usaha yang dibutuhkan W.

$K_{P}=\frac{Q_{2}}{W}=\frac{Q_{2}}{Q_{1}-Q_{2}}=\frac{T_{2}}{T_{1}-T_{2}}$

dengan:

Kp = koefisien daya guna
W = usaha yang diperlukan ( J)
Q1 = kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi ( J)
Q2 = kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah ( J)
T1 = suhu pada reservoir bersuhu tinggi (K)
T2 = suhu pada reservoir bersuhu rendah (K)

Penerapan hukum II termodinamika dapat diamati pada proses mengalirnya kalor pada mesin pemanas seperti ditunjukan pada gambar berikut.