Kaidah-kaidah dalam Termodinamika

 

Pengertian dan Penerapan Termodinamika

Oleh: Agustinus Kukuh

@W15-AGUSTINUS

 

Abstrak

Termodinamika termasuk cabang ilmu yang mempelajari suatu pertukaran energi di dalam bentuk kalor serta kerja, sistem pembatas dan juga lingkungan. Aplikasi serta penerapan Termodinamika ini kemudian bisa terjadi pada tubuh manusia, seperti pada peristiwa atau kejadian dalam meniup kopi panas,  Refrigerator, perkakas elektronik, mobil, pembangkit listrik serta juga industri, ini merupakan peristiwa Termodinamika yang paling sering ditemui kehidupan sehari-hari.

Dalam pengertian lain, termodinamika berkaitan dengan perpindahan energi dari satu tempat ke tempat lain dan dari satu bentuk ke bentuk lain.  Konsep utamanya adalah bahwa kalor merupakan suatu bentuk energi yang sesuai dengan jumlah kerja mekanis tertentu.

Pendahuluan

Termodinamika adalah kajian mengenai hubungan,panas, kerja, dan energy dan secara khusus perubahan panas menjadi kerja. Hukum termodinamika pertama dan kedua dirumuskan pada abad ke-19 oleh para ilmuan mengenai peningkatan efisiensi mesin uap. Hukum termodinamika telah berhasil diterapkan dalam penelitian tentang proses kimia dan fisika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika berkenaan dengan proses alami atau proses spontan dimana fungsi yang memprediksi kespontanan reaksi ialah entropi, yang merupakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Hukum kedua ini menyatakan bahwa untuk proses spontan, perubahan entropi semesta haruslah positif. Sedangkan hukum ketiga termodinamika memungkinkan untuk menentukan nilai entropi mutlak. (Chang, 2002: 165).

Pembahasan

Pengertian Termodinamika

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani thermos yang berarti panas dan dynamic yang berarti perubahan.Termodinamika dapat diartikan sebagai ilmu yang berkaitan dengan energi, temperatur, kalor, dan kerja.

Pengertian Termodinamika ini ialah ilmu yang menggambarkan/mengilustrasikan suatu usaha di dalam mengubah kalor (yakni suatu perpindahan energi yang disebabkan oleh karna adanya perbedaan suhu) menjadi energi serta juga sifat pendukungnya. Termodinamika ini berhubungan erat dengan fisika energi, kerja, panas, entropi serta juga kespontanan proses.

Hukum Termodinamika

Prinsip - prinsip termodinamika dapat dirangkum menjadi 3 hukum yaitu hukum ke nol Termodinamika yang menjelaskan tentang kesetimbangan termal, hukum I Termodinamika yang merupakan pernyataan hukum kekekalan energy, dan hukum II termodinamika yang memberikan batasan tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi dan prinsip peningkatan entropi. Prinsip-prinsip dan metode-metode termodinamika digunakan untuk menjelaskan kerja beberapa system, menjelaskan mengapa suatu system tertentu tidak bekerja seperti yang diinginkan, menjelaskan mengapa suatu system sama sekali tidak mungkin bekerja, serta digunakan untuk merencanakan system atau mesin-mesin, seperti motor bakar.

Dalam termodinamika terdapat hukum-hukum dasar yang berlaku, yaitu :

a. Hukum Awal Termodinamika (The Zeroth Law of Thermodynamics)

Hukum awal termodinamika menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiga sistem tersebut saling setimbang satu dengan yang lainnya. Jika sistem A berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem C dan sistem B juga dalam kesetimbangan termal dengan sistem C, maka sistem A dan B berada dalam kesetimbangan satu sama lain.

b. Hukum pertama thermodinamika

Hukum pertama termodinamika juga dikenal sebagai hukum konservasi energi atau hukum kekekalan energi yang menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya dapat ditransfer atau diubah menjadi satu bentuk ke bentuk lainnya. Peningkatan total energi suatu sistem sama dengan peningkatan energi termal ditambah kerja yang dilakukan pada sistem tersebut.

 

c. Hukum kedua thermodinamika

Hukum kedua termodinamika menegaskan bahwa energi memiliki kualitas maupun kuantitas, dan proses aktual yang terjadi dalam arah penurunan kualitas energi. Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa keadaan entropi seluruh alam semesta sebagai sistem yang terisolasi, akan selalu meningkat seiring waktu. Terdapat dua pernyataan terkait hukum kedua termodinamika :

Pernyataan Kelvin-Planck, “tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja kesekeliling dengan menerima energi panas dari satu reservoir termal”.

Pernyataan Clausius, “tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa, sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu ke sistem dengan temperatur yang lebih tinggi”.

 

d. Hukum ke tiga thermodinamika

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa entropi suatu sistem mendekati nilai konstan ketika suhu mendekati nol absolut. Entropi sistem pada nol absolut biasanya nol dan dalam semua kasus hanya ditentukan oleh jumlah status dasar yang dimilikinya. Secara khusus, entropi zat kristal murni (urutan sempurna) pada suhu nol mutlak adalah nol. Pernyataan ini benar jika kristal sempurna hanya memiliki satu keadaan dengan energi minimum.

Hukum ketiga berarti beberapa hal, dan sekali lagi semua formulasi ini menghasilkan hasil yang sama tergantung pada seberapa banyak kita memperhitungkan:

Rumus 3 mengandung batasan terkecil, hanya menyatakan bahwa entropi menuju ke sebuah konstanta. Faktanya, konstanta ini adalah entropi nol (seperti yang dinyatakan dalam rumus 2). Namun, karena batasan kuantum pada sistem fisik mana pun, ia akan runtuh ke keadaan kuantum terendahnya tetapi tidak pernah dapat secara sempurna mereduksi menjadi 0 entropi, oleh karena itu tidak mungkin untuk mengurangi sistem fisik menjadi nol absolut dalam sejumlah langkah terbatas (yang mana menghasilkan kami formulasi 1).

Proses Termodinamika

Proses termodinamika tersebut terbagi menjadi empat macam, tergantung dari keadaan dari tekanan, volume, serta  suhu di saat terjadinya proses tersebut. Proses ini umumnya digambarkan dalam diagram P-V, merupakan diagram yang menggambarkan suatu tekanan (P) serta volume (V) di saat proses terjadi. Terdapat dua hal penting yang harus diingat dari segala mcam jenis proses-proses termodinamika, yakni variabel yang berubah serta juga usaha yang dilakukan. Usaha yang terjadi pada suatu proses termodinamika tersebut bisa atau dapat diketahui dengan menghitung luasan grafik P-V.

1. Proses Isokhorik

Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan termodinamika yang terjadi pada volume konstan atau tetap. Karena volumenya tetap, sistem tidak melakukan ataupun menerima usaha dari lingkungannya. Kita dapat merumuskannya dengan W = 0. Dengan begitu, kita memperoleh rumus untuk hukum I, sebagai berikut.

ΔQ = ΔU

Pada proses isokhorik, kalor yang diberikan kepada sistem hanya digunakan untuk menaikkan energi di dalamnya.

2. Proses Isobarik

Proses selanjutnya adalah isobarik. Proses ini merujuk kepada perubahan keadaan termodinamika dalam tekanan konstan. Usaha pada proses isobarik (W) dapat dirumuskan sebagai hasil kali antara tekanan (P) dan perubahan volume (ΔV). Dalam rumus matematika, kita dapat menjabarkan proses isobarik sebagai berikut.

W = P x ΔV

Pada proses isobarik, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.

ΔQ = ΔU + ΔW

3. Proses Isotermal

Sesuai dengan namanya, proses isotermal merupakan proses perubahan keadaan termodinamika yang terjadi pada suhu konstan atau tetap. Suhu konstan tersebut menyebabkan tidak ada perubahan energi dalam sistem atau ΔU = 0. Dalam hukum I, kita dapat merumuskan proses isotermal sebagai berikut.

ΔQ = ΔW

4. Proses Adiabatik

Proses yang terakhir adalah proses adiabatik. Proses ini merujuk kepada perubahan keadaan termodinamika yang berlangsung tanpa disertai perpindahan kalor antara sistem dan lingkungannya. Kalor sistem yang konstan menyebabkan tidak terdapat perubahan kalor di dalam sistem. Dalam matematika, kita dapat merumuskannya sebagai ΔQ = 0. Dalam hukum I, proses adiabatik dapat dinyatakan sebagai berikut.

ΔW = -ΔU

 

Sistem Termodinamika

Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan.

Jenis-jenis sistem

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu :

1)   Sistem terbuka

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar.

Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah

Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem

Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.

2)   Sistem tertutup

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut.

Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut.

Suatu sistem dapat mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

3)   Sistem terisolasi

Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. 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.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain.

 

Daftar Pustaka:

https://www.aeroengineering.co.id/2021/01/hukum-hukum-dasar-termodinamika/

https://budisma.net/fisika/termodinamika-pengertianhukum-dan-jenis-sistem-termodinamika.html

https://www.kelaspintar.id/blog/edutech/memahami-proses-proses-dalam-termodinamika-2787/

https://www.greelane.com/id/sains-teknologi-matematika/ilmu/laws-of-thermodynamics-p3-2699420/