Konsep Termodinamika dan Penerapannya

Oleh: Mochammad Rifky Alamsyah ( W19-RIFKY )

RINGKASAN

Termodinamika yaitu ilmu pengetahuan eksperimental yang didasarkan pada beberapaa azas yang merupakan generalisasi yang dibuat dari pengalaman. Termodinamika mencakup dua konsep, diantaranya konsep termal atau kalor dan konsep dinamika atau mekanika. Sehingga, termodinamika ini mempelajari hubungan antara usaha mekanis dan bentuk-bentuk energi lainnya, termasuk aliran kalor dan perubahan energi dalam suatu sistem. Dengan azas-azas termodinamika dapat dipelajari sifat-sifat bahan yang bergantung pada temperatur, seperti kalor jenis, koefisien pemuaian, kompresibilitas dan koefesien dielektrik.

Pada termodinamika, jika koordinat yang perlu dan cukup untuk menggambarkan koordinat makroskopik mengalami perubahan, baik secara spontan atau karena pengaruh luar, maka sistem dikatakan mengalami “Perubahan Keadaan” , sedangkan bila sistem tersebut tidak dipengaruhi oleh sekelilingnya, maka sistem itu dikatakan “sistem terisolasi” (Adnyana, 2014). Contoh penerapan termodinamika dalam kehidupan yaitu powerplant atau pembangkit listrik. Sebenarnya, termodinamika ini sangat dekat dengan kehidupan manusia.

Termodinamika ini dapat didefinisikan sebagai sains dari energi yang membahas tentang segala perubahan bentuk dari energi. Istilah termodinamika berasal dari Bahasa Yunani, yaitu Therme yang berarti kalor dan dinamis yang berarti power. Jadi, termodinamika sejak awal peradaban manusia, membahas konversi dari kalor menjadi daya/kerja. Salah satu contoh penerapannya yaitu mesin uap (penanda revolusi industry).

Dalam termodinamika, efisiensi termal adalah ukuran tanpa dimensi yang menunjukkan performa peralatan termal seperti mesin pembakaran dalam dan sebagainya. Panas yang masuk adalah energi yang didapatkan dari sumber energi. Output yang diinginkan dapat berupa panas atau kerja, atau mungkin keduanya. Dalam kehidupan sehari-hari dapat ditemui peristiwa-peristiwa tentang efisiensi. Saat kita menggunakan mesin motor, saat motor masih dalam keadaan baru, maka akan menghabiskan bahan bakar sedikit. Namun ketika motor sudah lama, kinerja mesin akan semakin buruk sehingga menghabiskan bahan bakar lebih dibandingkan saat kondisi baru. Hal ini disebabkan karena perubahan yang dilakukan mesin semakin buruk sehingga menyebabkan efisiensi dari mesin tersebut semakin kecil (Asnawi, 2019).

 

Figure 1 Mesin Uap

Figure 2 Sistem Mesin Uap

Termodinamika klasik kajiannya makroskopik, merupakan pendekatan termodinamika yang tidak perlu memperhitungkan kelakuan partikel penyusun. Contohnya menghitung tekanan, volume, temperature.

Termodinamika statistic kajiannya mikroskopik, merupakan pendekatan termodinamika yang memperhitungkan sifat rata-rata dari partikel penyusun.

Istilah dalam termodinamika:

1. System à kuantitas/materi 

2. Lingkungan à daerah di luar sistem

3. Batas à permukaan riil/imajiner yang memisahkan antara system dan lingkungan à memiliki ketebalan nol, tidak bermassa, dan tidak bervolume.

System terbuka/control volume à terjadi pertukaran massa dan energi antara system dan lingkungan

System tertutup à control massa à tidak terjadi pertukaran massa antara system dan lingkungan, tetapi hanya terjadi pertukaran energi.

System terisolasi à tidak terjadi pertukaran massa dan energi antara system dan lingkungan.

Property à karakteristik dari sebuah system, misalnya tekanan, temperature, volume, dan massa.

Besaran termodinamika :

1. Besaran Intensif à temperature, tekanan, rapat massa

2. Besaran Ekstensif à massa total, volume total

Keadaan setimbang (equilibrium) à jika tidak ada potensial yang unbalanced. Jenis kesetimbangan : kesetimbangan termal, kesetimbangan mekanik, kesetimbangan fasa, dan kesetimbangan kimia.

Proses dalam termodinamika à perubahan suatu system dari satu keadaan setimbang ke keadaan setimbang lainnya. Rangkaian keadaan yang dilewati sepanjang proses dinamakan jalur.

Proses kuasi-statik/kuasi setimbang à proses yang berlangsung sangat lamban, dimana system dapat berubah secara internal hingga semua bagian pada system berubah bersamaan. Tipe proses : isothermal, isokhorik, isobaric, dan adiabatic.

Siklus : system dikatakan mengalami satu siklus jika proses yang berlangsung Kembali ke keadaan semula.

Aplikasi termodinamika dalam kehidupan sehari-hari, yaitu :

1. Lemari pendingin/kulkas

Panas à dingin à mengambil kalor. Suhu dalam < suhu luar

2. Pressure cooker

3. Turbin angin

4. Power plant

Pembangkit listrik tenaga fosil.

5. Mesin mobil

Hukum ke-nol termodinamika

Jika terdapat dua benda yang setimbang secara termal dengan benda ketiga, maka kedua benda tersebut setimbang termal. Konsep temperature dan alat ukur suhu; dua benda berada dalam keadaan setimbang termal jika kedua benda memiliki temperature yang sama.

Hukum – hukum Termodinamika membahas tentang kekekalan energi antara sistem dan lingkungan. Terdapat dua hukum dasar termodinamika, tetapi dalam eksperimen ini hanya akan dibahas hukum I Termodinamika. Hukum I termodinamika menyatakan bahwa "Jumlah kalor pada suatu sistem adalah sama dengan perubahan energi di dalam sistem tersebut ditambah dengan usaha yang dilakukan oleh sistem." Hubungan antara kalor dan lingkungan dalam hukum I Termodinamika. Energi dalam sistem adalah jumlah total semua energi molekul yang ada di dalam sistem. Apabila sistem melakukan usaha atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam sistem akan naik. Sebaliknya energi dalam sistem akan berkurang jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian dapat disimpulkan bahwa perubahan energi dalam pada sistem tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan system (Asnawi, 2019).

Hukum I Termodinamika yaitu tentang hukum kekekalan energi à kuantitas, seperti temperature. Rumus Hukum I Termodinamika Dari bunyi hukum I Termodinamika, maka rumus hukum I Termodinamika dapat dituliskan sebagai berikut : 

Perjanjian pada hukum I Termodinamika dalam Rumus hukum I Termodinamika digunakan dengan perjanjian sebagai berikut : 

1. Usaha (W) bernilai positif (+) jika sistem melakukan usaha 

2. Usaha (W) bernilai negatif (-) jika sistem menerima usaha 

3. Q bernilai negatif jika sistem melepas kalor 

4. Q bernilai positif jika sistem menerima kalor Nilai kerja yang dilakukan untuk menekan gas pada proses adiabatik dapat ditentukan melalui persamaan :



Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa selama proses perubahan bentuk energi semacam itu, jumlah energi totalnya akan konstan. Bahan bakar minyak (BBM) misalnya, itu digunakan sebagai wujud sumber energi yang mudah untuk diubah menjadi energi listrik, energi kalor, energi mekanik, dan sebagainya. Jadi konsumsi BBM itu hanya mengubah bentuk energi yang satu menjadi energi yang lain.

Termodinamika selain mengenal energi internal U, juga mengenal fungsi yang dinamakan Fungsi Energi Bebas. Ada dua jenisnya, yang satu disebut Fungsi Energi Bebas Helmholt (Helmholtz Free Energy), yang satunya lagi dikenal dengan nama Fungsi Energi Bebas Gibbs (Gibbs Free Energy). Disebut energi bebas, yang nilainya berbeda dengan energi internal U, disebabkan karena tidak semua energi yang dikandung dalam U itu bebas untuk digunakan. Energi bebas Helmholtz, biasanya diberi lambang F. Image

Artinya, di antara energi internal U yang dikandung oleh gas kita, ada sebagian yang tidak bebas untuk dipakai, yaitu sebesar TS di mana S adalah fungsi entropi. Hal semacam itu biasa terjadi, misalnya menurut Einstein sebuah objek yang massanya = m mengandung energi yang besarnya mc2, di mana c adalah kecepatan jalar cahaya. Bayangkan kalau Anda menghitung berapa besar energi yang terkandung pada sepotong kapur tulis besarnya lebih dari cukup untuk konsumsi sebuah pabrik selama seminggu. Tetapi nyatanya sepotong kapur itu tidak begitu saja bisa diambil semua energinya. Jadi dalam kehidupan sehari-hari energi yang benar-benar tersedia itu maksimum hanyalah yang kita sebut energi bebas saja (Brotosiswojo).

Hukum II Termodinamika à kualitas energi, berkaitan dengan entropi. Energi akan mengalir dari kualitas tinggi ke rendah à terjadi aliran kalor. Hukum kedua boleh dikatakan sebagai pernyataan tentang adanya fungsi termodinamika yang disebut entropi yang nilainya diperoleh lewat proses seperti dilambangkan oleh persamaan. Dimensi dari besaran entropi adalah [energi]/[suhu]. Ada juga besaran fisika yang dimensinya semacam itu, yaitu tetapan Boltzmann yang lambangnya k, sebab (kT) berdimensi energi. Jadi satuan entropi boleh dinyatakan dalam ukuran berapa besar dibandingkan dengan tetapan Boltzmann k.

Ketidakmungkinan untuk mengubah seluruh panas menjadi tenaga mekanis merupakan salah satu bentuk Hukum Termodinamika Kedua, yang dinyatakan oleh Kevin-Plank, adalah: “Tidak mungkin dibuat suatu mesin panas yang menyerap panas dari sebuah reservoir dan mengubah seluruh panas ini menjadi usaha mekanis.” Secara matematis untuk mesin panas dapat dikatakan bahwa W<Q2, sehingga µ<1 (µ<100%).

Konsep entropi tersebut menjadikan Hukum kedua Termodinamika diungkapkan dengan:

a. Entropi total sistem yang mengalami proses adalah konstan dan bertambah. 

b. Dan tidak mungkin ada suatu proses yyang menyebabkan entropi total sistem-sistem berkurang. 

Karena panas (energi) hanya mengalir dari benda yang bersuhu lebih tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah (Suryatika, 2017).

Menurut R.J.E. Celausius (1822-1888), adalah : “Kalor mengalir secara alamih dari benda yang panas ke benda yang dingin kalor tidak akan mengalir secara sepontan dari benda dingin ke benda yang panas”.Karena pernyataan ini berlaku untuk satu peroses tertentu, tidak jelas bagaimana bisa berlaku untuk peroses yang lain. Diperlukan pernyataan yang lebih umum yang akan mencakup peroses lain yang mungkin, dengan cara yang lebih nyata (Giancoli,2001:527).

Perubahan entalpi (ΔH) 

∆H = QP

∆H = H(produk) – H(reaktan)

Perhitungan perubahan entalpi dengan kalorimetri

Perhitungan perubahan entalpi berdasarkan Hukum Hess

 

Untuk reaksi A→B adalah ΔH2 dan perubahan entalpi untuk reaksi B→C adalah ΔH3. Menurut percobaan yang dilakukan Hess diperoleh hubungan bahwa ΔH1 = ΔH2 + ΔH3.

Perhitungan perubahan entalpi berdasarkan data entalpi pembentukan standar ΔHfo 

Perhitungan perubahan entalpi berdasarkan energi ikatan

 



DAFTAR PUSTAKA

Andyana, I., Gusti, Agung, Putra. 2014. TERMODINAMIKA. Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Udayana.

Asnawi., Suliyanah., dan Lydia, Rohmawati. 2019. Panduan Praktikum TERMODINAMIKA. Surabaya : Penerbit JDS.

Giancoli, Dauglas c.Fisika Edisi Ke lima jilid 1. Jakarta: Erlangga. 2001

http://eprints.undip.ac.id/27839/1/0152-BA-FMIPA-2007.pdf 

https://fisika.fmipa.unesa.ac.id/wp-content/uploads/2020/06/Buku-Panduan-Termodinamika.pdf 

Suryatika, Ida, Bagus, Made. 2017. TERMODINAMIKA DALAM SISTEM BIOLOGIS. JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS UDAYANA.