“Memahami Konsep Dasar Energi Dalam Termodinamika Secara Sederhana”

 Oleh : Debi kurniawan ( @W05-DEBI )

 Abstrak :

Energi menjadi sebuah istilah yang sangat umum digunakan dalam kehidupan sehari-hari, mulai dari makanan, minuman, olahraga, Kesehatan, bahkan sampai pada industry dan pembangkit listrik. Sering kita mendengar istilah energi, tapi apakah kita benar-benar memahami apa itu energi? Jenis-jenis energi?, dalam hal ini saya mencoba untuk memberikan sedikit pemahaman konsep dasar energi dalam termodinamika secara sederhana.

Kata kunci : Energi, Kalor, Hukum I dan II Termodinamika

Definisi Sederhana

Secara sederhana, definisi dari energi itu sendiri adalah kemampuan untuk menghasilkan usaha. Jika dalam ilmu fisika, suatu usaha dapat diartikan sebagai gaya yang dilakukan untuk melakukan oemindahan suatu benda sejauh karak tertentu. Sehingga dengan kata lain, segala sesuatu yang berpindah menandakan kepemilikan terhadap sebuah energi.Akan tetapi, bukan berarti jika tidak ada perpindahan, menandakan tidak adanya energi.

Kalor adalah perpindahan energi termal. Kalor mengalir dari satu bagian sistem yang suhunya lebih tinggi ke sistem yang suhunya lebih rendah. Ketika sistem yang suhunya lebih tinggi bersentuhan dengan sistem yang suhunya lebih rendah, maka partikel-partikel dalam kedua sistem tersebut bertumbukan. Sedangkan kerja merupakan sistem yang mengalami pergeseran akibat beraksinya gaya. Jika hasil sistem secara keseluruhan menimbulkan gaya pada lingkungannya dan terjadi pergeseran, maka kerja yang dilakukan oleh sistem atau pada sistem disebut kerja eksternal.

Awalnya kalor dianggap sebagai zat alir (fluida) tanpa bobot dan tidak dapat dilihat. Kalor timbul jika ada bahan yang dibakar. Kalor dapat berpindah dari benda yang satu ke benda lainnya dengan cara konduksi, konveksi, dan atau radiasi.

Seperti pengalaman Count Rumford dan Sir James Prescott Joule dalam pengeboran laras meriam dan percobaan-percobaannya, dapat disimpulkan bahwa energi mekanik terus menerus berubah wujudnya menjadi kalor. Hal ini berarti terdapat kesetaraan antara energi mekanik dengan kalor. Dalam percobaannya Joule menemukan, bahwa 4,186 joule (J) setara dengan 1 kalori. Jadi 1,000 kal = 4,186 J.

Terjadinya proses perubahan energi mekanik menjadi kalor menjadi salah satu contoh adanya keteapan energi dan sebaliknya, juka kalor dapat diubah menjadi energi mekanik, sehingga kalor merupakan salah satu bentuk energi mekanik.

Dalam hal kalor dapat dibedakan dua konsep pokok, yaitu:

1.      Rasa kepanasan (hot) yang disebut temperatur atau suhu.

2.      Besaran yang dapat menyebabkan adanya perubahan temperatur yang disebut kalor (heat) atau bahang.

Hukum I Termodinamika ( Kekekalan energi )

Yaitu energi yang diserahkan sama dengan energi yang diterima namun tidak pernah terjadi, banyak hukum alam yang ada disekitar kita yang sering terjadi tapi tidak memenuhi hukum kekekalan energi. Hukum I Termodinamika dapat diaplikasikan pada sistem gas ideal, untuk menentukan tekanan, volume, temperatur, perubahan energi internal suatu sistem yang menjalani suatu proses.

Hukum II.Termodinamika ( arah kesepontanan reaksi )

Hukum II Termodinamika diwakilkan oleh Entropi, dimana Entropi merupakan fungsi koordinat Termodinamika. Perubahan entropi semesta  , (ketaksamaan menyatakan proses irreversibel sedangkan tanda = untuk proses reversibel). Hukum II Termodinamika dapat diaplikasikan pada sistem gas ideal dan gas real untuk menentukan perubahan entropi sistem, lingkungan semesta untuk proses reversibel dan irreversibel.

Secara alamiah (spontan), sistem akan selalu mengarah kepada homogen (menjadi lebih acak), sehingga entropi akan selalu semakin besar ( perubahan entropi positif ). Ketika terjadi perbedaan suhu, maka sistem akan selalu menuju suhu yang homogen (kesetimbangan termal).

Penyebab :

-          Penurunan entalpi

Reaksi eksotermik kebanyakan memiliki sifat spontan

-          Kenaikan Entropi (ketidakteraturan )

Factor yang mendorong reaksi akan spontan adalah entropi akan naik

Proses yang cukup dekat dengan reversible yaitu prose perubahan fasa dan proses pemanasan/pendinginan zat

Factor-faktor yang mempengaruhi nilai entropi yaitu :

-          Volume

-          Suhu, jika suhu lebih besar maka entropi akan lebih besar.

-          Wujud fisik

Jumlah mol, karena entropi adalah besaran ekstensif.

Pendahuluan dan konsep dasar Termodinamika

Temodinamika merupakan suatu keilmuan yang sangat dekat dengan kehidupan kita, dimana ilmu ini mempelajari hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Termodinamika hanya mempelajari besaran-besaran yang berskala besar (makroskopis) dari sistem yang dapat diamati dan diukur dalam eksperimen. Besaran-besaran yang berskala kecil (mikroskopis) dipelajari dalam Teori Kinetik Gas (Kinetic Theory of Gas) atau Fisika Statistik (Statistical Physics).

1.      Termodinamika dan energi

Termodinamika dapat didefinisikan sebagai sains dari energi. Temodinamika berasal dari Bahasa Yunani therme (heat/kalor) dan dynamics (power/daya) sehingga dapat dikatakan termodinamika mengubah kalor menjadi daya / kerja. Hukum pertama termodinamika yaitu hukum kekelan energi, energi merupakan besaran property dari termodinamika. Hukum kedua termodinamika yaitu energi memiliki kualitas dan kuantitas, dari suatu proses berlangsung pada arah yang kualitasnya berkurang.

Termodinamika terbagi menjadi 2 kajian yang dapat kita pelajari yaitu :

Termodinamika klasik yang merupakan pendekatan termodinamika yang tidak perlu memperhitungkan kelakuan dari partkel penyusun. Kajian ini berifat macroscofic myang membahas tentang tekanan (P), volume (V), dan temperature (T).

Termodinamika statistic yaitu pendekatan termodinamika yang memperhitungkan sifat rata-rata dari partikel penyusun. Atau dapat dikatakan juga sebagai kajian microscofic, yang membahas tentang tumbukan antar partikel

Contoh aplikasi dari temodinamika dalam kehidupan sehari-hari seperti : lemari pendingin, turbin angin, power plant, mesin mobil dan pressure cooker.

2.      Sistem dan control volume

-          Sistem, Lingkungan dan Batas

Sistem merupakan kuantitas atau materi yang dipilih untuk dipelajari. Daerah luar sistem dinamakan dengan lingkungan (surroundings). Permukaan riil atau imajiner yang mengisahkan antara sistem dan lingkungan dinamakan batas (boundary), batas tersenut dapat berupa batas yang tetap (fixed)atau batas yang bergerak.

Dalam Analisa sederhana, misalnya kta dapat mengasumsikan bahwa batas tersebut memiliki ketebalan nol, tidak bermassa, dan tidak bervolume. 

Gambaran batasan keseluruhan (boundary)

Gambaran batasan tetap (Fixed)

Gambaran batasan bergerak

Sistem tertutup dinamakan control massa. Pada sistem ini tidak terjadi pertukaran massa antara sistem dan lingkungan, namun hanya terjadi pertukaran energi.

Sistem terbuka dinamakan control volume. Pada sistem ini dapat terjadi pertukaran massa dan energi antara sistem dan lingkungan.

Sistem terisolasi : Ketika tidak terjadi pertukaran massa dan energi anatara sistem dan lingkungan.Oleh sebab itu, pada Analisa engineering, sistem ini harus terdefinisi dengan jelas.

3.      Property, keadaan dan kesetimbangan

v  Properti ( Besaran )

Karakter dari sebuah sistem dinamakan property (besaran), Properti yang familiar dalam mempelajari termodinamika yaitu tekanan (P), temperature (T), volume (V), massa (m) dan energi (E).

Properti atau besaran pada termodinamika terbagi menjadi dua macam, yaitu :

Properti intensif ( tidak tergantung massa ) seperti ; temperature, tekanan,dan rapat massa.

Properti ekstensif ( bergantung pada massa ) seperti; massa total, volume total. Properti ekstensif per unit massa dinamakan dengan property spesifik, volume spesifik, dan energi spesifik.

v  Keadaan

Keadaan (state), yaitu ketika sistem dalam kondisi tidak berubah. Pada suatu keadaan, property dari suatu sistem dapat dihitung atau diukur dan memiliki intensitas nilai yang tetap ( fixed ).

Keadaan steimbang ( equilibrium ). Suatu sistem dapa dinyatakan setimbang ketika tidak ada potensi yang tidak Simbang ( unbalanced ). Beberapa jenis kesetimbangan dalam termodinamika diantaranya; kestimbangan termal, kesetimbangan mekanik, kesetimbangan fasa dan kesetimbangan kimia.

v  Postulat keadaan

Keadaan suatu sistem terkompresi yang dapat dideskripsikan oleh dua property intensif yang saling independen. Dua property dikatakan independen, jika salah satu property dapat diubah, sedangkan property yang lain dapat dipertahankan secara konstan.

4.      Proses dan siklus

Proses adalah perubahan suatu sistem dari satu keadaan setimbang lainnya. Rangkaian keadaan yang dilewati sepanjang proses dinamakan jalur ( path ).

Proses kuasi-statik ( quasi-static ) atau kuasi-setimbang ( Quasi-equilibrium ) dalah proses yang berlangsung sangat lamban, dimana sistem dapat berubah secara internal sedimikian rupa  hingga semua bagian pada sistem berubah bersamaan.

Beberapa tipe proses yang dapat terjadi diantaranya : isothermal, isokhorik, isobaric dan adabatik. 

Siklus sitem dapat dikatakan mengalami siklus, jika proses yang berlangsung kembali pada keadaan semula : 

5.      Hukum ke-nol termodinamika

Hukum ke-nol termodinamika adalah jika terdapat dua benda yang setimbang dengan benda ketiga, maka kedua benda tersebut dapat dinyatakan setimbang termal. Konsep temperature dan alat ukur sush yaitu dua benda berada dalam kesetimbangan termal jika kedua benda tersebut memiliki temperature yang sama.

Dalam mempelajari energi dalam termodinamika tentu kita harus benar-benar paham terlebih dahulu apa saja yang dapat menjadi faktor terjadinya proses didalam kimia tersebut. mulai dari material, properti, sistem, volume, temperatur, tekanan yang terjadi. Sehingga kita akan lebih mudah dalam memahami dan memperlakukan unsur-unsur kimia yang ada dilingkungan sekitar kita.

Referensi :

http://karya-ilmiah.um.ac.id/index.php/fisika/article/view/17270

https://indonesiare.co.id/id/article/energi-dalam-kaidah-ilmu-termodinamika

https://www.ruangguru.com/blog/hukum-dan-prinsip-termodinamika#:~:text=Hukum%20II%20Termodinamika%20tentang%20Arah%20Aliran%20Kalor%20berbunyi%3A,secara%20spontan%20dalam%20arah%20kebalikannya.%22

http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/Diktat%20Termodinamika.pdf