Pengertian, Prinsip, Sistem, Jenis, Hukum dan Proses – Proses dalam Termodinamika

 

Oleh : Hamid Afifudin

@W07_HAMID

Abstrak

Termodinamika merupakan suatu ilmu yang menggambarkan usaha buat mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) jadi energi dan sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika ini berhubungan erat dengan Fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. 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, itu adalah peristiwa termodinamika yang dekat dengan kehidupan sehari-hari.

Kata Kunci : Termodinamika, Hukum Termodinamika,  Sistem, Proses

Pengertian Termodinamika

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika adalah suatu ilmu yang 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.

Prinsip Termodinamika

1.      Formulasi problem ke dalam besaran & bentuk termodinamika. Hal ini yang dikatakan sebagai mengubah bahasa dalam problem ke dalam bahasa termodinamika, kemudian merumuskannya dengan menggunakan besaran-besaran termodinamika.

2.       Evaluasi sifat dan fungsi termodinamika, berarti melakukan analisis terhadap formulasi yang telah disusun pada langkah pertama (1). Tahap ini membutuhkan pemahaman pengetahuan termodinamika yang memadai agar tidak terjadi kesalahan persepsi terhadap arah atau tujuan problema tersebut.

3.  Penyelesaian problem termodinamika. Pada tahap ini dibutuhkan dukungan pengetahuan matematika/kalkulus (deferensial, integral) sehingga dapat diperoleh jawaban yang valid atau bisa dipertanggungjawabkan.

Ketiga langkah penyelesaian termodinamika tersebut harus berpijak pada dalil-dalil atau kaidah-kaidah dalam termodinamika.

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:

a)      Pembatas Adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas

b)     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.

Hukum Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

1.       Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum awal menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Hukum ini dimasukkan setelah hukum pertama.

2.       Hukum Pertama Termodinamika

Hukum yang sama juga terkait dengan kasus kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup, sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hukum ini dapat diuraikan menjadi beberapa proses, yaitu proses dengan Isokhorik, Isotermik, Isobarik, dan juga adiabatik.

Bunyi Hukum Termodinamika 1 :

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

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)

3.       Hukum Kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang dikeluarkan oleh kelvin-plank dan clausius.

a.    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.

b.  Pernyataan kelvin-planck: tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja kesekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir termal.(sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran J., Shapiro N.M. – 6th ed. – 2007 – Wiley).

Total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya hal ini disebut dengan prinsip kenaikan entropi” merupakan korolari dari kedua pernyataan diatas (analisis Hukum kedua termodinamika untuk proses dengan menggunakan sifat entropi)(sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran J., Shapiro N.M. – 6th ed. – 2007 – Wiley)

“Hukum II termodinamika dalam menyatakan aliran kalorKalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”

4.       Hukum Ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Proses - Proses dalam Termodinamika

Proses termodinamika terbagi menjadi empat macam, tergantung dari keadaan tekanan, volume, dan suhu saat terjadinya proses tersebut. Ada dua hal penting yang harus diingat dari berbagai jenis proses-proses termodinamika, yaitu variabel yang berubah dan usaha yang dilakukan.

1.       Isokhorik

Isokhorik merupakan proses termodinamika yang gak mengubah nilai volume sistem (ΔV = 0).

 

2.       Isobarik

Isobarik merupakan proses termodinamika yang gak mengubah nilai tekanan sistem (ΔP = 0). Nilai usaha bisa dihitung dengan persamaan :

 

W = P . ΔV

 

Dari rumus diatas, diketahui apabila volume membesar (terjadi pemuaian) maka usaha bernilai positif, dan kalo volume mengecil (terjadi penyusutan) maka usaha bernilai negatif.

 

3.       Isothermik

Isotermik merupakan proses termodinamika yang gak mengubah nilai suhu suatu sistem (ΔT = 0). Nilai usaha bisa dihitung dengan persamaan :

 

W = n.R.T.ln.(Vf/Vi)

 

Dimana, nilai n adalah jumlah zat yang dinyatakan dengan satuan mol, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhu. Rumus diatas didapatkan dengan menggabungkan persamaan usaha di diagram P-V dengan persamaan gas ideal.

4.       Adiabatik

Adiabatik merupakan proses termodinamika yang gak mengubah nilai kalor sistem (Q = 0). Pada gas monoatomic, usaha yang dilakukan pada proses adiabatik ini bisa dinyatakan dengan persamaan ;

 

W = (-3/2).n.R.ΔT

 

Kalo diperhatikan, proses adiabatik dan isotermik mempunyai diagram P-V yang sama. Secara detil, bisa dilihat kalo proses adiabatik mempunyai kemiringan yang lebih curam dibandingkan proses isotermik

Referensi :

https://www.quipper.com/id/blog/mapel/fisika/pengertian-termodinamika-lengkap/

https://cerdika.com/termodinamika/

https://www.kompas.com/sains/read/2021/09/13/164600223/termodinamika-manfaat-dan-hukumnya

https://www.gurupendidikan.co.id/termodinamika/