Ternodinamika dan Kalor (@V25-Alfarizi)

 

Termodinamika dan Ilmu Kimia : Ternodinamika dan Kalor

Oleh : Rifki Alfarizi (@V25-Alfarizi)

Abstrak : 

    Semua mahluk hidup melakukan pekerjaan.Tumbuh-tumbuhan melakukan pekerjaan ketika mengangkat air dari akar ke cabang-cabang, hewan melakukan melakukan pekerjaan ketika berenang, merayap, dan terbang. Kerja juga terjadi ketika pemompaan darah melalui pembuluh darah dalam tubuh dan pada pemompaan ion-ion melewati dinding sel. Semua kerja ini diperoleh dari pengeluaran energy kimia yang disimpan dalam makanan yang dikonsumsi oleh mahluk hidup. 

        Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan).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. Bagaimanapun hokum ini merupakan dasar seperti hokum fisika lainnya. Mereka membatasi efisiensi amuba atau ikan paus seperti mereka membatasi efisiensi mobil atau tenaga nuklir tumbuhan.

A. Pengertian Kalor

Pada 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. 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. Ini berarti ada 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. Proses perubahan energi mekanik menjadi kalor merupakan salah satu contoh adanya azas ketetapan energi. Sebaliknya, kalor dapat diubah menjadi energi mekanik. Jadi, kalor merupakan salah satu bentuk energi. 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.

B. Pengertian Termodinamika

        Termodinamika merupakan bagian dari cabang Fisika yang namanya Termofisika (Thermal Physics). Termodinamika adalah ilmu yang 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). 

        Termodinamika juga dapat diartikan sebagai ilmu yang menjelaskan kaitan antara besaran fisis tertentu yang menggambarkan sikap zat di bawah pengaruh kalor. Besaran fisis ini disebut koordinat makroskopis sistem. Kaitan atau rumus yang menjelaskan hubungan antar besaran fisis diperoleh dari eksperimen dan kemudian dapat digunakan untuk meramalkan perilaku zat di bawah pengaruh kalor. Jadi, Termodinamika merupakan ilmu yang berlandaskan pada hasil-hasil eksperimen. 

        Termodinamika dalam arti sempit merupakan salah satu ranting dari Ilmu Alam, Ilmu Thobi’ah, atau Fisika yang mempelajari materi yang ada dalam keadaan setimbang terhadap perubahan temperatur, tekanan, volume, dan komposisi kimia. Termodinamika didasarkan pada empat konsepsi empiris, yaitu: hukum ke nol, pertama (yang berkaitan dengan kerja suatu sistem), kedua, dan ketiga Termodinamika. Oleh karena itu, sebagian ahli menyatakan, Termodinamika merupakan ranting Fisika yang mempelajari hubungan antara kalor dan kerja. 

        Ada dua pendapat mengenai pemanfaatan Termodinamika. Versi pertama datang dari Fisikawan dan Kimiawan. Mereka lebih condong menggunakan Termodinamika untuk meramalkan dan menghubungkan pelbagai sifat zat di bawah pengaruh kalor dan mengembangkan data termodinamis. Versi kedua berasal dari para Insinyur (Engineer). Mereka lebih condong menggunakan data termodinamis dan gagasan dasar ketetapan energi serta produksi entropi untuk menganalisis perilaku sistem yang kompleks. Secara umum Termodinamika dapat dimanfaatkan untuk: 

1. Menjelaskan kerja beberapa sistem termodinamis.
2. Menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis tidak bekerja sesuai dengan yang diharapkan.
3. Menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis sama sekali tidak mungkin dapat bekerja.
4. Landasan teoritis para Insinyur perencana dalam mendisain suatu sistem termodinamis; misalnya: motor bakar, pompa termal, motor roket, pusat pembangkit tenaga listrik, turbin gas, mesin pendingin, kabel transmisi superkonduktor, LASER daya tinggi, dan mesin pemanas surya. 

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada faham mengenai: 1. ketetapan energi. 2. ketetapan entropi, dalam arti, proses yang menghasilkan entropi mungkin dapat terjadi, namun proses yang menghapuskan entropi mustahil terjadi. 3. entropi yang dapat digunakan untuk menentukan jumlah daya berguna maksimum yang dapat diperoleh dari berbagai sumber energi untuk melakukan kerja.

C. 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: 

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

D. Aplikasi Ternodinamika Dalam Sehari hari

Selain pada proses termodinamika dan manusia, penerapan hukum I termodinamika juga dapat ditemukan dalam kehidupan sehari-hari, misal:

1.        Termos

Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.

2.        Mesin kendaraan bermotor

Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.

3. Refferigerator (Lemari Es)

Adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas.                 

  Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya.
              Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi Th (ruangan).

Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es dimana Qhdikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi , melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor (QL) dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali.

Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak mungkina ada. Ini merupakan pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak akan ada lemari Es yang sempurna.

4. Pendingin Ruangan (AC)

Air Conditioner (AC) alias Pengkondision Udara merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan ruangan yang kita inginkan, terutama mengkondisikan ruangan menjadi lebih rendah suhunya dibanding suhu lingkungan sekitarnya. Filter (penyaring) tambahan digunakan untuk menghilangkan polutan dari udara. AC yang digunakan dalam sebuah gedung biasanya menggunakan AC sentral. Selain itu, jenis AC lainnya yang umum adalah AC ruangan yang terpasang di sebuah jendela. Kunci utama dari AC adalah refrigerant, yang umumnya adalah fluorocarbon, yang mengalir dalam sistem, menjadi cair dan melepaskan panas saat dipompa (diberi tekanan), dan menjadi gas dan menyerap panas ketika tekanan dikurangi. Mekanisme berubahnya refrigerant menjadi cairan lalu gas dengan memberi atau mengurangi tekanan terbagi mejadi dua area. Sebuah penyaring udara, kipas, dan cooling coil (kumparan pendingin) yang ada pada sisi ruangan dan sebuah kompresor (pompa), condenser coil (kumparan penukar panas), dan kipas pada jendela luar.

Udara panas dari ruangan melewati filter, menuju ke cooling coil yang berisi cairan refrigerant yang dingin, sehingga udara menjadi dingin, lalu melalui teralis/kisi-kisi kembali ke dalam ruangan. Pada kompresor, gas refrigerant dari cooling coil lalu dipanaskan dengan cara pengompresan. Pada condenser coil, refrigerant melepaskan panas dan menjadi cairan, yang tersirkulasi kembali ke cooling coil. Sebuah thermostatmengontrol motor kompresor untuk mengatur suhu ruangan.

E. Hukum 0 Termodinamika 

Hukum 0 Termodinamika berbunyi: "Jika dua buah sistem mempunyai kesetimbangan termal dengan sistem ke-3, maka ketiganya akan mempunyai kesetimbangan termal satu sama lain." Apa sih, kesetimbangan termal itu? Kesetimbangan termal adalah kondisi di mana suhu dari sistem-sistem yang terlibat adalah sama atau tidak ada kalor yang mengalir. Jadi, jika ada benda A dan benda B yang dikatakan mencapai kesetimbangan termal, artinya benda A dan benda B tersebut memiliki suhu yang sama dan tidak ada kalor yang mengalir di antara keduanya. Kalor sendiri mengalir dari sistem bersuhu tinggi ke sistem bersuhu rendah. Oleh karena itu, jika suhu kedua sistem sama, maka kalor tidak akan mengalir di antara keduanya. hukum 0 termodinamika Contoh penerapan Hukum 0 Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari adalah alat ukur suhu (termometer).

Referensi : 

http://peggytarezacollins.blogspot.com/2013/10/termodinamika-dalam-kehidupan-sehari.html

https://www.kampungilmu.web.id/2020/01/termodinamika-dalam-kehidupan-sehari.html

https://www.ruangguru.com/blog/hukum-dan-prinsip-termodinamika

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

https://www.dosenpendidikan.co.id/hukum-kekekalan-energi/