Ruang lingkup Termodinamika

Ruang lingkup Termodinamika

Oleh : Putra Muhammad Fadila (V05 - Putra)

 

Abstrak

Termodinamika merupakan salah satu cabang fisika yang membahas mengenai perubahan energi panas menjadi bentuk energi lain. Hukum pertama termodinamika dan hukum termodinamika kedua menjadi acuan dalam membahas mengenai perubahan energi. Pengukuran di dalam termodinamika tidak dinyatakan dengan besaran mikroskopis melainkan dengan besaran makroskopis. Termodinamika membahas mengenai hubungan antara energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistika di mana hubungan termodinamika berasal. Asal kata termodinamika adalah dari dua kata bahasa Yunani yaitu thermos yang artinya panas dan dynamic yang artinya perubahan

 

Abstract

Thermodynamics is a branch of physics that deals with the conversion of heat energy into other forms of energy. The first law of thermodynamics and the second law of thermodynamics serve as a reference in discussing energy changes. Measurements in thermodynamics are not expressed in microscopic terms but with macroscopic quantities. Thermodynamics discusses the relationship between energy, heat, work, entropy and the spontaneity of processes. Thermodynamics is closely related to statistical mechanics from which thermodynamic relations are derived. The origin of the word thermodynamics is from two Greek words, namely thermos which means heat and dynamic which means change

 

Pendahuluan

Termodinamika merupakan bagian dari cabang Fisika yaitu Termofisika (Thermal Physics) 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. Penemuan konsep termodinamika diawal dengan usaha para ilmuwan abad ke-19 masehi untuk membuat mesin yang memiliki kemampuan untuk mengadakan perubahan energi. Tujuan pengubahan energi ini awalnya untuk memudahkan pekerjaan dengan mengubah energi menjadi usaha dengan besar perubahan energi yang maksimal. Mesin paling awal yang dibuat oleh para ilmuwan mampu mengubah energi gerak menjadi energi potensial. Prinsip kerjanya didasarkan pada peristiwa tumbukan. Adanya usaha dari para ilmuwan ini yang kemudian pada abad ke-20 berhasil mengembangkan teori-teori mengenai termodinamika. Teori termodinamika berlaku pada keadaan panas atau sistem dengan keadaan setimbang pada saat dimulai maupun diakhiri. Setelah abad ke-19 masehi, perkembangan teori termodinamika beralih ke fisika kuantum dan transisi-transisi fasa. Secara fenomenologi, pengembangan teori termodinamika ditujukan bagi sistem-sistem makroskopik. Dalam fisika, perumusan termodinamika menjadi suatu aksioma yang meliputi tiga hukum termodinamika. Konsep utama yang melandasi ketiga hukum termodinamika adalah energi dan entropi.

 

1.      Hukum I Termodinamika

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa jumlah entropi di dalam suatu sistem yang terisolasi akan bernilai konstan atau bertambah ketika sedang mengalami suatu proses. Hukum ini sesuai dengan prinsip kenaikan entropi.

Hukum yang sama juga terkait dengan kasus kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika terisolasi sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.[24] Hukum ini dapat diuraikan menjadi beberapa proses, yaitu proses dengan Isokhorik, Isotermik, Isobarik, dan juga adiab

2.      Hukum II Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Tidak ada pernyataan resmi untuk hukum kedua termodinamika. Pernyataan hukum kedua termodinamika hanya didasarkan pada kenyataan eksperimental yang dikemukakan oleh para ilmuwan, salah satunya oleh Clausius. Clausius menyatakan bahwa 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. Pernyataan ini didasarkan dari prinsip kenaikan entropi.

Selain Clausius, pernyataan mengenai hukum kedua termodinamika juga dikemukakan oleh Kelvin dan Planck. Keduanya melakukan eksperimen dan mengetahui bahwa tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja ke sekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir termal. Suatu sistem termodinamika yang terisolasi cenderung memiliki total entropi yang meningkat seiring dengan meningkatnya waktu. Peningkatan ini umumnya mendekati nilai maksimumnya sehingga disebut prinsip kenaikan entropi

Pembahasan

1.        Termodinamika dan Energi

Termodinamika adalah sains dari energi yang berasal dari bahasa yunani : therme (heat/kalor) dan dynamis (power/daya). Termodinamika membahas konversi kalor menjadi daya/kerja. Salah satu temuan atau alat yang digunakan adalah mesin uap sebagai revolusi industri.

a.  Hukum I Termodinamika (Kuantitas)

Hukum kekekalan energi, dimana energi merupakan besaran/properti dari termodinamika.

ΔE/U = q + w

Perbedaan suhu menyebabkan energi keluar masuk lewat kalor

W = P_l Δv jika P_l = 0 maka tidak ada kerja, W= Kerja Volume

Contoh : à Reaksi mendorong gas sehingga tekanan keluar ke atmosfer

è Mendorong dinding tidak akan bergerak atau berpindah maka tidak ada kerja

·         Kalor terdiri 2 macam yaitu kalor dengan tekanan tetap ( gv=Δv) dan kalor dengan tekanan tetap ( gp= Δv)

·         ΔE = ΔH - pΔv

      = ΔH – ΔnRT dimana Δn merupakan perubahan jumlah gas dalam reaksi

Perubahan volume yang besar itu melibatkan gas. Contoh: 1 mol air = 18 ml jika melibatkan gas menjadi 25 liter.

·         Reaksi kimia menghasilkan energi darimana ? berasal dari energi ikatan kimia

Memutus ikatan memerlukan energi sedangkan membentuk ikatan melepas energi

Gambar 1. Hukum I Termodinamika 

a.                          b.    Hukum II Termodinamika (Kuantitas dan Kualitas)

Hukum kekekalan energi dimana harusnya terpenuhi tapi tidak pernah terjadi

Misal air

 Dicampurkan atau didekatkan

Selalu terjadi dialam sehingga hukum kekekalan energi bisa dipenuhi

Tidak pernah terjadi dialam sehingga hukum kekekalan energi tidak terpenuhi

Gambar 2. Hukum II Termodinamika

·         Arah Kespontanan Energi

Disebabkan oleh beberapa faktor yaitu :

ü  Penurunan Entalpi dimana banyak reaksi kimia di dorong untuk mencari energi

Δs = g rev / T, g rev merupakan kalor dalam revesibel

g rev terbagi menjadi 2 yaitu (a) proses perubahan fasa, contoh : mencair dan menguap, (b) proses pemanasan atau pendinginan tanpa perubahan fasa, contoh : besi dipanaskan dari 0⁰C - 100⁰C

Reaksi Eksotermik kebanyakan spontan

ü  Entropi (ketidakteraturan)

Volume besar maka entropi juga besar, jika entropi spontan maka entropinnya harus naik

Faktor- faktor yang mempengaruhi nilai entropi

1.      Volume

Contoh : gas untuk sejumlah mol/suhu yang sama

 

Maka yang entropi adalah yang memiliki volume lebih besar yaitu 2V1

V1               2V1

2.      Suhu (T)

Jika mol sama, volume sama tetapi suhu lebih tinggi maka entropinnya naik

3.      Wujud Fisik / Fasa

Dimana Entropi gas lebih besar dibandingkan entropi cair

4.      Jumlah Partikel

Entropi bersifat atau besaran ekstansi

ü  Kriteria Kespontanan

ΔS_as > 0 dimana entropi alam semesta naik

Δsistem + Δsistem lingkungan > 0

ΔG = ΔH – TΔS untuk melihat reaksi spontan atau tidak yaitu dengan cara

1.      Entropi alam semesta naik

2.      Melihat sistem dan lingkungan

3.      Melihat sistem saja ΔG < 0

Jika :

ΔH < 0  ΔS > 0 maka ΔG selalu negatif à reaksi spontan

ΔH < 0  ΔS < 0 maka tergantung T à T rendah akan spontan

ΔH > 0  ΔS > 0 maka tergantung T à T tinggi akan spontan

ΔH > 0  ΔS < 0 maka ΔG selalu positif à reaksi tidak spontan

 

a.      c.   Kajian Termodinamika

•                      Termodinamika Klasik

Yaitu pendekatan termodinamika yang tidak perlu memperhitungkan kelakuan dari dari partikel penyusun (sifatnya makroskopik)

P (tekanan)

V (volume)

T (temperatur)

•                       Termodinamika Statistik

Yaitu pendekatan termodinamika yang memperhitungkan sifat rata rata dari partikel penyusun (sifatnya mikroskopik)

P (tekanan dalam bentuk tumbukan antar partikel), tekanan meningkat maka volumennya akan turun

b.     d.      Aplikasi termodinamika

Contoh aplikasi termodinamika yaitu lemari pendingin (memindahkan kalor dari dalam dari panas menjadi dingin berarti mengambil kalor jika dingin menjadi panas maka membuang kalor), pressure cooker, turbin angin, mesin mobil. 

2.      Sistem, Lingkungan dan Batas

a.       a. Sistem à kuantitas atau materi yang dipelajari

Ada 2 macam sistem yaitu sistem terbuka dan tertutup

·         Sistem tertutup yang (kontrol massa)

Pada sistem ini tidak diperkenankan pertukaran massa antara sistem dengan lingkungan, yang boleh adalah pertukaran energi

·         Sistem terbuka (kontrol volume)

Pada sistem ini dapat terjadi pertukaran massa dan energi antara sistem dan energi

 

Gambar 3. Sistem Termodinamika

a.     b.   Lingkungan à daerah diluar sistem

b.      c. Batas à permukaan rill atau imajiner yang memisahkan antara sistem dan lingkungan

Batas memiliki ketebalan nol tidak bermassa dan tidak bervolume

batas

                       Lingkungan

3.      Properti

Properti adalah karakteristik dari sebuah sistem. Properti yang familiar yaitu tekanan (P), temperatur (T) volume (V) dan massa (M)

Besaran pada termodinamika terbagi menjadi 2 macam yaitu besaran intensif (tidak bergantung massa) dan ekstensif (bergantung massa) 

Keadaan

Keadaan à ketika sistem dalam kondisi tidak berubah. Pada suatu keadaan properti dari suatu sistem dapat dihitung atau diukur dan memiliki nilai yang fixed

Keadaan setimbang suatu sistem dikatakan setimbang jika tidak ada potensial yang unbalanced. Beberapa jenis kesetimbangan yaitu termal, mekanik, fasa dan kimia

Postulat keadaan

Keadaan suatu sistem terkompres dapat dideksripsikan oleh dua properti intensif yang saling independen. Dua properti dikatakan independen jika salah satu properti dapat diubah sementara properti lain dapat dipertahankan konstan 

4.      Proses dan Siklus

Proses à perubahan suatu sistem dari satu keadaan setimbang ke keadaan setimbang lainnya

Proses kuasi-statik atau kuasi – setimbang à proses yang berlangsung sangat lamban dimana sistem dapat berubah secara internal sedemikian hingga semua bagian pada sistem berubah bersamaan.

Beberapa tipe proses : isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik

Siklus à sistem dikatakan mengalami suatu siklus jika proses yang berlangsung kembali ke keadaan semula. 

5.      Hukum ke Nol Termodinamika

Jika terdapat dua benda yang setimbang termal dengan benda ketiga maka kedua benda tersebut setimbang termal

Konsep temperatur dan alat ukur suhu dua benda berada dalam keadaan setimbang termal jika kedua benda tersebut memiliki temperatur yang sama. 

Penutup

Termodinamika merupakan salah satu cabang fisika yang membahas mengenai perubahan energi panas menjadi bentuk energi lain. Termodinamika hanya mempelajari besaran-besaran yang berskala besar (makroskopis) dari sistem yang dapat diamati dan diukur dalam eksperimen. Ruang lingkup di dalam termodinamika mempelajari tentang Termodinamika dan Energi, Sistem, Lingkungan dan Batas, Properti dan keadaan, Proses dan Siklus serta Hukum ke Nol Termodinamika

 

Daftar Pustaka

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

http://repository.lppm.unila.ac.id/27414/1/TermodinamikaFront%20page%20upload%20repository%202021.pdf

https://id.wikipedia.org/wiki/Termodinamika

https://youtu.be/NilKh3R9Ayk

https://youtu.be/g51j1GGCGDE