Ruang Lingkup Thermodinamika

 

Oleh : Yosef Mariawan

Josephmariawan99@gmail.com(@W03-YOSEF)

Abstrak

Termodinamika merupakan salah satu teori utama fisika yang membahas tentang hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Selain itu, termodinamika juga bisa digambarkan sebagai ilmu yang mempelajari besaran fisis tertentu yang menggambarkan sikap zat di bawah pengaruh kalor.

Pembahasan

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.

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.^[1]

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.

Manfaat termodinamika

Mesin termal

Dalam bidang teknik, ilmu termodinamika dimanfaatkan untuk menghitung tingkat efisiensi bahan bakar mesin dan perancangan mesin. Manfaat ini diperoleh dari penggunaan data empiris dan persamaan aljabar. Ilmu termodinamika digunakan untuk bidang ilmu yang berkaitan dengan pemanfaatan dari perubahan energi. Termodinamika secara khusus diterapkan dan digunakan dalam analisa mesin-mesin termal oleh para teknisi. Ilmu termodinamika dimanfaatkan dalam berbagai jenis motor seperti motor diesel dan motor bensin. Dalam bidang kelistrikan, ilmu termodinamika digunakan dalam pembangkit listrik dan turbin gas. Dalam kehidupan rumah tangga, termodinamika dimanfaatkan dalam perancangan mesin pendingin, penanak nasi, setrika, sistem pemanas surya dan televisi. Sementara itu, dalam teknologi luar angkasa, termodinamika dimanfaatkan dalam perancangan mesin roket. Sementara itu, di bidang industri, mesin termal ini dimanfaatkan sebagai mesin penggerak, mesin pendingin maupun mesin pemanas.

Konversi energi

Konsep mengenai sistem termodinamika digunakan sebagai pemikiran awal menuju ke proses konversi energi. Prinsip sistem termodinamika ini dipadukan dengan prinsip kesetimbangan energi. Pemanfaatan kedua prinsip ini adalah untuk mengetahui besarnya unjuk kerja yang timbul selama proses konversi energi.

Hukum

Hukum kenol termodinamika

Hukum kenol termodinamika menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Prinsip yang mendasari terbentuknya hukum ini adalah adanya perpindahan panas dari suatu sistem ke sistem yang lainnya. Perpindahan ini umumnya dipengaruhi oleh perbedaan suhu antar sistem. Sifat perpindahan adalah pemuaian dan kelistrikan. Hukum kenol termodinamika tetap berlaku pada suatu sistem berbentuk benda meskipun tidak mengalami sentuhan sama sekali secara langsung.

Hukum pertama 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. Hukum ini dapat diuraikan menjadi beberapa proses, yaitu proses dengan Isokhorik, Isotermik, Isobarik, dan juga adiabatik.

Hukum kedua 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.

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.

Sistem termodinamika

Sistem termodinamika merupakan suatu kesatuan sejumlah massa zat tertentu yang membentuk suatu komponen. Massa zat ini dapat terpisah menjadi gas, cair dan padat. Namun dapat pula merupakan gabungan dari dua atau tiga zat sekaligus. Massa aliran zat tertentu dapat berpindah dengan memasuki atau keluar dari sistem. Sementara itu, perpindahan energi diperantarai oleh permukaan batas dari suatu sistem yang terjadi secara bersamaan. Permukaan batas ini merupakan pemisah antara sistem dengan lingkungan yang ada di sekitarnya.

Sistem termodinamika adalah bagian dari alam semesta yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan alam semesta, 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, yaitu sistem terisolasi, sistem tertutup dan sistem terbuka.

Sistem terisolasi

Sistem terisolasi adalah sistem termodinamika yang di dalamnya tidak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi. 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.

Sistem tertutup

Sistem tertutup adalah sistem termodinamika yang di dalamnya 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. Jenis pembatas pada sistem tertutup terbagi menjadi dua yaitu pembatas adiabatik dan pembatas rigid. Perbedaan keduanya terletak pada hal yang dibatasi. Pada pembatas adiabatik, pertukaran panas dibatasi sehingga tidak dapat terjadi sama sekali. Sedangkan pada pembatas rigid yang dibatasi adalah pertukaran kerja. Sistem termodinamika yang tertutup disebut juga dengan massa atur.

Sistem terbuka

Sistem terbuka adalah sistem termodinamika yang di dalamnya terjadi pertukaran energi dalam bentuk panas dan kerja serta terjadi pada benda dengan lingkungannya. Dalam sistem terbuka, terdapa sebuah pembatas yang memperbolehkan pertukaran benda. Pembatas ini disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

Kesimpulan

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, adalah peristiwa Termodinamika yang paling dekat dengan kehidupan sehari-hari.

Referensi:

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

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