TERMODINAMIKA: Pengertian, Hukum, dan Pengaplikasian

 Oleh : Aziz Affandi (@V04-Aziz)

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).

Usaha sistem terhadap lingkungan

Persamaan usaha yang dilakukan gas dapat ditulis sebagai berikut:

W = p ∆V = p (V2 - V1)

Keterangan :

p = tekanan gas (N/m2)

∆V = perubahan volume (m3)

W = usaha yang dilakukan gas (joule)

Perubahan energi dalam

Perubahan energi dalam ∆U tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

Hukum Termodinamika

 

Hukum I Termodinamika

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa jumlah kalor pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem.

 

Q = ∆U + W

 

Perjanjian tanda untuk Q dan W sebagai berikut :

1.  Jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan maka W bertanda positif.

2. Jika sistem menerima usaha dari lingkungan maka W bertanda negatif.

3. Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan

4. Q bertanda negatif jika sistem memberikan kalor kepada lingkungan

Proses Termodinamika 

Proses Isokhorik

yaitu proses termodinamika yang terjadi pada gas dalam keadaan volum tetap.

Berlaku:

Usaha W= 0 maka Q = ΔU sehingga Q = 3/2 nRT (T₂-T₁)

Proses Isobarik

yaitu proses termodinamika yang terjadi pada gas keadaan tekanan tetap.

berlaku persamaan. Usaha W

W=P(V₂ - V₁)

Perubahan energi dalam ΔU ΔU= 3/2 P(V₂ -V₁)

Sehingga

Q= 5/2 P(V₂-V₁)

Proses Isotermik

merupakan proses termodinamika yang terjadi pada gas keadaan suhu tetap.

berlaku persamaan. 

Usaha W

Perubahan energi dalam ΔU = 0 maka kalor Q = W

 

Proses Adiabatik

merupakan proses termodinamika yang berlangsung tanpa adanya pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan.

 

berlaku persamaan. 

Usaha W

Karena Q = 0 sehingga

ΔU = -W

y = konstanta Laplace

Kapasitas Kalor

Merupakan banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikan suhu gas sebesar 1oC, dinyatakan dengan persamaan:

Kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua yaitu kapasitas kalor pada tekanan tetap (C_p) dan pada volume tetap (C_v)

 

Pada proses isokhorik

Q_v = ∆U

Pada proses isobarik 

Q_p = ∆U + p∆V 

Diperoleh:

Pengaplikasian Termodinamika

Mesin Carnot

Sebuah mesin Carnot memiliki empat langkah dalam pengoprasiannya. Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus Carnot.

1. Pada langkah pertama, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan jumlah beban di atas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur sistem tidak berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2, sejumlah kalor (Q1) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.
2. Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston. Akibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.
3. Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 melalui proses kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah (200  K)  menyentuh  dasar  silinder  dan  jumlah  beban  di  atas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem             meningkat, temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah kalor (Q2) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah.
4. Pada  langkah  keempat,  gas  mengalami  proses  kompresi  adiabatik dan keadaannya berubah dari keadaan 4 ke keadaan1. Jumlah beban di atas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya berkurang.

Mesin Carnot adalah mesin efisien yang bekerja dalam suhu reservoir tinggi dan suhu reservoir rendah. Oleh karena itu, suatu mesin Carnot memiliki efisiensi. Rumus efisiensi mesin Carnot sebagai berikut.

keterangan:

ŋ = efisiensi mesin kalor

T₂ = suhu pada reservoir rendah (K) 

T₁ = suhu pada reservior tinggi (K)

W = usaha (Joule)

  Q₁= kalor yang diserap (Joule) 

 Q₂ = kalor yang dilepas (Joule) 

Mesin Pendingin

Prinsip kerja mesin pendingin contohnya lemari es dan penyejuk ruangan yaitu mengalirkan kalor keluar dari lingkungan sejuk ke lingkungan hangat. Sistem menerima kerja sebesar W dan menyerap kalor dengan suhu reservoir rendah T₂ sebesar Q₂ serta membuang sejumlah kalor yang lebih besar ke reservoir suhu tinggi T₁ sebesar Q_1. Untuk kerja dari mesin pendingin dapat ditentukan melalui koefisiensi performansi K_p.

Keterangan :

Kp = koefisiensi performansi

T₂ = suhu pada reservoir rendah (K) 

T₁ = suhu pada reservior tinggi (K) 

W = usaha (Joule)

Q₁= kalor yang diserap (Joule) 

Q₂ = kalor yang dilepas (Joule)

SUMBER REFERENSI

Hamid, A. A. (2007). Kalor dan termodinamika. Universitas Negeri Yogyakarta.

   Haryanto, A. (2016). Termodinamika.

  Soekardi, C. (2015). Termodinamka Dasar Mesin Konversi Energi. Penerbit Andi.