Pengertian Termodinamika

1.      Pengertian Termodinamika

            Termodinamika adalah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas,dan perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk energi yang lain.Istilah ini diturunkan dari bahasa yunani Therme (panas) dan dynamis (gaya).Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua prinsip dasar yang aslinya diturunkan dari eksperimen,tapi kini dianggap sebagai aksiom.prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi,yang mengambil bentuk hukum kesetaraan panas dan kerja.Prinsip yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak dapatmengalir dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahan dikedua benda tersebut.

2.      Sistem termodinamika

            Sistem termodinamika adalah bagian dari jagad raya yang diperhitungkan.semua batasan yang nyata atau imajinasi memisahkansistem dengan jagad raya,yang disebut lingkungan.

Ada tiga jenis sistem termodinamika berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara

sistem dan  lingkungan:

a)      Sistem Terisolasi

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

b)      Sistem Tertutup

            Pada sistem ini terjai pertukaran energi tapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan.Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup dimana 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 adibiatik yaitu tidak diperbolehkan pertukaran panas sedangkan pembatas rigid yaitu tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

c)      Sistem Terbuka

             Pada sistem ini terjadi pertukaran energi dan benda dan lingkungannya.sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebutpermeabel.Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

3.      KeadaanTermodinamika      

             Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan,ini

disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).

Untuk keadaan termodnamika tertentu,banyak sifat dari sistem dispesifikasikan.Properti ini tidak bergantung dengan jalur dimana sistem ini membentuk keadaan tersebut,disebut fungsi keadaan dari sistem.Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti,yang merupakan fungsi keadaan.
 

4.      Hukum – hukum Dasar Termodinamika

            Hukum –hukum termodinamika pada prinsipnya menjelaskan peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika.Terdapat 4 hukum dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika,yaitu:
 

       I.            Hukum Awal

            Termodinamika hukum ini menyatakan bahwa apabila dua buah benda yang berada didalam kesetimbangan thermal digabungkan dengan sebuah benda lain,maka ketiga-tiganya berada dalam kesetimbangan thermal.
 

    II.            Hukum Pertama

            Hukum termodinamika pertama berbunyi “Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain”.Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi.Menurut hukum pertama,energi didalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda.Hukum pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.

Aplikasi : Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi.Semuanya hanyamentransfer dengan berbagai cara.

 III.            Hukum kedua

             Termodinamika hukum kedua terkait dengan entropi.Entropi adalah tingkat keacakan energi.Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkatkan waktu,mendekati nilai maksimumnya.

Aplikasi : kulkas harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya,yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar.Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar.
 

  IV.            Hukum ketiga

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

Aplikasi : kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhuyang sangat rendah,karena tidak banyak acakan gerakan kinetik dalam skala mokuler yang mengganggu aliran elektron.

Penerapan Hukum Termodinamika Pertama pada Beberapa proses

Termodinamika

Hukum pertama termodinamika dilakukan dalam empat proses,Yaitu:

•Proses Isotermal

     Dalam proses ini,suhu sistem dijaga agar selalu konstan.Suhu gas ideal

berbanding lurus dengan energi dalam gas ideal.

dan tekanan sistem berubah penjadi (tekanan sistem berkurang).

•Proses Adiabatik

     Dalam proses adibiatik,tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q =      O).Proses adibiatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik.Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik,biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir kedalam sistem atau meninggalkan sistem.Proses adibiatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi.Proses dilakukan dengan

sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau

meninggalkan sistem.

•Proses Isokorik

      Dalam prose isokorik,volume sistem dijaga agar selalu konstan.Karenavolume sistem selalu konstan.Maka sistem tidak bisa melakukan kerjapada lingkungan.Demikian juga sebaliknya,lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem.

•Proses Isobarik

      Dalam proses isobarik,tekanan sistem dijaga agar selalu konstan.Karena yang konstan adalah tekanan,maka perubahan energi dalam (del U),kalor (Q),dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada yang bernilai nol.Dengan demikian,Persamaan hukum pertama termodinamika tetep utuh seperti semula.

Hukum Termodinamika I
ΔU = Q − W
Keterangan :
ΔU = perubahan energi dalam (joule)
Q = kalor (joule)
W = usaha (joule)

Proses-proses

Isobaris → tekanan tetap
Isotermis → suhu tetap → ΔU = 0
Isokhoris → volume tetap (atau isovolumis atau isometric) → W = 0
Adiabatis → tidak terjadi pertukaran kalor → Q = 0
Siklus → daur → ΔU = 0

Persamaan Keadaan Gas

Hukum Gay-Lussac
Tekanan tetap → ^V/_T = Konstan → ^V₁/_T1 = ^V₂/_T2

Hukum Charles
Volume tetap → ^P/_T = Konstan → ^P₁/_T1 = ^P₂/_T2

Hukum Boyle
Suhu tetap → PV = Konstan → P₁V₁ = P₂V₂

P, V, T Berubah (non adiabatis)
^(P₁^V₁⁾ / _(T1) = ^(P₂^V₂⁾ / _(T2)

Adiabatis
P₁V₁ ^γ= P₂V₂^γ
T₁V₁ ^{γ − 1}= T₂V₂^{γ − 1}
γ = perbandingan kalor jenis gas pada tekanan tetap dan volum tetap → γ = ^C_p/_Cv
Usaha
W = P(ΔV) → Isobaris
W = 0 → Isokhoris
W = nRT ln (V₂ / V₁) → Isotermis
W = − ³/₂ nRΔT → Adiabatis ( gas monoatomik)
Keterangan :
T = suhu (Kelvin, jangan Celcius)
P = tekanan (Pa = N/m²)
V = volume (m³)
n = jumlah mol
1 liter = 10⁻³m³
1 atm = 10⁵ Pa ( atau ikut soal!)
Jika tidak diketahui di soal ambil nilai ln 2 = 0,693

Mesin Carnot
η = ( 1 − ^T_r / _Tt ) x 100 %
η = ( ^W / _Q1 ) x 100%
W = Q₁ − Q₂
Keterangan :
η = efisiensi mesin Carnot (%)
T_r = suhu reservoir rendah (Kelvin)
T_t = suhu reservoir tinggi (Kelvin)
W = usaha (joule)
Q₁ = kalor masuk / diserap reservoir tinggi (joule)
Q₂ = kalor keluar / dibuang reservoir rendah (joule)

Soal
Suatu gas memiliki volume awal 2,0 m³ dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 4,5 m³. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut!
(1 atm = 1,01 x 10⁵ Pa)

Pembahasan
Data :
V₂ = 4,5 m³
V₁ = 2,0 m³
P = 2 atm = 2,02 x 10⁵ Pa
Isobaris → Tekanan Tetap

W = P (ΔV)
W = P(V₂ − V₁)
W = 2,02 x 10⁵ (4,5 − 2,0) = 5,05 x 10⁵ joule