MATERI FISIKA : TERMODINAMIKA

TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan. Kalor diartikan sebagai perpindahan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu, sedangkan usaha merupakan perubahan energi melalui cara-cara mekanis yang tidak disebabkan oleh perubahan suhu. Proses perpindahan energi pada termodinamika berdasarkan atas dua hukum, yaitu Hukum 1 Termodinamika yang merupakan persyaratan hukum kekekalan energi, dan Hukum 2 Termodinamika yang memberikan batasan tentang arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.

Sistem Termodinamika

Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan. Contohnya adalah pada saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang dimaksud dengan sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut sedangkan lingkungannya adalah bejana itu sendiri.

Jenis-jenis sistem

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu :
1)   Sistem terbuka
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume.
Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah

• Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem
• Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.

2)   Sistem tertutup
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.
Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, apabila panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan menyebabkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut control mass.
Suatu sistem dapat mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

• Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
• Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).
3)   Sistem terisolasi
Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang 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.
Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis koordinat sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai koordinat yang tetap. Apabila koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).
A.  Proses Termidinamika
1.  Usaha oleh Sistem terhadap Lingkunggan

Usaha yang dilakukan sistem pada lingkungannya merupakan ukuran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan.

Gambar tersebut menunjukkan suatu gas di dalam silinder tertutup dengan piston (penghisap) yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan. Pada saat gas memuai, piston akan bergerak naik sejauh Δs . Apabila luas piston A, maka usaha yang dilakukan gas untuk menaikkan piston adalah gaya F dikalikan jarak Δs . Gaya yang dilakukan oleh gas merupakan hasil kali tekanan P dengan luas piston A, sehingga:

W = F . ∆s

W = P . A . ∆s

W = P . ∆V  atau  W = P ( V₂ - V₁ )

 

karena A. Δs = ΔV , maka:

Ketererangan :

W = usaha ( J)

V₁ = volume mula-mula (m³)

P = tekanan (N/m²)

V₂= volume akhir (m³)

ΔV = perubahan volume (m³)

dW = F . d

       = F . P . A

ds   = PdV

Apabila V₂ > V₁, maka usaha akan positif (W > 0). Hal ini berarti gas (sistem) melakukan usaha terhadap lingkungan. Apabila V₂ < V₁, maka usaha akan negatif (W < 0). Hal ini berarti gas (sistem) menerima usaha dari lingkungan. Untuk gas yang mengalami perubahan volume dengan tekanan tidak konstan, maka usaha yang dilakukan sistem terhadap lingkungan dirumuskan:

Jika volume gas berubah dari V₁ menjadi V₂, maka:

Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luas daerah di bawah kurva pada diagram P-V

 Contoh Soal :

1.        Suatu gas dipanaskan pada tekanan tetap sehingga memuai, seperti terlihat pada gambar. Tentukanlah usaha yang dilakukan gas. (1 atm = 10⁵  
      Penyelesaian  :
       1. Dik       : p = 2 atm

              V1 = 0,3 L

              V2 = 0,5 L.

  1 L = 1 dm³ = 10^–3 m³

Dit       : W?

Jawab  :

W = p ( ΔV) = p (V2 – V1)

    = 2 × 105 N/m2 (0,5 L – 0,2 L) × 10–3 m3 = 60 Joule.

2.  Proses Termodinamika Gas

·         Proses  Isobarik

 Proses Isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap.

        W   = P ( V₂ -  V₁ )

              = P (∆V)

  

  Jika gas melakukan Proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Q_p. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku:

Q_P = W + ∆V

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan. Q_V =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai : W = Q_p − Q_V

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Q_p) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (Q_V).

gambaran grafiknya:

• Proses Isokhorik

      Proses Isokhorik adalah    proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap.

              W = P (∆V) = P (0)

              W = 0

     

gambaran grafiknya:

      

• Proses Isotermal

Proses Isotermal adalah proses perubahan keadaan suhu tetap.Proses ini mengikuti proses hukum Boyle, yaitu: PV = KONSTAN.

Dari persamaan gas ideal PV = nRT , Karena nRT merupakan bilangan     tetap, maka grafik P - V berbentuk hiperbola.

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai:

Q = W = nRT  1n 
gambaran grafiknya:

• Proses Adiabatik

      Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan  sistem tanpa adanya kalor yang masuk ke sistem atau  keluar dari sistem (gas) yaitu :

Q = 0

B.  Hukum I Termodinamika

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Kita hanya dapat mengubah bentuk energi, dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain.

Apabila suatu sistem diberi kalor, maka kalor tersebut akan digunakan untuk melakukan usaha luar dan mengubah energi dalam.

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa:

Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ∆U = Q – W.

Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis:

 

 

W  bertanda positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan

 

  W bertanda negatif jika sistem menerima usaha dari lingkungan

·       Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan

·       Q bertanda negatif jika sistem melepas kalor pada lingkungan

Usaha  Luar / Kerja

Gas dalam suatu silinder apabila dipanaskan, volumenya akan mengembag. Gas tersebut dapat dikatakan melakukan usaha.

 

 

 

Gas dalam suatu sipinder melakukan usaha:

 

1.    Kerja atau usaha luar pada gas ideal Pers. Gas ideal :

 

a.    Proses Isotermik ( T tetap) 

 

 

b.      Proses Isometrik / Isokhorik / Isovolum ( V tetap )

 

c.       Proses Isobarik ( p tetap )                  

     

Usaha luar ( W ) : tergantung pada lintasan atau proses

Tenaga Dalam (Usaha Dalam)

Jumlah kalor

  

Menurut hukum I Termodinamika

Pada proses dengan V tetap berarti dW = 0

Sehingga :

cV = kalor jenis gas pada volume tetap

cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap

Untuk proses p tetap

Proses pada gas ideal :

R = 0,82 It.atm/mol K

   = 8,3.10⁷ erg/mol K

   = 8,3 joule/mol K

Energi dalam (U) : tidak tergantung pada lintasan proses, melainkan hanya tergantung pada suhu awal dan suhu akhir.

 

 

C.  HUKUM II TERMODINAMIKA

Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa energi bersifat kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain.

Pada hukum I Termodinamika tidak ada petunjuk adanya arah perubahan dan batasan-batasan yang lain.

Ada beberapa masalah yang tidak dapat diterangkan pada hukum I Termodinamika antara lain :

1.      Dapatkah kalor mengalir dari benda yang dingin ke benda yang lebih panas atau dari benda yang sama suhunya dengan tiba-tiba dapt mengalirkan kalor, sehingga suhu kedua benda menjadi berbeda.

2.      Dapatkah energi kalor seluruhnya diubah menjadi energi mekanik atau usaha secara terus-menerus.

3.      Dapatkah energi diubah sekehendak kita.

4.      Dapatkah energi kalor seluruhnya diubah menjadi usaha.

Jawabannya adalah dapat, tetapi hanya untuk satu proses atau satu tahan saja.

Hukum II Termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. Pembatassan ini dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain :

1.      Hukum II Termodinamika dalam menyatakan aliran kalor.

Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

2.                  Hukum II Termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor.

Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan megubah seluruhnya menjadi usaha luar.

3.                  Hukum II Termodinamika dalam pernyataan entropi.

Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses irreversibel terjadi.

Proses Reversibel : suatu proses yang dapat dibalikkan ke keadaan semula tanpa mengubah keadaan sekelilingnya.

Proses Irreversibel : suatu proses yang tak terbalikkan. Untuk mengembalikkan ke keadaan semula harus mengubah keadaan sekelilingnya.

    Entropi adalah besaran termodinamika yang menyertai perubahan setiap keadaan dari awal sampai keadaan akhir sistem. Entropi menyatakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Suatu sistem yang memiliki entropi tinggi   berarti sistem tersebut makin tidak teratur.

Perubahan entropi suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir. Proses reversibel tidak mengubah total entropi dari semesta, tetapi setiap proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta.

HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

Setelah sistem A dan B terjadi keseimbangan termis dan sistem C dihubungkan dengan A dan B, maka selanjutnya akan terjadi keseimbangan termis. A = B = C

      A

      C

      B

     

      C

      B

Proses yang terjadi dalam suatu arah, misal benda yang berbeda temperaturnya bersentuhan, akhirnya seimbang termal. Tetapi tidak dapat terjadi dalam arah yang sebaliknya. Proses tersebut dinamakan proses irreversibel

                TERIMAKASIH