Termodinamika

A.  Tujuan

ü  Menghitung usaha, kalor dan/atau energi dalam dengan menggunakan prinsip hukum utama termodinamika

B.  Pengertian Termodinamika

Termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang memusatkan perhatian pada energi (terutama energi panas) dan transformasinya. Transpormasi energi pada termodinamika berlandaskan pada dua hukum, yaitu hukum pertama termodinamika dan hukum kedua termodinamika.

Sebelum menggunakan hukum-hukum termodinamika kita perlu mendefinisikan terlebih dahulu sistem dan lingkungan. Sistem adalah suatu benda atau keadaan yang menjadi pusat perhatian kita, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem yang dapat mempengaruhi keadaan sistem secara langsung. Apabila antara sistem dan lingkungan memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energi, maka sistemnya disebut sistem terbuka. Jika hanya terbatas pada pertularan energi, maka disebut sistem tertutup. Sedangkan, jika pertukaran materi maupun energi tidak mungkin terjadi, maka disebut sistem terisolasi.

C. Hukum-Hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

·         Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

            Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.

·         Hukum Pertama Termodinamika

            Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.

·         Hukum Kedua Termodinamika terkait dengan entropi.

            Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.

            Maka, Hukum Kedua Termodinamika berbunyi, tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata – mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi energi mekanik.

·         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.

D.  Pengertian Usaha, Kalor dan Energi.
             Kalor = Usaha, yaitu hanya muncul jika terjadi perpindahan energi antara sistem dan lingkungan . Kalor muncul ketika energi dipindahkan akibat adanya perbedaan suhu atau perubahan wujud zat.
             Energi terbagi atas dua yaitu energi dalam dan energi luar , dibawah ini beberapa asumsi mengenai energi tersebut.
- Energi kinetik dan energi potensial = energi luar ( external energy )
- Energi yang tidak nampak dari luar adalah energi dalam.
- Energi dalam berhubungan dengan aspek mikroskopik zat.
- Jumlah energi kinetic dan energi potensial yang berhubungan dengan atom –atom atau molekul – molekul zat disebut energi dalam.

             Oleh karena itu, pengertian dari energi dalam adalah suatu sifat mikroskopik zat, sehingga tidak dapat diukur secara langsung. Yang dapat diukur secara tidak langsung adalah perubahan energi dalam (notasi ) , yaitu ketika suatu sistem berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir.
            Secara Sistematis
Perubahan Energi Dalam
∆U = U₂-U₁

       Formulasi Usaha
Proses Isobarik adalah proses yang terjadi pada tekanan tetap.
Secara Sistematis
Usaha pada proses Isobarik
W = p . ∆V = p ( V₂ - V₁ )
             Rumus pada persamaan diatas hanya dapat digunakan untuk menghitung usaha gas pada tekanan tetap (proses Isobarik).

       Rumus Umum Usaha
W = V₁ - V₂ pdV
Oleh Karena itu, jika grafik tekanan terhadap Volume diberikan , maka arti geometris dari persamaan adalah luas dibawah kurva.

       Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V₁ menjadi volume akhir V₂ pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V₂ > V₁. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V₂ < V₁ dan usaha gas bernilai negatif.

       Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. 

E.  Hukum I Termodinamika

          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 sebagai berikut.

∆U = Q – W   atau   Q = ∆U + W                                                               ………. (12-9)

            Untuk mempermudah memahami Persamaan (12-9), maka ditentukan perjanjian tanda untuk Q dan W sebagai berikut:

·         W bertanda positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan

·         W bertanda negatif jika sistem menerima usaha dari lingkngan

·         Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan

·         Q bertanda negatif jika sistem melepas kalor pada lingkungan

            Dalam suatu sistem berlaku persamaan termodinamika I:
   DQ = DU+ DW
   DQ = kalor yang diserap
  DU = perubanan energi dalam
  DW = usaha (kerja) luar yang dilakukan

       Perubahan Energi Dalam

            Berdasarkan teori kinetik gas, energi dalam merupakan ukuran langsung dari suhu mutlaknya sehingga perubahan energi dalam hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan terakhir, dan tidak tergantung pada proses bagaimana keadaan sostem berubah.

            Untuk gas monoatomik dengan derajat kebebasan f = 3, perubahan energi dalam dapat ditentukan sehingga diperoleh:

                        ∆U = U₂ – U₁ =     Nk(T₂  –  T₁)    =     Nk∆T

                        ∆U = U₂ – U₁ =     nR(T₂  –  T₁)    =     nR∆T                              ………. (12-10)

                        ∆U = U₂ – U₁ =     (P₂V₂   – P₁V₁) =     ∆(PV)

            Untuk gas diatomik dan poliatomik maka faktor 3 pada Persamaan (12-10) diganti dengan derajat kebebasan yang dimiliki gas tersebut.

F.  Contoh Soal

  1. Suatu gas pada tekanan konstan 8,1 x 10⁴ Pa dimampatkan dari 10 liter menjadi 5      liter. Dalam proses tersebut gas melepas kalor sebesar 300 joule. Tentukanlah:

            a.  usaha yang dilakukan oleh gas,

            b.  perubahan energi dalam.

Penyelesaian:

Besaran yang diketahui:

  P   =   8,1 x 10⁴ Pa

  V₁  =   10 liter = 10 x 10^-3 m³

  V₂  =   5 liter = 5 x 10^-3 m³

  Q   =   −300 joule

a. usaha pada proses isobarik

            W  =  P ∆V  =  P( V₂ - V₁ )

                 =  8,1 x 10⁴ (5 x 10^-3 – 10 x 10^-3)

                 = −405 joule

b. perubahan energi dalam dapat ditentukan dari hukum I termodinamika

            ∆U =  Q – W

                  =  (−300) − (−405)

                  =  105 joule

  2. Sejumlah 4 mol gas ideal monoatomik suhunya dinaikkan dari 27^oC menjadi 127^oC      pada tekanan tetap. Jika konstanta gas umum R = 8,31 J/mol K, tentukanlah:

            a.  perubahan energi dalam

            b.  usaha yang dilakukan oleh gas

            c.  kalor yang diperlukan

Penyelesaian:

Besaran yang diketahui:

   n    =  4 mol

  T₁   =  27 + 273   =  300 K

  T₂   =  127 +273  =  400 K

  R     =  8,31 J/mol K

a. Perubahan energi dalam

            ∆U  =    nR(T₂ – T₁)

                    =    (4)(8,31)(400 − 300)  =  4986 joule

b. Usaha yang dilakukan oleh gas

            W  =  P(V₂ − V₁)  =  nR(T₂ – T₁)

                 =  (4)(8,31)(400 − 300)  =  3324 joule

c. Kalor yang diperlukan oleh gas

            Q  =  ∆U + W

                 =  4986 + 3324  =  8310 joule