THERMODINAMIKA berasal
dari kata thermos yaitu 'panas' dan dynamic yang artinya 'perubahan' adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.Pada sistem di mana
terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik
tidak berhubungan dengan kinetika
reaksi (kecepatan suatu proses reaksi
berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika"
biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep
utama dalam termodinamika adalah proses
kuasistatik, yang diidealkan, proses
"super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam
termodinamika tak-setimbang.Karena
termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnyadinamakan termostatik.
A.
Usaha dan Proses dalam Termodinamika
Termodinamika
adalah ilmu pengetahuan yang membahas tentang hubungan antara panas (kalor) dan
usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Dalam melakukan pengamatan mengenai
aliran energi antara panas dan usaha ini dikenal dua istilah, yaitu sistem dan lingkungan.
Apakah yang
dimaksud sistem dan lingkungan dalam termodinamika? Untuk
memahami penggunaan kedua istilah tersebut dalam termodinamika, perhatikan
Gambar berikut :
|
Bola besi
dan air merupakan suatu sistem yang akan diamati. Adapun, udara luar
merupakan lingkungannya.
|
Misalkan,
Anda mengamati aliran kalor antara bola besi panas dan air dingin. Ketika bola
besi tersebut dimasukkan ke dalam air. Bola besi dan air disebut sistem karena
kedua benda tersebut menjadi objek pengamatan dan perhatian Anda. Adapun, wadah
air dan udara luar disebut lingkungan karena berada di luar sistem, tetapi
dapat memengaruhi sistem tersebut. Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang
digunakan adalah besaran makroskopis suatu sistem, yaitu tekanan, suhu, volume,
entropi, kalor, usaha, dan energi dalam.
Usaha yang
dilakukan oleh sistem (gas) terhadap lingkungannya bergantung pada proses
-proses dalam termodinamika, di antaranya proses isobarik, isokhorik,
isotermal, dan adiabatik.
1. Usaha
Sistem terhadap Lingkungannya
Bagaimanakah
cara menghitung usaha pada gas? Amati suatu gas yang berada dalam tabung dengan
penutup berbentuk piston yang dapat bergerak bebas, seperti terlihat pada gambar
|
Ketika gas
ideal di dalam tabung dipanaskan,gas tersebut memuai sehingga piston
berpindah sejauh Δs.
|
Ketika gas
tersebut dipanaskan, piston akan berpindah sejauh Δs karena gas di dalam tabung
memuai dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2.
Gaya yang bekerja pada piston adalah F = pA. Jika luas penampang piston (A) dan
tekanan gas dalam tabung (P) berada dalam keadaan konstan, usaha yang dilakukan
oleh gas dinyatakan dengan persamaan
Oleh karena A Δs = ΔV, persamaan usaha yang
dilakukan gas dapat ditulis menjadi :
atau
Keterangan :
p =
tekanan gas (N/m2),
|
ΔV =
perubahan volume (m3), dan
|
W = usaha
yang dilakukan gas (joule).
|
Nilai W dapat berharga positif
atau negatif bergantung pada
ketentuan berikut.
a. Jika gas memuai sehingga
perubahan volumenya berharga positif, gas (sistem) tersebut dikatakan melakukan
usaha yang menyebabkan volumenya bertambah. Dengan demikian, usaha W
sistem berharga positif.
b. Jika gas dimampatkan atau ditekan
sehingga perubahan volumenya berharga negatif, pada gas (sistem) diberikan
usaha yang menyebabkan volume sistem berkurang. Dengan demikian, usaha W
pada tersebut sistem ini bernilai negatif.
2. Proses dalam Termodinamika
2.1 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.
Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p
– V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk
grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di
bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang
ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.
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.
2.2 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.
Dimana ∆U
adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R
adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol−1 K−1,
dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).
Terdapat empat proses dalam gas pada bahasan
termodinamika, yaitu proses Isotermal, Isobarik, Isokhorik dan Adiabatik. Usaha
yang terdapat pada gas yang mengalami proses-proses termodinamika tersebut akan
diuraikan sebagai berikut.
a. Proses
Isotermik
Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika
dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang
terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik.
Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U
= 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan
usaha yang dilakukan sistem (Q = W).
b. Proses
Isokhorik
Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume
yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam
volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan
kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat
dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV.
QV = ∆U
c. Proses
Isobarik
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 Qp.
Sebelumnya telah dituliskan bahwa
perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan
QV =∆U
Dari sini
usaha gas dapat dinyatakan sebagai
W = Qp
− QV
Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat
dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan
(Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume
konstan (QV).
d. Proses
Adiabatik
Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk
(diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan
demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W
= ∆U).
Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai
tekanan dan volume masing-masing p1 dan V1
mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2
dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai
Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan
kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai
yang lebih besar dari 1 (γ > 1).
Proses
adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk
kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun
dengan kelengkungan yang lebih curam.
3. Hukum Termodinamika 1
Suhu gas berhubungan dengan energi kinetik yang
dimiliki oleh gas tersebut. Perubahan energi dalam dapat terjadi jika terjadi
perubahan suhu (energi dalam akan meningkat jika suhu gas (sistem) meningkat
atau pada gas diberikan kalor). Apakah perubahan energi dalam dapat terjadi
pada gas yang diberi atau melakukan usaha mekanik?
Hubungan antara kalor yang diterima atau dilepaskan
suatu sistem, usaha yang dilakukan pada sistem, serta perubahan energi dalam
sistem yang ditimbulkan oleh kalor dan usaha tersebut dijelaskan dalam Hukum
Pertama Termodinamika.
Hukum Pertama Termodinamika adalah perluasan bentuk
dari Hukum Kekekalan Energi dalam mekanika. Hukum ini menyatakan bahwa:
"Jumlah kalor pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem
tersebut ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem."
Dengan demikian, meskipun energi kalor sistem telah
berubah menjadi energi mekanik (usaha) dan energi dalam, jumlah seluruh energi
tersebut selalu tetap. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan
sebagai berikut.
dengan:
Q = kalor
yang diterima atau dilepaskan oleh sistem,
|
ΔU
= U2 — U1 = perubahan energi dalam
sistem, dan
|
W = usaha
yang dilakukan sistem.
|
Perjanjian
tanda yang berlaku untuk Persamaan tersebut adalah sebagai berikut.
1. Jika
sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif.
2. Jika
sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif
3. Jika
sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif
4. Jika
sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif
Tugas Mata Kuliah Thermodinamika, Ir. Selastia Yuliati, M.Si.