Termodinamika

1.  Termodinamika, Sistem dan Kesetimbangan

Termodinamika merupakan cabang Fisika yang mempelajari tentang perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lain, terutama perubahan dari energi panas ke dalam energi lain.

Perubahan-perubahan energi dalam termodinamika didasarkan pada dua hukum.

1. Hukum termodinamika pertama yang merupakan pernyataan lain dari hukum kekekalan energi.

2. Hukum termodinamika kedua yang memberi bahasan apakah suatu proses dapat terjadi atau tidak.

Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang digunakan adalah besaran makroskopis suatu sistem, yaitu tekanan, suhu, volume, entropi, kalor, usaha, dan energi dalam.

Sistem adalah sesuatu yang menjadi pusat perhatian kita, Sistem termodinamika adalah suatu sistem yang keadaannya didiskripsikan oleh besaran-besaran termodinamika. Segala sesuatu di luar sistem (yang dapat mempengaruhi keadaan sistem) disebut lingkungan. Suatu permukaan yang membatasi sistem dengan lingkungannya di sebut permukaan batas, yang dapat berupa permukaan nyata (real surface) atau berupa khayal (imaginary surface). Permukaan batas dapat tetap atau berubah bentuknya.

Berdasarkan interaksinya dengan lingkungan, sistem dibedakan  menjadi tiga macam:

1.    Sistem terisolasi adalah suatu sistem yang keadaannya tidak dapat dipengaruhi oleh lingkungannya.

2.    Sistem tertutup adalah suatu sistem yang tidak terjadi perpindahan materi dari sistem ke lingkungannya atau sebaliknya, tetapi dapat terjadi pertukaran (interaksi) energi antara sistem dengan lingkungannya.

3.    Sistem terbuka adalah suatu sistem yang dapat terjadi perpindahan materi dan/atauenergi antara sistem dan lingkungannya.

Dalam termodinamika dikenal beberapa macam keadaan setimbang, yaitu keadaan setimbang mekanik, keadaan setimbang termal, dan keadaan setimbang kimiawi.

1.    Kesetimbangan mekanik, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila tekanan di setiap titik di dalam sistem mempunyai harga yang konstan.

2.    Kesetimbangan termal, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila temperatur di setiap titik di dalam sistem mempunyai harga sama.

3.    Kesetimbangan kimiawi, yaitu kesetimbangan yang terjadi apabila struktur materi (komposisi) di dalam sistem tidak berubah.

2.        sifat–sifat gas ideal dan persamaan keadaan gas

sifat–sifat gas ideal

Gas yang ditinjau dalam pembahasan ini adalah gas ideal, yaitu suatu gas yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut :

o  gas ideal terdiri atas partikel-partikel (atom-atom atau molekulmolekul) yang jumlahnya banyak sekali dan antarpartikelnya tidak terjadi gaya tarik-manarik (interaksi);

o  setiap pertikel gas bergerak dengan arah sembarang;

o  ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan.

Pada kenyataannya tidak ada gas sejati yang memenuhi sifat-sifat gas ideal, tetapi gas pada suhu kamar dan pada tekanan rendah dapat mendekati sifat-sifat gas ideal.

Persamaan keadaan gas 
1. Hukum Boyle

    Tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya asalkan suhunya tetap

P.V = n.R.T

P.V = konstan, atau

P₁.V₁ = P₂.V₂

2.      2. Hukum Gay-Lussac
    Volume gas sebanding dengan suhunya asalkan tekanannya tetap

3.      3. Hukum Boyle-Gay-Lussac
Hukum Boyle-Gay Lussac merupakan sintesis dari Hukum Boyle dan Hukum Gay Lussac, sehingga kedua rumus tersebut dapat disatukan menjadi:

Berdasarkan Hukum gas yang disampaikan dalam Hukum Boyle dan Hukum Gay Lussac, maka didapatkan persamaan umum gas ideal sebagai berikut:

P.V = n.R.T

Dimana:

p = tekanan gas (N/m² atau Pa)

V = volume gas (m³)

n = jumlah mol gas (mol)

R = tetapan gas = 8,314 kJ.mol^-1.K^-1 = 0,08205 liter.atm.mol^-1.K^-1

T = suhu gas (K)

4.        Hukum – Hukum Termodinamika

A.    Hukum Awal (Zeroth Law/Hukum ke-0)
Bunyi Hukum Termodinamika 0 : "Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain"

B.     Hukum Pertama
1. Bunyi Hukum Termodinamika 1 : "Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja."
2. Rumus/Persamaan 1 Termodinamika:
Q = W + ∆U
Q = kalor/panas yang diterima/dilepas (J)
W =  energi/usaha (J)
∆U = perubahan energi (J)

Keterangan:

1.      Jika system melakukan usaha terhadap lingkungan maka W bernilaia positif

2.      Jika system menerima usaha terhadap lingkungan maka W bernilaia negatif

3.      Jika system menerima kalor dari lingkungan maka Q bertanda positif

4.      Jika system melepaskan kalor ke lingkungan maka Q bertanda negative

C.     Hukum Kedua
Bunyi Hukum Termodinamika 2 : "Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya."

Perumusan Kelvin Planck tentang hukum II Termodinamika “tidak ada suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus dapat mengubah kalor

menjadi usaha seluruhnya”

D.    Hukum Ketiga
Bunyi Hukum Termodinamika 3 :
"Suatu sistem yang mencapai temperatur nol absolut, semua prosesnya akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum."
"Entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol."

5.        Proses dan Siklus Termodinamika

Proses Termodinamika

a.    Proses Isobarik

Proses isobarik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap.

usaha yang dilakukan oleh gas selama proses dari A ke B dapat dihitung dengan menghitug luas daerah di bawah grafik (yang diarsir) atau dengan:

W = p . ΔV

W = usaha (J)

p = tekanan gas (Pa atau N/m²)
∆V = perubahan volume (L) = V₂ – V₁

Perubahan Energi dalam (∆u)

          Besarnya kalor:

b.   Proses Isotermal

Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap.

Usaha yang dilakukan gas pada proses isotermik sama dengan luas daerah yang diarsir

Perubahan Energi dalam (∆U)

  ∆U = 0 (karena suhu tetap maka energi dalam sistem juga tidak berubah)

Besarnya kalor:

c.    Proses Isokhorik

Proses isokhorik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada volume tetap.

Selama proses gas dari A ke B karena V2= V1 maka ΔV = 0 sehingga usaha yang dilakukan oleh gas:

W = p . ΔV

W = 0

Jadi pada proses isokhorik gas tidak melakukan usaha terhadap lingkungannya

Perubahan Energi dalam (∆U)

Besarnya kalor:

d.   Proses Adiabatis

merupakan suatu proses di mana tidak ada panas yang keluar atau masuk ke dalam sistem.

Proses ini terjadi pada suatu tempat yang benar-benar terisolasi secara termal. Dalam kenyataannya mustahil mendapatkan proses yang benar-benar adiabatik. Proses yang mendekati adiabatik adalah proses yang berlangsung sangat cepat.

Berdasarkan grafik tersebut, dapat diketahui bahwa:

1) Kurva proses adiabatik lebih curam daripada kurva proses isotermal.

2) Suhu, tekanan, maupun volume pada proses adiabatik tidaktetap.

Oleh karena sistem tidak melepaskan atau menerima kalor, pada kalor sistem proses adiabatik Q sama dengan nol. Dengan demikian, usaha yang dilakukan oleh sistem hanya mengubah energi dalam sistem tersebut.

Pada proses adiabatik hubungan antara tekanan dan volum serta hubungan antara suhu dan volum dari gas dinyatakan dengan persamaan:

 

  γ = konstanta laplace

Sedangkan besarnya usaha:

Perubahan Energi dalam (∆U)

Besarnya kalor:

Q = 0 

Siklus Termodinamika (Siklus Carnot)

Bila system melakukan serangkaian proses, maka usaha yang dihasilkan merupakan jum-lah usaha dari beberapa proses yang dilakukan. Bila proses itu dapat kembali ke posisi awal dikatakan sistem gas melakukan siklus. Siklus Carnot meru-pakan siklus ideal yang terdiri atas 2 proses isothermis dan 2 proses adiabatik.

 

1.         Proses AB = proses ekspansi isothermis

2.         Proses BC = proses ekspansi adiabatis

3.         Proses CD = proses kompresi isothermis

4.         Proses DA= proses kompresi adiabatis

Menurut kurva hubungan p–Vdari siklus Carnot, usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas daerah di dalam kurva p–V siklus tersebut. Oleh karena siklus selalu kembali ke keadaannya semula, ΔU_siklus = 0 sehingga persamaan usaha siklus (W_siklus) dapat dituliskan menjadi

 W_siklus = ΔQ_siklus = Q₁ - Q₂

dengan:

Q₁ = kalor yang diserap sistem, dan

Q₂ = kalor yang dilepaskan sistem.

Perbandingan antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energy kalor yang diserapnya (Q₁) disebut sebagai efisiensi mesin (η)

Pada mesin Carnot, besarnya kalor yang diserap oleh sistem (Q₁) sama dengan

temperatur reservoir suhu tingginya (T₁). Demikian juga, besarnya kalor yang

dilepaskan sistem (Q₂) sama dengan temperatur reservoir suhu rendah (T₂) mesin Carnot tersebut. Sehinga berlaku: