sistem dan lingkungan

KOMANG SUARDIKA ; 0913021034; PENDIDIKAN FISIKA;UNDIKSHA

Sistem dan Lingkungan

1. Pengertian umum termodinamika

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani, yaitu thermos yang artinya panas dan

dynamic yang artinya perubahan . Termodinamika merupakan cabang dari ilmu fisika

yang mempelajari tentang proses perpindahan energy sebagai kalor dan usaha antara

system dan lingkungan.. Prinsip - prinsip termodinamika dapat dirangkum menjadi 3

hukum yaitu hukum ke nol Termodinamika yang menjelaskan tentang kesetimbangan

termal, hukum I Termodinamika yang merupakan pernyataan hukum kekekalan energy,

dan hukum II termodinamika yang memberikan batasan tentang arah perpindahan kalor

yang dapat terjadi dan prinsip peningkatan entropi.

Prinsip-prinsip dan metode-metode termodinamika digunakan untuk menjelaskan

kerja beberapa system, menjelaskan mengapa suatu system tertentu tidak bekerja seperti

yang diinginkan, menjelaskan mengapa suatu system sama sekali tidak mungkin bekerja,

serta digunakan untuk merencanakan system atau mesin-mesin, seperti motor bakar.

2. Sistem termodinamika dan lingkungan

Sistem termodinamika adalah suatu batasan yang dipakai untuk menunjukkan

benda kerja dalam suatu permukaan tertutup. Permukaan tertutup dapat berupa khayalan

maupun berupa kenyataan. Contohnya :

Sebongkah es terapung di atas air, maka yang merupakan sistem adalah es dan air

merupakan permukaan tertutup, sehingga dalam hal ini permukaan tertutup adalah

keadaan khayalan.

Udara yang ditekan di dalam suatu silinder, maka yang merupakan system adalah

udara yang ditekan dalam silinder, sedangkan sedangkan permukaan tertutupnya

adalah permukaan yang dibatasi silinder. sehingga dalam hal ini permukaan

tertutup adalah kenyataan.

Sistem termodinamika mempunyai batas system, dan segala sesuatu yang berada

di luar sistem disebut lingkungan. Batas antara sistem dan lingkungan ada tiga, yaitu

dinding diatermik, dinding adiabatik, dan rigid. Dinding diatermik adalah batas antara

sistem dan lingkungan yang memungkinkan terjadi pertukaran kalor antara sistem dengan

Sistem Termodinamika

Skema : Sistem Termodinamika

Batas Sistem

Lingkungan


lingkungan. Dinding adiabatik merupakan batas antara sistem dengan lingkungan yang

tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara sistem dengan lingkungan.

Dinding rigid merupakan batas antara sistem dan lingkungan yang tidak memungkinkan

terjadi pertukaran kerja.

Sistem termodinamika di klasifikasikan menjadi tiga yaitu : Sistem tertutup, Suatu

sistem disebut tertutup apabila hanya terjadi pertukaran energi tetapi tidak terjadi

pertukaran materi dengan lingkungan. Contoh nya pada balon udara yang dipanaskan,

dimana energy panas akan masuk ke massa udara di dalam balon dan volumenya bisa

berubah, tetapi massa udara di dalam balon. Sistem terbuka, merupakan system dimana

antara system dan lingkungan memungkinkan terjadi pertukaran materi dan energi. Batas

yang memperbolehkan terjadi pertukaran materi disebut batas permeable. Sistem

terisolasi, adalah antara system dan lingkungan tidak terjadi pertukaran materi , dan

energy( panas dan kerja)

System memiliki sifat-sifat yaitu sifat ekstensif dan sifat intensif. Sifat ekstensif

merupakan sifat system yang harga untuk keseluruhan system merupakan jumlah dari

harga komponen-komponen individu system tersebut, Contohnya, volume total, massa

total, energy total. Sedangkan sifat intensif merupakan sifat system yang bukan

merupakan jumlah dari komponen-komponen individu system tersebut, contohnya sifat

temperature, tekanan daan kerapatan system.

Gas( p, V, dan T )


3. Keadaan sistem (State of a system)

Keadaan sistem termodinamika dapat dinyatakan dengan beberapa besaran,

diantaranya tekanan (P), temperature (T), volume (V), dan kerapatan. Dalam

termodinamika besaran dibedakan menjadi dua yaitu, besaran extensif dan besaran

intensif. Besaran extensif adalah suatu besaran yang dipengaruhi oleh massa atau jumlah

mol sistem. Contohnya adalah volume, kapasitas panas (C). Besaran intesif adalah suatu

besaran yang tidak dipengaruhi oleh massa atau jumlah mol sistem. Contohnya adalah

tekanan dan temperatur. Keadaan sistem sangat bergantung pada koordinat sistem.

Dalam hal ini koordinat sistem atau variabel keadaan sistem adalah suatu kwantitas yang

dapat menggambarkan keadaan sistem. Keadaan sistem akan berubah jika koordinatnya

berubah. Contoh: Gas dalam silinder, keadaan sistem dinyatakan dengan tekanan,

volume, temperatur. yang dalam hal ini p, V, dan T merupakan koordinat termodinamika/

variabel keadan sistem. Keadaan sistem akan berubah jika p, V, dan T gas berubah (Rapi,

2009).

Keadaan sistem baru bisa dinyatakan dengan koordinat sistem jika sistem berada

dalam kesetimbangan termodinamika. Dimana sistem dalam keadaan kesetimbangan

termodinamika jika sistem berada dalam keadaan kesetimbangan mekanis, kimiawi, dan

kesetimbangan termal.

Sistem berada dalam kesetimbangan mekanis, jika resultan gaya yang bekerja di

bagian dalam sistem atau antara sistem dengan ingkungan sama dengan nol

(Tekana diseluruh bagian sistem sama).

Sistem berada dalam keseimbangan kimiawi, jika sistem tidak mengalami

perubahan spontan dari struktur internalnya. Dimana tidak terjadi reaksi-reaksi

kimiawi yang dapat mengubah jumlah partikel semulanya, didalamnya tidak

terjadi perpindahan zat dari bagian yang satu ke bagian yang lain(difusi) dan tidak

terjadi pelarutan atau kondensasi.


Sistem berada dalam kesetimbangan termal, jika temperatur sistem sama dengan

temperatur lingkungannya, dan temperatur semua bagian sistem sama.

Sistem dikatakan berubah jika koordinat pada sistem berubah secara spontan

ataupun pengaruh dari luar, bila sistem berubah biasanya terjadi interaksi sistem dengan

lingkungannya (Zemansky dan Dittman, 1986).

Setiap sistem dengan massa tetap melakukan tekanan hidrostatik sebagaimana

pada lingkungannya, tanpa efek permukaan, gravitasi, listrik dan kemagnetan disebut

sistem hidrostatik. Keadaan setimbang sistem hidrostatik dapat diperkirakan dengan

bantuan tiga koordinat yaitu tekanan P, yang ditimbulkan oleh sistem pada lingkungan,

volume V, dan temperature T. Tekanan diukur dalam newton per meter kuadrat (pascal)

dan volume dalam meter kubik, dan skala temperatur yang digunakan adalah skala

temperature gas ideal (Zemansky & Dittman, 1986).

Apabila tidak ada gaya yang berimbang di bagian dalam sistem dan juga tidak

antara sistem dengan lingkungan maka sistem dikatakan dalam keadaan setimbang

mekanis. Jika persyaratan itu tidak dipenuhi maka sistem dan lingkungan akan

mengalami perubahan keadaan dan baru berhenti jika kesetimbangan mekanisnya pulih.

Apabila sistem pada keadaan setimbang mekanis tidak cenderung mengalami

perubahan spontan dari struktur internalnya seperti reaksi kimia atau perpindahan materi

maka sistem dikatakan dalam keadaan setimbang kimia. Jika persyaratan itu tidak

dipenuhi maka sistem dan lingkungan akan mengalami perubahan keadaan dan baru

berhenti jika kesetimbangan kimianya pulih.

Kesetimbangan termal terjadi apabila tidak terjadi perubahan spontan dalam

koordinat sistem yang ada dalam kesetimbangan mekanis dan kesetimbangan kimia bila

sistem itu dipisahkan dari lingkungannya.

4. Pengertian proses

Proses dalam termodinamika merupakan suatu perubahan yang terjadi pada

koordinat termodinamika. Koordinat termodinamika merupakan suatu kuantitas

makroskopis yang dipakai dalam termodinamika itu sendiri. Koordinat termodinamika,

misalnya volume, tekanan, temperatur dan yang lainnya. Jika koordinat termodinamika


tersebut berubah maka sistem dikatakan mengalami proses. Sistem mengalami proses

karena adanya interaksi antara sistem dengan lingkungan. Terdapat tiga jenis interaksi

yaitu sebagai berikut:

1. Interaksi melalui usaha luar

2. Interaksi melalui pertukaran kalor

3. Interaksi melalui usaha luar + pertukaran kalor

A. Interaksi Melalui Usaha Luar

Terjadinya proses melalui interaksi ini menyatakan bahwa usaha luar itu dilakukan

oleh sistem. ika 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.

W = p∆V= p(V2 – V1)

Secara umum, usaha dapat dinyatakan sebagai integral tekanan terhadap perubahan

volume yang ditulis sebagai

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.

B. Interaksi Melalui Pertukaran Kalor

Kalor dalam termodinamika dianggap sebagai energi dalam perjalanan yang

melewati batas yang memisahkan sebuah sistem dengan lingkungan. Namun, berbeda

dengan kerja, perpindahan kalor yang dihasilkan dari perbedaan suhu antara sistem dan

lingkungannya. Interaksi ini secara garis besarnya hanya dipengaruhi oleh perpedaan

suhu sistem dengan lingkungannya.

C. Interaksi Melalui Usaha Luar + Pertukaran Kalor

Proses juga dapat terjadi akubat adanya interaksi melaui usaha luar dan juga terjadi

perpindahan kalor. Ini artinya bahwa dalam proses tersebut selain terjadi perubahan pada

aspek makroskopik juga terjadi perubahan yang disebabkan karena adanya perbedaan

suhu antara sistem dengan lingkungan, sehingga selain terjadi usaha luar juga terjadi

pertukaran kalor.


Dalam mempelajari suatu sistem terdapat beberapa dasar umum yang harus

dipelajari yaitu sebagai berikut.

1. Proses Reversibel

Proses reversibel adalah suatu proses yang keadaan mula-mula dari sistem dapat

dikembalikan tanpa merubah keadaan sekelilingnya. Proses reversibel juga dapat

diartikan suatu proses yang berlangsung sangat lambat, sehingga setiap saat sistem

selalu dalam keadaan setimbang. Proses revrsibel ini merupakan suatu hal yang

idealistis dimana secara kajian alam, tidak mungkin terjadi hal tersebut.

2. Proses Ireversibel

Proses ireversibel adalah suatu proses yang keadaan mula-mula dari sistem tidak dapat

dikembalikan tanpa merubah keadaan disekelilingnya.

Contoh:

Terjadinya perpindanghan kalor dari suhu tinggi ke suhu rendah. Proses tersebut tidak

dapat terjadi dalam hal kebalikannnya, yaitu kalor berpindah dari suhu rendah ke suhu

tinggi. Dan perpindahan kalor yang telah terjadi dari suhu tinggi ke suhu rendah tidak

dapat ditransfer kembali ke keaadan semula.

3. Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah suatu proses yang tidak disertai dengan pertukaran kalor antara

sistem dengan lingkungannya. Antara sistem dan lingkungannya hanya terjadi interaksi

melalui usaha luar. Proses adiabatik terjadi, misalnya pada ekspansi uap di dalam

selinder pada sebuah mesin uap, pemuaian gas yang sangat cepat pada mesin

pembakaran. Demikian pula pada system pendinginan dan kompresi udara pada mesin

diesel atau di dalam sebuah mesin kompresor udara. Di samping itu, kompresi dan

perenggangan sebuah gelombang bunyi di dalam suatu gas adalah proses-proses

adiabatik.

4. Proses Isotermis

Proses isotermis adalah proses dalam suatu sistem yang suhunya dipertahankan tetap.

Misalnya, kita meninjau suatu sistem dari keadaan gas ideal, jika suhunya konstan


maka kalor yang diberikan pada sistem seluruhnya dipergunakan untuk melakukan

kerja. Secara matematik dirumuskan sebagai berikut.

Q = W

Misalkan, gas ideal mengalami ekspansi secara kuasi statik pada temperatur konstan

seperti yang ditunjukkan dengan diagram PV dibawah ini.

PV untuk ekspansi isothermal gas ideal dari keadaan awal dan keadaan akhir. Kurva berbentuk parabola

Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh gas yang berekspansi dari keadaan awal

i sampai keadaan akhir f. Kerja yang dilakukan gas diberikan dengan persamaan

sebagai berikut.

Karena temperatur T konstan, maka dapat dikeluarkan dari integral, sehingga

diperoleh:

Secara numerik, kerja W adalah luas daerah diarsir di bawah kurva PV pada Gambar

4.1.4. Karena gas mengalami ekspansi, maka Vf > Vi, ini berarti kerja yang dilakukan

oleh gas berharga positif. Sebaliknya, jika maka Vf < Vi, ini berarti kerja yang

dilakukan oleh gas berharga negatif.

Pi

Pf

Vi Vf


5. Proses Isokorik

Proses isokorik adalah proses dalam suatu sistem yang velomenya dipertahankan tetap.

ini berarti dV = 0 dan dalam proses ini berlaku rumus p/T= C. Dalam proses isokorik

ini penambahan kalor ke dalam sistem, seluruhnya dipergunakan untuk menaikkan

energi dalam.

6. Proses Isobar

Proses isobar adalah proses dalam suatu sistem yang tekanannya dipertahankan tetap.

ini berarti dP = 0 dan dalam proses ini berlaku rumus: V/T = C. Jika melihat besarnya

usaha yang dilakukan dalam proses ini dapat dirumuskan sebagai berikut.

W=∫V i

V f

PdV= P(Vf – Vi)

Proses isobarik ini dapat dijumpai pada kasus pemanasan air di dalam ketel mesin uap

sampai ke titik didihnya dan diuapkan sampai air menjadi uap, kemudian uap tersebut

disuperpanaskan (superheated), dengan semua proses berlangsung pada suatu tekanan

konstan. Sistem tersebut adalah H2O di dalam sebuah wadah yang berbentuk selinder.

Sebuah pengisap kedap udara yang tak mempunyai gesekan dibebani dengan pasir

untuk menghasilkan tekanan yang diinginkan pada H2O dan untuk mempertahankan

tekanan tersebut secara otomatis. Kalor dapat dipindahkan dari lingkungan ke sistem

dengan menggunakan sebuah pembakar bunsen. Jika proses tersebut terus berlangsung

cukup lama, maka air mendidih dan sebagian air tersebut diubah menjadi uap. Sistem

tersebut bereskpansi secara kuasi statik tetapi tekanan yang dikerahkan sistem pada

pengisap otomatis akan konstan.

Luasan di bawah kurva = usaha yang dilakukan sistem

Pemisah Diabat

Sistem AX,Y

Sistem BX’Y’

Sistem AX,Y

Sistem BX’Y’


5. Temperatur dan Termometer

5.1 Temperatur

Tinjauan Hukum ke – Nol Termodinamika

Temperatur menyatakan ukuran panas atau dinginnya suatu benda. Sebelum jauh

meninjau mengenai konsep dari temperatur, maka adapun suatu gambaran yang dapat

dijadikan sebagai bahan dalam pembahasan ini yaitu sebagai berikut.

Keadaan sistem yang memiliki harga Y dan X tertentu selama kondisi eksternal

tidak berubah disebut dengan keadaan setimbang. Adanya keadaan setimbang dalam suatu

sistem bergantung pada sistem lain yang ada di dekatnya dan sifat dinding yang

memisahkannya. Dindingnya dapat beruba dinding diabatik atau diaterm. Jika dindingnya

diabat maka, untuk sistem A yang mempunyai keadaan X, Y dan sistem B yang

mempunyai keadaan X’,Y’ dapat bersama-sama sebagai keadaan setimbang untuk setiap

harga yang bisa dimiliki oleh keempat kuantitas itu, asal dinding itu dapat menahan

koordinat itu. Yang termasuk dalam dinding diabat, misalnya kayu, beton, asbes, kain,

beludru, karet busa, dan yang lainnya. Jika kedua sistem dipisahkan dengan dinding

diaterm harga Y,X dan Y’,X’ akan berubah secara spontan sampai keadaan setimbang

sistem gabungan ini tercapai.

Dalam keadaan demikian, kedua sistem itu dalam kesetimbangan termal. Dinding

diaterm yang sering dijumpai ialah lempengan logam tipis. Kesetimbangan termal adalah

keadaan yang dicapai oleh dua atau lebih sistem yang dicirikan oleh keterbatasan harga

koordinat sistem itu setelah sistem saling berinteraksi melalui dinding diaterm. Bayangkan

Pemisah Diaterm

Sistem C

Sistem A Sistem B

Jika A dan B dalam kesetimbangan dengan C

Sistem C

Sistem A Sistem B

Jika A dan B dalam kesetimbangan termal satu sama lain


dua sistem A dan B yang dipisahkan oleh dinding adiabat, tetapi masing-masing

bersentuhan dengan sistem ketiga, yaitu C melalui dinding diaterm dan ketiga sistem

berada pada dinding diabatik seperti gambar berikut.

Percobaan memperlihatkan bahwa kedua sistem akan mencapai kesetimbangan termal

dengan sistem ketiga dan tidak akan ada perubahan lagi jika dinding adiabat yang memisahkan A

dan B digantikan oleh dinding diaterm seperti gambar dibawah ini.


Jika alih-alih dibiarkan sistem A dan B mencapai kesetimbangan dengan C pada

waktu yang bersamaan, mula-mula kita dapatkan kesetimbangan antara A dan C,

kemudian kesetimbangan antara B dengan C. Bila A dan B dibiarkan berinteraksi melalui

dinding diaterm, kedua sistem itu ternyata dalam kesetimbangan termal. Untuk

menyatakan bahwa kedua sistem itu dalam keadaan sedemikian, sehingga jika kedua

sistem itu berhubungan melalui dinding diaterm, maka sistem gabungannya akan tetap

dalam kesetibangan termal. Berdasarkan dari pernyataan itu maka dapat dibuatkan suatu

postulat yang menyatakan bahwa “Dua sistem yang ada dalam kesetimbangan termal

dengan sistem ketiga, berarti dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Postulat itu

sebagai hukum ke nol termodinamika.

5.2 Konsep Termometer

Thermometer merupakan alat pengukur suhu. Adapun jenis thermometer berdasarkan

atas gejala dimana besaran fisis tertentu berubah apabila suhu berubah yaitu

Thermometer gas pada tekanan tetap, yaitu thermometer yang volume gasnya

berubah akibat perubahan temperature dan dapat dinyatakan dengan

persamaan : V = V(T)

Thermometer cairan, yaitu thermometer yang panjang cairannya akan berubah

karena perubahan temperature dan dinyatakan dengan persamaan : L = L(T)

Thermometer resistor, yaitu jenis thermometer yang tahanan jenisnya akan

berubah akibat perubahan temperature dan dapat dinyatakan dengan

persamaan : ρ = ρ(T )

Pirometer , yaitu jenis thermometer yang intensitasnya berubah karena

perubahan suhu, dan dapat dinyatakan dengan persamaan : I = I(T)

Termistor jenis thermometer yang kuat arusnya berubah karena perubahan

suhu, dan dapat dinyatakan dengan persamaan : i = i(T)

Termokopel , jenis thermometer yang GGL nya berbuah karena perubahan

suhu, dan dinyatakan dengan persamaan E = E(T)


V , L , dan ρ disebut dengan thermometric property yaitu suatu sifat fisis yang

berubah karena perubahan temperature. Jika thermometric property dilambangkan

dengan x, maka dapat dirumuskan x = x (T), untuk kemudahan dalam membaca

skala, maka x dipilih sebagai fungsi linier dari temperature, sehingga dapat

dirumuskan : x = CT atau

xT

=C atau

x1

T1

=x2

T 2 .

Maka suhu yang hendak diukur dapat dirumuskan :

T 1=T 2

x1

x2 …………………………………………………………..(1)

Dengan,

T1 = suhu yang hendak diukur

T2 = suhu acuan

x1 = nilai thermometric property pada suhu yang hendak diukur

x2 = nilai thermometric property pada suhu acuan

Titik acuan yang diambil adalah suhu tripel air murni dengan nlai T2 = 273,16 K,

sehingga persamaan (1) akan menjadi,

T 1=273 , 16x1

x2

K………………………………………………...(2)

Sehingga Skala suhu pada thermometer gas pada volume tetap, dapat dirumuskan,

T=273 , 16PP2

K………………………………………………...(3)

Jika jumlah gas yang digunakan tinggal sedikit, maka pada thermometer gas

volume tetap, hubungan linier antara P dan T benar-benar terpenuhi dengan baik.

Sehingga persamaannya merupakan definisi suhu gas ideal, yaitu ;

T=lim it P , P→0 273 , 16PP2

K………………………………………………...(4)

sistem dan lingkungan

Documents