TERMODINAMIKA

Termodinamika merupakan salah satu bidang terpenting dalam ilmu pengetahuan yang memusatkan perhatian pada energi. Dalam termodinamika kita mempelajari tentang perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lainnya, serta hubungan kalor dan energi mekanik. Selain itu termodinamika dapat digunakan untuk menjelaskan cara kerja berbagai sistem. Demikian pula jika suatu sistem tidak bekerja seperti yang diinginkan atau jika suatu sistem sama sekali tidak mungkin bekerja, semuanya dapat dijelaskan dengan termodinamika.

Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hukum-hukum yang mengatur perubahan energi dari suatu bentuk ke bentuk lain, arah lain, dan kemampuan energi melakukan kerja.

SISTEM & LINGKUNGANSistem dapat diartikan sebagai sesuatu yang menjadi subyek pembahasan atau

fokus perhatian. Sistem dapat berbentuk sekumpulan zat tertentu seperti gas dalam tabung, atau dapat berupa sebuah daerah dalam ruang. Dalam termodinamika, sistem dapat dibedakan menjadi tiga macam yaitu system terbuka, tertutup dan system terisolasi. Dalam system terbuka, perpindahan massa dan energi dapat berlangsung hingga menembus batas system, contohnya suatu tangki air yang terbuka. Dalam system tertutup, tidak ada proses perpindahan massa melalui batas system tetepi dapat terjadi perpindahan energi, contohnya adalah gas yang terdapat dalam sebuah balon. Sementara itu pada system terisolasi tidak ada perpindahan massa dan energi yang menembus batas sistem, contohnya suatu termos yang berisi air panas atau air dingin.

Lingkungan didefinisikan sebagai segala sesuatu yang tidak termasuk dalam system atau segala keadaan di luar system.

SIFAT DAN TINGKAT KEADAAN TERMODINAMIKASifat didefinisikan sebagai semua karateristik yang dimiliki oleh suatu zat yang

dapat ditentukan secara kuantitatif. Kerja dan kalor bukan sifat suatu zat karena kerja dan kalor merupakan sesuatu yang diterapkan terhadap suatu system untuk menghasilkan perubahan sifat-sifat yang dimiliki oleh zat yang ada dalam system tersebut. Semua sifat system yang secara keseluruhan mudah diukur dikenal sebagai sifat makroskopis. Sifat ini dikelompokkan atas dua bagian, yaitu sifat intensif dan sifat ekstensif. Sifat intensif adalah sifat makroskopis yang tidak bergantung pada masa system. Sifat ekstensif adalah sifat makroskopis yang bergantung pada massa atau kuantitas zat.

Jenis tingkat keadaan suatu zatTingkat keadaan zat Sifat-sifat zat

Geometri Panjang, tebal, lebar, momen inersia, volume

Kinematika Posisi, kecepatan, dan percepatanHidrodinamika Tekanan, tegangan geser, laju pereganganElektromagnetik Kuat medan listrik, momen dipole magnet,

muatan

Kimia Komposisi kimia, muatan bebas, energi, entropi

Estetika Bau, warna, daya penarikTermodinamika Entropi, energi, suhu, volume, tekanan,

teganganKuantum mekanik Momentum partikel, energi partikel,

volume total

PERUBAHAN TINGKAT KEADAAN GASPerubahan tingkat keadaan suatu gas dapat terjadi jika suhu, tekanan, dan volume

gas tersebut berubah. Molekul-molekul gas tersebut akan mengalami perubahan tingkat keadaan secara berkesinambungan selama terjadi interaksi antarmolekul gas tersebut. Jika suatu system diisolasi dan molekul-molekul gas dalam system tersebut dibiarkan berinteraksi bebas satu sama lain, perubahan tingkat keadaan gas tersebut dapat diamati secara makroskopis. Setelah beberapa saat, perubahan tersebut tidak teramati lagi oleh peralatan makroskopis, tetapi kegiatan dalam skala mikroskopis mungkin saja tetap berlangsung. Pada keadaan seperti ini, berbagai sifat termodinamika yang terukur seperti suhu, tekanan dan volume akan bernilai konstan sehingga menghasilkan suatu tingkat keadaan yang baru bagi gas tersebut.

PROSES TERMODINAMIKAProses perubahan energi menjadi energi lain atau perubahan energi menjadi usaha

terjadi dalam berbagai bentuk proses termodinamika. Di antara berbagai proses tersebut, ada empat macam proses yang lebih khusus yaitu proses isotermal, isobarik, isokhorik dan adiabatik.Proses isotermal

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

(usaha oleh gas)

(usaha lingkungan oleh gas)

Proses isobarikProses isobarik adalah proses perubahan tingkat keadaan suatu gas yang

berlangsung pada tekanan konstan.

(usaha oleh gas)

(usaha oleh lingkungan terhadap gas)

Proses isokhorikProses isokhorik (isovolume) adalah proses perubahan tingkat suatu gas yang

berlangsung pada volume konstan. Dalam proses isokhorik, hanya tekanan dan suhu yang dapat berubah. Jika gas dipanaskan, tekanan gas akan naik, sebaliknya jika didinginkan maka tekanan akan turun. Karena volume gas selalu tetap maka usaha yang dilakukan gas atau lingkungan berharga nol.

Proses adiabatikProses adibatik adalah proses perubahan tingkat keadaan suatu gas dimana selama

proses tersebut tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari system.

(usaha yang dilakukan oleh gas)

(usaha yang dilakukan lingkungan terhadap gas)

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKAKonsep energi dalam (U)

Penentuan U sebagai tingkat keadaan suatu system merupakan salah satu persoalan pokok dalam termodinamika.

(untuk gas monoatomik)

(untuk gas diatomik)

Pernyataan hukum pertama termodinamikaPrinsip dasar dalam termodinamika menyatakan bahwa zat mempunyai energi

dimana energi tersebut bersifat kekal, namun dapat di ubah dari satu bentuk energi menjadi bentuk energi lainnya. Gagasan ini di sebut sebagai hukum termodinamika pertama. Jika hukum pertama ini dikaitkan dengan proses suatu system memperoleh energi dari lingkungannya atau memberikan energi ke lingkungannya, masukan energi total ke dalam system harus tepat sama dengan kenaikan energi dalam system tersebut. Pernyataan ini di kenal sebagai keseimbangan energi system.

KALOR JENIS DAN KAPASITAS KALOR GASAda beberapa sifat penting yang berhubungan dengan energi dalam (U) yang

dimiliki oleh suatu gas. Beberapa sifat tersebut adalah kalor jenis dan kapasitas kalor.

Kalor jenis (Specific heat)

Untuk massa zat yang sama, setiap zat akan mengalami peningkatan suhu yang berbeda meskipun telah menerima jumlah kalor yang sama. Berdasarkan kenyataan ini dapat didefinisikan suatu sifat zat yang berkaitan dengan kalor dan kenaikan suhu yang disebabkan kalor tersebut. Sifat ini disebut kalor jenis (c) dan didefinisikan sebagai jumlah kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu suatu zat sebesar 1 K per satuan massa zat tersebut.

Satuan internasional adalah J/kg.K

Kapasitas kalorKapasitas kalor untuk zat cair yang didefinisikan sebagai jumlah kalor yang

dibutuhkan untuk menaikkan suhu zat cair tersebut sebesar 1 K.

C = m x c

Dengan :C = kapasitas kalor (J/K)m = massa zat (kg)c = kalor jenis (J/kg.K)

Kalor jenis molar (Molar specific heat)Kalor jenis molar didefinisikan sebagai jumlah kalor yang dibutuhkan untuk

menaikkan suhu satu mol suatu zat sebesar 1 K.

Satuan internasional adalah J/mol.K

Dengan :n = jumlah mol zat

HUKUM KEDUA TERMODINAMIKAHukum kedua termodinamika dikemukakan dalam berbagai versi, tetapi pada

hakikatnya hukum ini dapat mengatur atau menjelaskan proses yang dapat berlangsung dan yang tidak berlangsung meskipun menurut hukum pertama proses-proses tersebut mungkin dapat terjadi.

Hukum kedua termodinamika versi clausiusHukum kedua termodinamika versi clausius berhubungan dengan aliran kalor

secara spontan. Hukum ini dikemukakan oleh fisikawan Jerman, Rudolf Clausius. Menurut hukum ini, jika dua benda dikontakkan, kalor akan mengalr secara spontan dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah. Kalor tidak mungkin mengalir secara spontan dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi.Hukum kedua termodinamika versi carnot

Hukum kedua termodinamika versi carnot menyangkut mesin kalor yang tidak dapat mengubah sejumlah kalor menjadi kerja seluruhnya atau tidak ada mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%.

Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan entropioHukum termodinamika menurut versi ini menyatakan bahwa suatu proses hanya

dapat terjadi jika tingkat ketidakteraturan suatu keadaan menuju ke tingkat ketidakteraturan yang lebih besar.Entropi adalah ukuran keteraturan atau ketidakteraturan suatu system. Jadi, hukum kedua mengharuskan adanya perubahan entropi (S).

KONSEP PROSES REVERSIBEL DAN TAK REVERSIBELSebuah proses yang sedang berlangsung pada suatu system dalam urutan maju.

Apabila perubahan tingkat keadaan pada system ini berlangsung sedemikian rupa sehingga entropinya bertambah besar, pada proses mundur entropi akan berkurang. Keadaan ini tidak mungkin terjadi karena bertentangan dengan hukum termodinamika kedua. Proses ini disebut tak reversible atau tidak dapat balik.Akan tetapi, apabila dalam proses maju entropi tidak berubah, entropi juga tidak akan berubah dalam proses mundur sehingga proses dapat berlangsung dalam arah maju atau mundur tanpa melanggar hukum kedua termodinamika. Proses seperti ini disebut proses reversible atau proses dapat balik. Jadi, dalam proses reversible tidak terjadi perubahan entropi, sedangkan dalam proses tak reversible terjadi perubahan entropi.

SIKLUS TERMODINAMIKASiklus udara volume konstanEfisiensi untuk siklus Otto dapat dituliskan sebagai berikut :

Dengan :

Siklus udara tekanan konstanSiklus udara tekanan konstan dikenal juga sebagai siklus Diesel.

siklus diesel =

Dengan :;

Efisiensi mesin kalorDiperoleh efisiensi mesin carnot sebagai berikut :