Termodinamika

        Tahukah kalian apa itu termodinamika? Termodinamika berasal dari 2 kata yaitu 'thermos' artinya panas dan 'dynamic' artinya gerak, merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari perubahan energi kalor menjadi bentuk energi lainnya. Ada dua istilah yang penting dalam termodinamika yaitu sistem dan lingkungan, apa kalian tahu perbedaannya?

A. Definisi Sistem dan Lingkungan 

    Sistem dapat didefinisikan sebagai suatu keadaan atau objek yang menjadi pusat utama suatu pengamatan / sebagai tempat terjadinya perubahan energi. Sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu yang berada diluar sistem dan dapat memberikan berbagai bentuk pengaruh terhadap keadaan dalam sistem. 

        Hubungan sistem dan lingkungan tidak hanya bersangkutan dengan teori saja, tapi nyata dalam kehidupan sehari-hari misalnya perhatikan gambar berikut.

Image: shuttershock

        Segelas teh panas dipagi hari dengan beberapa sendok teh gula pasir selalu menjadi pilihan terbaik sebelum memulai aktifitas dihari yang baru, keberadaan gula dan teh merupakan sistem sedangkan udara disekitarnya merupakan lingkungan.

.B. Hukum I Termodinamika

     Hukum I termodinamika merupakan hukum kekekalan energi yang diaplikasikan dalam perubahan energi dalam yang dialami suatu sistem. Bunyi dari hukum 1 termodinamika yaitu: "Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya." (Prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada usaha, kalor, dan energi dalam). 
       Usaha adalah besaran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya, sedangkan kalor atau lebih tepatnya aliran kalor merupakan hasil dari perpindahan energi yang melibatkan adanya perubahan suhu atau perubahan wujud zat. Energi dalam merupakan energi suatu sistem yang tidak terlihat, dapat diartikan sebagai suatu sidat mikroskopis zat sehingga tidak dapat diukur secara langsung. Secara matematis hukum 1 termodinamika dapat ditulis:

C. Proses-proses Termodinamika

1. Proses isobarik : merupakan suatu proses yang melibatkan adanya perubahan energi pada tekanan  yang tetap  (∆P=0). Untuk mencari usaha (W) dari proses isobarik dapat menggunakan persamaan 

W = P∆V

(Nilai usaha gas pada tekanan tetap)

        Untuk mencari usaha (W) gas pada tekanan yang berubah, dapat digunakan persamaan :

Keterangan :

 1.) Jika V_akhir >V_awal artinya gas mengembang / memuai : W (+) : Ekspansi isobarik.

 2.) Jika V_akhir <V_awal artinya gas memampat / menyusut : W (-) : Kompresi isobarik.

        

        Pada proses isobarik digunakan persamaan hukum Gay Lussac :

2. Proses Isokhorik  : merupakan proses perubahan gas pada volume tetap (∆V), dengan menggunakan persamaan hukum Charles :

3. Proses Isotermal : merupakan proses perubahan gas pada suhu tetap (∆T), dengan           menggunakan persamaan hukum Boyle :

4. Proses adiabatik : merupakan proses perubahan gas saat tidak ada aliran kalor (Q=0)    yang masuk atau keluar sistem, sehingga pada adiabatik tidak berlaku persamaan :

P₂V₂ = P₁V₁

        Persamaan keadaan pada proses adiabatik meliputi tetapan laplace:

atau

        Sehingga besar usaha (W) pada proses adiabatik juga bergantung pada tetapan laplace :

        Karena Q=0 maka perubahan energi dalamnyanya yaitu :

        ∆U = - W 

D. Hukum 2 Termodinamika

        Pada hukum 1 teremodinamika perpindahan kalor dapat terjadi secara bebas artinya tanpa batasan, namun pada hukum 2 termodinamika dijelaskan bahwa aliran kalor memiliki arah : " Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan usaha". Aplikasi hukum 2 termodinamika dilakukan dalam studi tentang mesin kalor.  

1. Formulasi Kelvin-Planck : "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 usaha mekanik". Dalam formulasinya Kelvin dan Planck menyatakan bahwa tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari lautan dan menggunakan energi ini untuk menjalankan  generator listrik tanpa efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer.

2. Formulasi Rudolf Clausius : "Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja  dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas". Dalam formulasinya Clausius menyatakan bahwa tidak ada mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang dapat membekukan air dan menggunakan energi yang dibebaskan dari proses pembekuan ini untuk mendidihkan lebih banyak air tanpa efek lebih lanjut.

E. Siklus Carnot

        Meskipun mesin uap sudah ditemukan lebih dahulu dan dikembangkan oleh James Watt dan lainnya, namun prinsip-prinsip mesin kalor baru muncul tahun 1824, yaitu pada saay Nicolas Leonard Sadi Carnot mempublikasikan suatu laporan subjek. Dalam laporan subjek tersebut Carnot merumuskan ide dasar dari termodinamika, ia mengatakan bahwa semua perpindahan (pergerakkan) berhubungan dengan kalor. Walaupun kita akan membahwa ide Carnot sebagai suatu mesin ideal yang tidak dapat dibuat, idenya memiliki sisi praktis sampai saat ini, dimana mesin Carnot ideal membangun batas efisiensi paling tinggi dari semua mesin, termasuk mesin uap, mesin diesel dan bensin, mesin jet, dan reakor atom. 
        Carnot mengusulkan suatu mesin kalor ideal yang bekerja secara siklus dan dapat balik (reversible) di anata dua suhu, hal ini karena usaha hanya dapat dilakukan ketika kalor mengalir dari suatu suhu tinggi ke suhu rendah. Gambar berikut menunjukkan diagram komponen-komponen lain dari suatu mesin Carnot sebagai tambahan pada wada silinder yang mengurung fluida kerja.

    

(Sainspedia, 2015)

            Operasi mesin Carnot adalh menggerakkan silinder dalam suatu cara yang sudah ditentukan dari saru dasar isolator ke dasar isolator lain dan kemudian mengulangi siklus. Berikut adalah diagram P-V untuk siklus Carnot:

(Sainspedia, 2015)

1. Langkah 1, siklus diawal dengan wada silinder yang kotak dengan sumber kalor, saat fluida kerja (gas) mengambil sejumlah kalor Q1 pada suhu tinggi T1 pada suatu proses reversible, sehingga suhu sistem sama dengan suhu sumber hal ini merupakan proses isotermal, hal ini menyebabkan gas memuai dan melakukan usaha pada pengisap. Perubahan ini ditunjukan oleh diagaram P-V dari titik A ke B.

2. Langkah 2, silinder kemudian bergerak ke badan berisolasi, saat masukan (dan keluarkan) kalor adalah nol, beban pada pengisap dikurangi dan gas memuai. Hal ini merupakan proses adiabatik pada diagaram P-V yaitu keadaan B ke C, menyebabkan energi dalam berkurang disertai dengan pengurangan suhu sepanjang grafik BC sampai silinder mencapai suhu yang sama dengan penampung kalor.

3. Langkah 3, selanjutnya silinder digerakkan ke penampung kalor, disini gas mengalami proses pemampatan isotermal (C ke D), saat sejumlah kalor Q2 dibuang ke sumber dingin pada suhu T2 dengan usaha yang berasal dari sistem.

4. Langkah 4,  Silinder digerakkan kembali ke badan berisolasi, beban pada pengisap ditambahkan dan gas mengalami pemampatan adiabatik (Keadaan D ke A). Dalam hal ini perpindahan kalor adalah nol karena volume berkurang, serta energi dalam dan suhu naik, ketika suhu mencapai suhu sumber kalor, silinder dipindahkan ke sumber kalor dan siklus dimulai kembali.

        Efisiensi Mesin Carnot, dapat dirumuskan:

F. Mesin Pendingin

        Air dapat dipaksa mengalir dari tempat yang rendah ke tempat yang tinggi dengan menggunakan pompa, begitu juga kalor dapat dipaksa mengalir dari benda yang dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem, itulah cara kerja dari mesin pendingin. Energi adalah kekal selama proses pendinginan (proses yang dialami suatu pompa atau sistem) sehingga Q1 = Q2 + W. Mesin pendingin dalam kehidupan sehari-hari misalnya yaitu kulkas, dalam hal ini kulkas mengambil kalor dari makanan yang disimpan didalamnya dan mengalirkan kalor tersebut ke udara di sekitar kulkas, untuk melakukan ini sistem memerlukan usaha dalam bentuk energi listrik. Oleh karena itu, permukaan-permukaan luar kebanyakan kulkas terasa hangat ketika disentuh(dalam keadaan kulkas bekerja). 
        Ukuran kinerja sebuah kulkas atau pendingin ruangan bisa diperoleh dengan menetapkan hasil bagi kalor Q2 yang dipindahkan dari sumber dingin dengan usaha W yang dibutuhkan untuk memindahkan kalor tersebut. Hasil baginya disebut koefisien performansi (Cp).

        Koefisien performansi paling besar yang mungkin adalah mesin pendingin Carnot, yang prosesnya adalah kebalikan dari mesin Carnot.

G. Entropi dan Hukum 2 Termodinamika

        Secara umum, proses reversible menyebabkan kehilangan sejumlah kalor, tetapi tidak seluruhnya sehingga mesin masih mampu melakukan usaha. Entropi adalah suatu ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha (kalor yang hilang). Variabel baru ini pertama kali diperkenalkan oleh Rudolf Clausius pada tahun 1850. Kenaikan entropi dirumuskan sebagai berikut:

        Entropi, seperti halnya energi dalam merupakan fungsi keadaan dari sistem, dimana perubahannya hanya bergantung pada keadaan akhir dan keadaan awala sistem, tidak bergantung pada lintasan tempuh sistem untuk mencapai keadaan akhir. Hukum 2 termodinamika dinyatakan dalam entropi yaitu, total entropi jagat raya tidak berubah ketik proses reversible terjadi (S_{jagat raya} = 0) dan bertambah ketika proses irreversible terjadi  (S_{jagat raya} >0).

☺☺☺☺

    Nah itu dia tadi pembahasan mengenai termodinamika ya! semoga setelah membaca informasi ini kalian dapat lebih memahami konsep dari materi termodinamika, serta dapat menerapkannya dengan kejadian-kejadian yang ada dilingkungan sekitar kalian, sekian informasi yang dapat saya berikan. Terimakasih dan semangat belajar ya!💟