Konsep Dasar Termodinamika

A. PENGERTIAN TERMODINAMIKA

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika merupakan ilmu yang menggambarkan usaha  untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu fisika ini mempelajari pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan termodinamika dapat terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.

B. PRINSIP TERMODINAMIKA

Prinsip termodinamika sebenarnya adalah hal alami yang terjadi dalam kehidupan sehari-hari. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, termodinamika direkayasa sedemikian rupa sehingga menjadi bentuk mekanisme yang dapat membantu manusia dalam kegiatannya. Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17. Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik yaitu perilaku umum partikel zat yang menjadi media pembawa energi.

C. HUKUM HUKUM TERMODINAMIKA

Termodinamika memiliki hukum-hukum pendukungnya. Hukum-hukum ini menjelaskan bagaimana dan apa saja konsep yang harus diperhatikan. Seperti peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika. Sejak perumusannya, hukum-hukum ini telah menjadi hukum penting dalam dunia fisika yang berhubungan dengan termodinamika. Penerapan hukum-hukum ini juga diperlukan dalam berbagai bidang seperti bidang ilmu lingkungan, otomotif, ilmu pangan, ilmu kimaia dan lain-lain. Berikut hukum-hukum termodinamika :

Hukum I termodinamika (Kekekalan Energi dalam Sistem)

Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan. Manusia hanya dapat mengubah bentuk energi dari bentuk energi satu ke energi lainnya. Dalam termodinamika, apabila sesuatu diberikan kalor, maka kalor tersebut akan berguna untukusaha luar dan mengubah energi dalam.

Bunyi Hukum I Termodinamika “untuk setiap proses apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ΔU = Q – W”.

Dimana U menunjukkan sifat dari sebuah sistem, sedangkan W dan Q tidak. W dan Q bukan fungsi Variabel keadaan, tetapi termasuk dalam proses termodinamika yang dapat merubah keadaan. U merupakan fungsi variabel keadaan (P,V,T,n).

W bertanda positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan dan negatif jika menerima usaha lingkungan.

HUKUM TERMODINAMIKA 1

Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan dan negatif jika melepas kalor pada lingkungan.

Perubahan energi dari sebuah sistem hanya tergantung pada transfer panas ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem dan tidak bergantung pada proses yang terjadi. Pada hukum ini tidak ada petunjuk adanya arah perubahan dan batasan-batasan lain.

Hukum II termodinamika (Arah reaksi sistem dan batasan)

Hukum kedua ini membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak. Pembatasan ini dinyatakan dengan berbagi cara, yaitu :

Hukum II termodinamika dalam menyatakan aliran kalorKalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

Hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor

Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.

Hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi (besaran termodinamika yang menyertai perubhan setiap keadaan dari awal sampai akhir sistem dan menyatakan ketidakteraturan suatu sistem)

Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketia proses irreversible terjadi.

Hukum III termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut (temperatur Kelvin) semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum.hukum ini jugga menyatakn bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

D. KESETIMBANGAN TERMODINAMIKA

Sebuah benda dapat dikatakan dalam keadaan kesetimbangan termodinamika bila nilai dari besaran keadaan makroskopiknya tidak lagi berubah dalam jangka waktu yang lama. Termodinamika hanya akan meninjau besaran dalam keadaan sistem yang setimbang. Termodinamika tidak meninjau bagaimana proses perubahan sistem mencapai kondisi kesetimbangan termodinamika, karena itu tidak ada variabel waktu dalam realisasi-realisasi termodinamika.

Tetapi, dalam keadaan nyata, kesetimbangan termodinamika adalah hal yang mustahil terjadi. Hal ini dikarenakan sebuah benda tidak akan lepas dari interaksinya dengan lingkungan yang mempengaruhi keadaan benda  sehingga perubahan dapat terjadi begitu cepat. Pengecualian jika kondisi benda mendekati kesetimbangan termodinamika, realisasi termodinamika dapat ditrerapkan. Sebagai contoh hukum radiasi benda hitam dapat diterapkan pada matahari dan bintang walau tidak benar-benar dalam keadaan setimbang. Sehingga analisa spektrum gelombang dapat dilakukan.

1. Kesetimbangan Termal

Pencapaian kesetimbangan termal terjadi apabila dalam kondisi adanya kemungkinan interaksi antara partikel kedua sistem, tidak ada total perpindahan energi panas antara keduanya  (tidak ada lagiperubahan makro). Relasi kesetimbangan termal adalah suatu relasiekuivalensi sehingga dapat dikelompokkan benda-benda yang berada dalam keadaan setimbang termal dan memiliki parameter. Fakta ini dikenal sebagai hukum ke nol termodinamika. Benda yang mencapai kesetimbangan termal satu sama lainnya,diartikan memiliki temperatur yang sama. Termodinamika ke nol ini menjelaskan adanya besaran temperatur. Besaran temperatur tidak bergantung pada nilai partikel.

Walaupun sebuah benda tidak secara keseluruhan berada dalam kesetimbangan termal, bagian-bagian dari benda tersebut mungkin berada dalam keadaan kesetimbangan termal lokal.

2. Kesetimbangan Mekanik

Jika didalam sebuah sistem terdapat kesetimbangan sedemikian sehingga tidak terjadi perubahan (makro) volume sistem dan lingkungan maka dapat dikatakan bahwa sistem dan lingkungan berada dalam keadaan kesetimbangan mekanik. Pada kondisi ini, sistem dan lingkungan akan memiliki nilai tekanan P yang sama.

3. Kesetimbangan Jumlah Partikel

Sebuah sistem akan dikatakan setimbang jumlah partikelnya jika partikel yang keluar masuk sistem dalam jumlah yang sama, maka terdapat kesetimbangan jumlah partikel antara sistem dan lingkungan. Ketika itu antara sistem dan lingkungan akan memiliki tekanan yang sama.

E. KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

Pembagian dalam termodinamika mengarah kepada pembagian dunia menjadi sistem yang dibatasi oleh kenyataan atau keidealan batasannya. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan. Dan pembagian yang sistem menjadi subsistem menjadi sistem sangat mungkin terjadi, atau bisa jadi pembentukan sistem yang lebih besar. Biasanya sistem ini bisa diuraikan menjadi beberapa parameter. Dari prinsip-prinsip dasar termodinamika secara umum bisa diturunkan hubungan antara kuantitas misal, koefisian ekspansi, kompresibilitas, panas jenis, transformasi panas dan koefisien elektrik terutama sifat-sifat yang dipengaruhi temperatur.