Home / Fisika / termodinamika

Termodinamika

  • 18 min read
Loading...

Penulis : Deyan Prashna, Departemen Fisika, FMIPA, Universitas Indonesia 2016

Apakah kalian pernah mendengar istilah temodinamika? Apa sih termodinamika itu? Termodinamika ada hubungannya loh dengan suhu dan kalor, energi, tekanan dan volume. Untuk tahu lebih lengkapnya, yuk simak artikel ini…

Selamat membaca!

Pengertian Termodinamika

Termodinamika berasal dari dua kata Yunani yaitu thermos dan dynamic. Thermos berarti panas dan dynamic berarti gerak atau perubahan.

Termodinamika merupakan cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan dalam bentuk kalor (perpindahan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu) serta hubungannya pada energi dan gerak. Termodinamika memiliki keterkaitan dengan fisika energi, suhu, mekanika statistik dan entropi.

Termodinamika mempelajari bagaimana energi termal diubah dari satu bentuk energi menjadi energi lainnya serta pengaruhnya terhadap berbagai hal. Energi termal merupakan energi yang dimiliki oleh suatu zat atau sistem yang disebabkan oleh molekul yang bergerak dan mengakibatkan adanya perbedaan suhu.

Sistem terdiri dari sejumlah besar molekul/atom dan berinteraksi dengan

Loading...
cara yang rumit. Sistem yang seimbang digambarkan dengan sejumlah kecil pengukuran atau angka.

Energi dalam atau energi internal merupakan total energi kinetik (berkaitan dengan pergerakan partikel) dan energi potensial (berkaitan dengan gaya tarik menarik antar partikel secara intermolekular) dari semua komponen sistem.

Prinsip Termodinamika

Dalam membahas suatu permasalahan termodinamika, diperlukan langkah berfikir agar hasilnya dapat sistematis. Langkah tersebut yaitu melakukan formulasi permasalahan kedalam bentuk termodinamika (rumus) berdasarkan hukum-hukum termodinamika yang sesuai dengan permasalahan, melakukan evaluasi sifat dan fungsi termodinamika, dan menyelesaikan permasalahannya sehingga diperoleh jawaban yang valid.

Termodinamika bekerja berdasarkan hukum-hukum termodinamika serta juga perlu diperhatikan mengenai keadaan sistemnya karena perhitungannya akan berbeda pada sistem yang berbeda. Dalam menyelesaikan suatu permasalahan termodinamika, perlu dilakukan pendekatan secara mikroskopik (berdasarkan atom/molekul).

Termodinamika dimanfaatkan dalam kehidupan sehari-hari seperti ketika meniup kopi yang panas, pada kulkas (pendingin makanan), saat menjemur pakaian, pembangkit listrik, dsb.

Sistem Termodinamika

Sistem dalam termodinamika merupakan pembatas yang memisahkan antara area pengukuran dengan lingkungan. Sistem terbagi kedalam tiga jenis yaitu sistem tertutup, terisolasi dan terbuka.

Sistem tertutup

Sistem tertutup merupakan suatu sistem yang tidak terjadi pertukaran partikel, melainkan hanya terjadi pertukaran panas/kalor saja dengan lingkungan. Terdapat sifat pembatas dalam sistem tertutup, yaitu sifat adiabatik (terjadi pertukaran panas) dan sifat rigid (terjadi pertukaran partikel).

Contoh sistem tertutup adalah es batu yang berada dalam wadah tertutup dan akan mencair seiring dengan berjalannya waktu.

Sistem terisolasi

Pada sistem terisolasi tidak terjadi pertukaran panas/kalor dan partikel dengan lingkungan dan energi sistem selalu tetap (konstan) begitu juga dengan suhunya. Contoh sistem terisolasi adalah tabung gas yang tertutup rapat.

Sistem terbuka

Pada sistem terbuka terjadi pertukaran baik panas/kalor maupun partikel ke lingkungan dan pembatasnya bersifat permeabel (dapat ditembus oleh atom/molekul). Contoh sistem terbuka adalah air panas dalam gelas yang dibiarkan di alam terbuka maka air tersebut akan dingin dan menguap.

Dalam sistem termodinamika, terdapat keadaan (state) dalam kondisi seimbang yang dinamakan sebagai keadaan pasti. Juga, terdapat fungsi keadaan yang merupakan suatu sifat sistem yang ditentukan oleh kondisi tertentu pada sistem tersebut dan tidak bergantung bagaimana kondisi tersebut tercapai.

Fungsi keadaan ditentukan oleh hukum Gibbs yang menyatakan bahwa jumlah terbesar dari kerja mekanis dapat diperoleh dari suatu zat pada keadaan tertentu tanpa meningkatkan volume atau membiarkan panas/kalor mengalir dari atau ke luar benda, kecuali seperti pada penutupan proses yang tersisisa dalam kondisi awal.

Hukum Termodinamika

Hukum awal termodinamika (Hukum nol termodinamika)

Hukum ini menyatakan bahwa keseimbangan termal berlaku secara universal bagi semua sistem yang masuk kedalam perhitungan dimana jika terdapat dua sistem berada dalam keseimbangan termal dengan sistem yang ketiga, maka ketiga sistem tersebut berada dalam keseimbangan termal satu sama lain.

Hukum I Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa jumlah kalor yang terdapat pada suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam sistem tersebut dan usaha yang dilakukan. Pada hukum ini, juga dinyatakan bahwa perubahan energi dalam sistem tertutup sama dengan total energi kalor yang diberikan ke sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem tersebut, dengan rumus sebagai berikut:

Hukum I Termodinamika

dimana Hukum I Termodinamika merupakan perubahan energi dalam atau energi internal (J), Hukum I Termodinamika 1 merupakan kalor yang diterima/dilepaskan (J), dan W merupakan usaha (J).

W bertanda positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan dan bertanda negatif jika sistem menerima usaha dari lingkungan. Sedangkan untuk Hukum I Termodinamika bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan dan bertanda negatif jika melepas kalor ke lingkungan.

Sehingga nilai untuk Hukum I Termodinamika bertanda positif jika terjadi penambahan energi dalam dan bertanda negatif jika terjadi penurunan energi dalam.

Terdapat berbagai proses keadaan gas yang berkaitan dengan hukum I Termodinamika, sebagai berikut:

Hukum Gay Lussac (Hukum Perbandingan Volume)

Hukum ini ditemukan oleh Joseph Gay Lussac (fisikawan Perancis) dimana menyatakan bahwa tekanan gas akan bertambah jika suhu mutlaknya bertambah dan sebaliknya. Pada volume konstan, tekanan gas berbanding lurus dengan suhu mutlaknya, dengan rumus:

rumus Hukum 2 Termodinamika

dimana T1 merupakan suhu gas pada keadaan 1 (K), T2 merupakan suhu gas pada keadaan 2 (K). P1 merupakan tekanan gas pada keadaan 1 2 , P2 merupakan tekanan gas pada keadaan 2 3 .

Hukum Charles

Hukum ini ditemukan oleh Jacques Charles (fisikawan Perancis) dimana hukum ini menyatakan bahwa jika tekanan gas yang berada dalam bejana tertutup dipertahankan konstan, maka volume gas sebanding dengan suhu mutlaknya. Persamaannya sbb:

4

dimana V1 merupakan volume gas pada keadaan 1 5 , V2 merupakan volume gas pada keadaan 2 6 .

Hukum Boyle

Hukum ini ditemukan oleh Robert Boyle (fisikawan Inggris) dimana menyatakan bahwa suhu gas yang berada dalam bejana tertutup dipertahankan konstan, maka tekanan gas berbanding terbalik dengan volumenya. Persamannya sebagai berikut:

9

Hukum Boyle-Gay Lussac

Hukum ini merupakan penggabungan hukum Boyle dan Gay Lussac dimana hukum ini juga merupakan penggabungan setiap kondisi yang berlaku pada hukum-hukum gas ideal. Berikut persamaannya:

9

Pada hukum I termodinamika berkaitan dengan siklus Carnot. Siklus merupakan suatu proses yang berawal dari keadaan 1 dan berakhir di keadaan 1 sehingga menjadi satu proses. Perhatikan ilustrasi berikut!

siklus carnot

dimana a-b merupakan proses pemuaian melalui isotermik, b-c merupakan proses pemuaian melalui adiabatik, c-d merupakan proses pemampatan melalui isotermik, dan d-a merupakan proses pemampatan melalui adiabatik. Penjelasan lengkapnya sebagai berikut:

Proses a-b

Pada proses ini gas menyerap kalor sehingga suhu sistem sama dengan suhu reservoir panas. Material (working substance) menyerap kalor, 11 , dari reservoir pada temperatur T1 dan sistem melakukan kerja.

Sehingga energi dalam menjadi tetap dan usaha yang dikerjakan pada sistem sama dengan kalor yang diserap. Proses ini dinamakan sebagai proses ekspansi isotermik dimana suhunya tetap dan 12 .

Proses b-c

Pada proses ini terjadi pengurangan energi dalam dan suhu sistem pun menurun begitu pun dengan working substance mengalami penurunan temperatur dari T1 menjadi T2 dimana menjadi sama dengan suhu reservoir dingin. Sistem pun melakukan kerja dan proses ini dinamakan sebagai proses ekspansi adiabatik.

Proses c-d

Pada proses ini terjadi penyusutan isotermik dimana kalor dibuang pada reservoir dingin dan usaha menjadi negatif serta kerja dilakukan pada sistem. Proses ini dinamakan kompresi isotermik, juga terjadi pelepasan kalor, 13 , pada temperatur T2.

Proses d-a

Pada proses ini terjadi penambahan energi dalam dan suhu naik sampai sama dengan suhu pada reservoir panas dan kembali ke suhu awal siklus. Proses ini dinamakan sebagai kompresi adiabatik dimana working substance dikembalikan ke keadaan awal.

Total kerja yang dilakukan oleh mesin Carnot adalah:

14

Nilai 15 bertanda negatif karena kalornya dilepaskan oleh sistem dan kerja yang dilakukan oleh mesin Carnot sama dengan selisih antara kalor yang diserap, 16 , dengan kalor yang dilepaskan, 17 . Dari kerja yang dilakukan, mesin Carnot memiliki efisiensi yang merupakan perbandingan antara kerja yang dilakukan mesin dengan kalor yang diserap, 18 , dapat dinyatakan sebagai berikut:

19

(7)

Jadi, prinsip dari mesin Carnot itu adalah kalor diserap dari reservoir pada temperatur 1, T1, dan dilepaskan ke reservoir dingin pada temperatur 2, T2, dimana dalam proses itu dibutuhkan kerja/usaha dari sistem yang melakukan itu. Kalor yang ditransfer tersebut bergantung pada temperatur antara kedua reservoir tersebut dan dinamakan sebagai temperatur termodinamika, T.

Nilai Q2/Q1 itu sebanding dengan temperatur termodinamika reservoir, sehingga pers. (3) dapat dinyatakan menjadi:

20

Berdasarkan hal itu, terdapat teorema Carnot yang menyatakan bahwa tidak ada mesin kalor yang bekerja antara dua reservoir dengan efisiensi lebih besar dari mesin Carnot yang bekerja pada dua reservoir kalor sama. Sehingga mesin kalor irreversibel (tidak dapat kembali ke susunan awal sistem dan ketidak teraturannya maksimal) mempunyai efisiensi yang lebih rendah dari mesin kalor reversible (kembali ke susunan awal sistem dan ketidak teraturannya minimal).

Berdasarkan pers. (8) dapat diketahui bahwa semua mesin kalor yang bekerja pada dua reservoir kalor yang sama memiliki efisiensi yang sama, efisiensi mesin kalor dan temperatur termodinamika tidak bergantung pada jenis material yang digunakan (working substance).

Mesin Carnot terbagi menjadi dua yaitu mesin pendingin Carnot dan mesin pemanas Carnot, dengan penjelasan sebagai berikut:

Mesin Pendingin Carnot

Mesin ini juga dinamakan sebagai mesin reversibel Carnot, sebagai contoh pendingin ruangan dan lemari es. Siklus mesin ini berkebalikan dengan siklus mesin kalor Carnot dan usahanya dapat dinyatakan sebagai berikut:

21

dimana 22 merupakan kalor yang dilepaskan pada reservoir rendah dan 23 merupakan kalor yang diserap pada reservoir tinggi.

Karakteristik dari mesin pendingin ini dinyatakan sebagai koefisien performansi atau koefisien kinerja, Kd yang merupakan perbandingan usaha antara kalor yang dipindahkan dengan usaha yang dilakukan sistem.

Mesin Pemanas Carnot

Karakteristik dari mesin pemanas Carnot dinyatakan sebagai koefisien kerja, Kp, yang dapat dinyatakan sebagai berikut:

Loading...

25

Selain siklus Carnot juga terdapat siklus Rankine. Siklus ini merupakan siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi kerja.

Panas diberikan secara eksternal pada aliran tertutup (biasanya menggunakan air). Siklus ini menghasilkan 80% dari energi listrik di seluruh dunia.

Siklus ini ditemukan oleh ilmuwan Skotlandia bernama John Macquorn Rankine.

Hukum II Termodinamika

Hukum ini berkaitan dengan entropi dimana entropi merupakan besaran termodinamika yang mengukur energi sistem per satuan temperatur yang tidak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Entropi pada sistem tertutup selalu naik.

Hukum II Termodinamika menyatakan bahwa aliran kalor bergerak secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak sebaliknya. Entropi tidak berubah pada proses reversibel dan bertambah pada proses irreversibel.

Semakin tinggi entropi, maka semakin tinggi pula ketidakteraturannya. Penjelasan entropi sbb:

Entropi pada temperatur konstan

Kenaikan entropi pada suatu sistem yang mengalami porses reversibel dengan menyerap sejumlah kalor adalah

30

dimana 27 merupakan perubahan entropi (J/K), S1 merupakan entropi mula-mula (J), dan S2 merupakan entropi akhir (J).

Entropi pada temperatur berubah

Perubahan entropinya pada sistem dengan temperatur yang berubah-ubah yaitu:

30

dimana m merupakan massa (kg), c merupakan massa jenis (J/kg K), T1 merupakan suhu mula-mula (K), T2 merupakan suhu akhir (K).

Hukum III Termodinamika

Hukum ini berkaitan dengan temperatur nol absolut dimana ketika suatu sistem mencapai temperatur nol absolut maka semua prosesnya akan terhenti dan entropi sistem mendekati nilai minimum. Hukum ini lebih dikhususkan pada entropi benda berstruktur kristal pada temperatur absolut bernilai nol.

Proses-Proses Termodinamika

Terdapat 4 jenis proses termodinamika yaitu isobarik, isokhorik, isotermik, dan adiabatik. Keempat proses tersebut bergantung pada keadaan tekanan, volume dan suhu saat prosesnya berlangsung.

Terdapat dua hal penting dalam proses termodinamika yaitu variabel yang berubah dan usaha yang dilakukan.

Isobarik

Merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah tekanan (tekanan konstan), 31 . Besar usaha yang dilakukan menjadi:

34

dimana 41 merupakan perubahan volume 42 .

Semakin besar volume, maka usaha bernilai positif dan sebaliknya.

grafik isobarik

Isokhorik

Merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah volume sistem (volume konstan, 45 ) dan usahanya sama dengan nol. Perubahan hanya terjadi pada tekanan.

46

Berikut grafiknya:

grafik isorik

Isotermik

Merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah nilai suhu sistem (suhu konstan), 47 . Berikut rumus usahanya:

58

dimana n merupakan jumlah zat (mol), R merupakan konstanta gas ideal 48 , T merupakan suhu (K), V1 merupakan volume gas pada keadaan 1 50 , V2 merupakan volume gas pada keadaan 2 49 .

Grafik isotermik sebagai berikut:

grafik isotermik

Adiabatik

Merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah kalor sistem, 52 . Pada proses ini tidak ada kalor yang masuk dan keluar sistem. Sehingga berlaku persamaan:

54

dimana 55 merupakan tetapan Laplace dengan persamaan:

56

Bentuk grafiknya lebih curam dari grafik isotermik, sebagai berikut:

grafij adibitaik

Dari keempat proses tersebut, dapat disatukan grafiknya menjadi:

grafik proses termodinamika

dimana proses A-B merupakan proses isobarik, proses B-C merupakan isotermik, proses C-D merupakan isokhorik, proses D-A merupakan adiabatik.

Dengan demikian, termodinamika adalah suatu cabang fisika dengan penjabaran yang kompleks karena menghubungkan energi, kerja, kalor dan entropi. Termodinamika dinyatakan dalam suatu proses dimana proses merupakan perpindahan dari satu keadaan ke keadaan lainnya.

Dalam artikel ini perlu ditekankan perbedaan dari kalor dan suhu. Kalor merupakan ukuran banyaknya dimana menyatakan bentuk energi yang bergerak dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah jika kedua benda tersebut saling bersentuhan.

Sedangkan suhu merupakan ukuran derajat panas atau dingginnya suatu benda. Suhu dengan temperatur tentu berbeda dimana suhu merupakan ukuran panas atau dingin (secara kuantitatif) yang berhubungan dengan kelembaman dan tidak bisa diukur secara matematis.

Sedangkan temperatur merupakan ukuran panas atau dingin (secara kualitatif) dan dapat diukur secara matematis atau temperatur merupakan suhu yang diukur.

Dalam termodinamika juga terdapat asas black yang menyatakan bahwa jika dua zat dicampurkan maka banyaknya kalor yang dilepaskan, 51 oleh zat yang bersuhu tinggi sama dengan kalor yang diserap oleh zat bersuhu rendah, 52 . Persamaannya sebagai berikut:

53

dimana m1 merupakan massa zat 1 (kg), m2 merupakan massa zat 2 (kg), c1 merupakan kalor jenis zat 1 54 , c2 merupakan kalor jenis zat 2 55 , T1 merupakan temperatur zat 1 (K), T2 merupakan temperatur zat 2 (K), Ta merupakan temperatur akhir dari pencampuran kedua zat tersebut (K).

Contoh Soal Latihan

  1. Suatu sistem menyerap kalor sebesar 10 J dengan melakukan usaha sebesar 12 J. Berapa besar peruahan energi dalam yang dilakukan oleh sistem tersebut?

Jawab:

58

2. Suatu gas ideal menempati sitem tertutup dengan tekanan awal sebesar P N/m2 dan bervolume V m3 pada temperatur T K. Ketika gas dikompresikan, maka volumenya menjadi ¾ dari semula dan suhunya pun meningkat menjadi 2 kali semula. Berapa besar tekanannya sekarang?

Jawab:

60

3. Berapa besar efisiensi pada mesin Carnot jika kalor yang diserap sebesar 100 J dari reservoir bersuhu lebih tinggi dengan kaor yang dilepaskan sebesar 120 J?

Jawab:

` 61

Pertanyaan Umum

Apa yang kamu ketahui setelah membaca artikel ini tentang termodinamika?

Termodinamika merupakan salah satu cabang fisika yang pembahasannya sangat kompleks dimana membahas pertukaran energi antara sistem dan lingkungan dan hubungannya terhadap energi dan gerak.

Apakah maksud dari hukum-hukum termodinamika?

– Hukum awal temodinamika, maksudnya bahwa bila ada dua benda yang berada dalam keseimbangan termal digabungkan dengan benda lain dalam sistem yang sama maka ketiga benda tersebut akan berada dalam keseimbangan termal yang sama (keseimbangan bersifat universal).
– Hukum I termodinamika, maksudnya perubahan energi dalam pada sistem tertutup sama dengan kalor yang diberikan pada sistem tersebut dan usaha yang dilakukan sistem tersebut.
– Hukum II termodinamika, maksudnya kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak sebaliknya.
– Hukum III termodinamika, berkaitan dengan temperatur nol absolut dimana ketika suatu sistem mencapai temperatur nol absolut maka semua proses yang ada pada sistem tersebut akan berhenti dan entropinya mendekati minimal. Sehingga entropi untuk benda berstruktur kristal pada temperatur absolut akan mendekati nol.

Apa saja yang dimaksud dengan proses-proses dalam termodinamika?

– Isobarik, merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah tekanan (tekanan konstan), .
– Isokhorik, merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah volume sistem (volume konstan, ) dan usahanya sama dengan nol.
– Isotermik, merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah nilai suhu sistem (suhu konstan), .
– Adiabatik, merupakan proses termodinamika yang tidak mengubah kalor sistem, . Pada proses ini tidak ada kalor yang masuk dan keluar sistem.

Daftar Pustaka

  • Sritopia-Quipper Indonesia. 2018. Pengertian Termodinamika, Prinsip, Hukum, Keadaan, Semua Lengkap! Diperoleh dari https://www.google.com/amp/s/www.quipper.com/id/blog/mapel/fisika/pengertian-termodinamika-lengkap/amp/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Nugroho, Adi-studiobelajar.com. Termodinamika dan Mesin Carnot. Diperoleh dari https://www.studiobelajar.com/termodinamika/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Bitar. 2019. Termodinamika. Diperoleh dari https://www.gurupendidikan.co.id/termodinamika/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Lucas, Jim. 2015. What is Thermodynamics? Diperoleh dari https://www.google.com/amp/s/www.livescience.com/amp/50776-thermodynamics.html (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Rahmah, Azzahra. 2020. Hukum Termodinamika 1 dan 2-Pengertian, Rumus, Contoh Soal. Diperoleh dari https://rumus.co.id/hukum-termodinamika-1-dan-2/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Dosenpendidikan. 2019. Siklus Carnot. Diperoleh dari https://www.dosenpendidikan.co.id/siklus-carnot/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • admin-idschool.net. Hukum Perbandingan Volume (Hukum Gay Lussac). Diperoleh dari https://idschool.net/sma/hukum-perbandingan-volume-gay-lussac/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Fisika Zone. Hukum-Hukum Gas Ideal. 2015. Diperoleh dari https://fisikazone.com/hukum-hukum-gas-ideal/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Gamafis Blog. 2018. Bunyi Hukum Gay-Lussac, Rumus, Contoh Soal dan Penjelasan Lengkap. Diperoleh dari https://www.gammafisblog.com/2018/11/bunyi-hukum-gay-lussac-rumus-contoh.html?m=1 (diakses pada 06 Mei 2020).
  • RumusHitung.com. 2014. Rumus Lengkap Fisika Termodinamika. Diperoleh dari https://www.google.com/amp/s/rumushitung.com/2013/11/17/rumus-lengkap-fisika-temodinamika/amp/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Alex. Kalor Adalah. 2020. Diperoleh dari https://pengajar.co.id/kalor-adalah/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Ferry, Raden. 2019. Apa perbedaan suhu dan temperatur? Diperoleh dari https://idschool.net/sma/hukum-perbandingan-volume-gay-lussac/ (diakses pada 06 Mei 2020).
  • Lohat, San. 2017. Hukum Boyle, Huum Charles dan Hukum Gay-Lussa. Diperoleh dari https://www.google.com/amp/s/gurumuda.net/hukum-boyle-hukum-charles-dan-hukum-gay%25E2%2580%2590lussac.htm/amp%3fhukum-boyle-hukum-charles-dan-hukum-gay%25E2%2580%2590lussac_htm (diakses pada 07 Mei 2020).
  • Adminami01-Rumusrumus.com. 2019. Rumus Asas Black, Bunyi, Pengertian Dan Contoh Soalnya. Diperoleh dari https://rumusrumus.com/rumus-asas-bl (diakses pada 07 Mei 2020).

Baca juga

Loading...