Temodinamika

Keseimbangan Termal & Hukum Ke-nol Termodinamika

Dirimu pernah minum es teh-kah ? atau mungkin es sirup, es susu dkk…. biasanya kalau kita mau minum es teh dkk, kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Jika diperhatikan secara saksama, es batu perlahan-lahan mulai mencair. Pada saat es batu mencair, air panas yang ada di dalam gelas menjadi dingin. Setelah beberapa menit, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang begitu sejuk dan mengundang selera… apalagi pas lagi gerah atau kepanasan.

Mencampur es batu dengan air panas dalam gelas hanya merupakan salah satu contoh saja. Masih banyak contoh lain yang sering kita lakukan dalam kehidupan sehari-hari. Kalau kita ingin mandi dengan air hangat, biasanya kita mencampur air mendidih dengan air yang lebih dingin. Ketika kita ingin mendinginkan benda padat, seperti besi panas, kita bisa mencelupkan besi ke dalam air. Apa yang kita lakukan ini kelihatannya sederhana dan sepele. Walaupun demikian, hal tersebut merupakan salah satu konsep yang penting dalam ilmu fisika.

Keseimbangan Termal

Sebagaimana yang telah gurumuda jelaskan pada awal tulisan ini, jika kita ingin memperoleh air hangat, kita bisa mencampur air panas dengan air dingin. Kita bisa mengatakan air panas memiliki suhu tinggi sedangkan air dingin memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah dicampur, perlahan-lahan air panas menjadi dingin (suhu air panas menurun), sebaliknya air dingin menjadi hangat (suhu air dingin meningkat). Beberapa saat kemudian, campuran air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat. Adanya air hangat menunjukkan bahwa suhu campuran air panas dan air dingin telah sama. Ketika campuran air panas dan air dingin mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Proses yang sama juga terjadi ketika kita memasukan es batu ke dalam gelas yang berisi teh hangat. Setelah dimasukan ke dalam gelas, es batu mulai mencair dan air teh yang pada mulanya hangat menjadi dingin. Setelah saling bersenggolan di dalam gelas, campuran es batu dan teh hangat pun berubah menjadi es teh yang sejuk dan mengundang selera. Adanya es teh menujukan bahwa suhu campuran sama. Ketika es batu dan teh hangat mencapai suhu yang sama, keduanya dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

Masih banyak contoh lain. Seandainya dirimu punya koleksi kulkas di rumah, silahkan buka pintu kulkas dan masukan tanganmu ke dalam kulkas tersebut. Tanganmu akan terasa dingin… Sebaiknya tarik tanganmu dari dalam kulkas sebelum terjadi keseimbangan termal dan darah akan membeku hiks2…. Contoh lain dipikirkan sendiri ya….. masih sangat buanyak……

Pada dasarnya, dua benda dikatakan berada dalam keseimbangan termal, jika setelah bersentuhan, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Misalnya terdapat 2 benda, sebut saja benda A dan benda B. Pada mulanya benda A memiliki suhu tinggi (benda A panas) sedangkan benda B memiliki suhu rendah (Benda B dingin). Setelah bersentuhan cukup lama, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Dalam hal ini, benda A dan benda B dikatakan berada dalam keseimbangan termal. Untuk memperjelas, amati gambar di bawah….

Ini cuma ilustrasi saja. Gambar ini kayaknya lebih cocok untuk benda padat. Perlu diketahui bahwa benda yang bersentuhan bisa berupa benda padat, cair atau gas. Apabila yang saling bersentuhan adalah benda padat, maka kedua benda bisa ditempelin seperti gambar di atas. Sebaliknya, jika yang saling bersentuhan adalah benda padat dan cairan, maka benda padat dicelupkan ke dalam cairan (misalnya besi yang panas dimasukkan ke dalam air). Apabila yang saling bersentuhan adalah cairan, maka kita bisa menuangkan salah satu cairan ke dalam cairan lainnya (misalnya mencampur air panas dengan air dingin).

Hukum Ke-nol Termodinamika

Sejauh ini kita baru meninjau keseimbangan termal yang dialami oleh dua benda yang bersentuhan. Untuk memahami konsep keseimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau 3 benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Benda C bisa dianggap sebagai termometer. Misalnya benda A dan benda B tidak saling bersentuhan, tetapi benda A dan benda B bersentuhan dengan benda C. Amati gambar di bawah…

Karena bersentuhan, maka setelah beberapa saat benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Demikian juga benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Btw, apakah benda A dan benda B yang tidak saling bersentuhan juga berada dalam keseimbangan termal ?

Kalau cuma main logika, kita bisa mengatakan bahwa benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal, sekalipun keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal, berarti suhu benda A = suhu benda C. Benda B dan benda C juga berada dalam keseimbangan termal (suhu benda B = suhu benda C). Karena A = C dan B = C, maka A = B. hiks2….

Berhubung ini bukan permainan logika atau tebak2an, maka perlu dibuktikan melalui percobaan. Dirimu tidak perlu repot2 membuat percobaan karena om dan tante ilmuwan yang sudah pensiun di alam baka telah melakukan percobaan. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda A = suhu benda B. Jadi walaupun benda A dan benda B tidak bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda C, maka benda A dan benda B juga ikut2an berada dalam keseimbangan termal. Hal ini disimpulkan dalam sebaris kalimat indah di bawah ini :

Jika dua benda berada dalam keseimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam keseimbangan termal satu sama lain.

Ini adalah hukum ke-0 termodinamika. Kedengarannya agak aneh, jarang-jarang hukum dimulai dari nol. Kisahnya begini… Setelah para ilmuwan menemukan hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, mereka baru sadar kalau hukum ini belum dinyatakan. Bagaimanapun, hukum ini merupakan dasar bagi hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga, maka para ilmuwan harus menyatakannya terlebih dahulu. Munculnya belakangan, lagian ilmuwan juga bingung mau nempelin dimana, ya lebih bagus dan lebih tepat kalau diberi julukan hukum ke-0 saja.

Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam termodinamika kamu akan banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan.

Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika 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.

Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai

untuk gas monoatomik

untuk gas diatomik

Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol⁻¹ K⁻¹, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

Hukum I Termodinamika

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum kekekalan energi.

Gambar

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika. Secara matematis, hukum I termodinamika dituliskan sebagai

Q = W + ∆U

Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.

Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi dalam ∆U.

Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai

Dimana V₂ dan V₁ adalah volume akhir dan awal gas.

Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan Q_V.

Q_V = ∆U

Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Q_p. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan

Q_V =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Q_p − Q_V

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Q_p) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (Q_V).

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p₁ dan V₁ mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p₂ dan V₂, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai

Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.

Hukum II termodinamika

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. 

Namun, kenyataannya tidak demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. 

Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. 

Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? 

Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun.  Hal ini menunjukkan proses perubahan bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak dapat dibalik. 

Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel.  Peristiwa di atas mengilhami terbentuknya hukum II termidinamika. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. 

Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor 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: “Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi”.  

1. Entropi 

Entropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami proses reversibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya ( ^ Q) dibagi suhu mutlak sistem tersebut (T).  

2. Mesin Pendingin 

Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu tinggi dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya, pendingin rungan (AC) dan almari es (kulkas).  Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan pada suhu tinggi T1. 

Berdasarkan hukum kedua termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap. Secara matematis dapat ditulis dalam persamaan berikut. Q1 = Q2 + W

Download Buku Referensi Termodinamika 

1. Pengantar Termodinamika Download 
2. Termodinamika - Bahan Soal Diktat Jawaban  download
3. Thermodynamic_Properties_of_Cryogenic_Fluids download 
4. Handbook of thermodynamic diagrams  download 
5. thermodynamic_cycles_-_the_engineering_handbook - download

Posted in: Physics,Termodinamika