PENDAHULUAN
Latar belakang
Termodinamika
memainkan peran penting dalam analisis sistem dan piranti yang ada didalamnya
terjadi perpindahan formasi energi.Implikasi termodinamika bercakupan jauh, dan
penerapannya
membentang ke seluruh kegiatan manusia.Bersamaan dengan sejarah teknologi kita,
perkembangan sains telah memperkaya kemampuan kita untuk memanfaatkan energi
dan menggunakan energi tersebut untuk kebutuhan masyarakat.Kebanyaakan kegiatan
kita melibatkan perpindahan energi dan perubahan energi.
Termodinamika merupakan sains aksiomatik yang
berkenaan dengan tranformasi energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain.Termodinamika
klasik diformalkan oleh Carnot, Joule, Kelvin, Clausian dan Boltzman telah
menjembatani celah antara titik pandang termodinamika klasik dan makroskopik.Melalui
percobaan dimungkinkan untuk menerangkan perilaku makroskopik materi dalam
perilaku probalitis partikel mikroskopiknya.Melalui percobaan J.W Gibbs
membentang pendekatan termodinamika klasik hingga ke zat yang sedang mengalami
perubahan fisis dan kimiawi.
Apabila materi diperhatikan dari sudut pandang
mikroskopik, pokok bahasan termodinamika statistik yang dianggap sebagai
mekanika statistik.Pendekatan mikroskopik berfokus pada perilaku statistik
suatu massa yang terdiri atas sejumlah molekul yang berdiri sendiri dan
mengaitkan sifat-sifat makroskopik materi dengan konfigurasi molekul dan dengan
gaya-gaya antara molekul.Perbedaan antara kedua pendekatan ini adalah dengan
memperhatikan tekanan yang dikerahkan oleh gas yang terkungkung dalam suatu
wadah.Dari pandangan mikroskopik tekanan yang dikerahkan gas pada titik
tertentu dan pada saat tertentu tergantung pada perilaku sesaat molekul yang
berada di sekitar titik tersebut.
Termodinamika klasik dan statistik cendrung untuk
salaing melengkapi dan memperkuat sehingga kedua disiplin ini memberikan lebih
banyak wawasan atas perilaku materi yang tidak satu pun diantara kedua nya
dapat memberikan secara sendiri.
Rumusan Masalah
Adapun
masalah-masalah yang akan dibahas dalam makalah ini diantaranya adalah:Bagaimana
hukum termodinamika dapat menjelaskan hubungan dengan fisika statistik.
Tujuan
Adapun tujuan dari penulisan makalah ini antara lain adalah
untuk:
1.Dapat
memahami tentang hukum-hukum termodinamika
2.Mengetahui
besaran terukur dari suatu sistem ditinjau melalui persamaan-persamaan
termodinamika
Manfaat
Makalah ini dapat memberikan beberapa manfaat, diantaranya dapat menambah
pengetahuan dan wawasan bagi pembaca.
BAB II
PEMBAHASAN
Pengertian Dasar Termodinamika
Thermodinamika adalah ilmu tentang
energi, yang secara spesific membahas tentang hubungan antara energi panas
dengan kerja.Seperti telah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud
dalam berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia,
energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat
gaya magnit, dan lain-lain . Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk
lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di
alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang
terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada
pengurangan atau penambahan.Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau
kekekalan energi. Prinsip thermodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi
secara alami dalam kehidupan sehari-hari.Bumi setiap hari menerima energi
gelombang elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut berubah
menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai
tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses didalam diri manusia
juga merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia
dalam maka nan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan
energi yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. Dengan berkembangnya
ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses
thermodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu
manusia dalam menjalankan kegiatannya.Mesin-mesin transportasi darat, laut,
maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi
energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber perpindahan
diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Pabrik-pabrik dapat memproduksi
berbagai jenis barang,digerakkan oleh mesin pembangkit energi listrik yang
menggunakan prinsip konversi energi panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup,
kita memanfaatkan mesin airconditioning, mesin pemanas, dan refrigerators
yang menggunakan prinsip dasar thermodinamila.Aplikasi thermodinamika yang
begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu thermodinamika sejak abad 17
yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para
ilmuwan thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord
Kelvin pada abad ke 19.Pengembangan ilmu thermodinamika dimulai dengan
pendekatan makroskopik, yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum
partikel-partikel zat yang menjadi media pembawa energi,yang disebut pendekatan
thermodinamika klasik.Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat
berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis
yang merupakan perkembangan ilmu thermodinamika modern, atau disebut
thermodinamika statistik.Pendekatan thermodinamika statistik dimungkinkan
karena perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu dalam menganalisis
data dalam jumlah yang sangat besar.
Metode termodinamika statistik dikembangkan pertama kali
beberapa tahun terakhir oleh Boltzmann di Jerman dan Gibbs di Amerika
Serikat.Dengan ditemukannya teori kuantum, Bose, Einstein, Fermi, dan Dirac
memperkenalkan beberapa modifikasi ide asli Boltzmann dan telah berhasil dalam
menjelaskan beberapa aspek yang tidak dipenuhi oleh statistik Boltzmann.
Pendekatan statistik memiliki hubungan dekat dengan
termodinamika dan teori kinetik.Untuk sistem partikel di mana energi partikel
bisa ditentukan, kita bisa menurunkan dengan statistik mengenai persamaan
keadaan dari suatu bahan dan persamaan energi bahan tersebut.Termodinamika
statistik memberikan sebuah penafsiran tambahan tentang konsep entropi.
Termodinamika statistik (Mekanika statistik), tidak seperti
teori kinetik, tidak fokus pada pertimbangan tumbukan antara 1 molekul dengan
molekul lain atau dengan permukaan secara detail. Malahan ia mengambil
keuntungan dari fakta bahwa molekul itu memiliki jumlah yang sangat banyak dan
sifat rata-rata dari sejumlah besar molekul bisa dihitung walaupun tidak berisi
informasi tentang molekul tertentu. Jadi sebagai misal, perusahaan asuransi
bisa memprediksi dengan ketelitian yang tinggi tentang harapan hidup rata-rata
semua orang yang yang lahir di Amerika Serikat pada tahun yang diberikan,tanpa
mengetahui keadaan kesehatan salah satu dari orang-orang tersebut.
Klasifikasi Sistem Termodinamika
Suatu sistem thermodinamika adalah
sustu masa atau daerah yang dipilih, untuk dijadikan obyek analisis.Daerah
sekitar sistem tersebut disebut sebagai lingkungan. Batas antara sistem dengan
lingkungannya disebut batas sistem (boundary),Dalam aplikasinya batas sistem
nerupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat
berubah posisi atau bergerak Skema sistem thermodinamika
Sistem termodinamika bisa
diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok yaitu:
1.
Sistem tertutup.
2.
Sistem terbuka.
3.
Sistem terisolasi.
Penjelasannya
system termodinamika yaitu:
1.
Sistem tertutup.
Merupakan
sistem massa tetap dan identitas batas sistem ditentukan oleh ruang zat yang
menempatinya.Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan,
dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi
panas masuk kedalam masa udara didalam balon Sistem tertutup ditunjukkan oleh
gambar 1.Gas di dalam silinder dianggap sebagai suatu sistem. Jika panas
diberikan ke silinder dari sumber luar, temperatur gas akan naik dan piston
bergerak ke atas.
Sistem
termodinamika tertutup.
Ketika
piston naik, batas sistem bergerak.Dengan kata lain, panas dan kerja melewati
batas sistem selama proses, tetapi tidak ada terjadi penambahan atau
pengurangan massa zat.
Asyari-Daryus, Termodinamika Teknik
I Universitas Darma Persada – Jakarta. 9
2.
Sistem terbuka
Pada
sistem ini, zat melewati batas sistem. Panas dan kerja bisa juga melewati batas
sistem menunjukkan diagram sebuah kompresor udara yang menggambarkan sistem
terbuka ini Sistem termodinamika terbuka.
Zat yang
melewati batas sistem adalah udara bertekanan rendah (L.P) yang memasuki
kompresor dan udara bertekanan tinggi (H.P) yang meninggalkan kompresor.Kerja
melewati batas sistem melalui poros penggerak dan panas ditransfer melewati
batas sistem melalui dinding silinder.
3.
Sistem terisolasi
Adalah
sebuah sistem yang sama sekali tidak dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem ini
massanya tetap dan tidak ada panas atau kerja yang melewati batas sistem.
Sifat-sifat Sistem
Keadaan
sistem bisa diidentifikasi atau diterangkan dengan besaran yang bisa
diobservasi seperti volume, temperatur, tekanan, kerapatan dan sebagainya.
Semua besaran yang mengidentifikasi keadaan sistem disebut sifat-sifat sistem.
Klasifikasi Sifat-sifat Sistem
Sifat-sifat termodinamika bisa dibagi atas dua kelompok
umum: Sifat ekstensif, dan Sifat intensif
yaitu:
1. Sifat ekstensif
Besaran
sifat dari sistem dibagi ke dalam beberapa bagian. Sifat sistem, yang harga
untuk keseluruhan sistem merupakan jumlah dari harga komponen-komponen individu
sistem tersebut, disebut sifat ekstensif. Contohnya, volume total, massa total,
dan energi total sistem adalah sifat-sifat ekstensif.
2. Sifat intensif
Perhatikan
bahwa temperatur sistem bukanlah jumlah dari temperatur-temperatur bagian
sistem. Begitu juga dengan tekanan dan kerapatan sistem. Sifat-sifat seperti temperatur,
tekanan dan kerapatan ini disebut sifat intensif.
Kesetimbangan Termal
Misalkan
dua benda yang berasal dari material yang sama atau berbeda, yang satu panas,
dan lainnya dingin.Ketika benda ini ditemukan, benda yang panas menjadi lebih
dingin dan benda yang dingin menjadi lebih panas. Jika kedua benda ini
dibiarkan bersinggungan untuk beberapa lama, akan tercapai keadaan dimana tidak
ada perubahan yang bisa diamati terhadap sifat-sifat kedua benda tersebut.
Keadaan ini disebut keadaan kesetimbangan termal, dan kedua benda akan
mempunyai temperatur yang sama.
Bentuk-bentuk energi
Telah disampaikan sebelumnya bahwa
energi dapat terwujud dalam berbagai bentuk, yaitu energi kimia, energi panas,
energi mekanis, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang
elektromagnetik, energi gaya magnit, dan lain-lain. Suatu media pembawa energi
dapat mengandung berbagai bentuk energi tersebut sekaligus, dan jumlah
energinya disebut energi total (E). Dalam analisis thermodinamika sering
digunakan energi total setiap satuan masa media (m), yang disebut sebagai energi
per-satuan masa (e) yaitu:
Berbagai bentuk energi diatas dapat
pula dikelompokkan menjadi dua bentuk, yaitu energi makroskopik dan energi
mikroskopik. Energi makroskopik adalah keberadaan energi ditandai dari
posisinya terhadap lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang ditentukan.Contoh
bentuk energi makroskopik adalah energi kinetik (KE) dan energi potensial (PE).
Keberadaan energi mikroskopik ditentukan oleh struktur internal dari= zat
pembawa energi sendiri dan tidak tergantung kepada lingkungannnya, yaitu
struktur dan gerakan molekul zat tersebut. Energi mikroskopik ini disebut
sebagai energi internal (U).
Energi makroskopik berhubungan
dengan gerakan masa pembawa energi, dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi,
pengaruh energi listrik, sifat magnit, dan tegangan pemukaan fluida. Energi
kinetis KE adalah energi yang disebabkan oleh gerakan relatif terhadap suatu
referensi, dan besarnya adalah:
atau dalam bentuk energi per-satuan masa:
dengan, m = satuan masa media pembawa energi
V = satuan kecepatan gerakan
masa.
Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh posisi
elevasinya dalam medan gravitasi, dan besarnya adalah:
PE = m g z
Atau dalam bentuk energi per-satuan masa,
pe = g z
dengan, g = gaya gravitasi
z = posisi elevasi terhadap suatu
referensi.
Energi internal meliputi semua jenis
energi mikroskopik, yaitu akibat dari struktur dan aktivitas molekul dalam masa
yang ditinjau. Struktur molekul adalah jarak antar molekul dan besar gaya tarik
antar molekul, sedang aktivitas molekul adalah kecepatan gerak molekul. Energi
laten adalah energi yang merubah jarak dan gaya tarik antar molekul, sehingga
masa berubah fase antara fase padat atau cair menjadi gas. Energi sensibel
merubah kecepatan gerak molekul, yang ditandai oleh perubahan temperatur dari
masa yang ditinjau. Energi kimia adalah energi internal sebagai akibat dari
komposisi kimia sua tu zat, yang merupakan energi yang mengikat atom dalam
molekul zat tersebut. Perubahan struktur atom menyebabkan perubahan energi
pengikat atom dalam molekul, sehingga reaksinya dapat melepaskan energi
(eksothermis) misalnya dalam reaksi pembakaran, atau memerlukan energi (indothermis).
Bentuk energi internal lainnya adalah energi nuklir, yang merupakan energi
ikatan antara atom dengan intinya.
Dalam bahasan thermodinamika efek
dari jenis energi makroskopik lain yaitu energi magetik, dan tegangan permukaan
fluida dapat diabaikan, sehingga energi total E dari masa pembawa energi
tersebut adalah:
E =
U + KE + PE = U + + mgz
atau dalam bentuk energi per-satuan masa,
e = u +ke +pe = u + + gz
Dalam aplikasi bidang teknik masa atau sistem thermodinamika
yang ditinjau biasanya tidak bergerak selama proses berlangsung, sehingga
perubahan energi potensial dan energi kinetisnya sama dengan nol.
Karakteristik
Karakteristik yang menentukan sifat
dari sistem disebut property dari sistem, seperti tekanan P, temperatur
T, volume V, masa m, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain
itu ada juga property yang disefinisikan dari property yang
lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan
lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah,
apabila masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada
semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai
keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai
nilai property yang tetap. Apabila property nya berubah, maka
keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang
tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang
(equilibrium). Perubahan sistem thermodinamika dari keadaan seimbang
satu menjadi keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkaian keadaan
diantara keadaan awal dan akhir disebut linasan proses seperti terlihat pada
Gambar 1.2.
Gambar 1.2. Proses dari keadaan 1 ke
keadaan 2
Tergantung dari jenis prosesnya,
maka keadaan 2 dapat dicapai dari keadaan 1 melalui berbagai lintasan yang
berbeda. Proses thermidinamika biasanya digambarkan dalam sistem koordinat 2
dua property, yaitu P-V diagram, P-v diagram, atau T-S diagram. Proses
yang berjalan pada satu jenis property tetap, disebut proses iso - diikuti
nama property nya, misalnya proses isobaris (tekanan konstan), proses
isochoris (volume konstan), proses isothermis (temperatur konstan) dan la
in-lain. Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut
menjalani rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke
keadaan awalnya. Pada Gambar 1.3 (a) terlihat suatu siklus terdiri dari 2 jenis
proses, dan Gambar 1.3 (b) siklus lain dengan 4 jenis proses.
(a). Siklus dengan 2 proses (b).
Siklus dengan 4 proses
Gambar 1.3. Diagram siklus
thermodinamika
SISTEM SATUAN, TEKANAN, DAN
TEMPERATUR.
Sistem Satuan.
Suatu sistem satuan adalah sistem
besarn atau unit untuk mengkuantifikasikan dimensi dari suatu property.Sistem
satuan yang sekarang dipergunakan di seluruh dunia, termasuk Indonesia, adalah
Sistem SI (Sistem Internasional.Sistem ini menggantikan 2 sistem yang
dipergunakan sebelumnya, yaitu sistem British dan sistem Metris. Dalam sistem
SI ada 7 macam dimensi dasar, yaitu panjang (m), massa (kg), waktu (detik),
temperatur (K), arus listrik (A), satuan sinar (candela-c), dan satuan molekul
(mol).Satuan gaya merupakan kombinasi dari masa dan percepatan, dan mempunyai
besaran N (Newton), yang didefinisikan menurut Hukum Newton,
F = m a
Dan 1 N adalah gaya yang diperlukan untuk memberikan
percepatan sebesar 1 m/det2 pada suatu masa sebesar 1 kg sehingga.
1 N = 1 kg. m/det2
Ukuran berat (W) adalah gaya yang ditimbulkan oleh masa m
kg, dengan percepatan sebesar medan gravitasi yang terjadi (g), sebagai
berikut.
W = m g
Satuan W adalah Newton, sedang besar gravitasi di bumi
adalah 9,807 m/det2 di permukaan laut dan semakin kecil dengan bertambahnya
elevasi.Kerja yang merupakan salah satu bentuk energi, adalah gaya kali jarak
dengan satuan N.m, dan disebut pula J (Joule) yaitu,
1 J = 1 N.m
Satuan Joule juga digunakan dalam dimensi energi panas, dan
biasanya ukurannya dalam kJ (kilojoule) atau MJ (Mega Joule).
Tekanan.
Tekanan merupakan salah satu property
yang terpenting dalam thermodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan
suatu fluida (cair atau gas) pada satu satuan unit luas area. Istilah tekanan
pada benda padat disebut tegangan (stress). Satuan tekanan adalah Pa
(Pascal), yang didefinisikan sebagai, 1 Pa = 1 N/m2 Karena satuan Pascal
terlalu kecil, maka dalam analisis thermodinamika
seringdigunakan satua kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau
megapascal (1 MPa = 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan
bar (barometric), atau atm (standard atmosphere), sebagai
berikut.
1 bar = 105 Pa = 0,1 Mpa = 100kPa
1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa =
1, 01325 bar
Pengukuran tekanan dengan
menggunakan referensi tekanan nol absolut disebut tekanan absolut (ata), sedang
tekanan manometer (ato) adalah tekanan relatif terhadap tekanan atmosfir.
Tekanan vakum adalah tekanan dibawah 1 atm, yaitu perbedaan antara tekanan
atmosfir dengan tekanan absolut, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.4. sebagai
berikut,
Gambar 1.4. Hubungan pengukuran
beberapa jenis tekanan
Alat pengukur tekanan diatas
atmosfir adalah manometer, alat pengukur tekanan vakum disebut manometer vakum,
sedang alat pengukur tekanan atmosfir disebut barometer. Terdapat banyak jenis
metode pengukuran tekanan seperti pipa U, manometer pegas, atau transduser
elektronik.
Temperatur
Ukuran temperatur berfungsi untuk
mengindikasikan adanya energi panas pada suatu benda padat, cair, atau gas.
Metodenya biasanya menggunakan perubahan salah satu property suatu
material karena panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik. Prinsip
pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada benda yang akan
diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas ke alat ukur sampai
terjadi keadaan seimbang. Dengan demikian temperatur yang terterapada alat ukur
adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur temperaturnya. Prinsip
tersebut menghasilkan Hukum Thermodinamika Zeroth (Zeroth Law of
Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam keadaan seimbang thermal
dengan benda ketiga maka dua benda tersebut juga dalam keadaan seimbang thermal
walaupuntidak saling bersentuhan.
Dalam sistem SI satuan temperatur
adalah Kelvin (K) tanpa derajad. Skala dari ukuran temperatur dalam derajad
Celcius adalah sama dengan skala ukuran Kelvin, tetapi titik nol oC sama dengan
273,15 K. Titik nol oC adalah kondisi es mencair pada keadaan standard
atmosfir, sedang kondisi 0 K adalah kondisi nol mutlak dimana semua gerakan
yang menghasilkan energi pada semua materi berhenti. Dalam analisis
thermodinamika, apabila yang dimaksudkan adalah ukuran temperatur maka yang
digunakan adalah ukuran dalam K, sedang apabila analisis berhubungan dengan
perbedaan temperatur maka baik ukuran oC maupun K dapat digunakan.
Persamaan keadaan gas ideal dan
diagram P-v-T
Dari hasil eksperimen, nilai besaran-besaran termodinamika
bergantung satu sama lain:
Volume dikecilkan
Suhu
dinaikkan
tekanan naik
panjang bertambah
`Apabila volume (V), suhu (T) dan massa (m)
diatur dengan nilai tertentu, maka nilai tekanan (P) tidak bisa
sebarang. Ada hubungan antara besaran-besaran ini sbb: f(P, V,
T, m) = 0
Hubungan ini disebut persamaan keadaan.Biasanya persamaan
keadaan dituliskan berdasarkan sifat-sifat alam bukan berapa banyak material
berada, sehingga besaran ekstensif diganti dengan nilai spesifiknya. Seperti V
menjadi v = sehingga persamaan keadaan menjadi: f(P,
v, T) = 0
Persamaan ini bervariasi dari satu zat ke zat yang lain.
Hubungan antar satu sama lain biasanya tidak sederhana. Untuk mempermudah,
sering dipakai ilustrasi grafik. Contoh eksperimen untuk 1 mole gas karbon
dioksida:
Plot antara Pv/T vs. P untuk tiga
temperatur yang berbeda.
Ilustrasi grafik tersebut menunjukkan:
§ Tampak bahwa nilai Pv/T tidak konstan
§ Pada tekanan rendah ketiga kurva menyatu pada nilai Pv/T
= R dengan R merupakan konstanta gas universal.
§ Pada suhu tinggi, kurva mendekati garis lurus
Pada tekanan yang cukup rendah, untuk semua gas:
Pv/T
= R atau Pv = RT
Oleh karena itu seringkali digunakan pendekatan “gas ideal”
yang mengasumsikan bahwa rasio Pv/T selalu sama dengan R untuk
semua tekanan dan temperatur. Kita tahu bahwa di alam tidak ada “gas ideal”
semacam itu, gas yang mendekati gas ideal terjadi pada tekanan rendah dan suhu
tinggi, namun studi tentang gas ideal sangat bermanfaat sebagai salah satu
pendekatan untuk mengetahui sifat-sifat gas sesungguhnya.
Persamaan gas ideal:
Pv =
RT
karena v = maka persamaan gas ideal juga
dapat ditulis
PV =
nRT
Permukaan kurva gas ideal
PROSES-PROSES DALAM TERMODINAMIKA
1. Proses Isokoris (volume konstan)
Bila volume konstan, p/T =
konstan,
pi/
Ti = pf/Tf
Pada proses ini DV
= 0, maka usaha yang dilakukan W = 0, sehingga
Q = DU
= n cv DT
2. Proses Isobaris (tekanan konstan)
Bila tekanan konstan, V/T = konstan,
Vi/
Ti = Vf/Tf
Pada proses ini usaha yang dilakukan
W = p DV = p (Vf - Vi ) , sehingga
DU = Q - W
DU = n cp DT - p DV
3. Proses Isotermis (temperatur
konstan)
Bila temperatur konstan, pV =
konstan,
Vo disini Pv = RT = konstan, sering disebut
sebagai “Hukum
Boyle”.
piVi
= pfVf
Pada proses ini DT
= 0, maka perubahan tenaga internal DU = 0, dan usaha yang dilakukan :
W = ò p dV
p = nRT/V, maka
W = nRT ò
(1/V) dV
W = nRT ln (Vf/Vi)
Q = W
4. Proses Adiabatis
Pada proses ini tidak ada kalor yang
masuk, maupun keluar dari sistem, Q = 0.
Pada proses adiabatik berlaku
hubungan pVg=konstan
(buktikan):
piVgi = pfVgf
Usaha yang dilakukan pada proses
adiabatis :
W = ò p dV
p = k/Vg
, k = konstan , maka
W = ò (k/Vg
) dV
W = 1/(1-g)
{ pfVf - piVi}
DU
= -W
Penjelasan Tentang Hokum-Hukum
Termodinamika Yaitu:
Hukum Termodinamika
Berikut
ini ada tiga hukum termodinamika yang penting untuk diketahui:
1. Hukum termodinamika ke-nol;
2. Hukum termodinamika kesatu dan
3. Hukum termodinamika kedua.
Hukum Ke-nol Termodinamika
Hukum ini berbunyi: “Jika dua benda
berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka benda-benda
tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lainnya”.
Hukum Kesatu Termodinamika
Hukum ini
berbunyi: “Kalor dan kerja mekanik adalah bisa saling tukar”. Sesuai dengan
hukum ini, maka sejumlah kerja mekanik dibutuhkan untuk menghasilkan sejumlah
kalor, dan sebaliknya.
Hukum ini
bisa juga dinyatakan sebagai: “Energi tidak bisa dibuat atau dimusnahkan, namun
bisa dirubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya”. Sesuai dengan hukum ini,
energi yang diberikan oleh kalor mesti sama dengan kerja eksternal yang
dilakukan ditambah dengan perolehan energi dalam karena kenaikan temperatur. Keseluruhan energi potensial dan energi kinetik zat-zat yang terdapat dalam
suatu sistem, disebut energi dalam ; U .Energi dalam merupakan fungsi keadaankarena besarnya hanya bergantung
pada keadaan sistem. Bila dalam suatu perubahan sistem menyerap sejumlah
(kecil) kalor, δ q , dan melakukan
kerja (kecil), δ w , makasistem akan
mengalami perubahan energi dalam, d U , sebesar
U =
δ q + δ w ...…( 7)
untuk perubahan yang besar pada suatu sistem dari keadaan 1 (energi
dalam U 1 ) keadaan 2 (energi dalam U 2 ), maka akan
terjadi perubahan energi dalam (∆ U ),sebesar
∆U = U 2 - U 1…………(8)sehingga diperolehU 2 - U 1 = q +
w...… …(9)
∆U =
q + w………..(10)Persamaan
(10) merupakan bentuk matematik dari
hukum pertamatermodinamika. Menurut ungkapan ini, energi suatu sistem
dapat berubah melalui kalor dan kerja.Bila kerja yang dilakukan oleh sistem
hanya terbatas pada kerja ekspansi (misalnyapada kebanyakan reaksi kimia), maka
persamaan (10) dapat diubah menjadiU = δ q – pd
V .…….. (11)pada volume tetap,d V = 0, maka U = δ q..……….. (12)atau untuk perubahan besar,∆ U =
q……… (13)Menurut persamaan (13) perubahan
energi dalam adalah kalor yang diserap oleh sistem bila proses berlangsung pada
volume tetapSecara matematik:
Q = ΔU +W
dimana,
Q = kalor yang dipindahkan
ΔU = perubahan energi dalam
W = kerja yang dilakukan dalam satuan kalor
Persamaan di atas bisa juga ditulis
dalam bentuk diferensial atau untuk perubahan infinitisimal :
dQ = dU + dW
Hukum Kedua Termodinamika
Hukum ini
berbunyi: “Ada batas tertentu dari jumlah energi mekanik, yang diperoleh dari
sejumlah energi panas”.
Pada umumnya perubahan yang terjadi di alam disertai
dengan perubahan energi. Dalam proses perubahan energi ini ada dua aspek
penting, yaitu arahpemindahan energi dan pengubahan energi dari satu bentuk ke
bentuk yang lain.Walaupun hukum pertama termodinamika menetapkan hubungan
antara kalor yang diserap dengan kerja yang dilakukan oleh sistem, tetapi hukum
ini tidak menunjukkanbatas-batas mengenai sumber maupun arah aliran
energi.Hukum kedua termodinamika dirumuskan untuk menyatakan
pembatasan-pembatasan yang berhubungan dengan pengubahan kalor menjadi kerja,
dan jugauntuk menunjukkan arah perubahan proses di alam.Dalam bentuknya yang
palingumum, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan mempergunakan suatu
fungsi keadaan yang disebut
entropi.
Hukum
termodinamika ini telah dinyatakan oleh Claussius dalam bentuk yang sedikit
berbeda: “adalah tidak mungkin bagi mesin yang bekerja sendiri bekerja dalam
proses siklik, untuk mentransfer panas dari benda dengan temperatur lebih
rendah ke benda dengan temperatur yang lebih tinggi, tanpa adanya bantuan pihak
luar”. Atau dengan kata lain, panas tidak bisa mengalir dengan sendirinya dari
benda dingin ke benda panas tanpa bantuan pihak eksternal.
Hukum ini juga dinyatakan oleh Kelvin-Planck sebagai: “adalah
tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam proses siklik yang tujuan
tunggalnya untuk mengkonversi energi panas ke energi kerja”. Dengan kata lain,
tidak ada mesin panas sebenarnya, bekerja dalam proses siklik, bisa merubah
energi panas yang diberikan menjadi kerja mekanik. Artinya terjadi penurunan
energi dalam proses menghasilkan kerja mekanik dari panas. Berdasarkan
pernyataan ini, hukum kedua termodinamika kadang-kadang disebut sebagai hukum
degradasi energi.
Jika
∆ S as ialah perubahan entropi yangterjadi
di alam semesta, maka bagi setiap proses spontan berlaku, ∆S as > 0.Dengan memandang alam semesta itu sebagai sistem
dan lingkungan, maka dapatpula dikatakan bahwa untuk semua proses spontan
berlaku,
∆S Sistem
+ ∆S lingkungan > 0
dengan ∆S sistemialah perubahan entropi sistem dan ∆S
lingkungan ialah perubahan entropi
lingkungan.
HUKUM
KETIGA TERMODINAMIKA
Entropi
Zat Mumi Pada Titik Not Absolut
Entropi dapat dipandang sebagai besaran makroskopis yang
mengukurketidakteraturan sistem, yang berarti suatu sifat menyangkut sejumlah
besar molekulyang tersusun secara tidak teratur dalam ruangan termasuk
distribusi energinya.Sebagai ilustrasi, dua buah balon yang sama besar dan
saling berhubungan melaluisebuah kran. Satu balon berisi
N
molekul gas ideal, sedangkan balon yang
satu hampaudara. Jika kran dibuka, maka gas akan berdifusi ke dalam
balon yang kosong secarasecara spontan, sehingga distribusi gas dalam
dua buah balon menjadi merata.Kebolehjadian untuk menemukan sebuah molekul gas
pada salah satu balonadalah ½. Kebolehjadian untuk menemukan dua buah molekul
dalam balon yangsama adalah (½)2 ,
dan kebolehjadian untuk menemukan N molekul berada dalambalon yang sama adalah
(½) N. Kebolehjadian semakin kecil
dan praktis mendekati nolapabila harga
N
sangat besar (misalnya sebesar tetapan
Avogadro) Gas yangberdifusi secara spontan dan mengisi stiap ruang yang ada
dalam balon merupakankeadaan dengan kebolehjadian yang paling tinggi, atau
keadaan yang paling memungkinkan .Jika W menyatakan besarnya kebolehjadian sistem untuk mencapai suatukeadaan
tertentu, maka menurut Boltzmann dan Planck hubungan antara
entropi dankeboleh jadian diberikan oleh ungkapan S = k ln W
(k =
tetapan Boltzmann) Entropi dapat dihubungkan dengan ‘kekacauan’ atau ketidakteraturan sistem.Keadaan sistem yang
kacau ialah keadaan di mana partikel-partikel (molekul, atom atau ion) tersusun
secara tidak teratur. Makin kacau susunan keadaan sistem, makinbesar
kebolehjadian keadaan sistem dan makin besar entropi. Oleh karena itu zatpadat
kristal pada umumnya mempunyai entropi yang relatif rendah dibandingkandengan
cairan atau gas. Gas mempunyai entropi yang paling tinggi karena keadaansistem
paling tidak teratur.Seperti telah diuraikan di atas bahwa makin kacau atau
tidak teratur susunanmolekul, makin tinggi harga W dan entropi. Sebaliknya makin teratur
susunanmolekul sistem, makin rendah harga W dan entropi. Kalau suatu zat murnididinginkan
hingga dekat 0 K, semua gerakan translasi dan rotasi terhenti
danmolekul-molekul mengambil kedudukan tertentu dalam kisi kristal. Molekul
hanyamemiliki energi vibrasi yang sama besar sehingga berada dalam keadaan
kuantumtunggal. Ditinjau dan kedudukan dan distribusi energi, penyusunan
molekul-molekuldalam suatu kristal yang sempurna pad 0 K hanya dapat
dilaksanakan dengan satucara. Dalam hal ini W = 1 dan ln W = 0, sehingga menurut persamaan boltzmann S = 0. Jadi, entropi
suatu kristal murni yang sempurna ialah nol pada 0 K . Pernyataan initerkenal sebagai Hukum Ketiga
Temomedinamika. Ungkapan matematik hukumtermodinamika ketiga adalah
0S T=0 = 0
Fungsi Energi
Bebas Helmholtz
Bagi suatu perubahan kecil yang berlangsung tak reversibel pada
temperatur
T berlaku:
dS> δ q/T atau δ q - T d S<0
kalau sistem hanya dapat melakukan kerja volume, maka persamaan (43)
dapatdiubah menjadid
U + pdV -T dS<
0 ..
pada volume tetap, dV = 0, sehinggad
U -
T d S < 0 atau d( U —
TS ) T,p < 0
fungsi
U - TS,
yang merupakan fungsi keadaan, disebut energi bebas Helmholtz,
A,
A=U-TS
Bila persamaan dideferensiasi, diperolehd
A =
d U - T dS – Sd T
bagi proses yang berjalan reversibel dan isoterm
d A
= δ W ..
jadi penurunan energi bebas helmholtz, -
∆ A , ialah kerja maksimum yang dapatdihasilkan dan suatu proses yang
dikerjakan secara isoterm.
Fungsi Energi
Bebas Gibbs
Kebanyakan proses biasanya dikerjakan pada temperatur dan tekanan
tetap.Pada kondisi ini, persamaan (44) dapat ditulis dalam bentuk,d( U —
pV — TS)T,p< 0 .
Besaran
U + PV — TS
merupakan fungsi keadaan, disebut energi bebas Gibbs , G.
G
=U+PV — TS =H -TS =A + PV
Jadi, suatu proses yang berlangsung pada
temperatur dan tekanan tetap disertaidengan penurunan energi bebar Gibbs,
(d G) T,p < 0 (hanya kerja volume)
Suatu persamaan penting yang mengkaitkan ∆ H , ∆S dan ∆G
dapat diturunkan sebagai berikut, ∆
G = ∆ H - T ∆ S
BAB
III
PENUTUP
Kesimpulan
Termodinamika
merupakan ilmu yang mengkaji berbagai bentuk energi danhubungannya satu dengan
yang lain. bersifat mendasar untuk semua ilmu.Ruanglingkup termodinamika kimia
ialah hubungan antara berbagai energi jenis tertentudengan sistem kimia. Hukum
pertama termodinamika adalah suatu pernyataan hukumpelestarian energi. Energi
total suatu sistem adalah energi dalamnya yang merupakansuatu fungsi keadaan.
Suatu perubahan energi dalam,
∆ U , dilaksanakan dengantransfer
kalor ataupun perlakuan kerja.Termokimia menangani pengukuran dan penafsiran
perubahan kalor yangmenyertai proses kimia. Kebanyakan pengukuran semacam itu
dilakukan dengan sebuah kalorimeter. Kespontanan suatu reaksi kimia tertentu
dapat terjadi tidak hanya bergantungpada perubahan entalpi,
∆ H ,tetapi juga pada temperatur
dan perubahan entropi, ∆ S ,yang
mengukur perubahan dalam derajat ketidakteraturan suatu sistem.
Entropicenderung mencapai harga maksimum yang dimungkinkan oleh besarnya
energidalam sistem. Hal ini diungkapkan dalam hukum kedua termodinamika. Pada 0
K(suhu mutlak) nilai entropi pada semua zat nyata adalah nol, dan ini merupakanhukum
ketiga termodinamika.
Saran
Disarankan kepada para pembaca, khususnya progam pendidikan fisika haruslah
dapat mengetahui dan memahami tentang model-model atom, karena materi inii
sangat berkaitan dengan ilmu fisika. Dan materi ini juga dapat menambah wawasan
dan pengetahuan dalam mempelajarinya.
DAFTAR PUSTAKA
- Zemansky, Mark W,1982. Kalor dan Termodinamika.Penerbit ITB:
Bandung
-Mike Elly
anitasari, S.Pd. Buku Catatan Termodinamika pertemuan 1.
- Saad,Michel A, 2000, Termodinamika Prinsip dan Aplikasi.
PABELA: Surakarta
-Mike Elly
anitasari, S.Pd. Buku Catatan Termodinamika pertemuan 2.
- Bueche, Frederick J. 1992. Fisika teori dan soal-soal. Penerbit
Erlangga: Jakarta.
-Mike Elly anitasari, S.Pd. Buku Catatan Termodinamika pertemuan 3.
- Asyari-Daryus,Termodinamika Teknik I Universitas Darma Persada –
Jakarta. 10
-Mike Elly anitasari, S.Pd. Buku Catatan termodinamika pertemuan 4.
-www.infofisioterapi.com/info/makalah-termodinamika.html
-id.wikipedia.org/wiki/Buku
Hukum_termodinamik
-www.bebas.vlsm.org/v12/sponsor/.../0285%20Fis-1-5b.html
-Mike Elly Anitasari, S.Pd. Buku Catatan Termodinamika
pertemuan 5.
Post a Comment
Post a Comment