TERMODINAMIKA

BAB I
PENDAHULUAN

A. Latar belakang
Termodinamika dalam bahasa Yunani berarti thermos = 'panas' dan dynamic = 'perubahan' maka termodinamika merupakan fisika energy, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik dimana banyak hubungan termodinamika berasal.
Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik ,yang diidealkan ,proses "super pelan".
Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak setimbang. Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.
Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau system yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke system dimana seseorang tidak tahu apapun kecuali perimbangan transfer energy dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam

B. Tujuan
1. Mahasiswa dapat memahami hukum – hukum termodinamika
2. Mahasiswa dapat menerapkan ilmu termodinamika dalam kehidupan sehari – hari



C. Manfaat
Banyak sekali manfaat termodinamika bagi kehidupan sehari – hari salah satunya yaitu pemuaian gas panas dalam suatu mesin diesel, pemuaian gas cair dalm system pendinginan dan langkah kompresi dalam mesin diesel yang menggunakan proses adiabatik,

D. Ruang lingkup
Termodinamika merupakan ilmu fisika yang mempelajari tentang perubahan panas meliputi : proses isobaric, proses isothermal, proses isokhorik, proses adiabatic dan hukum termodinamika awal hingga hukum termodinamika ke – 3 serta siklus termodinamika. Temodinamika juga melibatkan usaha yang di lakukan dan kalor yang disuplai atau hilang dari suatu gas.





















BAB II
PEMBAHASAN


A. Pengertian
Termodinamika berasal dari dua kata, yaitu thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan). Maka termodinamika merupakan ilmu mengenai fenomena tentang energi yang berubah – ubah karena pengaliran panas dan usaha yang dilakukan. Misalnya suatu benda dinaikkan suhunya maka timbul pemuaian. Pada proses ini terdapat suatu pemindahan panas dan juga bekerja suatu gaya yang mengalami perpindahan sehingga mengakibatkan terlaksananya suatu usaha.

B. Usaha pada berbagai proses termodinamika
Usaha, yaitu hanya muncul jika terjadi perpindahan energi antara system dan lingkungan . Sistem adalah suatu benda atau keadaan yang menjadi pusat perhatian kita, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu di luar system yang dapat mempengaruhi keadaan system secara langsung. Apabila antara system dan lingkungan memungkinkan terjadinya pertukaran materi dan energy, maka sistemnya disebut system terbuka. Jika hanya terbatas pada pertukaran energy, maka disebut system tertutup. Sedangkan jika pertukaran meteri maupun energy tidak mungkin terjadi, maka disebut system terisolasi.
Ada beberapa proses yang kita kenal sehubungan dengan usaha yang dilakukan oleh gas berkaitan dengan perubahan suhu, volume, tekanan dan enerdi dalam gas. Proses tersebut yaitu :
1. Proses isobaric
Proses isobaric adalah proses perubahan keadaan system pada tekanan tetap.
















Keterangan :
W = usaha (J)
P = tekanan (atm)
V1 = volume awal (m3)
V2 = volume akhir (m3)
2. Proses isothermal
Proses isothermal adalah proses perubahan keadaan system pada suhu tetap. Proses ini mengikuti hokum boyle, yaitu PV = konstan. Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh system , kita tentukan dahulu persamaan tekanan sebagai fungsi volume berdasarkan persamaan keadaan gas ideal,yaitu :














Keterangan :
W = usaha (J)
V1 = volume awal (m3)
V2 = volume akhir (m3)
n = (mol)
R = ketetapan gas umum (8,31 J/mol K)
T = suhu (oK)

3. Proses isokhorik
Proses isokorik adalah proses perubahan keadaan system pada volume tetap (gambar ). Gas tidak mengalami perubahan volume (∆V = 0)









Dari grafik (P –V) di atas diperoleh V1 = V2, maka ∆V = 0. Usaha yang digunakan oleh gas sama dengan nol.



4. Proses adiabatic
Proses adiabatic adalah proses perubahan keadaan system tanpa adanya kalor yang masuk kea tau keluar dari system (gas), yaitu Q = 0 (gambar)











Usaha yang dilakukan oleh gas pada proses adiabatic dapat dinyatakan sebagai berikut :





Keterangan :
W = usaha (J)
T1 = suhu awal (oK)
T2 = suhu akhir (oK)
n = (mol)
R = ketetapan gas umum (8,31 J/mol K)
Proses adiabatic sangat penting dalam bidang rekayasa. Beberapa contoh proses adiabatic adalah pemuaian gas panas dalam suatu mesin diesel, pemuaian gas cair dalm system pendinginan dan langkah kompresi dalam mesin diesel.

C. Hukum awal termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.



D. Hukum I termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energy. Hukum ini menyatakan perubahan energy dalam dari suatu system termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energy kalor yang disuplai ke dalam system dan kerja yang dilakukan terhadap system.



Keterangan :
Q = kalor yang dilepas atau yang diterima oleh system selama perubahan dari keadaan 1 ke keadaan 2
∆U = perubahan energy dalam system
W = usaha luar yang dilakukan oleh system selama perubahan
Contoh soal :
Tabung yang volumenya 2 m3 berisi gas ditekan secara isobaric pada tekanan 6 x 105 Pa sehingga volumenya menjadi 1,5 m3. Akibat tekanan ini, energy dalam gas bertambah 3 x 105 J. Hitung kalor yang dilepas gas?

Jawab:
Q = W + ∆U
= P. ∆V + ∆U
= 6 x 105 x (1,5 – 2) + 3 x 105
= 0 J
Artinya gas tidak melepaskan kalor

1. Perubahan energy dalam (∆U)
Energy dalam merupakan jumlah energy kinetik translasi dari semua atom. Jumlah ini sama dengan energy kinetik rata – rata per molekul dikalikan total molekul.
U = nRT
∆U = U2-U1




Dengan demikian, energy kinetik dalam sebuah gas ideal hanya tergantung pada suhu dan jumlah mol gas dan tidak tergantung dari tekanan dan volume. Dengan kata lain energy dalam system hanya tergantung pada keadaan awal (T1) dan keadaan akhir (T2) saja dan tidak tergantung pada bagaimana proses ini berlangsung.

2. Hukum I thermodinamika pada beberapa proses thermodinamika
a. Proses isobaric
Proses isobaric merupakan proses yang berlangsung pada tekanan tetap. Pada proses isobaric terjadi perubahan energy ∆U karena terjadi perubahan suhu system ∆T.


Keterangan :
∆U = perubahan energy dalam (J)
Q = kalor (J)
P = tekanan (atm)
V2 = volume akhir (m3)
V1 = volume awal (m3)

b. Proses isothermal
Proses isothermal merupakan proses yang berlangsung pada suhu tetap. Berarti, suhu awal gas T1 sama dengan suhu akhir T2 sehingga perubahan energy dalam ∆U = nR(T2-T1) = 0.






Keterangan :
W = usaha (J)
V1 = volume awal (m3)
V2 = volume akhir (m3)
n = (mol)
R = ketetapan gas umum (8,31 J/mol K)
T = suhu (oK)
Q = usaha (J)

c. Proses isokhorik
Pada proses isokhorik merupakan proses yang berlangsung pada volume tetap. Berarti volume awal sama dengan volume akhir sehingga usaha yang dilakukan gas W = P (∆V) = 0





d. Proses adiabatic
Proses adiabatic merupakan proses yang berlangsung dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari system (Q = 0). Dari hukum I termodinamika diperoleh hubungan berikut :





E. Hukum II termodinamika
Hukum II thermodinamika membatasi perubahan energy 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 (perumusan RJF. Clausius) “ 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 (perumusan Kelvin - Planck) “ 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 entroppi semesta tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan bertambah ketika prosees ireversibel terjadi ”
1. Pengertian entropi
Entropi menyatakan ukuran ketidakteraturan suatu system. Suattu system yang memiliki entropi yang tinggi berarti system tersebut makin tidak teratur.sebagai contoh, jika gas dipanaskan maka molekul – molekul gas akan bergerak secara acak (entropinya tinggi) tetapi jika suhunya diturunkan maka gerak molekulnya menjadi lebih teratur (entropinya rendah). Entropi adalah ukuran banyaknya energy atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha.




Keterangan :
∆S = Entropi ( )
∆Q = perubahan kalor (joule)
T = suhu mutlak (0K)

2. Mesin pendingin
Mesin pendingin merupakan peralatan yang bekerja berdasarkan aliran kalor dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada system. Contoh lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan AC.







F. Hukum III termodinamika
Hukum termodinamika terkait dengan temperature nol absolute. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu system mencapai temperature nol absolute, semua proses akan berhenti dan entropi system akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur Kristal sempurna pada temperature nol absolute bernilai nol.

G. Siklus thermodinamika
Usaha yang dilakukan oleh suatu gas ketika gas tersebut memuai secara isothermal tidak mungkin gas itu memuai terus – menerus untuk melakukan usaha menyerap kalor, sebab proses isothermal itu akan berhenti ketika volum maksimum system telah tercapai. Untuk dapat mengubah kalor menjadi usaha terus – menerus haruslah diupayakan agar gas yang telah melakukan usaha itu dikembalikan ke keadaan awalnya. Proses dari keadaan semula dan kembali lagi ke keadaan semula setelah gas melakukan usaha disebut siklus (daur).
Pada tahun 1824,seorang insinyur berkebangsaan Prancis bernama Sadi Carnot (1796-1832) memperkenalkan metode baru untuk meningkatkan efisiensi mesin berdasarkan siklus usaha yang selanjutnya dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot ini terdiri dari empat proses yaitu dua proses adiabatic dan dua proses isothermal.







Efisiensi nyata (η) dari mesin kalor adalah perbandingan usaha total yang dilakukan oleh mesin selama satu siklus terhadap kalor yang dimasukkan dari sumber bersuhu tinggi di dalam satu siklus. Besarnya kerja yang dapat dilakukan oleh system dibandingkan dengan energy yang diserap, dapat melakukan efisiensi suatu mesin. Efisiensi disefinisikan sebagai :




Persamaan diatas menunjukkan efisiensi mesin secara umum, sedangkan khusus untuk mesin Carnot, persamaannya dapat ditulis menjadi :





Keterangan :
W = usaha yang dilakukan oleh system (joule/J)
Q2 = kalor dilepaskan (joule/J)
Q1 = kalor masuk (joule/J)
T1 = reservoir suhu tinggi (oK)
T2 = reservoir suhu rendah (oK)
η = efisiensi (%)