Termodinamika
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 QV.
QV = ∆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 Qp.
Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku
Sebelumnya telah dituliskan bahwa
perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan
QV =∆U
Dari sini
usaha gas dapat dinyatakan sebagai
W
= Qp − QV
Jadi,
usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih
energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp)
dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV).
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.