Memahami Prinsip dan Konsep Termodinamika

Prinsip dan konsep termodinamika banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari dan tentunya ada banyak ilmu terapannya di dalam pekerjaan. Penggunaan konsep tersebut dapat ditemui dengan mudah melalui penerapan yang sesuai. Bahkan banyak pula mesin dan penemuan hebat dunia yang menggunakan rumusnya.

Dalam termodinamika, Anda akan menemukan keterkaitan peristiwa antara satu sama lain yang ternyata saling berhubungan. Lalu bagaimana prinsip dan konsep termodinamika itu sendiri? untuk memahaminya lebih jelas, perhatikan penjelasan singkat di bawah ini.

Pengertian, Prinsip dan Konsep Termodinamika

Istilah termodinamika berasal dari bahasa Yunani. Thermos artinya panas dan dynamicartinya gerak atau perubahan. Dari arti katak tersebut bisa dikatakan bahwa termodinamika adalah suatu ilmu yang mempelajari panas dan hubungannya dengan energi atau gerak. Termodinamika membahas bagaimana kalor bisa berubah menjadi energi

Termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari panas dan pergerakan. Di dalam ilmu ini, Anda akan mengerti bagaimana panas dan temperatur mempunyai hubungan pada energi dan gerakan. Bagaimana kalor dapat mengalir dan menghasilkan energi dipaparkan dengan jelas dalam pembahasan termodinamika. Selain itu, termodinamika juga memiliki kaitan erat dengan panas, energi, kerja, entropi dan kespontanan proses.

Prinsip dan konsep termodinamika juga tidak bisa dilepaskan dari mekanika statik. Hal ini membuat termodinamika juga membahas tentang pertukaran energi, sistem pembatas dan juga lingkungan.

Pengaplikasian termodinamika tidak terbatas pada peristiwa tertentu saja tetapi juga meliputi peristiwa yang terjadi dalam tubuh manusia, lingkungan dan juga berbagai kegiatan industri. Sehingga bisa dikatakan bahwa peristiwa termodinamika sangat dekat dengan kehidupan sehari-hari.

Prinsip dan Konsep Termodinamika dalam Macam Sistemnya

Agar dapat memahami prinsip dan konsep termodinamika, mempelajari sistem yang dimiliki oleh sistem termodinamika begitu penting. Sistem termodinamika merupakan bagian dari lingkungan yang diperhitungkan atau menjadi batasan. Batasan ini menghasilkan pengelompokkan yang didasarkan pada sifat masing-masing sistem lingkungan. Berdasarkan pertukaran yang terjadi dalam sistem dan lingkungan, sistem termodinamika terdiri dari 3 jenis, yaitu:

1. Prinsip dan Konsep Termodinamika Sistem tertutup

Dalam sistem termodinamika tertutup, pertukaran energi atau panas terjadi tanpa adanya pertukaran benda dengan lingkungan sekitar. Untuk lebih mudah memahami sistem ini, Anda bisa memperhatikan rumah hijau. Rumah hijau adalah salah satu sistem termodinamika tertutup karena di dalamnya terjadi pertukaran panas namun tidak akan pertukaran kerja dengan lingkungan.

Semua pertukaran energi hanya terjadi di dalam rumah hijau tanpa melibatkan bagian luar. Untuk mengetahui suatu sistem memiliki pertukaran panas atau pertukaran, bisa dilihat dari sifat pembatasnya. Pembatas yang dipakai biasanya ada yang tidak memperbolehkan pertukaran panas dan ada yang tidak memperbolehkan pertukaran kerja atau keduanya.

2. Prinsip dan Konsep Termodinamika Sistem terisolasi

Sistem ini tidak menawarkan pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan manapun. Sesuai dengan namanya, sistem ini terjadi pada wadah yang terisolasi. Contoh dari sistem ini bisa dilihat pada tabung gas isolasi.

3. Sistem terbuka

Termodinamika sistem terbuka mengizinkan terjadinya pertukaran energi dan benda dengan lingkungannya. Pada sistem ini, pembatas yang ada akan memungkinkan terjadinya pertukaran benda yang ada di lingkungan. Contoh jelasnya adalah samudera.

Pada kenyataannya, banyak peristiwa di kehidupan sehari-hari yang termasuk dalam sistem termodinamika. Anda bisa menemukan berbagai macam contoh sistem termodinamika di lingkungan sekitar. Setiap energi yang ada dalam kehidupan sehari-hari akan masuk dan keluar dari sistem termodinamika yang ada.

Prinsip dan Konsep Termodinamika dalam Hukumnya

Di dalam sistem termodinamika, ada hukum-hukum termodinamika yang harus dipahami. Prinsip dan konsep termodinamika mengandung hukum yang mendukung setiap prosesnya. Lalu, apa saja hukum termodinamika? Berikut hukum-hukum termodinamika.

Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum awal merupakan bagaimana asal mula hukum itu berasal. Sebelum masuk ke dalam hukum termodinamika, ada hukum awal termodinamika yang mendasarinya. Hukum awal termodinamika menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiga sistem tersebut akan berada dalam keadaan saling setimbang antara satu dengan yang lainnya.

Hukum Termodinamika 1 (Kekekalan Energi dalam Sistem)

Hukum termodinamika 1 juga dikenal dengan sebutan hukum kekekalan energi. Di dalam hukum kekekalan energi dinyatakan bahwa energi tidak bisa diciptakan ataupun dimusnahkan. Dari hukum ini bisa dipahami bahwa energi hanya bisa diubah dalam bentuk energi lainnya, bukan dimusnahkan. Jika ada sesuatu yang menerima energi atau kalor, maka kalor tersebut akan mengubah energi dalam. Bahkan daripada musnah, energi tersebut akan sangat berguna untuk usaha luar.

Melalui bunyi hukum Termodinamika 1 bisa dipahami bahwa untuk setiap proses yang terjadi, maka kalor yang dinyatakan dengan Q akan diberikan kepada sistem. Lalu sistem tersebut akan melakukan usaha yang dinyatakan dengan W. Sehingga akhirnya terjadi perubahan energi yang bisa ditentukan dalam ΔU = Q – W.

Sifat dari sebuah sistem yang terkait ditunjukkan dalam U, bukan dalam W atau Q. Sehingga bisa dipahami bahwa W dan Q termasuk dalam proses termodinamika yang bisa merubah keadaan.

W akan memiliki nilai atau tanda positif apabila sistem melakukan usaha terhadap lingkungan. Tetapi jika W hanya menerima usaha dari lingkungan, maka W akan bertanda negatif.

Sedangkan Q akan memiliki tanda positif hanya jika sistem yang terkait menerima kalor dari lingkungan. Akan tetapi, Q akan berubah menjadi bertanda negatif jika Q melepaskan kalor pada lingkungan yang ada.

Perubahan energi dari sistem yang ada sangat tergantung pada pergerakan atau perpindahan kalor dan tidak tergantung pada proses yang sudah terjadi.

Untuk dapat lebih memahaminya, hukum Termodinamika 1 dapat dirumuskan sebagai berikut:

Rumus	Keterangan
Q = ∆U+W	Q bernilai + jika sistem menerima kalor W bernilai + jika sistem melakukan usaha W bernilai – jika sistem dikenai usaha ∆U bernilai + jika terjadi penambahan energi dalam ∆U bernilai – jika terjadi penurunan energi dalam
ΔU = Q − W	ΔU = perubahan energi dalam (joule) Q = kalor (joule) W = usaha (joule)

Contoh soal:

Suatu gas yang ada di dalam ruang tertutup diketahui melepaskan kalor ke lingkungan sekitar hingga 2.000 kalori. Selain melepaskan kalor, gas tersebut juga melakukan usaha 4.000 joule. Berapakah perubahan energi dalam gas yang sudah terjadi? (1 kalori = 4,2 J)

Penyelesaian:

Diketahui :

Q = -2.000 kalori = -8.400 J

W = +4.000 J

Ditanyakan : ∆U

Jawab:

∆U = Q –W

= -8.400 J – (+4.000 J)

= -4.400 J

Hukum Termodinamika 2 (Arah reaksi dan batasan)

Di dalam prinsip dan konsep termodinamika, ada hukum kedua yang menunjukkan batasan perubahan energi. Maksud dari batasan ini adalah energi mana yang bisa terjadi dan tidak bisa terjadi dapat diketahui dengan jelas.  

Hukum Termodinamika 2 menyatakan bahwa kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah secara alamiah, sehingga bisa dipahami bahwa kalor yang dimaksud tidak akan bisa mengalir dari benda yang bersuhu rendah ke benda yang bersuhu tinggi jika tidak disertai dengan usaha.

Dari bunyi hukum termodinamika 2 tersebut bisa dipahami beberapa hal, antara lain:

• Suatu mesin yang bekerja dalam satu siklus tidak mungkin bisa menerima kalor dan juga mengubahnya.
• Suatu mesin yang bekerja dalam satu siklus tidak bisa dibuat dengan mengambil kalor yang memiliki suhu rendah lalu memberikannya pada suhu tinggi jika tidak disertai dengan usaha dari luar.
• Suatu mesin yang bekerja diantara reservoir suhu mempunyai tingkat efisiensi maksimum.

Hukum termodinamika 2 sangat berkaitan dengan proses entropi. Rumus yang bisa diperoleh dari hukum ini adalah dengan perubahan entropi (S), perubahan panas (Q) dan temperatur absolut (T). Sehingga bisa dirumuskan dengan:

ΔS = ΔQ / T

Agar dapat lebih memahami hukum termodinamika 2 ini, perhatikan salah satu contoh soal berikut ini.

Contoh soal:

Sebanyak 1 mol air (H2O) memiliki suhu sebesar 100 C. Air tersebut juga mempunyai kalor sebesar 50 J/mol. Berapa nilai perubahan entropi untuk proses penguapan air tersebut?

Jawab :

Suhu 100 C diubah dalam bentuk kelvin menjadi 373 K

ΔS = Q / T

ΔS = 50 / 373K

ΔS = 134,04 J / K mol

Hukum Termodinamika 3

Selain hukum kesatu dan kedua, prinsip dan konsep termodinamika juga mempunyai hukum ketiga. Hukum termodinamika 3 menyatakan bahwa entropi suatu benda yang mempunyai struktur kristal sempurna pada suhu nol juga memiliki nilai nol.

Jika suhu atau temperatur nol absolut sudah dicapai, maka semua proses yang terjadi akan berhenti. Hal ini juga akan menyebabkan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Sehingga nilai temperatur absolut dari entropi suatu benda sangat berhubungan dengan hukum ini. 

Proses pada Prinsip dan Konsep Termodinamika

Selain hukum-hukum tertentu, termodinamika juga terdiri dari beberapa proses. Semua proses yang dimiliki oleh termodinamika tergantung pada tekanan, volume dan suhu yang terjadi. Selain itu, variabel yang berubah dan usaha yang dilakukan adalah dua poin penting yang mempengaruhi proses termodinamika.

Lalu apa saja proses termodinamika? Agar bisa lebih memahami prinsip dan konsep termodinamika, berikut proses-proses yang harus diketahui.

1. Isokhorik

Isokhorik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah besarnya volume sistem yang ada. Sehingga nilai usaha yang dilakukan adalah 0.

2. Isobarik

Isobarik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai tekanan sistem yang ada. Sehingga bisa diketahui bahwa jika volume membesar maka usaha bernilai positif. Lalu jika volume mengecil maka usaha bernilai negatif.

3. Isotermik

Isotermik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai suhu suatu sistem sehingga jumlah zat yang ada dinyatakan dengan satuan mol.

4. Adiabatik

Adiabatik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai kalor sistem yang ada.

Satuan yang dipakai dalam perhitungan selalu satuan internasional sehingga jika suatu pernyatan masih belum menggunakan satuan SI, maka harus diubah terlebih dahulu. Setiap proses tersebut mempunyai rumus tersendiri. Masing-masing rumus tersebut berbeda, namun masih terikat satu sama lain. Untuk lebih mudahnya, rumus-rumus dalam proses termodinamika bisa diringkas dalam tabel di bawah ini.

Proses	Persamaan	Usaha	Energi Dalam
Isobarik (P konstan)	V1/T1 = V2/T2	W = P . ΔV	ΔU = Q – W
Isokhorik (V konstan)	P1/T1 = P2/T2	W = 0	ΔU = Q
Isothermik (T konstan)	P1 . V1 = P2. V2	W = n.R.T.In v2/v1 W = Q	ΔU = 0
Adiabatik (pertukaran kalor ΔQ = 0)	P1.V1/T1 = P2.V2/T2	W = 3/2 n.R. ΔT	ΔU = – W

Ilmu fisika memang tidak bisa dilepaskan dari kehidupan sehari-hari. Setiap energi yang dipakai dalam kehidupan selalu melalui proses yang berkesinambungan. Untuk itu, memahami mengenai prinsip dan konsep termodinamika juga merupakan hal yang penting.