Termodinamika (bahasa Yunani: thermos =
‘panas’ and dynamic = ‘perubahan’) adalah fisika energi , panas, kerja,
entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan
mekanika statistik di mana 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 sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan
ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan
transfer energi 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.
Konsep Dasar dalam Termodinamika
Pengabstrakan dasar atas termodinamika
adalah pembagian dunia menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal
dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan
sebagai lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih
mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang
lebih besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan
jelas yang dapat diuraikan menjadi beberapa parameter.
Sistem Termodinamika
Sistem termodinamika adalah bagian dari
jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi
memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan.
Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas
sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara
sistem dan lingkungan.
Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:sistem terisolasi:
- sistem terisolasi adalah tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkunganwadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
- sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
~ pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
- sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.
Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak
dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi
sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan
gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem
sama dengan energi yang keluar dari sistem.
Keadaan Termodinamika
Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).
Untuk keadaan termodinamika tertentu,
banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak
tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut,
disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini
hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus
dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu
ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan
properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.
Proses Termodinamika
Kalor (Q) merupakan energi yang berpindah
dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu.
Berkaitan dengan sistem dan lingkungan, bisa dikatakan bahwa kalor
merupakan energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi
yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu.
Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan
mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, jika suhu lingkungan
lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan
menuju sistem.
Jika Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W)
berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara
mekanis (mekanis tuh berkaitan dengan gerak)… Misalnya jika sistem
melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan
berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan
melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari
lingkungan menuju sistem.
Salah satu contoh sederhana berkaitan
dengan perpindahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan
Kalor dan Kerja adalah proses pembuatan popcorn. Dirimu ngerti popcorn
tidak ? biji jagung yang ada bunganya, garis besarnya seperti ini…
Biasanya popcorn dimasukkan ke dalam wadah tertutup (panci atau alat
masak lainnya). Selanjutnya, wadah tertutup tersebut dipanasi dengan
nyala api kompor. Adanya tambahan kalor dari nyala api membuat biji
popcorn dalam panci kepanasan dan meletup. Ketika meletup, biasanya biji
popcorn berjingkrak-jingkrak dalam panci dan mendorong penutup panci.
Gaya dorong biji popcorn cukup besar sehingga kadang tutup panci bisa
berguling ria… Untuk kasus ini, kita bisa menganggap popcorn sebagai
sistem, panci sebagai pembatas dan udara luar, nyala api dkk sebagai
lingkungan. Karena terdapat perbedaan suhu, maka kalor mengalir dari
lingkungan (nyala api) menuju sistem (biji popcorn).
Adanya tambahan kalor menyebabkan sistem
(biji popcorn) memuai dan meletup sehingga mendorong penutup panci (si
biji popcorn tadi melakukan kerja terhadap lingkungan). Dalam proses
ini, keadaan popcorn berubah. Keadaan popcorn berubah karena suhu,
tekanan dan volume popcorn berubah saat memuai dan meletup… meletupnya
popcorn hanya merupakan salah satu contoh perubahan keadaan sistem
akibat adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan. Masih
sangat banyak contoh lain, sebagiannya sudah gurumuda ulas pada bagian
pengantar… Perubahan keadaan sistem akibat adanya perpindahan energi
antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor dan Kerja, disebut
sebagai proses termodinamika.
Energi dalam dan Hukum Pertama TermodinamikaEnergi dalam sistem merupakan jumlah seluruh energi kinetik molekul sistem, ditambah jumlah seluruh energi potensial yang timbul akibat adanya interaksi antara molekul sistem. Kita berharap bahwa jika kalor mengalir dari lingkungan menuju sistem (sistem menerima energi), energi dalam sistem akan bertambah.
Sebaliknya, jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan (sistem melepaskan energi), energi dalam sistem akan berkurang…
Dengan demikian, dari kekekalan energi, kita bisa menyimpulkan bahwa perubahan energi dalam sistem = Kalor yang ditambahkan pada sistem (sistem menerima energi) – Kerja yang dilakukan oleh sistem (sistem melepaskan energi). Secara matematis, bisa ditulis seperti ini :
Keterangan :
- delta U = Perubahan energi dalam
- Q = Kalor
- W = Kerja
Persamaan ini berlaku untuk sistem
tertutup (Sistem tertutup merupakan sistem yang hanya memungkinkan
pertukaran energi antara sistem dengan lingkungan). Untuk sistem
tertutup yang terisolasi, tidak ada energi yang masuk atau keluar dari
sistem, karenanya, perubahan energi dalam = 0. Persamaan ini juga
berlaku untuk sistem terbuka jika kita memperhitungkan perubahan energi
dalam sistem akibat adanya penambahan dan pengurangan jumlah zat (Sistem
terbuka merupakan sistem yang memungkinkan terjadinya pertukaran materi
dan energi antara sistem tersebut dengan lingkungan).
Aturan tanda untuk Kalor (Q) dan Kerja (W)Aturan tanda untuk Kalor dan Kerja disesuaikan dengan persamaan Hukum Pertama Termodinamika.
Kalor (Q) dalam persamaan di atas merupakan kalor yang ditambahkan pada sistem (Q positif), sedangkan Kerja (W) pada persamaan di atas merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem (W positif). Karenanya, jika kalor meninggalkan sistem, maka Q bernilai negatif. Sebaliknya, jika kerja dilakukan pada sistem, maka W bernilai negatif.
———————————————————
Sumber :
- Giancoli, Douglas C., 2001, Fisika Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penerbit Erlangga
- Halliday dan Resnick, 1991, Fisika Jilid I, Terjemahan, Jakarta : Penerbit Erlangga
- Tipler, P.A.,1998, Fisika untuk Sains dan Teknik-Jilid I (terjemahan), Jakarta : Penebit Erlangga
- J.F. Gabriel, Fisika Kedokteran Jakarta : Penerbit EGC
- John R. Cameron , Fisika tubuh Manusia Jakarta : Penerbit EGC
- Fisika Science untuk Keperawatan, Jakarta : Penebit EGC
- Fisika Kesehatan, Penerbit UNS
- Biomekanika
Tidak ada komentar:
Posting Komentar