TERMODINAMIKA
|
|||
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:
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.
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.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang
berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan
adalah contoh dari hubungan tersebut.
Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem
termodinamika, yaitu:
Hukum ini menyatakan
bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya
dalam saling setimbang satu dengan lainnya.
Hukum ini terkait
dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika
tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam
sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
Hukum pertama
termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan
perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum
pertama termodinamika ini
berbunyi:
Kenaikan energi internal dari suatu sistem
termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas
yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja
yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya
Pondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh
James Prescott Joule
yang melalui eksperimen-eksperimennya berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja
saling dapat dikonversikan. Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf
Clausius pada 1850: "Terdapat suatu
fungsi keadaan E, yang disebut 'energi', yang diferensialnya sama dengan
jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu proses adiabatik."
Hukum kedua
termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total
entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat
seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
Formulasi
Kelvin-Planck atau hukum termodinamika kedua menyebutkan bahwa adalah
tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus
yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu reservoir
pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik. Hukum kedua
termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata lain,
tidak semua proses di alam semesta adalah reversible
(dapat dibalikkan arahnya). Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka
salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut. Akan tetapi beruang tersebut
tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut untuk menghangatkan tubuhnya.
Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki arah, yaitu dari panas ke
dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah studi tentang mesin kalor.
Hukum ketiga
termodinamika terkait dengan temperatur
nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem
mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi
sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi
benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.
Hukum ketiga
termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi DSt yang
berkaitan dengan perubahan kimia atau perubahan fisika bahan murni pada T
= 0 K bernilai nol.
Transisi yakni perubahan fisika, dalam zat (misalnya belerang) dari struktur A (rombik) ke B (monoklinik) pada suhu normal disertai dengan perubahan entropi; ini diilustrasikan secara skematik di ilustrasi T8. Dapat ditunjukkan secara eksperimen, bahwa bila suhunya mendekati 0 K, perubahan entropi transisi DSt menurun. Karena 0 K tidak dapat dicapai secara eksperimen, hal ini diungkapkan secara matematik
Lim DSt = 0
T ® 0
Secara intuitif hukum ketiga dapat dipahami
dari fakta bahwa pergerakan ionik atau molekular maupun atomik yang
menentukan derajat ketidakteraturan dan dengan demikian juga besarnya
entropi, sama sekali berhenti pada 0 K. Dengan mengingat hal ini, tidak akan
ada perubahan derajat ketidakteraturan dalam perubahan fisika atau kimia dan
oleh karena itu tidak akan ada perubahan entropi.
Entalpi
Entalpi adalah istilah dalam termodinamika yang menyatakan jumlah energi
internal dari suatu sistem termodinamika ditambah energi yang digunakan untuk
melakukan kerja. Secara matematis, entalpi dapat dirumuskan sebagai berikut:
di mana:
|
Hukum I Termodinamika
- Hukum ini diterapkan pada gas, khususnya gas ideal
PV = n R T
P . DV + -V . DP = n R DT - Energi adalah kekal, jika diperhitungkan semua bentuk energi yang timbul.
- Usaha tidak diperoleh jika tidak diberi energi dari luar.
- Dalam suatu sistem berlaku persamaan termodinamika I:
DQ = DU+ DW
DQ = kalor yang diserap
DU = perubanan energi dalam
DW = usaha (kerja) luar yang dilakukan
DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT
DIJABARKAN:
- Pada proses isobarik (tekanan tetap) ® DP = 0; sehingga,
DW = P . DV = P (V2 - V1) ® P. DV = n .R DT
DQ = n . Cp . DT
|
® maka Cp = 5/2 R (kalor
jenis pada tekanan tetap)
|
DU-= 3/2 n . R . DT
|
- Pada proses isokhorik (Volume tetap) ® DV =O; sehingga,
DW = 0 ® DQ = DU
DQ = n . Cv . DT
|
® maka Cv = 3/2 R
(kalor jenis pada volume tetap)
|
AU = 3/2 n . R . DT
|
- Pada proses isotermik (temperatur tetap): ® DT = 0 ;sehingga,
DU = 0 ® DQ = DW = nRT ln (V2/V1) - Pada proses adiabatik (tidak ada pertukaran kalor
antara sistem dengan sekelilingnya) ® DQ = 0 Berlaku hubungan::
PVg = konstan ® g = Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace
- Cara lain untuk menghitung usaha adalah menghitung luas daerah di bawah garis proses.
- Usaha pada proses a ® b adalah luas abb*a*a
Perhatikan perbedaan grafik isotermik dan adiabatik ® penurunan adiabatik lebih curam dan mengikuti persamaan PVg= C.
Jadi:
1. jika DP > DV, maka grafik adiabatik.
2. jika DP = DV, maka grafik isotermik.
Catatan:
- Jika sistem menerima panas, maka sistem akan melakukan kerja dan energi akan naik. Sehingga DQ, DW ® (+).
- Jika sistem menerima kerja, maka sistem akan mengeluarkan panas dan energi dalam akan turun. Sehingga DQ, DW ® (-).
- Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energi dalam (U)
gas adalah
U = Ek = 3/2 nRT ® g = 1,67 - Untuk gas diatomik (H2, N2, dll), energi dalam (U) gas adalah
Suhu rendah
(T £ 100ºK) |
U = Ek = 3/2 nRT
|
® g = 1,67
|
® Cp-CV=R
|
Suhu sedang
|
U = Ek =5/2 nRT
|
® g = 1,67
|
|
Suhu tinggi
(T > 5000ºK) |
U = Ek = 7/2 nRT
|
® g = 1,67
|
Hukum II Termodinamika
Tidak mungkin membuat suatu mesin
yang bekerja secara terus-menerus serta rnengubah semua kalor yang
diserap menjadi usaha mekanis.
Untuk mesin pendingin:
h = W/Q2 = Q1/Q2 -1 = T1/T2 - 1
Koefisien Kinerja = 1/h
h = W/Q2 = Q1/Q2 -1 = T1/T2 - 1
Koefisien Kinerja = 1/h
Sumber : http://fisikavlem-ipa3.blogspot.com/2010/01/teori-kinetik-gas.html
Tidak ada komentar:
Posting Komentar