TERMODINAMIKA

Hello readers! Pada kesempatan kali ini, aku mau bahas nih beberapa materi dan pastinya info menarik seputar fisika loh! Siapa nih yang suka banget ngulik tentang fisika lebih dalam, terutama fisika jenjang SMA? Udah tahu belum nih kira-kira kita mau bahas apa? Yup! Sesuai judul, kita akan bahas seputar Termodinamika readers! Sebelum masuk info lebih lanjut, bisa dilihat dulu nih mind mapping dari Termodinamika untuk memudahkan readers memahami ilmu dasar nya dari Bab Termodinamika ini. Cus langsung perhatiin nih mind mapping nya! 

Nah, setelah readers baca mind mapping yang udah aku kasih di atas itu, kira-kira kebayang dong yah kita akan bahas apa aja? Yup! Bener banget. Kali ini kita akan bahas apa sih itu Termodinamika, lalu kita masuk ke hukum-hukum dalam termodinamika dan penerapannya dalam kehidupan sehari-hari (karena segala sesuatunya harus dibuktikan dalam kehidupan nyata ya kan). 

APA SIH TERMODINAMIKA?

Termodinamika itu berasal dari bahasa Yunani, yaitu Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Jadi, bisa dikatakan bahwa termodinamika adalah suatu ilmu yang menggambarkan usaha untuk mengubah suatu kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses.

Bukan hanya itu, Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu Fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan yang tentunya erat kaitannya dengan si termodinamika ini. Ada yang tahu gak nih kalau readers melakukan peristiwa meniup kopi panas termasuk penerapan termodinamika loh! Penggunaan perkakas elektronik, lemari es, mesin mobil, pembangkit listrik dan industri merupakan peristiwa termodinamika yang paling dekat dengan kehidupan sehari-hari kita. Penggunaan termos juga termasuk ke dalam aplikasi termodinamika ini. Penasaran gak nih kelanjutannya gimana? Langsung scroll ke bawah deh!

SISTEM TERMODINAMIKA APA AJA YA? 

Sistem termodinamika ini bisa dikatakan sebagai bagian dari jagat raya yang diperhitungkan loh. Adanya sebuah batasan yang nyata atau imajinasi yang memisahkan sistem dengan jagat raya itu sendiri disebut dengan lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas mengenai sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan, adalah sebagai berikut :  

1.Sistem tertutup = di sini, terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Contoh dari sistem tertutup ini adalah rumah hijau yang di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Keadaan suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan oleh sifat pembatasnya : 

- Pembatas Adiabatik = tidak memperbolehkan pertukaran panas (kalor).

- Pembatas Rigid = tidak memperbolehkan pertukaran kerja (usaha).

2.Sistem terisolasi = saat sistem ini, tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem ini adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

3.Sistem terbuka = pada sistem terbuka, terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Contoh dari sistem ini adalah Samudra loh. 

HUKUM DASAR TERMODINAMIKA APA AJA SIH? 

Seperti yang sudah di buat di mind mapping, hukum termodinamika ada 3, yaitu hukum termodinamika nol, hukum termodinamika 1, dan hukum termodinamika 3. Apa aja penjelasannya sih? Yuk simak dibawah ini : 

 

1. HUKUM TERMODINAMIKA NOL (AWAL / ZEROTH LAW) 

Nah, readers, dalam termodinamika dikenal juga hukum awal atau zeroth law. Hukum ini berkaitan dengan kesetimbangan termal yang berlaku secara universal. Artinya, zat dan materi benda apa pun akan memiliki kesetimbangan termal yang sama jika disatukan. 

Bunyi hukumnya adalah : 

Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain

2. HUKUM KE-1 TERMODINAMIKA 

Pada hukum pertama termodinamika, hukum ini menjelaskan tentang hukum kekekalan energi.  

Bunyi hukum ini adalah : 

Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja.

Dalam rumus yang sudah terlihat di gambar tersebut, ada beberapa ketentuan mengenai aturan nilai positif dan negative yang harus readers pahami nih : 

- Q bertanda positif (+) jika sistem menyerap kalor, dan negatif (-) jika sistem melepas kalor

- W bertanda positif (+) jika sistem melakukan kerja, dan negatif (-) jika sistem diberikan kerja

- ΔU bertanda positif (+) jika sistem mengalami kenaikan suhu; negatif (-) jika sistem mengalami penurunan suhu

PROSES-PROSES TERMODINAMIKA GAS PADA HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

1. Proses Isobarik = proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap 

2. Proses Isokhorik = proses perubahan gas pada volume tetap 

3. Proses Isotermal = proses perubahan keadaan gas pada suhu yang tetap. 

4. Proses Adiabatik = proses perubahan keadaan gas saat tidak ada aliran kalor yang masuk ke dalam suatu sistem maupun yang keluar dari sistem. Sederhananya, pada proses ini, Q bernilai 0. 

3. HUKUM KE-2 TERMODINAMIKA 

Hukum kedua dari termodinamika ini membicarakan mengenai kondisi alami dari arah atau alur kalor pada suatu objek dengan sistem melalui sebuah proses atau perubahan yang terjadi yang menyangkut usaha dan kalor. 

Bunyi hukum ini adalah : 

Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

Dalam hukum kedua termodinamika ini terdapat formulasi yang dikemukakan oleh Kelvin-Planck dan Rudolf Clausius. 

• Formulasi Kelvin-Planck = Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik. 

Formulasi Kelvin-Planck menyatakan bahwa tidak ada cara yang cukup efektif dalam hal mengambil energi panas dari lautan menggunakan energi ini untuk menjalankan generator listrik tanpa adanya efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer.

• Formulasi Clausius = Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas.  

Formulasi ini menyatakan bahwa tidak ada mesin kalor yang bekerja untuk membekukan air dalam suatu siklus dan menggunakan energi yang dibebaskan dari proses pembekuan ini untuk mendidihkan lebih banyak air tanpa efek lebih lanjut. Efek lebih lanjut ini berkaitan dengan fakta bahwa proses siklus gabungan pembeku (komponen untuk membekukan) dan ketel (komponen untuk mendidihkan) harus menggunakan sejumlah energi (misalnya energi listrik) dari lingkungannya.

SIKLUS CARNOT 

Siklus carnot merupakan sebuah siklus dari mesin kalor ideal yang adalah salah satu teori dari siklus termodinamika. Melalui Siklus Carnot, kita dapat mengetahui batas efisiensi yang dapat dicapai mesin termodinamika klasik ketika mengkonversi panas menjadi suatu usaha kerja nih readers. Selain itu kita juga dapat mengetahui perbedaan suhu reservoir panas dan dingin yang disebabkan oleh kerja pada sistem. 

Berdasarkan gambar diatas dapat dijelaskan siklus Carnot adalah sebagai  berikut.

1. Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T₁. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q₁ dari reservoir bersuhu tinggi T₁ dan melakukan usaha W_AB.
2. Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari T₁ menjadi T₂ sambil melakukan usaha W_BC.
3. Proses CD adalah pemampatan isoternal pada suhu T2. Pada proses ini sistem menerima usaha W_CD dan melepas kalor Q₂ ke reservoir bersuhu rendah T₂.
4. Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari T₂ menjadi T₁ akibat menerima usaha W_DA.

Dalam menilai kinerja suatu mesin, faktor penting yang dibutuhkan adalah efisiensi. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin (h) ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diberikan. 

Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Hal ini bermakna, tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot ini. Berdasarkan persamaan di atas terlihat efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon atau reservoir. Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T₂ harus = 0 K. Hal ini dalam praktik tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal dikarenakan proses kalor Carnot merupakan proses reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak terbalikkan) tidak seperti mesin carnot.  

ENTROPI DAN HUKUM KE-2 TERMODINAMIKA 

Entropi adalah suatu ukuran yang menunjukan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi suatu usaha. Hal ini dikemukakan oleh Rudolf Clausius. 

Entropi, sama halnya seperti energi dalam, yang merupakan suatu fungsi keadaan dari sistem. Jadi, perubahan entropi hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem. Dan entropi tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh sistem untuk mencapai keadaan akhir. 

PENERAPAN TERMODINAMIKA DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI 

Ini nih yang paling ditunggu readers! Kebayang ga sih kalau apa yang readers gunakan dalam kehidupan readers, seperti termos, lemari es, ac, mesin kendaraan bermotor, mereka semua adalah penerapan dari termodinamika? Penasaran untuk info lebih lanjut? Yuk simak yang dibawah ini : 

 

TERMOS 

Alat rumah tangga yang lumayan sering di pakai readers ternyata terdapat aplikasi hukum I termodinamika loh! Loh kok bisa? Jadi, dengan adanya sistem terisolasi yang dimana tabung bagian dalam termos (sebagai wadah air) terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.

MESIN KENDARAAN BERMOTOR

Pada mesin kendaraan bermotor yang ada di kendaraan readers nih, terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka loh. Hal ini karena ruang di dalam silinder mesin digambarkan sebagai sistem yang nantinya campuran bahan bakar dan udara akan masuk kedalam silinder, dan gas dibuang keluar sistem melalui knalpot.

 

LEMARI ES

 

Siapa sih yang ga punya lemari es? Ternyata lemari es ini menerapkan termodinamika loh pada sistem kerjanya.  Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah T_L (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi T_h (ruangan).

Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es yang dimana kalor ruangan dikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi , melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, lalu cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah dan kemudian menyerap kalor (Q) dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali. 

Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak mungkin ada. Loh kok gitu? Hayo readers inget ga nih pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua? “Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.” Dengan demikian tidak akan ada lemari Es yang sempurna. 

AC (AIR CONDITIONER)

AC merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan ruangan yang kita inginkan, terutama untuk mengkondisikan ruangan agar menjadi sejuk. Filter (penyaring) tambahan digunakan untuk menghilangkan polutan dari udara. Kunci utama dari AC atalha refrigerant, yang umumnya adalah fluorocarbon, yang mengalir dalam sistem, menjadi cair, dan melepaskan panas saat dipompa (diberi tekanan), lalu menjadi gas dan menyerap panas ketika tekanan dikurangi. Mekanisme berubahnya refrigerant menjadi cairn lalu gas dengan memberi atau mengurangi tekanan terbagi menjadi dua area. Area penyaring udara, kipas, dan cooling coil (kumparan pendingin) yang ada pada sisi ruangan dan area kompresor (pompa), condenser coil (kumparan penukar panas), dan kipas pada jendela luar.

Udara panas dari ruangan melewati filter, menuju ke cooling coil yang berisi cairan refrigerant yang dingin, sehingga udara menjadi dingin, lalu melalui teralis kembali ke dalam ruangan. Pada kompresor, gas refrigerant dari cooling coil dipanaskan dengan cara pengompresan. Pada condenser coil, refrigerant melepaskan panas dan menjadi cairan, yang tersirkulasi kembali ke cooling coil. Lalu thermostat mengontrol motor kompresor untuk mengatur suhu ruangan. 

PENUTUP 

Nah, tadi semua adalah pembahasan mengenai termodinamika, mulai dari hukum-hukumnya sampai kepada penerapannya dalam kehidupan sehari-hari. Gimana readers? cukup mudah untuk dimengerti kan? Semoga kiranya blog ini bisa bermanfaat untuk kita semua terutama bagi readers yang lagi ngulik tentang fisika nih. Selamat dan semangat belajar readers! Jangan lupa nantikan postingan selanjutnya ya!