Kata Pengantar
Segala
puji bagi Tuhan yang telah melimpahkan rahmat, hidayah serta inaya-Nya kepada
kami penyusun makalah fisika yang berjudul ”Termodinamika” tanpa halangan suatu
apapun sehingga kami dapat menyelesaikan makalah ini.
Makalah
yang berjudul “Termodinamika” ini berisi tantang definisi termodinamika,
sejarah perkembangan termodinamika, tokoh penemu termodinamaika, system
termodinamika, hukum termodinamika,faktor-faktor yang mempengaruhi termodinamika
dan contoh soal tenteng termodinamika.
Maklah
ini kami susun selain untuk memenuhi tugas dari guru pembimbing mata pelajaran
Fisika juga bertujuan agar kami lebih memahami tentang termodinamika dan bisa
digunakan sebagai refrensi para pembaca agar lebih mengetahui tentang
termodinamika.
Kami
berterima kasih kepada semua pihak yang telah mendukung dalam penyelesaian
makalah ini baik kepada orang tua kami,guru-guru kami, teman-teman yang telah
mendukung dan orang-orang terdekat kami.
Dalam
pembuatan makalah ini kami sadari bahwa masih banyak kekurangan karena ‘Tak ada
gading yang tak retak’ jadi kami sangat membutuhkan kritik dan saran yang
bersifat membangun.
Semoga
makalah ini bermanfaat baik bagi diri kita sendiri maupun bagi semua pihak yang
membaca makalah ini
ISI
A.
Definisi Termodinamika
Termodinamika berasal dari bahasa Yunani yaitu thermos yang berarti ‘panas’ dan dari
bahasa Inggris yaitu dynamic yang
artinya ‘perubahan’(perubahan fisika energi, panas, kerja, entropi dan
kespontanan proses),
maka dapat diartikan bahwa Termodinamika merupakan cabang dari ilmu fisika
yang mempelajari suhu, kalor, dan besaran mikroskopik lainnya.
B. Sejarah
Perkembangan Termodinamika
Orang yang pertama kali
menemukannya adalah Aristoteles (350 SM). Dia mengatakan bahwa panas adalah bagian
dari materi atau materi tersusun dari panas.
Penalaran yang dilakukan oleh Aristoteles diteruskan oleh Galileo Galilei
(1593) yang menganggap bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur dengan
penemuannya berupa termometer air. Beberapa abad setelahnya Sir Humphrey Davy
dan Count Rumford (1799) menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir.
Kesimpulan ini mendukung prinsip kerja termometer, tapi membantah pernyataan
Aristoteles. Seharusnya hukum ke-nol termodinamika dirumuskan saat itu, tapi karena
termodinamika belum berkembang sebagai ilmu, maka belum terpikirkan oleh para
ilmuwan. “dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka
ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.
Pada tahun 1778, Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uap pertama yang
mengkonvesi panas menjadi kerja mekanik. Mesin tersebut disempurnakan oleh
Sardi Carnot (1824). Saat itu, dia berupaya menemukan hubungan antara panas
yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkan. Hasil pemikirannya merupakan
titik awal perkembangan ilmu termodinamika klasik dan beliau dianggap sebagai
Bapak Termodinamika.
Pada tahun 1845, James P. Joule menyimpulkan bahwa panas dan kerja adalah dua
bentuk energi yang satu sama lain dapat dikonversi. Kesimpulan ini didukung pula
oleh Rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thomson), Helmhozt, dan Robert
Mayer. Selanjutnya, para ilmuwan ini merumuskan hukum pertama termodinamika
(1850). Setahun sebelumnya, Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah
termodinamika melalui makalahnya: An Account of Carnot’s Theory of the Motive
Power of Heat. Buku pertama tentang termodinamika ditulis oleh William Rankine
pada tahun 1859.
“perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan
total dari jumlah energi panas yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang
dilakukan terhadap sistem”
∆U = Q + W
Setelah mempelajari mesin Carnot, Lord Kelvin, Planck, dan menyimpulkan bahwa
pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima mesin diubah semuanya
menjadi kerja, selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini karena adalah
sifat sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi (S) meningkat. Saat
itu hukum kedua termodinamika diperkenalkan (1860). Menurut Clausius, besarnya
perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem, ketika sistem tersebut
mendapat tambahan kalor (Q) pada temperatur tetap dinyatakan melalui persamaan
di bawah :
“total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk
meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”
Selama tahun 1873-1976, fisikawan matematika Amerika Josiah Willard Gibbs
menerbitkan tiga makalah, salah satunya adalah On the Equilibrium of
Heterogeneous Substances. Makalah tersebut menunjukkan bahwa proses
termodinamika dapat dijelaskan secara matematis, dengan mempelajari energi,
entropi, volume, temperatur dan tekanan sistem, sedemikian rupa untuk
menentukan apakah suatu proses akan terjadi secara spontan. Pada awal abad
ke-20, ahli kimia seperti Gilbert N. Lewis, Merle Randall, dan EA Guggenheim
mulai menerapkan metode matematis Gibbs tersebut untuk analisis proses kimia
yang disebut termodinamika kimia.
Pada tahun 1885, Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan
besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Pernyataan ini mengawali
berkembangnya termodinamika statistik, yaitu pendekatan mikroskopis tentang
sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel
yang menyusunnya. Dasar-dasar termodinamika statistik ditetapkan oleh fisikawan
seperti James Clerk Maxwell, W. Nernst, Ludwig Boltzmann, Max Planck, Rudolf
Clausius dan J. Willard Gibbs .Willard Gibbs. Pada tahun 1906 Giauque dan W.
Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika.
“pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan
berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”
Pada tahun 1911, Einstein menyatakan bahwa massa merupakan perwujudan dari
energi (E=mc2). Hal ini kemudian dibenarkan oleh ilmuwan mekanika kuantum
(1900-1940) bahwa radiasi sebagai bentuk energi bisa bersifat sebagai partikel.
Pernyataan ini seakan-akan membenarkan penalaran Aristoteles sebelumnya bahwa
materi = energi.
Pada tahun 1950, para ilmuwan, seperti Carl Anderson menemukan adanya partikel
antimateri yang bisa memusnahkan materi.
C.
Tokoh
Penemu Termodinamika
1. Benjamin Thompson
Benjamin Thompson atau 'Count Rumford' (1753 – 1814) adalah penemu, ilmuwan,
negarawan, dan tentara terkenal kelahiran Amerika. Benjamin Thompson dilahirkan
di Woburn Utara, Massachusetts pada tanggal 26 Maret 1753 beragama Anglican.
Ayahnya adalah seorang petani dan meninggal ketika Benjamin Thompson berumur 2
tahun. Ibunya, Ruth Simonds menikah lagi dengan Josiah Pierce pada bulan Maret
1976. Di masa kecilnya, Benjamin Thompson memiliki keterbatasan untuk sekolah
sehingga dia lebih banyak belajar sendiri dan kemudian mendapat banyak
pengetahuan dari teman dan kenalannya. Pada usia 13 tahun, Benjamin Thompson
mulai melakukan beberapa pekerjaan seperti menjadi juru tulis seorang importer,
pedagang bahan kering dan kemudian magang di Doctor John Hay of Woburn, dimana
Thompson mendapatkan banyak pengetahuan tentang ilmu medis. Bakat Thompson
dalam bekerja dengan alat mekanis dan kemampuan bahasanya yang sangat baik
membuat John Fowle, salah satu guru lulusan Harvard, membantunya untuk belajar
dengan Professor John Winthrop di Harvard.
Pada tahun 1772, Thompson meninggalkan kota kelahirannya dan mengajar di salah
satu sekolah di Bradford, Massachusetts sambil mempelajari ilmu pengetahuan
pada Samuel Williams. Tidak beberapa lama kemudian, Thompson berpindah mengajar
di Concord, New Hampshire atas undangan dari Timothy Walker. Di sana Benjamin
Thompson hidup menumpang dan kemudian menikahi anak dari tuan rumahnya, Sarah
Walker Rolfe yang merupakan janda kaya di daerah Concord. Istrinyalah yang
memperkenalkan Thompson pada Gubernur Wentworth dari New Hampshire dan
mengangkatnya menjadi mayor di New Hampshire Militia.
Pada saat revolusi Amerika meledak, Thompson diajak bergabung dengan Amerika
untuk melawan Inggis karena dia memiliki hubungan penting dengan pemerintah
Inggris namun dia menolak. Benjamin Thompson meninggalkan keluarganya di
Amerika pada tahun 1974 dan bergabung dengan pemerintah Britania Raya (Inggris)
sebagai penasihat Jenderal Thomas Gage. Pada tahun 1776, Thompson bekerja
sebagai juru tulis di Sekretariat Negara kemudian jabatannya terus naik menjadi
Sekretaris Provinsi Georgia, dan pada tahun 1779 Benjamin Thompson menjadi
salah satu anggota Royal Society.
Selain politik, dunia militer juga digeluti oleh Benjamin Thompson. Benjamin
Thompson pernah menjabat sebagai letnan kolonel pasukan Britania Raya dan
mendapatkan gelar kesatrian dari Raja George III. Pada tahun 1785, Benjamin
Thompson bergabung bersama pasukan Austria untuk melawan Turki dan di sana dia
berkenalan dengan Pangeran Maximillian dari Bavaria yang mengundangnya untuk
tinggal Bavaria. Thompson tinggal di Bavaria selama beberapa tahun untuk
memimpin pasukan Bavaria yang kurang mendapatkan perhatian dan penghidupan yang
layak, kemudian membuat perubahan besar di daerah tersebut. Para tentara diberi
bayaran lebih tinggi, dibuatkan sarana rekreasi, dan diberikan pendidikan
gratis baik untuk tentara maupun anak-anak mereka. Benjamin Thompson juga
memberikan penghasilan kepada pengemis jalanan dengan mempekerjakan mereka
untuk menjahit pakaian tentara Bavaria yang kurang layak pakai. Pada tahun
1971, Benjamin Thompson dianugerahi gelar Count of the Holy Roman Empire.
Di samping mengurusi masalah politik dan militer, Thompson juga aktif meneliti
berbagai hal, terutama bidang Fisika. Sekitar tahun 1975, Benjamin Thompson
meneliti tentang gaya pada bubuk mesiu dan membangun sistem sinyal kelautan
yang baru bagi tentara Inggris. Kontribusinya yang terbesar pada dunia Fisika
adalah pemikirannya tentang teori kalor. Pada akhir abad ke-18, teori kalori
yang dipercaya adalah bahwa kalor merupakan fluida yang dapat mengalir ke dalam
tubuh ketika dipanaskan dan mengalir keluar ketika didinginkan.
Saat meneliti tentang bubuk mesiu, Benjamin Thompson menemukan adanya
penyimpangan atau anomali yang tidak dapat dijelaskan dengan teori kalori. Di
dalam laporannya kepada Royal Society yang berjudul "An Experimental
Enquiry concerning the Source of Heat excited by Friction" (1798),
Benjamin Thompson mengajukan suatu teori baru yang menyatakan bahwa kerja
mekanis akan menghasilkan kalor dan kalor tersebut merupakan suatu bentuk
gerak. Teori tersebut berhasil memberikan penjelasan mengapa panas yang
dihasilkan dari gesekan peluru meriam (bubuk mesiu) tidak akan pernah habis.
Peristiwa itu tak dapat dijelaskan dengan teori kalori terdahulu.
Di dalam laporan tersebut terdapat perhitungan jumlah kuantitas kalor yang
diproduksi oleh energi mekanis. Teori yang dikemukakan Thompson bertentangan
dengan teori kalori yang terdahulu dan banyak orang pada saat itu yang tidak
yakin dengan Thompson hingga James Maxwell mengemukakan teori kinetik kalor
pada tahun 1871. Penemuan-penemuan Thompson lainnya adalah kompor, oven, ketel
ganda, dan pakaian penahan panas, serta mengembangkan cerobong asap dan tungku
perapian yang ada.
Pada tahun 1804, Thompson menetap di Paris dan menikah dengan Madame Lavoisier,
janda seorang ahli kimia Perancis, Antoine Lavoisier. Pernikahan tersebut hanya
bertahan beberapa tahun dan pada 1807 Benjamin Thompson pensiun dan menetap di
desa Auteuil dekat Paris. Thompson menjadi anggota Institusi Nasional Perancis
sebagai dan secara rutin berkontribusi dalam berbagai pertemuan dan debat ilmu
pengetahuan.
Penghargaan yang pernah diraihnya adalah Copley Medal. Setelah perceraiannya,
Thompson dirawat oleh anak perempuannya hingga pada tanggal 21 Agustus 1814,
Benjamin Thompson meninggal di Auteuil, Paris pada usia 61 tahun. Dibangun
Monumen Benjamin Thompson di English Garden.
2. Jacobus Henricus van 't Hoff
Jacobus Henricus van 't Hoff adalah kimiawan fisika dan organik Belanda dan
pemenang Penghargaan Nobel dalam Kimia pada 1901 Penelitiannya pada kinetika
kimia, kesetimbangan kimia, tekanan osmotik dan kristalografi diakui sebagai
hasil karya utamanya. Jacobus juga mendirikan bidang ilmu kimia fisika, ia juga
dianggap sebagai salah satu kimiawan terbesar sepanjang masa bersama kimiawan
Perancis Antoine Lavoisier, Louis Pasteur dan ahli kimia Jerman Friedrich
Wöhler. Ia lahir di Rotterdam, Belanda 30 Agustus 1852, anak ke-3 dari 7
bersaudara Jacobus Henricus van 't Hoff, seorang dokter dan Alida Jacoba Kolff.
Pada 1869 memasuki Universitas Teknologi Delft dan menerima gelar diploma dalam
teknologi pada 1871.
Setelah menghabiskan masa setahun di Leiden, terutama untuk matematika, ia
pindah ke Bonn untuk bekerja dengan Kekule von Stradonitz 1872 - 1873; lalu
dilanjutkan di Paris dengan C.A. Wurtz, saat ia menempuh sebagian besar
kurikulum antara 1873-1874. Ia kembali ke Belanda pada 1874 mendapat gelar
doktor bersama E. Mulder di Utrecht. Pada 1876 ia menjadi dosen di Fakultas
Kedokteran Hewan di Utrecht dan meninggalkan kedudukan ini untuk jabatan yang
sama di Universitas Amsterdam tahun berikutnya. Pada 1878 menjadi Guru Besar
Kimia, Mineralogi, dan Geologi. Setelah menjabat selama 18 tahun ia menerima
undangan ke Berlin sebagai Profesor Kehormatan dan keanggotaan di Akademi Ilmu
Pengertahuan Kerajaan Prusia.
Alasan perubahan ini ialah karena ia terlalu dibebani dengan kewajiban memberi
kuliah dasar dan menguji banyak mahasiswa, termasuk juga propaedeutika medis
malah, membuat waktu untuk risetnya jadi berkurang. Ia adalah penasihat yang
rajin untuk pembentukan pembagian khusus pekerja ilmiah. Ia tetap dalam
kedudukan ini hingga akhir hayatnya. Pada 1878 ia menikahi Johanna Francina
Mees. Mereka memiliki 2 putri, Johanna Francina (l. 1880) dan Aleida Jacoba (l.
1882) dan 2 putra, Jacobus Hendricus (l. 1883) dan Govert Jacob (l. 1889).
Van 't Hoff terkenal karena terbitannya membuka zaman baru. Tesis kedoktorannya
(1874) berjudul Bijdrage tot de Kennis van Cyaanazijnzuren en Malonzuur
(Sumbangan pada Pengetahuan Asam Sianoasetat dan Malonat). Beberapa bulan
sebelumnya ia telah menerbitkan Voorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in
de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte (Usulan untuk
Pengembangan Rumus Struktur Kimia Tiga Dimensi). Selebaran kecil ini, terdiri
atas 12 halaman teks dan 1 halaman diagram mendorong perkembangan stereokimia.
Konsep "atom karbon asimetris", yang berhubungan dengan naskah ini
mendukung penjelasan pembentukan sejumlah isomer yang tak bisa dijelaskan rumus
struktur saat itu. Ia menekankan perhatian pada hubungan aktivitas optik dan
kehadiran atom karbon asimetris.
Gagasan revolusionernya ini baru diakui setelah karyanya pada 1875 Chimie dans
l'Espace-nya (Kimia dalam Ruang) terbit setelah terjemahan Jermannya muncul,
dengan pasal pendahuluan dari J. Wislicenus. Melalui Dix Années dans l'Histoire
d'une Théorie (Sepuluh Tahun perjalanan Sejarah Sebuah Teori) ia dihargai walau
di saat yang sama Joseph Le Bel telah mengemukakan gagasan ini, meski dalam
bentuk yang lebih abstrak. Pada 1884, sejak terbitnya Études de Dynamique
chimique (Kajian mengenai Dinamika Kimia), ia memasuki bidang kimia fisika
untuk pertama kali.
Sumbangan besarnya ialah mengenai pengembangan hukum termodinamika umum pada
hubungan antara perubahan tekanan dan pemindahan kesetimbangan sebagai akibat
variasi suhu. Pada volume tetap kesetimbangan dalam sebuah sistem akan
cenderung berubah dalam arah untuk melawan perubahan suhu yang ditentukan pada
sistem ini. Penurunan suhu menyebabkan lepasnya panas dan menaikkan suhu
menyebabkan penyerapan panas. Asas kesetimbangan bergerak ini digeneralisasi
1885 oleh Henri Louis le Chatelier yang memperluas dengan perubahan volume
untuk perubahan tekanan yang dipaksakan; ini dikenal sebagai asas van 't
Hoff-Le Chatelier.
Di tahun 1885 L'Équilibre chimique dans les Systèmes gazeux ou dissous à I'État
dilué (Kesetimbangan Kimia dalam Sistem Gas atau Larutan yang Ditambah Air). Di
sinilah ia menunjukkan bahwa "tekanan osmotik" dalam larutan yang
dicairkan secukupnya sebanding terhadap konsentrasi dan temperatur penuh agar
tekanan ini bisa diwakili dengan rumus yang hanya menyimpang dari rumus
tersebut untuk tekanan gas yang dilambangkan dengan i. Ia menentukan nilai i
dengan sejumlah cara, sebagai contoh dengan menggunakan tekanan uap dan hukum
Raoult pada penurunan titik beku. Demikian van 't Hoff bisa membuktikan bahwa
hukum termodinamika tak hanya sah buat gas, namun juga buat larutan cair. Hukum
tekanannya, yang diberikan keabsahan umum oleh teori disosiasi elektrolisis
Arrhenius (1884-1887). Orang asing pertama yang datang untuk bekerja dengannya
di Amsterdam (1888) – dianggap sebagai yang terlengkap dan terpenting dalam bidang
Ilmu Pengetahuan Alam.
Pada saat di Berlin 1896 - 1905 ia sibuk pada masalah asal endapan samudera,
dengan rujukan khusus yang dibentuk di Stassfurt. Pada kerja yang lebih luas ia
dibantu khususnya oleh W. Meyerhoffer, yang sebelumnya telah bekerja dengannya
di Amsterdam. Kemungkinan ialah orang pertama yang menerapkan hasil skala kecil
di laboratorium, pada fenomena yang terjadi pada skala besar di alam. Hasil
penyelidikan ini kebanyakan diterbitkan di Laporan Akademi Ilmiah Kerajaan
Prusia, diringkaskan dalam karya 2 jilid Zur Bildung ozeanischer
Salzablagerungen, 1905-1909. van 't Hoff amat menghargai kekuatan imajinasi
dalam kerja ilmiah, sebagaimana nyata dalam pidato pelantikannya pada
pengambilan jabatan profesornya di Amsterdam: Verbeeldingskracht in de
Wetenschap (Kekuatan Imajinasi dalam Sains), ia tiba pada kesimpulan bahwa para
ilmuwan yang menonjol telah memiliki kualitas tingkat tinggi ini. Wilhelm
Ostwald, membuat Zeitschrift für physikalische Chemie dengannya di Leipzig,
bisa dianggap sebagai pendiri kimia fisika.
Hadiah Nobel Kimia (1901) titik kulminasi karirnya. Pada 1885 diangkat sebagai
anggota Akademi Ilmiah Kerajaan Belanda, setelah nominasinya tak dimasukkan
pada 1880. Di antara medalinya yang lain ialah gelar doktor kehormatan dari
Harvard dan Yale (1901), Universitas Victoria Manchester (1903), Heidelberg
(1908); Medali Davy dari Royal Society (1893), Medali Helmholtz dari Akademi
Ilmiah Kerajaan Prusia (1911); ia juga diangkat sebagai Chevalier de la Legion
d'Honneur (1894), Senator der Kaiser-Wilhelm-Gesellschaft (1911). Ia juga
anggota kehormatan Chemical Society, London (1898), Akademi Ilmiah Kerajaan,
Gottingen (1892), American Chemical Society (1898), Académie des Sciences,
Paris (1905).
Van 't Hoff pecinta alam, sebagai mahasiswa di Leiden ia sering ikut dalam
perjalanan botanis dan kemudian di Bonn ia benar-benar menikmati pegunungan di
sekitarnya, berjalan panjang sendiri atau bersama-sama. Deskripsi perjalanannya
ke AS, berasal dari undangan ceramah ke Universitas Chicago, menunjukkan
cintanya pada perjalanan. Penerimaannya pada filsafat dan kegemarannya pada
puisi juga nyata pada awal-awal ia bersekolah di Lord Byron ialah pujaannya.
van 't Hoff meninggal di Steglitz dekat Berlin pada 1 Maret 1911.
3. Rudolf Julius Emanuel Clausius
Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888) adalah ahli fisika matematik Jerman,
penemu Hukum Termodinamika II, penemu entropi, penemu teori elektorolisis,
doktor, guru besar, dan pengarang. Ia lahir di Koslin, Prusia, sekarang di
Koszalin, Polandia, pada tanggal 2 Januari 1922 dan meninggal di Bonn tanggal
24 Agustus 1888, sekarang di Jerman pada umur 66 tahun. Ia kuliah di
Unervisitas Berlin dan mendapat doktor dari Halle pada tahun 1848 ketika
berumur 26 tahun. Dua tahun kemudian (1850) ia diangkat menjadi guru besar
fisika di sekolah mesin dan artileri di Berlin, pada tahun 1867 ia jadi guru
bedar fisika di Unirvesitas Wurzburg sampai tahun 1869. Kemudian ia mengajar di
Universitas Bonn.
Clausius adalah ahli fisika teori atau fisika murni. Ia tidak mengadakan
experimen. Ia menerapkan matematika untuk membuat teori yang dapat menjelaskan.
Hasil pengamatan dan exprimen orang lain. Pada tahun 1850 ia membuat karya
tulis yang mengungkapkan penemuannya, ialah hukum termodinamika II dan entropi
termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari energi dan semua bentuk
perubahanya terutama menganai hubungan panas dan kerja. Hukum termodinamika II
berbunyi “Panas tidak dapat dengan sendirinya berpindah dari badan yang lebih
dingin ke badan yang lebih panas”. Di alam semesta terjadi decara terus –
menerus perpindahan panas atau energi dari badan angkasa yang panas ke badan
angkasa yang dingin. Maka berabad-abad kemudian semua panas atau energi akan
terbagi merata keseluruh bagian alam semesta. Keadaan seimbang ini disebut
entropi. Ini berati dunia kiamat, karena semua gerak dan kehidupan berhenti.
Clasius juga mengemukakan teori elektrolisis atau elektrolisa, ialah penguraian
zat cair denga aliran listrik searah. Para ilmuan sebelumnya berpendapat bahwa
dalam entrolisis, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen karena gaya listrik.
Tapi Clasius berpendapat bahwa atom-atom molekul selalu bertukar. Gaya listrik
hanya megarahkan pertukaran itu.
D.
Sistem Termodinamika
Sistem
termodinamika adalah bagian dari alam yang menjadi pusat perhatian
(diamati).Sistem termodinamika memiliki batasan-batasan dalam perhitungannya,
yang disebut lingkungan. Sistem termodinamika diklasifikasikan berdasarkan
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:
Tak
terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari
sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
Terjadi
pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda
dengan lingkungan. Green House merupakan salah satu 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 adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran
panas.
- 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 system.
E.
Hukum
Termodinamika
Hukum
– hukum Dasar Termodinamika
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.
Hukum –hukum
termodinamika pada prinsipnya menjelaskan peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses
termodinamika.Terdapat 4 hukum dasar yang berlaku di dalam sistem
termodinamika,yaitu:
§ Hukum AwalTermodinamika
hukum ini menyatakan bahwa apabila dua buah bendayang berada didalam
kesetimbangan thermal digabungkan dengan sebuah benda lain,maka
ketiga-tiganya berada dalam kesetimbangan thermal.
§ Hukum PertamaHukum
termodinamika pertama berbunyi “Energi tidak dapat diciptakandan
dimusnahkan tetapi dapat dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yanglain”.Hukum pertama adalah prinsip kekekalan
energi yang memasukankalor sebagai model perpindahan energi.Menurut hukum
pertama,energididalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan cara
menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda.Hukum
pertama tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi.
§ Hukum kedua Termodinamika
hukum kedua terkait dengan entropi.Entropi adalahtingkat keacakan energi.Hukum ini menyatakan bahwa total entropi darisuatu sistem termodinamika terisolasi cenderung
untuk meningkatkanwaktu,mendekati nilai maksimumnya.Aplikasi : kulkas
harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya,yangsuhunya lebih tinggi dari udara sekitar.Karena jika tidak panas dari isikulkas
tidak bisa terbuang keluar.
§ Hukum ketiga, Hukum
termodinamika ketiga terkait dengan temperatur nolabsolut.Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu
sistem mencapaitemperatur nol absolut,semua proses akan berhenti da
entropi sistem akanmendekati nilai
minimum.Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut
bernilainol.Aplikasi : kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada
suhuyangsangat rendah,karena tidak banyak
acakan gerakan kinetik dalam skalamokuler yang mengganggu aliran
elektron
Hukum
I Termodinamika
Hukum I Termodinamika menyatakan tentang kekekalan
energy, bahwa energy adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dimusnahkan.
Hukum Termodinamika berbunyi bahwa :
“Untuk setiap proses, apabila kalor diberikan pada
system dan system melakukan usaha, maka selisih kalor adalah penjumlahan antara
usaha dengan energy dalam”
W + DU
= Q
Perjanjian tanda untuk Q dan W adalah sebagai
berikut :
Jika sistem melakukan usaha maka nilai W positif
Jika system menerima usaha maka nilai W negatif
Jika system menerima kalor maka nilai Q positif
Jika sistem melepas kalor maka nilai Q negative
Sehingga
Usaha system (w) = 0 jika v1 = v2
Usaha system (w) = + jika v1 < v2
Usaha system (w) = - jika v1 > v2
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
|
Tidak mungkin membuat suatu mesin
yang bekerja secara terus-menerus serta rnengubah semua kalor yang
diserap menjadi usaha mekanis.
|
T1 > T2,
maka usaha mekanis:
W = Q1 - Q2
h = W/Q1 = 1 - Q2/Q1
= 1 - T2/T1
|
T1 = reservoir suhu
tinggi
T2 = reservoir suhu rendah
Q1 = kalor yang masuk
Q2 =kalor yang dilepas
W = usaha yang dilakukan
h = efesiensi mesin
|
Untuk mesin pendingin:
h = W/Q2 = Q1/Q2 -1 = T1/T2
- 1
Koefisien Kinerja = 1/h
|
MESIN
CARNOT
|
Dalil :
Dari semua motor yang bekerja
dengan menyerap kalor dari reservoir T1 dan melepaskan kalor pada
reservoir T2 tidak ada yang lebih efisien dari motor Carnot.
|
|
BC ; DA = adiabatic
AB ; CD = isotermik
|
Mesin Carnot terdiri atas 4 proses, yaitu 2 proses adiabatik dan 2 proses
isotermik. Kebalikan dari mesin Carnot merupakan mesin pendingin atau
lemari es. Mesin Carnot hanya merupakan siklus teoritik saja, dalam praktek
biasanya digunakan siklus Otto untuk motor bakar (terdiri dari 2
proses adiabatik dan 2 proses isokhorik) dan siklus diesel untuk mesin
diesel (terdiri dari 2 proses adiabatik, 1 proses isobarik dan 1 proses
isokhorik).
Hukum
II Termodinamika
Hukum II Termodinamika merupakan batasan bagi Hukum
I Termodinamika tidak semua bentuk energy bisa dengan mudah diubah bentuknya.
Jadi secara sederhana hokum II termodinamika membatasi perubahan energy yang dapat berlangsung atau perubahan energi mana yang
tidak dapat berlangsung.
Bunyi Hukum II Termodinamika :
“Entropi (ketidakteraturan suatu sistem)
dalam sistem tertutup dari masa ke masa makin mendekati maksimal”
Hukum
termodinamika kedua menyatakan bahwa kondisi-kondisi alamselalu mengarah kepada ketidak aturan atau hilangnya
informasi.Hukum ini jugadikenalsebagai
“Hukum Entropi”.Entropi adalah selang ketidakteraturan dalamsuatu
sistem.Entropi sistem meningkat ketika suatu keadaan yang teratur,tersususndan terencana menjadi lebih tidak teratur,tersebar
dan tidak terencana.Semakintidak teratur,semakin tinggi pula entropinya.Hukum
entropi menyatakan bahwaseluruh alam semesta bergerak menuju keadaan yang
semakin tidak teratur,tidak terencana,dan tidak terorganisir.Hukum ini disempurnakan pada tahun 1877 oleh
LudwigBoitzmann.Dalam
versinya,entropi nampak sebagai fungsi peluang darisatukeadaan,semakin tinggi peluang suatu
keadaan,semakin tinggi pulaentropinya.Dalam
versi ini,semua sistem cenderung menuju satu keadaansetimbang.Dengan
demikia,ketika suatu benda panas ditempatkan berdampingan dengan sebuah benda dingin,energi akan mengalir
dari yang panas ke yangdingin,sampai
mereka mencapai keadaan setimbang,yaitu memiliki suhu yangsama.
|
Rudolf Julius Emanuel Clausius (1822-1888)
adalah ahli fisika matematik Jerman, penemu Hukum Termodinamika II,
penemu entropi, penemu teori elektorolisis,
doktor, guru besar, dan pengarang. Ia lahir di Koslin, Prusia, sekarang di
Koszalin, Polandia, pada tanggal 2 Januari 1922 dan meninggal di Bonn tanggal
24 Agustus 1888, sekarang di Jerman pada umur 66 tahun. Ia kuliah di
Unervisitas Berlin dan mendapat doktor dari Halle pada tahun 1848 ketika
berumur 26 tahun. Dua tahun kemudian (1850) ia diangkat menjadi guru besar
fisika di sekolah mesin dan artileri di Berlin, pada tahun 1867 ia jadi guru
bedar fisika di Unirvesitas Wurzburg sampai tahun 1869. Kemudian ia mengajar
di Universitas Bonn.
Clausius adalah ahli fisika teori atau fisika murni. Ia tidak mengadakan
experimen. Ia menerapkan matematika untuk membuat teori yang dapat
menjelaskan. Hasil pengamatan dan exprimen orang lain. Pada tahun 1850 ia
membuat karya tulis yang mengungkapkan penemuannya, ialah hukum termodinamika
II dan entropi termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari energi dan
semua bentuk perubahanya terutama menganai hubungan panas dan kerja. Hukum
termodinamika II berbunyi “Panas tidak dapat dengan sendirinya berpindah dari
badan yang lebih dingin ke badan yang lebih panas”. Di alam semesta
terjadi decara terus – menerus perpindahan panas atau energi dari badan angkasa
yang panas ke badan angkasa yang dingin. Maka berabad-abad kemudian semua
panas atau energi akan terbagi merata keseluruh bagian alam semesta. Keadaan
seimbang ini disebut entropi. Ini berati dunia kiamat, karena semua gerak dan
kehidupan berhenti.
Clasius juga mengemukakan teori elektrolisis atau elektrolisa, ialah
penguraian zat cair denga aliran listrik searah. Para ilmuan sebelumnya
berpendapat bahwa dalam entrolisis, air terurai menjadi hidrogen dan oksigen
karena gaya listrik. Tapi Clasius berpendapat bahwa atom-atom molekul selalu
bertukar. Gaya listrik hanya megarahkan pertukaran itu.
|
F.
Faktor – Faktor yang mempengaruhi proses termodinamika
§ Sistem dan lingkungan
§ Kesetimbangan
§ Kalor
§ Usaha
§ Energy
§ Kapasitas kalor
§ Kalor jenis
§ Kapasitas kalor molar
G.
Contoh soal
1. Selama proses isokhorik (v = 1 m3),
gas menerima kalor 1000 kalori sehingga tekanan berubah sebesar 814 N/m2.
Hitunglah perubahan energi dalam gas selama proses tersebut ?
Jawab:
Proses isokhorik: DV = 0 sehingga DW
= P . DV = 0
DQ = DU + DW ® 1000 = DU + 0
Jadi perubahan energi dalam gas = 1000 kalori =1000 x 4.186 J = 4186J
2. Gas diatomik pada suhu sedang
200ºC dan tekanan 105 N/m2 bervolume 4 lt. Gas mengalami proses
isobarik sehingga volumenya 6 liter kemudian proses isokhorik sehingga
tekanannya 1.2 x 105 N/m2. Berapakah besar perubahan
energi dalam gas selama proses tersebut ?
Jawab:
PV = n R T ® P DV + V DP = n R DT
Proses A - B (DP = 0):
P DV = n R DT = 105 . 2.10-3 = 200 J
DUBC = 5/2 n R DT = 500 J (diatomik 200ºC)
Proses :B - C (DV = 0):
V DP = n R DT = 6.10-3.0,2. 105 = 1120 J
DUBC = 5/2 n R DT = 300 J (diatomik 200ºC)
Jadi DU total = DUAB + DUBC = 800 J
3. Bila suatu gas dimampatkan secara
isotermik maka tentukanlah tekanan, energi dalam danusaha yang dilakukan oleh
gas!
Jawab:
Gas dimampatkan berarti volume gas
bertambah kecil (AV < 0)
Proses gas secara isotermik berarti DT = 0
Jadi: PV = C ® P = C/V
Karena volume gas bertambah kecil
maka tekanan gas akan bertambah besar. Kenaikan tekanan gas ini
disebabkan oleh makin seringnya molekul-molekul gas menumbuk dinding tempatnya
(jarak tempuh molekul gas makin pendek) bukan karena kecepatannya yang
bertambah.
DU=3/2 n R DT
Karena proses isotermik (DT= 0),
maka perubahan energi dalam sama dengan nol (DU - 0). Berarti energi dalam gas
tidak berubah.
DQ = DU + DW ® DW = P DV
Karena DU = 0 maka DQ = DW, berarti
kalor yang diserap gas seluruhnya diubah menjadi usaha gas.
Karena volume gas bertambah kecil
(DV < 0) maka usaha yang dilakukan gas negatif( DW < O), berarti gas
menerima kerja dari luar.
3. Sebuah mesin Carnot yang
menggunakan reservoir suhu tinggi sebesar 1000ºK mempunyai efisiensi sebesar
50%. Agar efesiensinya naik menjadi 60%, berapakah reservoir suhu tinggi harus
dinaikkan ?
Jawab:
h = 1-T2/T1 ®
0,5 = 1 T2/1000 ® T2 = 500ºK
Apabila efesiensinya dijadikan 60%
(dengan T2 tetap), maka
h = 1 - T2/T1
® 0,6 =1 - 500/T2 ® T1= 12.50 ºK
