Termodinamika

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:

• sistem isolasi:

Tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

• sistem tertutup:

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 v_{1 =} v₂

Usaha system (w) = + jika v_{1 <} v₂

Usaha system (w) = - jika v_{1 >} v₂

DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT DIJABARKAN:

1. 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

2. 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

3. Pada proses isotermik (temperatur tetap): ® DT = 0 ;sehingga,
   
   DU = 0 ® DQ = DW = nRT ln (V₂/V₁)
4. Pada proses adiabatik (tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan sekelilingnya) ® DQ = 0 Berlaku hubungan::
   
   PV^g = konstan ® g = C_p/C_v ,disebut konstanta Laplace
   
   
5. Cara lain untuk menghitung usaha adalah menghitung luas daerah di bawah garis proses.
6. Usaha pada proses a ® b adalah luas abb*a*a
   
   Perhatikan perbedaan grafik isotermik dan adiabatik ® penurunan adiabatik lebih curam dan mengikuti persamaan PV^g= C.
   
   Jadi:
   1. jika DP > DV, maka grafik adiabatik.
   2. jika DP = DV, maka grafik isotermik.

Catatan:

1. Jika sistem menerima panas, maka sistem akan melakukan kerja dan energi akan naik. Sehingga DQ, DW ® (+).
2. Jika sistem menerima kerja, maka sistem akan mengeluarkan panas dan energi dalam akan turun. Sehingga DQ, DW ® (-).
3. Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energi dalam (U) gas adalah
   
   U = E_k = 3/2 nRT ® g = 1,67
4. 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