Sistem dan Lingkungan Termodinamika

Sistem dan Lingkungan Termodinamika
Definisi Termodinamika :
Termodinamika berasal dari bahasa Yunani dari kata “thermos” yang berarti panas
dan “dynamic” yang berarti perubahan. Termodinamika merupakan ilmu fisika yang
mempelajari mengenai hubungan antara kalor dan usaha. Termodinamika memiliki berbagai
cabang ilmu lainnya, salah satunya adalah “Termokimia” yaitu ilmu yangmempelajari tentang
kalor yang menyertai proses perubahan kimia dan perubahan fisika. Dalam bab termodinamika
ini akan mempelajari bagaimana pemanfaatan kalor untuk menghasilkan usaha.
Pengertian Sistem dan Lingkungan Termodinamika :
Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah kumpulan dari
benda-benda atau apa saja yang diteliti atau diamati yang menjadi pusat perhatian. Sedangkan
lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Dan sistem bersama
dengan lingkungannya dinamakan dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari
sistem dan lingkungan. Contohnya : saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang
dimaksud dengan sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut, sedangkan lingkungannya
adalah bejana itu sendiri.
Jenis-Jenis Sistem :
Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan
materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara
sistem dan lingkungan, yaitu :
1.
Sistem Terbuka :
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan
benda (materi) dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda
disebut permeabel. Contohnya : saat merebus air.
2.
Sistem Tertutup :
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi
pertukaran zat dengan lingkungan. Air pada gelas tertutup merupakan salah satu contoh sistem
tertutup. Dimana terjadi pertukaran panas dan kerja tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan
lingkungan. Suatu sistem dapat mengalami pertukaran panas, atau kerja atau keduanya biasanya
dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
~ pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
~ pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik.
Dinding adiabatik adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu secara lambat
sekali. Dinding adiabatik sempurna yang tidak memungkinkan pertukaran kalor antara dua zat.
Dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat itu dengan cepat mencapai
suhu yang sama.
3.
Sistem Terisolasi :
Sistem yang tidak mengakibatkan terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan
lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos. 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.
Contoh Soal yang Berkaitan dengan Sistem dan Lingkungan :
Sebuah bejana berisi gas Nitrogen (N2) diukur suhunya dengan menggunakan termometer.
Tentukan manakah yang termasuk sistem dan manakah yang termasuk lingkungan dari
pernyataan tersebut!
Jawabannya :
Sistem
(yang menjadi pusat perhatian) : gas Nitrogen (N2).
Lingkungan (diluar sistem)
: bejana dan termometer.
Bunyi Hukum Ke Nol Termodinamika
Hukum ke 0 termodinamika berbunyi : ” Jika 2 buah benda berada dalam kondisi kesetimbangan
termal dengan benda yang ke 3, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal
satu dengan lainnya” . Untuk lebih memahami tentang isi hukum ke 0 termodinamika, maka
bunyi hukum ini dapat ditulis ulang dengan kata-kata yang lebih sederhana yaitu Jika benda A
mempunyai temperatur yang sama dengan benda B dan benda B mempunyai temperatur yang
sama dengan benda C maka temperatur benda A akan sama dengan temperatur benda C atau
disebut ketiga benda (benda A, B dan C) berada dalam kondisi kesetimbangan termal.
Hukum I Termodinamika (Kekekalan Energi Dalam Sistem)
Energi Tidak Bisa Diciptakan Maupun Dimusnahkan. Manusia Hanya Bisa Mengubah Bentuk
Energi Dari Bentuk Energi Satu Ke Energi Lainnya. Dalam Termodinamika, Jika Sesuatu
Diberikan Kalor, Maka Kalor Tersebut Akan Berguna Untuk Usaha Luar Dan Mengubah Energi
Dalam.
Bunyi Hukum I Termodinamika
“Untuk Setiap Proses Apabila Kalor Q Diberikan Kepada Sistem Dan Sistem Melakukan Usaha
W, Maka Akan Terjadi Perubahan Energi Dalam ΔU = Q – W”.
Dimana U Menunjukkan Sifat Dari Sebuah Sistem, Sedangkan W Dan Q Tidak. W Dan Q
Bukan Fungsi Variabel Keadaan, Tetapi Termasuk Dalam Proses Termodinamika Yang Bisa
Merubah Keadaan. U Merupakan Fungsi Variabel Keadaan (P,V,T,N).
W Bertanda Positif Bila Sistem Melakukan Usaha Terhadap Lingkungan Dan Negatif Jika
Menerima Usaha Lingkungan.
Q Bertanda Positif Jika Sistem Menerima Kalor Dari Lingkungan Dan Negatif Jika Melepas
Kalor Pada Lingkungan.
Perubahan Energi Dari Sebuah Sistem Hanya Tergantung Pada Transfer Panas Ke Dalam Sistem
Dan Kerja Yang Dilakukan Oleh Sistem Dan Tidak Bergantung Pada Proses Yang Terjadi. Pada
Hukum Ini Tidak Ada Petunjuk Adanya Arah Perubahan Dan Batasan-Batasan Lain.
Rumus Hukum Termodinamika I
Secara Matematis Hukum I Termodinamika Dapat Dirumuskan Sebagai Berikut:
Q = ∆U+W
Dengan Ketentuan, Jika:
Q(+) → Sistem Menerima Kalor
OR → Sistem Melepas Kalor
W(+) → Sistem Melakukan Usaha
W(-) → Sistem Dikenai Usaha
∆U(+) → Terjadi Penambahan Energi Dalam
∆U(-) → Terjadi Penurunan Energi Dalam
ΔU = Q – W
Keterangan :
ΔU = Perubahan Energi Dalam (Joule)
Q = Kalor (Joule)
W = Usaha (Joule)
2. Rumus/Persamaan 1 Termodinamika:
Q = W + ∆U
Q = kalor/panas yang diterima/dilepas (J)
W = energi/usaha (J)
∆U = perubahan energi (J)
Proses-Proses
Isobaris → Tekanan Tetap
Isotermis → Suhu Tetap → ΔU = 0
Isokhoris → Volume Tetap (Atau Isovolumis Atau Isometric) → W = 0
Adiabatis → Tidak Terjadi Pertukaran Kalor → Q = 0
Siklus → Daur → ΔU = 0
Hukum 1 Termodinamika dibagi menjadi empat proses, yaitu
a. Proses Isobarik (tekanan tetap)
Proses isobarik adalah proses perubahan gas dengan tahanan tetap. Pada garis P – V proses
isobarik dapat digambarkan seperti pada berikut.
Usaha proses isobarik dapat ditentukan dari luas kurva di bawah gra fik P – V.
b. Proses Isotermis (suhu tetap)
Proses isotermis adalah proses perubahan gas dengan suhu tetap. Perhatikan gra fikk pada
Gambar berikut.
Pada proses ini berlaku hukum Boyle.
Karena suhunya tetap maka pada proses isotermis ini tidak terjadi perubahan energi
dalam ∆U=O . Sedang usahanya dapat dihitung dari luas daerah di bawah kurva, besarnya seperti
berikut.
c. Proses Isokhoris (volume tetap)
Proses isokhoris adalah proses perubahan gas dengan volume tetap. Pada grafik P.V dapat
digambarkan seperti pada Gambar berikut.
Karena volumenya tetap berarti usaha pada gas ini nol,
d. Proses Adiabatis (kalor tetap)
Pada proses isotermis sudah kita ketahui, U = 0 dan pada proses isokoris, W = 0. Bagaiaman jika
terjadi proses termodinamika tetapi Q = 0 ?
Proses yang inilah yang dinamakan proses adiabatis. Berdasarkan hukum I Termodinamika maka
proses adiabatis memiliki sifat dibawah.
e. Proses Gabungan
Proses-proses selain 4 proses ideal diatas dapat terjadi. Untuk memudahkan penyelesaian dapat
digambarkan grafik P – V prosesnya. Dari grafik tersebut dapat ditentukan usaha proses sama
dengan luas kurva dan perubahan energi dalamnya
Sedangkan gabungan proses adalah gabungan dua proses adiabatis yang berkelanjutan. Pada
gabungan proses ini berlaku hukum I termodinamika secara menyeluruh.