Termodinamika

A.        Usaha dan hukum I termodinamika

Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari hubungan kalor dan bentuk lain dari energi. Kalor bergerak secara alami dari materi yang lebih panas ke materi yang lebih dingin .Contohnya lemari es ,panas secara terus menerus diambil dari ruangan dalam yang dingin dan dibuang ke udara luar yang lebih panas ,itu sebabnya bagian samping dan belakang biasanya hangat .

Dalam termodinamika dikenal dengan istilah sistem dan lingkungan .Sistem merupakan benda yang akan diteliti dan lingkungan merupakan semua benda yang ada dialam .

Energi dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik. 

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai

1. gas monoatomik

2..gas diatomik

Dimana perubahan energi dalam adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol⁻¹ K⁻¹, dan perubahan suhu adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

Hukum I Termodinamika

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum kekekalan energi.

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika. Secara matematis, hukum I termodinamika dituliskan sebagai

perubahan kalor (Q)=perubahan usaha(W)+ perubahan energi dalam(U)

Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut.

Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi dalam .

Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam ( perubahan energi dalam = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (perubahan kalor= perubahan energi dalam ), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor

gas pada volume konstan Q_V.

Q_V = perubahan energi dalam

Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p.perubahan volume). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Q_p. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan

Q_V =perubahan energi dalam

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Q_p − Q_V

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Q_p) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (Q_V).

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (-perubahan usaha = perubahan energi dalam)

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p₁ dan V₁ mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p₂ dan V₂, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai

B. Siklus termodinamika dan hukum II termodinamika

1. Siklus Carnot

Berdasarkan sifatnya siklus dibagi menjadi 2 ,yaitu siklus reversible (dapat balik) dan siklus irreversible (tidak dapat balik). Siklus carnot termasuk siklus reversible.
- pada proses A-B terjadi ekspansi isotermik
- pada proses B-C terjadi ekspansi adiabatik
- pada proses C-D terjadi pemampatan isotermik
- pada proses D-A terjadi pemampatan adiabatik

Mesin kalor dan mesin pendingin menggunakan siklus energi kalor secara spontan dan tidak spontan. Jika mesin kalor kalor menyerap energi dari benda bersuhu tinggi ~ sebab dan benda yang bersuhu rendah akan secara spontan menyerap energi tersebut. Benda bersuhu rendah dinyatakan mempunyai energi sebesar .

Berdasar prinsip mesin pemanas tersebut, maka

perhitungan efisiensi mesin panas menjadi :

Efisiensi mesin pendingin Carnot adalah sebagai berikut :

K=Q2/Q1-Q2

karena selalu lebih besar nilainya dari maka hasil pembagian fungsi tersebut selalu lebih dari angka 1.


2. Siklus Otto

Siklus mesin bakar atau biasa disebut siklus Otto ..

- pada proses 1-2 terjadi pemampatan adiabatik
- pada proses 2-3 terjadi isokhorik
- pada proses 3-4 terjadi ekspansi adiabatik
- pada proses 4-1 terjadi iskhorik

Usaha yang dilakukan sistem pada siklus Otto adalah :
W= Q1 - Q2

Efisiensi siklus Otto adalah :
efisiensi= 1 - Q2/Q1

3. Siklus Diesel

- pada proses 1-3 terjadi pemampatan adiabatik
- pada proses 3-3a langkah daya pertama ekspansi isobarik
- pada proses 3a-4 terjadi ekspansi adiabatik
- pada proses 4-1 terjadi penurunan suhu


4. Siklus Rankine

Siklus mesin uap disebut juga siklus Rankine.