Konsep Dasar Termodinamika, Hukum Termodinamika, Usaha, Kalor, dan Energi

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang. Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.
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 sekaran ini tentang termodinamika benda hitam.

Konsep Dasar Dalam Termodinamika

Pengabstrakan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. Sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan. Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat diuraikan menjadi beberapa parameter.

Sistem Termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada 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 terisolasi : 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. Rumah hijau adalah 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 yaitu :

1. Pembatas adiabatik, tidak memperbolehkan pertukaran panas
2. 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 sistem.

Keadaan Termodinamika

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti ( keadaan sistem ). Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.
Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut. Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.
Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.

Hukum Termodinamika

Hukum pertama Termodinamika adalah bentuk lain dari hukum kekekalan energi yang diaplikasikan pada perubahan energi dalam yang dialami oleh suatu sistem. Maka :

• Sistem adalah sejumlah zat dalam suatu wadah, yang menjadi pusat perhatian untuk dianalisis.
• Lingkungan adalah segala sesuatu diluar sistem.
• Batas , perantara lingkungan dan sistem.
  

Pengertian Usaha, Kalor dan Energi

Kalor = Usaha, yaitu hanya muncul jika terjadi perpindahan energi antara system dan lingkungan. Kalor muncul ketika energi dipindahkan akibat adanya perbedaan suhu atau perubahan wujud zat.
Energi terbagi atas dua yaitu energi dalam dan energi luar, dibawah ini beberapa asumsi mengenai energi tersebut.

• Energi kinetik dan energi potensial = energi luar ( external energy )
• Energi yang tidak nampak dari luar adalah energi dalam.
• Energi dalam berhubungan dengan aspek mikroskopik zat.
• Jumlah energi kinetic dan energi potensial yang berhubungan dengan atom – atom atau molekul – molekul zat disebut energi dalam.

Oleh karena itu, pengertian dari energi dalam adalah suatu sifat mikroskopik zat, sehingga tidak dapat diukur secara langsung. Yang dapat diukur secara tidak langsung adalah perubahan energi dalam ( notasi ), yaitu ketika suatu system berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir.

Secara Sistematis
Perubahan Energi Dalam
delta U = U2-U1
Perubahan Energi Dalam
u = u(vT)
Dimana :
du : perubahan energi dalam (kJ/kg)
cv : panas spesifik pada volume konstan (0,707kJ/kg.K)
dT : perubahan suhu (K)

Formulasi Usaha

Proses Isobarik adalah proses yang terjadi pada tekanan tetap.
Secara Sistematis
Usaha pada proses Isobarik
W = p . deltaV = p ( V2 - V1 )
Rumus pada persamaan diatas hanya dapat digunakan untuk menghitung usaha gas pada tekanan tetap (proses Isobarik). Jika tekanan gas berubah, usaha W harus dihitung dengan cara integral. Secara umum, usaha dihitung dengan cara integral berikut.
Rumus umum Usaha
W = V1 - V2 pdV
Oleh Karena itu, jika grafik tekanan terhadap Volume diberikan, maka arti geometris dari persamaan adalah luas dibawah kurva.

Usaha Dalam Proses Siklus

Pengertian usaha dalam proses siklus ialah usaha yang dilakukan oleh atau pada system gas yang menjalani suatu proses siklus sama dengan luas daerah yang dimuat oleh siklus tersebut.

Hukum - Hukum Dasar Termodinamika

Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:
Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.
Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Energi dalam suatu system berubah dari nilai awal U1 ke nilai akhir U2 sehubungan dengan kalor Q dan usaha W. Oleh karena itu, Hukum Pertama termodinamika berbunyi, energi dalam suatu system berubah dari nilai U2 sehubungan dengan kalor Q dan usaha W; dimana Q adalah positif jika system memperoleh kalor dan negative jika kehilangan kalor, usaha W positif jika usaha dilakukan oleh system dan negative jika usaha dilakukan pada system.

Hukum Kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. Maka, Hukum Kedua Termodinamika berbunyi, 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 energi mekanik.

Hukum Ketiga Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.