Aplikasi Hukum Termodinamika [PDF]

Citation preview

APLIKASI HUKUM TERMODINAMIKA



Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan')



adalah



fisika



energi



,



kespontanan



proses.



Termodinamika



panas,



kerja,



berhubungan



entropi dekat



dan



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 sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.



Sistem



termodinamika



diperhitungkan.



Sebuah



adalah



bagian



batasan



yang



dari



jagat



nyata



raya



atau



yang



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: 1. Sistem Terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi. 2. 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. 3. Sistem Terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda



dengan



memperbolehkan



lingkungannya. pertukaran



benda



Sebuah



pembatas



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.



Terdapat



empat



Hukum



Dasar



yang



berlaku



termodinamika, yaitu:



1. Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika



di



dalam



sistem



Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.



2. 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.



Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan



panas



sebagai



suatu



bentuk



perpindahan



energi.



Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi: Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya. Pondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh James Prescott Joule yang



melalui



eksperimen-eksperimennya



berhasil



menyimpulkan



bahwa panas dan kerja saling dapat dikonversikan. Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf Clausius pada 1850: "Terdapat suatu fungsi keadaan E, yang disebut 'energi', yang diferensialnya sama dengan jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu proses adiabatik." Hukum kekekalan energi: Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat



dihancurkan/dihilangkan.



Tetapi



dapat



ditransfer



dengan



berbagai cara. Aplikasi: Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi. Semuanya hanya mentransfer energi, tidak menciptakan dan menghilangkan.



Penerapan Hukum I Termodinamika Hukum I Termodinamika berkaitan dengan Hukum Kekekalan Energi untuk sebuah sistem yang sedang melakukan pertukaran energi dengan lingkungan dan memberikan hubungan antara kalor, energi, dan kerja (usaha). Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa untuk setiap proses, apabila kalor ditambahkan ke dalam sistem dan sistem melakukan usaha, maka akan terjadi perubahan energi. Jadi, dapat dikatakan bahwa Hukum I Termodinamika menyatakan adanya konsep kekekalan energi. Energi dalam sistem merupakan jumlah total semua energi molekul pada sistem. Apabila usaha dilakukan pada sistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya, energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukan usaha pada lingkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalam pada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan oleh sistem. Secara matematis, Hukum Pertama Termodinamika dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W …….. (9–9) dengan: Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem, ΔU = U2 — U1 = perubahan energi dalam sistem, dan W = usaha yang dilakukan sistem.



Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan (9-9) tersebut adalah sebagai berikut. 1. Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif. 2. Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif



3. Jika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif 4. Jika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif



a. Proses Isotermal Anda telah memahami bahwa proses isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap. Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V2/V1). Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik



yang



dinyatakan



dalam



persamaan



ΔU=(3/2)nRΔT.



Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W = 0 + W Q = W = nR T ln (V2/V1) …. (9-10)



b. Proses Isokhorik Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Anda telah memahami bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W = pΔV = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagai Q = ΔU + W = ΔU + 0 Q = ΔU = U2 — U1 Dari Persamaan (9-11) Anda dapat menyatakan bahwa kalor yang diberikan pada sistem hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut. Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal



monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan (9-11), didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut. Q = ΔU =(3/2)nR ΔT …(9-12) atau Q = U2 — U1 =(3/2)nR (T2 —T1) …. (9-13)



c. Proses Isobarik Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas berada dalam keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV = p(V2 – V1). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W Q = ΔU + p(V2 – V1) … (9-14) Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (9-14) dapat dituliskan sebagai Q =(3/2)nR (T2 — T1) + p (V2 – V1) … (9-15)



d. Proses adiabatik Dalam



pembahasan



mengenai



proses



adiabatik,



Anda



telah



mengetahui bahwa dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi Q = ΔU + W 0 = ΔU + W atau W = — ΔU = —(U2— U1) … (9-16)



Berdasarkan Persamaan (9-16) tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem



akan mengakibatkan



terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya. Persamaan



Hukum



Pertama



Termodinamika



untuk



gas



ideal



monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai W = — ΔU = —(3/2)nR (T2 – T1)



Hukum Kedua Termodinamika Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seir ing dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. Hukum keseimbangan / kenaikan entropi: Panas tidak bisa mengalir dari material yang dingin ke yang lebih panas secara spontan. Entropi adalah tingkat keacakan energi. Jika satu ujung material panas, dan ujung satunya dingin, dikatakan tidak acak, karena ada konsentrasi energi. Dikatakan entropinya rendah. Setelah rata menjadi hangat, dikatakan entropinya naik. Aplikasi: Kulkas harus mempunyai pembuang panas di belakangnya, yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak Panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar. Formulasi Kelvin-Planck atau hukum



termodinamika kedua menyebutkan



bahwa adalah tidak



mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu



siklus



yang



semata-mata



mengubah



energi



panas



yang



diperoleh dari suatu reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi



usaha mekanik. Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan arahnya). Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut. Akan tetapi beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki arah, yaitu dari panas ke dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah studi tentang mesin kalor. Mesin kalor adalah sebutan untuk alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Dalam mesin mobil misalnya, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke uap. Uap ini diarahkan ke sudu-sudu sebuah turbin, membuat sudu-sudu ini berputar. Akhirnya energi mekanik putaran



ini



digunakan



untuk



menggerakkan



generator



listrik.



Aplikasi Hukum II Termodinamika 2.2.1 Mesin Kalor. Mesin kalor adalah suatu alat yang dapat mengkonversi energi internal menjadi energi mekanik. Gagasan dasar mesin kalor adalah bahwa energi mekanik bisa didapat dari energi termal hanya



ketika kalor dibiarkan mengalir dari temperatur tinggi ke rendah. Dalam proses ini, sebagian kalor dapat diubah menjadi energi mekanik, seperti diagram skematis pada gambar 2.2.1a. Masukkan kalor QH pada temperatur tinggi TH sebagian diubah menjadi kerja W dan sebagian dibuang sebagai kalor Q C pada temperatur yang lebih rendah TL. Dengan kekekalan energi QH = W + QC. Temperatur tinggi dan rendah TH dan TL disebut temperatur operasi mesin. Dengan demikian, kerja yang dilakukan oleh mesin kalor adalah: W = QH – QC QH



2.2.1.a



menyatakan



besarnya



menyatakan hot reservoir.



input



kalor,



kerja



subscript



H



QC menyatakan besarnya kalor yang



dibuang, dan subscript C merepresentasikan merepresentasikan



dan



yang



dilakukan.



cold reservoir. W



Ketika



sebuah



sistem



melakukan proses siklus maka tidak terjadi perubahan energi dalam pada sistem. Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikan sebagai berikut: a.



Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, furnace bahan bakar, reaktor nuklir,dsb).



b.



Mesin



kalor



mengkonversi



sebagian



panas



menjadi



kerja



(umumnya dalam bentuk poros yang berputar). c. Mesin kalor membuang sisa panas ke sink temperatur rendah. d. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus. Mengacu pada karakteristik di atas, sebenarnya motor bahan bakar turbin gas tidak memenuhi kategori sebagai sebuah mesin kalor, karena fluida kerja dari motor bahan bakar dan turbin gas tidak mengalami siklus termodinamika secara lengkap. Sebuah alat produksi kerja yang paling tepat mewakili definisi dari mesin kalor adalah



pembangkit listrik tenaga air, yang merupakan mesin pembakaran luar dimana fluida kerja mengalami siklus termodinamika yang lengkap. Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi, sebuah mesin kalor harus menghasilkan jumlah kerja yang besar dan kalor input yang kecil. Karenanya, efisiensi, e, dari suatu mesin kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang dilakukan oleh mesin W dengan kalor input QH: Jika kalor input semuanya dikonversikan menjadi kerja, maka mesin akan mempunyai efisiensi 1.00, karena W = QH; dikatakan mesin ini memiliki efisiensi 100%, idealnya demikian. Tetapi hal tersebut tidak mungkin, karena harga QC tidak sama dengan nol .



2.2.2 Siklus Carnot Untuk



mengetahui



bagaimana



menaikkan



efisiensi



mesin,



seorang Ilmuwan yang berasal dari Perancis yaitu Sadi Carnot (17961832) meneliti karakteristik mesin ideal, dalam siklus reversible yang dikenal dengan nama Siklus Carnot. Siklus Carnot adalah siklus yang paling efisien dari operasi diantara dua tingkat temperatur yang spesifik. Dengan demikian siklus ini sangat cocok untuk digunakan sebagai model prospektif siklus ideal untuk pembangkit tenaga uap (vapour power plant). Siklus ini akan menentukan batas kemampuan kita untuk mengubah kalor menjadi kerja.



Hukum II Termodinamika memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan.



1. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck). 2. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius). 3. Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).



4. 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. Hukum



suhu



0



Kelvin



(-273,15



Celcius):



Teori



termodinamika



menyatakan bahwa panas (dan tekanan gas) terjadi karena gerakan kinetik dalam skala molekular. Jika gerakan ini dihentikan, maka suhu material



tsb



akan



mencapai



0



derajat



kelvin.



Aplikasi: Kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu sangat rendah, karena tidak banyak keacakan gerakan kinetik dalam skala molekular yang menggangu aliran elektron.



APLIKASI HUKUM KETIGA TERMODINAMIKA



Hukum ketiga termodinamika memungkinkan perhitungan perhitungan entropi absolut dari zat murni pada tiap temperatur dari panas jenis dan panaa transisi. Sebagai contoh, suatu benda padat pada temperatur T, akan memeiliki entropi yang akan dinyatakan oleh : Suatu benda cair, sebaliknya mempunyai entropi yang dinyatakan oleh : Penerapan yang mencakup gas menjadi : Besaran-besaran yang diperlukan untuk evaluasi numerik entropi mencakup panas jenis. Pengukuran panas jenis zat padat di sekitar titik nol absolut menunjukan bahwa : Karena untuk zat padat,maka Debye dan Einstein menurunkan persamaan berikut untuk panaa jenis zat pasdat : Dimana a adalah karakteristik yang berbeda untuk setiap zat. Bila suatu zat sederhana dipanaskan pada tekanan konstan, pertambahan entropi dinyatakan oleh : Bila persamaan tersebut di integrasikan di antara titik nol absolutdengan temperatur T dimana s =0 hasilnya adalah :



KONSEKUENSI SELANJUTNYA DARI HUKUM TIGA TERMODINAMIKA



Konsekuensi dari hukum ketiga termodinamika dijabarkan di bawah ini. Untuk suatu proses temperatur konstan dekat 0ºK,perubahan entropi dinyatakan oleh : Karena = 0 pada T = 0 dari hukumtermodinamika ketiga, persamaan menghasilkan :



Tetapi dari persamaan Maxwell. Jadi persamaan menjadi : Hasil diatas sesuai dengan kenyataan eksperimental. Sebagai contoh, buffington dan Latimer menemukan bahwa koefisien ekspansi dari beberapa zat padat kristalin mendekati nol. Konsekuensi terakhir dari hukum ketiga termodinamika adalah tidak dapat diperolehnya titik nol absolut. Ditinjau suatu bidang penelitian pada temperatur rendah, kenyataan eksperimental menunjukan bahwa temperatur yang di peroleh oleh tiap proses demagenetisasi adaibatik dari temperatur awalnya adalah setengah temperatur awal proses bersangkutan. Jadi makin rendah temperatur yang dicapai, makin kurang kemungkinannya untuk didinginkan lebih rendah. Dengan kata lain diperlukan proses demagnetisasi adiabatik yag tak terbatas jumlahnya untuk mencapai titik nol absolut.



DAFTAR PUSTAKA



http://budisma.web.id/materi/sma/fisika-kelas-xi/penerapan-hukum-itermodinamika/ http://salminm0inti.wordpress.com/2011/06/11/makalahtermodinamika/ http://ariffadholi.blogspot.com/2009/10/aplikasi-hukumtermodinamika.html