Termodinamika [PDF]

Citation preview

MAKALAH ILMIAH



PRINSIP DASAR TERMODINAMIKA DAN APLIKASINYA DALAM KEHIDUPAN SEHARI-HARI



Midd Test Assignment Mata Kuliah Termodinamika Tanri Abeng University Tahun Akademik 2016



OLEH : YURIKA NAZMILIA 100.15003



DEPARTEMEN TEKNIK PERMINYAKAN FAKULTAS TEKNIK TANRI ABENG UNIVERSITY JAKARTA 2016



i



HALAMAN PENGESAHAN



“Prinsip Dasar Termodinamika dan Aplikasinya dalam Kehidupan Seharihari”



Midd Test Assignment Mata Kuliah Termodinamika Tanri Abeng University Tahun Akademik 2016



Oleh :



YURIKA NAZMILIA NIM : 100.15003



Jakarta, 3 Juni 2016



Dosen Pembimbing Termodinamika,



Mahasiswa TAU,



Dr. Mutia Delina, M.Si



Yurika Nazmilia NIM : 100.15003



Nilai : ii



Yurika



Nazmilia



Aplikasinya



dalam



(010.15003), kehidupan



“Prinsip



Dasar



sehari-hari”,



Termodinamika midd



test



dan



assignment



Termodinamika Fakultas Teknik Perminyakan Tanri Abeng University, 2016, x+37 pages.



ABSTRAK Termodinamika berasal dari bahasa Yunani yaitu Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Secara umum, termodinamika merupakan ilmu yang menggambarkan usaha untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Selain itu, termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Termodinamika memiliki prinsip konservasi atau kekekalan energi, dengan konsep energi di alam semesta tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, akan tetapi energi tersebut dapat diubah kedalam bentuk energi yang lainnya. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Keseluruhan prinsip termodinamika dapat dirangkum kedalam 4 hukum termodinamika. Keempat hukum tersebut memiliki aturan masing-masing yang dapat di aplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. Pengaplikasian prinsip termodinamika yang terjadi secara alami dapat kita temui dalam sistem tubuh manusia, hewan dan tumbuhan maupun sistem pada bumi dan tata surya kita. Sedangkan aplikasi perekayasaan prinsip termodinamika dapat kita temui pada mesin-mesin transportasi darat, laut maupun udara serta pada mesin konversi energi. Berlandaskan uraian di atas, penulis menyusun dan membuat sebuah makalah ilmiah yang berjudul “Prinsip Dasar Termodinamika dan Aplikasinya dalam kehidupan sehari-hari”. Secara umum makalah ilmiah ini akan membahas tentang pengertian termodinamika, prinsip dasar dari termodinamika (yang terdiri dari 4 hukum termodinamika) dan aplikasi dari Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari. Diharapakan dengan adanya makalah ilmiah ini, maka pemahaman dan



iii



wawasan penulis maupun pembaca mengenai prinsip termodinamika dan aplikasinya dapat meningkat dengan baik.



Kata kunci : Termodinamika, Prinsip Termodinamika ( 4 hukum Termodinamika), Aplikasi Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari.



iv



KATA PENGANTAR



Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT yang telah memberikan kemudahan sehingga makalah ilmiah ini dapat selesai tepat waktu. Tidak lupa juga sholawat serta salam penulis haturkan untuk junjungan Nabi besar Muhammad SAW beserta keluarga dan para sahabatnya. Pada dasarnya makalah ilmiah ini disusun dalam rangka midd test assignment dari mata kuliah Termodinamika tahun akademik 2016 yang dibimbing oleh Ibu Mutia Delina selaku dosen Termodinamika di Tanri Abeng University. Tujuan utama penulis adalah ingin menyelesaikan midd test assignment mata kuliah Termodinamika yang bertemakan “Prinsip Dasar Termodinamika dan Aplikasinya dalam Kehidupan Sehari-hari” dengan hasil yang baik dan mendapatkan nilai yang bagus. Selain itu, penulis juga bertujuan untuk menambah wawasan penulis sekaligus pembaca tentang Termodinamika baik dari segi aspek teori maupun aplikasi Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari. Penulis berharap dengan adanya pemahaman yang baik tentang Termodinamika dan aplikasinya, maka pembaca maupun penulis sendiri dapat ikut berperan serta dalam memajukan teknologi khususnya di bidang fisika dan kimia. Ruang lingkup penulisan ini adalah di bidang ilmu pengetahuan khususnya pada ruang lingkup teknik dan energi. Judul makalah ilmiah ini adalah “Prinsip Dasar Termodinamika dan Aplikasinya dalam Kehidupan Seharihari”. Secara umum, makalah ilmiah ini akan membahas tentang pengertian Termodinamika dan definisi dari Termodinamika, hukum-hukum Termodinamika, serta aplikasi Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari. Dalam kesempatan ini penulis berterima kasih kepada : 1. Ibu Dr. Mutia Delina, M.Si selaku dosen Termodinamika di Tanri Abeng University yang telah membimbing dan membantu penulis dalam menyelesaikan makalah ilmiah ini.



v



2. Orang tua penulis yang selalu mendukung penulis hingga pembuatan makalah ilmiah ini selesai. 3. Semua pihak yang turut membantu sehingga makalah ilmiah ini dapat selesai tepat waktu. Serta sumber-sumber tentang Termodinamika baik di internet maupun buku yang membantu penulis dalam menyelesaikan makalah ilmiah ini. Seperti pepatah, “Tidak ada gading yang tak retak”. Penulis meyakini bahwa manusia bukanlah makhluk yang benar-benar sempurna. Oleh karena itu, penulis mengharapkan saran dan kritik yang bersifat membangun dari semua pihak. Hal ini agar budaya berpikir kritis bisa lebih berkembang di masyarakat, khususnya mahasiswa serta agar dalam pembuatan makalah ilmiah di waktu yang akan datang dapat lebih baik lagi. Akhir kata penulis berharap semoga makalah ilmiah ini dapat bermanfaat bagi siapa saja yang membacanya.



Jakarta, 3 Juni 2016



Penulis



vi



DAFTAR ISI



BAGIAN AWAL a. Halaman Judul................................................................................ i b. Halaman Pengesahan...................................................................... ii c. Abstrak............................................................................................ iii d. Kata Pengantar................................................................................. v e. Daftar Isi.......................................................................................... vii



BAGIAN INTI BAB I 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5



PENDAHULUAN Latar Belakang.....................................................................1 Rumusan Masalah................................................................2 Tujuan Makalah Ilmiah........................................................2 Manfaat Makalah Ilmiah......................................................2 Metode Penulisan Makalah Ilmiah.......................................2



BAB II 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6



PEMBAHASAN Termodinamika...................................................................3 Hukum Termodinamika 0....................................................8 Hukum Termodinamika I...................................................13 Hukum Termodinamika II..................................................26 Hukum Termodinamika III.................................................36 Aplikasi Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari......40



BAGIAN PENUTUP BAB III 3.1



PENUTUP Kesimpulan......................................................................44



DAFTAR PUSTAKA.............................................................................46



vii



viii



ix



BAB I PENDAHULUAN



1.1



Latar Belakang Termodinamika (yang merupakan bahasa Yunani dari thermos = ‘panas’ dan dynamic = ‘perubahan’) adalah salah satu cabang dari ilmu fisika yang membahas tentang hubungan antara usaha (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) dengan kalor dan energi. Secara umum, termodinamika menggambarkan tentang suatu usaha untuk mengubah kalor menjadi energi dan sifat-sifat pendukungnya sehingga menyebabkan terjadinya perubahan pada suatu zat. Berdasarkan tinjauan perilakunya secara makroskopik dan mikroskopik, termodinamika dapat dibedakan menjadi dua kelompok yaitu termodinamika klasik (secara makroskopik) dan termodinamika statistik (secara mikroskopik). Termodinamika klasik dan statistik cenderung untuk saling melengkapi dan memperkuat sehingga kedua disiplin ini memberikan lebih banyak wawasan mengenai perilaku tentang suatu materi atau zat. Termodinamika memiliki prinsip konservasi atau kekekalan energi, dengan memiliki konsep energi di alam semesta tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, akan tetapi energi tersebut dapat diubah kedalam bentuk energi yang lainnya. Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Keseluruhan prinsip termodinamika dapat dirangkum kedalam 4 hukum yaitu hukum termodinamika 0 (Kesetimbangan termal), hukum termodinamika 1 (Konsep energi dalam dan kekekalan energi), hukum termodinamika 2 (arah perubahan distibusi energi dan prinsip peningkatan entropi), dan hukum termodinamika 3 (nilai proses dan entropi sistem pada saat temperatur nol absolut). Keempat hukum tersebut memiliki aturan masing-masing yang dapat di aplikasikan dalam kehidupan sehari-hari. Pengaplikasian prinsip termodinamika yang terjadi secara alami dapat kita temui dalam sistem tubuh manusia, hewan dan tumbuhan maupun sistem pada bumi dan tata surya kita. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses thermodinamika dapat direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Contoh dari perekayasaan prinsip alamiah termodinamika yang sangat kita kenal yaitu pada mesin konversi energi.



1



1.2



Rumusan Masalah Adapun masalah-masalah yang akan dibahas dalam makalah ini diantaranya



adalah: 1. 2. 3. 4.



Apa pengertian dari termodinamika ? Bagaimana konsep dasar dan sistem dari termodinamika ? Bagaimana prinsip dari keempat hukum termodinamika ? Apa saja aplikasi dari termodinamika dan keempat termodinamika dalam kehidupan sehari-hari ?



hukum



1.3



Tujuan Makalah Ilmiah Penulisan makalah ilmiah mengenai termodinamika dan aplikasinya bertujuan untuk: 1. Memberi penjelasan tentang termodinamika dan aspek-aspek dari termodinamika. 2. Menjelasakan usaha yang dilakukan pada berbagai proses termodinamika serta mengetahui sistem-sistem yang terdapat dalam termodinamika. 3. Menjelaskan mengenai prinsip dari keempat hukum termodinamika. 4. Menjelaskan tentang aplikasi dari termodinamika dan keempat hukum termodinamika dalam kehidupan sehari-hari. 5. Menjelaskan tentang cara kerja dari aplikasi termodinamika dan keempat hukum termodinamika. 6. Mengetahui besaran terukur dari suatu sistem ditinjau melalui persamaan-persamaan termodinamika. 1.4



Manfaat Makalah Ilmiah Makalah ilmiah ini memiliki beberapa manfaat yaitu: 1. Menambah wawasan pembaca tentang definisi dari termodinamika dan aspek-aspeknya. 2. Menambah pemahaman pembaca mengenai prinsip dari keempat hukum termodinamika. 3. Memberi penjelasan secara jelas kepada pembaca tentang aplikasi dari termodinamika dan keempat hukum termodinamika dalam kehidupan sehari-hari.



1.5



Metode Penulisan Makalah Ilmiah Penulisan makalah ilmiah ini melalui metode studi pustaka, baik melalui media buku, e-book maupun internet. Semua informasi dan gagasan yang telah diperoleh dalam makalah ilmiah ini penulis gabungkan menjadi satu kesatuan dan menyeluruh, sehingga penulis dapat menarik kesimpulan yang diperoleh berdasarkan intisari pembahasan makalah ilmiah ini.



2



BAB II PEMBAHASAN



2.1



Termodinamika



Termodinamika berasal dari bahasa Yunani, yaitu Thermos yang artinya panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika dalam arti luas adalah salah satu cabang dari ilmu fisika yang membahas tentang hubungan antara usaha (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) dengan kalor dan energi. Sedangkan termodinamika dalam arti sempit merupakan salah satu cabang Ilmu Alam (Fisika) yang mempelajari materi yang ada dalam keseimbangan terhadap perubahan suhu, tekanan, dan komposisi kimia. Secara umum, termodinamika menggambarkan tentang suatu usaha untuk mengubah kalor menjadi energi dan sifat-sifat pendukungnya sehingga menyebabkan terjadinya perubahan pada suatu zat. Termodinamika mempelajari tentang pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan yang disertai dengan parameter-parameter yang mendukung seperti tekanan, temperatur dan volume. Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Selain itu, termodinamika juga berhubungan dekat dengan mekanika statik di mana hubungan termodinamika berasal. Cabang ilmu fisika ini berdasar pada dua prinsip dasar yang aslinya diturunkan dari eksperimen, tapi kini dianggap sebagai aksiom. Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi, yang mengambil bentuk hukum kesetaraan panas dan kerja. Sedangkan prinsip yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak dapat mengalir dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas tanpa adanya perubahan dikedua benda tersebut. Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan. Contohnya adalah pada saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang dimaksud dengan sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut sedangkan lingkungannya adalah bejana itu sendiri.



3



Dalam mempelajari termodinamika, kita harus mengetahui terlebih dahulu hubungan antara energi panas (kalor) dengan kerja atau usaha. Kalor merupakan suatu bentuk eneri yang dapat berpindah dari lingkungan ke suatu sistem atau sebaliknya karena ada perbedaan suhu antara sistem dan lingkungannya. Tanpa pengaruh luar, kalor akan selalu berpindah dari suhu yang lebih tinggi ke suhu yang lebih rendah. Sedangkan usaha merupakan suatu bentuk perpindahan energi melalui gaya yang dilakukan sistem pada lingkungan atau sebaliknya saat titik tangkap gaya mengalami perpindahan. Jadi, panas sangat mirip dengan kerja. Untuk membedakannya, panas didefinisikan sebagai transfer energi yang disebabkan oleh perbedaan temperatur, sementara kerja adalah transfer energi yang tidak disebabkan oleh perbedaan temperatur. Termodinamika memusatkan perhatian pada dua hal yaitu energi yang kekal dan proses yang menghasilkan entropi mungkin dapat terjadi tetapi proses yang menghapuskan entropi mustahil terjadi. Termodinamika memiliki prinsip yang telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Keseluruhan prinsip termodinamika dapat dirangkum kedalam 4 hukum termodinamika. Hukum-hukum termodinamika tersebut pada prinsipnya menjelaskan tentang peristiwa perpindahan panas dan kerja pada proses termodinamika. Prinsip-prinsip dan metode-metode termodinamika digunakan untuk: 1. Menjelaskan kerja beberapa sistem. 2. Menjelaskan mengapa suatu sistem tertentu tidak bekerja seperti yang diinginkan. 3. Menjelaskan mengapa suatu sistem sama sekali tidak mungkin bekerja. 4. Dasar teoritik dalam merancang sistem-sistem mesin, misalnya: motor bakar, pompa termal, motor roket, pusat pembangkit tenaga listrik, turbin gas, alat pendigin udara, dll.



4



2.1.1



Sistem Termodinamika dan Lingkungan Pembahasan mengenai termodinamika selalu berkaitan dengan dua komponen, yaitu sistem dan lingkungan. Sistem adalah sejumlah zat, campuran zat, atau segala sesuatu yang ada dalam pengamatan baik berbentuk padat, cair, maupun gas. Sistem yang tidak termasuk dalam pengamatan digolongkan sebagai lingkungan. Sistem didefiniskan sebagai permukaan tertutup yang disebut sebagai boundary. Terdapat kemungkinan bahwa boundary itu real atau imaginer, dan mungkin juga tidak tetap di dalam bentuk dan volumenya. Misalkan cangkir sebagai wadah dari teh, atau balon yang mewadahi gas, disini cangkir dan balon disebut boundary real yang secara jelas dapat dilihat antara sistem dan lingkungannya. Misalkan terdapat es diatas meja. Kita tidak bisa mengamati secara jelas pembatas antara sistem (dalam hal ini es) dengan lingkungannya, sehingga kita memberikan definisi boundary imajiner untuk memisahkan sistem es dengan lingkungannya. Sistem mungkin secara nyata sebuah balok besi, gas di dalam balon, atau mungkin sebuah volume yang didefinisikan oleh boundary imaginer yang tertentu, di dalam cairan yang mengalir. Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Batas sistem yang merupakan bagian dari sistem dan lingkungannya dapat tetap ataupun berubah posisi. Pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi, atau membentuk beberapa sistem menjadi sistem yang lebih besar. Klasifikasi sistem termodinamika dibagi 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: a) Sistem terisolasi Tidak terjadi pertukaran zat maupun energi (kerja dan kalor) dalam bentuk apapun antara sistem dengan lingkungan. Contoh-nya: wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi (Tabung LPG), ice box dan air panas 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. b) Sistem tertutup Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran massa (materi atau zat) antara sistem dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu, massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas 5



sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh dari sistem tertutup adalah Rumah hijau (terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan), balon udara yang dipanaskan (massa udara di dalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon) dan air panas dalam gelas tertutup. Suatu sistem dapat terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya dengan mempertimbangkan sifat pembatasnya, yaitu : • Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas dan memperbolehkan pertukaran kerja. • Pembatas diatermal: tidak memperbolehkan pertukaran kerja dan diperbolehkan pertukaran panas. c) Sistem terbuka Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan massa (materi atau zat) antara sistem dengan lingkungannya. Pada sistem terbuka, baik massa (materi atau zat) maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume. Contoh dari sistem terbuka ini adalah lautan atau samudra, air panas dalam gelas terbuka, kompresor angin, turbin, nozzel dan mesin motor bakar. Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah: a. Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem b. Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.



Gambar 2.1.2 Konsep sistem termodinamika 6



2.1.2



Sifat-sifat Sistem Keadaan sistem bisa diidentifikasi atau diterangkan dengan besaran yang bisa diobservasi seperti volume, temperatur, tekanan, kerapatan dan sebagainya. Semua besaran yang mengidentifikasi keadaan sistem disebut sifat-sifat sistem. Sifat-sifat sistem termodinamika dapat dibagi menjadi dua kelompok umum, yaitu: 1. Sifat ekstensif Besaran sifat dari sistem dibagi ke dalam beberapa bagian. Sifat sistem, yang harga untuk keseluruhan sistem merupakan jumlah dari harga komponen-komponen individu sistem tersebut, disebut sifat ekstensif. Contohnya, volume total, massa total, dan energi total sistem adalah sifatsifat ekstensif. 2. Sifat intensif Temperatur sistem bukanlah jumlah dari temperatur-temperatur bagian sistem. Begitu juga dengan tekanan dan kerapatan sistem. Sifat-sifat seperti temperatur, tekanan dan kerapatan ini disebut sifat intensif. 2.1.3



Tinjauan Termodinamika Secara Makroskopik dan Mikroskopik Berdasarkan pendekatan (peninjauan) secara Makroskopik dan Mikroskopik termodinamika dapat dikelompokkan menjadi dua bagian, yaitu : 1. Termodinamika klasik Adalah ilmu termodinamika yang berdasarkan pendekatan makroskopik, perilaku termodinamika klasik dikaji secara keseluruhan. Dalam termodinamika klasik, model struktur materi pada tingkat molekuar, atomik, dan sub-atomik tidak dipergunakan secara langsung. Meskipun perilaku sistem dipengaruhi oleh struktur molekular, termodinamika klasik memungkinkan evaluasi aspek penting dari perilaku sistem melalui observasi sistem secara keseluruhan. 2. Termodinamika statistik Adalah ilmu termodinamika yang berdasarkan pendekatan mikroskopik, pengkajian dilakukan secara langsung pada tingkat struktur dari materi. Termodinamika statistik bertujuan untuk mempelajari perilaku rata-rata partikel penyusun sistem dalam pengkajian dengan menggunakan pengertian statistik dan menghubungkan informasi yang didapat dengan hasil observasi perilaku sistem secara makroskopik Perbedaan antara kedua pendekatan ini adalah dengan memperhatikan tekanan yang dikerahkan oleh gas yang terkungkung dalam suatu wadah. Dari pandangan mikroskopik tekanan yang dikerahkan gas pada titik tertentu dan pada saat tertentu tergantung pada perilaku sesaat molekul yang berada di sekitar titik tersebut. 2.1.4



Keadaan Termodinamika Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem). Untuk keadaan termodinamika 7



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. 2.2



Hukum Termodinamika 0 Hukum ini adalah merupakan definisi dari kesetimbangan termodinamika. Hukum ke nol termodinamika berhubungan dengan kesetimbangan termal antara benda-benda yang saling bersentuhan. Ketika dua sistem yang dimasukkan ke dalam kontak dengan satu sama energi lain , maka materi akan dipertukarkan antara mereka kecuali mereka berada dalam kesetimbangan termodinamika. Dengan kata lain, dua sistem berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan satu sama lain jika mereka tetap sama setelah dimasukkan ke dalam kontak. Hukum ini menyatakan bahwa apabila dua buah benda masing-masing berada dalam keadaan kesetimbangan thermal dengan benda yang ketiga, maka kedua benda ini berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain, artinya, suhu kedua benda tersebut adalah sama. Selain itu, hukum ke-nol termodinamika merupakan penekanan dari konsep suhu, hukum tersebut mendasari pengukuran suhu (temperatur) dengan menggunakan skala Fahrenheit, Celcius, Kelvin dan Reamur. Hukum ini berbunyi: “Jika dua benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain”.



8



Gambar 2.2 Hukum ke-0 Termodinamika



2.2.1



Sejarah Perkembangan Hukum ke-0 Termodinamika Pada dasarnya, termodinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang panas sebagai energi yang mengalir. Oleh karena itu, sejarah berkembangnya ilmu termodinamika berawal sejak manusia mulai “memikirkan” tentang panas. Orang yang pertama kali melakukannya 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 thermometer air. Beberapa abad setelahnya Sir Humphrey Davy dan Count Rumford (1799) menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir. Kesimpulan ini mendukung prinsip kerja thermometer, tapi membantah pernyataan Aristoteles. Seharusnya Hukum ke-0 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”.



2.2.2



Kesetimbangan Termal Suatu campuran gas yang dinyatakan dalam komposisi, massa,tekanan, dan volume, dari percobaan ditemukan bahwa untuk komposisi dan massa konstan, harga Volume dan tekanan sistem dapat berbeda-beda. Jika tekanan dibuat tetap, volumenya dapat diubah-ubah demikian pula sebaliknya. Sehingga dapat dikatakan tekanan dan volume merupakan koordinat bebas. Jadi untuk sistem dan massa tetap dan komposisi tetap masing-masing hanya memerlukan sepasang koordinat bebas. 9



Jadi sistem akan mencapai keadaan kesetimbangan apabila sistem memiliki sepasang koordinat bebas yang konstan selama kondisi eksternal tidak berubah. Kesetimbangan termal dapat dicapai apabila suhu pada setiap titik pada seluruh sistem adalah seragam dan sama dengan suhu lingkungan. Misalkan terdapat dua benda A dan B, benda A terasa dingin oleh tangan dan benda B terasa panas oleh tangan. Apabila kedua benda tersebut disentuhkan, pada keduanya akan terjadi perubahan sifat. Pada suatu saat tidak terjadi lagi perubahan sifat tersebut maka A dan B dikatakan mencapai kesetimbangan termal. Sifat yang berubah ini disebut suhu. Jadi kita dapat mengatakan bahwa benda A dan B mempunyai suhu yang sama. Untuk memahami konsep keseimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau 3 benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Benda C bisa dianggap sebagai termometer. Misalnya benda A dan benda B tidak saling bersentuhan, tetapi benda A dan benda B bersentuhan dengan benda C. Karena bersentuhan, maka setelah beberapa saat benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Demikian juga benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal. benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal, sekalipun keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal, berarti suhu benda A = suhu benda C. Benda B dan benda C juga berada dalam keseimbangan termal (suhu benda B = suhu benda C). Karena A = C dan B = C, maka A = B. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda A = suhu benda B. Jadi walaupun benda A dan benda B tidak bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda C, maka benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. “Bila dua sistem satu sama lain berada dalam kesetimbangan termal, suhu kedua sistem tersebut adalah sama”.



10



Gambar 2.2.2 Kesetimbangan Termal



2.2.3



Aplikasi Hukum Termodinamika ke-0 Dalam kehidupan sehari hari hukum ke-0 termodinamika ini banyak ditemukan atau digunakan. Aplikasi dari hukum termodinamika ke-0 dalam kehidupan sehari-hari adalah: •



Saat memasukkan es batu kedalam air hangat Pada saat kita memasukkan es batu kedalam air hangat, maka terjadi proses mencairnya es batu (akibat suhu es meningkat) dan penurunan suhu air hangat. Kemudian setelah itu lama kelamaan es akan mencair secara keseluruhan menjadi air dingin. Air dingin tersebut menunjukkan campuran antara es batu dan air hangat yang bersuhu sama atau dengan kata lain air hangat dengan es batu sudah masuk dalam keadaan kesetimbangan termal.



11



•



Memasak air dengan panci Ada dua komponen benda penting yang akan mengalami kesetimbangan termal saat kita memasak air dengan menggunakan panci. Benda-benda tersebut adalah panci sebagai benda pertama dan air sebagai benda kedua. Panci dibakar dengan api sehingga temperaturnya berubah. Air yang bersentuhan dengan panci juga temperaturnya naik dan akhirnya air mendidih. •



Pengukuran Temperatur Aplikasi lainnya dari hukum termodinamika ke-0 yaitu pada pengukuran termperatur. Pengukuran temperatur ini berdasarkan prinsip hukum termodinamika ke-0. Jika kita ingin mengetahui apakah dua benda memiliki temperatur yang sama, maka kedua benda tersebut tidak perlu disentuhkan dan diamati perubahan sifatnya. Melainkan yang perlu dilakukan adalah dengan cara mengamati apakah kedua benda tersebut mengalami kesetimbangan termal dengan benda ketiga. Benda ketiga tersebut adalah termometer. Biasanya yang digunakan dalam termometer adalah benda yang mempunyai sifat termometrik yaitu benda apapun yang memiliki sedikitnya satu sifat yang berubah terhadap perubahan temperatur. Termometer yang sering kita jumpai adalah termometer kaca. Termometer kaca terdiri dari pipa kaca kapiler yang berhubungan dengan bola kaca yang berisi cairan air raksa atau alkohol. Ruang di atas cairan berisi uap cairan atau gas inert. Saat temperatur meningkat, volume cairan bertambah sehinggan panjang cairan dalam pipa kapiler bertambah. Panjang cairan dalam pipa kapiler bergantung pada temperatur cairan. Jenis termometer lainnya yaitu termometer volume gas tetap yang memiliki ketelitian dan keakuratan yang sangat tinggi, sehingga digunakan sebagai instrumen standar untuk pengkalibrasian termometer lainnya. Termometer ini menggunakan gas sebagai senyawa termometrik (umumnya hidrogen dan helium), dengan memanfaatkan sifat termometrik berupa tekanan yang dihasilkan gas. Tekanan yang dihasilkan diukur menggunakan manometer air raksa tabung terbuka. Ketika temperatur meningkat, gas memuai sehingga mendorong air raksa dalam tabung terbuka ke atas. Volume gas dipertahankan tetap dengan menaikkan dan menurunkan reservoir. Deteksi temperatur lainnya yang luas digunakan adalah termokopel. Termokopel bekerja berdasarkan prinsip apabila ada dua buah metal dari jenis yang berbeda dilekatkan, maka dalam rangkaian tersebut akan dihasilkan gaya gerak listrik yang besarnya bergantung terhadap temperatur. Dari semua contoh termometer yang telah disebutkan, pada dasarnya prinsipnya sama yaitu ketika termometer menyetuh benda dengan suhu tertentu maka akan terjadi kesetimbangan termal yang ditunjukkan oleh termometer berupa pemuaian pada termomter kaca, perubahan tekanan pada termometer gas tetap, dan gaya gerak listrik pada termokopel.



12



2.2.4



•



Teknologi yang terkait dengan konsep hukum ke-0 Termodinamika Teknologi yang terkait dengan konsep hukum ke-0 termodinamika, yaitu: Penerapan termodinamika secara teknik (dalam perencanaan) yaitu: o Refrigerasi dan Pengkondisian Udara o Pembangkit Daya Listrik o Motor Bakar o Sistem Pemanas Surya o Pesawat Terbang



•



Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap Energi kimia atau energi nuklir dikonversikan menjadi energi termal dalam ketel uap atau reaktor nuklir. Energi ini dilepaskan ke air yang berubah menjadi uap. Energi uap ini digunakan untuk menggerakkan turbin uap, dan energi mekanis yang dihasilkan digunakan untuk menggerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik. •



Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air Energi potensial air dikonversikan menjadi energi mekanis melalui penggunaan turbin air. Energi mekanis ini kemudian dikonversikan lagi menjadi energi listrik oleh generator listrik yang disambungkan pada poros turbinnya. •



Motor Pembakaran Energi kimiawi bahan bakar dikonversikan menjadi kerja mekanis. Campuran udara dan bahan bakar dimampatkan dan pembakaran dilakukan oleh busi. Ekspansi gas hasil pembakaran mendorong piston, yang menghasilkan putaran pada poros engkol. 2.3



Hukum Termodinamika I Hukum ini terkait dengan kekekalan energi dalam sistem, hukum ini berprinsip bahwa energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan melainkan hanya dapat diubah bentuknya dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lainnya. Hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan kalor sebagai model perpindahan energi. Menurut hukum pertama termodinamika, energi di dalam suatu benda dapat ditingkatkan dengan cara menambahkan kalor ke benda atau dengan melakukan usaha pada benda. Hukum pertama termodinamika tidak membatasi arah perpindahan kalor yang dapat terjadi. Hukum ini berbunyi: "Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya dapat diubah (dikonversi) dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lainnya." 13



“Jika suatu benda dalam sistem dipanaskan atau diberi kalor Q, benda (sistem) akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (sistem) akan bertambah panas karena mengalami perubahan energi dalam ∆U.” 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:



ΔU = Q – W



ΔU = Perubahan energi dalam sistem (J) Q = Kalor yang diterima atau dilepas sistem (J) W = Usaha (J)



Dengan Syarat: a. Usaha (W) bernilai positif (+) jika sistem melakukan usaha b. Usaha (W) bernilai negatif (-) jika sistem menerima usaha c. Q bernilai negatif jika sistem melepas kalor d. Q bernilai positif jika sistem menerima kalor



Gambar 2.3 Hukum Termodinamika I



14



Jadi, hukum pertama termodinamika adalah prinsip kekekalan energi yang diaplikasikan pada kalor, usaha dan energi dalam. Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa kalor yang terlibat diubah menjadi perubahan energi dalam dan usaha. 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.



Gambar 2.3-1 Perubahan Energi dalam Sebuah Sistem



2.3.1



Penerapan Hukum I Termodinamika pada Proses Termodinamika Hukum I Termodinamika dibagi menjadi lima proses, yaitu:



1)



Proses Isotermik (suhu tetap) 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, maka tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika, kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W). Isotermik pada umumnya berkaitan dengan perubahan fasa, semisal pencairan dan penguapan



∆U = 0



Q=W



Keterangan: ∆U = Perubahan energi dalam Q = Kalor yang diberikan W = Usaha pada sistem 15



Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai: Keterangan: V2 = Volume akhir gas V1 = Volume awal gas



Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini.



Gambar 2.3.1-1 grafik isotermik



Pada proses isotermik juga berlaku hukum Boyle:



Aplikasi hukum pertama termodinamika pada proses isotermik adalah: o Pada popcorn di dalam panci, panas ditambahkan ke dalam sistem dan sistem melakukan kerja pada lingkungannya dengan mengangkat tutup panci. o Pada mesin dengan daur Stirling atau daur (siklus) Ericsson. 16



o Pada proses kompresi pada siklus kriogenik. Kompresi dilakukan bertingkat dengan melakukan pendinginan, sehingga temperatur terjaga konstan. o Pada AC (Air Conditioner alias Pengkondision Udara) merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan ruangan yang kita inginkan, terutama mengkondisikan ruangan menjadi lebih rendah suhunya dibanding suhu lingkungan sekitarnya. 2)



Proses Isobarik (Tekanan tetap) Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, maka perubahan energi dalam (∆U) , kalor (Q) dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada yang bernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum pertama termodinamika tetap utuh seperti semula. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp.



ΔU = Q – W Gas yang berada dalam tekanan konstan akan melakukan usaha



W = p∆V Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku



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



QV =∆U Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai



W = Qp − QV



17



Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV). Pada garis P – V proses isobarik dapat digambarkan seperti pada berikut.



Gambar 2.3.1-2 grafik proses isobarik Usaha proses isobarik dapat ditentukan dari luas kurva di bawah grafik P – V.



Aplikasi hukum pertama termodinamika pada proses isobarik adalah: o Memasak air dalam wadah terbuka dan semua proses pemanasan pada umumnya. o Memanaskan udara pada wadah terbuka atau dapat terekspansi secara bebas. o Aplikasi umum di Industri ada pada penukar panas (heat exchanger). Penukar panas memanaskan fluida pada tekanan konstan. Contohnya boiler (ketel uap) di PLTU, air dipanaskan hingga menguap pada tekanan konstan. o Saat air mendidih pada tekanan konstan. o Pada kasus pemanasan air di dalam ketel mesin uap sampai ke titik didihnya dan diuapkan sampai air menjadi uap, kemudian uap tersebut dipanaskan dengan suhu yang sangat tinggi (superheated), dengan semua proses berlangsung pada suatu tekanan konstan. Sistem tersebut adalah H2O di dalam sebuah wadah yang berbentuk silinder. Sebuah pengisap kedap udara yang tak mempunyai gesekan dibebani dengan pasir untuk menghasilkan tekanan yang didinginkan pada H2O dan untuk mempertahankan tekanan tersebut secara otomatis. Kalor dapat dipindahkan dari lingkungan ke sistem 18



dengan menggunakan sebuah pembakar bunsen. Jika proses tersebut terus berlangsung cukup lama, maka air mendidih dan sebagian air tersebut diubah menjadi uap. Sistem tersebut bereskpansi secara kuasi statik tetapi tekanan yang dikerahkan sistem pada pengisap otomatis akan konstan. 3)



Proses Isohorik (Volume tetap) Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas (sistem) berada dalam volume konstan (∆V = 0), maka gas (sistem) tidak melakukan usaha pada lingkungan (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja pada sistem.



QV =∆U



∆V = 0



W=0



Jika diterapkan pada proses isokhorik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini : ΔU = Q – W ΔU = Q – 0 ΔU = Q



W = 0 (Sistem tidak melakukan kerja terhadap lingkungan) Persamaan proses isokhorik



Dari hasil ini, kita bisa menyimpulkan bahwa pada proses isokorik (volume konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan untuk menaikkan energi dalam sistem. Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isokorik digambarkan melalui grafik di bawah :



Gambar 2.3.1-3 Grafik Isokhorik



19



Pada grafik di atas, mula-mula tekanan sistem = P1 (tekanan kecil). Adanya tambahan kalor pada sistem menyebabkan energi dalam sistem bertambah. Karena energi dalam sistem bertambah maka suhu sistem (gas ideal) meningkat (U = 3/2 nRT). Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Karenanya, jika suhu sistem meningkat, maka tekanan sistem bertambah (P2). Karena volume sistem selalu konstan maka tidak ada kerja yang dilakukan (tidak ada luasan yang diarsir).



U=



3 𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛𝑛 2



Aplikasi hukum pertama termodinamika pada proses isokhorik adalah: • Terjadi pada sebuah kipas dan baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang diberikan oleh baterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai dan udara yang berada di dalam wadah dianggap sebagai sistem. Ketika kipas berputar, kipas melakukan kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energi kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada baterai tentu saja berkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi dalam udara. Contoh ini hanya ingin menunjukkan bahwa pada proses isokorik (volume selalu konstan), kerja masih bisa dilakukan terhadap sistem (kerja yang tidak melibatkan perubahan volume). 4)



Proses Adiabatik (Kalor tetap) Sebuah proses adiabatik didefinisikan sebagai proses tidak adanya perpindahan kalor (panas) yang masuk atau keluar dari sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U). Proses adiabatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir ke dalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adiabatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi. Untuk kasus ini, proses harus dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem. Kita dapat mencegah panas mengalir baik dengan membungkus sistem dengan bahan isolator termal, maupun dengan melakukan proses secara sangat cepat sehingga tidak cukup waktu untuk terjadinya aliran panas. Jika diterapkan pada proses adiabatik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini : ΔU = Q – W Q = 0 (Tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem) ΔU = 0 – W 1. Pengertian Umum Termodinamika ΔU = –W Persamaan proses adiabatik 20



Apabila sistem ditekan dengan cepat (kerja dilakukan terhadap sistem), maka kerja bernilai negatif. Karena W negatif, maka U bernilai positif (energi dalam sistem bertambah). Sebaliknya jika sistem berekspansi atau memuai dengan cepat (sistem melakukan kerja), maka W bernilai positif. Karena W positif, maka U bernilai negatif (energi dalam sistem berkurang). Energi dalam sistem (gas ideal) berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya jika energi dalam sistem bertambah maka sistem juga bertambah. Sebaliknya, jika energi dalam sistem berkurang maka suhu sistem berkurang. 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 berikut:



Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).



Gambar 2.3.1-4 Grafik proses adiabatik Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam. Aplikasi hukum pertama termodinamika pada proses isokhorik adalah: • Prinsip Kerja Mesin Diesel Motor diesel dikategorikan dalam motor bakar torak dan mesin pembakaran dalam (internal combustion engine, simplenya



21



•



biasanya disebut “motor bakar” ). Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia di dapatkan melalui proses reaksi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Pada motor diesel ruang bakarnya bisa terdiri dari satu atau lebih tergantung pada penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak. Prinsip Kerja-nya adalah pada saat tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolakbalik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi. Berdasarkan cara menganalisa sistem kerjanya, motor diesel dibedakan menjadi dua, yaitu motor diesel yang menggunakan sistem airless injection (solid injection) yang dianalisa dengan siklus dual dan motor diesel yang menggunakan sistem air injection yang dianalisa dengan siklus diesel (sedangkan motor bensin dianalisa dengan siklus otto). Perbedaan antara motor diesel dan motor bensin yang nyata adalah terletak pada proses pembakaran bahan bakar, pada motor bensin pembakaran bahan bakar terjadi karena adanya loncatan api listrik yang dihasilkan oleh dua elektroda busi (spark plug), sedangkan pada motor diesel pembakaran terjadi karena kenaikan temperatur campuran udara dan bahan bakar akibat kompresi torak hingga mencapai temperatur nyala. Karena prinsip penyalaan bahan bakarnya akibat tekanan maka motor diesel juga disebut compression ignition engine sedangkan motor bensin disebut spark ignition engine. Penggunaan pompa sepeda motor



5)



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.



22



Gambar 2.3.1-4 Grafik proses gabungan



2.3.2



Aplikasi Hukum Termodinamika I Dalam kehidupan sehari hari hukum ke-1 termodinamika ini banyak ditemukan atau digunakan. Aplikasi dari hukum termodinamika ke-1 dalam kehidupan sehari-hari adalah: •



Pada tubuh manusia Agar bisa bertahan hidup, setiap makhluk hidup, baik manusia, hewan atau tumbuhan tentu saja membutuhkan energi. Kita tidak bisa belajar, jalanjalan atau berolahraga kalau tubuh kita lemas tak berdaya karena kekurangan energi. Biasanya tubuh memperoleh energi dari makanan. Ketika menyantap makanan, kita membawa energi potensial kimia yang terkandung dalam makanan ke dalam tubuh. Adanya tambahan energi dari makanan menyebabkan energi potensial kimia dalam tubuh kita bertambah (∆U bertambah). Selanjutnya energi tersebut dipakai untuk melakukan Kerja (W). Banyak sekali bentuk kerja yang kita lakukan, olahraga, jalanjalan, belajar dan lain sebagainya. Energi yang kita peroleh dari makanan juga digunakan tubuh untuk menghasilkan sel-sel yang baru, menggantikan sel-sel lama yang rusak. Adanya sel-sel yang baru membuat dirimu bisa bertambah tinggi, dan gemuk. Selain dipakai untuk melakukan kerja, sebagian energi dibuang ke luar tubuh (udara dan sekitarnya) dalam bentuk kalor alias panas. Setiap proses metabolisme dalam tubuh biasanya menghasilkan kalor atau panas. Demikian juga ketika melakukan kerja, tubuh terasa panas. Panas alias kalor tersebut dibuang melalui keringat (melalui poses penguapan) dan lainlain. Setelah melakukan kerja dan membuang-buang kalor ke luar tubuh, kita akan merasa lapar lagi. Ketika merasa lapar, tubuh memberi tahu kita bahwa stok energi dalam berkurang. Dan kita akan menambah energi dengan makan.



23



•



Pada Termos Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.



•



Mesin kendaraan bermotor Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.



•



Motor bakar bensin Pada motor bensin, bensin dibakar untuk memperoleh energi termal. Energi ini selanjutnya digunakan untuk melakukan gerakan mekanik. Prinsip kerja motor bensin, secara sederhana dapat dijelaskan sebagai berikut : campuran udara dan bensin dari karburator diisap masuk ke dalam silinder, dimampatkan oleh gerak naik torak, dibakar untuk memperoleh tenaga panas, yang mana dengan terbakarnya gas-gas akan mempertinggi suhu dan tekanan. Bila torak bergerak turun naik di dalam silinder dan menerima tekanan tinggi akibat pembakaran, maka suatu tenaga kerja pada torak memungkinkan torak terdorong ke bawah. Bila batang torak dan poros engkol dilengkapi untuk merubah gerakan turun naik menjadi gerakan putar, torak akan menggerakkan batang torak dan yang mana ini akan memutarkan poros engkol. Dan juga diperlukan untuk membuang gas-gas sisa pembakaran dan penyediaan campuran udara bensin pada saat-saat yang tepat untuk menjaga agar torak dapat bergerak secara periodik dan melakukan kerja tetap. Kerja periodik di dalam silinder dimulai dari pemasukan campuran udara dan bensin ke dalam silinder, sampai pada kompresi, pembakaran dan pengeluaran gas-gas sisa pembakaran dari dalam silinder inilah yang disebut dengan “siklus mesin”. Pada motor bensin terdapat dua macam tipe yaitu: motor bakar 4 tak dan motor bakar 2 tak. Pada motor 4 tak, untuk melakukan satu siklus memerlukan 4 gerakan torak atau dua kali putaran poros engkol, sedangkan pada motor 2 tak, untuk melakukan satu siklus hanya memerlukan 2 gerakan torak atau satu putaran poros engkol.



•



Mesin Konversi Energi Mesin konversi energi adalah sebuah mesin yang bisa digunakan untuk merubah sebuah energi menjadi energi lainnya. Contoh dari mesin ini 24



adalah sebuah mesin kendaraan baik diesel atau otto. Kedua mesin ini bisa merubah sebuah energi panas menjadi sebuah energi gerak. Prinsip kerja dari kedua mesin ini adalah dengan menggunakan tekanan gas yang dihasilkan dari pembakaran serta udara akan menghasilkan sebuah gaya dorong yang bisa membuat batang torak bergerak. Dari gerakan torak ini akan menghasilkan rotasi pada poros engkol. Dalam sebuah langkah kompresi juga akan menghasilkan gerakan pada torak sehingga torak. Mesin konversi energi yang berupa mesin diesel dan juga otto pada dasarnya memiliki kesamaan, yakni pada kedua mesin ini memiliki poros engkol, blok silinder, asembli torak, poros hubungan. Untuk perbedaan dari kedua benda ini adalah pada bahan bakar dan desain komponen serta kompresisinya.



•



Gambar 2.3.2 Mesin konversi energi Pada Air Conditioner (AC) Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di kondenser. Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan. Pada kondensor tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada



25



pipi-pipa evaporator. Setelah refrigent lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkanke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikianrupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun. Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser. Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada di dalam substansi yang akan didinginkan. 2.4



Hukum Termodinamika II Setelah mempelajari Hukum I Termodinamika, kita mengetahui bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, melainkan energi dapat diubah dari bentuk yang satu ke bentuk yang lain. Namun ternyata tidak semua bentuk energi dapat diubah menjadi bentuk energi yang lain sesuai keinginan manusia. Berdasarkan proses perubahan energi, proses termodinamika dibedakan menjadi dua yaitu: 1. Proses reversibel Adalah proses perubahan energi yang dapat kembali ke bentuk awal atau dengan kata lain proses tersebut dapat dibalik. 2. Proses irreversibel Adalah proses termodinamika yang merupakan kebalikan dari proses reversibel, yaitu proses yang berlangsung secara spontan tetapi tidak dapat dibalik arahnya. Contoh dari proses irreversibel adalah aliran panas dari benda panas ke benda dingin dan ekspansi bebas pada gas. Berdasarkan kedua proses tersebut maka digunakan Hukum II Termodinamika untuk menentukan apakah suatu proses berjalan secara reversibel atau ireversibel yang berbunyi: “ Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”



Hukum termodinamika II sangat berkaitan dengan entropi atau keseimbangan termodinamis, yang menyatakan bahwa pada umumnya energi hanya bisa berpindah dari tempat yang mengandung banyak energi ke tempat yang



26



kurang mengandung energi. Hukum kedua ini bisa digambarkan dengan terjadinya angin. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor. Dengan Hukum II Termodinamika kita dapat mengetahui apakah dalam suatu proses berjalan secara spontan atau tidak spontan. Beberapa manfaat dari proses spontan antara lain energi panas dapat menggerakkan mesin panas, ekspansi gas dapat menggerakkan piston (motor bakar), air terjun untuk menggerakkan turbin listrik. Hukum II Termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor yang dinyatakan oleh Kevin Planck berbunyi: “Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam satu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.” Kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas contohnya pada pengaduk air. Tetapi hal tersebut tidak berlaku sebaliknya atau panas tidak dapat dikonversi langsung menjadi kerja. Maka dibutuhkan mesin kalor untuk mengkonversi panas menjadi kerja. Hukum II Termodinamika dapat dinyatakan pula dalam konsep entropi, sebuah ukuran kuantitatif derajat ketidakteraturan atau keacakan sebuah sistem. "Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar".



“Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi”.



2.4.1 Mesin Kalor Mesin kalor atau yang biasa disebut dengan mesin carnot adalah suatu alat yang menggunakan panas/kalor (Q) untuk dapat melakukan kerja (W). Selain itu, mesin kalor juga berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Pada setiap pengubahan energi panas ke energi mekanik, selalu disertai pengeluaran gas buang yang membawa sejumlah energi panas hasil pembakaran bahan bakar. Hasil pembakaran tersebut yang akan diubah ke energi mekanik. Alat ini tidak ideal, pasti ada kalor yang terbuang walaupun hanya sedikit. Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut: • Kalor yang dikirimkan berasal dari tempat yang panas (reservoir panas) dengan temperatur tinggi lalu dikirimkan ke mesin.



27



•



• • •



Kalor yang dikirimkan ke dalam mesin sebagian besar melakukan kerja oleh zat yang bekerja dari mesin, yaitu material yang ada di dalam mesin melakukan kerja. Kalor sisa dari input dibuang ke temperatur yang lebih rendah yang disebut reservoir dingin. Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam dalam bentuk poros yang berputar). Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.



Gambar 2.4.1 Skema mesin kalor .Menurut Hukum II Termodinamika, tidak ada mesin kalor yang dapat memiliki efisiensi sebesar 100%. Untuk mengembangkan mesin kalor yang memiliki efisiensi maksimum yang masih sesuai dengan Hukum II Termodinamika, maka seorang insinyur Prancis bernama Sadi Carnot (1796-1832) menciptakan siklus pada mesin kalor yang saat ini disebut dengan siklus Carnot. Mesin kalor bekerja menurut siklus carnot, siklus carnot bekerja dalam 4 tahap proses, yaitu: 1. Tahap pertama yaitu isotermal reversibel secara ekspansi atau penurunan tekanan, dengan melakukan kerja (W) dari keadaan A sampai B



Q= W V QH = WAB = nRTH ln 𝑏𝑏 Va



28



2. Tahap kedua yaitu adiabatik reversibel secara ekspansi, dengan melakukan kerja (W) dari keadaan B sampai C



3. Tahap ketiga yaitu isotermal reversibel secara kompresi atau penaikan tekanan, dengan melakukan kerja (W) dari keadaan C sampai D. 4. Tahap keempat yaitu adiabatik reversibel secara kompresi, dengan melakukan kerja (W) dari keadaan D kembali ke A. Ketika sistem tersebut melakukan siklus, tak ada perubahan energi dalam sistem. Itu sesuai dengan Hukum I Termodinamika



Dalam mesin carnot, ada yang dinamakan efisiensi mesin. Efisiensi dari suatu mesin didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang dilakukan (W) dengan kalor yang masuk (QH).



Atau bisa juga dalam bentuk



29



2.4.2



Entropi Entropi merupakan sifat keadaan suatu sistem yang menyatakan tingkat ketidakteraturan, berkaitan dengan jumlah keadaan mikro yang tersedia bagi molekul sistem tersebut. entropi juga dapat didefinisikan sebagai kecenderungan sistem untuk berproses ke arah tertentu. Entropi dapat dihasilkan, tetapi tidak dapat dimusnahkan. Entalpi tidak dapat memprediksi apakah reaksi spontan atau tidak. Tetapi Hukum II Termodinamika menyatakan bahwa total entropi sistem dan lingkungannya selalu bertambah untuk proses spontan. Entropi meningkat seiring dengan kebebasan dari molekul untuk bergerak.entropi dilambangkan dengan huruf (S).



Gambar 2.4.2 Besar Entropi pada padat, cair, dan gas 2.4.3



Entropi dan Hukum Termodinamika II Entropi semesta (sistem + lingkungan) selalu naik pada proses spontan dan tidak berubah pada proses kesetimbangan. Untuk proses spontan,perubahan entropi (dS) dari suatu sistem adalah lebih besar dibanding panas dibagi temperatur mutlak.



Sementara untuk proses reversibel, yaitu:



30



•



Proses pada tekanan tetap Panas yang mengalir ke benda



Sehingga pada tekanan tetap, perubahan entropi akan naik. •



Reservoir, pada suhu tetap T2



Perubahan entropi pada saat suhu tetap T2 menjadi semakin kecil, tetapi perubahan entropinya tetap positif. Hubungan antara hukum I Termodinamika dengan Hukum II Termodinamika yaitu:



31



•



Hubungan energi dalam (U) dengan entropi (S) dan volume (V)



•



Sementara itu, entalpi juga dapat dihubungkan dengan entropi, yaitu:



32



•



Entropi pada gas ideal



•



Pada proses adiabatik reversibel



•



Perubahan entropi dengan gas ideal pada proses isotermal



•



Standard molar entropi Standar molar entropi adalah entropi dari 1 mol zat murni pada tekanan 1 atm dan pada suhu 25°C. reaksi entropi standar, yaitu:



33



•



Entropi dalam reaksi kimia



2.4.4



Aplikasi Hukum Termodinamika II Dalam kehidupan sehari hari hukum ke-2 termodinamika ini banyak ditemukan atau digunakan. Aplikasi dari hukum termodinamika ke-2 dalam kehidupan sehari-hari adalah: •



•



•



•



•



Beruang kutub yang tertidur di atas salju 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. Air Conditioner Sama seperti sistem pendingin yang lain seperti AC dimana terdiri dari beberapa komponen utama yaitu evaporator, kondensor, kompresor serta alat ekspansi. Pada evaporator dan kondensor terjadi pertukaran kalor. Pada air-cooled chiller terdapat air sebagai refrigeran sekunder untuk mengambil kalor dari bahan yang sedang didinginkan ke evaporator. Air ini akan mengalami perubahan suhu bila menyerap kalor dan membebaskannya di evaporator. Pada benda anak panah Anak panah tidak mungkin tiba-tiba saja bergerak dengan sendirinya karena ia punya energi kinetik. Anak panah bisa bergerak karena tarikan busur dilepas. Ketika tarikan busur dilepas, energi potensial elastis busur berubah menjadi energi kinetik anak panah. Energi potensial elastis busur berasal dari energi potensial kimia orang yang memanah. Pada benda Batu Batu tidak bisa bergerak dengan sendirinya karena tiba-tiba saja ia punya energi kinetik. Batu bisa bergerak kalau dirimu lempar. Ketika melempar batu, energi potensial kimia dalam tubuhmu berubah menjadi energi kinetik batu. Mesin kalor Mesin kalor adalah sebutan untuk alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. 34



Gambar 2.4.4-1 Mesin Kalor dan bagan proses penyerapan mesin kalor •



Mesin pendingin (refrigerator) merupakan peralatan yang prinsip kerjanya berkebalikan dengan mesin kalor. Pada mesin pendingin terjadi aliran kalor yang disebabkan oleh gaya eksternal yang dikerjakan oleh suatu mesin kalor dari reservoir bersuhu rendah ke reservoir bersuhu tinggi dengan melakukan usaha pada sistem. Contohnya, pada lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (AC). Pada kulkas harus mempunyai pembuang panas dibelakangnya,yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar.Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar.



Gambar 2.4.4-1 Bagan proses penyerapan mesin pendingin (refrigerator)



35



2.5



Hukum Termodinamika III 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 ketiga termodinamika menyatakan bahwa suatu kristal sempurna pada nol mutlak mempunyai keteraturan sempurna, jadi entropinya adalah nol. Pada temperatur lain selain nol mutlak, terdapat kekacau-balauan yang disebabkan oleh eksitasi termal. Kristal adalah zat padat yang terdiri dari atom-atom diam dalam suatu barisan statik barbaniar, suatu keadaan dimanik yang paling teratur. Jadi, begitu sulit mendapatkan zat dalam keadaan dinamik teratur atau kristal sempurna seperti yang dibayangkan hukum ketiga termodinamika karena pada tingkat atomik setiap zat dalam kedudukannya selalu bergerak acak yang menyebabkan molekul-molekul menjadi kacau atau tidak teratur.oleh karena itu ,logika hukum ketiga ini menurut Whitehead keliru dalam hal mengkonkretkan suatu hal yang abstrak. Bunyi Hukum Termodinamika 3 : "Suatu sistem yang mencapai temperatur nol absolut, semua prosesnya akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum."



"Entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol."



Pernyataan Hukum Ketiga Termodinamika • Suatu kristal sempurna pada temperatur nol mutlak mempunyai keteraturan sempurna, entropinya adalah nol. • Entropi suatu zat yang dibandingkan dengan entropinya dalam suatu bentuk kristal sempurna pada nol mutlak, disebut Entropi Mutlak • Makin tinggi temperatur zat, makin besar entropi mutlaknya



36



Gambar 2.5 Hukum Termodinamika III Berdasarkan persamaan perubahan entropi suatu zat dapat mencapai nilai absolutnya pada suhu tertentu, sehingga pengukuran perubahan entropi dari satu suhu tersebut ke suhu lainnya. Hukum ketiga termodinamika memberikan dasar untuk menetapkan entropi absolut suatu zat, yaitu entropi setiap kristal sempurna adalah nol pada suhu nol absolut atau nol derajat Kelvin (K). Pada keadaan ini setiap atom pada posisi yang pasti dan memiliki energi dalam terendah. Entropi dan energi bebas Gibbs juga merupakan fungsi keadaan sehingga kedua besaran ini memiliki nilai pada keadaan standart, seperti halnya dengan entalphi. Hasil pengukuran standart untuk entropi dan Energi bebas Gibbs juga dilakukan pada keadaan 25oC dan dengan tekanan 1 atm. Energi bebas Gibbs pembentukan standart memiliki arti perubahan energi bebas yang menyertai reaksi pembentukan satu mol senyawa dari unsur-unsur penyusunnya. Demikian pula untuk entropi standar yang dapat dipergunakan untuk menentukan entropi reaksi sebagai harga pembandingnya. Entropi dan Energi bebas Gibbs standar pembentukan, disajikan pada Tabel 2.5.



37



Tabel 2.5 Entropi dan Energi bebas Gibbs standar pembentukan 2.5.1



Entropi zat murni pada titik not absolut Perhatikan persamaan Plank-Boltzmann S = K ln W



Entropi dapat dihubungkan dengan ‘kekacauan’ atau ketidakteraturan sistem. Keadaan sistem yang kacau ialah keadaan di mana partikel-partikel (molekul, atom atau ion) tersusun secara tidak teratur. Makin kacau susunan keadaan sistem, makin besar kebolehjadian keadaan sistem dan makin besar entropi. Oleh karena itu zat padat kristal pada umumnya mempunyai entropi yang relatif rendah dibandingkan dengan cairan atau gas. Gas mempunyai entropi yang paling tinggi karena keadaan sistem paling tidak teratur. Diuraikan di atas bahwa makin kacau atau tidak teratur susunan molekul, makin tinggi harga W dan entropi. Sebaliknya makin teratur susunan molekul sistem, makin rendah harga W dan entropi. Kalau suatu zat murni didinginkan hingga dekat 0 K, semua gerakan translasi dan rotasi terhenti dan molekul-molekul mengambil kedudukan tertentu dalam kisi 38



kristal. Molekul hanya memiliki energi vibrasi yang sama besar sehingga berada dalam keadaan kuantum tunggal. Ditinjau dan kedudukan dan distribusi energi, penyusunan molekul-molekul dalam suatu kristal yang sempurna pad 0 K hanya dapat dilaksanakan dengan satu cara. Dalam hal ini W = 1 dan ln W = 0, sehingga menurut persamaan boltzmann S = 0. Jadi, entropi suatu kristal murni yang sempurna ialah nol pada 0 K. Pernyataan ini terkenal sebagai Hukum Ketiga Temomedinamika. Ungkapan matematiknya adalah 0 ST = 0 == 0



2.5.2



Perhitungan Entropi Mutlak Entropi zat murni, pada temperatur T, dapat dihitung dengan dua cara, yaitu dengan menggunakan hukum ketiga termodinamika dan data termokimia dan dengan metoda mekanika statistik dari data spektroskopi. Di sini hanya dibicarakan cara yang pertama. Dari persamaan [∂S/∂T]p = Cp dT /T (p tetap) jika diintegrasi persamaan ini menghasilkan 0 T. ST = ∫ Cp d lnT 0 Secara eksperimen, kapasitas kalor Cp hanya dapat ditentukan hingga 15 K. Untuk memudahkan ektrapolasi hingga 0 °C biasanya dipergunakan ‘hukum pangkat tiga’ Debye Cp = α T3 Substitusi dari persamaan ini ke dalam persamaan ST = ∫ Cp d lnT menghasilkan dS0 = α T2 dT ( p tetap) Yang dapat diintegrasi dari temperatur 0 hingga T menjadi dS° = 1/3 α T3 persamaan di atas mengungkapkan bahwa, pada temperatur rendah, entropi standar sama dengan sepertiga harga Cp. 2.5.3



Fungsi energi bebas gibbs Besaran U + PV – TS merupakan fungsi keadaan,disebut energi bebas gibbs 39



G =U + PV – TS = H – TS = A + PV Pada suhu tetap ∆G =∆H – T ∆S Persamaan penting ini memberikan hubungan antara ∆H,∆S,dan ∆G pada suhu yang sama. 2.5.4 •



Aplikasi Hukum Termodinamika III Pada Logam Kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu yang sangat rendah, karena tidak banyak acakan gerakan kinetik dalam skala mokuler yang mengganggu aliran elektron.



2.6



Aplikasi Termodinamika dalam Kehidupan Sehari-hari



1)



Lemari es (Kulkas) Lemari es adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas. Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya. Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi Th (ruangan). Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es dimana Qh dikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi , melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor (QL) dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali. Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak 40



mungkina ada. Ini merupakan pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak akan ada lemari Es yang sempurna. Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demikian siklus kembali terulang. 2) Mesin Diesel Motor diesel dikategorikan dalam motor bakar torak dan mesin pembakaran dalam (internal combustion engine simplenya biasanya disebut “motor bakar” saja). Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia di dapatkan melalui proses reakasi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Pada motor diesel ruang bakarnya bisa terdiri dari satu atau lebih tergantung pada penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak. Prinsip Kerja Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi. Berdasarkan cara menganalisa sistem kerjanya, motor diesel dibedakan menjadi dua, yaitu motor diesel yang menggunakan sistem airless injection (solid injection) yang dianalisa dengan siklus dual dan motor diesel yang menggunakan sistem air injection yang dianalisa dengan siklus diesel (sedangkan motor bensin dianalisa dengan siklus otto). 3)



Mesin Kalor Mesin kalor atau yang biasa disebut dengan mesin carnot adalah suatu alat yang menggunakan panas/kalor (Q) untuk dapat melakukan kerja (W). Selain itu, mesin kalor juga berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Pada setiap pengubahan energi panas ke energi mekanik, selalu disertai pengeluaran gas buang yang membawa sejumlah energi panas hasil pembakaran bahan bakar. Hasil pembakaran tersebut yang akan diubah ke energi mekanik. 41



4)



Balon Udara balon udara yang dipanaskan memiliki massa udara di dalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon sehingga balon udara mengembang dan dapat terbang. 5)



Termos Termos Vacuum Flash adalah alat bantu komponen yang mempunyai fungsi untuk menyimpan air, di sini menyimpan air tidak hanya menyimpan air biasa tetapi juga menjaga suhu air agar tetap. Contohnya bila diisi air panas maka suhu air dalam termos akan tetap tinggi karena panas tidak bisa merambat pada dinding termos. Menurut Teori Pertukaran dari Henry Prevost Babbage (1824 – 1918) bahwa benda yang lebih dingin selalu menyerap gelombang panas dari benda yang lain sampai keduanya mempunyai temperatur yang sama. Didasarkan pada teori ini maka teh yang panas ataupun dingin dalam termos akan kehilangan panas atau menyerap panas dari tempatnya. Namun, termos sudah didesain agar bisa menghambat ketiga cara panas berpindah: konduksi, konveksi, dan radiasi. Prinsip Kerja Termos Prinsip kerja termos itu sederhana. Termos menggunakan bahan yang bersifat adiabatik. Bahan adiabatik secara ideal menghambat atau tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan. Kalau tidak ada interaksi antara sistem dan lingkungan, maka tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos dengan lingkungannya. Akibatnya tidak terjadi pertukaran temperatur. Dengan menggunakan bahan adiabatik ini termos mampu mempertahankan suhu air yang berada di dalamnya. Air panas yang udah masuk termos tidak cepat dingin.



Gambar 2.6 bagian-bagian Termos 42



6)



Pada Air Conditioner (AC) Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di kondenser. Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan. Pada kondensor tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator. Setelah refrigent lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkanke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikianrupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun. Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser. Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada di dalam substansi yang akan didinginkan.



43



BAB III PENUTUP



3.1



Kesimpulan



Termodinamika (yang merupakan bahasa Yunani dari thermos = ‘panas’ dan dynamic = ‘perubahan’) adalah salah satu cabang dari ilmu fisika yang membahas tentang hubungan antara usaha (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) dengan kalor dan energi. Secara umum, termodinamika menggambarkan tentang suatu usaha untuk mengubah kalor menjadi energi dan sifat-sifat pendukungnya sehingga menyebabkan terjadinya perubahan pada suatu zat. Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Klasifikasi sistem termodinamika dibagi 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: d) Sistem terisolasi Tidak terjadi pertukaran zat maupun energi (kerja dan kalor) dalam bentuk apapun antara sistem dengan lingkungan. e) Sistem tertutup Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran massa (materi atau zat) antara sistem dengan lingkungan. f) Sistem terbuka Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan massa (materi atau zat) antara sistem dengan lingkungannya. 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 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.



44



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 Pengaplikasian prinsip termodinamika yang terjadi secara alami dapat kita temui dalam sistem tubuh manusia, hewan dan tumbuhan maupun sistem pada bumi dan tata surya kita. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses thermodinamika dapat direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Contoh dari perekayasaan prinsip alamiah termodinamika yang sangat kita kenal yaitu pada mesin konversi energi.



45