Hukum Termodinamika

Penjelasan lengkap apa itu hukum termodinamika 1 2 mulai dari pengertian, rumus, proses, materi, siklus, rangkuman, dan contoh terbarunya.

Apa itu hukum Termodinamika? Punya AC di rumah? Atau kulkas yang biasa disebut lemari es? Kalau tidak, pasti sudah memiliki kendaraan bermotor? Ya, semua benda tersebut telah melakukan perpindahan kalor kemudian menjadi sebuah usaha. Proses itulah termasuk salah satu hukum dalam bidang ilmu fisika, yaitu Hukum Termodinamika.

Salah satu hukum fisika tersebut harus kalian pelajari, baik pengertian, bunyi hukum, rumus, bahkan sampai contoh soal dan penerapan dalam kehidupan sehari – hari. Materi hukum termodinamika sangat banyak, jadi kita bahas satu per satu agar mudah memahami.

Pengertian Hukum Termodinamika

Termodinamika adalah pernyataan tentang hubungan antara usaha dengan perubahan kalor menjadi sebuah energi. Hubungan tersebut sangat erat kaitannya dengan usaha, energi, suhu, mekanika statik, dan juga sebuah proses.

Hukum-Hukum Termodinamika

Hukum termodinamika memiliki hukum awal atau hukum ke-0 yang menjelaskan tentang kesetimbangan, dimana 2 sistem baru berada di antara kedua sistem yang sedang setimbang.

Sedangkan hukum yang lain, yaitu hukum termodinamika 1, dan hukum termodinamika 2 terangkum dalam paragarf berikutnya.

Hukum Termodinamika 1

Hukum tentang sebuah kekekalan energi merupakan hukum dari termodinamika 1, bunyi hukum tersebut adalah :

"Energi tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan, hanya dapat melakukan perubahan bentuk".

Pernyataan bunyi hukum termodinamika 1 menjelaskan bahwa suatu energi tidak akan memiliki pertambahan maupun pengurangan dalam sebuah sistem.

Rumus Hukum Termodinamika 1

Energi dalam sistem tersebut berasal dari kalor dan usaha yang bekerja dalam sistem. Apabila dijadikan dalam sebuah persamaan matematis akan menjadi :

Q=\triangle U+W

Penjelasannya, yaitu :

Q = Kalor atau Panas (diterima maupun dilepaskan) : satuan Joule (J).

△U = Perubahan Energi (Energi akhir dikurangi energi mula – mula) : satuan Joule (J).

W = Usaha : satuan Joule (J).

Persamaan tersebut menyatakan bahwa kalor yang diterima maupun dilepaskan dari suatu benda, maka akan menjadi usaha ditambah perubahan energi.

Sifat kalor yang diterima atau kalor yang dilepaskan akan menentukan suatu besaran nilai tersebut positif (+) ataukah negatif (-).

Baca juga: Hukum Gauss

Sifat Kalor

• Q = positif (+), jika menerima kalor. Q = positif (-), jika melepakan kalor.
• W = positif (+), jika melakukan sebuah usaha. W = negatif (-), jika diberikan usaha.
• △U = positif (+), jika ada penambahan energi. △U = negatif (-), jika mengalami penurunan energi.

Hukum Termodinamika II

Perpindahan kalor terjadi dari suhu tinggi menuju ke suhu rendah. Bunyi hukumnya adalah :

"Kalor mengalir dari suhu tinggi (panas) ke suhu rendah (dingin). Apabila kalor mengalir dengan arah yang sebaliknya, maka harus ada usaha karena tidak mengalir secara spontan".

Hukum – hukum tersebut, jika diterapkan dalam proses termodinamika adalah sebagai berikut.

Proses Termodinamika

Berdasarkan pengertian tersebut, termodinamika memiliki 4 tahapan yang terbagi dalam proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan proses adiabatik. Proses percobaan sebagai berikut :

1. Proses Isobarik

Proses termodinamika pertama menjelaskan tentang sistem memiliki nilai tekanan kontant.

Penjelasan :

• Suatu sistem memiliki tekanan yang konstan. Tekanan simbol (P) pada garis vertikal.
• Besar usaha (W) tergantung dari besar volume benda. Volume disimbolkan dengan (V) pada garis horizontal.

Apabila volume benda melakukan pemuaian, maka usaha bernilai positif, sedangkan volume benda yang mengalami penyusutan akan memberikan nilai negatif pada suatu usaha.

2. Proses Isokhorik

Coba perhatikan gambar berikut ini!

Proses kedua dari hukum termodinamika yaitu menerangkan bahwa sistem memiliki nilai volume kontant (W = P x ΔV ). Berdasarakan Gambar 2 proses isokhorik, yaitu : Suatu sistem dengan volume (V) konstan, akan menghasilkan nilai usaha (W) sama dengan nol (0). Nilai tersebut berdasarkan dari perkalian antara tekanan (P) dengan perubahan volume (Volume awal dengan volume akhir).

3. Proses Isotermal

Sedangkan proses termodinamika ketiga menjelaskan tentang suatu sistem yang tidak mengalami suatu perubahan pada suhu (suhu konstan).

Penjelasan berdasarkan gambar 3 proses isotermal adalah :

• Suhu konstan menyebabkan volume sistem menurun secara eksponensial (Tekanan awal ke tekanan akhir).
• Menghasilkan rumus persamaan matematis : W = n x R x T x ln (V_b / V_a)

4. Proses Adiabatik

Proses akhir dari suatu hukum termodinamika yaitu proses adiabatik, proses tersebut diilustrasikan dalam gambar berikut ini.

Sistem pada proses keempat tidak mengalami perubahan kalor, maka nilai kalor konstan. Grafik pada gambar 4 menunjukkan tingkat kecuraman yang lebih rendah dari pada proses isotermal.

Semua proses, mulai dari proses isobarik sampai dengan adiabatik membentuk suatu sistem yang disebut dengan Siklus Siklik. Ilustrasi dari siklus tersebut sebagai berikut :

Sedangkan siklus termodinamika yang sebenarnya akan dibahas secara detail pada paragraf berikut ini.

Siklus Termodinamika

Siklus termodinamika berperan sebagai sistem pembangkit tenaga yang menggunakan campuran dari bahan bakar udara. Siklus – siklus tersebut adalah :

1. Siklus Reversibel

Disebut juga dengan siklus bolak – balik, karena mengalami perubahan ke keadaan awal tanpa melakukan perubahan dalam keadaan disekitarnya. Siklus reversibel tidak mengalami kerugian suatu suhu yang disebabkan oleh gesekan, maupun radiasi.

2. Siklus Irreversibel

Siklus tidak terbalik, jadai apabila melakukan perubahan ke keadaan yang semula, maka akan mengubah pada keadaan disekitarnya juga. Tentu saja karena merupakan kebalikan dari siklus reversibel, jadi siklus ini mengalami kerugian panas.

3. Siklus Carnot

Siklu carnot merupakan mesin carnot atau mesin kalor hipotesis yang melakukan kerja terhadap siklus reversibel. Mesin carnot melakukan kerja dengan 2 sistem operasi, yaitu operasi ternal dan operasi adiabatik.

Proses termodinamika dalam siklus carnot dijelaskan dalam persamaan berikut ini :

\eta=(\frac {W}{q_1})\ x\ 100 \frac {\circ}{\circ}\\
\ \\
\eta=(1-\frac{T_r}{T_t})\ x\ 100 \frac {\circ}{\circ}\\
\ \\
atau\\
\ \\
\eta=(1-\frac{Q_2}{Q_1})\ x\ 100 \frac {\circ}{\circ}\\

Keterangan :

η = Efisiensi mesin carnot (%)

T_r = Suhu Reservoir rendah (satuan : Kelvin / K)

T_t = Suhu Reservoir tinggi (satuan : Kelvin / K)

W = Usaha (satuan : Joule / J)

Q₁ = Kalor masuk atau diserap (satuan : J)

Q₁ = Kalor keluar atau dibuang (satuan : J)

Ilustrasi siklus carnot adalah sebagai berikut :

Berdasarkan Gambar 6 siklus carnot menyatakan bahwa :

• Material yang bekerja dalam mesin menyerap kalor Q₁ dari suhu T₁ dan melakukan pekerjaan disebut dengan Ekspansi Isoternal Reversibel.
• Pengurangan suhu dari T₁ menjadi T₂, dan sistem melakukan pekerjaan disebut Ekspansi Adiabatik Reversibel.
• Sistem pada mesin diberikan usaha atau kerja, sehingga melepaskan Q₂ dan T₂ disebut Kompresi Isotermal Reversibel.
• Sistem diberikan suatu usaha atau kerja, dan kembali pada keadaan yang semula (T₂ menjadi T₁) disebut dengan Kompresi Adiabatik Reversibel.

Alat-Alat termodinamika seperti AC maupun termos juga terdapa mesin carnot yang telah diterapkan dalam kehidupan sehari – hari.

Setelah mendapatkan materi hukum termodinamika, maka selanjutnya belajar menjawab latihan soal berikut ini.

Contoh Soal Hukum Termodinamika

SOAL

Terdapat suatu gas yang memiliki volume mula – mula 10 m³ diproses dengan cara isobaris sehingga mengalami perubahan volume, volume akhir menjadi 25 m³. Maka tentukan usaha luar gas yang memiliki tekanan sebesar 2 atm!

PEMBAHASAN

Diketahui :

V₁ = 10 m³

V₂ = 25 m³

P = 2 atm, satuan tekanan adalah Pa, jika dikonversi menjadi P = 2,02 x 10⁵ Pa.

Ditanya : W ….?

Jawab :

• Proses isobaris menghasilkan tekanan tetap, maka menggunakan rumus persamaan W = P x ΔV.
• W = P x (V₂ – V₁)
• W = 2,02 x 10⁵ x (25 – 10)
• W = 2,02 x 10⁵ x 15
• W = 30,3 x 10⁵ Joule

Maka usaha luar gas sebesar 3,03 x 10⁶ J.

Rangkuman termodinamika dalam pembahasan kali ini dikemas berdasarkan pengertian hukum termodinamika, berbagai jenis hukum-hukumnya, proses termodinamika itu sendiri, serta siklus yang terjadi pada sebuah hukum termodinamika. Jadi, silahkan dipelajari mater tersebut serta pahami contoh soal dan pembahasannya.