Termodinamika Beserta Contoh Soal

Pengertian Termodinamika

Termodinamika (berasal dari kata thermos (panas) dan dynamic (gerak atau perubahan)) adalah salah satu cabang dari ilmu fisika yang mempelajari panas dan temperatur, serta hubungan keduanya pada energi dan gerak. Inti dari pembahasan termodinamika adalah bagaimana energi dalam bentuk panas dapat mengalir dari satu benda ke benda lain, proses dari aliran energi tersebut, dan akibat yang dihasikan oleh perpindahan energi tersebut.

Seluruh fenomena fisika tersebut dapat dijelaskan dengan hukum-hukum dan persamaan-persamaan. Patut diingat bahwa pada bab ini variabel-variabel terpenting yang mempengaruhi termodinamika adalah suhu, kalor, energi, tekanan, dan volume.

Hukum Termodinamika

Pada termodinamika, terdapat 4 hukum yang berlaku secara universal.

Hukum Termodinamika 0

Hukum termodinamika 0 menjelaskan kesetimbangan termal berlaku universal, dengan kata lain apapun zat atau materi benda akan memiliki kesetimbangan termal yang sama bila disatukan.

“Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain”

Hukum Termodinamika 1

Hukum termodinamika 1 menunjukkan hukum kekekalan energi.

“Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja”

Terdapat persamaan matematik yang menjelaskan hukum ini, yaitu:

$Q = W + \Delta U$

Dimana $Q$ adalah kalor/panas yang diterima/dilepas (J), $W$ adalah energi/usaha (J), dan $\Delta U$ adalah perubahan energi (J). J adalah satuan internasional untuk energi atau usaha, yaitu Joule. Dari persamaan tersebut dapat diketahui bahwa seluruh kalor yang diterima atau dilepas oleh benda akan dijadikan usaha ditambahkan dengan perubahan energi.

Hukum 2 Termodinamika

Hukum 2 termodinamika menunjukkan kondisi alami dari alur kalor suatu objek dengan sistem.

“Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan usaha”

Hukum Termodinamika 3

“Entropi dari suatu kristal sempurna pada absolut nol adalah sama dengan nol,”

Proses-proses Termodinamika

Proses termodinamika terbagi menjadi empat macam, tergantung dari keadaan tekanan, volume, dan suhu saat terjadinya proses tersebut. Proses-proses tersebut umumnya digambarkan dalam diagram P-V, yaitu diagram yang menggambarkan tekanan (P) dan volume (V) saat proses terjadi. Ada dua hal penting yang harus diingat dari berbagai jenis proses-proses termodinamika, yaitu variabel yang berubah dan usaha yang dilakukan. Usaha yang terjadi pada suatu proses termodinamika dapat diketahui dengan menghitung luasan grafik P-V.

Isobarik

Isobarik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai tekanan sistem ( $\Delta P = 0$ ). Nilai usaha dapat dihitung dengan persamaan berikut.

$W = P \cdot \Delta V$

Dari rumus tersebut, diketahui juga bahwa apabila volume membesar (terjadi pemuaian) maka usaha bernilai positif, dan bila volume mengecil (terjadi penyusutan) maka usaha bernilai negatif.

Sumber gambar: figures.boundless-cdn.com

Isokhorik

Isokhorik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai volume sistem ( $\Delta V = 0$ ). Pada proses ini, nilai usaha adalah 0 karena tidak terdapat suatu luasan bangun yang terdapat pada gambar P-V.

Sumber gambar: cft.fis.uc.pt

Isotermik

Isotermik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai suhu sistem ( $\Delta T = 0$ ).

Sumber gambar: bu.edu

Nilai usaha pada proses isotermik dinyatakan dengan persamaan berikut:

$W = n \cdot R \cdot T \cdot ln (\frac{V_f}{V_i})$

Dimana n adalah jumlah zat yang dinyatakan dengan satuan mol, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhu. Rumus ini didapatkan dengan menggabungkan persamaan usaha di diagram P-V dengan persamaan gas ideal.

Adibatik

Adiabatik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai kalor sistem ( $Q = 0$ ).

Sumber gambar: gsu.edu

Pada gas monoatomic, usaha yang dilakukan pada proses adiabatik dapat dinyatakan dengan persamaan:

$W = - \frac{3}{2} \cdot n \cdot R \cdot \Delta T$

Jika diperhatikan dengan sekilas, proses adiabatik dan isotermik memiliki diagram P-V yang serupa. Secara detil, dapat dilihat bahwa proses adiabatik memiliki kemiringan yang lebih curam dibandingkan proses isotermik seperti contoh grafik berikut.

i.stack.imgur.com

Jika semua proses tersebut digambarkan menjadi suatu diagram P-V, dapat didapatkan grafik berikut. Patut diingat bahwa satuan-satuan yang digunakan dalam perhitungan adalah Satuan Internasional. Sebagai contoh, satuan untuk suhu yang digunakan adalah Kelvin, satuan untuk volume adalah m3, dan satuan untuk jumlah zat adalah mol

kias.dyndns.org

Mesin Carnot dan mesin kalor

Mesin Carnot adalah suatu model mesin ideal yang memiliki efisiensi paling tinggi dari semua mesin yang mungkin diciptakan. Mesin Carnot bekerja berdasarkan suatu proses termodinamika yang membentuk siklus, disebut juga siklus Carnot.

Pada siklus Carnot, terdapat 4 proses, yaitu pemuaian Isotermal dari A ke B, pemuaian adiabatic dari B ke C, pemampatan isothermal dari C ke D, dan pemampatan adiabatic dari D ke A. Selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Qh dari reservoir bersuhu tinggi Th dan melepas kalor Qc ke reservoir bersuhu rendah Tc

Siklus carnot pada mesin carnot

Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot dapat dinyatakan dengan mengaplikasikan Hukum Termodinamika 1.

$Q = \Delta U + W$

$Q_h - Q_c = 0 + W$

$W = Q_h - Q_c$

Sedangkan, untuk mengukur efisiensi mesin dapat digunakan persamaan-persamaan berikut.

$\mu = \frac{W}{Q_h} \cdot 100% = \frac{Q_h - Q_c}{Q_h} \cdot 100%$

$Q_h = (1 - \frac{Q_c}{Q_h} \cdot 100%$

Dikarenakan pada siklus Carnot berlaku hubungan $\frac{Q_c}{Q_h} = \frac{T_c}{T_h}$ , efisiensi mesin Carnot juga dapat dinyatakan dengan:

$\mu = (1 - \frac{T_c}{T_h}) \cdot 100%$

Jika dilihat pada rumus efisiensi tersebut, nilai efisiensi 100% dapat diperoleh jika $T_c = 0 K$ . Hal ini tidak mungkin terjadi di dunia nyata, sehingga dapat disimpulkan bahwa tidak ada sistem di dunia nyata yang mampu mencapai efisiensi 100%.

Contoh Soal Hukum Termodinamika dan Mesin Carnot

Soal 1

Suatu gas memiliki volume awal 10 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 25 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 105 Pa).

Jawab:

Diketahui:

V2 = 25 m3

V1 = 10 m3

P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa

Ditanyakan: W?

Isobaris → Tekanan Tetap, gunakan rumus W = P (ΔV)

W = P(V2 − V1)

W = 2,02 x 105 x (25 − 10) = 3,03 x 106 joule

Soal 2

Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah…. (UN Fisika 2009 P04 No. 18)

Jawab:

Diketahui:

T2 = 400 K

T1 = 600 K

Ditanyakan: Wdihasilkan?

Wdihasilkan = . Wserap = = 200 J

$\mu = (1 - \frac{T_2}{T_1}) \cdot 100%$