HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Termodinamika merupakan cabang ilmu yang mempelajari hubungan antara bentuk-bentuk

energi. Bentuk-bentuk energi dapat berupa energi kimia, energi listrik, energi panas, energi

radiasi, dan lainnya. Dengan termodinamika dapat diduga apakah suatu reaksi dapat berlangsung

apa tidak dan mengetahui bagaimana mendapatkan kondisi optimum untuk memaksimalkan

produk reaksi. Namun, termodinamika tidak dapat memberikan bagaimana laju suatu reaksi.

Ada empat hukum termodinamika yakni hukumpertama yang membahas konsep kekekalan

energi, hukum kedua membahas arah proses, hukum ketiga membahas entropi absolut, dan

hukum ke-nol yang membahas konsep temperatur.

Pada kesempatan ini, akan dibahas hukum pertama termodinamika yang diawali dengan

memberikan terminologi-terminologi yang terkait termodinamika, jenis-jenis proses,

pembahasan rumusan hukum pertama termodinamika, entalpi dan perubahannya, kapasitas kalor,

dan aplikasi hukum pertama termodinamika pada proses fisis dan kimia

a. Terminologi Terkait Termodinamika

Sistem dan Lingkungan

Sistem adalah sejumlah zat atau campuran zat yang akan dipelajari sifat-sifat dan

perilakunya, sedangkan lingkungan adalah segala sesuatu yang berada di luar sistem.

Terdapat batas-batas yang nyata ataupun tidak antara sistem dengan lingkungannya.

Sistem dan lingkungan dapat terjadi antaraksi yang dapat mengakibatkan pertukaran

materi dan energi. Berdasarkan antaraksi antara sistem dan lingkungan, sistem

diklasifikasikan menjadi 3 jenis yakni :

1. Sistem tersekat (terisolasi), yaitu pada sistem dengan lingkungantidak terjadi

pertukaran materi dan energi sehingga energi dalam sistem tetap. Contohnya adalah

termos ideal.

2. Sistem tertutup, yaitu pada sistem dengan lingkungan hanya dapat mempertukarkan

energi, tetapi tidak dapat mempertukarkan materi. Contohnya adalah sistem gas

dengan silinder tertutup.

3. Sistem terbuka, yaitu pada sistem dengan lingkungan dapat mempertukarkan energi

dan materi. Contohnya adalah sejumlah zat dalam wadah terbuka.

1

Keadaan sistem, variabel keadaan dan fungsi keadaan

Keadaan system dapat didefinisikan sebagai sifat-sifat yang mempunyai nilai tertentu

apabila system ada dalam kesetimbangan pada kondisi tertentu. Setiap sistem dipengaruhi

oleh variabel atau parameter. Variabel sistem dapat disebut sebagai variabel keadaan

yang dapat bersifat intensif dan ekstensif. Variabel intensif adalah variabel sistem yang

tidak bergantung pada ukuran sistem seperti suhu, massa jenis, dan tekanan. Sedangkan

variabel ekstensif adalah variabel sistem yang bergantung pada ukuran sistem seperti

volume, dan massa.

Setiap variabel sistem yang hanya bergantung pada keadaan sistem dan tidak bergantung

pada bagaimana keadaan itu tercapai disebut fungsi keadaan. Beberapa contoh fungsi

keadaan adalah suhu, tekanan, volume, energi dalam, entalpi, entropi, dan energi bebas

Gibbs.

Energi dalam, panas (kalor), dan kerja

Energi dalam yang dilambangkan dengan U merupakan keseluruhan energi potensial dan

energi kinetik zat-zat dalam suatu sistem. Energi dalam merupakan salah satu contoh

fungsi keadaan yang hanya bergantung pada keadaan sistem. Besarnya energi dalam

suatu sistem tidak dapat diketahui, yang dapat ditentukan adalah perubahan energi dalam

melalui eksperimen. Sistem dapat mengalami perubahan energi dalam melalui panas

(kalor) dan kerja .

Panas yang dilambangkan dengan q merupakan energi yang dipindahkan melalui batas-

batas sistem sebagai akibat adanya perbedaan suhu antara sistem dengan lingkungan.

Panas akan berpindah ke sistem yang lebih dingin. Panas (q) adalah besaran aljabar yang

dapat bernilai positif atau negatif. Panas akan bernilai positif jika sistem menyerap panas,

sedangkan panas akan bernilai negatif jika sistem melepas kalor. Panas yang dipindahkan

antara sistem dan lingkungan bergantung pada prosesnya (bagaimana keadaan itu

tercapai), jadi panas bukan merupakan fungsi keadaan.

Perlu diingat bahwa panas (kalor) berbeda dengan suhu. Panas merupakan besaran

ekstensif karena bergantung pada jumlah zat (ukuran sistem) sedangkan suhu merupakan

besaran intensif karena tidak bergantung pada jumlah zat. Besarnya panas sistem

ditentukan oleh tiga faktor yakni suhu, jenis zat dan jumlah zat. Ketiga faktor tersebut

digabung menjadi kapasitas kalor (panas). Kapasitas kalor suatu zat adalah banyaknya

2

kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat 1oC. Kalor jenis adalah jumlah

kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram zat 1oC. Kapasitas kalor molar

adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 mol zat 1oC.

Kerja yang dilambangkan dengan w merupakan bentuk energi bukan kalor, yang

dipertukarkan antara sistem dan lingkungan. Kerja juga merupakan besaran aljabar yang

dapat bernilai positif atau negatif. Kerja akan bernilai postif jika sistem menerima kerja

dari lingkungan (lingkungan melakukan kerja terhadap sistem), dan kerja akan bernilai

negatif jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan. Kerja yang dilakukan oleh

sistem dan lingkungan bergantung pada proses, sehingga kerja bukan merupakan fungsi

keadaan.

Diferensial Eksak dan Tak Eksak

Diferensial dari suatu fungsi keadaan adalah diferensial eksak. Jika dz adalah diferensial

eksak, maka dz memiliki sifat-sifat sebagai berikut.

1. Jika sistem z berlangsung dari keadaan a ke keadaan b dan tidak bergantung pada

proses keadaan itu tercapai maka berlaku :

∫a

b

dz=Ub−U a

2. Jika sistem z melakukan proses siklik yang artinya proses yang dilaksanakan melalui

tahapan-tahapan yang akhirnya mengembalikan sistem ke keadaan awal, maka

berlaku :

∫a

a

dz=∮ dz=0

3. Jika dz = Mdx + Ndy, dimana M dan N adalah fungsi dari x dan y, maka berlaku :

(∂ M∂ y )=(∂ N

∂ x )Panas, q dan kerja, w bukan merupakan fungsi keadaan, jadi diferensialnya adalah

diferensial tak eksak. Integral dari diferensialnya bila sistem berlangsung dari keadaan a

3

ke keadaan b bergantung pada proses. Apabila kerja yang dilakukan sistem bergerak dari

keadaan a ke keadaan b dinyatakan sebagai berikut.

∫a

b

δw=w

Proses pada termodinamika

Suatu sistem dapat megalami perubahan dari keadaan awal ke keadaan akhir melalui

berbagai proses. Ada beberapa jenis proses yang dikenal dalam termodinamika yakni :

1. Proses reversibel merupakan proses yang dapat dibalik arahnya sehingga setiap

keadaan yang telah dilalui oleh sistem akan dilalui kembali dengan arah yang

berlawanan atau proses yang berlangsung sedemikian lambat sehingga setiap keadaan

antara yang dilalui sistem berada dalam kesetimbangan (proses reversibel

berlangsung pada waktu takhingga)

2. Proses irreversibel merupakan proses pada suatu sistem yang tidak dapat balik.

3. Proses isoterm merupakan proses pada suatu sistem dalam keadaan suhu tetap.

4. Proses isobar merupakan proses yang berlangsung pada tekanan tetap.

5. Proses isokhor merupakan proses yang berlangsung pada volume tetap.

6. Proses adiabatik merupakan proses yang berlangsung pada kalor (panas) tetap dimana

pada proses ini tidak terjadi pertukaran panas antara sistem dan lingkungan.

b. Rumusan Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika juga disebut sebagai hukum kekekalan energi yang dapat

dinyatakan dalam beberapa kalimat :

Energi tak dapat diciptakan dan tidak dapat dihilangkan

Dalam system terisolasi tidak ada perubahan energi

Jika system kehilangan sejumlah energi maka lingkungan akan menerima energi yang

sama besar, dan sebaliknya

Misalnya sebuah gas yang memiliki energi dalam sebesar U1 setelah dibiarkan mengalami

ekspansi maka gas tersebut akan memiliki energi dalam sebesar U2. Dalam proses ekspansi

tersebut gas melakukan suatu usaha (w) dan menerim akalor (q) dari lingkungan sehingga

besarnya energi yang dimiliki gas adalah 2

4

U1-U2 = w + q

ΔU = w + q

Pada keadaan isoterm (suhu tetap) tidak terjadi perubahan energi ΔU = 0 sehingga q = -w.

Pada tekanan tetap, usaha yang dilakukan gas dalam tabung silinder dengan penutup sama

dengan gaya terhadap tekanan luar (P) dikali panjang pergeseran penutup (s) yang

menandakan terjadinya perubahan volume.

w = F x s

F = - P x A

P = -F/A

w = -F/A x A x s

w = -p ΔV

Rumusan hukum pertama Termodinamika dapat juga dinyatakan dalam bentuk diferensial

parsial seperti yang akan dibicarakan dalam sistem gas dibawahini.

Sistem Gas I Komponendan Tersekat

Energi dalam merupakan fungsi dari tekanan, volume, temperatur, dan jumlah zat (U = U (P,

V, T, n1, n2)). Karena sistem 1 komponen memiliki 2 derajat kebebasan. Sehingga energi

dalam U dapat dinyatakan sebagai berikut:

U = U(P,V) makadU =(∂ U

∂ P )vdP +(∂ U

∂V )P

dV

U = U(T,V) makadU =(∂ U

∂T )V

dT +(∂U∂V )

TdV

U = U(P,T) makadU =(∂ U

∂ P )T

dP +(∂U∂T )

PdT

Sistem Gas I Komponendan Tertutup

Pada system tertutup, panas dapat keluar masuk sistem, sehingga dU = δq+ δw. Bila δw = -

PdV dan U = U (T,V) maka:

dU =(∂ U∂ P )

vdP +(∂ U

∂V )T

dV=δ q - PdV

δ q =(∂ U∂T )

v

dT +[(P+∂U∂ V )

T]dV

5

Sistem Gas 1 Komponendan Terbuka

Pada system terbuka, selain panas materi juga dapat keluar masuk sistem.Apabila δw = -

PdV dan U = U (T,V, n) maka:

Maka berlaku

dU =(∂ U∂T )

V , ndT+(∂U

∂ V )T , n

dV +(∂U∂ n )

T ,Vdn=δq−PdV

δq=(∂U∂ T )

V , n

dT +[P+(∂U∂ V )

T , n]dV +(∂U

∂ n )T , V

dn

Bila dn = 0, systemnya berupa system tertutup. Bila dn = 0 dan δq = 0 maka sistemnya

menjadi system tersekat.

6