Konsep Dasar Termodinamika

Kelompok : IEdi Sukirno

Mirna Tersiana Tamnasi

Kimia Fisika IV

• Termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu kimia fisika yang mempelajari hubungan antara panas (kalor) dan kerja yang dilakukan panas tersebut.

• Ada 3 hukum termodinamika, yaitu:1. Hukum Termodinamika I “Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan”.2. Hukum Termodinamika II “total energi dari suatu sistem termodinamika

terionisasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu”.

3. Hukum Termodinamika III “pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol

absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”.

• Dalam bab ini dapat dijelaskan beberapa konsep dasar dalam termodinamika, seperti sistem, lingkungan, keadaan, suhu dan sebagainya.

1. Sistem TermodinamikaAda 3 macam sistem termodinamika, yaitu:• Sistem tersekat, yaitu sistem yang dindingnya tidak

dapat tembus energi atau zat, disebut dinding adiatermal.

Contoh: termos tempat penyimpan es.

• Sistem tertutup, sistem yang dindingnya dapat tembus energi tetapi tidak tembus zat, disebut dinding diatermal.

contoh: suatu silinder baja penyimpan gas.• Sistem terbuka, yaitu sistem yang dindingnya

dapat dilewati energi maupun zat. contoh: sebutir telur dan sebuah balon udara.• Dalam termodinamika, keadaan suatu sistem

harus mengandung informasi yang lengkap mengenai sistem yang digunakan dalam mengambil keputusan.

• Pernyataan yang tepat untuk menggambarkan suatu keadaan adalah melalui rincian harga dari varibel-variabelnya yang relevan, dalam hal ini adalah variabel termodinamikanya.

• Variabel termodinamika ialah besaran-besaran makroskopik yang secara fenomenologi dapat diukur, dan harganya terikat dengan atau menentukan keadaan sistem.

• Contoh variabel-variabel semacam itu dalam termodinamika adalah: tekanan, volume, kerapatan zat, tegangan permukaan, gaya gerak listrik, luas permukaan, dan sebagainya.

• Jika termodinamika adalah ilmu fenomenologi, besaran yang bersifat molekular, seperti: potensial ionisasa, frekuensi absorpsi, sudut ikatan dan sebagainya, tidak termasuk kedalam klasifikasi sebagai variabel temodinamika, karena secara makroskopik tidak dapat diukur.

• Berdasarkan pengamatan makroskopik, dikenal adanya 2 macam variabel temodinamika, yaitu variabel ekstensif dan variabel intensif.

• Secara matematik variabel dibagi menjadi 2 golongan, yaitu variabel bebas (independent variable) dan variabel tak bebas (dependent variable).

• suatu variabel disebut bebas bila harganya dapat secara bebas ditentukan, sedangkan variabel tak bebas harganya terikat dengan satu atau lebih variabel bebas melalui suatu persamaan.

2. Keadaan Setimbang• Suatu sistem disebut ada dalam keadaan setimbang

(equilibrium state) bila harga semua variabel termodinamikanya tida berubah dengan waktu, dan di dalam sistem tak ada aliran-aliran energi maupun zat.

• Sistem-sistem yang variabel-variabel termodinamikanya tidak berubah dengan waktu tetapi di dalamnya berlansung aliran zat atau energi secara makroskopik, disebut sebagai keadaan tetap (steady state).

• Contoh sistem setimbang yang memenuhi kedua kriteria diatas adalah: gas dalam satu selinder, air dan uap dalam tempat tertutup, dan sebatang besi pada suhu kamar.

• Dari contoh di atas, suatu rumusan alternatif bagi keadaan setimbang adalah:

suatu sistem disebut ada dalam keadaan setimbang (equilibrium state) bila harga semua variabel termodinamikanya tidak berubah dengan waktu, dan di dalam sistem tak ada gradien harga variabel-variabel intensifnya.

• Ketiadaan gradien harga variabel intensif dalam suatu sistem setimbang berarti bahwa dalam satu sistem setimbang hanya ada satu harga bagi masing-masing besaran intensifnya. Karena pernyataan keadaan sistem setimbang memerlukan rincian yang paling sedikit bagi harga variabelnya dibanding pernyataan keadaan sistem tak setimbang.

• Harga variabel bebas yang diperlukan untuk menyatakan keadaan suatu sistem setimbang, dapat dimanfaatkan untuk menggambarkan keadaannya sebagai satu titik dalam suatu sistem koordinat, yang disebut sebagai ruang fasa makroskopik.

• Ruang fasa makroskopik suatu sistem adalah: suatu sumbu silang berdimensi sama dengan jumlah variabel bebas sistem, dengan variabel-variabel bebas sistem sebagai koordinatnya.

• Misalkan pada gambar 2.1 untuk sistem-sistem gas yang menggunakan p dan v sebagai variabel bebas, maka ruang fasa makroskopiknya juga berupa sistem sumbu silang dua dimensi dengan tekanan p dan volume V sebagai koordinat. Keadaan suatu sistem digambarkan sebagai satu titik dalam sumbu silang, dengan koordinat titik sesuai harga variabel pada sistem tersebut.

• Misalkan ada dua sistem, andaikan sistem gas, masing-masing dengan tekanan dan volume pA , VA dan pB, VB

(lihat gambar 2.2). Jika antara keduanya dibuat agar dapat berantaraksi secara mekanis, maka dinding bersama harus mampu bergerak sehingga terjadi saling mendorong antara kedua sistem. Keadaan setimbang yang terjadi adalah suatu kesetimbangan mekanik, dengan tekanan di kedua sistem berharga sama.

Jika antara keduanya dibuat agar dapat berantaraksi secara mekanis, maka dinding bersama harus mampu bergerak sehingga terjadi saling mendorong antara kedua sistem. Keadaan setimbang yang terjadi adalah suatu kesetimbangan mekanik, dengan tekanan di kedua sistem berharga sama.

• Selain kesetimbangan mekanik, ada berbagai macam bentuk kesetimbangan lain, seperti kesetimbangan termal.

• Untuk memahami sifat-sifat kesetimbangan termal ini, perhatikan dua sistem gas yang dipisahkan oleh suatu dinding aditermal (lihat gambar 2.3). Sesuai sifat dan definisi dinding aditermal, antara kedua sistem tidak dapat berlangsung pertukaran energi melalui dinding, baik secara rambatan maupun secara radiasi. Dengan demikian kedua sestem tersekat satu dari yang lain. Dalam keadaan ini, harga variabel-variabel termodinamikanya tidak akan mengalami perubahan.

• Gambar 2.4 menunjukkan bahwa variabel-variabelnya akan mengalami perubahan hingga terjadi keadaan setimbang baru bagi bangunan kedua sistem. Saat tercapai kesetimbangan harga variabel-variabel sistem gabungan, yaitu pA , VA pB, VB , tidak boleh sebarang harga. Selain bergantung pada harga awal saat kedua sistem mulai berantaraksi, perubahan yang satu akan mengubah yang lain. Hal ini berarti bahwa pada kesetimbangan variabel-variabel tersebut terikat dalam suatu persamaan, yang secara umum dinyatakan dalam bentuk

f(pA , VA, pB, VB) = 0

• Kesetimbangan ini disebut sebagai kesetimbangan termal, karena keadaan setimbang dicapai dari keadaan sebelumnya yang tidak setimbang melalui pertukaran energi termal antara sistem-sistem yang berantaraksi.

• Jika ada lebih dari dua sistem yang saling setimbang, maka berlaku suatu hukum yang kemudian dikenal sebagai Hukum ke Nol termodinamika.

• Hukum ke Nol menyatakan “jika ada dua sistem, masing-masing setimbang dengan suatu sistem ketiga, maka kedua sistem harus setimbang satu dengan yang lain”.

• Gambar 2.5 menunjukkan gagasan yang berlaku dalam Hukum ke Nol termodinamika, yaitu: jika sistem A dan sistem B masing-masing setimbang dengan sistem C, maka dapat dipastikan bahwa sistem A setimbang dengan sistem B.

3. konsep suhu dan pengukuran• Membahas tentang dua sistem gas yang saling

setimbang mekanik, yang berarti bahwa kedua sistem dalam kesetimbangan tersebut memiliki tekanan yang sama “gaya dorong persatuan luas pada dinding”. Contoh dua sistem termal yang seimbang

• Gambar tersebut menjelaskan, ketika keadaan setimbang, tentu ada gaya yang harganya sama di kedua sistem, yaitu semacam gaya yang mendorong rambatan energi termal sehingga jika harganya sama maka aliran termal berhenti.

• Untuk mendapatkan gaya yang kesamaan harganya terjadi kesetimbangan termal, maka diambil 3 sistem sejenis : sistem A,B dan C. keadaan dinyatakan dalam dua variabel, yaitu X dan Y. Sebagai contoh seperti gambar berikut :

XA, YA XB, YB XC, YC

• Jika diandaikan bahwa sistem-sistem A dan B masing masing setimbang dengan C, maka bagi variabel termodinamika sistem-sistem pada kedua kesetimbangan tersebut berlaku :

FAC ( XA, YA, XC, YC ) = 0 ( 2,2a )

FBC ( XB, YB, XC, YC ) = 0 ( 2,2b )• Sebagai hukum ke Nol, antara sistem A dan B

harus terjadi kesetimbangan termal, sehingga variabel-variabelnya terikat oleh persamaan.

FAB ( XA, YA, XB, YB ) = 0 ( 2.3 )

• Persamaan-persamaan 2.2a dan 2.2b yang masing-masing mengikat empat variabel ditulis dalam ungkapan implisit, dan di dapat ungkapan yang ekplisit bagi salah satu variabel. Untuk itu dipilih variabel YC dari sistem C. dari persamaan 2.2a Fac ( XA, YA, XC, YC ) = 0 Diturunkan Yc = GAC ( XA, YA, XC ). Sedangkan untuk persamaan 2,2b diturunkan Yc = GBc (XB, YB, XC ) sehingga di peroleh :

• GAC ( XA ,YA ,XC ) = GBC (XB, YB ,XC ) 2.4

• Persamaan diatas mengikat lima variabel XA, YA, XB, YB , Menurut hukum nol maka keempat variabe tersebut terikat oleh satu persamaan sebagai berikut : fAB (XA,YA, XB, YB) = 0 Persamaan ini tidak mengandung XC yang artinya kesetimbangan thermal A dan B tidak bergantung pada sistem C.

• Diagram suhu dua lengkungan isoterm, X dan Y.

• semua keadaan sistem yang fasanya terletak pada lengkungan dengan θ = θ’, disebut memiliki suhu θ, lengkungan merupakan kedudukan semua fasa dengan suhu sama, lengkungan dengan satu harga θ disebut dengan thermal.

• Setelah membahas sistem dua variabel maka selanjutnya akan membahas sistem tiga variabel, yaitu variabel x,y, dan θ. Maka memeliki persamaan keadaan Ф ( X, Y, θ ) = 0 dengan demikian sistem dianggap sebagai fungsi dari X dan Y, X dan θ atau Y dan θ.

• Jika sistem diamati pada suhu θ yang tetap, sistem dapat dianggap sebagai fungsi dari x saja, sebaliknya jika harga Y dibuat tetap, maka fungsi hanya merupakan fungsi dari satu variabel, untuk itu dapat dipilih suhu θ

• Apabila bentuk kefungsian X sebagai fungsi θ fungsi bernilai tunggal, maka hubungan X θ merupakan hubungan satu-satu, artinya hanya ada satu harga X untuk tiap harga suhu θ. Jika terpenuhi maka hubungan kefungsian X sebagai θ dapat dibalik menjadi θ sebagai fungsi X, yaitu θ = θ ( X ). Dapat dilihat pada gambar berikut.

Diagram X, Y dan θ

• Tekanan Gas Sebagai Pengukuran Suhu

• Hubungan antara suhu θ dan besarann X yang diamati umumnya tidak sederhana.tetapi untuk selang suhu yang tidak terlalu besar, hubungan tersebut dapat dianggap lurus.

• Θ = mX + n • Harga tetapan m dan n, yang menentukan

skala suhu yang digunakan, ditentukan dengan menggukur harga X pada dua titik baku dan memberi harga θ pada kedua titik pengamatan.

• jika pada titik baku atas Xa harga suhu ditetapkan sebesar θa, dan Xb ditetapkan harga suhu θb maka diperoleh persamaan sebagai berikut :

• Kemudian menghasilkan hubungan linear antara X dan suhu θ