TERMODINAMIKATermodinamika (bahasa Yunani: thermos = panas and dynamic = perubahan) adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Dalam termodinamika akan membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan. A. HUKUM TERMODINAMIKA

1. Hukum 0 (nol) termodinamika Jika A setimbang termal dengan C dan B setimbang termal dengan C, maka A setimbang termal dengan B. Apabila 2 benda mempunyai kesamaan suhu dengan benda ke-3, maka kedua benda itu satu dengan yang lain juga mempunyai kesamaan suhu.

2. Hukum I (pertama) termodinamika Hukum pertama termodinamika pada prinsipnya menyatakan bahwa energi tidak dapat terjadi secara cuma cuma atau dimusnahkan begitu saja, tetapi dapat diubah dari bentuk satu ke bentuk yang lain ( Hukum Kekelan Energi ). Jika sistem menyerap kalor Q dari lingkungannya dan melakukan kerja W pada lingkungannya maka sistem mengalami perubahan energi dalam sebesar

U = U2 U1 = Q W Kalor Q = . C . T Kerja W = p(V) . dV

Dan secara sederhana, hukum pertama termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut : Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas yang berarti mengalami perubahan energi dalam U.

3. Hukum kedua termodinamika a. Menurut Kelvin Planck Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus, menerima kalor dari suatu reservoar dan mengubah kalor itu seluruhnya menjadi usaha. b. Menurut Clausius Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus, mengambil kalor dari reservoar yang bersuhu rendah dan memberikan kalor itu kepada reservoar yang bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar. c. Menurut Carnot Mesin yang bekerja diantara reservoar yang bersuhu T1 dan reservoar bersuhu T2 dengan T1 > T2 memiliki efisiensi maksimum.

Efisiensi : nC =

= 1-

C =

=

=

= 1-

B. Kemampuan Gas Dalam Menyerap / Melepaskan Kalor 1. Konsep kapasitas kalor gas Jika sejumlah gas menerima kalor sebesar Q sehingga suhunya naik sebesar T maka kapasitas kalor gas tersebut dirumuskan sebagai berikut : C= = konstan

C=

=

+

Kapasitas kalor gas dapat diukur pada tekanan tetap dan volume tetap a. Kapasitas kalor gas pada tekanan tetap, Cp didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat satu kelvin pada tekanan tetap.

CP = CV + n . R b. Kapasitas kalor gas pada volume tetap, CV didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu suatu zat satu kelvin pada volume tetap.

2. Tetapan Laplace untuk gas monoatomik dan gas diatomik

a. Tetapan Laplace () untuk gas ideal monoatomik

b. Tetapan Laplace () untuk gas ideal diatomik

C. Siklus Carnot

1. Pengertian Siklus Carnot Siklus Carnot adalah suatu siklus yang merupakan penggambaran dari suatu mesin kalor reversibel (dapat bekerja bolak-balik). Jadi, siklus Carnot merupakan suatu siklus yang ideal. Grafik Siklus Carnot :

Prinsip kerja siklus Carnot adalah menggunakan dua proses isotermal / isotermik dan dua proses adiabatik seperti tampak pada grafik. Q1 = kalor yang masuk / diserap sistem Q2 = kalor yang keluar / dilepaskan sistem 2. Usaha yang dilakukan pada gas

Usaha yang dilakukan pada gas dalam siklus Carnot memenuhi persamaan berikut : W = Q1- Q2

D. Efisiensi Suatu Mesin 1. Pengertian efisiensi suatu mesin Efisiensi mesin merupakan perbandingan usaha (W) yang dilakukan dengan kalor(Q) yang diserap oleh suatu mesin, dan dirumuskan sebagai berikut :

Khusus untuk mesin Carnot :

2. Nilai efisiensi suatu mesin Besarnya efisiensi suatu mesin tidak ada yang mencapai 100%. Karena itu : 0 100% E. Entropi (S) Entropi adalah fungsi keadaan suatu benda yang dirumuskan sebagai berikut : S2 S1 = S = Q (p, V, ...) setiap sistem memiliki entropi (seperti energi dalam) tertentu.

Pada benda padat atau cair yang homogen entropi pada titik nol mutlak sama dengan nol, sehingga berlaku :

S1 = 0 dan S2 =

F. Usaha dan Proses Proses Dalam Termodinamika

1. Usaha oleh lingkungan terhadap sistem Usaha yang dilakukan oleh lingkungan terhadap sistem pada tekanan tetap dapat dirumuskan sebagai berikut: W = -p . V

2. Proses Proses Dalam Termodinamika a. Proses Isotermal / Isotermik Proses isotermal atau isotermik adalah proses termodinamika yang berlangsung pada temperatur tetap dan pada sistem terbuka. Karena berlangsung dalam temperatur tetap, tidak terjadi perubahan energi dalam (U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

V = 0 Q = W = RT W= p(V) . dV pV = tetap Persamaan keadaan untuk proses isokhorik adalah

karena T tetap

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai

b. Proses Isokhorik Proses isokhorik adalah proses termodinamika yang berlangsung pada volume tetap dan pada sistem tertutup. Karena dalam volume konstan (V = 0), maka tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV. QV = U W=0 U = . CU . T Persamaan keadaan untuk proses isokhorik adalah

karena V tetap

Ini adalah hukum Charles Proses isokhorik dapat dilihat pada grafik

c. Proses Isobarik Proses isobarik adalah proses termodinamika yang berlangsung pada tekanan tetap dan pada sistem tertutup. Karena berada dalam tekanan tetap, maka melakukan usaha (W = pU). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. U = . CP . T Q = U + W = . CP . T Persamaan keadaan untuk proses isobarik adalah

Ini adalah huku Gay Lussac. Sedangkan rumus usahanya adalah

Proses isobarik dapat dilihat pada grafik

d. Proses Adiabatik Proses adiabatik adalah proses termodinamika yang berlangsung tanpa perubahan kalor pada sistem dan terjadi dalam sistem tertutup. Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan sama dengan perubahan energi dalamnya (W = U). Q=0 W = p (V). dV W = U pV = tetap = Proses yang mengikuti rumus Poisson sebagai berikut:

dan

Proses adiabatik dapat dilihat pada grafik

Persamaan Fundamental Termodinamika

Hukum I: dU = dq + dw = dq pdV Hukum II: jika reversibel: dq = TdS dU = TdS pdV persamaan fundamental termodinamika Jadi, dapat disimpulkan bahwa variabel bebas yang bersifat alami untuk energi dalam, bukanlah T dan V seperti yang kita bahas sebelum ini. Variabel bebas alami untuk energi dalam adalah S dan V.

U = U ( S ,V )Bentuk diferensialnya:

U U dU = dS + V dV S V SSistem terbuka:n U U U dU = dS + dV + dn S V ,ni V S ,ni i =1 n S , ,nj i V

Dapat disimpulkan:

U U =T , = p S V ,ni V S ,niUntuk sistem terbuka, kita definisikan besaran baru yaitu potensial kimia yang dilambangkan dengan

U = i ni S ,V ,n j iG. Efisiensi Maksimum Berbagai Mesin Dalam Praktek Auto-Motive Dalam setiap siklus mesin, selalu ada kalor yang dibuang, artinya ada yang tidak termanfaatkan sebagai usaha. Pada reservoar panas dan reservoar dingin yang sama, tidak ada mesin yang memiliki efisiensi lebih besar daripada efisiensi mesin Carnot. Perhatikan diagram mesin - mesin berikut :

Siklus Otto : maks = 54%

Siklus Otto

Siklus Mesin Diesel : maks = 56%

Siklus Mesin Diesel

Siklus Mesin Uap :maks

: 32%

Siklus Mesin Uap