Materi Konsep Dasar Termodinamika

Artikel ini membahas tentang materi konsep dasar termodinamika, hukum termodinamika, dan juga penerapan termodinamika dalam kehidupan sehari-hari.


Meskipun kata “termodinamika” rasanya gak gitu sering kita gunakan dalam komunikasi sehari-hari atau bahkan terdengar asing, sebenarnya perwujudan dari cabang ilmu fisika yang umumnya akan kalian temui di kelas 11 ini sudah banyak di terapkan di kehidupan kita loh. 

Termodinamika, berasal dari 2 kata dari bahasa yunani yaitu “Thermos” dan “dynamic”, biar inget nya gampang, inget aja termos di rumah kalian. Fungsi termos buat apa? Pada umumnya sih termos buat nyimpen air panas. 

Nah dalam bahasa yunani “Thermos” itu artinya panas dan “dynamic” yang berarti dinamis atau perubahan. Jadi kalo digabung, Termodinamika itu pasti berhubungan erat sama perubahan atau pergerakan energi panas, meskipun sebenarnya konsepnya tidak sesederhana itu, tapi sekarang ketika kalian denger kata “termodinamika”, langsung bisa paham tentang apa. Biar pahamnya gak setengah-setengah, yuk kepo in ini artikel ini sampe selesai!

 

Konsep Termodinamika

Intinya ilmu termodinamika itu menggambarkan usaha untuk mengubah kalor jadi energi, termasuk proses dari aliran energi tersebut dan akibat yang dihasilkan oleh perpindahan energi tersebut. Sebagaimana materi mengenai kalor sendiri telah kalian pelajari pada saat SMP, yaitu perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu. Jadi sebenarnya ilmu fisika ini berkaitan satu sama lain, itulah kenapa memahami setiap konsep itu penting, karena dengan begitu kalian akan mudah memahami hubungan antar keduanya. 

Singkatnya termodinamika mempelajari tentang panas dan temperatur, termasuk hubungan keduanya pada energi dan gerak. Konsepnya energi dihasilkan oleh sistem yang dibatasi oleh kenyataan, dimana sistem tersebut memungkinkan untuk terbagi lagi menjadi sub-sistem atau membentuk sistem-sistem lainnya menjadi sistem yang lebih besar, dan sistem yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan.   

sistem Termodinamika
Sumber gambar: Nandalal Sarkar/shutterstock.com

Berdasarkan sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan, sistem pada Termodinamika dibagi menjadi 3, yaitu:

Termodinamika Sistem Terbuka

Ada atau terjadi pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungannya, contohnya samudra, lautan dan tumbuh-tumbuhan. 

Termodinamika Sistem Tertutup

Jika ada sistem terbuka, maka ada juga sistem tertutup, yaitu adanya pertukaran energi namun tidak terjadi pertukaran massa sistem dengan lingkungannya. Contohnya Green House dimana terjadi pertukaran kalor namun tidak terjadi pertukaran kerja terhadap lingkungan. Untuk membedakan sebuah sistem tertutup mengalami pertukaran energi yaitu panas atau kerja atau keduanya tergantung sistem pembatasnya

  • Pembatas Adiabatik, tidak terjadi atau tidak memperbolehkan pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan
  • Pembatas Rigid, tidak terjadi atau tidak memperbolehkan pertukaran kerja dari sistem ke lingkungan maupun sebaliknya. 

Termodinamika Sistem Terisolasi

Tidak terjadi pertukaran, baik pertukaran energi maupun pertukaran massa sistem dengan lingkungan, itulah mengapa sistem ini bernama sistem terisolasi. Contohnya tabung gas yang terisolasi. 

 

Hukum Termodinamika

Hukum dasar yang berlaku dalam sistem termodinamika dibagi menjadi 4, yaitu:

Hukum Awal (Zeroth Law)

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiganya, maka sistem ketiga tersebut dalam keadaan yang juga setimbang satu sama lain. Yang artinya apapun zat atau materi benda akan memiliki kesetimbangan termal satu sama lain, atau bisa dikatakan kesetimbangan termal berlaku secara universal.

Hukum Termodinamika I (Kekekalan Energi)

Dalam hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, dan hanya bisa diubah bentuk energinya saja. Oleh karena ini dalam hukum ini didapat persamaan 

Materi Konsep Dasar Termodinamika 33

Yang artinya perubahan energi dalam (U) sistem merupakan jumlah energi kalor (Q)dalam sistem yang dikurangi dengan kerja (W)yang dilakukan oleh sistem. 

Perlu diperhatikan bahwa,

Q bertanda positif (+) jika sistem menyerap kalor

Q bertanda negatif (-) jika sistem melepas kalor

 

W bertanda positif (+) jika sistem melakukan kerja

W bertanda negatif (-) jika sistem diberikan kerja

 

Materi Konsep Dasar Termodinamika 34 bertanda positif (+) jika sistem mengalami kenaikan suhu

Materi Konsep Dasar Termodinamika 34 bertanda negatif (-) jika sistem mengalami penurunan suhu

 

Dan pada sistem terisolasi, Q=0 dan W=0, sehingga tidak ada perubahan energi dalam (Materi Konsep Dasar Termodinamika 34)

Hukum ini diuraikan menjadi 4 proses termodinamika, yaitu 

  • Isobarik (Tekanan tetap atau konstan) 
  • Isokhorik (Volume tetap  atau konstan)
  • Isotermik (Suhu tetap atau konstan)
  • Adiabatik (sistem diisolasi agar tidak ada kalor yang keluar maupun masuk atau tidak terjadi pertukaran kalor)

Hukum Termodinamika II (Arah reaksi sistem)

Hukum kedua termodinamika menyatakan pembatasan perubahan energi dimana alur kalor suatu objek dengan sistem memiliki sifat alami, yaitu:

“Kalor mengalir secara alami atau spontan dari benda yang panas (bersuhu tinggi) ke benda yang dingin (bersuhu rendah); dan sebaliknya kalor tidak akan mengalir secara alami atau spontan dari benda dingin (bersuhu rendah) ke benda panas (bersuhu tinggi) tanpa dilakukan usaha.” 

Hukum Termodinamika III

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa suatu sistem yang mencapai temperatur nol absolut (temperatur dalam kelvin), semua prosesnya akan berhenti dan entropi sistem akan mendekat nilai minimum. Selain itu, untuk entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. 

Contoh Soal Termodinamika

Setelah memahami mempelajari mengenai hukum termodinamika diatas, sekarang kita coba kerjakan beberapa soal di bawah ini

contoh soal termodinamika 1

contoh soal termodinamika 2

Jika kalian ingin penjelasan lebih ringkas dalam bentuk video, kalian bisa cek di Materi Termodinamika, di situ ada penjelasan secara singkat mengenai termodinamika, cuma perlu login kok. Selain materi tentang termodinamika, ada juga berbagai materi dari mata pelajaran lainya. 

 

Penerapan Termodinamika 

Tahukah kalian kalo ternyata AC (Air Conditioner) dan Kulkas merupakan salah satu benda yang menggunakan konsep hukum termodinamika, jadi tanpa adanya ilmu termodinamika mungkin hidup kita tidak akan senyaman sekarang. 

Hukum termodinamika yang diterapkan pada AC, adalah hukum termodinamika pertama dan kedua. Dimana AC mengubah energi listrik menjadi energi kinetik pada kondensor (berfungsi untuk membuang panas refrigerant ke lingkungan), kemudian mengubahnya menjadi energi kinetik pada evaporator (berfungsi memberikan udara dingin pada ruangan dengan cara perpindahan panas ke ruangan), dan kemudian mengubah energi kinetik pada kompresor (berfungsi memberikan tekanan pada refrigerant). 

Sedangkan penerapan hukum termodinamika kedua pada AC, bahwa AC tidak dapat secara alami atau spontan mengalirkan kalor dari suhu rendah ke suhu tinggi, diperlukan usaha atau kerja terlebih dahulu

Selain itu ilmu termodinamika juga berperan dalam penciptaan mesin kendaraan bermotor, dan juga termos, yang tentunya baik secara kita sadari atau tidak juga sangat membantu kita dalam melakukan aktivitas kita sehari-hari dan tentunya masih banyak aplikasi ilmu termodinamika dalam kehidupan kita.  

turbin jet termodinamika
Sumber gambar: shaineast/shutterstock.com

Perhatikan gambar bagian turbin jet diatas, dimana udara masuk kedalam kompresor yang berfungsi untuk menghisap dan menaikan tekanan udara tersebut melalui inlet sehingga temperatur udara meningkat. Kemudian setelahnya udara tersebut dimasukkan kedalam ruang bakar dan disitu dilakukan proses pembakaran dengan cara mencampurkan udara tersebut dengan bahan bakar yang berlangsung dalam keadaan tekanan konstan sehingga dapat disimpulkan keberadaan ruang bakar bertujuan menaikan temperatur. Gas hasil pembakaran tersebut dialirkan ke turbin gas melalui suatu nozzle untuk mengalirkan gas tersebut ke sudu-sudu turbin yang berguna untuk memutar kompresornya sendiri dan juga memutar generator listrik, dan beban lainnya. Setelah melewati turbin gas tersebut akan dibuang ke exhaust.  

Dan untuk termos menerapkan hukum termodinamika I, dengan menggunakan bahan yang bersifat adiabatik, sehingga menghambat terjadinya pertukaran kalor antara sistem ke lingkungan dan sebaliknya, sehingga tidak terjadi penurunan suhu. Termos juga merupakan contoh penerapan sistem terisolasi yang cukup mudah ditemukan. Cara kerjanya kalor dimasukkan kedalam termos dan tidak dapat keluar karena terhambat oleh kaca dengan warna putih mengkilap, alasan kenapa semua termos kita memiliki kaca putih mengkilap di dalamnya adalah karena dibandingkan warna gelap putih sedikit menyerap kalor, selain

dihambat oleh kaca, kalor juga dihambat oleh celah hampa udara antara tabung dan kaca, kemudian dihambat oleh celah udara antara tabung dan dinding, karena udara merupakan penghantar panas yang buruk, dan yang terakhir dihambat oleh lapisan terluar termos atau yang kita sentuh dan kita lihat yang biasanya terbuat dari plastik atau logam.  

Jadi sebenarnya ilmu termodinamika sangat berguna bukan? Selain itu, mempelajari ilmu termodinamika sangat penting dan akan kalian pelajari lagi lebih dalam jika kalian akan mengambil jurusan teknik kimia, teknik mesin, teknik lingkungan, teknik sipil, ilmu pangan, teknik fisika, dan lain-lain. Jadi jika sekiranya kalian tertarik dengan jurusan-jurusan tersebut ada baiknya kalian pahami konsep dan materi termodinamika sebaik-baiknya untuk bekal kalian dimasa depan nanti. Jika kalian masih ada pertanyaan atau ingin didiskusikan, langsung aja nih komen dibawah! Semoga artikel ini membantu kalian dalam memahami konsep dasar dari termodinamika ya.

Bagikan artikel ini: