Hukum Termodinamika ( Definisi dan Sistem ) - FISIKA KELAS 11

Termodinamika adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang energi yang secara spesifik membahas hubungan antara energi panas dengan proses kerjanya. Bahkan teknologi yang kerap kita gunakan saat ini, sebut saja AC (Air Conditioner) dan rice cooker itu juga menjadi bentuk nyata dari penerapan Hukum Termodinamika.

Keberadaan Hukum Termodinamika menjadi bagian penting dari ilmu fisika dan memiliki tiga kajian hukumnya. Lalu, apa sih termodinamika itu? Bagaimana bunyi dari Hukum Termodinamika ini? Jika berkenaan dengan ilmu fisika, apakah Hukum Termodinamika lantas memiliki rumus tersendiri? Bagaimana pula penerapan Hukum Termodinamika ini pada teknologi rice cooker? 

Definisi Termodinamika

Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik akan membahas mengenai hubungan antara energi panas dengan cara kerjanya. Energi tersebut dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun melalui hasil rekayasa teknologi. Cara kerja di kebanyakan sistem teknologi dapat dijelaskan melalui termodinamika. Bahkan sering disebut-sebut juga bahwa termodinamika ini menjadi modal utama dari seorang sarjana teknik untuk merancang pompa termal, motor roket, rice cooker, AC, hingga penyuling kimia.

Singkatnya, termodinamika ini menjadi salah satu cabang dari bidang ilmu fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas dan perubahan dari panas menjadi bentuk energi lainnya. Istilah termodinamika memang berasal dari Bahasa Yunani, yaitu “Therme” yang berarti ‘panas’ dan “dynamis” yang berarti ‘gaya’. Keberadaan termodinamika ini tidak akan lepas dari kalor.

Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik. Cabang ilmu fisika ini mempelajari suatu pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan termodinamika bisa terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.

Sistem Termodinamika

Dalam sistem termodinamika, memiliki istilah-istilah tertentu, yakni:

• Batas Sistem adalah garis imajiner yang membatasi sistem dengan lingkungannya.
• Sistem Tertutup yaitu apabila sistem dan lingkungannya tidak terjadi pertukaran energi atau massa, dengan kata lain energy atau massa tidak melewati batas-batas sistem. Dalam sistem tertutup, walaupun massa tidak bisa berubah selama proses berlangsung, tapi volume bisa saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang bisa bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup yaitu suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, jika panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan mengakibatkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut dengan control mass.
  
  

  Suatu sistem bisa mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

  • Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
  • Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
    
    

  Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik yaitu dinding yang menyababkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya suatu pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik yaitu dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).

• Sistem Terbuka yaitu apabila energi dan massa dapat melintasi atau melewati batas-batas sistem. Sistem dengan lingkungannya ada interaksi. Sistem ini menyebabkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya suatu aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem yaitu :
  • Untuk panas (Q) bernilai positif jika diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem
  • Untuk usaha (W) bernilai positif jika keluar dari sistem dan bernilai negatif jika diberikan (masuk) kedalam sistem.
• Sistem terisolasi ialah sistem yang menyebabkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak bisa terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, walaupun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
  
  

  Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut dengan property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain.

  Suatu sistem bisa berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, jika masing-masing jenis koordinat sistem tersebut bisa diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai

  keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem memiliki nilai koordinat yang tetap. Jika koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).