Home » » Termodinamika

Termodinamika

Written By Harso Adjie Brotosukmono on Kamis, 24 Desember 2015 | 13.42


Termodinamika merupakan ilmu fisika yang mempelajari tentang aliran energi, dalam hal ini berhubungan erat dengan energi panas (kalor) dan energi gerak (mekanik). Bagaimana sebuah mobil, kereta, dan pesawat bisa bergerak maupun bagaimana AC dan kulkas bisa mengeluarkan hawa sejuk, semua didasari oleh Hukum-Hukum Termodinamika.


Termodinamika sebenarnya merupakan materi Kelas XI SMA di Kurikulum 2006 lalu, di Kurikulum 2013 saat ini, Termodinamika dihapuskan, entah kenapa, padahal Termodinamika merupakan materi penting bagi para calon insinyur, terutama Insinyur Mesin, Insinyur Kimia, yak.. hampir semua cabang ilmu teknik membutuhkan konsep-konsep Termodinamika. Untuk itu, kali ini akan kita bahas apa itu Termodinamika.

Konsep Dasar Termodinamika 

Perjanjian tanda untuk aliran energi antara sistem dan lingkungan.
sumber: Pribadi

Sistem dan Lingkungan

Dalam Termodinamika, dikenal istilah Sistem dan Lingkungan.
Sistem adalah titik pusat objek yang akan diamati perpindahan energinya
Lingkungan adalah segala sesuatu di luar sistem

Misalkan saja segelas teh yang diletakkan di ruangan dingin, Sistem adalah tehnya sementara Ruangan adalah Lingkungannya.

Energi Dalam (U)

Total seluruh energi yang dimiliki oleh sistem adalah energi dalam, dapat berupa energi dalam bentuk apapun dan nilai absolutnya sulit dihitung, hanya dapat dihitung Perubahan Energi Dalam (ΔU)nya saja, karena selama proses termodinamika terjadi, energi dalam dapat berkurang maupun bertambah.

Kalor (Q)

Kalor merupakan bentuk energi panas. Mengapa mesin mobil terasa panas ketika sedang beroperasi? Karena aliran kalor terjadi. Sumber kalor disebut reservoir (bahasa perancis, dibaca reservoa). Berdasarkan perjanjian tanda aliran energi, sifat kalor adalah sebagai berikut:
  • Kalor yang diterima dari lingkungan ke dalam sistem nilainya Positif (+), menyebabkan energi dalam bertambah
  • Kalor yang dilepas dari sistem ke lingkungan nilainya Negatif (-), menyebabkan energi dalam berkurang

Usaha (W)

Usaha merupakan bentuk energi selain energi panas, umumnya adalah energi mekanik, dalam beberapa kasus juga dapat berupa energi listrik (seperti AC dan Kulkas). Usaha dapat dihasilkan oleh mesin dan dapat juga dibutuhkan oleh mesin. Berdasarkan pernjanjian tanda aliran energi, sifat usaha adalah sebagai berikut:
  • Usaha yang dilakukan oleh sistem ke lingkungan nilainya Positif (+)
  • Usaha yang diberikan oleh lingkungan ke sistem nilainua Negatif (-)
Dalam proses Termodinamika Gas, Usaha merupakan luas dibawah grafik P-V (Pressure-Volume)

Usaha (W) sebagai luas dibawah grafik P-V

Karena itu besarnya dapat dicari menggunakan integral,

dengan:
W = usaha (Joule)
V1-V2 = batas volume (m³)
P(V) = fungsi tekanan terhadap volume

Hukum-Hukum Termodinamika

Hukum 1: Kekekalan Energi

Kalor yang telah menjadi energi dalam maupun usaha, jumlah energinya akan selalu tetap.
atau jika dirumuskan secara matematis adalah:


dengan:
Q = Kalor (Joule)
ΔU = Perubahan Energi Dalam (Joule)
W = Usaha (Joule)

Hukum 2: Aliran Kalor dan Entropi

Hukum kedua termodinamika memiliki 3 bunyi yang berbeda,
1. Kalor mengalir secara spontan dari reservoir suhu panas ke reservoir suhu dingin, dan tidak berlaku sebaliknya
2. Total entropi jagad raya tidak berubah ketika proses reversibel terjadi, dan bertambah jika proses ireversibel terjadi (yang ini tidak kita pelajari dulu untuk saat ini.)
3. Tidak mungkin sebuah mesin menyerap seluruh kalor dari reservoir dan mengubah semuanya menjadi usaha

Hukum 3: Suhu Nol Absolut

Pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. (yang ini juga tidak kita pelajari dulu untuk saat ini.)

Proses-Proses Termodinamika

Proses termodinamika secara sederhana dapat dibagi menjadi 4 proses, yaitu Isokhorik (Volume Tetap), Isobarik (Tekanan Tetap), Isotermis (Suhu Tetap), dan Adiabatis (Sistem terisolasi, tidak ada aliran kalor antara sistem dan lingkungan).

Isokhorik




W = Usaha (J)

Isobarik


W = Usaha (J)
P = Tekanan (Pa)
ΔV = Perubahan Volume (m³)

Isotermis


W = usaha (J)
n = jumlah partikel (mol)
R = tetapan gas ideal
T = suhu (K)
V1, V2 = volume awal dan akhir

Adiabatis


W = usaha (J)
n = jumlah partikel (mol)
R = tetapan gas ideal
ΔT = perubahan suhu (K)

Mesin Kalor (Heat Engine / Thermal Engine)

Mesin Diesel merupakan contoh mesin kalor
sumber: auto.howstuffworks.com

Mesin Kalor adalah mesin yang mengubah energi panas (kalor) menjadi energi dalam bentuk lain (usaha), seperti energi mekanik. Mesin Kalor mampu menghasilkan usaha karena menurut Hukum 2 Termodinamika, kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas ke reservoir dingin. Pada mesin kereta uap kuno misalnya, reservoir panas adalah tungku pembakaran sementara reservoir dinginnya adalah lingkungan. Aliran gas dari reservoir panas ke reservoir dingin ini mampu menghasilkan usaha berupa energi mekanik untuk menggerakkan roda-roda kereta.

Skema Mesin Kalor
sumber: wikipedia

Dalam setiap siklus, pasti ada saja energi dari sumber reservoir panas (TH) yang terbuang ke reservoir dingin (TC) karena Hukum 2 Termodinamika tidak memperbolehkan adanya mesin yang semata-mata hanya mengambil seluruh kalor dari reservoir panas (TH) dan mengubah semuanya menjadi usaha (W). Karena itu, dalam mesin dikenal istilah Efisiensi:


dengan:
η = efisiensi (0 < η <  1)
W = usaha (J)
QH = kalor dari reservoir panas (J)
QC = kalor ke reservoir dingin (J)

Tahun 1824, Insinyur Militer Prancis Sadi Carnot mengemukakan model mesin hipotesis (tidak nyata) yang bekerja pada 2 siklus adiabatis dan 2 siklus isotermis. Mesin ini adalah mesin yang paling efisien untuk bekerja pada suatu kondisi tertentu. Karena mengabaikan faktor-faktor lain yang berpotensi menurunkan efisiensi, perbandingan antara kalor (Q) dan suhu (T) pada mesin carnot adalah sama. sehingga rumusnya dapat diturunkan menjadi:


dengan:
TH = suhu pada reservoir panas (K)
TC = suhu pada reservoir dingin (K)

Ingat! perbandingan Q = perbandingan T hanya berlaku pada mesin carnot, mesin kalor nyata yang dioperasikan dengan kondisi sama tidak mungkin memiliki efisiensi yang sama atau lebih tinggi dibanding mesin carnot.

Mesin Pendingin (Cooler Engine)

AC merupakan salah satu contoh mesin pendingin
sumber: kaskus.co.id

Mesin Pendingin, sering disebut juga Pompa Kalor (Heat Pump) atau Refrigerator adalah mesin yang memanfaatkan usaha (W) untuk memindahkan kalor melawan gradien suhu, yaitu dari reservoir dingin (TC) menuju reservoir panas (TH). Kalau dalam kimia mesin kalor diibaratkan sebagai Sel Volta, maka mesin pendingin diibaratkan sebagai Sel Elektrolisis. Karena Hukum 2 Termodinamika menyatakan bahwa tidak mungkin kalor bisa mengalir secara spontan dari reservoir dingin ke reservoir panas.

Dalam mesin pendingin dikenal istilah koefisien performa (KP)


dengan:
Kp = Koefisien Performa (2 < Kp < 6)
W = usaha (J)
QH = kalor dari reservoir panas (J)
QC = kalor ke reservoir dingin (J)
TH = suhu pada reservoir panas (K)
TC = suhu pada reservoir dingin (K)

0 comments :

Posting Komentar

Brotot Facts: