Termodinamika: Hukum, Bunyi, Rumus, Contoh Soal

Konsep Termodinamika merupakan salah satu konsep fisika yang penting karena berbicara mengenai aliran energi dan juga proses yang terjadi di dalam sistem tersebut. Konsep fisika ini terkait erat dengan panas, fisika energi, kerja, proses yang spontan dan juga entropi.

Pengertian Termodinamika

Termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang membahas mengenai hukum tentang hubungan usaha dan juga kalor. Istilah termodinamika berasal dari dua gabungan kata yakni thermos yang bermakna panas serta dynamic yang berarti perubahan.

Di dalam termodinamika akan dibahas mengenai proses pertukaran energi dalam bentuk kerja dan kalor, sistem pembatas serta lingkungan. Ada banyak aplikasi serta penerapan prinsip termodinamika di kehidupan sehari-hari seperti pembangkit listrik industri, perkakas elektronik, kulkas, mobil dan lainnya.

Prinsip Termodinamika

Termodinamika yang membahas mengenai pertukaran energi berbentuk kerja dan kalor, sistem pembatas dan juga lingkungan. Pertukaran energi berbentuk kalor akan mengalir dari sistem bersuhu tinggi menuju sistem bersuhu rendah.

Sehingga ketika ada dua sistem memiliki suhu yang sama maka kalor tidak akan mengalir di antara kedua sistem tersebut.

Oleh karena itu di dalam hukum 0 Termodinamika dikatakan bahwa apabila dua sistem ada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka ketiga sistem tersebut berada dalam kondisi kesetimbangan termal satu sama lainnya.

Hukum 1 Termodinamika

Hukum 1 Termodinamika berbicara mengenai pemberian kalor terhadap gas di dalam ruang tertutup. Saat gas di dalam ruang tertutup dipanaskan, maka dapat terlihat bahwa volume gas tersebut bertambah dan juga suhu gas meningkat. Fenomena ini bisa dijelaskan di dalam hukum 1 Termodinamika berikut:

“Ketika gas yang ada di ruang tertutup diberi tambahan kalor maka kalor yang diberikan tersebut akan dimanfaatkan untuk melakukan usaha serta mengubah energi yang ada di dalam ruang tertutup”

Bunyi hukum 1 Termodinamika di atas juga dikenal sebagai kekekalan energi dan bisa dituliskan dengan persamaan di bawah ini:

Q = W + ∆U

Berdasarkan persamaan kekekalan energi di atas, maka dapat dicari persamaan perubahan energi dalam pada gas ideal monoatomik sebagai berikut:

∆U = 3/2 x n x R x ∆T

atau bisa juga menggunakan persamaan berikut:

∆U = 3/2 x N x k x ∆T

Keterangan:

Q = Perubahan kalor di dalam sistem
W = Usaha sistem
∆U = Perubahan energi dalam
n = molaritas larutan (mol)
R = Tetap gas (Joule/Kelvin)

Hukum 2 Termodinamika

Pada Hukum 1 Termodinamika berbicara mengenai hukum kekekalan energi dimana energi tidak dapat diciptakan dan tidak bisa dimusnahkan. Energi yang ada di dalam hanya dapat diubah dari bentuk satu ke bentuk yang lain. Namun, pada kenyataannya ternyata energi tidak bisa diubah sekehendak manusia.

Pada beberapa kasus, proses perubahan energi tidak dapat dibalik arahnya sehingga disebut dengan proses irreversible. Sementara proses yang bisa dibalik arahnya disebut proses reversible. Hukum II Termodinamika membatasi perubahan energi mana saja yang bisa terjadi dan tidak bisa terjadi.

Hukum 2 Termodinamika terkait dengan pernyataan aliran kalor yakni:

“Kalor akan mengalir secara spontan dari benda yang memiliki suhu tinggi ke benda yang suhunya rendah dan kalor tidak mengalir secara spontan dengan arah kebalikannya.”

Sementara hukum 2 Termodinamika terkait dengan mesin kalor berbunyi bahwa:

“Mesin kalor dalam satu siklus tidak bisa dibuat yang bekerja hanya menyerap kalor dari suatu reservoir serta mengubah seluruh kalor tersebut menjadi usaha luar.”

Hukum 2 Termodinamika terkait pernyataan entropi berbunyi bahwa:

“Total entropi semesta tidak akan berubah saat proses reversible terjadi serta total entropi semesta akan bertambah saat proses irreversible terjadi.”

Hukum 3 Termodinamika

Hukum 3 Termodinamika berbicara mengenai kondisi sistem saat suhu atau temperatur 0 absolut. Hukum 3 Termodinamika berbunyi bahwa:

“Ketika sistem sudah mencapai temperatur nol absolut, seluruh prosesnya akan berhenti serta entropi sistem akan mendekati nilai minimum.”

Dari hukum 3 Termodinamika ini bisa disimpulkan bahwa entropi benda berbentuk struktur Kristal sempurna pada suhu nol absolut.

Rumus Termodinamika

Proses termodinamika merupakan proses yang melibatkan perubahan keadaan gas, yakni volume, suhu dan tekanannya. Perubahan keadaan ini diiringi oleh perubahan kalor, energi dan usaha di dalamnya.

Proses perubahan keadaan gas ini dibagi ke dalam 4 contoh yang memiliki sifat khusus yakni proses isobarik, proses isokhoris, proses isotermis, dan proses adiabatis.

1. Pada proses isobarik tekanan pada sistem bernilai tetap bisa digambarkan dengan persamaan berikut ini:

W = P (Vb – Va)

W = P x ∆V

Q = W + ∆U

2. Pada proses isokhoris terjadi proses perubahan gas dengan volume tetap. Karena volume gas tetap maka usaha yang terjadi dalam gas ini adalah nol W = 0. Sehingga berlaku prinsip:

Q = ∆U

3. Pada proses isotermis berlaku kondisi dimana besar suhu bernilai tetap sehingga tidak terjadi perubahan energi di dalam sistem sehingga usaha yang terjadi bisa dihitung berdasarkan luas daerah di bawah kurva isotermis berikut:

∆U = 0

W = n x R x T x Pn x (Vb/Va)

4. Sementara pada proses adiabatis yang terjadi pada sistem adalah tidak adanya perubahan kalor di dalam sistem sehingga digunakan persamaan di bawah ini:

Q = 0

W = -∆U

Contoh Soal Termodinamika

• Contoh Soal 1

Pada gas yang terdapat di dalam ruang tertutup kemudian dialirkan kalor sebesar 500 Joule. Selanjutnya gas tersebut dikenai kerja sebesar 220 Joule. Tentukan perubahan energi yang terjadi di dalam gas?

• Contoh Soal 2

Sejumlah gas ideal mengalir dengan proses isobarik (Tekanan tetap) pada tekanan sistem 2 atm. Apabila volume gas berubah dari 1,5 liter menjadi 3 liter, tentukan usaha gas yang terjadi.

Ada banyak contoh aplikasi prinsip termodinamika di kehidupan sehari-hari. Minuman hangat yang disimpan di dalam termos adalah salah satu prinsip fisika termodinamika. Apalagi konsep fisika ini juga banyak dimanfaatkan dalam skala kecil hingga besar.