Pengertian Termodinamika: Keadaan, Kesetimbangan, hukum

Termodinamika adalah ilmu tentang hubungan antara kalor, usaha, suhu, dan energi. Secara umum, termodinamika berkaitan dengan transfer energi dari satu tempat ke tempat lain dan dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Konsep kuncinya bahwa kalor adalah bentuk energi yang sesuai dengan jumlah pasti usaha mekanik.

Kalor tidak secara resmi diakui sebagai bentuk energi sampai sekitar tahun 1798, ketika Count Rumford (Sir Benjamin Thompson), seorang insinyur militer Inggris, memperhatikan bahwa jumlah panas yang tak terbatas dapat dihasilkan dalam pengeboran barel meriam dan bahwa jumlah panas yang dihasilkan sebanding dengan usaha  yang dilakukan dalam memutar alat.

Pengamatan Rumford tentang proporsionalitas antara kalor yang dihasilkan dan usaha yang dilakukan terletak pada fondasi termodinamika. Pelopor lainnya adalah insinyur militer Prancis Sadi Carnot, yang memperkenalkan konsep siklus mesin kalor dan prinsip reversibilitas pada tahun 1824. Pekerjaan Carnot menyangkut batasan jumlah maksimum usaha yang dapat diperoleh dari mesin uap yang beroperasi dengan perpindahan kalor suhu tinggi sebagai kekuatan pendorongnya. Belakangan pada abad itu, ide-ide ini dikembangkan oleh Rudolf Clausius, seorang ahli matematika dan fisika Jerman, masing-masing ke dalam hukum termodinamika pertama dan kedua.

Keadaan termodinamika

Kondisi sistem pada waktu tertentu disebut keadaan termodinamika. Untuk gas dalam silinder dengan piston yang dapat digerakkan, keadaan sistem diidentifikasi oleh suhu, tekanan, dan volume gas. Sifat ini adalah parameter karakteristik yang memiliki nilai tertentu di setiap keadaan bagian dan tidak tergantung pada cara sistem mencapai kondisi tersebut. Dengan kata lain, setiap perubahan nilai properti hanya bergantung pada kondisi awal dan akhir sistem, bukan pada jalur yang diikuti oleh sistem dari satu kondisi ke kondisi lainnya. Properti seperti itu disebut fungsi keadaan. Sebaliknya, usaha yang dilakukan saat piston bergerak dan gas mengembang dan kalor yang diserap gas dari sekitarnya tergantung pada cara terperinci di mana ekspansi terjadi.

Perilaku sistem termodinamika yang kompleks, seperti atmosfer Bumi, dapat dipahami dengan terlebih dahulu menerapkan prinsip keadaan dan sifat-sifat pada bagian-bagian komponennya — dalam hal ini, air, uap air, dan berbagai gas yang membentuk atmosfer. Dengan mengisolasi sampel bahan yang keadaan dan sifatnya dapat dikontrol dan dimanipulasi, sifat dan keterkaitannya dapat dipelajari ketika sistem berubah dari keadaan ke keadaan.

Kesetimbangan termodinamika

Konsep yang sangat penting adalah kesetimbangan termodinamika, di mana tidak ada kecenderungan keadaan sistem berubah secara spontan. Sebagai contoh, gas dalam silinder dengan piston yang dapat bergerak akan berada pada kesetimbangan jika suhu dan tekanan di dalamnya seragam dan jika kekuatan penahan pada piston hanya cukup untuk membuatnya tidak bergerak.

Sistem kemudian dapat dibuat untuk mengubah ke keadaan baru hanya dengan perubahan yang dipaksakan secara eksternal di salah satu fungsi keadaan, seperti suhu dengan menambahkan kalor atau volume dengan menggerakkan piston. Urutan satu atau lebih langkah-langkah seperti itu yang menghubungkan berbagai kondisi sistem disebut proses.

Secara umum, suatu sistem tidak berada dalam kesetimbangan karena ia menyesuaikan diri dengan perubahan yang tiba-tiba di lingkungannya. Misalnya, ketika balon meledak, gas yang terkompresi di dalamnya tiba-tiba jauh dari keseimbangan, dan dengan cepat mengembang hingga mencapai keadaan keseimbangan baru. Namun, keadaan akhir yang sama dapat dicapai dengan menempatkan gas terkompresi yang sama di dalam silinder dengan piston yang dapat digerakkan dan menerapkan serangkaian peningkatan volume kecil (dan suhu), dengan sistem diberi waktu untuk mencapai kesetimbangan setelah masing-masing perlahan dinaikan.

Proses semacam itu dikatakan reversibel karena sistem berada pada (atau dekat) kesetimbangan pada setiap langkah di sepanjang jalurnya, dan arah perubahan dapat dibalik pada titik mana pun. Contoh ini menggambarkan bagaimana dua jalur berbeda dapat menghubungkan kondisi awal dan akhir yang sama. Yang pertama bersifat ireversibel (balon meledak), dan yang kedua bersifat reversibel. Konsep proses reversibel adalah sesuatu seperti gerak tanpa gesekan dalam mekanika. Ini merupakan kasus pembatasan ideal yang sangat berguna dalam membahas sifat-sifat sistem nyata. Banyak hasil termodinamika berasal dari sifat proses reversibel.

Hukum termodinamika

Hukum termodinamika yang paling penting adalah:

Hukum nol termodinamika.

Ketika dua sistem masing-masing dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, dua sistem pertama berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Sifat ini membuatnya bermakna untuk menggunakan termometer sebagai “sistem ketiga” dan untuk menentukan skala suhu.

Hukum termodinamika pertama, atau hukum kekekalan energi.

Perubahan energi internal sistem sama dengan perbedaan antara kalor yang ditambahkan ke sistem dari lingkungannya dan usaha yang dilakukan oleh sistem di sekitarnya.

Hukum kedua termodinamika.

Kalor tidak mengalir secara spontan dari daerah yang lebih dingin ke daerah yang lebih panas, atau, yang setara, kalor pada suhu tertentu tidak dapat dikonversi seluruhnya menjadi usaha. Akibatnya, entropi sistem tertutup, atau energi kalor per unit suhu, meningkat seiring waktu menuju beberapa nilai maksimum. Dengan demikian, semua sistem tertutup cenderung menuju keadaan kesetimbangan di mana entropi mencapai maksimum dan tidak ada energi yang tersedia untuk melakukan usaha yang bermanfaat. Asimetri antara proses maju dan mundur ini memunculkan apa yang dikenal sebagai “panah waktu”.

Hukum ketiga termodinamika.

Entropi kristal sempurna suatu unsur dalam bentuknya yang paling stabil cenderung nol ketika suhu mendekati nol mutlak. Ini memungkinkan skala absolut untuk entropi  didefinisikan yatiu, dari sudut pandang statistik, menentukan tingkat keacakan atau gangguan dalam suatu sistem.

Meskipun termodinamika berkembang pesat selama abad ke-19 sebagai tanggapan terhadap kebutuhan untuk mengoptimalkan kinerja mesin uap, generalisasi yang luas dari hukum termodinamika menjadikannya berlaku untuk semua sistem fisik dan biologis. Secara khusus, hukum termodinamika memberikan deskripsi lengkap tentang semua perubahan dalam keadaan energi sistem apa pun dan kemampuannya untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat di sekitarnya.

Artikel ini mencakup termodinamika klasik, yang tidak melibatkan pertimbangan atom atau molekul individu. Kekhawatiran tersebut adalah fokus dari cabang termodinamika yang dikenal sebagai statistik termodinamika, atau mekanika statistik, yang mengekspresikan sifat termodinamika makroskopik dalam hal perilaku partikel individu dan interaksinya. Ini berakar pada bagian akhir abad ke-19, ketika teori atom dan molekul materi mulai diterima secara umum.

Pengertian Termodinamika

Tinggalkan Balasan