KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

Pengertian

Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari kalor dan usaha. Berasal dari kata therme yang berarti kalor dan dynamics yang berarti kakas atau gaya. Jadi termodinamika berarti kemampuan benda panas menghasilkan usaha. Sekarang pengertian termodinamika berkembang menjadi ilmu yang mempelajari energi beserta perubahannya dan hubungan antara sifat-sifat fisis materi.

Aplikasi Termodinamika

Aplikasi termodinamika dalam kehidupan sehari-hari sangat banyak dan setiap saat selalu berkembang. Secara alamiah dapat dilihat bagaimana energi dapat diubah menjadi kerja yang bermanfaat bagi manusia. Kemampuan manusia menciptakan mesin-mesin yang mampu mengubah kalor menjadi kerja sangat membantu dalam memenuhi kebutuhan energi. Sebagai contoh penerapan prinsip dan metode termodinamika dapat dilihat pada Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), PLTN, refrigerator, mesin kalor, roket dan lain-lain.

Sistem Termodinamika

Setiap penerapan hukum pertama pada suatu bagian diskrit dari alam semesta memerlukan definisi sistem dan lingkungannya. Sistem adalah sejumlah zat yang dibatasi oleh dinding tertutup. Yang dimaksud dengan zat di sini dapat berupa zat padat, cair atau gas, dapat pula dipol magnet, energi radiasi, foton dan lain-lain. Dinding yang membatasi sistem dapat dengan lingkungan dapat dinyatakan nyata atau imajiner, dapat diam atau bergera, dapat berubah ukuran atau bentuknya. Segala sesuatu di luar sistem yang mempunyai pengaruh langsung terhadap sistem disebut lingkungan. Suatu sistem dengan lingkungannya disebut dengan semesta (universe).

Gambar 1. Sistem dan lingkungan

Berdasarkan hubungan antara sistem dengan lingkungannya, sistem dapat dibedakan menjadi tiga, yaitu:

-     Sistem Terisolasi, yaitu bila antara sistem dengan lingkungannya tidak terjadi pertukaran     energi dan materi.

-     Sistem Tertutup, yaitu bila antara sistem dan lingkungannya hanya dapat dipertukarkan       energi, materi tidak dapat menembus sistem tersebut.

-     Sistem Terbuka, bila antara sistem dan lingkungan dapat dipertukarkan energi maupun        materi.

Makroskopik versus Mikroskopik

Pada umumnya terdapat dua pandangan yang bisa diambil untuk menyelidiki karakteristik sistem dan interaksinya dengan lingkungan, yaitu pandangan makroskopik dan pandangan mikroskopik.

Misalnya kita mempunyai silinder mesin mobil yang diisi campuran hidrokarbon dan udara. Setelah campuran tersebut dibakar menghasilkan gas-gas yang diperikan dengan senyawa kimia tertentu. Pernyataan mengenai jumlah zat ini merupakan pemerian komposisi sistem itu. Setiap saat sistem yang diperikan dengan komposisi tersebut akan menempati volume yang ditentukan oleh kedudukan piston. Kuantitas lain yang dapat digunakan untuk memerikan sistem tersebut adalah tekanan dan temperatur. Jadi dengan demikian untuk memerikan sistem campuran hidrokarbon dalam silinder piston dengan empat kuantitas: komposisi, volume, tekanan dan temperatur. Kuantitas ini diacu sebagai ciri umum dari sistem dan merupakan pemerian makroskopik.

Sistem di atas dapat pula diperikan berdasarkan pandangan mikroskopik. Menurut mekanika statistik, sistem diandaikan terdiri atas sejumlah besar N molekul, masing-masing dapat ada dalam keadaan yang energinya E. Molekul ini dianggap saling berinteraksi melalui tumbukan atau melalui gaya yang ditimbulkan oleh medan. Konsep peluang diterapkan, dan keadaan setimbang sistem dianggap sebagai keadaan dengan peluang terbesar. Lebih lanjut bagaimana pemerian secara mikroskopik sistem tersebut akan dipelajari dalam mekanika statistik.

Keseimbangan Termodinamik

Pada umumnya suatu sistem berada dalam keadaan sembarang. Ini berarti bahwa dalam sistem tersebut terdapat perbedaan suhu antara bagian-bagiannya, terdapat variasi tekanan dan reaksi kimia. Apabila sistem itu ditunggu beberapa saat dapatlah terjadi hal-hal berikut:

Apabila perbedaan suhu hilang, maka dapat dikatakan sistem berada dalam keseimbangan termal. Jika variasi tekanan hilang, sistem dapat dikatakan berada dalam keseimbangan mekanik. Dan apabila sudah tidak terdapat lagi reaksi kimia pada sistem itu, dikatakan telah terjadi keseimbangan kimia. Jika ketiga macam keseimbangan telah tercapai, maka dapat dikatakan sistem dalam keseimbangan termodinamik.

Proses

Ketika suatu sistem tertutup bergeser dari keseimbangan, sistem ini menjalani sebuah proses, selama itu sifat-sifat sistem berubah sampai keadaan seimbang yang baru tercapai. Selama proses tersebut, sistem dapat berinteraksi dengan lingkungannya agar dapat menukar kalor atau usaha yang menghasilkan perubahan yang diinginkan dalam sistem atau lingkungan.

Proses termodinamika dapat didefinisikan sebagai energetik evolusi sistem termodinamika yang berubah dari keadaan awal ke keadaan akhir. Biasanya, setiap proses termodinamika dibedakan dari proses lainnya, berdasarkan karakteristik energinya, menurut parameter yang tetap misalnya suhu, tekanan, atau volume, dll. Proses termodinamika ada enam yang paling umum yaitu:

1. Proses isobarik terjadi pada tekanan konstan.

2. Proses isochorik, atau proses isometrik/isovolumetrik, terjadi pada volume konstan.

3. Proses isotermal terjadi pada suhu konstan.

4. Proses isentropik terjadi pada entropi konstan.

5. Proses isenthalpik terjadi pada entalpi konstan.

6. Proses adiabatik terjadi tanpa kehilangan atau mendapatkan panas.

Kalor, Usaha dan Hukum Pertama Termodinamika

Yang dimaksud dengan usaha dW dari suatu kakas F adalah usaha yang dilakukan oleh kakas F tersebut untuk memindahkan partikel yang dikenai kakas sebesar ds. Usaha bukan sifat sistem. Usaha dilakukan oleh sistem dianggap positif dan usaha dilakukan pada sistem dianggap negatif. Usaha total W untuk mengubah volume dari V1 ke V2 adalah   . Usaha adalah fungsi lintasan yang berarti usaha bergantung pada proses. Sedangkan usaha yang dilakukan pada proses peekspansi bebas adalah nol.

Eenergi didefinisikan sebagai besaran yang berubah antara dua keadaan kesetimbangan dan sama dengan usaha adiabatik. Berkurangnya energi antara dua keadaan kesetimbangan sebagai usaha yang dilakukan oleh sistem pada sebarang proses adiabatik antara dua keadaan. Jadi energi merupakan sifat sistem karena hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem. Energi dalam U adalah bagian dari energi total yang hanya bergantung pada keadaan dalam sistem, yang disebut juga sebagai koordinat termodinamik.

Kalor mengalir keluar dari benda yang bersuhu lebih tinggi mengalir masuk ke benda yang bersuhu lebih rendah dengan jumlah kalor yang keluar dan masuk adalah sama. Kalor merupakan fungsi lintasan.

Hukum pertama termodinamika menyatakan pertambahan energi netto dari sistem E2 – E1 sama dengan energi Q mengalir masuk ke sistem sebagai kalor, dikurangi energi yang keluar sebagai usaha E2 – E1 = Q, menyatakan hukum kekekalan energi.

Kapasitas kalor sistem, C, dalam suatu proses yang suhunya berubah sebesar dT, didefinisikan sebagai perbandingan besaran kalor d’Q yang mengalir masuk sistem terhadap perubahan suhu dT. Harga kapasitas kalor pada tekanan konstan, dinyatakan dengan Cp. Jika volume sistem konstan selama proses dengan suhu berubah, kapasitas kalor disebut kapasitas kalor pada volume konstan dan dinyatakan dengan Cv.

Energi dalam gas ideal pada suhu konstan tidak bergantung pada volumenya dituliskan , kapasitas kalor jenis pada volume konstan         
Download materi kuliah di sini.

Sistem Termodinamika dan Spesifikasi Keadaan

Sejumlah tertentu dari bahan yang sedang diteliti disebut sistem. Sistem termodinamik adalah suatu sistem yang keadaannya diperikan oleh besaran-besaran termodinamik. Berdasarkan interaksi dengan lingkungannya, sistem dibedakan menjadi tiga macam, yaitu sistem terbuka, tertutup dan terisolasi.

Keadaan suatu sistem ditentukan oleh beberapa syarat yang disebut sifat sistem, yang biasanya diamati secara kuantitatif yang disebut besaran. Besaran dibagi menjadi dua yaitu, besaran ekstensif dan besaran intensif. Terdapat tiga sifat sistem yang penting yaitu volume, tekanan, dan suhu.

Perbandingan antara besaran ekstensif suatu sistem terhadap massa sistem disebut harga jenis rata-rata dari sistem. Harga jenis molal rata-rata didefinisikan sebagai perbandingan antara harga dari besaran ekstensif dengan jumlah mol dari sistem.

Apabila suatu sistem memenuhi syarat-syarat kesetimbangan mekanis, termal, dan kimiawi maka sistem disebut dalam keadaan kesetimbangan termodinamik.

Proses adalah perubahan suatu sistem dari satu keadaan ke keadaan lain. Dikenal dua jenis proses yaitu kuasistatis dan tidak kuasistatis. Proses kuasistatis dibedakan menjadi proses isotermal, isochoris, isobaris dan adiabatis. Bila dua sistem satu sama lain berada dalam kesetimbangan termal maka suhu kedua sistem tersebut sama. Alat untuk mengukur suhu disebut termometer. Termometer yang baik ditentukan oleh kepekaannya, ketelitiannya dan keterulangannya (dapat diperbanyak) serta kecepatannya mencapai kesetimbangan termal dengan sistem lainnya. Skala yang digunakan dalam keteknikan adalah Rankine dan Fahrenheit, sedangkan dalam satuan metris digunakan skala Kelvin dan Celcius.

Perilaku gas pada tekanan rendah mempunyai hubungan dan disebut sebagai gas ideal.

Terdapat dua model untuk menganalisis campuran beberapa gas yaitu model Dalton, dan model Amagat. Dalam model Dalton, sifat-sifat dari setiap komponen dianggap seolah-olah setiap komponen gas campuran berada pada tekanan terpisah dengan volume campuran. Sedangkan model Amagat, sifat-sifat dari setiap komponen dianggap seolah-olah setiap komponen gas campuran berada terpisah pada volume dengan tekanan campuran.

Sumber : buku wajib.

Download materi power point klik di sini.

Kontrak Perkuliahan

Kuliah Termodinamika menggunakan kontrak perkuliahan sebagai berikut:

Mata Kuliah                            : Termodinamika

Kode Mata Kuliah / SKS        : MKK-123 / 3

Dosen Pengampu                    : Drs. Harto Nuroso, M.Pd.

Semester                                 : 5B

Hari / Jam Pertemuan              : Kamis / 12.50 WIB

Tempat                                    : B3.01

1.        Manfaat Mata Kuliah

Mata kuliah ini bermanfaat bagi mahasiswa pendidikan fisika dalam memahami konsep-konsep dan prinsip-prinsip termodinamika dari sudut klasik. Konsep dan prinsip termodinamika menjadi salah satu landasan berpikir fisika modern dan fisika statistik.

2.        Deskripsi Mata Kuliah  :

Membahas konsep-konsep dasar fisika tentang sistem termodinamika, hukum pertama dan kedua baik untuk sistem tertutup maupun sistem terbuka, entropi, perumusan produksi entropi, ireversibilitas dan analisis daya guna sistem perekayasaan, hubungan termodinamik, persamaan keadaan, dan kriteria kesetimbangan.

3.        Tujuan Pengajaran        :

Mampu menerapkan berbagai azas dan hukum fisika untuk menjabarkan berbagai besaran sistem termodinamika, mampu memecahkan persoalan dalam sistem termodinamika dan mampu menilai berbagai pendekatan serta metode dalam termodinamika.

4.        Organisasi Materi

Materi pembahasan meliputi:

a.       Sistem termodinamika dan spesifikasi keadaannya

b.      Kalor, usaha, dan hukum pertama termodinamika

c.       Sifat-sifat termodinamik zat murni

d.      Analisis hukum pertama termodinamika untuk volume atur

e.       Hukum kedua termodinamika dan entropi

f.       Ireversibilitas, dayaguna (eksergi), dan kriteria kesetimbangan

g.      Hubungan termodinamik dan persamaan keadaan

5.        Strategi Perkuliahan

Perkuliahan termodinamika menggunakan strategi yang bervariasi, pada umumnya diawali dengan presentasi baik dari dosen maupun mahasiswa. Untuk mendalami teori diberikan beberapa contoh soal dan pembahasannya. Di akhir perkuliahan diupayakan ada tugas yang harus dikerjakan oleh mahasiswa.

6.        Materi / Bahan Bacaan

a.       Wajib:

Ainie Khuriati Riza Sulistiati. 2010. Termodinamika. Yogyakarta : Graha Ilmu

b.      Anjuran :

1)        Dimsiki Hadi. 1993. Termodinamika. Jakarta: Ditjen-Dikti.

2)        Sears-Salinger. 1980. Thermodynamics, Kinetic Theory, and Statistical Thermodynamics. Massachusetts: Addison-Wesley.

3)        Sonntag, Borgnakke, and Van Wylen. 2003. Fondamentals of Thermodynamics. New York: John Wiley & Sons.

4)        Zemansky and Dittman. 1986. Kalor dan Termodinamika. Diterjemahkan oleh The Houw Liong. Bandung: Penerbit ITB

7.        Tugas-tugas

a.       Tugas mengerjakan soal tiap bab yang diperlukan.

b.      Membuat makalah tentang aplikasi termodinamika dalam kehidupan sehari-hari.

8.        Kriteria Penilaian

Keberhasilan mahasiswa dalam perkuliahan ini ditentukan oleh prestasi yang bersangkutan dalam :

a.     Aktivitas di kelas, baik dalam memberikan pendapat maupun mengerjakan contoh soal latihan. Aktivitas ini dihitung dengan skor 1

b.    Tugas, baik mengerjakan tugas rumah maupun membuat makalah, dihitung dengan skor 2.

c.     Ujian Tengah Semester, dihitung dengan skor 3.

d.    Ujian Akhir Semester, dihitung dengan skor 4.

Perhitungan nilai angka akhir mahasiswa adalah

NA = (A + 2T + 3UTS + 4UAS) / 10

Dari perhitungan nilai angka tersebut di atas terus dikonversikan ke nilai huruf sesuai ketentuan dalam pedoman akademik IKIP PGRI Semarang

9.        Jadwal Kuliah:

Pertemuan ke / tanggal	Topik Bahasan	Sumber Acuan
Ke-1 / 25 agustus 2011	Pembahasan kontrak perkuliahan dan diskusi mengenai ragam materi dan sumber acuan	Buku wajib dan anjuran
Ke-2 / 15 september	Sistem termodinamika dan spesifikasi keadaannya	Buku wajib
Ke-3 / 22 september	Kalor, usaha, dan hukum pertama termodinamika	Buku wajib
Ke-4 / 29 september	Kalor, usaha, dan hukum pertama termodinamika..... lanjutan	Buku wajib
Ke-5 / 6 oktober	Sifat-sifat termodinamik zat murni	Buku wajib
Ke-6 / 13 oktober	Analisis hukum pertama termodinamika untuk volume atur	Buku wajib
Ke-7 / 20 oktober	Analisis hukum pertama termodinamika untuk volume atur .... lanjutan	Buku wajib
Ke-8 / 27 oktober	Ujian Tengah Semester
Ke-9 / 3 nopember	Hukum kedua termodinamika dan entropi	Buku wajib
Ke-10 / 10 nopember	Hukum kedua termodinamika dan entropi ...lanjutan	Buku wajib
Ke-11 / 17 nopember	Hukum kedua termodinamika dan entropi ...lanjutan	Buku wajib
Ke-12 / 24 nopember	Ireversibilitas, dayaguna, dan kriteria kesetimbangan	Buku wajib
Ke-13 / 1 desember	Ireversibilitas, dayaguna, dan kriteria kesetimbangan .... lanjutan	Buku wajib
Ke-14 / 8 desember	Hubungan termodinamik dan persamaan keadaan	Buku wajib
Ke-15 / 15 desember	Hubungan termodinamik dan persamaan keadaan ..... lanjutan	Buku wajib
Ke-16 / ....	Ujian Akhir Semester