Kali ini kita akan membahas sebuah materi pembelajaran fisika kelas 11 XI SMA/SMK/MA semester 1 kurikulum 2013 K13 edisi revisi tahun 2017 2018 yaitu tentang termodinamika, berikut bahasan kita yaitu rangkuman termodinamika, mulai dari pengertian, prinsip-prinsip, rumus, jenis-jenis, sistem, dan hukum termodinamika 1,2 dan 3 serta mesin carnot, siklus carnot dan contoh soal termodinamika dengan jawabannya. Semoga dapat membantu
Termodinamika
Pengertian Termodinamika
Pengertian Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang proses perpindahan energi sebagai kalor dan usaha antara sistem dan lingkungan.
Kalor yaitu perpindahan energi yang disebabkan oleh perbedaan suhu, sedangkan usaha merupakan perubahan energi melalui cara-cara mekanis yang tidak disebabkan oleh perubahan suhu.
Prinsip Prinsip Termodinamika
Prinsip prinsip termodinamika meliputi Mekanika, Panas dan Kalkulus.
Prinsip termodinamika adalah hal alami yang terjadi pada kehidupan sehari-hari. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, termodinamika direkayasa sedemikian rupa sehingga menjadi bentuk mekanisme yang dapat membantu manusia dalam melakukan kegiatannya. Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu termodinamika sejak abad ke-17. Pengembangan ilmu termodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik yaitu perilaku umum partikel zat yang menjadi media pembawa energi.
Rumus Termodinamika Lengkap
Rumus Kesetaraan Kalor dan Energi:
Kalor adalah salah satu bentuk energi. Kesetaraan kalor dalam termodinamika dirumuskan
1 Kalori = 4,186 Joule= 4,2 Joule
1 Joule = 0,24 Kalori
Rumus Gas yang Dipengaruhi Usaha dari Lingkungannya
Gaya sebesar F yang diperlukan oleh piston yang mempunyai luas penampang A untuk menekan gas di dalam ruang tertutup sebesar p dirumuskan F = pA
Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas adalah:
W = pA (h2-h1)
oleh karena A (h2-h1) adalah volume maka dapat disederhanakan
W = p (V2-V1) atau W = p ΔV
dengan
V1 = volume mula-mula
V2 = volume akhir
ΔV = perubahan volume
W = usaha luar yang diterima
p = tekanan gas
Bila W > 0 → sistem melakukan usaha (V2 > V1)
Bila W < 0 → sistem menerima usaha dari lingkungan (V2 < V1)
Rumus Menentukan Usaha Luar menggunakan Grafik
Usaha luar yang dilakukan oleh gas pada tekanan tidak tetap dapat dinyatakan dalam diagrar p-V, yang besarnya sebanding dengan luas daerah di awah kurva:
1. Proses ke arah kanan:
V2 > V1, berarti W bernilai positif
W = p (V2-V1)
2. Proses Kearah Kiri
V2 < V1, sehingga W bernilai negatif
W = -p (V2-V1)
3. Proses Berbentuk Siklus
Proses 1 ke 2 → W = 0
Proses 2 ke 3(ke kanan) → W = positif
Proses 3 ke 4 → W = 0
Proses 4 ke 1 (ke kiri) → W = negatif
W Total = Δp x ΔV (p2-p1) x (V2-V1)
Jenis Jenis Sistem Termodinamika
Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Secara umum ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu antara lain:
1. Sistem Terbuka
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi atau (panas dan kerja), dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar.
Contohnya Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume.
Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah:
- Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem dan
- Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.
2. Sistem Tertutup
Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut.
Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.
Suatu sistem dapat 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 adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat).
Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).
3. Sistem terisolasi
Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya adalah air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun 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 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 dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis koordinat sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai koordinat yang tetap. Apabila koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan.
Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).
Hukum Termodinamika
Pada dasarnya hukum termodinamika ada 4, yaitu Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika, hukum pertama, ke-2 dan ke-3, berikut bunyi dari hukum termodinamika awal kesatukedua dan ketiga berikut penjelasannya:
1. Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum awal menyatakan bahwa “dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya. Hukum ini dimasukkan setelah hukum pertama”.
2. Hukum Pertama Termodinamika
Hukum yang sama juga terkait dengan kasus kekekalan energi. Hukum ini menyatakan “perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup, sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem. Hukum ini dapat diuraikan menjadi beberapa proses, yaitu proses dengan Isokhorik, Isotermik, Isobarik, dan juga adiabatik”.
3. Hukum Ke-2 Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang dikeluarkan oleh kelvin-plank dan clausius.
Pernyataan clausius: “tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari sistem dengan temperatur tertentu ke sistem dengan temperatur yang lebih tinggi”.
Pernyataan kelvin-planck: “tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja kesekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir termal”.
Total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya hal ini disebut dengan prinsip kenaikan entropi” merupakan korolari dari kedua pernyataan diatas (analisis Hukum kedua termodinamika untuk proses dengan menggunakan sifat entropi).
4. Hukum ke-3 Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa “pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol”.