Bagi banyak orang, termodinamika terdengar seperti cabang fisika menakutkan yang hanya bisa dipahami oleh orang pintar . Tetapi dengan beberapa pengetahuan dasar dan sedikit usaha, siapa pun dapat memahami bidang studi ini.
Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari kejadian-kejadian dalam sistem fisika akibat perpindahan energi kalor. Fisikawan dari Sadi Carnot hingga Rudolf Clausius dan James Clerk Maxwell hingga Max Planck semuanya memiliki andil dalam perkembangannya.
Definisi Termodinamika
Kata “termodinamika” berasal dari akar bahasa Yunani thermos , yang berarti panas atau hangat, dan dynamikos , yang berarti kuat, meskipun interpretasi selanjutnya dari akar atribut makna tindakan dan gerak untuk itu. Intinya, termodinamika adalah studi tentang energi panas yang bergerak.
Termodinamika berkaitan dengan bagaimana energi panas dapat dihasilkan dan diubah menjadi berbagai bentuk energi seperti energi mekanik. Ini juga mengeksplorasi gagasan keteraturan dan ketidakteraturan dalam sistem fisik serta efisiensi energi dari berbagai proses.
Studi mendalam tentang termodinamika juga sangat bergantung pada mekanika statistik untuk memahami teori kinetik dan sebagainya. Gagasan dasarnya adalah bahwa proses termodinamika dapat dipahami dari segi apa yang dilakukan oleh semua molekul kecil dalam suatu sistem.
Masalahnya adalah, bagaimanapun, bahwa tidak mungkin untuk mengamati dan memperhitungkan tindakan individu masing-masing molekul, sehingga metode statistik diterapkan sebagai gantinya, dan dengan akurasi yang tinggi.
Sejarah Singkat Termodinamika
Beberapa karya dasar yang berkaitan dengan termodinamika dikembangkan sejak tahun 1600-an. Hukum Boyle, yang dikembangkan oleh Robert Boyle, menentukan hubungan antara tekanan dan volume, yang akhirnya menghasilkan hukum gas ideal jika digabungkan dengan hukum Charles dan Hukum Gay-Lussac.
Baru pada tahun 1798 panas dipahami sebagai bentuk energi oleh Count Rumford (alias Sir Benjamin Thompson). Dia mengamati bahwa panas yang dihasilkan sebanding dengan kerja yang dilakukan dalam memutar alat bor.
Pada awal 1800-an, insinyur militer Prancis Sadi Carnot melakukan banyak pekerjaan dalam mengembangkan konsep siklus mesin panas, serta gagasan reversibilitas dalam proses termodinamika. (Beberapa proses bekerja dengan baik mundur dalam waktu seperti maju dalam waktu; proses tersebut disebut reversibel. Banyak proses lain hanya bekerja dalam satu arah.)
Karya Carnot mengarah pada pengembangan mesin uap.
Belakangan, Rudolf Clausius merumuskan hukum termodinamika pertama dan kedua, yang akan dijelaskan nanti dalam artikel ini. Bidang termodinamika berkembang pesat pada tahun 1800-an ketika para insinyur bekerja untuk membuat mesin uap lebih efisien.
Properti Termodinamika
Sifat dan kuantitas termodinamika meliputi hal-hal berikut:
- Panas , yang merupakan energi yang ditransfer antara benda-benda pada suhu yang berbeda.
- Suhu , yang merupakan ukuran energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat.
- Energi internal , yang merupakan jumlah energi kinetik molekul dan energi potensial dalam suatu sistem molekul.
- Tekanan , yang merupakan ukuran gaya per satuan luas pada wadah yang menampung suatu zat.
- Volume adalah ruang tiga dimensi yang ditempati suatu zat.
- Keadaan mikro adalah keadaan di mana molekul individu berada.
- Makrostat adalah keadaan yang lebih besar di mana kumpulan molekul berada.
- Entropi adalah ukuran ketidakteraturan dalam suatu zat. Ini secara matematis didefinisikan dalam keadaan mikro, atau setara, dalam hal perubahan panas dan suhu.
Definisi Istilah Termodinamika
Banyak istilah ilmiah yang berbeda digunakan dalam studi termodinamika. Untuk menyederhanakan penyelidikan Anda sendiri, berikut adalah daftar definisi istilah yang umum digunakan:
- Kesetimbangan termal atau kesetimbangan termodinamika: Suatu keadaan di mana semua bagian dari sistem tertutup berada pada suhu yang sama.
- Kelvin nol mutlak: Kelvin adalah satuan SI untuk suhu. Nilai terendah pada skala ini adalah nol, atau nol mutlak. Ini adalah suhu terdingin yang mungkin.
- Sistem termodinamika: Setiap sistem tertutup yang berisi interaksi dan pertukaran energi panas.
- Sistem terisolasi: Sistem yang tidak dapat bertukar energi dengan apa pun di luarnya.
- Energi panas atau energi panas: Ada banyak bentuk energi yang berbeda; diantaranya adalah energi panas, yaitu energi yang berhubungan dengan gerak kinetik molekul-molekul dalam suatu sistem.
- Energi bebas Gibbs: Potensi termodinamika yang digunakan untuk menentukan jumlah maksimum kerja reversibel dalam suatu sistem.
- Kapasitas panas spesifik: Jumlah energi panas yang diperlukan untuk mengubah suhu satuan massa suatu zat sebesar 1 derajat. Itu tergantung pada jenis zat dan merupakan angka yang biasanya dicari di tabel.
- Gas ideal: Model gas yang disederhanakan yang berlaku untuk sebagian besar gas pada suhu dan tekanan standar. Molekul gas itu sendiri diasumsikan bertabrakan dalam tumbukan elastis sempurna. Diasumsikan juga bahwa jarak molekul sangat jauh satu sama lain sehingga mereka dapat diperlakukan seperti massa titik.
Hukum Termodinamika
Ada tiga hukum utama termodinamika (disebut hukum pertama, hukum kedua, dan hukum ketiga), tetapi ada juga hukum nol. Hukum-hukum ini dijelaskan sebagai berikut:
Hukum ke nol termodinamika mungkin yang paling intuitif. Jika zat A berada dalam kesetimbangan termal dengan zat B, dan zat B berada dalam kesetimbangan termal dengan zat C, maka zat A harus berada dalam kesetimbangan termal dengan zat C.
Hukum pertama termodinamika pada dasarnya merupakan pernyataan hukum kekekalan energi. Ini menyatakan bahwa perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan selisih antara energi panas yang ditransfer ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungannya.
Hukum kedua termodinamika , kadang-kadang disebut sebagai hukum yang mengimplikasikan anak panah waktu – menyatakan bahwa total entropi dalam sistem tertutup hanya dapat tetap konstan atau meningkat seiring berjalannya waktu. Entropi dapat dianggap secara longgar sebagai ukuran ketidakteraturan suatu sistem, dan hukum ini dapat dianggap secara longgar sebagai pernyataan bahwa “segala sesuatu cenderung bercampur semakin Anda mengocoknya, bukan tidak tercampur.”
Hukum termodinamika ketiga menyatakan bahwa entropi suatu sistem mendekati nilai konstan ketika suhu sistem mendekati nol mutlak. Karena pada nol mutlak, tidak ada gerakan molekuler, masuk akal jika entropi tidak akan berubah pada titik tersebut.
Mekanika Statistik
Termodinamika memanfaatkan mekanika statistik. Ini adalah cabang fisika yang menerapkan statistik pada fisika klasik dan kuantum.
Mekanika statistik memungkinkan para ilmuwan bekerja dengan besaran makroskopik dengan cara yang lebih mudah dibandingkan dengan besaran mikroskopis. Pertimbangkan suhu, misalnya. Ini didefinisikan sebagai energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat.
Bagaimana jika sebaliknya Anda perlu menentukan energi kinetik sebenarnya dari setiap molekul, dan lebih dari itu, melacak setiap tumbukan antar molekul? Hampir tidak mungkin untuk membuat kemajuan apa pun. Alih-alih, teknik statistik digunakan yang memungkinkan untuk memahami suhu, kapasitas panas, dan sebagainya sebagai sifat material yang lebih besar.
Properti ini menggambarkan perilaku rata-rata yang terjadi di dalam materi. Hal yang sama berlaku untuk kuantitas seperti tekanan dan entropi.
Mesin Panas dan Mesin Uap
Mesin panas adalah sistem
termodinamika yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Mesin uap merupakan salah satu contoh mesin kalor. Mereka bekerja dengan menggunakan tekanan tinggi untuk menggerakkan piston.
Mesin panas beroperasi pada semacam siklus lengkap. Mereka memiliki semacam sumber panas, yang biasanya disebut penangas panas, yang memungkinkan mereka menyerap energi panas. Energi panas itu kemudian menyebabkan semacam perubahan termodinamika di dalam sistem, seperti peningkatan tekanan atau pemuaian gas.
Ketika gas mengembang, ia bekerja di lingkungan. Terkadang ini terlihat seperti menyebabkan piston bergerak di dalam mesin. Di akhir siklus, rendaman air dingin digunakan untuk mengembalikan sistem ke titik awalnya.
Efisiensi dan Siklus Carnot
Mesin panas mengambil energi panas, menggunakannya untuk melakukan pekerjaan yang bermanfaat dan kemudian juga melepaskan atau kehilangan sebagian energi panas ke lingkungan selama proses berlangsung. Efisiensi mesin kalor didefinisikan sebagai rasio keluaran kerja yang bermanfaat dengan masukan kalor bersih.
Tidak mengherankan, para ilmuwan dan insinyur menginginkan mesin kalor mereka seefisien mungkin – mengubah masukan energi panas dalam jumlah maksimum menjadi kerja yang berguna. Anda mungkin berpikir bahwa mesin panas yang paling efisien adalah 100 persen efisien, tetapi ini tidak benar.
Faktanya, ada batasan efisiensi maksimum dari mesin kalor. Efisiensi tidak hanya tergantung pada jenis proses dalam siklus, bahkan ketika proses terbaik (proses yang dapat dibalik) digunakan, mesin panas yang paling efisien dapat bergantung pada perbedaan suhu relatif antara penangas panas dan mandi air dingin.
Efisiensi maksimum ini disebut efisiensi Carnot, dan ini adalah efisiensi siklus Carnot, yang merupakan siklus mesin kalor yang terdiri dari proses yang sepenuhnya dapat dibalik.
Aplikasi Termodinamika Lainnya
Ada banyak aplikasi termodinamika untuk proses yang terlihat dalam kehidupan sehari-hari. Ambil kulkas Anda, misalnya. Kulkas beroperasi dari siklus termodinamika.
Pertama kompresor memampatkan uap refrigeran, yang menyebabkan kenaikan tekanan dan mendorongnya ke depan menjadi gulungan yang terletak di bagian belakang luar lemari es Anda. Jika Anda merasakan gulungan ini, mereka akan terasa hangat saat disentuh.
Udara di sekitarnya menyebabkan mereka mendingin, dan gas panas berubah kembali menjadi cairan. Cairan ini mendingin pada tekanan tinggi saat mengalir ke gulungan di dalam lemari es, menyerap panas dan mendinginkan udara. Setelah cukup panas, menguap menjadi gas lagi dan masuk kembali ke kompresor, dan siklus berulang.
Pompa panas, yang dapat memanaskan dan mendinginkan rumah Anda, bekerja dengan prinsip yang sama.
