Kata termodinamika berasal dari kata Yunani termos yang berarti panas dan dinamika yang berarti kekuatan. Alih-alih dikelompokkan dalam keluarga kimia, termodinamika adalah bagian dari keluarga fisika.
Pada dasarnya, termodinamika adalah ilmu yang mempelajari perubahan suhu, tekanan, dan volume pada sistem fisik pada skala makroskopik dengan menganalisis gerakan kolektif partikel mereka melalui pengamatan dan statistik.
Karena panas berarti energi dalam perjalanan dan dinamika dikaitkan dengan gerakan; termodinamika mempelajari pergerakan energi dan bagaimana energi menciptakan gerakan.
Sejarah Termodinamika dan Kalor
Sebelum abad ke-19, ada anggapan umum bahwa sejauh mana suatu benda terasa panas atau dingin didasarkan pada jumlah kalor yang dikandungnya.
Pada saat ini, kalor dibayangkan sebagai cairan yang mengalir dari benda panas ke benda dingin. Selama waktu ini, cairan tanpa bobot disebut “kalori”. Ini tetap menjadi kasus sampai Joseph Black (1728-1799) menghasilkan temuan bahwa ada hubungan antara kuantitas (kalori) dan intensitas (suhu) panas sebagai lawan tidak ada perbedaan antara panas dan suhu.
Akhirnya, pada tahun 1847, J.P. Joule menerbitkan makalah definitif yang mengkonfirmasi gagasan bahwa kalor adalah bentuk energi. Setelah serangkaian percobaan yang dilakukan oleh Joule, et. al., Helmholtz mampu menunjukkan secara nyata bagaimana berbagai bentuk energi dapat diubah dari satu ke yang lain.
Apa itu Termodinamika
Termodinamika adalah bidang ilmu yang meliputi hubungan antara panas dan jenis energi lainnya. Termodinamika ditemukan dan diteliti awal tahun 1800-an. Pada saat itu, itu terkait dengan dan mendapat perhatian karena penggunaan mesin uap.
Dalam termodinamika, ada empat hukum. Berbasis luas dalam aplikasi mereka, mereka dapat bermanfaat bagi semua jenis sistem selama elemen yang berfungsi berkaitan dengan keseimbangan energi dan pemindahan materi. Contoh-contoh yang sangat luas dari penerapan hukum termodinamika ini termasuk, pada pergantian abad ke-20, teori Einstein tentang emisi spontan serta penelitian saat ini yang dilakukan pada termodinamika lubang hitam.
Hukum Termodinamika
Termodinamika dapat dipecah menjadi empat hukum. Meskipun hukum yang ke nol ditambahkan ke dalam hukum termodinamika setelah tiga hukum lainnya, hukum ke nol biasanya dibahas terlebih dahulu. Ini menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.
Dengan kata lain, jika dua sistem memiliki temperatur yang sama dengan sistem yang ketiga, maka ketiganya memiliki suhu yang sama.
Hukum Pertama Termodinamika (Kekekalan Energi).
Ketika kalor diubah menjadi bentuk energi lain, atau ketika bentuk energi lain diubah menjadi panas, jumlah total energi (panas plus bentuk lain) dalam sistem adalah konstan.
Bunyi Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi total sistem tetap konstan, bahkan jika itu diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Misalnya, energi kinetik – energi yang dimiliki benda ketika bergerak – diubah menjadi energi panas ketika sopir menekan rem pada mobil untuk memperlambatnya.
Mungkin Anda sering mendengar frase untuk membantu orang mengingat hukum pertama termodinamika: “Usaha adalah kalor, dan kalor adalah usaha.” Pada dasarnya, usaha dan kalor adalah setara.
Hukum Kedua Termodinamika (Entropi).
Total entropi (pengukuran energi internal) dari setiap sistem termodinamika terisolasi cenderung meningkat dari waktu ke waktu, mendekati nilai maksimum.
Hukum kedua termodinamika adalah salah satu hukum yang paling dasar dalam ilmu pengetahuan. Ini menyatakan bahwa kalor tidak bisa mengalir ke sistem pada suhu yang lebih tinggi dari sistem pada suhu yang lebih rendah dengan kemauan sendiri.
Untuk tindakan tersebut dapat terjadi, usaha harus dilakukan. Jika es batu ditempatkan dalam secangkir air hangat, es batu mencair saat panas air mengalir ke dalamnya. Hasil akhirnya adalah secangkir air yang sedikit dingin. Es batu hanya bisa terbentuk jika menggunakan energi dari luar.
Contoh lain dari hukum kedua hanya bekerja dengan penambahan energi dapat dilihat pada kulkas model lama. Dalam hal ini, pendinginan dari dalam kulkas menghangatkan di bagian luar kulkas. Jadi, usaha yang digunakan akan menimbulkan kalor.
Hukum kedua termodinamika juga mengatakan bahwa sesuatu dapat menjadi aus. Sebagai contoh, jika sebuah rumah bata dibiarkan tidak terawat, akhirnya akan runtuh karena angin, hujan, dingin, dan kondisi cuaca lainnya. Namun, jika tumpukan batu bata jika dibiarkan tanpa pengawasan, tidak akan pernah membentuk sebuah rumah, kecuali usaha telah ditambahkan ke dalam campuran.
Hukum Ketiga Termodinamika (Suhu Nol Mutlak).
Sebagai suatu sistem yang secara asimptotik mendekati nol absolut dari suhu, semua proses secara virtual berhenti dan entropi dari sistem secara asimptotik mendekati nilai minimum.
Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi dari suatu sistem ketika berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya suhunya mendekati nol pada skala Kelvin. Nol pada skala Kelvin adalah mutlak batas bawah suhu – ketika atom dan molekul memiliki energi paling mungkin. Entropi didefinisikan sebagai ketersediaan energi sistem untuk melakukan usaha. Jadi, berikut bahwa ada skala absolut entropi. Akibatnya, tidak ada sistem nyata yang bisa mencapai nol derajat pada skala Kelvin.
Termodinamika: Skala Suhu
Selaras dengan Hukum Ketiga Termodinamika, selain itu, terdiri dari semua prinsip inti termodinamika, Skala Suhu Termodinamika (juga dikenal sebagai skala absolut atau Kelvin) dianggap sebagai ukuran absolut suhu.
Ini adalah skala absolut bukan hanya karena digunakan untuk mengukur suhu atau panas, tetapi juga mengukur sifat mendasar yang mendasari suhu, yaitu titik nol atau nol pada skala suhu termodinamika.
Menurut definisi, nol absolut adalah suhu serendah mungkin di mana tidak ada yang lebih dingin dan tidak ada lagi energi panas yang dapat diekstraksi dari suatu zat.
Skala suhu termodinamika dinyatakan identik dengan skala suhu gas. Ini didasarkan pada interpretasi mikroskopis (terperinci) suhu, yang mengusulkan bahwa besaran terukur makroskopik (berbasis luas) yang dikenal sebagai suhu adalah hasil dari gerakan acak dari partikel individu yang membentuk suatu sistem.
Termodinamika: Sistem
Konsep penting dalam termodinamika adalah sistem. Suatu sistem adalah wilayah alam semesta yang dianggap sedang menjalani studi.
Sebuah sistem dipisahkan dari sisa alam semesta dengan batas imajiner atau nyata. Batas ini membantu mengikat area tertentu, dan juga menentukan volume tertentu. Di seberang batas yang digambarkan, pertukaran usaha, panas, dan / atau materi antara sistem dan sekitarnya terjadi.
Dalam termodinamika, ada lima kelas utama sistem yaitu:
- Sistem Terisolasi. Di mana materi dan energi tidak melewati batas.
- Sistem Adiabatik. Dimana panas tidak melewati batas.
- Sistem Diathermic. Di mana panas dapat melintasi batas.
- Sistem Tertutup. Di mana materi tidak melewati batas.
- Sistem Terbuka. Di mana panas, kerja, dan materi dapat melintasi batas.
Dalam sistem yang terisolasi, keseluruhan perbedaan internal dalam sistem akhirnya meratakan; perbedaan tekanan, suhu, dan kepadatan cenderung seimbang. Ketika suatu sistem memiliki area yang hampir semuanya sama, ia dianggap berada dalam kondisi kesetimbangan termodinamika.
Dalam kesetimbangan termodinamika, menurut definisi, sifat-sifat sistem tidak berubah seiring waktu. Pada dasarnya, sistem dalam ekuilibrium jauh lebih sederhana dan lebih mudah dipahami daripada sistem yang tidak dalam ekuilibrium. Sering kali, ketika menganalisis proses termodinamika, dapat diasumsikan bahwa setiap keadaan perantara berada pada kesetimbangan. Ini juga membantu menyederhanakan pengukuran proses.
Dan terakhir, proses termodinamika yang berkembang pada kecepatan sangat lambat di mana setiap langkah perantara dikatakan setimbang diklasifikasikan sebagai proses reversibel.
Termodinamika: Parameter
Konsep sentral termodinamika berkisar pada gagasan energi, karenanya, kemampuan untuk melakukan usaha. Sebagaimana dijelaskan oleh hukum pertama, tingkat energi seluruh sistem, serta lingkungannya, adalah kekal. Energi dapat ditransfer ke benda melalui sarana seperti: pemanasan, kompresi, atau dengan penambahan lebih banyak materi. Ini dapat diekstraksi dengan: pendinginan, ekspansi, atau ekstraksi materi.
Untuk memberikan sarana perbandingan, dalam mekanika, transfer energi dihasilkan dari gaya yang menyebabkan perpindahan. Dengan demikian, produk keduanya sama dengan jumlah total energi yang ditransfer. Dalam pengertian yang sama, sistem termodinamika memerlukan transfer energi yang dihasilkan oleh gaya umum yang menyebabkan perpindahan umum. Dengan demikian, produk dari keduanya sama dengan jumlah total energi yang sedang ditransfer.
Secara khusus, pasangan gaya-perpindahan termodinamik disebut, “variabel konjugasi.” Yang paling umum adalah: tekanan-volume (parameter mekanik), temperatur-entropi (parameter termal), dan nomor partikel potensial kimia (parameter material).
Termodinamika: Keadaan
Di bawah seperangkat kondisi tertentu, ketika suatu sistem berada pada kesetimbangan, dikatakan ada dalam keadaan tertentu. Keadaan sistem dapat dijelaskan oleh variabel intensif dan ekstensif. Pada gilirannya, sifat-sifat sistem dapat dijelaskan oleh persamaan keadaan yang menentukan sifat hubungan yang ada di antara variabel.
Keadaan dapat dianggap sebagai deskripsi kuantitatif langsung dari suatu sistem di mana sejumlah variabel yang telah ditetapkan dipertahankan konstan.
Termodinamika: Proses
Definisi untuk proses termodinamika adalah transformasi energi-termodinamika dari sistem termodinamika di mana ia bergerak dari keadaan pengantar ke yang terakhir.
Untuk sebagian besar, setiap proses termodinamika dapat dibedakan dari proses lainnya. Contoh-contoh tetap dari beberapa karakteristik khusus tertentu yang memisahkan satu dari yang lain meliputi: jumlah energi, parameter proses, suhu, tekanan, dan volume material.
Catatan: Telah ditemukan berguna untuk mengelompokkan proses-proses ini menjadi berpasangan, di mana setiap variabel yang dipegang konstan adalah satu anggota dari pasangan konjugat.
Enam proses termodinamika yang paling umum adalah sebagai berikut:
- Proses isobarik. Berlangsung pada tekanan konstan.
- Proses isokorik (proses isometrik / isovolumetrik). Berlangsung pada volume konstan.
- Proses isotermal. Berlangsung pada suhu konstan.
- Proses isentropik. Berlangsung pada entropi konstan (jumlah gangguan lingkungan).
- Proses isentalpik. Berlangsung pada entalpi konstan (jumlah panas internal).
- Proses adiabatik. Terjadi dengan kehilangan atau penguatan panas secara konstan.
