Hukum I dan II Termodinamika

PENDAHULUAN

          Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Termodinamika hanya mempelajari besaran-besaran yang berskala besar (makroskopis) dari sistem yang dapat diamati dan diukur dalam eksperimen. Dalam Hukum I Termodinamika dinyatakan bahwa energi bersifat kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Namun tidak ada batasan mengenai perubahan energi mana yang dapat terjadi dan tidak dapat terjadi. Batasan-batasan perubahan yang terjadi kemudian dijelaskan lebih lanjut ke dalam Hukum II Termodinamika. Dalam konsep ini dijelaskan mengenai bagaimana perubahan usaha menjadi kalor dapat terjadi, begitu pula mengenai proses sebaliknya.

         Berdasarkan latar belakang tersebut di atas maka akan dikaji mengenai beberapa hal. Diantaranya yaitu tentang Permasalahan Hukum I Termodinamika dan siklus Termodinamika serta Konsep Hukum II Termodinamika dan Perubahan Usaha menjadi Kalor dan Sebaliknya.

PEMBAHASAN

Permasalahan Hukum I Termodinamika dan siklus Termodinamika. 

Pada Hukum I Termodinamika dinyatakan bahwa apabila  sistem  gas  menyerap  kalor  dari  lingkungan  sebesar Q , maka  oleh  sistem mungkin akan diubah menjadi:
a.  usaha luar (W) dan perubahan energi dalam (U),
b.  energi dalam saja (U), dan
c.  usaha luar saja (W).
Atau secara matematis dinyatakan sebagai :

Q=∆U+W 

Agar suatu sistem dapat terus-menerus melakukan usaha yang berguna maka sistem tersebut harus bekerja dalam suatu siklus, yaitu mulai dari suatu keadaan awal dan melalui proses termodinamika kembali ke keadan awalnya. Perubahan  sistem  dari  suatu  keadaan  ke  keadaan  lain,  dan  kembali  berubah  ke  keadaan  semula disebut siklus. Prinsip inilah yang digunakan untuk mesin-mesin kalor, yaitu bahwa agar dapat melakukan usaha secara terus-menerus, sistem harus bekerja dalam suatu siklus.

          Sadi  Carnot,  seorang  insinyur  berkebangsaan  Prancis  pada  tahun  1824 mengembangkan sebuah model mesin ideal – selanjutnya disebut mesin Carnot -, yaitu mesin yang paling efisien dengan siklus yang terdiri dari empat proses yaitu: pemuaian isotermal dan adiabatik, serta pemampatan isotermal dan adiabatik. Adapun usaha total yang dilakukan sistem untuk satu siklus kuivalen  dengan  selisih  antara  kalor  yang  diserap  sistem  dari reservoir  suhu  tinggindengan  kalor  yang  dibuang  sistem pada  reservoir  suhu rendah. Dapat dikatakan bahwan pada mesin Carnot telah terjadi perubahan energi kalor menjadi usaha.

                 Hukum  Kekekalan  Energi  yang  dinyatakan  dalam  Hukum  I  Termodinamika menyatakan  bahwa  energi  dapat  diubah  dari  satu  bentuk  ke  bentuk  lain.  Misalnya, perubahan  usaha  (energi  potensial)  menjadi  energi  kalor  atau  sebaliknya.  Akan  tetapi, tidak semua perubahan energi yang terjadi di alam ini prosesnya dapat dibalik seperti pada Hukum I Termodinamika. Pada Hukum I Termodinamika ini tidak terdapat petunjuk adanya arah dan batasan-batasan perubahan  yang terjadi. 

Adapun permasalahan yang tidak dapat diterangkan dalam Hukum I Termodinamika antara lain :

1. Dapatkah kalor mengalir dari benda yang dingin ke benda yang lebih panas atau dari benda yang  sama  suhunya  dengan tiba­tiba dapat  mengalirkan  kalor, sehingga suhu  kedua benda menjadi berbeda.
2. Dapatkah  energi  kalor  seluruhnya  diubah  menjadi  energi  mekanik  atau  usaha  secara terus­menerus.
3. Dapatkah energi diubah sekehendak kita.
4. Dapatkah energi kalor seluruhnya diubah menjadi usaha.
Jawabannya adalah dapat, tetapi hanya untuk satu proses atau satu tahap saja.

Konsep Hukum II Termodinamika dalam Perubahan Usaha menjadi Kalor dan Sebaliknya

Hukum II Termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain :

Hukum II Termodinamika dalam menyatakan aliran kalor (menurut Rudolf Clausius).

"Kalor  mengalir secara spontan  dari benda bersuhu tinggi ke  benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya."

Hukum II Termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor (menurut Kelvin dan Planck)

"Tidak  mungkin  membuat  suatu  mesin  kalor  yang  bekerja dalam suatu siklus yang semata­mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan megubah seluruhnya menjadi usaha luar."

Hukum II Termodinamika dalam pernyataan entropi.

"Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah  ketika proses irreversibel terjadi."

Proses  Reversibel  :  suatu  proses  yang  dapat  dibalikkan  ke  keadaan  semula  tanpa  mengubah keadaan sekelilingnya.

Proses  Irreversibel  :  suatu  proses  yang  tak  terbalikkan.  Untuk  mengembalikkan  ke  keadaan semula harus mengubah keadaan sekelilingnya.

           Adapun untuk  menjelaskan  tidak  adanya  reversibilitas  para  ilmuwan  merumuskan  prinsip baru,  yaitu  Hukum  II  Termodinamika,  dengan  pernyataan:  “kalor  mengalir  secara alami  dari  benda  yang  panas  ke  benda  yang  dingin,  kalor  tidak  akan  mengalir  secara spontan dari benda dingin ke benda panas”

               Termodinamika  menyatakan  bahwa  proses  alami  cenderung  bergerak  menuju  ke keadaan  ketidakteraturan  yang  lebih  besar.  Ukuran  ketidakteraturan  ini  dikenal  dengan sistem  entropi. Entropi merupakan besaran termodinamika yang menyertai perubahan setiap keadaan dari awal sampai keadaan akhir sistem. Karena entropi menyatakan ketidak teraturan sistem, berarti jika suatu sistem memiliki entropi yang tinggi maka sistem tersebut makin tidak teratur.

            Perubahan entropi suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir. Proses reversibel tidak mengubah total entropi dari semesta, tetapi setiap proses irreversibel selalu menaikkan entrpi semesta.

               Entropi  (  S  )  adalah  suatu  ukuran  banyaknya  energi  atau  kalor  yang  tidak  dapat diubah  menjadi  usaha.  Perubahan  entropi  (  ∆S  )  untuk  sistem  yang  mengalami  proses reversibel dirumuskan sebagai :  

∆S=(Q/T)_reversibel

dimana :
∆S   :   perubahan entropi (JK-1)
Q   :   kalor yang diserap sistem (J)
T   :   suhu mutlak sistem (K


Hukum II termodinamika membatasi arah aliran kalor yang secara alamiah hanya dapat mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Agar kalor  dapat  dialirkan  pada  arah  sebaliknya  diperlukan  usaha  luar. Prinsip inilah yang diaplikasikan pada mesin pendingin.
Aliran kalor pada mesin pendingin merupakan kebalikan dari aliran kalor pada mesin kalor. Usaha yang berasal dari energi listrik digunakan  untuk  menyerap  kalor  dari  makanan  yang  tersimpan dalam  reservoir  dingin  untuk  dibuang  pada  reservoir  panas, yaitu udara disekitar mesin.




Sumber :
Hamid, Abu Ahmad. 2007. Diktat Kuliah Termodinamika. Yogyakarta : Universitas Negeri Yogyakarta.
Astono. 2003. Diktat Termodinamika. Universitas Muhammadiyah Purworejo