Animasi Penerapan Termodinamika

Gambar Mesin Diesel dan Grafiknya

HUKUM KONSERVASI ENERGI

Tenaga atau energi tak dapat diciptakan dan tak pula dapat dimusnahkan (neither can be created nor be destroyed), sehingga senantiasa dalam kuantitas tetap atau konstan, tapi dapat diubah dari satu bentuk energi ke satu atau lebih lain bentuk energi dalam kuantitas total selalu setara. Panas atau bahang (heat) adalah satu bentuk energi, sehingga dapat mengalami perubahan dari dan ke lain bentuk energi dalam kuatitas setara.

Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup (isolated or closed system), kuantitas energi adalah tetap. Jika ada suatu kuantitas energi dari luar sistem ditambahkan ke atau diserap oleh sistem, maka kuantitas energi ditambahkan atau diserap ini, dengan sendirinya adalah setara dengan perubahan energi internal dan kerja terjadi (work done) dalam sistem. Perubahan dimaksud adalah perubahan bersih energi (net change of energi), terlepas dari keberadaan kuantitas lain energi diluar sistem yang digunakan sehingga memungkinan proses perubahan berlangsung.

CONTOH PERPINDAHAN SECARA KONDUKSI

Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel.

Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujung A, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakan energi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut menggetarkan molekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik A. 

Sedang besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan, 

H = laju aliran kalor (J/s atau watt)

Q = kalor yang dipindahkan (joule)

t = waktu (s)

k = konduktivitas termal zat (W/mK)

A = luas penampang melintang (m2)

∆t = perubahan suhu (°C atau K)

l = tebal penghantar (m)

Tabel konduktivitas termal zat

(W/mK)

Bahan	k
Emas	300
Besi	80
Kaca	0.9
Kayu	0.1 – 0.2
Beton	0.9
Air	0.6
Udara	0.024
alumunium	240

Contoh soal:

1. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik sambungan = T. maka

[k . A ∆T/L)] besi = [k . A ∆T/L)] kuningan

k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350)/ l

T= 2600/7= 371,4ºC

KERJA DALAM TERMODINAMIKA

Kerja didefiniskan sebagai hasil kali faktor intensitas (gaya, tekanan, dan lain-lain) dengan faktor kapasitas. Macam-macam kerja yang sering dipakai dalam termodinamika adalah kerja mekanik, kerja listrik, kerja ekspansi, dan lain-lain.

Pada kerja ekspansi, jika terdapat perubahan volume Δ V dari sistem, maka kerja yang akan dilakukan oleh sistem sama dengan P . Δ V, sehingga dW= P . dV. Pada gas, usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V2 – V1)

 Terjadinya perubahan tenaga secara simultan dalam sistem dan disertai kerja terhadap sekelilingnya tersebut, akan timbul suatu sifat termodinamika yang disebut entalpi dengan notasi H. Hubungan besaran dengan kerja dan energi adalah:

    H  =  E + W   

    H  =  E + PV

    ΔH =  ΔE + Δ(PV)

Jika pada tekanan tetap, maka Δ(PV) sama dengan P.ΔV dan ini merupakan jumlah kerja yang dilakukan terhadap sekeliling oleh perubahan volume (ΔV). Jadi pada tekanan tetap

    

ΔH  =  E + P.ΔV

 atau    ΔE  =  H  - P.ΔV

Substitusi persamaan ΔE  =  q – W ke persamaan tersebut, didapat:

    

ΔH  =  q

Kenaikan entalpi sama dengan panas yang diserap oleh sistem pada P tetap. Berdasarkan hal ini H sering dinyatakan sebagai kandungan panas dari sistem. Jika panas ditambahkan ke dalam sistem pada P tetap, maka sebagian besar dari panasnya akan digunakan untuk menaikkan tenaga dalam sistem tersebut dan sisanya digunakan untuk melakukan kerja terhadap sekitarnya.

Dalam analisis termodinamika, perlu adanya suatu konsep yang disebut reversible (reaksi termodinamika reversible). Walaupun di alam tidak mungkin ada proses yang reversible, tetapi secara teoritis dan praktis artinya cukup penting. Proses reversible adalah proses dimana kerja yang terjadi dilakukan oleh gaya gerak yang hanya berbeda sangat kecil (invinitesimal) terhadap gaya yang melawannya.

Kerja yang dilakukan sistem akan semakin besar bila tekanan luar yang harus dilawannya semakin besar. Kerja maksimum akan dilakukan sistem pada saat tekanan kuar sedikit lebih kecil dari tekanan sistem (tekanan gas). Bila tekanan luar sama dengan tekanan sistem maka tidak akan terjadi pengembangan lagi, apabila tekanan luar lebih besar dari pada tekanan sistem, tentunya sistem tidak akan melakukan kerja, justru akan dikenai kerja (terjadi pemampatan). Jadi untuk proses reversible, dapat disimpulkan sebagai :

1. Proses yang menghasilkan kerja berguna secara maksimal

2. Proses yang setiap saat dapat dikembalikan ke keadaan semula hanya dengan mengadakan sedikit perubahan kondisi luar

Jelas bahwa konsep ini amat penting, proses reversible akan membatasi besar kerja maksimum yang dapat dilakukan oleh suatu sistem.

Tanda yang disetujui untuk transfer energi oleh kerja adalah:

1. Kerja diberikan oleh sistem adalah positif

2. Kerja diberikan pada sistem adalah negatif