Termodinamika adalah cabang Fisika yang mempelajari hubungan kalor (panas) dengan usaha yang kalor itu lakukan (Sripudin dkk, 2009). Secara ringkas termodinamika membahas tentang bagaimana energi kalor mengalir, proses aliran tersebut, dan akibatnya. Dalam hal ini dikenal istilah sistem dan lingkungan.

Sistem merupakan sesuatu yang menjadi objek pengamatan, sedangkan lingkungan adalah sesuatu yang ada di luar sistem, tapi memengaruhi sistem tersebut (Abdullah, 2016).

Misalnya Rozi mengamati aliran kalor pada batang besi dan air, dimana keduanya adalah sistem. Kemudian batang besi tersebut dicelupkan ke dalam air. Maka wadah air dan udara luar adalah lingkungan yang memengaruhi.

 Besaran dalam termodinamika yang digunakan meliputi  tekanan (p), volume (V), suhu (T), usaha (W), kalor (Q), energi dalam (U), dan entropi (S). Ada empat Hukum Termodinamika dalam Fisika, yaitu Hukum 0 Termodinamika, Hukum I Termodinamika, Hukum II Termodinamika, dan Hukum III Termodinamika. Sedangkan usaha yang dilakukan sistem pada lingkungan dipengaruhi berbagai proses termodinamika.

Hukum Termodinamika

a. Hukum 0 Termodinamika

Hukum 0 Termodinamika berkaitan kesetimbangan sistem. Hukum ini menyatakan kesetimbangan termal berlaku pada semua sistem bila dipertemukan.

b. Hukum I Termodinamika

Hukum I Termodinamika atau hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi bisa dirubah bentuknya, tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Persamaannya sebagai berikut:

              Keterangan:

              Q       =          Kalor yang diterima atau dilepas (J)

              W      =          Usaha (J)

              U     =          Perubahan energi dalam (J)

Persamaan usaha pada Hukum I Termodinamika mempunyai aturan bahwa sistem yang melakukan kerja akan mempunyai usaha bernilai positif (+); sistem yang menerima kerja, akan mempunyai usaha bernilai negatif (−); sistem yang melepas kalor mempunyai nilai kalor negatif (−); dan apabila sistem menerima kalor, maka nilai kalor adalah positif (+).

c. Hukum II Termodinamika

Hukum II Termodinamika berkaitan dengan kondisi alami antara sistem dengan alur suatu kalor. Hukum ini menyatakan bahwa kalor secara alami mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir sebaliknya tanpa adanya usaha. Dalam hukum ini terdapat besaran entropi (S) sebagai besarnya kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Persamaannya sebagai berikut:

              Keterangan:

              S      =          Entropi (J/K)

              Q       =          Kalor (J)

              T        =          Suhu (K)

d. Hukum Termodinamika III

Hukum Termodinamika III menyakatan entropi kristal sempurna di nilai absolut nol selalu sama dengan nol.

Proses Termodinamika

Ada empat proses termodinamika yang dipengaruhi tekanan (p), volume (V), dan suhu (T) ketika proses tersebut terjadi.

a. Isobarik

Isobarik adalah proses termodinamika dengan nilai tekanan sistem yang tidak diubah (segitiga p = 0). Persamaan usahanya sebagai berikut:

            Keterangan:

            W         =          Usaha (J)

            p          =          Tekanan (Pa)

            V       =          Perubahan volume (m3)

Apabila terjadi pemuaian, maka nilai usaha adalah positif dan sebaliknya, ketika terjadi penyusutan volume, nilai usaha adalah negatif.

b. Isokhorik

Isokhorik adalah proses termodinamika dengan nilai volume sistem yang tidak diubah (segitiga V = 0). Akibat perubahan volume yang selalu bernilai nol, maka usaha yang dilakukan juga bernilai nol.

c. Isotermik

Isotermik adalah proses termodinamika dengan nilai suhu yang tidak diubah (segitiga T = 0). Persamaan usahanya sebagai berikut:

            Keterangan:

            W         =          Usaha (J)

            n          =          Jumlah mol

                      =          Konstanta

            T          =          Suhu (K)

            V1         =          Volume awal (m3)

            V2         =          Volume akhir (m3)

            p1         =          Tekanan awal (Pa)

            p2         =          Tekanan akhir (Pa)

d. Adibatik

Adiabatik adalah proses termodinamika dengan nilai kalor sistem yang tidak diubah (segitiga Q = 0). Persamaan usahanya sebagai berikut:

            Keterangan:

            W         =          Usaha (J)

            n          =          Jumlah mol

                      =          Konstanta

            T1         =          Suhu awal (K)

            T2         =          Suhu akhir (K)

            V1         =          Volume awal (m3)

            V2         =          Volume akhir (m3)

            p1         =          Tekanan awal (Pa)

            p2         =          Tekanan akhir (Pa)

Aplikasi Termodinamika

a. Mesin Carnot

Mesin Carnot adalah mesin yang  mempunyai efisiensi tinggi. Mesin ini adalah  model mesin yang ideal. Prinsip kerjanya berdasarkan proses termodinamika yang membentuk siklus Carnot. Persamaan usahanya sebagai berikut:

            Keterangan:

            Wsiklus=          Usaha siklus Carnot (J)

            Qsiklus =          Perubahan kalor pada siklus Carnot (J)

            Qs        =          Kalor yang diserap sistem (J)

            Ql         =          Kalor yang dilepas sistem (J)

Sementara efisiensi mesin Carnot dapat ditulis sebagai berikut:

b. Mesin Pendingin

Mesin pendingin bekerja berdasarkan Hukum II Termodinamika, yakni adanya usaha yang memaksa kalor mengalir dari suhu rendah ke suhu tinggi. Koefisien daya guna mesin pendingin (Kp) atau ukuran kemampuan mesin pendingin dirumuskan sebagai berikut:

Keterangan:

            Kp         =          Koefisien daya guna mesin pendingin

            W         =          Usaha (J)

            Ql         =          Kalor yang dilepas sistem (J)

Contoh Soal

a. Proses isobarik terjadi pada suatu sistem. Ketika usaha sebesar 120 J dilakukan sistem  dan menyebabkan perubahan energi dalam, hitunglah besar perubahan tersebut jika kalor yang diserap adalah 110 J!

b. Kalor sebesar 1.100 J mengalir spontan melalui batang tembaga dari reservoir panas yang mempunyai suhu 500 K ke reservoir dingin dengan suhu sebesar 200 K. Apabila tidak ada perubahan lain yang terjadi, berapa perubahan entropi total yang terjadi?

c. Rozi mempunya mesin Carnot yang menghasilkan kerja mekanik dan bekerja pada suhu 800 K. Jika mesin tersebut menyerap kalor pada suhu 400 K sebesar 700 J, lalu melepas kalor sebesar 200 J, maka berapa efisiensi mesin tersebut?

Referensi

Abdullah, Mikrajuddin. 2016. Fisika Dasar I. Bandung: Institut Teknologi Bandung.

Sripudin dkk. 2009. Praktis Belajar Fisika Kelas XI. Jakarta: Pusat Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.