Panas dalam Termodinamika

Pengertian Termodinamika, 4 Hukum Termodinamika, dan Penjelasan Lengkapnya

Pengertian Termodinamika – Termodinamika adalah cabang fisika yang membahas hubungan antara panas dan bentuk energi lainnya. Secara khusus, termodinamika menjelaskan bagaimana energi termal dikonversi ke dan dari bentuk energi lain dan bagaimana hal itu mempengaruhi materi.

Energi panas adalah energi yang dimiliki zat atau sistem karena suhunya. Energi panas yaitu energi molekul yang bergerak atau bergetar. Termodinamika melibatkan pengukuran energi ini, yang bisa “sangat rumit,” menurut David McKee, seorang profesor fisika di Missouri Southern State University. “Sistem yang kita pelajari dalam termodinamika … terdiri dari sejumlah besar atom atau molekul yang berinteraksi dengan cara yang rumit. Tetapi, jika sistem ini memenuhi kriteria yang tepat, kita sebut keseimbangan, maka dapat digambarkan dengan sejumlah kecil pengukuran atau angka. Seringkali ini diidealkan sebagai massa sistem, tekanan sistem, dan volume sistem, atau beberapa set angka setara lainnya.

Sejarah

Asal usul termodinamika dapat ditelusuri hingga akhir abad ke-18. Fisikawan Inggris-Amerika Benjamin Thomson, Count Rumford (1753–1814) tertarik dengan perubahan fisik yang menyertai pemboran oleh meriam. (Pemboran adalah proses membuat lubang, dalam hal ini laras meriam dengan gerakan memutar). Ia menemukan bahwa energi mekanik yang terlibat dalam proses pengeboran diubah menjadi panas sebagai akibat dari gesekan akan menyebabkan suhu meriam meningkat.

Beberapa hubungan mendasar yang terlibat dalam termodinamika kemudian dikembangkan oleh fisikawan Inggris James Joule (1818-1889), yang menunjukkan bahwa usaha dapat diubah menjadi panas tanpa batas. Namun, peneliti lain menemukan yang sebaliknya tidak benar yaitu bahwa ada faktor pembatas yang beroperasi dalam konversi panas oleh usaha. Penelitian fisikawan Prancis Sadi Carnot (1796-1832), fisikawan Inggris William Thomson, Lord Kelvin (1824-1907), dan fisikawan Jerman Rudolf Clausius (1822–1888), telah menyebabkan pemahaman tentang keterbatasan ini.

Termodinamika berkaitan dengan beberapa sifat materi, yang terpenting di antaranya adalah panas. Panas adalah energi yang ditransfer antar zat atau sistem karena perbedaan suhu di antara. Sebagai bentuk energi, panas tidak dapat diciptakan atau dihancurkan. Namun, dapat ditransfer dari satu tempat ke tempat lain. Panas juga dapat dikonversi ke dan dari bentuk energi lainnya. Misalnya, turbin uap dapat mengubah panas menjadi energi kinetik untuk menjalankan generator yang mengubah energi kinetik menjadi energi listrik. Bola lampu dapat mengubah energi listrik ini menjadi radiasi elektromagnetik (cahaya), yang bila diserap oleh suatu permukaan, diubah kembali menjadi panas.

Panas dalam Termodinamika
Panas dalam Termodinamika

Jumlah panas yang ditransfer oleh suatu zat tergantung pada kecepatan dan jumlah atom atau molekul yang bergerak. Semakin cepat atom atau molekul bergerak, semakin tinggi suhunya, dan semakin banyak atom atau molekul yang bergerak, semakin besar jumlah panas yang ditransfer.

Temperatur adalah “ukuran rata-rata energi kinetik partikel dalam sampel materi, dinyatakan dalam satuan atau derajat yang ditentukan pada skala standar,”. Skala suhu yang paling umum digunakan adalah Celcius, yang didasarkan pada titik beku dan titik didih air, dengan nilai masing-masing 0 °C dan 100 °C. Skala Fahrenheit juga didasarkan pada titik beku dan titik didih air yang telah ditentukan nilai 32 F dan 212 F.

Namun, para ilmuwan di seluruh dunia, menggunakan skala Kelvin (K tanpa tanda derajat). Skala ini menggunakan kenaikan yang sama dengan skala Celcius, yaitu perubahan suhu 1 C sama dengan 1 K. Namun, skala Kelvin dimulai pada nol mutlak, suhu di mana tidak ada sama sekali energi panas dan semua molekul gerak berhenti. Suhu 0 K sama dengan -459,67 F atau -273,15 C.

Jumlah panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu massa suatu zat dengan jumlah tertentu disebut panas spesifik, atau kapasitas panas spesifik. Satuannya adalah kalori per gram per kelvin. Kalori didefinisikan sebagai jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 gram air pada suhu 4 °C sebanyak 1 derajat.

Panas spesifik logam hampir seluruhnya bergantung pada jumlah atom dalam sampel, bukan massanya. Misalnya, satu kilogram aluminium dapat menyerap sekitar tujuh kali lebih banyak panas daripada satu kilogram timah. Namun, atom timbal hanya dapat menyerap sekitar 8 persen lebih banyak panas daripada jumlah atom aluminium yang sama. Namun, massa air tertentu dapat menyerap panas hampir lima kali lebih banyak dari massa aluminium yang sama. Panas spesifik dari suatu gas lebih kompleks dan tergantung pada apakah itu diukur pada tekanan konstan atau volume konstan.

Konduktivitas termal (k) adalah “tingkat di mana panas melewati bahan tertentu, dinyatakan sebagai jumlah panas yang mengalir per satuan waktu melalui satuan luas dengan gradien suhu satu derajat per satuan jarak,”. Satuan untuk  k  adalah watt (W) per meter (m) per kelvin (K) atau W/m°C. Nilai  k  untuk logam seperti tembaga dan perak masing-masing relatif tinggi pada 401 dan 428 W/mK. Karakteristik ini membuat bahan-bahan ini berguna untuk radiator mobil dan sirip pendingin untuk chip komputer karena dapat membawa panas dengan cepat dan menukarnya di lingkungan. Nilai tertinggi  k untuk setiap bahan alami adalah berlian yaitu 2.200 W/mK.

Rumus konduktivitas termal

Bahan-bahan lain berguna karena mereka adalah penghantar panas yang sangat buruk sifat ini disebut sebagai resistansi termal atau nilai- R, yang menggambarkan laju perpindahan panas melalui material. Bahan-bahan ini, seperti bulu angsa dan Styrofoam, digunakan untuk isolasi di dinding bangunan eksterior, mantel musim dingin dan mug kopi termal.

Laju perpindahan kalor secara konduksi dapat dihitung menggunakan persamaan berikut
pembahasan contoh soal perpindahan kalor secara konduksi
Energi yang ditransferkan secara induksi melalui dua logam penghantar yang memiliki suhu berbeda terjadi ketika kedua logam penghantar tersebut mengalami kontak termal. Pada saat kondisi Steady State, laju perpindahan energi melalui logam penghantar satu sama dengan laju perpindahan energi melalui logam penghantar kedua. Maka diperoleh
pembahasan contoh soal perpindahan kalor secara konduksi
Keterangan:
H adalah Laju perpindahan kalor (J/s atau Watt)
Q adalah kalor (J atau Kal)
t adalah waktu (sekon)
k adalah konduktivitas termal (W/mK)
A adalah luas penampang (m^2)
∆T adalah perubahan suhu (°C atau K)
L adalah panjang logam penghantar (m)

Pada tahun 1701, Sir Isaac Newton  pertama kali menyatakan Hukum Pendinginannya dalam sebuah artikel pendek berjudul “Scala graduum Caloris” artinya (“Skala Derajat Panas”). Pernyataan hukum Newton diterjemahkan dari bahasa Latin asli sebagai, “kelebihan derajat panas … berada dalam perkembangan geometris ketika zaman berada dalam perkembangan aritmatika.” Worcester Polytechnic Institute memberikan versi hukum yang lebih modern karena “laju perubahan suhu sebanding dengan perbedaan antara suhu objek dan suhu lingkungan sekitarnya.”

Ini menghasilkan  peluruhan eksponensial  dalam perbedaan suhu. Sebagai contoh, jika benda hangat ditempatkan dalam bak air dingin, maka dalam jangka waktu tertentu perbedaan suhu mereka akan berkurang setengahnya. Kemudian dalam jangka waktu yang sama, perbedaan yang tersisa akan kembali berkurang setengahnya. Pengurangan dua kali perbedaan suhu ini akan berlanjut pada interval waktu yang sama sampai menjadi terlalu kecil untuk diukur.

Panas dapat ditransfer dari satu benda ke benda lain atau antara benda dan lingkungan dengan tiga cara berbeda: konduksi, konveksi dan radiasi. Konduksi adalah transfer energi  melalui  bahan padat. Konduksi antar tubuh terjadi ketika mereka bersentuhan langsung, dan molekul-molekul mentransfer energinya melintasi permukaan.

Konveksi adalah perpindahan panas ke atau dari media fluida. Molekul dalam gas atau cairan yang bersentuhan dengan benda padat mentransmisikan atau menyerap panas ke atau dari tubuh itu dan kemudian menjauh, sehingga memungkinkan molekul lain bergerak ke tempatnya dan mengulangi prosesnya. Efisiensi dapat ditingkatkan dengan meningkatkan luas permukaan yang akan dipanaskan atau didinginkan, seperti dengan radiator, dan dengan memaksa cairan bergerak di atas permukaan, seperti halnya dengan kipas.

Radiasi adalah emisi energi  elektromagnetik (EM), khususnya   foton inframerah yang membawa energi panas. Semua materi memancarkan dan menyerap beberapa radiasi EM.

Siklus carnot
Siklus carnot

Pada tahun 1824, Nicolas Léonard Sadi Carnot  mengusulkan model untuk mesin panas berdasarkan apa yang kemudian dikenal sebagai  siklus Carnot. Siklus ini mengeksploitasi hubungan antara tekanan, volume dan suhu gas dan input energi yang dapat berubah bentuk dan bekerja di luar sistem.

Mengompresi gas akan meningkatkan suhunya sehingga menjadi lebih panas daripada lingkungannya. Panas kemudian dapat dihilangkan dari gas panas menggunakan  penukar panas. Kemudian, membiarkan gas mengembang akan menyebabkannya menjadi dingin. Ini adalah prinsip dasar di balik pompa panas yang digunakan untuk pemanasan, pendingin udara dan pendinginan.

Sebaliknya, memanaskan gas akan meningkatkan tekanannya dan menyebabkannya mengembang. Tekanan ekspansif kemudian dapat digunakan untuk menggerakkan piston, sehingga mengubah energi panas menjadi energi kinetik. Ini adalah prinsip dasar di balik mesin panas.

Entropi adalah salah satu besaran termodinamika yang mengukur energi dalam sistem per satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukan usaha. Mungkin manifestasi yang paling umum dari entropi adalah (mengikuti hukum termodinamika), entropi dari sebuah sistem tertutup selalu naik dan pada kondisi transfer panas, energi panas berpindah dari komponen yang bersuhu lebih tinggi ke komponen yang bersuhu lebih rendah. Pada suatu sistem yang panasnya terisolasi, entropi hanya berjalan satu arah (bukan proses reversibel/bolak-balik). Entropi suatu sistem perlu diukur untuk menentukan bahwa energi tidak dapat dipakai untuk melakukan usaha pada proses-proses termodinamika. Proses-proses ini hanya bisa dilakukan oleh energi yang sudah diubah bentuknya, dan ketika energi diubah menjadi kerja/usaha, maka secara teoretis mempunyai efisiensi maksimum tertentu. Selama kerja/usaha tersebut, entropi akan terkumpul pada sistem, yang lalu terdisipasi dalam bentuk panas buangan.

Prinsip dasar termodinamika pada awalnya dinyatakan dalam tiga hukum. Kemudian, ditetapkan bahwa hukum yang lebih mendasar telah diabaikan, tampaknya karena sudah tampak sangat jelas sehingga tidak perlu dinyatakan secara eksplisit. Untuk membentuk seperangkat aturan yang lengkap, para ilmuwan memutuskan hukum paling mendasar ini perlu dimasukkan. Masalahnya adalah bahwa tiga hukum pertama telah ditetapkan dan terkenal. Ketika dilakukan pemberian nomor baru pada hukum yang ada maka akan menyebabkan banyak kebingungan. Seorang fisikawan Inggris Ralph H. Fowler lalu datang dengan alternatif yang memecahkan dilema: ia menyebut hukum baru itu “Hukum Zeroth.” atau dikenal dengan hukum 0 termodinamika.  Berikut empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

Berikut empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:

1. Hukum 0 (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa jika dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya saling setimbang satu dengan lainnya.

2. Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.

3. Hukum kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.

4. Hukum ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Ilmu termodinamika telah dikembangkan selama berabad-abad, dan prinsip-prinsipnya berlaku untuk hampir setiap perangkat yang pernah ditemukan.