HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA DAN APLIKASINYA
Hukum ke nol termodinamika berhubungan dengan kesetimbangan termal antara benda benda yang saling bersentuhan. Untuk memahami konsep keseimbangan termal secara lebih mendalam, mari kita tinjau 3 benda (sebut saja benda A, benda B dan benda C). Benda C bisa dianggap sebagai termometer. Misalnya benda A dan benda B tidak saling bersentuhan, tetapi benda A dan benda B bersentuhan dengan benda C. Karena bersentuhan, maka setelah beberapa saat benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal. Demikian juga benda B dan benda C berada dalam keseimbangan termal. benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal, sekalipun keduanya tidak bersentuhan. Benda A dan benda C berada dalam keseimbangan termal, berarti suhu benda A = suhu benda C. Benda B dan benda C juga berada dalam keseimbangan termal (suhu benda B = suhu benda C). Karena A = C dan B = C, maka A = B. Berdasarkan hasil percobaan, ternyata benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Dalam hal ini, suhu benda A = suhu benda B. Jadi walaupun benda A dan benda B tidak bersentuhan, tapi karena keduanya bersentuhan dengan benda C, maka benda A dan benda B juga berada dalam keseimbangan termal. Hukum ke nol berbunyi "Jika dua benda berada dalam keseimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut berada dalam keseimbangan termal satu sama lain."
Dalam kehidupan sehari hari hukum ke nol ini banyakan ditemukan atau di gunakan. Seperti pada saat kita memasukkan es batu kedalam air hangat, yang terjadi yaitu es batu akan mencair (suhu es meningkat) dan suhu air hangat menjadi turun, kemudian lama kelamaan es nya mencair semua dan tinggalah air dingin. Air dingin ini menunjukkan campuran antara es batu dan air hangat yang bersuhu sama atau kata lainnya sudah masuk dalam keadaan kesetimbangan termal.contoh lainnya yaitu pada saat kita memasak air didalam panci, benda pertama panci dan benda kedua air. Panci dibakar dengan api sehingga temperaturnya berubah. Air yang bersentuhan dengan panci juga temperaturnya naik dan akhirnya air mendidih.
Aplikasi lainnya yaitu pengukuran termperatur. Pengukuran temperatur ini berdasarkan prinsip hukum termodinamika ke nol. Jika kita ingin mengetahui apakah dua benda memiliki temperatur yang sama, maka kedua benda tersebut tidak perlu disentuhakan dan diamati perubahan sifatnya. Yang perlu dilakukana adalah mengamati apakah kedua benda tersebut mengalami kesetimbangan termal dengan benda ketiga. Benda ketiga tersebut adalah termometer. Biasanya yang digunakan dalam termometer adalah benda yang mempunyai sifat termometrik yaitu benda apapun yang memiliki sedikitnya satu sifat yang berubah terhadap perubahan temperatur. Termometer yang sering kita jumpai adalah termometer kaca. Termometer kaca terdiri dari pipa kaca kapiler yang berhubungan dengan bola kaca yang berisi cairan air raksa atau alkohol. Ruang di atas cairan berisi uap cairan atau gas inert. Saat temperatur meningkat, volume cairan bertambah sehinggan panjang cairan dalam pipa kapiler bertambah. Panjang cairan dalam pipa kapiler bergantung pada temperatur cairan. Jenis termometer lainnya yaitu termometer volume gas tetap yang memiliki ketelitian dan keakuratan yang sangat tinggi, sehingga digunakan sebagai instrumen standart untuk pengkalibrasian termometer lainnya. Termometer ini menggunakan gas sebagai senyawa termometrik (umumnya hidrogen dan helium), dengan memanfaatkan sifat termometrik berupa tekanan yang dihasilkan gas. Tekanan yang dihasilkan diukur menggunakan manometer air raksa tabung terbuka. Ketika temperatur meningkat, gas memuai sehingga mendorong air raksa dalam tabung terbuka ke atas. Volume gas dipertahankan tetap dengan menaikkan dan menurunkan reservoir. Deteksi temperatur lainnya yang luas digunakan adalah termokopel. Termokopel bekerja berdasarkan prinsip apabila ada dua buah metal dari jenis yang berbeda dilekatkan, maka dalam rangkaian tersebut akan dihasilkan gaya gerak listrik yang besarnya bergantung terhadap temperatur. Dari semua contoh termometer yang telah disebutkan, pada dasarnya prinsipnya sama yaitu ketika termometer menyetuh benda dengan suhu tertentu maka akan terjadi kesetimbangan termal yang ditunjukkan oleh termometer berupa pemuaian pada termomter kaca, perubahan tekanan pada termometer gas tetap, dan gaya gerak listrik pada termokopel.
Hukum ke nol Termodinamika
Diperbaharui: 7 February, 2016 " Oleh: fungsi "0
Hukum ke nol Termodinamika menyatakan bahwa jika dua benda masing-masing dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka mereka juga dalam kesetimbangan dengan satu sama lain.
Kesetimbangan termal berarti bahwa ketika dua benda terjadi sentuhan dengan satu sama lain dan dipisahkan oleh penghalang yang permeabel terhadap kalor, tidak akan ada transfer kalor dari satu benda ke yang lain.
Hukum ke nol Termodinamika pada dasarnya mengatakan bahwa tiga benda semuanya memiliki suhu yang sama. James Clerk Maxwell menyebutkan hukum ini mungkin lebih sederhana ketika dia berkata, "Semua kalor dari jenis yang sama." Apa yang paling penting adalah Hukum ke nol Termodinamika menetapkan bahwa suhu adalah properti fundamental dan terukur dari materi.
Sejarah
Ketika awal hukum termodinamika dibangun, hanya ada tiga. Pada awal abad ke-18, para ilmuwan menyadari bahwa ada hukum lain yang diperlukan yang menjadi dasar dari semuanya. Kalau dilihat dari urutannya, hukum ini mestinya di tempatkan ke empat setelah tiga hukum yang sebelumnya. Namun karena properti suhu adalah awal dari cerita kalor sepertinya tidak mungkin ditempatkan sebagai hukum terakhir dan jika di tempatkan pertama akan mengubah semua susunan litelatur yang sudah dipahami setiap ilmuan. Sebagai alternatif, salah satu ilmuwan, Ralph H. Fowler, datang dengan alternatif ketiga yang memecahkan dilema: "Hukum ke nol".
Menurut David McKee, seorang profesor fisika di Missouri Southern State University, hukum ke nol termodinamika "memberitahu kita bahwa tidak peduli berapa banyak energi yang dimiliki dua sistem, mengetahui berapa banyak energi yang mereka miliki tidak akan memberikan prediksi kemana arah yang kalor akan mengalir jika saya menempatkan mereka bersentuhan satu dengan yang lain. Hukum ke nol mengatakan bahwa jumlah ini, yang merupakan suhu, mendefinisikan arah aliran kalor, dan tidak tergantung langsung pada jumlah energi yang terlibat. "
Ia melanjutkan, "Suhu dua sistem adalah satu-satunya hal yang perlu Anda ketahui agar dapat menentukan arah kemana kalor akan mengalir di antara mereka."
CONTOH SOAL PEMBAHASAN TERMODINAMIKA
CONTOH SOAL PEMBAHASAN TERMODINAMIKA
Soal No. 6
Suatu mesin Carnot, jika reservoir panasnya bersuhu 400 K akan mempunyai efisiensi 40%. Jika reservoir panasnya bersuhu 640 K, efisiensinya.....%
A. 50,0
B. 52,5
C. 57,0
D. 62,5
E. 64,0
(Sumber Soal : SPMB 2004)
Pembahasan
Data pertama:
η = 40% = 4 / 10
Tt = 400 K
Cari terlebih dahulu suhu rendahnya (Tr) hilangkan 100 % untuk mempermudah perhitungan:
η = 1 (Tr/Tt)
4 / 10 = 1 (Tr/400)
(Tr/400) = 6 / 10
Tr = 240 K
Data kedua :
Tt = 640 K
Tr = 240 K (dari hasil perhitungan pertama)
η = ( 1 Tr/Tt) x 100%
η = ( 1 240/640) x 100%
η = ( 5 / 8 ) x 100% = 62,5%
Soal No. 7
Sebuah mesin Carnot yang menggunakan reservoir suhu tinggi bersuhu 800 K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensinya naik menjadi 50%, maka suhu reservoir suhu tinggi dinaikkan menjadi....(UMPTN 90)
A. 900 K
B. 960 K
C. 1000 K
D. 1180 K
E. 1600 K
Pembahasan
Rumus efisiensi (tanpa %)
Data dari Efisiensi pertama,
Tt = 800 K
η = 40% = 0,4 (1 η) = 0,6
Dari sini diperoleh suhu rendah Tr
Dari data efisiensi kedua,
η = 50% = 0,5 (1 η) = 0,5
Tr = 480 K
Suhu tingginya:
Soal No. 8
Sebuah mesin Carnot bekerja pada pada suhu tinggi 627°C memiliki efisiensi 50%. Agar efisiensi maksimumnya naik menjadi 70% pada suhu rendah yang tetap, maka suhu tingginya harus dinaikkan menjadi....
A. 1500°C
B. 1227°C
C. 1127°C
D. 1073°C
E. 927°C
Soal No. 9
Perhatikan gambar berikut ini!
Jika kalor yang diserap reservoir suhu tinggi adalah 1200 joule, tentukan :
a) Efisiensi mesin Carnot
b) Usaha mesin Carnot
c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
d) Jenis proses ab, bc, cd dan da
Pembahasan
a) Efisiensi mesin Carnot
Data :
Tt = 227oC = 500 K
Tr = 27oC = 300 K
η = ( 1 Tr/Tt) x 100%
η = ( 1 300/500) x 100% = 40%
b) Usaha mesin Carnot
η = W/Q1
4/10 = W/1200
W = 480 joule
c) Perbandingan kalor yang dibuang di suhu rendah dengan usaha yang dilakukan mesin Carnot
Q2 = Q1 W = 1200 480 = 720 joule
Q2 : W = 720 : 480 = 9 : 6 = 3 : 2
d) Jenis proses ab, bc, cd dan da
ab pemuaian isotermis (volume gas bertambah, suhu gas tetap)
bc pemuaian adiabatis (volume gas bertambah, suhu gas turun)
cd pemampatan isotermal (volume gas berkurang, suhu gas tetap)
da pemampatan adiabatis (volume gas berkurang, suhu gas naik)
Soal No. 10
Sejumlah gas ideal mengalami proses seperti gambar berikut.
Proses yang menggambarkan adiabatis dan isokhorik berturut-turut ditunjukkan pada nomor...(UN Fisika 2013)
A. 1 – 2 dan 3 – 4
B. 1 – 2 dan 4 – 5
C. 2 – 3 dan 1 – 2
D. 2 – 3 dan 1 – 2
E. 2 – 3 dan 3 – 4
Pembahasan
Adiabatis : proses dimana tidak ada kalor masuk atau keluar. Ciri garisnya melengkung curam. Seperti garis 2 - 3.
Isokhorik : proses pada volume tetap. Garisnya yang tegak lurus sumbu V. Bisa 5 - 1, juga 3 - 4.
Pilihan yang ada sesuai adiabatis dan isokhoris adalah 2 - 3 dan 3 - 4.
Soal No. 11
Suatu gas ideal mengalami proses siklus seperti pada gambar P V di atas. Kerja yang dihasilkan pada proses siklus ini adalah....kilojoule.
A. 200
B. 400
C. 600
D. 800
E. 1000
Pembahasan
W = Usaha (kerja) = Luas kurva siklus = Luas bidang abcda
W = ab x bc
W = 2 x (2 x 105) = 400 kilojoule
Soal No. 12
Sebuah mesin pendingin memiliki reservoir suhu rendah sebesar 15°C. Jika selisih suhu antara reservoir suhu tinggi dan suhu rendahnya sebesar 40°C, tentukan koefisien performansi mesin tersebut!
Pembahasan
Data mesin
Tr = 15°C = ( 15 + 273) K = 258 K
Tt Tr = 40°C
Cp =....
Soal No. 13
Sebuah kulkas memiliki suhu rendah 13°C dan suhu tinggi 27°C. Jika kalor yang dipindahkan dari reservoir suhu rendah adalah 1300 joule, tentukan usaha yang diperlukan kulkas!
Pembahasan
Data mesin pendingin
Tr = 13°C = ( 13 + 273) K = 260 K
Tt = 27°C = 300 K
Qr = 1300 j
W = ....
Rumus koefisien performansi jika diketahui usaha dan kalor
Dimana
W = usaha yang diperlukan untuk memindahkan kalor dari suhu rendah
Qr = kalor yang dipindahkan dari suhu rendah
Sehingga jika digabung dengan rumus dari no sebelumnya diperoleh:
Suhu dan Hukum Ke Nol Termodinamika
Diposkan oleh Lara Sania di 07.02
Kita sering mengasosiasikan konsep suhu dengan seberapa panas atau dingin suatu benda terasa ketika kita menyentuhnya. Dengan cara ini, indra kita memberikan kita dengan indikasi kualitatif suhu. Indera kita, bagaimanapun, tidak dapat diandalkan dan sering menyesatkan kita. Misalnya, jika Anda berdiri dengan kaki telanjang dengan satu kaki di karpet dan lainnya di lantai ubin yang berdekatan, ubin terasa lebih dingin daripada karpet meskipun keduanya berada pada suhu yang sama. Kedua benda terasa berbeda karena ubin mentransfer energi dengan panas pada tingkatan yang lebih tinggi daripada karpet. Kulit Anda "mengukur" laju perpindahan energi panas daripada suhu aktual. Apa yang kita butuhkan adalah metode yang dapat diandalkan dan diperoleh untuk mengukur panas relatif atau dinginnya benda daripada laju transfer energi. Para ilmuwan telah mengembangkan berbagai termometer untuk membuat pengukuran kuantitatif tersebut.
Dua objek pada suhu awal yang berbeda akhirnya mencapai beberapa temperatur perantara ketika ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain. Misalnya, ketika air panas dan air dingin dicampur dalam bak mandi, energi ditransfer dari air panas ke air dingin dan suhu akhir campuran adalah suatu tempat antara suhu panas awal dan dingin.
Bayangkan bahwa dua benda ditempatkan dalam wadah terisolasi sehingga mereka berinteraksi satu sama lain tetapi tidak dengan lingkungan. Jika benda berada pada temperatur yang berbeda, energi yang ditransfer antara mereka, bahkan jika mereka awalnya tidak dalam kontak fisik dengan satu sama lain. Mekanisme transfer energi dari Bab 8 bahwa kita akan fokus pada panas dan radiasi elektromagnetik. Untuk tujuan diskusi ini, mari kita asumsikan dua benda berada dalam kontak termal dengan satu sama lain jika energi dapat dipertukarkan antara mereka dengan proses-proses karena perbedaan suhu. Kesetimbangan termal adalah situasi di mana dua benda tidak akan bertukar energi dengan panas atau radiasi elektromagnetik jika mereka ditempatkan dalam kontak termal.
Mari kita mempertimbangkan dua benda A dan B, yang tidak dalam kontak termal, dan objek ketiga C, yaitu termometer kita. Kita ingin menentukan apakah A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Termometer (objek C) pertama kali ditempatkan dalam kontak termal dengan objek A sampai kesetimbangan termal adalah dicapai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1a. Sejak saat itu, pembacaan termometer tetap konstan dan kita mencatat hasil bacaan ini. Termometer tersebut kemudian dihilangkan dari objek A dan ditempatkan dalam kontak termal dengan objek B seperti yang ditunjukkan pada Gambar 19.1b. Bacaan tersebut kembali dicatat setelah keseimbangan termal tercapai. Jika dua bacaan yang sama, kita dapat menyimpulkan bahwa objek A dan benda B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Jika mereka ditempatkan dalam kontak dengan satu sama lain seperti pada Gambar 19.1c, tidak ada pertukaran energi antara mereka.
Kita dapat meringkas hasil ini dalam sebuah pernyataan yang dikenal sebagai Hukum ke nol termodinamika (hukum keseimbangan):Jika benda A dan B terpisah dalam kesetimbangan termal dengan benda C ketiga, maka A dan B berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.
Pernyataan ini dapat dengan mudah dibuktikan secara eksperimental dan sangat penting karena memungkinkan kita untuk menentukan suhu. Kita bisa memikirkan temperatur sebagai properti yang menentukan apakah sebuah benda dalam kesetimbangan termal dengan obyek lain. Dua benda dalam kesetimbangan termal dengan satu sama lain pada temperatur yang sama. Sebaliknya, jika dua benda memiliki temperatur yang berbeda, mereka tidak dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Kita sekarang tahu bahwa suhu adalah sesuatu yang menentukan apakah atau tidak akan mentransfer energi antara dua benda dalam kontak termal. Dalam Bab 21, kita akan menghubungkan suhu ke perilaku mekanik molekul (Serway,2010: 543-546).
Hukum termodinamika ke nol satu dua tiga
Hukum termodinamika ke nol satu dua- Berjumpa lagi dalam blog penuh edukasi ini. Siapa yang yang lagi semangat belajar Fisikanya? Kalian yang masih semangat-semangatnya belajar Fisika, kali ini pak guru akan membahas materi seputar fisika yang cukup menarik mengenai konsep kalor atau panas, yakni termodinamika. Apa itu termodinamika? Bagaimana bunyi Hukum Termodinamika? Baiklah simak baik-baik uraian berikut ini!
Termodinamika merupakan cabang ilmu Fisika yang mempelajari kalor/ panas dan transformasinya menjadi energi mekanik (gerak). Dalam termodinamika dikenal Hukum termodinamika antara laian:
1. Hukum ke nol Termodinamika
Hukum Ke Nol Termodinamika menyatkaan jika benda A dan B secara terpisah berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga C, maka A dan B dalam kesetimbangan termal satu sama lain, A=B.
Apliaksi dari Hukum ini adalah penggunaan termometer dalam mengukur suhu suatu benda.
2. Hukum kesatu Termodinamika
Hukum ini berdasarkan Kekekalan Energi dalam proses termal, maka dapat diuraikan:
Q= kalor
Bernilai positif jika kalor masuk kedalam sistem
W= Usaha
Bernilai positif jika usaha dilakukan oleh sistem pada lngkungannya
U=Energi dalam
Bernilai positif jika temperature naik
Q = U + W
U= Q - W
style="font-family: "Times New Roman","serif"; mso-fareast-font-family: "Times New Roman";">3. Hukum Kedua Termodinamika
Pernyataan sederhana: "Kalor tidak mungkin dengan sendirinya mengalir dari benda dingin ke benda panas",
Hal ini terjadi pada mesin panas. Mesin panas adalah suatu alat yang mengkonversi energi internal menjadi bentuk lain yang bermanfaat, seperti kerja mekanik. Contohnya: mesi nuap, mesin diesel, mesin jet.
a. Mekanisme Mesin Panas
Mesin menyerap energi dari reservoir bersuhu tinggi (Qh), kemudian mesin mengubah sebagian energi menjadi kerja mekanik (Weng), mesin membuang energi sisa ke reservoir bersuhu lebih rendah( Qc). Maka dari itu muncul istilah efisiensi termal pada Sebuah Mesin Panas.
Efisiensi termal (η) didefinisikan sebagai rasio antara kerja yang dilakukan oleh mesin terhadap energi yang diserap oleh mesin pada temperatur tinggi.
η= Weng / Qh
η= 100% hanya jika Qc= 0, atau artinya tidak ada energi yang dibuang ke reservoir dingin dan itu mustahil bisa terjadi. Seua mesin panas pasti akan kehilangan energi menjadi panas, tidak semua kalor yang masuk ditransformasi menjadi usaha oleh sistem.
b. Pompa panas (AC) dan Lemari es mesin panas dapat bekerja kebalikannya:
Energi masuk ke mesin (kerja oleh lingkungan ke sistem), energi diserap dari reservoir dingin, kemudian energi dibuang ke reservoir panas,
c. Keteraturan cenderung menuju ke ketidakteraturan/ Entropi
Adalah ukuran ketidakteraturan, misalnya suatu gas dalam sebuah tabung, molekul-molekulnya bergerak secara acak, besar dan arah kecepatan molekul tidak beraturan. Makin tidak teratur kecepatan molekul-molekul gas, makin tinggi entropi gas itu. Kalau suatu gas dipanaskan, entropinya naik, dan kalau gas itu didinginkan entropinya turun.
Ada 4 hukum termodinamika yang menjadi dasar dalam mempelajari proses interaksi antara kalor dan kerja yaitu :
1. Hukum ke 0 termodinamika
Hukum ke 0 termodinamika berbunyi : " Jika 2 buah benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda yang ke 3, maka ketiga benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu dengan lainnya" . Untuk lebih memahami tentang isi hukum ke 0 termodinamika, maka bunyi hukum ini dapat ditulis ulang dengan kata-kata yang lebih sederhana yaitu Jika benda A mempunyai temperatur yang sama dengan benda B dan benda B mempunyai temperatur yang sama dengan benda C maka temperatur benda A akan sama dengan temperatur benda C atau disebut ketiga benda (benda A, B dan C) berada dalam kondisi kesetimbangan termal. Kondisi ini dapat digambarkan sebagai berikut:
Gambar 1 kesetimbangan termal antara benda A, benda B dan benda C
Jika 2 benda yang berbeda temperatur bersentuhan, maka dikatakan ke dua benda itu berada dalam kondisi kontak termal. Permukaan tempat kedua benda bersentuhan disebut permukaan kontak termal. Panas atau dinginnya suatu benda ditentukan oleh banyaknya energi panas (kalor) yang diserap oleh molekul benda. Besarnya derajat panas benda ini disebut temperatur benda atau suhu benda.
bagaimanakah temperatur benda terbentuk ?
Temperatur adalah ukuran energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul penyusun suatu benda. Benda-benda di alam tersusun oleh molekul-molekul dan atom-atom. Molekul yang menyusun benda tidak berada dalam keadaan diam, tetapi molekul-molekul ini bergetar atau bergerak secara acak sesuai dengan besarnya energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul. Benda dalam bentuk padat, molekul-molekul penyusunnya tidak dapat bergerak bebas, tetapi terikat erat dan kaku antara satu dengan lainnya. Molekul – molekul dalam benda padat hanya dapat bergetar. Ini terjadi karena energi yang dimiliki oleh molekul dalam benda padat relatif kecil sehingga tidak dapat melepaskan diri dari ikatan antar molekul.
Bila benda padat ini dipanaskan, maka sejumlah energi panas (kalor) akan diserap oleh molekul sehingga molekul dapat bergetar lebih cepat, ini ditunjukan dengan naiknya derajat panas benda. Panas benda naik karena getaran molekul bertambah besar menyebabkan molekul lebih banyak bertumbukan dan bergesekan. Semakin banyak kalor dari luar yang diserap oleh molekul maka molekul akan semakin memiliki energi untuk bergetar dan bergesekan lebih cepat hingga suatu saat molekul ini tidak lagi saling terikat tetapi bebas bergerak. Molekul yang bebas bergerak ini masih saling terikat satu dengan lainnya, inilah yang disebut fase cair benda. Kalor yang diberikan kepada benda diserap oleh melekul untuk dapat bergetar lebih cepat sehingga bebas dan dapat bergerak sehingga mengubah fase benda dari benda padat menjadi benda cair.
Bila kalor terus diberikan, maka gerak molekul dalam zat cair akan semakin acak, dan tumbukan antar molekul semakin sering terjadi. Kondisi ini bila berlangsung terus, maka suatu saat molekul akan benar-benar bebas dan tidak terikat satu dengan lainnya, Kondisi ini disebut zat cair berubah menjadi gas. Pada fase gas, molekul penyusun gas tidak saling terikat satu dengan lainnya dan dapat bergerak bebas. Jadi besar kecilnya temperatur benda ditentukan oleh tingkat energi kinetik yang dimiliki oleh molekul penyusun benda.
Gambar 2 derajat panas benda berhubungan dengan perubahan fase benda dan ditentukan oleh besarnya energi kinetik yang dimiliki oleh molekul-molekul penyusun benda
Kalor dapat berpindah dari satu benda ke benda yang lainnya. Kalor berpindah dari benda yang memiliki kalor lebih besar ke benda yang memiliki kalor lebih kecil. Kalor juga didefinisikan sebagai fluida yang tidak kelihatan. Karena sebagai fluida, maka kalor dapat mengalir. Hal yang menyebabkan kalor mengalir adalah beda temperatur benda. Kalor mengalir dari benda atau reservoir yang memiliki temperatur yang lebih tinggi ke benda atau reservoir yang memiliki temperatur lebih rendah. Perhatikan gambar berikut ini.
Gambar 3 terdapat 2 benda A dan B yang berbeda temperatur dan terpisah secara termal
Pada gambar 3 terdapat 2 buah benda yaitu benda A dan benda B yang memiliki temperatur yang berbeda. temperatur benda A lebih tinggi daripada temperatur benda B. Pada kondisi 1, benda A dan benda B terpisah secara termal sehingga antara benda A dan benda B tidak terdapat kontak termal. Pada kondisi 2 benda A ditempelkan ke benda B sehingga antara benda A dan benda B terdapat kontak termal. Karena temperatur benda A lebih tinggi dari pada temperatur benda B maka kalor dari benda A akan berpindah ke benda B. Akibatnya, temperatur benda A akan turun dan temperatur benda B akan naik. kondisi ini terus berlangsung hingga temperatur benda A sama dengan temperatur benda B (kondisi 3). Pada saat temperatur benda A sama dengan temperatur benda B maka kedua benda berada pada kondisi setimbang termal. Pada saat kedua benda dalam kondisi kesetimbangan termal, tidak ada lagi kalor yang berpindah dari A ke B atau dari B ke A. (catatan : kondisi lingkungan diabaikan).
Pertanyaannya bagaimana dengan 3 buah benda yang berbeda temperatur ?
Misalkan terdapat 3 buah benda yang memiliki temperatur yang tidak sama, yaitu benda A, benda B dan benda C. Temperatur benda A lebih besar dari pada temperatur benda B dan benda C, temperatur benda B lebih besar dari pada temperatur benda C. Perhatikan gambar berikut ini.
Gambar 4 terdapat 3 buah benda dengan temperatur yang berbeda yaitu Ta > Tb > Tc
kondisi 1
Gambar 5 benda A kontak termal dengan benda C, demikian juga benda B kontak termal dengan benda, tetapi benda A dan B terpisah secara termal
Maka kalor akan berpindah dari benda A ke benda C dan kalor benda B akan berpindah ke benda C hingga terbentuk kesetimbangan termal antara ketiga benda.
kondisi 2
Gambar 6 benda B kontak termal dengan benda C , benda C kontak termal dengan benda B
Pada kondisi ini kalor akan berpindah dari benda A ke benda B dan kalor benda B akan berpindah ke benda C hingga terbentuk kesetimbangan termal antara ketiga benda
kondisi 3
Gambar 7 benda A, B dan C berada pada kondisi kontrak termal
Pada kondisi 3 kalor akan berpindah dari benda A ke benda B dan ke benda C. Kalor benda B akan berpindah ke benda C hingga ketiga benda mencapai kesetimbangan termal.
kondisi 4
Gambar 8 benda A dengan benda C kontak termal, benda A dengan benda B kontak termal
Pada kondisi ini agak unik, karena kalor dari benda A akan berpindah ke benda B dan benda C. Hal ini terjadi karena temperatur benda A lebih besar dari benda C dan benda B dan antara benda A dan C terdapat kontak termal, demikian juga benda A dan B juga terdapat kontak termal. Benda A dan benda B akan lebih dahulu mencapai kesetimbangan termal, tetapi kondisi kesetimbangan termal A dan B masih memiliki temperatur yang lebih tinggi dari benda C. Akibatnya kalor akan berpindah lagi dari benda A dan B yang sudah setimbang termal ke benda C hingga ketiga benda mencapai kesetimbangan termal. (catatan : ketiga benda harus memiliki kapasitas panas yang sama besarnya).
Dalam kehidupan sehari-hari banyak kita jumpai fenomena yang menggambarkan hukum ke 0 termodinamika. Misalnya pada saat kita membuat air hangat untuk mandi. Kita mencampur air panas dengan air dingin. Pada saat air panas dicampur dengan air dingin, maka kalor akan berpindah dari air panas ke air dingin. Proses perpindahan panas ini berlangsung beberapa saat hingga tercapai kesetimbangan termal antara air panas dengan air dingin. Pada saat tercapai kesetimbangan termal antara air panas dengan air dingin, temperatur air panas akan turun sedangkan temperatur air dingin akan naik menuju ke temperatur kesetimbangan termal.
Waktu kita mencelup badan ke dalam air hangat yang sudah mencapai kesetimbangan termal, maka tubuh kita akan merasakan panas air. Hal ini menunjukan ada sebagian kalor yang berpindah dari air ke tubuh kita. Hal ini terjadi karena tubuh memiliki temperatur yang lebih rendah dibandingkan dengan campuran air hangat. Setelah berendam beberapa saat kita tidak akan merasa panas lagi, karena telah tercapai kesetimbangan termal antara tubuh dan air.
Waktu kita keluar dari bak mandi setelah berendam dari air panas, maka tubuh akan terasa dingin. Ini terjadi karena temperatur ruangan lebih rendah dibandingkan dengan temperatur tubuh kita akibatnya sejumlah kalor dari tubuh berpindah ke udara di sekitar kita. Pada saat kalor keluar dari tubuh kita, kita akan merasa lebih dingin.
Hukum pertama termodinamika berbunyi : " kalor yang masuk atau keluar dari sistem sama dengan kerja yang dilakukan ditambah dengan energi dalam sistem ". Secara matematis dapat ditulis :
dimana Q = kalor ; ΔU = energi dalam dan W = kerja
hukum pertama termodinamika berhubungan erat dengan konsep kekekalan energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan energi juga tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat berubah bentuk menjadi bentuk energi lainnya.
Gambar 1 sistem dan pertukaran energi
Bila kalor masuk ke sistem maka tanda positif ditambahkan pada Q menjadi +Q tetapi bila kalor diambil dari sistem maka kalor menjadi negatif (-Q). Sebaliknya dengan kerja, kerja yang dilakukan oleh sistem atau keluar dari sistem bertanda positif (+W) dan kerja yang diberikan ke sistem bertanda negatif (-W).
Contoh waktu kita memanaskan air maka kira memberikan kalor ke dalam sistem (air). Kalor yang diterima oleh air diberi tanda positif. Sewaktu kita mendinginkan air panas, maka kalor diserap oleh udara di sekitar air panas, atau kalor keluar dari sistem (air panas), maka kalor diberi tanda negatif.
Pompa air adalah sebuah sistem. Pompa akan bekerja jika ada kerja masuk ke dalam pompa. Kerja yang masuk ke pompa berupa putaran poros. Kerja poros ini diberi tanda negatif. Lain hal nya dengan turbin air. Turbin air mengubah tekanan air menjadi kerja berupa putaran poros. Kerja yang dihasilkan oleh turbin air diberi tanda positif, karena kerja keluar dari turbin air. Energi dalam sistem dapat bertambah atau berkurang dan merupakan fungsi dari keadaan sistem.
Kalor adalah energi yang ditransfer dari satu benda ke benda lainnya atau dapat juga berpindah di dalam benda yang sama karena adanya perbedaan temperatur. Pada mulanya kalor dianggap wujud gerak molekuler, kemudian melalui penelitian tentang proses perpindahan kalor diketahui bahwa kalor lebih menyerupai zat materi yang kekal yaitu suatu fluida yang tidak kelihatan yang dinamakan "caloric" yang tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tetapi hanya mengalir keluar dari satu benda ke benda lain karena adanya perbedaan temperatur.
Melalui banyak eksperimen yang dilakukan oleh James joule (1818 – 1889) diketahui bahwa munculnya atau hilangnya kalor tertentu selalu diikuti dengan munculnya atau hilangnya energi mekanik yang besarnya ekivalen. Eksperimen Joule menunjukan bahwa energi panas dan energi mekanik tidaklah kekal secara bebas, tetapi bahwa energi mekanik yang hilang selalu sama dengan energi termal yang dihasilkan. Yang kekal adalah jumlah total energi mekanik dan energi kalor. Hal ini yang menjadi dasar dari hukum pertama termodinamika.
Kalor mempunyai lambang Q dengan satuan kalori (cal) untuk sistem internasional ,sedangkan energi mempunyai satuan Joule (J). Oleh James Joule telah dibuat kesetaraan antara energi panas (kalori) dengan energi mekanik (Joule). Gambar berikut ini menunjukan skema dan alat eksperimen Joule untuk menentukan jumlah usaha yang dibutuhkan untuk menghasilkan kenaikan temperatur tertentu dalam sejumlah air tertentu.
Dari hasil pengujian didapat kesetaraan antara energi mekanik dengan energi kalor adalah
1 Joule = 0,24 calori
atau 1 calori = 4,18 Joule
1 kalori adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1 derajat Celsius. sedangkan 1 kilo kalori adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kilogram air sebesar 1 derajat Celsius.
1 Joule adalah banyaknya energi yang dibutuhkan untuk memindahkan beban seberat 1 Newton sejauh 1 meter.
Dalam satuan British kalor dinyatakan dalam satuan btu (british termal unit). 1 btu adalah besarnya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 lbm (pond) air sebesar 1 derajat Fahrenheit.
Untuk perubahan yang sangat kecil biasanya persamaan hukum pertama termodinamika dinyatakan dalam bentuk differensial yaitu :
dU adalah diferensial fungsi energi dalam, tetapi dQ dan dW bukan diferensial fungsi apapun. dQ menyatakan sejumlah kecil panas yang ditambahkan ke sistem atau diambil dari sistem, dan dW adalah sejumlah kecil usaha yang dilakukan oleh sistem atau yang diberikan ke sistem.
HUKUM HUKUM TERMODINAMIKA
Hukum Pertama Termodinamika
Pada dasarnya merupakan hukum konservasi energi, yaitu: energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan; energi hanya dapat diubah dari satubentuk menjadi bentuk yang lain.
Pengertian yang lebih hakiki tentang hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa jika satu sistem mengalami serangkaian perubahan yang tidak terbatas kembali kekeadaan semula, maka total perubahan energi adalah nol.
Hal ini menerangkan pada kita bahwa energi merupakan fungsi keadaan. (Hardjono Sastrohamidjojo kimia dasar gajah mada university press) persamaannya dapat dinyatakan sebagai berikut:
ΔE = q + w
ΔE = perubahan energi internal.
q = panas (kalor)
Jika sistem menyerap panas, maka energi sistem bertambah (q>0)
Jika sistem melepas panas, maka energi sistem berkurang (q<0) style="color: rgb(51, 51, 255);">
w = kerja (usaha).
Jika sistem melakukan kerja, maka energi sistem berkurang (w<0)>0)
Jika E akhir awal sama, maka DE = 0
2. Hukum Kedua
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.
ΔS=Q/T
Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.
3. Hukum KeTiga "Hukum Kenol"
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.
A. Hukum Awal (Zeroth Law/Hukum ke-0)
Bunyi Hukum Termodinamika 0 : "Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain"
B. Hukum Pertama
1. Bunyi Hukum Termodinamika 1 : "Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja."
2. Rumus/Persamaan 1 Termodinamika:
Q = W + U
Q = kalor/panas yang diterima/dilepas (J)
W = energi/usaha (J)
U = perubahan energi (J)
3. Hukum 1 Termodinamika dibagi menjadi empat proses, yaitu
a. Proses Isobarik (tekanan tetap)
Proses isobarik adalah proses perubahan gas dengan tahanan tetap. Pada garis P – V proses isobarik dapat digambarkan seperti pada berikut.
Usaha proses isobarik dapat ditentukan dari luas kurva di bawah gra fik P – V.
b. Proses Isotermis (suhu tetap)
Proses isotermis adalah proses perubahan gas dengan suhu tetap. Perhatikan gra fikk pada Gambar berikut.
Pada proses ini berlaku hukum Boyle.
Karena suhunya tetap maka pada proses isotermis ini tidak terjadi perubahan energi dalam U=O . Sedang usahanya dapat dihitung dari luas daerah di bawah kurva, besarnya seperti berikut.
c. Proses Isokhoris (volume tetap)
Proses isokhoris adalah proses perubahan gas dengan volume tetap. Pada grafik P.V dapat digambarkan seperti pada Gambar berikut.
Karena volumenya tetap berarti usaha pada gas ini nol,
d. Proses Adiabatis (kalor tetap)
Pada proses isotermis sudah kita ketahui, U = 0 dan pada proses isokoris, W = 0. Bagaiaman jika terjadi proses termodinamika tetapi Q = 0 ?
Proses yang inilah yang dinamakan proses adiabatis. Berdasarkan hukum I Termodinamika maka proses adiabatis memiliki sifat dibawah.
e. Proses Gabungan
Proses-proses selain 4 proses ideal diatas dapat terjadi. Untuk memudahkan penyelesaian dapat digambarkan grafik P – V prosesnya. Dari grafik tersebut dapat ditentukan usaha proses sama dengan luas kurva dan perubahan energi dalamnya
Sedangkan gabungan proses adalah gabungan dua proses adiabatis yang berkelanjutan. Pada gabungan proses ini berlaku hukum I termodinamika secara menyeluruh.
C. Hukum Kedua
Bunyi Hukum Termodinamika 2 : "Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya."
D. Hukum Ketiga
Bunyi Hukum Termodinamika 3 :
"Suatu sistem yang mencapai temperatur nol absolut, semua prosesnya akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum."
"Entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol."
