hukum II termodinamika

Hukum II Termodinamika adalah ekspresi dari kecenderungan yang dari waktu ke waktu, perbedaan suhu, tekanan, dan menyeimbangkan potensi kimia dalam terisolasi sistem fisik. 

Semua proses yang terjadi secara alami hanya berlangsung pada satu arah saja tapi tidak dapat berlangsung pada arah sebaliknya (biasa disebut sebagai proses ireversibel alias tidak dapat balik).

Salah seorang ilmuwan yang bernama R. J. E. Clausius (1822-1888) membuat sebuah pernyataan berikut :
"Kalor berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah; kalor tidak akan berpindah dengan sendirinya dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu tinggi (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Clausius)"

Pernyataan Hukum II Termodinamika

1. Jika tidak ada kerja dari luar, panas tidak dapat merambat secara spontan dari suhu rendah ke suhu tinggi (Clausius)
2. Proses perubahan kerja menjadi panas merupakan proses irreversible jika tidak terjadi proses lainnya (Thomson-Kelvin-Planck)
3. Suatu mesin tidak mungkin bekerja dengan hanya mengambil energi dari suatu sumber suhu tinggi kemudian membuangnya ke sumber panas tersebut untuk menghasilkan kerja abadi (Ketidakmungkinan mesin abadi)
4. Mesin Carnot adalah salah satu mesin reversible yang menghasilkan daya paling ideal.  Mesin ideal memiliki efisiensi maksimum yang mungkin dicapai secara teoritis

MESIN KALOR

Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah. Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram di bawah…

Amati diagram di atas… Suhu tinggi (TH) dan suhu rendah (TL) dikenal juga dengan julukan suhu operasi mesin (suhu = temperatur). Kalor yang mengalir dari tempat bersuhu tinggi diberi simbol QH, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bersuhu rendah diberi simbol QL. Ketika mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah, sebagian QH diubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai QL. Sebenarnya kita sangat mengharapkan bahwa semua QH bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang. Dengan demikian, berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa QH = W + QL.

Mesin Uap

Mesin uap menggunakan uap air sebagai media penghantar kalor. Uap biasa disebut sebagai zat kerja mesin uap. Terdapat dua jenis mesin uap, yakni mesin uap tipe bolak balik dan mesin uap turbin (turbin uap). Rancangan alatnya sedikit berbeda tetapi kedua jenis mesin uap ini mempunyai kesamaan, yakni menggunakan uap yang dipanaskan oleh pembakaran minyak, gas, batu bara atau menggunakan energi nuklir.

Mesin uap tipe bolak balik
Tataplah gambar kusam di bawah dengan penuh kelembutan…

aplikasi termodinamika dalam kehidupan sehari hari

Aplikasi Termodinamika dalam Kehidupan Sehari-hari

            Hukum termodinamika telah berhasil diterapkan dalam penelitian tentang proses kimia dan fisika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika berkenaan dengan proses alami atau proses spontan dimana fungsi yang memprediksi kespontanan reaksi ialah entropi, yang merupakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Hukum kedua ini menyatakan bahwa untuk proses spontan, perubahan entropi semesta haruslah positif. Sedangkan hukum ketiga termodinamika memungkinkan untuk menentukan nilai entropi mutlak (Chang, 2002: 165).

            Berikut beberapa contoh aplikasi termodinamika yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari :

1. Air Conditioner (AC)

            Sistem kerja AC terdiri dari bagian yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tekanan supaya penguapan dan penyerapan panas dapat berlangsung.

            Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke kondenser yang kemudian dimampatkan di kondenser.

Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan.

Pada kondensor, tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondensor relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator.

            Setelah refrigent lewat kondensor dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun.

            Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.

            Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada didalam substansi yang akan didinginkan.

            Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka entalpi, substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya entalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan.

Berikut rangkaian gambar skema kerja dari AC :

2. Dispenser

Prinsip kerja pemanas air

Proses pemanasan air terjadi pada saat air masuk kedalam tabung pemanas. Tabung pemanas merupakan tabung yang terbuat dari logam yang disekitar tabung tersebut dikelilingi oleh elemen pemanas, sehingga ketika air mengalir dari tampungan menuju tabung pemanas sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memicu elemen pemanas untuk bekerja, suhu tinggi yang dihasilkan elemen pemanas diserap oleh air yang suhunya lebih rendah, setelah suhu air dalam tabung pemanas tinggi maksimal sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memutuskan arus listrik pada elemen pemanas, pada saat elemen pemanas menyala lampu indikator pemanas menyala dan pada saat elemen pemanas mati lampu indikator pemanas mati.

Pada tabung dispenser dipasang Heater/pemanas serta sensor suhu atau thermostat yang berfungsi untuk membatasi kerja heater agar tidak bekerja terus-menerus yang akan menimbulkan suhu air dalam tabung dispenser berlebihan, karena apabila heater berkerja berlebih, heater akan panas dan bahkan heater tersebut akan terjadi kerusakan didalamnya. Untuk mengurangi terjadinya resiko tersebut, di heater dipasang thermostat yang berguna untuk mengatur suhu.

Ketika suhu air yang dipanaskan oleh heater mencapai suhu tertentu sehingga melebihi suhu kerja sensor/thermostat maka sensor akan bekerja dan memutuskan arus yang mengalir ke heater, dengan demikian heater akan berhenti bekerja sehingga suhu air tetap terjaga sesuai dengan kebutuhan, bisa dilihat di lampu indikator dari warna merah akan berganti warna hijau. Heater akan bekerja kembali manakala suhu air pada tabung menurun sampai suhunya berada dibawah suhu kerja sensor, sensor dipasang seri dengan heater, dengan demikian fungsi dari sensor ini mirip seperti saklar, hanya saja bekerjanya secara otomatis berdasarkan perubahan suhu.

Prinsip kerja pendingin air

            Proses pendinginan air pada dispenser pada umumnya dibedakan menjadi 2 yaitu:

1.     Pendinginan Air dengan Fan

Proses pendinginan air menggunakan fan dilakukan dengan cara menghisap suhu tinggi pada air ketika air berada pada tampungan air kedua yang letaknya berada dibawah tampungan air pertama, namun pada kenyataannya fan hanya alat bantu untuk mempercepat pembuangan panas pada air, sehingga temperatur air hanya akan turun sedikit saja. Setelah melewati tampungan air kedua air akan dikeluarkan melalui keran dan siap untuk diminum.

2.     Pendinginan Air dengan Sistem Refrigran

Pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran sama seperti sistem refrigran pada kulkas hanya saja evaporatornya dimasukkan kedalam tampungan air kedua yang berada dibawah tampungan air pertama, sehingga air disekitar evapurator akan menjadi air dingin. Hasil pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran lebih maksimal dibandingkan pendinginan air menggunakan fan. Setelah air melalui proses pendinginan pada tampungan air kedua, air akan mengalir dan keluar memalui keran.

 Nama komponen pada dispenser:

1.      Saklar On/Off

2.      Thermostat 1

3.      Thermostat 2

4.      Saluran daya utama

5.      Elemen pemanas

6.      Saluran air panas 

7.      Saluran air normal

8.      Pipa pembuangan

3. Rice Cooker

            Pada rice cooker, energi panas ini dihasilkan dari energi listrik. Suatu cairan akan menguap bila tekanan uap gas yang berasal dari cairan adalah sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (Puap = Pcair). Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal). Pada penanak nasi biasa, air akan dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa, dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K).

            Sementara, pada penanak nasi yang memanipulasi tekanan (pressure cooker, atau electric pressure cooker) jika tutup lubang uapnya dibuka, maka pressure cooker akan bekerja seperti penanak nasi biasa, karena tekanan eksternalnya sama dengan tekanan udara luar.

            Namun, jika tutup lubang uapnya (biasanya berupa katup) ditutup, akan ada perubahan pada tekanan udara di ruang dalam pressure cooker dan titik didih cairan akan berubah. Ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker.

Karena ada tambahan massa (tutup katup), tekanan makin tinggi dan titik kesetimbangan antar fase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.

            Massa tutup katup menentukan tekanan di dalam ruang pressure cooker, karena lubang katup akan membiarkan uap air keluar ketika tekanannya telah mencapai titik tertentu. Kelebihan tekanan akan dikurangi dengan melepaskan sedikit uap melalui katup.

prinsip kerja termos

PRINSIP KERJA TERMOS . Termos Vacuum Flash adalah alat bantu komponen yang mempunyai fungsi untuk menyimpan air, di sini menyimpan air tidak hanya menyimpan air biasa tetapi juga menjaga suhu air agar tetap. Contohnya bila diisi air panas maka suhu air dalam termos akan tetap tinggi karena panas tidak bisa merambat pada dinding termos.

Penemuan vacuum flask (tabung hampa udara) oleh Sir James Dewar di OxfordUniversity menjadi cikal bakal penemuan termos tempat menyimpan air panas dan dingin untuk minuman. Penemuan yang di ciptakan secara tidak sengaja ini menjadi produk hotter atau cooler bagi produk minuman di dunia. James Dewar lahir pada tanggal 20 September 1842 di Kincardineon-Fourth, Scotlandia. Ia dibesarkan dari keluarga berprofesi sebagai pedagang anggur. Semenjak kecil dan dewasa ia tinggal di kota kelahirannya. Setelah lulus dari bangku sekolah, ia melanjutkan pendidikan ke Universitas Edonburgh dan m,enjadi murid ilmuan kimia Lyon Playfair.

Menurut Teori Pertukaran dari Henry Prevost Babbage (1824 – 1918) bahwa benda yang lebih dingin selalu menyerap gelombang panas dari benda yang lain sampai keduanya mempunyai temperatur yang sama. Didasarkan pada teori ini maka teh yang panas ataupun dingin dalam termos akan kehilangan panas atau menyerap panas dari tempatnya. Namun, termos sudah didesain agar bisa menghambat ketiga cara panas berpindah: konduksi, konveksi, dan radiasi.

Lalu Bagaimana Prinsip Kerja Termos?

Prinsip kerja termos itu sederhana. Termos menggunakan bahan yang bersifat adiabatik. Bahan adiabatik secara ideal menghambat atau tidak memungkinkan terjadinya interaksi, antara sistem dengan lingkungan.

Kalau tidak ada interaksi antara sistem dan lingkungan, maka tidak ada perpindahan kalor antara sistem dalam termos dengan lingkungannya. Akibatnya tidak terjadi pertukaran temperatur.

Dengan menggunakan bahan adiabatik ini termos mampu mempertahankan suhu air yang berada di dalamnya. Air panas yang udah masuk termos tidak cepat dingin.

sistem keadaan dan sifat termodinamik

Sistem keadaan dan sifat termodinamik

Pada kali ini akan memperkenalkan konsep dan terminologi yang di[ergunkan untuk mempelajari sistem dan perilaku

1.               Sistem termodinamik

Besaran makroskopik yang dikaitkan dengan bagian dalam sistem disebut koordinat termodinamik.sistem yang diberikan oleh koordinat termodinamik disebut sistem termodinamik.

Untuk menganalisis termodinamika terlebih dahulu dimulai dengan pemilihan sistem,permukaan batasnya dan lingkungan dari sistem.apabila sistem telah dipilih langkah berikutnya yaitu memberikan dalam besaran yang berkaitan dengan sifat sistem dan interaksinya dengan lingkungan atau keduanya..berdasarkan interaksi lingkungannya sistem dibedakan menjadi 3 yaitu sistem terbuka tertutup dan terisolasi.

Dalam kasus seperti ini kita dapat menetapkan suatu ruang tertentu atau daerah didalam pipa dimana aliran massa ini mengalir sebagai sistem.daerah yang ditetapkan ini disebut dengan volume atur.permukaan batas atur disebut dengan permukaan atur yang ditunjukan sebgaia garis putus putus.permukaan dalam pipa dapat diambil sebagia bagian dari permukaan batas sistem yang nyata.namun kenyataannya ada permukaan batas yang imajiner karena tidak ada permukaan nyata yang menandai posisi dari ujung ujung yang terbuka,sehingga massa dapat mengalir dari sistem batas volume atur dan sistem seperti ini disebut sebagai sistem terbuka karena terdapaat pertukaran massa dan energi antara sistem dan lingkungan melalui permukaan batas.

Pada silinder yang dilengkapi dengan piston berisi zat alir.zat alir dalam silinder dipilih sebagai sistem.permukaan dalam silinder dan piston diambil sebagai permukaan batas sistem yang ditandai dengan garis putus putus.dalam contoh ini bentuk dan volume sistem  dapat berubah dengan menaikan atau menurunkan piston,karena itu sistem seperti ini juga dapat disebut massa atur .perubahan bentuk dan volume permukaan batas selalu diperbolehkan sepanjang perubahan ini dikenali dalam perhitungan selanjutnya,pada sistem ini tidak terdapat pertukaran massa dengan lingkungan.sitem seperti ini disebut dengan sistem tertutup.meskipun sejumlah materi ditetapkan dalam sistem tertutup.energi masih dapat mengalir melewati permukaan batas sistem.oleh karena itu sistem dikatakan tertutup apabila tidak terdapat pertukaran massa tetapi dapat terjadi pertukaran energi melalui permukaan batas dengan lingkungan.jenis khusus dari sistem tertutup adalah sistem terisolasi yaitu sistem tidak dapat melakukan pertukaran masa dan energi melewati permukaan batas. Permukaan batas semacam ini disebut dinding adiabatik.

2.fase dan zat murni

Fase adalah besaran yang mempunyai struktur fisika dan komposisi kimia yang homogen.struktur fisika dikatakan homogen apabila zat terdiri dari fgas saja.atau padat saja.komposisi kimia dikatakan homogen apabila zat terdiri dari satu bahan kimia yang dapat berbentuk gas,padat,atau cair.

Zat murni adalah zat yang mempuyai komposisi kimia yang teteap dan homogen.zat murni umumnya terdapat lebih dari satu fase tetapi komposisi kimianya sama untuk seluruh fase.

3.sifat termodinamik

Sifat sistem adalah ciri umum dari sistem yang mempunyai nilai.nilai sifat ini dapat diukur secara langsung seperti tekanan,volume dan suhu.

Sifat sistem digolongkan menjadi 2 yaitu ekstensif dan intensif.jika harga seluruh sistem sama dengan jumlah harga sifat subsistematau bagian sifat disebut ekstensif.dan apabila harga sifat seluruh sistem tidak sama dengan jumlah harga subsistem atau bagaian itu disebut dengan intensif.

4.keadaan

Keadaan sistem dispesifikan oleh sedertaan harga sifatnya.mengingat pada umumnya terdapat ubungan antar sifat sifat ini.keadaan dapat dispesifikasikan berdasarkan nilai pasangan sifatnya .

sejarah penemuan termodinamika

Istilah termodinamika sering kali kita dengar didalam kehidupan kita. Setiap perbendaharaan kata yang sering kita gunakan itu tentunya memiliki arti dan makna tersendiri. Begitupun kata termodinamika, seperti yang dikatakan oleh Widoyo. (2011:1), “Termodinamika (bahasa Yunani: thermos= ‘panas’ and dynamic= ‘perubahan’) adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses”.

Hubungan-hubungan yang ada dalam termodinamika itu berasal dari mekanika statistik, oleh sebab itu banyak sekali keterkaitan antara termodinamika dan mekanika statistik, bahkan terdapat beberapa kajian yang sama seperti pandangan terhadap suatu sistem. Pada sebuah sistem dimana terjadi suatu proses perubahan wujud atau pertukaran energi, ternyata termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kecepatan suatu proses reaksi berlangsung atau biasa kita sebut kinetika reaksi. Karena hal tersebut, istilah “termodinamika” biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dari itu, dapat kita katakan bahwa termodinamika merupakan cabang fisika yang mempelajari mengenai hubungan antara panas dengan energi.

Pada dasarnya, seperti yang telah dijelaskan diatas bahwa termodinamika merupakan ilmu yang yang mempelajari tentang panas sebagai energi yang mengalir. Karena itu, sejarah perkembangan ilmu termodinamika berawal sejak manusia “memikirkan” tentang panas.

Abad ke-5 SM, seorang filsuf Yunani Parmenides menulis sebuah puisi konvensional yang berjudul “On Nature”, beliau menggunakan penalaran verbal untuk mengungkapkan bahwa kekosongan, pada dasarnya apa yang sekarang kita kenal sebagai vakum di alam ini ternyata tidak bisa terjadi. Pandangan tersebut didukung oleh Aristoteles. Aristoteles (350 SM) merupakan orang yang pertama kali melakukan percobaan tentang panas. Dia mengatakan bahwa panas merupakan bagian dari materi atau dengan kata lain materi tersusun dari panas dan pada tahun 1593, penalaran Aristoteles diteruskan oleh seorang bernama Galileo Galilei. Dia menganggap bahwa panas adalah sesuatu yang dapat diukur, melalui penemuannya berupa termometer air.

Beberapa tahun kemudian setelah Galileo Galilei meneruskan penalaran Aristoteles, tepatnya pada tahun 1799 dua Ilmuwan bernama Sir Humphrey Davy dan Count Rumford menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir. Pernyataan tersebut mendukung prinsip kerja termometer yang ditemukan oleh Galileo Galilei namun membantah pernyataan Aristoteles yang menyatakan bahwa panas merupakan bagian dari materi atau dengan kata lain materi tersusun dari panas. Saat itu seharusnya dirumuskan hukum ke-nol termodinamika, akan tetapi karena pada saat itu termodinamika belum berkembang sebagai ilmu maka para tidak terpikirkan oleh para ilmuwan untuk merumuskan hukum ke-nol dengan pernyataannya:

“dua sistem dalam keadaan yang setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.

Beberapa tahun sebelum Sir Humphrey Davy dan Count Rumford menegaskan bahwa panas adalah sesuatu yang mengalir, tepatnya pada tahun 1778 seorang ilmuwan bernama Thomas Alfa Edison memeperkenalkan sebuah mesin uap pertama yang mengkonvensi panas menjadi kerja mekanik. Kemudian pada tahun 1824, ilmuwan bernama Sadi Carnot berupaya untuk menemukan hubungan antara panas yang digunakan dan kerja mekanik yang dihasilkannya.

Hasil pemikiran Carnot merupakan titik awal perkembangan ilmu termodinamika klasik. Carnot dianggap sebagai Bapak Termodinamika, dia mempublikasikan refleksi pada kekuatan motif api, wacana pada efisiensi panas, kekuatan, energi dan mesin. Makalah tersebut menguraikan hubungan energik dasar antara mesin Carnot, siklus Carnot, dan kekuatan motif. Hal ini menjadi tanda bahwa termodinamika sebagai ilmu pengetahuan modern telah dimulai.

Tahun 1845, 67 tahun setelah Thomas Alfa Edison memperkenalkan mesin uapnya, James P.Joule menyimpulkan bahwa panas dan kerja merupakan dua bentuk energi yang satusama lainnya dapat dikonversi. Kesimpulan Joule didukung oleh ilmuwan-ilmuwan lainnya seperti rudolf Clausius, Lord Kelvin (William Thompson), Helmhozt, dan Robert Mayer, kemudian selanjutnya para ilmuwan ini  merumuskan hukum pertama termodinamika pada tahun 1850. Setahun sebelumnya, ternyata Lord Kelvin telah memperkenalkan istilah termodinamika melalui makalahnya yang berjudul: An Account of Carnot’s Theory of the Motive Power of Heat. Sedangkan buku tentang termodinamika pertama ditulis oleh William Rankine pada tahun 1859. Pernyataan hukum pertama termodinamika yang dirumuskan oleh para ilmuwan tadi adalah:

“perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi panas yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap system”.

Secara matematis, pernyataan tersebut dapat diungkapkan dengan persamaan:

∆U = Q + W

Setelah Lord Kelvin dan Planck mempelajari mesin carnot, kemudian menyimpulkan bahwa pada suatu mesin siklik tidaklah mungkin kalor yang diterima mesin itu akan diubah semuanya menjadi kerja, tetapi akan selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin. Hal ini terjadi akibat sifat sebuah sistem yang selalu menuju ketidakteraturan, entropi (S) meningkat. Pada saat itu tepatnya pada tahun 1860 hukum kedua termodinamika diperkenalkan. Menurut Clausius, dia menyatakan bahwa besarnya perubahan entropi yang dialami oleh suatu sistem ketika sistem tersebut mendapatkan tambahan kalor (Q) pada temperatur atau suhu konstan dapat dinyatakan melalui pernyataan yang dikenal sebagai hukum kedua termodinamika yang berbunyi:

“total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”.

Artinya, kalor dapat mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, sebaliknya kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.

Tahun 1873-1876, seorang ilmuwan matematika yang merupakan fisikawan Amerika bernama Josiah Williard Gibbs menerbitkan tiga makalah, dimana salah satu makalahnya yang paling terkenal adalah pada kesetimbangan substansi heterogen. Pada makalah itu ia menunjukan bagaimana proses termodinamika, termasuk didalamnya adalah reaksi kimia yang dapat dianalisis melalui grafis dengan mempelajari energi, entropi, volume, suhu dan tekanan dari sistem termodinamika sedemikian rupa.

Beberapa tahun kemudian, pada tahun 1885 Boltzman menyatakan bahwa energi dalam dan entropi merupakan besaran yang menyatakan keadaan mikroskopis sistem. Pernyataan tersebut menjadi awal perkembangan termodinamika statistik yang merupakan pendekatan secara mikroskopis tentang sifat termodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel sebagai penyusunnya.

Pada tahun 1906, Giauque dan W. Nernst merumuskan hukum ketiga termodinamika. Pernyataan hukum ketiga tersebut adalah:

“pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, maka semua proses yang terjadi dalam sistem tersebut akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”.

Awal abad ke-20, munculah termodinamika statistik yang juga disebut sebagai mekanika statistik. Kemunculan tersebut ditandai dengan perkembangan teori atom dan molekuk pada paruh kedua abad ke-19 yang kemudian melengkapi termodinamika dengan menginterpretasikan interaksi mikroskopis antara partikel individu atau kuantum mekanis. Bidang ini menghubungkan sifat mikroskopis atom dan molekul individu dengan sifat makroskopisnya adalah sebagian besar bahan-bahan yang dapat diamati pada skla manusia, sehingga menjelaskan bahwa termodinamika merupakan akibat alami dari statistik, mekanika klasik, dan teori kuantum pada tingkat mikroskopis.

apakah termodinamika itu ?

Termodinamika adalah bidang ilmu yang meliputi hubungan antara panas dan jenis energi lainnya. Termodinamika ditemukan dan diteliti awal tahun 1800-an. Pada saat itu, itu terkait dengan dan mendapat perhatian karena penggunaan mesin uap.
Termodinamika dapat dipecah menjadi empat hukum. Meskipun ditambahkan ke dalam hukum termodinamika setelah tiga hukum lainnya, hukum ke nol biasanya dibahas terlebih dahulu. Ini menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dengan kata lain, jika dua sistem adalah temperatur yang sama sebagai sistem yang ketiga, maka ketiganya adalah suhu yang sama.
Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi total sistem tetap konstan, bahkan jika itu diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Misalnya, energi kinetik – energi yang memiliki obyek ketika bergerak – diubah menjadi energi panas ketika sopir menekan rem pada mobil untuk memperlambatnya. Ada sering menangkap frase untuk membantu orang mengingat hukum pertama termodinamika: “Usaha adalah kalor, dan kalor adalah usaha.” Pada dasarnya, usaha dan panas yang setara.
Hukum kedua termodinamika adalah salah satu hukum yang paling dasar dalam ilmu pengetahuan. Ini menyatakan bahwa panas tidak bisa mengalir ke sistem pada suhu yang lebih tinggi dari sistem pada suhu yang lebih rendah dengan kemauan sendiri. Untuk tindakan tersebut terjadi, usaha harus dilakukan. Jika es batu ditempatkan dalam secangkir air hangat, es batu mencair saat panas air mengalir ke dalamnya. Hasil akhirnya adalah secangkir air yang sedikit dingin. Es batu hanya bisa terbentuk jika menggunakan energi.
Contoh lain dari hukum kedua hanya bekerja dengan penambahan energi dapat dilihat dengan kulkas tua. Dalam hal ini, pendinginan dari dalam kulkas menghangatkan di luar itu. Jadi, usaha yang dilakukan dan usaha membuat kalor. Usaha selesai dengan pompa kulkas.
Hukum kedua termodinamika juga mengatakan bahwa hal-hal dapat aus. Sebagai contoh, jika sebuah rumah bata dibiarkan tidak terawat, akhirnya akan runtuh karena angin, hujan, dingin, dan kondisi cuaca lainnya. Namun, jika tumpukan batu bata jika dibiarkan tanpa pengawasan, tidak akan pernah membentuk sebuah rumah, kecuali usaha akan ditambahkan ke dalam campuran.
Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi dari suatu sistem ketika mengubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya mendekati nol suhunya mendekati nol pada skala Kelvin. Nol pada skala Kelvin adalah mutlak batas bawah suhu – ketika atom dan molekul memiliki energi paling mungkin. Entropi didefinisikan sebagai ketersediaan energi sistem untuk melakukan pekerjaan. Jadi, berikut bahwa ada skala absolut entropi. Akibatnya, tidak ada sistem nyata yang bisa mencapai nol derajat pada skala Kelvin.

perubahan fase zat

Perubahan Fase Zat

Artikel ini adalah suplemen dari artikel Wujud Zat Kelima, membahas sedikit detil tentang konsep perubahan fase. Cocok untuk siswa SMA dan sederajat, terutama yang masih bingung dengan “asas Black”, hehe. Kata kunci pada perubahan fase sebuah zat adalah “panas zat berubah, tapi temperaturnya tetap“.
Pada artikel Wujud Zat Kelima, disinggung konsep “perubahan fase”. Secara harfiah, perubahan fase terjadi saat sebuah zat berubah dari satu wujud ke wujud yang lain. Misalnya dari gas ke cair, cair ke padat, padat ke gas, dan sebaliknya. Proses-proses perubahan fase diilustrasikan oleh Gambar Proses perubahan fase zat (baca artikel Wujud Zat Kelima). Setiap proses melibatkan panas, baik panas itu dilepas oleh zat ataupun diterima oleh zat, tapi tidak melibatkan perubahan temperatur!

Proses Pendidihan dan Penguapan

Fenomena ini mungkin jarang kita amati, atau bahkan sebagian kita merasa ini adalah hil yang mustahal. Kenapa? Karena perubahan temperatur, normalnya, mengindikasikan perubahan panas. Semakin tinggi temperatur sebuah zat, semakin panas juga dia. Untuk menaikkan temperatur sebuah zat, kita dapat memanaskan zat tersebut. Sebaliknya, untuk mendinginkan sebuah zat, maka sebagian panasnya harus dibuang sehingga pada akhirnya temperaturnya berkurang. Kulkas, atau refrigerator, adalah piranti umum yang dapat mengambil panas suatu zat dan dibuang ke lingkungan. Oleh karena itu bagian belakang kulkas panas dan bisa dipakai untuk mengeringkan pakaian — ini termasuk ide daur ulang energi yang cerdas menurut saya.

Air tepat mendidih: gelembung-gelembung udara pecah di dalam air sebelum sampai ke permukaan.

Namun sebenarnya tidak selalu demikian. Misalnya kita ingin menguapkan sejumlah air. Ketika tepat mendidih (biasanya pada temperatur 100°celcius), kita tetap memberikan panas (misalnya panas api dari kompor) supaya dia benar-benar mendidih. Tanda air tepat mendidih adalah muncul gelembung-gelembung udara dari dasar panci namun gelembung itu  meletus di dalam air sehingga terdengar bunyi mendesis. Jika kita matikan kompor saat itu, maka gelembung-gelembung tersebut langsung hilang. Kejadian Ini menandakan temperatur air turun.

Air telah mendidih: terlihat gelembung-gelembung udara berhasil mencapai permukaan air.

Jadi kompor tetap dinyalakan (untuk memberikan panas pada air). Gelembung-gelembung terus bermunculan dan terlihat mereka seakan-akan berjuang untuk dapat sampai ke permukaan air. Pada saat ini, meskipun air terus menerima panas, tapi temperaturnya tidak berubah, tetap 100°celcius. Kita bisa uji ini dengan cara meletakkan termometer ke dalam air selama proses pendidihan berlangsung.
Jika gelembung-gelembung udara tersebut berhasil sampai di permukaan air, maka disebut air telah mendidih — sebagian air (zat cair) telah berubah menjadi uap (gas). Ambil termometer lain dan coba ukur temperatur gas yang berada tepat di atas permukaan air — nilainya pasti sama atau lebih tinggi dari 100°celcius. Pada kondisi ini, panas yang diterima uap air dipakai untuk menaikkan temperaturnya — kondisi kembali normal.

Kalor dan Kalor Laten

Diagram temperatur-energi panas (T-Q) pada perubahan fase wujud zat.

Cerita ini digambarkan oleh diagram temperatur-energi perubahan fase. Istilah “panas” yang sering kita ucapkan sehari-hari adalah energi yang dipakai untuk mengubah temperatur zat — disebut juga dengan istilah kalor. Nilainya diberikan oleh

.

dengan adalah panas yang terlibat (diterima atau dilepaskan zat, satuan joule (J)), adalah massa zat (kg), adalah kalor jenis (J/kg.K), dan adalah perubahan temperatur yang dialami oleh zat (K, kelvin).

Ada konsep baru yang disebut di sini, yaitu kalor jenis. Kalor jenis adalah jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu kilogram zat sebanyak 1 K (atau setara dengan 1°celcius) — ini sesuai dengan satuannya J/kg.K. Setiap zat memiliki nilai yang berbeda-beda. Air misalnya, memiliki nilai J/kg.K.

Oke, kita lanjut. Bagaimana dengan panas yang terlibat selama proses perubahan fase? Panas ini disebut panas laten atau kalor laten. Istilah “laten” berasal dari bahasa Inggris, “latent“, yang berarti “tersembunyi”. Zaman orba dulu, istilah laten sering dipakai untuk mencap paham komunis sebagai bahaya laten. artinya paham ini adalah bahaya yang tidak terlihat tapi sesungguhnya adalah bahaya. Ini seperti api dalam sekam, apinya tidak terlihat dari luar tapi sesungguhnya dia ada di sana.

Kalor laten, dalam termodinamika, dirumuskan sebagai

dengan adalah kalor laten, adalah massa zat, dan adalah kalor jenis laten (J/kg).

Penggunakan Diagram T-Q

Salah satu penggunaan diagram T-Q adalah menghitung panas yang terlibat selama proses perubahan fase berlangsung. Gambar di bawah ini contoh diagram T-Q untuk air (wujud padat, cair, dan gas). Misalnya, untuk mencairkan es butuh 334 kJ panas (kalor laten). Untuk mendidihkannya butuh 418,6 kJ panas. Untuk menguapkannya, butuh 2260 kJ (kalor laten). Jadi, setidak-tidaknya butuh 3012,6  kilojoule panas! Nilai ini akan bertambah jika temperatur es di bawah 0°celcius

Penggunaan lain adalah untuk menganalisis prinsip asas Black yang sering diuji di sekolah.