Mengenal Apa Itu Termodinamika dan Penerapan Hukum 1, 2, dan 3

Konsep termodinamika itu bagaimana, sih? Bagi sebagian kita, termodinamika mungkin masih terdengar asing. Bagaimana buat kamu, Sobat Pintar? Apakah kamu pernah mendengar istilah termodinamika sebelumnya? 

Baca juga: Macam-Macam Perpindahan Kalor – Konveksi, Konduksi dan Radiasi

Konsep termodinamika sangatlah penting dalam pemahaman tentang energi dan proses kerja di sekitar kita. Termodinamika adalah sebuah cabang ilmu fisika yang menarik dan memiliki penerapan luas di berbagai bidang kehidupan. Namun apa sebenarnya yang dimaksud dengan termodinamika? Mari kita eksplorasi pengertian termodinamika dari sudut pandang yang menarik dan mudah dipahami.

 

Tentang Termodinamika

bunyi hukum termodinamika 1
Photo by Chris Rhoads on Unsplash

Jika kata termodinamika itu sendiri dipecah, kita akan menemukan dua kata dalam Bahasa Yunani, yaitu thermos yang berarti panas dan dynamic yang berarti perubahan atau pergerakan. Bayangkan termos di rumahmu, Sobat. Fungsi utamanya adalah untuk menjaga suhu air tetap panas. Secara sederhana, ilmu termodinamika berkaitan dengan perubahan dan pergerakan energi panas.

Dalam ilmu termodinamika, kita mempelajari bagaimana energi panas dapat berpindah dari satu objek ke objek lainnya, terutama saat ada perbedaan suhu antara keduanya. Misalnya, ketika kita menuangkan air panas ke dalam termos, termodinamika menjelaskan bagaimana energi panas tersebut berpindah ke termos yang memiliki suhu lebih rendah.

Termodinamika tidak hanya penting dalam konteks ilmu fisika, tetapi juga dalam dunia teknik. Dalam sains, termodinamika digunakan untuk memahami sifat fisika dan kimia materi dalam keadaan diam. Sementara dalam teknik, termodinamika digunakan untuk merancang dan mengoptimalkan berbagai sistem teknologi. Dengan pemahaman konsep termodinamika, para insinyur dapat menciptakan teknologi yang efisien, seperti motor roket, air conditioner, rice cooker, dan banyak lagi.

Termodinamika juga melibatkan konsep kalor, yang merupakan perpindahan energi akibat perbedaan suhu. Secara keseluruhan, termodinamika adalah ilmu yang mempelajari tentang perubahan dan pergerakan energi panas.

 

Sistem Termodinamika

bunyi hukum termodinamika 2
Photo by Dominika Gregušová on Pexels

Dalam ilmu termodinamika, sistem memainkan peran penting dalam perubahan energi dan massa. Sistem adalah wilayah yang dibatasi dan terfokus pada analisis termodinamika, sedangkan lingkungan adalah bagian yang berinteraksi dengan sistem melalui pertukaran energi dan massa.

Mari kita eksplorasi lebih lanjut tentang jenis-jenis sistem dalam termodinamika, Sobat Pintar. Sistem termodinamika dapat dibagi menjadi tiga jenis utama, yakni sistem terbuka, sistem tertutup, dan sistem terisolasi.

Sistem Terbuka

Dalam sistem terbuka, terjadi pertukaran massa dan energi antara sistem dengan lingkungannya. Contoh sistem termodinamika ini dapat ditemui dalam fenomena alam seperti samudra, lautan, atau tumbuhan. Dalam sistem terbuka, energi dan massa dapat melintasi batas sistem dan berinteraksi dengan lingkungan sekitarnya. Pertukaran massa dan energi ini memengaruhi perilaku sistem secara keseluruhan.

Sistem Tertutup

Dalam sistem tertutup terjadi pertukaran energi, tetapi tidak ada pertukaran massa antara sistem dan lingkungannya. Contoh yang sering kita temui adalah green house. Pada green house, terjadi pertukaran kalor dengan lingkungan, tetapi tidak ada pertukaran massa yang signifikan. Sistem termodinamika ini memungkinkan perubahan energi dalam bentuk kerja, tetapi tidak memungkinkan pertukaran massa antara sistem dan lingkungan.

Sistem Terisolasi

Dalam sistem termodinamika ini, tidak ada pertukaran energi atau massa antara sistem dan lingkungannya. Dengan begitu, berarti tidak ada pertukaran energi atau massa yang melewati batas sistem. Contoh umum sistem terisolasi adalah tabung gas yang terisolasi, yang tidak memungkinkan terjadinya pertukaran energi atau massa dalam tabung gas dengan lingkungan sekitarnya.

Dalam konteks sistem termodinamika, terdapat istilah-istilah khusus yang perlu kita ketahui. Pemahaman istilah khusus seperti ini dapat membantu kita memahami dan menganalisis perubahan energi dan massa di dalam sistem.

Salah satu istilah penting yang perlu kita ketahui adalah batas sistem, sebuah batas imajiner yang memisahkan sistem dari lingkungannya. Istilah lainnya yang terkait dengan sistem termodinamika yaitu pembatas adiabatik dan pembatas rigid. Pembatas adiabatik adalah pembatas yang tidak memperbolehkan pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan. Pembatas adiabatik biasanya dijumpai dalam sistem tertutup, yang memang memiliki karakteristik pembatas tertentu. Sementara itu, pembatas rigid adalah pembatas yang tidak memperbolehkan pertukaran kerja antara sistem dan lingkungan. Jika tidak ada pertukaran energi atau massa sama sekali antara sistem dan lingkungannya, sistem ini disebut sistem terisolasi.

Dengan memahami jenis-jenis sistem dalam termodinamika, kita dapat mempelajari dan menganalisis perubahan energi dan massa dengan lebih baik. Setiap jenis sistem termodinamika memiliki karakteristik uniknya sendiri dan berinteraksi dengan lingkungan dengan cara yang berbeda.

 

Hukum Termodinamika

bunyi hukum termodinamika 3
Photo by Soroush Karimi on Unsplash

Hukum termodinamika merupakan dasar penting dalam memahami sistem termodinamika. Hukum termodinamika terdiri dari empat hukum utama.

Hukum Awal (Zeroth Law)

Dalam ilmu termodinamika, terdapat serangkaian hukum yang mengatur perilaku sistem fisik terkait dengan energi dan perubahan suhu. Pondasi utama dari hukum-hukum tersebut dikenal dengan Hukum Awal atau Zeroth Law, yang menjadi dasar bagi tiga bentuk hukum termodinamika lainnya.

Secara kolektif, Hukum 1 Termodinamika, Hukum 2 Termodinamika, dan Hukum 3 Termodinamika menjelaskan fenomena yang terjadi dalam sistem fisik: jika dua sistem berada dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka sistem ketiga tersebut juga dalam keadaan setimbang satu sama lain. Artinya, apapun zat atau materi yang ada, mereka akan mencapai kesetimbangan termal satu sama lain. Hukum ini menegaskan bahwa kesetimbangan termal berlaku secara universal.

Dengan berpijak pada Hukum Awal Termodinamika, tiga bentuk hukum termodinamika lainnya dapat dijelaskan secara rinci. Mari kita lihat penjabaran Hukum 1 Termodinamika, Hukum 2 Termodinamika, dan Hukum 3 Termodinamika.

Hukum 1 Termodinamika

Bunyi Hukum Termodinamika 1: energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah bentuknya saja. Hal ini dapat dijelaskan melalui persamaan:


Dalam rumus termodinamika di atas, ΔU mewakili perubahan energi dalam sistem, Q adalah jumlah energi kalor yang masuk ke dalam sistem, dan W adalah kerja yang dilakukan oleh sistem. Hukum ini menegaskan bahwa perubahan energi dalam sistem merupakan hasil dari jumlah energi kalor yang masuk ke sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem.

Perlu diperhatikan bahwa dalam rumus termodinamika tersebut, tanda positif (+) atau negatif (-) dari Q dan W tergantung pada apakah sistem menyerap atau melepas kalor serta melakukan atau menerima kerja. Jika sistem menyerap kalor, Q akan bertanda positif, sedangkan jika sistem melepas kalor, Q akan bertanda negatif. Begitu pula, jika sistem melakukan kerja, W akan bertanda positif, sedangkan jika sistem menerima kerja, W akan bertanda negatif.

Hukum 1 Termodinamika juga berlaku dalam konteks perubahan suhu dan volume. Ketika kalor diberikan pada sistem, volume dan suhu sistem cenderung bertambah. Sedangkan jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem cenderung berkurang. Prinsip ini menjelaskan bahwa energi yang diberikan oleh kalor sejalan dengan kekekalan energi dalam sistem.

Hukum 1 Termodinamika membentuk dasar penting dalam pemahaman tentang perubahan energi dalam sistem termodinamika. Dalam proses perubahan volume, sistem akan melakukan usaha. Sedangkan dalam proses perubahan suhu, sistem akan mengalami perubahan energi dalam. Oleh karena itu, keberadaan kalor yang diberikan kepada sistem dapat menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Hukum ini diuraikan menjadi 4 proses termodinamika, yaitu: 

– Isobarik (tekanan tetap atau konstan) 

Isokhorik (volume tetap atau konstan)

Isotermik (suhu tetap atau konstan)

– Adiabatik (sistem diisolasi agar tidak ada kalor yang keluar maupun masuk atau tidak terjadi pertukaran kalor).

Hukum 2 Termodinamika

Hukum 2 Termodinamika menetapkan pembatasan terhadap perubahan energi dan mengungkap sifat alami aliran kalor antara objek dan sistem. Bunyi Hukum Termodinamika 2: kalor akan mengalir secara alami atau spontan dari benda yang memiliki suhu tinggi ke benda yang memiliki suhu rendah. Namun kalor tidak akan mengalir secara alami atau spontan dari benda yang dingin ke benda yang panas tanpa dilakukan usaha eksternal. Hal ini menunjukkan arah aliran kalor yang terjadi secara alami dalam sistem termodinamika.

Arah aliran kalor juga berkaitan dengan konsep entropi, yang merupakan ukuran keseimbangan termodinamis dalam suatu sistem fisik. Entropi menjelaskan perubahan energi dan menjadi dasar dari Hukum 2 Termodinamika. Secara khusus, bunyi Hukum Termodinamika 2 adalah kalor akan mengalir secara spontan dari benda dengan suhu tinggi ke benda dengan suhu rendah, dan tidak akan mengalir secara spontan dalam arah sebaliknya.

Hukum 2 Termodinamika berkembang sebagai respons terhadap keterbatasan yang ditemukan dalam Hukum 1 Termodinamika, yang tidak memberikan penjelasan apakah suatu proses dapat terjadi atau tidak. Oleh karena itu, Hukum 2 Termodinamika dihasilkan untuk mempelajari sifat dan karakteristik sistem.

Hukum 3 Termodinamika 

Bunyi Hukum Termodinamika 3: entropi sistem akan mendekati nilai minimum pada temperatur nol mutlak. Entropi adalah ukuran ketakberaturan dalam sistem termodinamika. Pada suhu nol mutlak, benda dengan struktur kristal sempurna akan memiliki entropi yang bernilai nol. Hal ini menunjukkan bahwa pada suhu tersebut, benda kristal sempurna akan mencapai keadaan tertib mutlak tanpa ada kemungkinan variasi atau kekacauan dalam strukturnya.

Hukum 3 Termodinamika memberikan wawasan tentang perilaku sistem pada suhu terendah yang dapat dicapai. Meskipun sulit untuk mencapai suhu nol mutlak dalam kondisi nyata, pemahaman tentang hukum ini memiliki implikasi penting dalam studi termodinamika dan penelitian ilmiah. Konsep termodinamika ini mengungkapkan keadaan yang sangat khusus yang terjadi pada temperatur nol mutlak, sehingga kita memahami perubahan energi dan pergerakan partikel dalam sistem pada suhu yang sangat rendah.

 

Contoh Peristiwa Termodinamika


Photo by Matt Hardy on Pexels

Sebenarnya ada berbagai peristiwa yang melibatkan hukum-hukum termodinamika dalam kehidupan kita sehari-hari, Sobat Pintar. Dengan memahami termodinamika dalam kehidupan sehari-hari, kita dapat lebih menghargai bagaimana energi panas bekerja dan bagaimana kita dapat mengoptimalkan penggunaannya. Berikut beberapa contoh peristiwa termodinamika yang semestinya pernah kamu jumpai.

Penerapan Termodinamika pada Termos

Kamu punya termos di rumah kan, Sobat? Contoh Hukum Termodinamika 1 dapat ditemukan pada termos, yakni ketika bahan adiabatik digunakan untuk menghambat pertukaran kalor antara sistem di dalam termos dan lingkungan eksternal. Hambatan tersebut mengakibatkan suhu di dalam termos tidak mengalami penurunan. Kaca putih yang mengkilap di dalam termos berperan dalam menghambat pelepasan kalor. Selain itu, celah hampa udara antara tabung dan kaca, antara tabung dan dinding termos, serta lapisan luar termos yang terbuat dari plastik atau logam juga berkontribusi dalam menghambat perpindahan panas.

Penerapan Termodinamika pada Rice Cooker 

Konsep termodinamika juga diterapkan pada rice cooker, alat yang memanfaatkan listrik untuk menanak nasi dan melakukan fungsi-fungsi lain seperti merebus sayur atau mengukus kuah. Rice cooker menggunakan elemen pemanas yang terletak di bagian bawah, samping, dan atas. Ketika suhu pemanas mencapai titik maksimal dan nasi matang, termostat akan memutuskan aliran listrik ke elemen pemanas nasi. Ketika suhu turun, aliran listrik akan terhubung kembali secara otomatis. Prinsip ini didasarkan pada hukum termodinamika yang menyatakan bahwa cairan akan menguap saat tekanan uap gas sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya. Pada rice cooker, perubahan tekanan di dalam ruang memengaruhi titik didih cairan, yang lantas memengaruhi proses memasak nasi.

Penerapan Termodinamika pada AC 

Kita juga bisa melihat penerapan konsep termodinamika pada sistem pendingin udara atau AC. Cara kerja alat ini adalah dengan mengeluarkan panas dari dalam ruangan dan mendinginkan udara melalui proses perpindahan panas dengan menggunakan refrigeran dan siklus kompresi. Di sini terlihat penerapan Hukum 2 Termodinamika, yang menyatakan bahwa aliran kalor dari suhu rendah ke suhu tinggi tidak terjadi secara alami atau spontan. Untuk mengalirkan kalor dari suhu rendah ke suhu tinggi, diperlukan kerja atau usaha tambahan dalam bentuk kompresi pada refrigeran yang dilakukan oleh kompresor.

Itulah beberapa contoh peristiwa termodinamika dalam kehidupan sehari-hari. Dari penggunaan termos untuk menjaga suhu minuman, sistem AC yang memberikan udara dingin, hingga rice cooker yang memasak nasi, tampak bahwa ilmu termodinamika dapat meningkatkan kenyamanan dan mempermudah aktivitas kita sehari-hari.

 

Contoh Soal

Contoh Soal 1

Kalor sebanyak 3500 Joule dilepaskan sistem dan lingkungan melakukan usaha 5000 Joule pada sistem. Perubahan energi dalam sistem adalah…

Diketahui:

Kalor (Q) = -3500 Joule

Usaha (W) = -5000 Joule

Perubahan energi dalam sistem = …?

Pembahasan


 

Contoh Soal 2

Kalor sebanyak 2400 Joule ditambahkan pada sistem dan sistem melakukan usaha 1400 Joule pada lingkungan. Perubahan energi dalam sistem adalah…

Diketahui:

Kalor (Q) = +2400 Joule

Usaha (W) = +1400 Joule

Perubahan energi dalam sistem = …?

Pembahasan


 

Kesimpulan

Sobat Pintar, kita telah mempelajari konsep termodinamika dan melihat bagaimana hukum-hukumnya berlaku dalam kehidupan sehari-hari. Kita juga sudah belajar beberapa contoh soal termodinamika.

Ilmu termodinamika sendiri merupakan cabang ilmu fisika yang penting dalam pemahaman tentang energi dan perubahan panas dalam sistem. Konsep termodinamika berkaitan dengan perpindahan energi panas antar objek dengan suhu yang berbeda, dengan cakupan penerapan yang luas dalam ilmu fisika dan teknologi. Sistem termodinamika dapat dibagi menjadi tiga jenis utama, yakni terbuka, tertutup, dan terisolasi, masing-masing dengan karakteristik dan interaksi yang berbeda terhadap lingkungan. 

Hukum termodinamika terdiri dari Hukum Awal, Hukum 1 Termodinamika, Hukum 2 Termodinamika, dan Hukum 3 Termodinamika. Hukum termodinamika membentuk dasar pemahaman tentang perubahan energi dan massa dalam sistem termodinamika.

Baca juga: Mengenal Apa Itu Hukum Pascal, Rumus, Bunyi dan Contoh

Sebagai salah satu contoh peristiwa termodinamika yang konkret, kita dapat melihat penerapan termodinamika pada termos. Melalui contoh ini, kita dapat menghargai peran penting termodinamika dalam memahami dan mengoptimalkan penggunaan energi panas dalam kehidupan sehari-hari dan dalam pengembangan teknologi yang efisien.

 

 

Penulis: Iqbal Maulana

Penyunting: Deni Purbowati