Materi Pertemuan 1 (Usaha dan Proses dalam Termodinamika)

Termodinamika adalah kajian tentang kalor (panas) yang berpindah. Dalam termodinamika kamu akan banyak membahas tentang sistem dan lingkungan. Kumpulan benda-benda yang sedang ditinjau disebut sistem, sedangkan semua yang berada di sekeliling (di luar) sistem disebut lingkungan. 

Energi termal atau kalor (DQ) adalah energi yang mengalir dari benda yang satu ke benda yang lain karena perbedaan suhu. Kalor selalu berpindah dari benda yang panas ke benda yang dingin. Agar kedua benda yang saling bersentuhan tersebut berada dalam keadaan termal yang seimbang (yakni tidak ada perpindahan kalor antara kedua benda), suhu kedua benda haruslah sama. Jika benda pertama dan benda kedua berada dalam keadaan termal yang seimbang dengan benda ketiga, maka kedua benda pertama berada dalam keadaan termal yang seimbang.

Energi dalam (U) suatu sistem adalah jumlah total energi yang terkandung dalam sistem. Energi dalam merupakan jumlah energi kinetik, energi potensial, energi kimiawi, energi listrik, energi nuklir, dan segenap bentuk energi lain yang dimiliki atom dan molekul sistem. Khusus untuk gas ideal perlu diingat bahwa energi dalamnya hanyalah terdiri atas energi kinetik saja, dan hanya bergantung pada suhu saja.

Usaha Sistem pada Lingkungannya

Perhatikan  gambar berikut! Suatu sistem berupa gas dalam suatu silinder  yang dilengkapi tutup sebuah piston yang bebas bergerak. Usaha yang dilakukan  oleh sistem sehubungan dengan perubahan volume gas dapat dirumuskan berikut ini. 

Piston yang mempunyai luas penampang A dan tekanan gas p menghasilkan gaya yang mendorong piston sebesar F = p A

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

dW   = F dx

         = p A dx

         = p dV

Sehingga,

    W   = p (V₂ – V₁ )

Usaha yang dilakukan oleh gas (sistem) sering disebut usaha luar. Apabila diagram pV diketahui, usaha luar  akan lebih sederhana ditentukan secara grafik yaitu dengan menentukan luas area di bawah kurva pada diagram tersebut.

Untuk tekanan p  yang positif, usaha W akan positif  bila gas memuai (V₂ > V₁ ) atau arah lintasan proses ke kanan. Perhatikan gambar  1.a!

Sebaliknya, usaha W akan negatif bila gas memampat (V₂ < V₁ ) atau arah lintasan proses ke arah kiri. Perhatikan gambar  1.b!

Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika

Ada beberapa proses yang kita kenal sehubungan dengan usaha yang dilakukan oleh gas berkaitan dengan perubahan suhu, volume, tekanan, dan energi dalam gas. Proses tersebut meliputi:

            1. proses isotermal

            2. proses isokhorik

            3. proses isobarik

            4. proses adiabatik

1. Proses Isotermal

Proses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistem pada suhu tetap.

Proses ini mengikuti hukum Boyle, yaitu: PV = konstan.

            PV = n R T

            P = n R T / V

Sehingga,

2. Proses Isokhorik

Proses Isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap.

Karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan nol.

W = P (∆V) = P (0) = 0

3. Proses Isobarik

Proses isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap.

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

W = P (∆V)

     = P (V₂ – V₁ ) 

4. Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya kalor yang masuk ke sistem atau keluar dari sistem (gas), yaitu Q = 0. Pada proses adiabatik terjadi perubahan suhu, tekanan, dan volume. Kurva adiabatik lebih curam dibandingkan kurva isotermal.

Proses ini mengikuti rumus Poisson sebagai berikut.

PV^γ  = tetap  atau P₁ V₁^γ  = P₂ V₂^γ

TV^(γ-1)  = tetap  atau T₁ V₁^(γ-1)  = T₂ V₂^(γ-1)

dengan γ > 1 yang merupakan perbandingan kapasitas kalor  gas pada tekanan tetap C_p dan kapasitas kalor  gas  pada volume tetap C_v . Besaran γ disebut konstanta Laplace.

γ = C_p / C_V

Besarnya usaha pada proses adiabatik yaitu