Dalam
termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau
sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat
perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari
sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta
atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan. Contohnya
adalah pada saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang dimaksud dengan
sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut sedangkan lingkungannya adalah
bejana itu sendiri.
Kajian termodinamika secara formal dimulai
sejak awal abad ke 19 walaupun berbagai aspek termodinamika telah dipelajari
sejak dahulu kala. Kata termodinamika berasal dari bahasa yunani therme berarti
kalor dan dynamics berarti kakas. Jadi termodinamika berarti kemampuan benda
panas menghasilkan usaha/kerja. Namun sekarang ini pengertian termodinamika
telah berkembang, termodinamika diartikan sebagai ilmu yang mempelajari energi
beserta perubahannya dan hubungan antara sifat-sifat (properties) fisis materi.
Energi muncul dalam berbagai bentuk seperti energi listrik, energi magnet,
energi yang digunakan untuk memanaskan air, energi untuk memindahkan objek, dan
lain sebagainya. Dalam termodinamika, kalor dan usaha merupakan dua bentuk
energi yang paling banyak dan paling utama dipelajari.
APLIKASI TERMODINAMIKA
Penerapan prinsip dan metode
termodinamika membentang di seluruh kehidupan manusia. Perkembangan teknologi
telah memacu manusia untuk memanfaatkan energi dan kemaslahatan bersama. Alam
telah menunjukkan bagaimana kerja dapat diubah menjadi kalor dapatdiubah
menjadi kerja dengan sebuah mesin. Namun sebagian kalor masih terbuang secara
percuma ketika mesin bekerja dalam siklus. Ini adalah tantangan bagi manusia
bagaimana memperkecil kalor yang terbuang dan meningkatkan kamampuan melakukan
kerja dari sebuah mesin.
Alam juga menunjukkan kesatuarahan dalam
proses. Kerja dapat diubah menjadi kalor secara spontan namun kalor tidak dapat
berubah menjadi kerja secara spontan. Kalor selalu berpindah dari benda bersuhu
tinggi ke benda yang bersuhu lebih rendah dengan sendirinya namun proses
sebaliknya tidak dapat terjadi dengan sendirinya.
Oleh karena itu manusia menciptakan
mesin-mesin untuk mengubah kalor menjadi kerja yang diacu sebagai mesin kalor
danmesin-mesin untuk memindahkan kalor dari suhu rendah ke suhu yang lebih
tinggi yang diacu sebagai mesin pendingin. Berbagai contoh mesin-mesin kalor
dan mesin-mesin pendingin yang menggunakan prinsip-prinsip termodinamika dalam
perancangannya adalah mesin pembakaran internal, pembangkit listrik energi
nuklir dan konvensional, mesin turbo, sistem pengkondisi udara dan refrijerasi,
sistem penggerak propulsi roket, misla peswata terbang, kapal, dan kendaraan
darat, sistem magnet dan listrik dan sistem termolistrik.
Gambar Diagram skematik pembangkit daya uap
Pada gambar diperlihatkan diagram
skematik sebuah pembangkit daya uap. Pembangkit dapat menggunakan bahan bakar
minyak, gas alam, nuklir, energi terbarukan, geothermal, dan panas pembuangan
dari pembangkit energi gas sebagai sumber energi. Fungsi pembangkit adalah
untuk mengkonversikan sebanyak mungkin energi bahan bakar menjadi energi
listrik kemudian mengirimkan energi listrik melalui kawat trasmisi ke pada para
konsumen. Oleh karena itu peningkatan efisiensi pusat pembangkit tenaga listrik
menjadi tujuan pokok yang ingin dicapai.
PEMERIAN MAKROSKOPIK DAN MIKROSKOPIK
Dalam meneliti gejala alam biasanya kita
memusatkan perhatian pada satu bagian materi yang akan dipelajari, kita
dipisahkan dari lingkungannya. Sejumlah tertentu dari bahan yang sedang
diteliti disebut sistem. Permukaan batas sistem dapat nyata atau imajiner,
dapat diam atau bergerak, dapat berubah ukuran atau bentuknya. Segala sesuatu
di luar sistem yang mempunyai pengaruh langsung terhadap sifat sistem disebut
lingkungan. Terdapat dua pandangan untuk menyelidiki perilaku sistem atau
interaksinya dengan lingkungan atau keduanya yaitu pandangan mikroskopik dan
pandangan makroskopik.
Misalnya kita mempunyai sebuah sistem
mengandung 1023 atom pada tekanan dan suhu atmosfer. Untuk memerikan
posisi dari setiap atom pada sistem ini diperlukan tiga buah koordinat dan
untuk memerikan keecepatan setiap atom kita memerlukan tiga komponen kecepatan.
Jadi untuk memerikan perilaku sistem ini secara lengkap diperlukan
sekurang-kurangnya 6 x 1023 persamaan. Jumlah persamaan yang sangat
banyak, begitu banykanya sehingga belum selesai ditulis semuanya, berbagai
sifat telah berubah harganya. Meskipun dengan menggunakan bantuan komputer yang
berkecepatan sangat tinggi, menyelellsaikan sekian banyak persamaan hampir
mustahil dapat dilakukan walaupun demikian terdapat dua pendekatan yang dapat
digunakan untuk mengurangi jumlah persamaan dan peubahnya agar dapat
diselesaikan secara relative mudah. Pendekatan pertama adalah pendekatan
statistic yang di dasarkan pada perilaku statistic dari sejumlah besar molekul.
Pendekatan pertama ini digunakan dalam disiplin ilmu yang dikenal sebagai teroi
kinetic dan mekanika statistic.
Dalam mekanika statistic, teori kuantum
digunakan untuk menjelaskan tentang atom-atom. Disini kita meninjau
besaran-besaran yang menjelaskan tentang atom-atom dan molekul-molekul yang
membentuk sistem tersebut seperti laju, massa, momentum, sifatnya selama
tumbukan dan lain sebagainya.
Sifat-sifat mikroskopik ini tidak langsung didasarkan pada penerimaan indera
kita. Pemerian yang mengacu pada sifat-sifat mikroskopik disebtu dengan
pemerian mikroskopik.
Pendekatan kedua menggunakan pandangan
makroskopik. Pada pendekatan makroskopik, perilaku sistem dipelajari tanpa
memerlukan hipotesisi mengenai struktur materi dalam skala atomic dan interaksi
antara atom-atom penyusun materi tersebut. Pendekatan seperti ini seringkali
disebut sebagai termodinamika klasik.
Misalkan ditinjau sebuah tabung yang
dilengkapi denga piston berisi gas. Gas dalam tabung dipilih sebagai sistem dan
piston sebagai lingkungannya. Sifat gas dipengaruhi oleh aksi piston dan kita
harus memilih besaran-besaran yang sesuai yang dapat diamati untuk menjelaskan
sifat gas tersebut. Besaran-besaran ini diacu sebagai cirri umum atau sifat
kasar sistem. Pemerian sistem berdasarkan ciri umum disebut pemerian
makroskopik. Banyak besaran makroskopik yang terukur (seperti tekanan, volume,
dan suhu) langsung didasarkan pada penerimaan indera kita.
Besaran makroskopik yang dapat diukur secara
langsung atau dihitung berdasarkan pengukuran lain sebenarnya merupakan
rata-rata statistik perilaku sejumlah besar partikel atau rata-rata terhadap
selang waktu tertentu dari sejumlah ciri khas mikrsokopik. Sebagai contoh, tekanan
gas dapat diindera dan diukur secara langsung dengan menggunakan manometer.
Secara pandangan mikroskopik, tekanan dihubungkan dengan kecepatan rata-rata
pergeseran terus menerus dari pergerakan molekul gas pada permukaan manometer
yang memberikan momentum pada zalir manometer persatuan luas.
- Jenis-jenis sistem
Klasifikasi
sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan
materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang
terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu :
1. Sistem
terbuka
Sistem yang mengakibatkan
terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan
benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi
peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem
seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar
adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan
udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka
ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat
permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah
sehingga disebut juga dengan control volume.
Terjadi pertukaran energi (panas dan kerja)
dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda
disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.
Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah:
- Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem
-Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.
2. Sistem
tertutup
Sistem yang mengakibatkan
terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran
zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa
yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi,
energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat
melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, meskipun massa
tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah
disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada
salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup
adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon
tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara
didalam balon.
Sebagaimana gambar sistem
tertutup dibawah ini, apabila panas diberikan kepada sistem (Qin), maka
akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini
akan menyebabkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena
sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa
selalu konstan) maka sistem ini disebut control mass.
Suatu sistem dapat
mengalami pertukaran energi (panas dan kerja)
tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di
mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan
lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya
biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
·
pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan
pertukaran panas.
·
pembatas rigid:
tidak memperbolehkan pertukaran kerja..
Dikenal juga istilah
dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik.
Dinding adiabatik adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu
yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna
tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan
dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang
sama dalam waktu yang singkat (cepat).
3. Sistem
terisolasi
Sistem yang mengakibatkan
tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya.
Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi.
Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari
lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya
penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi,
energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
Karakteristik yang menentukan sifat dari
sistem disebut property (koordinat sistem/variabel keadaan
sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas,
konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang
didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume
spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu
kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis koordinat sistem
tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi
tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem,
dimana sistem mempunyai nilai koordinat yang tetap. Apabila koordinatnya
berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan.
Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam
keadaan seimbang (equilibrium).
DAFTAR PUSTAKA
-
Khuriati,
Ainie. 2007. Termodinamika.
Yogyakarta:Graha Ilmu.
- http://ardhaphys.blogspot.com/2013/10/sistem-termodinamika.html ( Di Akses Senin, 10 Maret 2015, Jam 21:06 )
- http://id.wikipedia.org/wiki/Termodinamika
Tidak ada komentar:
Posting Komentar