Sonora.ID - Konser termodinamika diketahui telah ditemukan oleh para ilmuwan pada abad 19. Para ilmuwan tersebut berusaha untuk membuat suatu mesin yang memiliki kemampuan untuk mengubah suatu energi.

Tujuan awal dari pembuatan mesin ini adalah untuk membuat suatu perubahan di mana untuk merubah suatu energi sehingga didapatkan suatu energi yang besar secara maksimal.

Para ilmuwan tersebut mampu membuat mesin yang mengubah energi kinetik menjadi energi potensial. Dengan dilandasi oleh inovasi para ilmuwan ini, pada abad ke-20 berkembanglah teori-teori termodinamika.

Baca Juga: Bunyi Hukum Archimedes dan Rumusnya

Pengertian Termodinamika

Mengutip dari buku Termodinamika: Tinjauan Teoritis dan Praktis serta sumber lainnya, termodinamika merupakan sebuah ilmu yang mempelajari hubungan antara energi, panas, kerja, entropi, dan proses yang spontan.

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani, yakni thermos yang berarti panas dan dynamic yang berarti perubahan.

Teori termodinamika berlaku pada situasi panas maupun saat sistem dalam keadaan yang setimbang pada saat awal maupun akhir.

Perumusan termodinamika meliputi tiga hukum termodinamika dan secara konsep utama yang melandasi hukum termodinamika tersebut merupakan energi dan entropi.

Berdasarkan sifat batas sistem, lingkungan, entropi, perpindahan kalor, maka sistem termodinamika terbagi menjadi tiga macam, yakni termodinamika sistem terbuka, tertutup, dan terisolasi.

Sistem Termodinamika

a. Termodinamika Sistem Terbuka

Pada sistem ini terjadi pertukaran massa dan energi sistem terhadap lingkungannya, misalnya, lautan.

b. Termodinamika Sistem Tertutup

Adanya pertukaran energi, namun tidak terjadi pertukaran massa sistem terhadap lingkungannya. Contoh:

Rumah kaca yang terjadi pertukaran kalor, namun tidak terjadi pertukaran kerja terhadap lingkungan.

Perbedaan sistem tertutup maupun terbuka dalam hal pertukaran energi baik panas maupun kerja semuanya tergantung pada sistem pembatas.

• Pembatas adiabatik: tidak terjadi pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan.
• Pembatas rigid: tidak terjadi pertukaran kerja dari sistem ke lingkungan maupun sebaliknya.

c. Termodinamika Sistem Terisolasi

Tidak terjadi pertukaran, baik pertukaran energi maupun pertukaran massa sistem dengan lingkungan, itulah mengapa sistem ini bernama sistem terisolasi. Contoh: tabung gas yang terisolasi. 

Baca Juga: Hukum Dalton: Bunyi, Rumus, Contoh Soal, dan Pembahasan Jawabannya

Hukum Termodinamika

a. Hukum Awal

Hukum awal menyatakan bahwa dua sistem dalam setimbang dengan sistem ketiganya, maka sistem ketiga tersebut dalam keadaan yang juga setimbang satu sama lain.

Artinya, apapun zat atau materi benda akan memiliki kesetimbangan termal satu sama lain atau bisa dikatakan kesetimbangan termal berlaku universal.

b. Hukum Termodinamika I (Kekekalan Energi)

Hukum termodinamika I menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan dan hanya bisa diubah bentuk energinya saja.

Dalam hukum ini didapat persamaan, yakni:  ΔU = Q - W.

Keterangan:

U = perubahan energi

Q = jumlah energi kalor

W = kerja

c. Hukum Termodinamika II (Arah Reaksi Sistem)

Hukum ini menjelaskan pembatasan perubahan energi di mana alur kalor suatu objek dengan sistem memiliki sifat alami, yakni:

“Kalor mengalir secara alami atau spontan dari benda yang panas (bersuhu tinggi) ke benda yang dingin (bersuhu rendah); dan sebaliknya kalor tidak akan mengalir secara alami atau spontan dari benda dingin (bersuhu rendah) ke benda panas (bersuhu tinggi) tanpa dilakukan usaha.” 

d. Hukum Termodinamika III

Dalam Hukum Termodinamika III ini berkaitan dengan temperatur nol absolut. Hukum ini juga menyatakan bahwa “pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolute, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”. 

Proses Termodinamika

a. Isobarik (Tekanan Tetap atau Konstan)

Proses ini menjelaskan suatu sistem yang mempunyai tekanan konstan, nilai usaha yang berkerja pada sistem mengikuti besaran volume benda.

Apabila volume benda mengalami pemuaian, maka usaha bernilai positif. Jika volume benda mengalami penyusutan, maka usaha bernilai negatif.

b. Isotermik (Suhu Tetap atau Konstan)

Proses ini menjelaskan jika sistem tidak mengalami perubahan suhu atau suhu konstan. Dikarenakan suhunya konstan sehingga volume pada sistem akan menurun secara eksponensial dari tekanan awal menuju tekanan finalnya sehingga berlaku rumus berikut.

W = n x R x T x In (Vf/Vi)

c. Isokhorik (Volume Tetap atau Konstan)

Proses ini menjelaskan bahwa suatu sistem yang tidak terdapat perubahan volume, maka nilai usahanya bernilai nol.

Rumus: W = P x ΔV

d. Adiabatik

Sistem diisolasi agar tidak ada kalor yang keluar ataupun masuk.

Penerapan Hukum Termodinamika Pada Rice Cooker

Prinsip kerja sebuah rice cooker adalah saat saklar sudah terhubung dengan elemen pemanas utama, maka arus listrik akan langsung menuju ke elemen utama dan lampu di rice cooking menyala. 

Ketika suhu pemanas sudah mencapai maksimal dan nasi sudah matang, maka thermostat trip akan langsung menggerakkan tuas sehingga posisi saklar jadi berubah mengalirkan listrik menuju ke elemen penghangat nasi melewati thermostat.

Pada posisi penghangat, ketika suhu thermostat sudah maksimal maka arus yang menuju ke elemen penghangat akan terputus otomatis. 

Begitu pula ketika suhu pada thermostat berkurang, maka otomatis arus menuju elemen penghangat akan terhubung kembali secara otomatis. 

Proses ini akan berlangsung secara terus menerus. Jika didasarkan pada Hukum Termodinamika, maka cara kerja rice cooker akan berupa:

Nasi yang awalnya berupa beras dan memiliki tekstur keras, ketika diberi air dan memanaskannya, maka tekstur akan berubah menjadi lembut dan mudah untuk dimakan.

Suatu cairan akan menguap apabila tekanan uap gas yang berasal dari cairan itu sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (P uap = P cair).  

Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal).

Jika pada rice cooker biasa, air akan  dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K). 

Sementara itu, 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. 

Berbeda ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker. 

Berhubung ada tambahan massa, maka tekanan akan semakin tinggi dan titik kesetimbangan antarfase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.

Contoh Soal

Berapa besar perubahan energi dalam, jika 3000 joule kalor ditambahkan  pada sistem dan kerja 2000 joule dilakukan oleh sistem (yaitu, sebagai keluaran)?

Jawaban:

Diketahui:

Q = 3000 J (sistem menyerap kalor)

W = 2000 J (sistem melakukan kerja)

Ditanya:  ΔU =?

 ΔU = Q - W

= 3000 J - 2000 J

= 1000 J.

Baca Juga: Rumus Torsi (Momen Gaya): Pengertian, Contoh Soal dan Jawabannya

Baca berita update lainnya dari Sonora.id di Google News.