Hukum Termodinamika

Bagaimana kalor dideskripsikan perubahannya ketika menjadi energi lain?
Bagaimana kalor dideskripsikan perubahannya ketika menjadi energi lain?.

Termodinamika I

Sudah tidak bisa dihitung lagi seberapa banyak aplikasi pada ilmu engineering yang menggunakan energi panas untuk keperluan tertentu, seperti sepeda motor, mobil, pembangkit listrik, roket, dan masih banyak lagi.

Banyaknya karya-karya tersebut tentu tidak lepas dari kemampuan energi yang bisa berubah wujud, dan dalam pembahasan kali ini yaitu tentang termodinamika, yang intinya kita bakal ngebahas bagaimana energi panas berhubungan dengan bentuk energi lainnya.

Menarik untuk diketahui seberapa besar usaha yang telah dilakukan oleh energi panas, misal dalam menggerakkan piston seperti ilustrasi di bawah. Contoh di bawah mungkin sedikit abstrak, namun akan lebih kompleks ketika menggunakan implementasi nyata yang ada di dunia ini, misal pembakaran untuk menggerakkan piston sepeda motor.

Energi panas dikonversi menjadi energi mekanik dengan mendorong sebuah piston

Pada pembahasan sebelumnya mengenai teori kinetik gas, kita sudah mengetahui bahwa ketika ada peningkatan suhu gas , ada juga peningkatan volume gas yang sebanding lurus.

Ketika kita perhatikan ilustrasi di atas, apabila penutupnya rapat, dapat digeser ke atas atau ke bawah, dan tentunya memiliki massa, maka ada usaha yang dilakukan oleh gas ketika penutup bergerak ke atas. Pergerakkan tersebut terjadi karena ada ekspansi volume gas, sedangkan ekspansi tersebut terjadi karena ada peningkatan suhu gas.

Peningkatan suhu diakibatkan karena adanya energi panas yang diberikan oleh tungku. Sebenarnya ada banyak cara untuk beranjak dari titik 1 ke titik tujuan yaitu titik 2. Bisa kita gunakan apinya besar (menjaga tekanan tetap tinggi) tapi sebentar, apinya kecil (menggunakan tekanan yang lebih rendah) tapi cukup lama, dan sejenisnya.

Tapi ada satu hal yang menarik, tidak peduli bagaimana proses terjadi, ada satu hal yang sama pada setiap proses tersebut, yaitu perubahan energi yang dialami oleh gas.

Sifat ketidakbergantungannya terhadap proses dalam perubahan tersebut dinamakan konservatif, artinya, misal perubahan energi gas adalah \Delta E, maka perubahan tersebut hanya akan bergantung pada kondisi awal dan akhirnya saja,

Jika gas di dalam wadah diberikan kalor sebesar Q, dimisalkan tidak ada konduktor lain yang menerima kalor tersebut, jika penutup telah bergerak sehingga melakukan usaha sebesar W. Perubahan energi yang dialami oleh gas yaitu \Delta E = Q - W, dan besarnya tidak bergantung pada proses yang terjadi.

Dan fenomena tersebut dituangkan kedalam hukum yang dinamakan Termodinamika I.

Entropi

Pembahasan tentang entropi ini cukup menantang karena pada umumnya penjelasannya begitu abstrak sehingga sulit dibayangkan (apalagi dimengerti).

Begini deh sebagai gambaran awal, kalian pasti pernah menyemprot parfum dalam kamar tidur kalian kan, misal pas mau berangkat sekolah. Saat itu juga biasanya habis mandi dan kamar benar-benar tertutup, baik jendela maupun pintu rapat, kipas angin ataupun itu sedang mati, angin diluar mendekati tidak ada.

Kalian semprot tuh parfum ke baju aja, mungkin ada lah dikit-dikit yang gak kena baju dan akhirnya berada di udara, nah kalau kalian teliti coba amati, kenapa wanginya bisa sampai sudut kamar yang jauh dari posisi kalian saat menyemprot parfum. Sebagai info aja, jadi parfum itu awalnya cairan, tapi setelah disemprot berubah menjadi gas.

Sifat entropi suatu gas

Nah jadi intinya, entropi ini suatu ukuran bagaimana suatu partikel gas menyebar (dalam artian mengisi) ke seluruh ruangan di mana dia berada.

Jika besar nilai suatu entropi sebanding dengan persebarannya, artinya nilai entropi ini tidak akan pernah mengalami penurunan terhadap nilai entropi awalnya.

Dengan begitu, perubahan entropi \Delta S selalu bernilai positif, secara matematis entropi diekspresikan dengan persamaan
\Delta S = S_f - S_i = \int_{i}^{f} \frac{dQ}{T} .

Termodinamika II

Karena suhu yang dideskripsikan menggunakan satuan kelvin tidak mengandung bilangan negatif (karena minimalnya adalah 0, baca pembahasan mengenai suhu dkk), maka nilai perbedaan entropi sendiri akan bergantung pada \int_{i}^{f} dQ.

Jika total energi yang diserap sebesar \int_{i}^{f} dQ = Q, maka perubahan entropinya menjadi \Delta S = \frac{Q}{T}. Persamaan tersebut dapat mengekspresikan entropi pada kondisi di mana suhu dijaga tetap sama, alias isotermal.

Nah sekarang apa jadinya ketika, penutup pada ilustrasi sebelumnya kita tekan dengan sengaja, bukankah perbedaan entropinya akan menjadi negatif?

Kalau dari sudut pandang kalornya, tentu gas akan melepaskan kalornya kepada tungku, membuat \int_{i}^{f} dQ < 0. Jika dari sudut pandang persebaran partikelnya tentu akan membuat persebarannya menjadi lebih sempit.

Namun sejatinya kita perlu memandangnya dari sudut pandang yang lebih luas, karena fakta entropi selalu positif berlaku untuk proses yang irreversible alias tidak bisa balik dengan sendirinya.

Jika kita lihat sistem kita tidak hanya gas, namun beserta tungku, maka total kalor dalam sistem tersebut tetaplah sama. Apabila dilihat dari persebarannya tentu ruang lingkup sistem kita bukanlah yang besar seperti yang sebelumnya, namun yang setelah dimampatkan.

Jadi, pada pembahasan kali ini mengenai hukum Termodinamika II, dijelaskan bahwa \Delta S \geq 0, bernilai positif ketika prosesnya irreversible dan bernilai nol alias tidak mengalami perubahan ketika prosesnya reversible.

Artinya entropi tidak akan pernah mengalami pengurangan, namun bisa tidak ada perubahan.

Label
< Materi SebelumnyaHukum Newton
Search icon