TERMODINAMIKA

MULIADI

1

Selama perkuliahan dilarang membuka HP

2

POKOK BAHASAN

1. Pengantar Termodinamika
2. Persamaan Keadaan
3. Hukum Termodinamika I
4. Konsekuensi Hukum Termodinamika I
5. Entropi dan Hukum Termodinamika II
6. Kombinasi Hukum Termodinamika I dan II
7. Potensial Termodinamika

​

Pustaka Utama:

Sears dan Salinger, Thermodynamics, Kinetic Theory, and Statistical Thermodynamics

3

Komponen Penilaian

​

• Presensi 10%
• Tugas 30%
• UTS 30%
• UAS 30%

​

4

PENGANTAR TERMODINAMIKA

1. Pengertian dan Ruang lingkup termodinamika
2. Sistem termodinamika
3. Keadaan sistem (Properti)
4. Tekanan
5. Keseimbangan termal dan temperatur, hukum ke-0 termodinamika
6. Keseimbangan termodinamika
7. Proses Termodinamika

​

​

5

Siklus Air

6

Proses Termodinamika: Evaporasi, Kondensasi, dan Peleburan/Penguapan.

Evaporasi: Air di permukaan (laut, sungai, danau) menyerap panas dari matahari (kalor) dan berubah menjadi uap air (gas).

Ini adalah proses isobarik-isotermal karena terjadi pada tekanan atmosfer konstan dan membutuhkan energi panas.

Kondensasi: Uap air naik ke atmosfer, mendingin, dan melepaskan panas laten saat berubah menjadi titik-titik air (awan). Ini adalah proses eksotermik

Presipitasi: Ketika titik air cukup berat, jatuh sebagai hujan/salju. Perubahan fase ini melibatkan pertukaran energi termal.

Beberapa contoh peristiwa alam yang melibatkan proses termodinamika

Gunung Api

• Proses Termodinamika: Ekspansi adiabatik dan Perpindahan Panas.
• Penjelasan:
• Magma di bawah permukaan bumi memiliki energi internal tinggi akibat tekanan dan suhu ekstrem (hukum pertama termodinamika).
• Saat magma naik ke permukaan, tekanan berkurang, menyebabkan ekspansi cepat (proses adiabatik) dan pelepasan energi berupa letusan.
• Perpindahan panas dari lava ke lingkungan juga menggambarkan hukum kedua termodinamika (aliran panas dari benda panas ke dingin).

​

7

El Niño dan La Niña

• Proses Termodinamika: Perpindahan Panas Laut-Atmosfer.
• Penjelasan:
• El Niño: Pemanasan abnormal air laut di Pasifik ekuatorial akibat melemahnya angin pasat. Panas dari laut dipindahkan ke atmosfer (hukum kekekalan energi), mengubah pola cuaca global.
• La Niña: Kebalikannya, di mana air laut lebih dingin dari normal, menyerap panas atmosfer.

​

8

Note: Jadi proses-proses ini menunjukkan bagaimana termodinamika mengatur keseimbangan energi di alam semesta

9

Embun di luar gelas yang berisi es

• Udara yang berada di luar gelas (sistem) banyak mengandung uap air, gelas yang berisi es bersuhu rendah dan terasa dingin sehingga udara yang bersentuhan dengan gelas akan mengalami penurunan suhu.

​

• Udara yang mengandung uap air juga akan mengalami penurunan suhu. Jika suhu udara sudah sangat rendah maka uap air akan mengembun dan berubah menjadi tetesan-tetesan air di luar gelas tersebut.

​

• Peristiwa ini sesuai dengan Hukum II Termodinamika. Pada peristiwa tersebut terjadi proses penyerapan panas di dalam gelas. Peristiwa tersebut merupakan sistem tertutup karena hanya terjadi proses pertukaran kalor dan tidak terjadi proses pertukaran zat. Peristiwa tersebut menggunakan media sebagai pembatas rigid yaitu mempertukarkan kalor menggunakan gelas sebagai media.

Termos

10

• Termos merupakan alat yang cara kerjanya menggunakan konsep hukum I Termodinamika. Termos merupakan sebuah sistem terisolasi, hal ini karena tabung yang digunakan sebagai wadah untuk menyimpan air terisolasi dengan lingkungan luarnya.

​

• Di antara tabung bagian dalam termos dengan bagian luar dipisahkan oleh suatu ruang hampa udara. Ruang hampa udara ini berfungsi untuk mencegah perpindahan kalor antara lingkungan dengan tabung bagian�dalam termos ataupun sebaliknya

11

Sistem kerja AC

AC mengubah energi listrik menjadi energi kinetik pada  kondensor  (berfungsi untuk membuang panas refrigerant ke lingkungan), kemudian mengubahnya menjadi energi kinetik pada evaporator (berfungsi membuang udara dingin ke dalam ruangan dengan cara perpindahan panas ke ruangan), dan kemudian mengubah energi kinetic pada kompresor (berfungsi memberikan tekanan pada refrigerant).

PENGERTIAN TERMODINAMIKA

Thermos = Panas

Dynamic = Perubahan

​

​

12

Termodinamika merupakan cabang ilmu fisika yang mempelajari:

​

1. Pertukaran energi dalam bentuk:

- Kalor (panas)

- Kerja (proses perpindahan energi melalui cara-cara

mekanis)

2. Sistem

----------------Pembatas (boundary)

3. Lingkungan

​

​

13

Ruang Lingkup Termodinamika

• Ruang lingkup termodinamika meliputi studi tentang hubungan antara panas (kalor), usaha (kerja), dan energi, serta bagaimana energi tersebut dapat berubah bentuk dan ditransfer dalam suatu sistem. 
• Termodinamika juga mempelajari hukum-hukum yang mengatur perubahan energi, aliran energi, dan kemampuan energi untuk melakukan usaha, khususnya dalam sistem kesetimbangan. 

14

• Dari prinsip-prinsip termodinamika ini kita dapat merumuskan hubungan umum antara beberapa kuantitas seperti koefisien ekspansi, kompressibilitas, kapasitas panas jenis, transpormasi panas dan koefisien magnetik dan listrik khususnya yang dipengaruhi oleh temperatur.
• Termodinamika juga menjelaskan hubungan antar kuantitas yang diperoleh melalui eksperimen untuk melengkapi secara spesifik semua properti sistem.
• Prinsip-prinsip termodinamika digunakan untuk mendesain mesin combustion internal, Stasiun daya konvensional dan nuklir, mesin pendingin, dan AC

​

15

Tujuan termodinamika

�Untuk dapat memahami bentuk-bentuk energi termodinamika dan mengetahui hukum-hukum dari Termodinamika.

16

BENTUK ENERGI

17

Makroskopik

Mikroskopik

Berhubungan dengan gerak dan pengaruh luar seperti gravitasi, magnetik, elektrik dan tegangan permukaan.

​

Energi makroskopik adalah keberadaan energi yang ditandai dari posisinya terhadap lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang ditentukan. Contoh bentuk energi makroskopik adalah energi kinetik dan energi potensial.

Energi Mikroskopik:�Berhubungan dengan struktur molekul dan derajat aktivitas molekul. Jumlah total energi mikroskopik disebut energi dalam (internal energy).

​

​

Energi Mikroskopik:

�Energi Sensibel :

�Berhubungan dengan energi kinetik dan gerakan (translasi, rotasi, vibrasi) molekul sistem.�

Energi Laten :

� Berhubungan dengan fasa dari sistem, mencair, menguap dll.�

Energi Kimia :

�Berhubungan dengan ikatan atom-atom dalam sistem.

18

HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA

1. Hukum ke-nol Termodinamika
2. Hukum Pertama Termodinamika
3. Hukum kedua Termodinamika
4. Hukum ketiga Termodinamika

19

Hukum Temodinamika ke-Nol

“Dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”

20

KESETIMBANGAN TERMAL

• Tinjau dua benda, A dan B. Pada mulanya benda A memiliki suhu tinggi (panas) sedangkan benda B lebih rendah (dingin). Setelah bersentuhan cukup lama, kedua benda tersebut mencapai suhu yang sama. Dalam hal ini, benda A dan benda B dikatakan berada dalam keseimbangan termal.

21

Kopi panas yang telah didiamkan perlahan suhunya berubah hingga sama dengan suhu lingkungan

Hukum Termodinamika ke-Nol

“When any two bodies are separately in thermal equilibrium with a third, they are also in thermal equilibrium with each other”

22

Hukum Termodinamika I

Hukum Termodinamika I terkait dengan kekekalan energi.

​

“Perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem”.�

23

Hukum Termodinamika II

Hukum Termodinamika II terkait dengan entropi.

​

“Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”

24

Hukum Termodinamika III

Hukum ketiga Termodinamika: Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut .

​

“Pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”.

25

SISTEM TERMODINAMIKA

26

1. SISTEM TERBUKA:

Ada pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungannya.

Misal : lautan, tumbuh-tumbuhan

​

2. SISTEM TERTUTUP

Ada pertukaran energi tetapi TIDAK terjadi pertukaran massa sistem dengan lingkungannya.

Misalnya: Green House ada pertukaran kalor tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.

​

3. SISTEM TERISOLASI :

TIDAK ADA pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungan.

Misalnya: Tabung gas yang terisolasi.

​

​

27

28

KEADAAN SISTEM (PROPERTI)

• Keadaan suatu sistem termodinamika ditentukan oleh nilai-nilai kuantitas yang dapat diukur secara eksperimen yang dinamakan variabel-variabel keadaan (properti).
• Keadaan sistem adalah karakteristik sistem yang dapat diukur
• Contoh properti: temperatur suatu sistem, tekanan yang bekerja pada sistem, dan volume, magnetisasi

29

Properti sistem terdiri atas dua:

• Besaran Intensif 🡪 Besaran yang tidak tergantung pada massa.

Sifat dari suatu materi yang tidak bergantung pada jumlah serta ukuran dari materi itu sendiri dan tidak dapat diakumulasikan

Contoh: Temperatur, tekanan, densitas, bau, rasa

​

• Besaran ekstensif 🡪 Besaran yang bergantung kepada massa.

Sifat dari suatu materi yang ditentukan oleh jumlah serta ukuran materi tersebut.

Contoh: massa, volume, energi, entalpi

​

Note: Specific values (per unit mass) of the extensive properties are intensive properties. For example, specific internal energy, specific entropy etc.

30

31

TEKANAN

32

Tekanan Termodinamika

• Tekanan termodinamika adalah tekanan yang merupakan fungsi dari keadaan termodinamika suatu sistem, dan biasanya dinyatakan dalam bentuk satuan tekanan seperti Pascal (Pa) atau bar. Tekanan ini adalah salah satu variabel keadaan yang penting dalam termodinamika, yang bersama dengan suhu, volume, dan energi dalam, menggambarkan keadaan suatu sistem. 

33

PROSES

• Proses adalah peristiwa perubahan keadaan gas dari satu keadaan awal ke satu keadaan akhir

𝑃1---𝑃2

𝑉1--- 𝑉2

𝑇1--- 𝑇2

• Terjadinya perubahan tekanan, volume, dan suhu itu mengindikasikan telah terjadi proses.

34

Proses Termodinamika

• Proses termodinamika adalah perubahan keadaan gas, yaitu tekanan, volume dan suhunya. Perubahan ini diiringi dengan perubahan kalor, usaha dan energi dalamnya. Gas dalam ruang tertutup dapat mengalami beberapa proses yaitu proses isobarik, proses isotermal, proses isokhorik, dan proses adiabatik.

35

Proses Termodinamika

• Proses kuasistatik adalah proses yang merupakan rentetan keadaan seimbang tak terhingga banyaknya, setiap saat keadaan dalam keadaan seimbang.
• Sebaliknya jika itu tak dapat dipenuhi maka proses disebut non kuasistatik
• Proses kuasistatik adalah proses reversibel (terbalikkan) dan proses non kuasistatik adalah proses irreversibel (tak terbalikkan)

36

Proses Adiabatik:

Pada proses adiabatik, tidak terjadi pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan. Proses adiabatik dapat terjadi jika sistem dan lingkungan dibatasi oleh sekat yang tidak dapat dilalui kalor. Cotoh sekat yang sulit dilewati kalor adalah dinding termos air panas

37

Proses diatermik :

• Kebalikan dengan proses adiabatik adalah proses diatermik. Pada proses ini kalor dijinkan berpindah dari system ke lingkungan dan sebaliknya. Proses ini dapat berlasung jika sistem dan lingkungan dibatasi oleh sekat yang mudah dilewati panas. Contoh sekat diatermik adalah logam

38

Proses Kuasistatik

• Persamaan gas hanya dapat diterapkan jika gas tersebut berada dalam keadaan statik. Artinya tidak ada lagi proses yang berlangsung dalam gas atau tidak ada lagi perubahan pada variabel-variabel termodinamika gas.
• Selama gas mengalami suatu proses, persamaan tersebut tidak berlaku. Dengan demikian, selama proses berlangsung, kita tidak dapat menentukan tekanan meskipun suhu dan volum diketahui karena tidak ada persamaan yang dapat dipakai.
• Namun, jika proses yang terjadi berlangsung sangat lambat, maka setiap saat kita dapat menganggap gas seolah-olah berada dalam keadaan statik. Proses yang demikian disebut proses kuasistatik.

39

Proses Kuasistatik

• Persamaan gas hanya dapat diterapkan jika gas tersebut berada dalam keadaan statik. Artinya tidak ada lagi proses yang berlangsung dalam gas atau tidak ada lagi perubahan pada variablevariabel termodinamika gas.
• Selama gas mengalami suatu proses, persamaan tersebut tidak berlaku. Dengan demikian, selama proses berlangsung, kita tidak dapat menentukan tekanan meskipun suhu dan volum diketahui karena tidak ada persamaan yang dapat dipakai.
• Namun, jika proses yang terjadi berlangsung sangat lambat, maka setiap saat kita dapat menganggap gas seolah-olah berada dalam keadaan statik.
• Proses yang demikian disebut proses kuasistatik.
• Selama proses kuasistatik persaman gas dapat digunakan. Dengan demikian, selama proses berlangsung kita dapat menghitung volume gas jika tekanan dan suhunya diketahui. Pada bagian selanjutnya, semua proses yang akan kita bahas dianggap berlangsung secara kuasistatik

40

• Selama proses kuasistatik persaman gas dapat digunakan. Dengan demikian, selama proses berlangsung kita dapat menghitung volume gas jika tekanan dan suhunya diketahui. Pada bagian selanjutnya, semua proses yang akan kita bahas dianggap berlangsung secara kuasistatik

​

• Jika gas mengalami proses kuasistatik dari satu keadaan ke keadaan lainnya, maka proses tersebut direpresentasikan oleh sebuah kurva yang menghubungkan titik awal (keadaan awal) dan titik akhir (keadaan akhir) pada diagram P-V. Keadaan gas selama proses ditentukan oleh nilai P,V, dan T pada titik-titik sepanjang kurva

41

Proses yang berlangsung pada gas diwakili oleh sebuah kurva

42

PROSES-PROSES KHUSUS

43

Proses Isokhorik

• Proses isokhorik adalah proses yang berlangsung pada volum tetap. Jika digambarkan pada diagram P-V, kurva proses isokhorik adalah kurva tegak. Contoh proses ini adalah proses yang berlangsung pada gas dalam wadah tertutup yang volumnya tidak berubah selama proses berlangsung

44

Proses Isobarik

• Proses isobarik adalah proses yang berlangsung pada tekanan tetap. Jika digambarkan pada diagram P-V, kurva proses isobarik adalah kurva mendatar. Contoh proses ini adalah proses yang berlangsung dalam wadah yang dilengkapi sebuah piston di bagian atasnya. Piston tersebut dapat bergerak. Piston tersebut mendapat tekanan dari udara luar (atmosfer) sehingga nilainya konstan. Dengan demikian, tekanan dalam gas juga konstan

45

46

• Proses Isotermal • Proses isotermal adalah proses yang berlangsung pada suhu tetap. Dengan menggunakan persamaan gas ideal,P = nRT / V , maka P berbanding terbalik dengan V. Jika digambarkan pada diagram P-V
• Contoh proses ini adalah proses yang berlangsung dalam wadah logam di mana wadah tersebut dicelupkan dalam air yang voumenya sangat besar. Karena volume air yang sangat besar, maka selama proses berlangsung suhu air dapat dianggap konstan sehinagg suhu gas dalam wadah juga dianggap konstan. Juga proses ini dapat dihasilkan dengan memasang pemanas otomatik yang bisa mengontrol suhu sehingga konstan.

47

48