Materi Fisika - Termodinamika: Pengertian, Hukum, Rumus, Contoh Soal
Oct 8, 2020
Edit
Materi Fisika SMA kelas 11 - Termodinamika (berasal dari kata thermos (panas) dan dynamic (gerak atau perubahan)) adalah salah satu cabang dari ilmu fisika yang mempelajari panas dan temperatur, serta hubungan keduanya pada energi dan gerak. Inti dari pembahasan termodinamika adalah bagaimana energi dalam bentuk panas dapat mengalir dari satu benda ke benda lain, proses dari aliran energi tersebut, dan akibat yang dihasikan oleh perpindahan energi tersebut.
Seluruh fenomena fisika tersebut dapat dijelaskan dengan hukum-hukum dan persamaan-persamaan. Patut diingat bahwa pada bab ini variabel-variabel terpenting yang mempengaruhi termodinamika adalah suhu, kalor, energi, tekanan, dan volume.
“Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain”
“Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja”
Terdapat persamaan matematik yang menjelaskan hukum ini, yaitu:
Dimana Q adalah kalor/panas yang diterima/dilepas (J), 
adalah energi/usaha (J), dan ΔU adalah perubahan energi (J). J adalah satuan internasional untuk energi atau usaha, yaitu Joule. Dari persamaan tersebut dapat diketahui bahwa seluruh kalor yang diterima atau dilepas oleh benda akan dijadikan usaha ditambahkan dengan perubahan energi.
“Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan usaha”
Proses-proses Termodinamika
Proses termodinamika terbagi menjadi empat macam, tergantung dari keadaan tekanan, volume, dan suhu saat terjadinya proses tersebut. Proses-proses tersebut umumnya digambarkan dalam diagram P-V, yaitu diagram yang menggambarkan tekanan (P) dan volume (V) saat proses terjadi. Ada dua hal penting yang harus diingat dari berbagai jenis proses-proses termodinamika, yaitu variabel yang berubah dan usaha yang dilakukan. Usaha yang terjadi pada suatu proses termodinamika dapat diketahui dengan menghitung luasan grafik P-V.
Isobarik
Isobarik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai tekanan sistem (ΔP = 0). Nilai usaha dapat dihitung dengan persamaan berikut.
Dari rumus tersebut, diketahui juga bahwa apabila volume membesar (terjadi pemuaian) maka usaha bernilai positif, dan bila volume mengecil (terjadi penyusutan) maka usaha bernilai negatif.
Dimana n adalah jumlah zat yang dinyatakan dengan satuan mol, R adalah konstanta gas, dan T adalah suhu. Rumus ini didapatkan dengan menggabungkan persamaan usaha di diagram P-V dengan persamaan gas ideal.
Pada gas monoatomic, usaha yang dilakukan pada proses adiabatik dapat dinyatakan dengan persamaan:
Jika diperhatikan dengan sekilas, proses adiabatik dan isotermik memiliki diagram P-V yang serupa. Secara detil, dapat dilihat bahwa proses adiabatik memiliki kemiringan yang lebih curam dibandingkan proses isotermik seperti contoh grafik berikut.
Jika semua proses tersebut digambarkan menjadi suatu diagram P-V, dapat didapatkan grafik berikut. Patut diingat bahwa satuan-satuan yang digunakan dalam perhitungan adalah Satuan Internasional. Sebagai contoh, satuan untuk suhu yang digunakan adalah Kelvin, satuan untuk volume adalah m3, dan satuan untuk jumlah zat adalah mol.
Pada siklus Carnot, terdapat 4 proses, yaitu pemuaian Isotermal dari A ke B, pemuaian adiabatic dari B ke C, pemampatan isothermal dari C ke D, dan pemampatan adiabatic dari D ke A. Selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Qh dari reservoir bersuhu tinggi Th dan melepas kalor Qc ke reservoir bersuhu rendah Tc
Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot dapat dinyatakan dengan mengaplikasikan Hukum Termodinamika 1.
Sedangkan, untuk mengukur efisiensi mesin dapat digunakan persamaan-persamaan berikut.
Dikarenakan pada siklus Carnot berlaku hubungan 
, efisiensi mesin Carnot juga dapat dinyatakan dengan:
Jika dilihat pada rumus efisiensi tersebut, nilai efisiensi 100% dapat diperoleh jika Tc = 0k. Hal ini tidak mungkin terjadi di dunia nyata, sehingga dapat disimpulkan bahwa tidak ada sistem di dunia nyata yang mampu mencapai efisiensi 100%.
Jawab:
Diketahui:
V2 = 25 m3
V1 = 10 m3
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Ditanyakan: W?
Isobaris → Tekanan Tetap, gunakan rumus W = P (ΔV)
W = P(V2 − V1)
W = 2,02 x 105 x (25 − 10) = 3,03 x 106 joule
Jawab:
Diketahui:
T2 = 400 K
T1 = 600 K
Ditanyakan: Wdihasilkan?
Wdihasilkan = Wserap = 200 J
Proses yang menggambarkan adiabatis dan isokhorik berturut-turut ditunjukkan pada nomor…
Jawab:
Adiabatis: proses dimana tidak ada kalor masuk atau keluar. Ciri garisnya melengkung curam. Seperti garis 2 – 3.
Isokhorik : proses pada volume tetap. Garisnya yang tegak lurus sumbu V. Bisa 5 – 1, juga 3 – 4.
Seluruh fenomena fisika tersebut dapat dijelaskan dengan hukum-hukum dan persamaan-persamaan. Patut diingat bahwa pada bab ini variabel-variabel terpenting yang mempengaruhi termodinamika adalah suhu, kalor, energi, tekanan, dan volume.
Hukum Termodinamika
Pada termodinamika, terdapat 4 hukum yang berlaku secara universal.Hukum Termodinamika 0
Hukum termodinamika 0 menjelaskan kesetimbangan termal berlaku universal, dengan kata lain apapun zat atau materi benda akan memiliki kesetimbangan termal yang sama bila disatukan.“Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain”
Hukum Termodinamika 1
Hukum termodinamika 1 menunjukkan hukum kekekalan energi.“Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja”
Terdapat persamaan matematik yang menjelaskan hukum ini, yaitu:
adalah energi/usaha (J), dan ΔU adalah perubahan energi (J). J adalah satuan internasional untuk energi atau usaha, yaitu Joule. Dari persamaan tersebut dapat diketahui bahwa seluruh kalor yang diterima atau dilepas oleh benda akan dijadikan usaha ditambahkan dengan perubahan energi.Hukum 2 Termodinamika
Hukum 2 termodinamika menunjukkan kondisi alami dari alur kalor suatu objek dengan sistem.“Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan usaha”
Hukum Termodinamika 3
“Entropi dari suatu kristal sempurna pada absolut nol adalah sama dengan nol,”Proses-proses Termodinamika
Proses termodinamika terbagi menjadi empat macam, tergantung dari keadaan tekanan, volume, dan suhu saat terjadinya proses tersebut. Proses-proses tersebut umumnya digambarkan dalam diagram P-V, yaitu diagram yang menggambarkan tekanan (P) dan volume (V) saat proses terjadi. Ada dua hal penting yang harus diingat dari berbagai jenis proses-proses termodinamika, yaitu variabel yang berubah dan usaha yang dilakukan. Usaha yang terjadi pada suatu proses termodinamika dapat diketahui dengan menghitung luasan grafik P-V.
Isobarik
Isobarik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai tekanan sistem (ΔP = 0). Nilai usaha dapat dihitung dengan persamaan berikut.
Dari rumus tersebut, diketahui juga bahwa apabila volume membesar (terjadi pemuaian) maka usaha bernilai positif, dan bila volume mengecil (terjadi penyusutan) maka usaha bernilai negatif.
Isokhorik
Isokhorik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai volume sistem (ΔV = 0). Pada proses ini, nilai usaha adalah 0 karena tidak terdapat suatu luasan bangun yang terdapat pada gambar P-V.Isotermik
Isotermik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai suhu sistem (ΔT = 0).Nilai usaha pada proses isotermik dinyatakan dengan persamaan berikut:
Adibatik
Adiabatik adalah proses termodinamika yang tidak mengubah nilai kalor sistem (Q = 0).
Mesin Carnot dan mesin kalor
Mesin Carnot adalah suatu model mesin ideal yang memiliki efisiensi paling tinggi dari semua mesin yang mungkin diciptakan. Mesin Carnot bekerja berdasarkan suatu proses termodinamika yang membentuk siklus, disebut juga siklus Carnot.Pada siklus Carnot, terdapat 4 proses, yaitu pemuaian Isotermal dari A ke B, pemuaian adiabatic dari B ke C, pemampatan isothermal dari C ke D, dan pemampatan adiabatic dari D ke A. Selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Qh dari reservoir bersuhu tinggi Th dan melepas kalor Qc ke reservoir bersuhu rendah Tc
Siklus carnot pada mesin carnot
Usaha yang dilakukan oleh mesin Carnot dapat dinyatakan dengan mengaplikasikan Hukum Termodinamika 1.
, efisiensi mesin Carnot juga dapat dinyatakan dengan:Contoh Soal Hukum Termodinamika dan Mesin Carnot
Soal 1
Suatu gas memiliki volume awal 10 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 25 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 105 Pa).Jawab:
Diketahui:
V2 = 25 m3
V1 = 10 m3
P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa
Ditanyakan: W?
Isobaris → Tekanan Tetap, gunakan rumus W = P (ΔV)
W = P(V2 − V1)
W = 2,02 x 105 x (25 − 10) = 3,03 x 106 joule
Soal 2
Mesin Carnot bekerja pada suhu tinggi 600 K, untuk menghasilkan kerja mekanik. Jika mesin menyerap kalor 600 J dengan suhu rendah 400 K, maka usaha yang dihasilkan adalah….Jawab:
Diketahui:
T2 = 400 K
T1 = 600 K
Ditanyakan: Wdihasilkan?
Wdihasilkan = Wserap = 200 J
Soal 3
Sejumlah gas ideal mengalami proses seperti gambar berikut.Jawab:
Adiabatis: proses dimana tidak ada kalor masuk atau keluar. Ciri garisnya melengkung curam. Seperti garis 2 – 3.
Isokhorik : proses pada volume tetap. Garisnya yang tegak lurus sumbu V. Bisa 5 – 1, juga 3 – 4.