Usaha dan Proses dalam Termodinamika

Termodinamika adalah cabang ilmu Fisika yang membahas tentang hubungan antara panas (kalor) dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut.  Dalam melakukan pengamatan mengenai aliran energi antara panas dan usaha ini dikenal dua istilah, yaitu sistem dan lingkungan. Apakah yang dimaksud sistem dan lingkungan dalam termodinamika? Untuk memahami penggunaan kedua istilah tersebut dalam termodinamika,

                                                                          

Bola besi dan air adalah merupakan sistem yang diamati

Udara luar adalah lingkungannya.

aliran kalor antara bola besi panas dan air dingin. Ketika bola besi tersebut dimasukkan ke dalam air. Bola besi dan air disebut sistem karena kedua benda tersebut menjadi objek pengamatan dan perhatian Anda. Adapun, wadah air dan udara luar disebut lingkungan karena berada di luar sistem, tetapi dapat memengaruhi sistem tersebut. Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang digunakan adalah besaran makroskopis suatu sistem, yaitu tekanan, suhu, volume, entropi, kalor, usaha, dan energi dalam. Usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) terhadap lingkungannya bergantung pada proses -proses dalam termodinamika, di antaranya proses isobarik, isokhorik, isotermal, dan adiabatik.

SISTEM dan LINGKUNGAN

Dalam termodinamika, kita selalu menganalisis proses perpindahan energi dengan mengacu pada suatu sistem. Sistem adalah sebuah benda atau sekumpulan benda yang hendak diteliti… Benda-benda lainnya di alam semesta dinamakan lingkungan… Biasanya sistem dipisahkan dengan lingkungan menggunakan “penyekat/pembatas/pemisah”.

Usaha Sistem terhadap Lingkungannya

Usaha yang dilakukan sistem pada lingkungannya merupakan ukuran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan.

Usaha yang dilakukan gas pada piston

Gambar tersebut menjelaskan suatu gas di dalam silinder tertutup dengan piston (penghisap) yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan. Pada saat gas memuai, piston akan bergerak naik sejauh Δs . Apabila luas piston A, maka usaha yang dilakukan gas untuk menaikkan piston adalah gaya F dikalikan jarak Δs . Gaya yang dilakukan oleh gas merupakan hasil kali tekanan P dengan luas piston A, sehingga:

W = F. S

W = P.A. S

karena A. Δs = ΔV , maka: W = P. ΔV atau W = P (V2 – V1)

Dengan:

W = usaha ( J) V1 = volume mula-mula (m3)

P = tekanan (N/m2) V2= volume akhir (m3)

ΔV = perubahan volume (m3)

Apabila V2 > V1, maka usaha akan positif (W > 0). Hal ini berarti gas (sistem) melakukan usaha terhadap lingkungan. Apabila V2 < V1, maka usaha akan negatif (W < 0). Hal ini berarti gas (sistem) menerima usaha dari lingkungan. Untuk gas yang mengalami perubahan volume dengan tekanan tidak konstan, maka usaha yang dilakukan sistem terhadap lingkungan dirumuskan:

dW= F.d  

      = F.P.A ds

dW= P dV

Jika volume gas berubah dari V1 menjadi V2, maka:

                                                                                      

Besarnya usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luas daerah di bawah kurva pada diagram P-V

Usaha pada Proses Termodinamika

a.    Usaha pada Proses Isotermal

Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Menurut Hukum Boyle, proses isotermal dapat dinyatakan dengan persamaan

pV = konstan

atau

p1V1 = p2V2

Dalam proses ini, tekanan dan volume sistem berubah sehingga persamaan W = p ΔV tidak dapat langsung digunakan.

dW = pdV

jika persamaan diintegralkan maka akan menjadi,

∫dw = ∫pdV

Dari persamaan gas ideal, kita mengetahui bahwa.

Di subtitusikan menjadi

Jika konstanta n R, dan besaran suhu (T) yang nilainya tetap dikeluarkan dari integral.

b.   Usaha pada Proses isobarik

Proses isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan konstan.

c.    Usaha pada proses isokhorik

Proses isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume konstan. Pada proses isokhorik gas tidak mengalami perubahan volume, sehingga usaha yang dilakukan sistem sama dengan nol.

V1 = V2 = V

W = P (V2 – V1)

W = P (0) = 0

d.   Usaha pada proses adiabatik

Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor (Q) yang masuk atau keluar dari sistem (gas). Proses ini dapat dilakukan dengan cara mengisolasi sistem menggunakan bahan yang tidak mudah menghantarkan kalor atau disebut juga bahan adiabatik. Adapun, bahanbahan yang bersifat mudah menghantarkan kalor disebut bahan diatermik Proses adiabatik ini mengikuti persamaan Poisson sebagai berikut

pVγ = konstan

atau

p1V1γ = p2 V2γ (ketetapan Poisson)

T1V1(γ –1) = T2 V2(γ –1)

(ketetapan Poisson)

Dengan konstanta Laplace, dan  CP adalah kapasitas kalor gas pada tekanan tetap dan CV adalah kalor gas pada volume tetap. Oleh karena sistem tidak melepaskan atau menerima kalor, pada kalor sistem proses adiabatik Q sama dengan nol. Dengan demikian, usaha yang dilakukan oleh sistem hanya mengubah energi dalam sistem tersebut. Besarnya usaha pada proses adiabatik tersebut dinyatakan dengan persamaan berikut.

Dari kurva hubungan p – V tersebut, Anda dapat mengetahui bahwa:

1) Kurva proses adiabatik lebih curam daripada kurva proses isotermal.

2) Suhu, tekanan, maupun volume pada proses adiabatik tidak tetap.