Proses Adiabatik: Definisi, Persamaan & Contoh

Termodinamika adalah cabang fisika yang mempelajari proses di mana energi panas dapat berubah bentuk. Seringkali gas ideal dipelajari secara khusus karena, tidak hanya lebih mudah dipahami, tetapi banyak gas dapat didekati sebagai ideal.

Keadaan termodinamika tertentu ditentukan oleh variabel keadaan. Ini termasuk tekanan, volume dan suhu. Dengan mempelajari proses di mana sistem termodinamika berubah dari satu keadaan ke keadaan lain, Anda dapat memperoleh pemahaman yang lebih dalam tentang fisika yang mendasarinya.

Beberapa proses termodinamika ideal menggambarkan bagaimana keadaan gas ideal dapat mengalami perubahan. Proses adiabatik hanyalah salah satunya.

Keadaan gas ideal pada satu titik waktu dapat dijelaskan oleh variabel keadaan tekanan, volume dan suhu. Ketiga besaran ini cukup untuk menentukan kondisi gas saat ini dan sama sekali tidak bergantung pada bagaimana gas memperoleh kondisinya saat ini.

Kuantitas lain, seperti energi internal dan entropi, adalah fungsi dari variabel keadaan ini. Sekali lagi, fungsi keadaan juga tidak bergantung pada bagaimana sistem masuk ke keadaan tertentu. Mereka hanya bergantung pada variabel yang menggambarkan keadaan saat ini.

Fungsi proses, di sisi lain, menggambarkan suatu proses. Panas dan kerja adalah fungsi proses dalam sistem termodinamika. Panas hanya dipertukarkan selama perubahan dari satu keadaan ke keadaan lain, seperti halnya kerja hanya dapat dilakukan ketika sistem berubah keadaan.

Proses adiabatik adalah proses termodinamika yang terjadi tanpa perpindahan panas antara sistem dan lingkungannya. Dengan kata lain, keadaan berubah, kerja dapat dilakukan pada atau oleh sistem selama perubahan ini, tetapi tidak ada energi panas yang ditambahkan atau dihilangkan.

Karena tidak ada proses fisik yang dapat terjadi secara instan dan tidak ada sistem yang benar-benar dapat diisolasi dengan sempurna, kondisi adiabatik sempurna tidak akan pernah dapat dicapai dalam kenyataan. Namun, itu bisa didekati, dan banyak yang bisa dipelajari dengan mempelajarinya.

Semakin cepat suatu proses terjadi, semakin mendekati adiabatik karena semakin sedikit waktu yang diperlukan untuk perpindahan panas.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa perubahan energi internal suatu sistem sama dengan perbedaan panas yang ditambahkan ke sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem. Dalam bentuk persamaan, ini adalah:

DimanaEadalah energi dalam,Qadalah kalor yang ditambahkan ke sistem danWadalah kerja yang dilakukan oleh sistem.

Karena tidak ada pertukaran panas dalam proses adiabatik, maka harus terjadi bahwa:

Dengan kata lain, jika energi meninggalkan sistem, itu adalah hasil dari sistem yang melakukan kerja, dan jika energi memasuki sistem, itu dihasilkan langsung dari kerja yang dilakukan pada sistem.

Ketika suatu sistem memuai secara adiabatik, volume bertambah sementara tidak ada panas yang dipertukarkan. Peningkatan volume ini merupakan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungan. Oleh karena itu energi internal harus berkurang. Karena energi dalam berbanding lurus dengan suhu gas, ini berarti bahwa perubahan suhu akan negatif (suhu turun).

Dari hukum gas ideal, Anda bisa mendapatkan ekspresi berikut untuk tekanan:

Dimanatidakadalah jumlah mol,Radalah konstanta gas ideal,Tadalah suhu danVadalah volume.

Untuk ekspansi adiabatik, suhu turun sementara volume naik. Ini berarti tekanan juga harus turun karena, dalam ekspresi di atas, pembilangnya akan berkurang sedangkan penyebutnya akan bertambah.

Pada kompresi adiabatik terjadi kebalikannya. Karena penurunan volume menunjukkan pekerjaan yang dilakukan pada sistem oleh lingkungan, ini akan menghasilkan perubahan positif dalam energi internal yang sesuai dengan kenaikan suhu (akhir yang lebih tinggi suhu).

Jika suhu meningkat sedangkan volume berkurang, maka tekanan juga meningkat.

Salah satu contoh yang menggambarkan proses kira-kira adiabatik yang sering ditunjukkan dalam kursus fisika adalah pengoperasian alat suntik api. Jarum suntik api terdiri dari tabung terisolasi yang ditutup di satu ujung dan yang berisi pendorong di ujung lainnya. Plunger dapat didorong ke bawah untuk mengompres udara di dalam tabung.

Jika sepotong kecil kapas atau bahan mudah terbakar lainnya ditempatkan di dalam tabung pada suhu kamar, maka pendorongnya adalah: didorong ke bawah dengan sangat cepat, keadaan gas di dalam tabung akan berubah dengan pertukaran panas minimal dengan bagian luar. Peningkatan tekanan di dalam tabung yang terjadi pada saat kompresi menyebabkan suhu di dalam tabung naik drastis, cukup untuk membakar sepotong kecil kapas.

SEBUAHtekanan-volumeDiagram (P-V) adalah grafik yang menggambarkan perubahan keadaan suatu sistem termodinamika. Dalam diagram seperti itu, volume diplot padax-sumbu, dan tekanan diplot padakamu-sumbu. Suatu keadaan dilambangkan dengan (x, y) titik yang sesuai dengan tekanan dan volume tertentu. (Catatan: Suhu dapat ditentukan dari tekanan dan volume menggunakan hukum gas ideal).

Saat keadaan berubah dari satu tekanan dan volume tertentu ke tekanan dan volume lain, sebuah kurva dapat digambar pada diagram yang menunjukkan bagaimana perubahan keadaan itu terjadi. Misalnya, proses isobarik (di mana tekanan tetap konstan) akan terlihat seperti garis horizontal pada diagram P-V. Kurva lain dapat ditarik menghubungkan titik awal dan akhir, dan akibatnya akan menghasilkan jumlah pekerjaan yang berbeda yang dilakukan. Inilah sebabnya mengapa bentuk jalur pada diagram relevan.

Proses adiabatik muncul sebagai kurva yang mematuhi hubungan:

Dimanacadalah perbandingan kalor jenis c_p/c_v (​c_padalah panas spesifik gas untuk tekanan konstan, danc_vadalah panas spesifik untuk volume konstan). Untuk gas monoatomik ideal,c= 1,66, dan untuk udara, yang terutama merupakan gas diatomik,c​ = 1.4

Mesin panas adalah mesin yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik melalui semacam siklus lengkap. Pada diagram P-V, siklus mesin kalor akan membentuk lingkaran tertutup, dengan keadaan mesin berakhir di tempat ia mulai, tetapi melakukan usaha dalam proses menuju ke sana.

Banyak proses hanya bekerja dalam satu arah; namun, proses reversibel bekerja sama maju dan mundurnya tanpa melanggar hukum fisika. Proses adiabatik adalah jenis proses reversibel. Ini membuatnya sangat berguna dalam mesin panas karena artinya tidak mengubah energi apa pun menjadi bentuk yang tidak dapat dipulihkan.

Dalam mesin kalor, kerja total yang dilakukan oleh mesin adalah luas yang terdapat dalam lingkaran siklus.

Proses termodinamika lain yang dibahas secara lebih rinci dalam artikel lain meliputi:

Proses isobarik, yang terjadi pada tekanan konstan. Ini akan terlihat seperti garis horizontal pada diagram P-V. Usaha yang dilakukan dalam proses isobarik sama dengan nilai tekanan konstan dikalikan dengan perubahan volume.

Proses isokhorik, yang terjadi pada volume konstan. Ini terlihat seperti garis vertikal pada diagram P-V. Karena kenyataan bahwa volume tidak berubah selama proses ini, tidak ada pekerjaan yang dilakukan.

Proses isotermal terjadi pada suhu konstan. Seperti proses adiabatik, ini adalah reversibel. Namun, agar suatu proses menjadi isotermal sempurna, ia harus mempertahankan keseimbangan konstan, yang akan berarti itu harus terjadi sangat lambat, berbeda dengan persyaratan instan untuk adiabatik proses.