Termodinamika: Definisi, Hukum & Persamaan

Bagi banyak orang, termodinamika terdengar seperti cabang fisika menakutkan yang hanya bisa dipahami oleh orang pintar. Tetapi dengan beberapa pengetahuan dasar dan sedikit kerja keras, siapa pun dapat memahami bidang studi ini.

Termodinamika adalah salah satu cabang ilmu fisika yang mempelajari tentang kejadian-kejadian dalam sistem fisika akibat perpindahan energi panas. Fisikawan dari Sadi Carnot hingga Rudolf Clausius dan James Clerk Maxwell hingga Max Planck semuanya memiliki andil dalam pengembangannya.

Kata "termodinamika" berasal dari akar kata Yunani termos, yang berarti panas atau hangat, dan dinamikos, yang berarti kuat, meskipun interpretasi selanjutnya dari akar menghubungkan makna tindakan dan gerak padanya. Intinya, termodinamika adalah studi tentang energi panas yang bergerak.

Termodinamika berkaitan dengan bagaimana energi panas dapat dihasilkan dan diubah menjadi berbagai bentuk energi seperti energi mekanik. Ini juga mengeksplorasi gagasan keteraturan dan ketidakteraturan dalam sistem fisik serta efisiensi energi dari berbagai proses.

Sebuah studi mendalam tentang termodinamika juga sangat bergantung pada mekanika statistik untuk memahami teori kinetik dan sebagainya. Ide dasarnya adalah bahwa proses termodinamika dapat dipahami dalam hal apa yang dilakukan semua molekul kecil dalam suatu sistem.

Masalahnya adalah, bagaimanapun, adalah tidak mungkin untuk mengamati dan menjelaskan tindakan individu masing-masing molekul, sehingga metode statistik diterapkan sebagai gantinya, dan dengan akurasi yang tinggi.

Beberapa pekerjaan dasar yang berkaitan dengan termodinamika dikembangkan pada awal tahun 1600-an. Hukum Boyle, yang dikembangkan oleh Robert Boyle, menentukan hubungan antara tekanan dan volume, yang akhirnya mengarah pada hukum gas ideal ketika digabungkan dengan hukum Charles dan Hukum Gay-Lussac.

Baru pada tahun 1798 panas dipahami sebagai bentuk energi oleh Count Rumford (alias Sir Benjamin Thompson). Dia mengamati bahwa panas yang dihasilkan sebanding dengan kerja yang dilakukan dalam memutar alat bor.

Pada awal 1800-an, insinyur militer Prancis Sadi Carnot melakukan banyak pekerjaan di mengembangkan konsep siklus mesin panas, serta gagasan reversibilitas dalam termodinamika proses. (Beberapa proses bekerja dengan baik mundur dalam waktu seperti maju dalam waktu; proses tersebut disebut reversibel. Banyak proses lain hanya bekerja dalam satu arah.)

Karya Carnot mengarah pada pengembangan mesin uap.

Kemudian, Rudolf Clausius merumuskan hukum termodinamika pertama dan kedua, yang akan dijelaskan kemudian dalam artikel ini. Bidang termodinamika berkembang pesat pada 1800-an ketika para insinyur bekerja untuk membuat mesin uap lebih efisien.

Sifat dan besaran termodinamika meliputi:

• Panas, yang merupakan energi yang ditransfer antara benda-benda pada suhu yang berbeda.
• Suhu, yang merupakan ukuran energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat.
• Energi dalam, yang merupakan jumlah energi kinetik molekul dan energi potensial dalam suatu sistem molekul.
• Tekanan, yang merupakan ukuran gaya per satuan luas pada wadah yang menampung suatu zat.
• Volume adalah ruang tiga dimensi yang ditempati oleh suatu zat.
• keadaan mikro adalah keadaan di mana molekul individu berada.
• negara makro adalah keadaan yang lebih besar tempat kumpulan molekul berada.
• Entropi adalah ukuran ketidakteraturan suatu zat. Secara matematis didefinisikan dalam hal keadaan mikro, atau setara, dalam hal perubahan panas dan suhu.

Banyak istilah ilmiah yang berbeda digunakan dalam studi termodinamika. Untuk menyederhanakan penyelidikan Anda sendiri, berikut adalah daftar definisi istilah yang umum digunakan:

• Kesetimbangan termal atau kesetimbangan termodinamika: Suatu keadaan di mana semua bagian dari sistem tertutup berada pada suhu yang sama.
• Kelvin nol mutlak: Kelvin adalah satuan SI untuk suhu. Nilai terendah pada skala ini adalah nol, atau nol mutlak. Ini adalah suhu terdingin yang mungkin.
• Sistem termodinamika: Setiap sistem tertutup yang berisi interaksi dan pertukaran energi panas.
• Sistem terisolasi: Suatu sistem yang tidak dapat bertukar energi dengan apapun di luarnya.
• Energi panas atau energi panas: Ada banyak bentuk energi yang berbeda; diantaranya adalah energi panas, yaitu energi yang berhubungan dengan gerak kinetik molekul-molekul dalam suatu sistem.
• Energi bebas Gibbs: Potensi termodinamika yang digunakan untuk menentukan jumlah maksimum kerja reversibel dalam suatu sistem.
• Kapasitas panas spesifik: Jumlah energi panas yang diperlukan untuk mengubah suhu satu satuan massa suatu zat sebesar 1 derajat. Itu tergantung pada jenis zat dan merupakan nomor yang biasanya terlihat dalam tabel.
• gas ideal: Model gas yang disederhanakan yang berlaku untuk sebagian besar gas pada suhu dan tekanan standar. Molekul-molekul gas itu sendiri diasumsikan bertumbukan dalam tumbukan lenting sempurna. Juga diasumsikan bahwa molekul-molekulnya sangat jauh terpisah satu sama lain sehingga mereka dapat diperlakukan seperti massa titik.

Ada tiga utama hukum termodinamika (disebut hukum pertama, hukum kedua dan hukum ketiga) tetapi ada juga hukum ke-nol. Hukum-hukum tersebut dijelaskan sebagai berikut:

Itu hukum ke nol termodinamika mungkin yang paling intuitif. Dinyatakan bahwa jika zat A berada dalam kesetimbangan termal dengan zat B, dan zat B dalam keadaan termal kesetimbangan dengan zat C, maka zat A harus berada dalam kesetimbangan termal dengan zat C

Itu hukum pertama termodinamika pada dasarnya adalah pernyataan hukum kekekalan energi. Menyatakan bahwa perubahan energi dalam suatu sistem sama dengan selisih antara energi panas yang dipindahkan ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Itu hukum kedua termodinamika, kadang-kadang disebut sebagai hukum yang menyiratkan panah waktu – menyatakan bahwa total entropi dalam sistem tertutup hanya dapat tetap konstan atau meningkat seiring waktu bergerak maju. Entropi dapat dianggap secara longgar sebagai ukuran ketidakteraturan suatu sistem, dan hukum ini dapat dianggap secara longgar menyatakan bahwa "hal-hal cenderung bercampur semakin Anda mengocoknya, sebagai lawan dari" pemisahan."

Itu hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa entropi suatu sistem mendekati nilai konstan karena suhu suatu sistem mendekati nol mutlak. Karena pada nol mutlak, tidak ada gerakan molekul, masuk akal bahwa entropi tidak akan berubah pada titik itu.

Termodinamika memanfaatkan mekanika statistik. Ini adalah cabang fisika yang menerapkan statistik untuk fisika klasik dan kuantum.

Mekanika statistik memungkinkan para ilmuwan untuk bekerja dengan jumlah makroskopik dengan cara yang lebih mudah daripada dengan jumlah mikroskopis. Pertimbangkan suhu, misalnya. Ini didefinisikan sebagai energi kinetik rata-rata per molekul dalam suatu zat.

Bagaimana jika sebaliknya Anda perlu menentukan energi kinetik sebenarnya dari setiap molekul, dan lebih dari itu, melacak setiap tumbukan antar molekul? Hampir tidak mungkin untuk membuat kemajuan. Sebagai gantinya, teknik statistik digunakan yang memungkinkan pemahaman tentang suhu, kapasitas panas, dan sebagainya sebagai sifat material yang lebih besar.

Sifat-sifat ini menggambarkan perilaku rata-rata yang terjadi di dalam materi. Hal yang sama berlaku untuk besaran seperti tekanan dan entropi.

SEBUAH mesin panas adalah sistem termodinamika yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Mesin uap merupakan salah satu contoh mesin kalor. Mereka bekerja dengan menggunakan tekanan tinggi untuk menggerakkan piston.

Mesin panas beroperasi pada semacam siklus lengkap. Mereka memiliki semacam sumber panas, yang biasanya disebut penangas panas, yang memungkinkan mereka menyerap energi panas. Energi panas itu kemudian menyebabkan semacam perubahan termodinamika di dalam sistem, seperti peningkatan tekanan atau pemuaian gas.

Ketika gas memuai, ia bekerja pada lingkungan. Terkadang ini terlihat seperti menyebabkan piston bergerak di dalam mesin. Pada akhir siklus, mandi air dingin digunakan untuk mengembalikan sistem ke titik awal.

Mesin panas mengambil energi panas, menggunakannya untuk melakukan pekerjaan yang berguna dan kemudian juga melepaskan atau kehilangan sebagian energi panas ke lingkungan selama proses tersebut. Itu efisiensi dari mesin kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara keluaran kerja yang berguna dengan masukan kalor bersih.

Tidak mengherankan, para ilmuwan dan insinyur ingin mesin panas mereka menjadi seefisien mungkin – mengubah jumlah maksimum input energi panas menjadi pekerjaan yang bermanfaat. Anda mungkin berpikir bahwa mesin kalor yang paling efisien adalah 100 persen efisien, tetapi ini tidak benar.

Sebenarnya, ada batas efisiensi maksimum mesin kalor. Tidak hanya efisiensi tergantung pada jenis proses dalam siklus, bahkan saat yang terbaik proses (yang reversibel) digunakan, mesin kalor yang paling efisien dapat bergantung pada perbedaan relatif suhu antara penangas panas dan penangas dingin.

Efisiensi maksimum ini disebut efisiensi Carnot, dan itu adalah efisiensi a Siklus Carnot, yang merupakan siklus mesin panas yang seluruhnya terdiri dari reversibel proses.

Ada banyak aplikasi termodinamika untuk proses terlihat dalam kehidupan sehari-hari. Ambil kulkas Anda, misalnya. Sebuah lemari es beroperasi dari siklus termodinamika.

Pertama, kompresor mengompresi uap refrigeran, yang menyebabkan kenaikan tekanan dan mendorongnya ke depan ke dalam gulungan yang terletak di bagian belakang luar kulkas Anda. Jika Anda merasakan gulungan ini, mereka akan terasa hangat saat disentuh.

Udara di sekitarnya menyebabkan mereka mendingin, dan gas panas berubah kembali menjadi cairan. Cairan ini mendingin pada tekanan tinggi saat mengalir ke gulungan di dalam lemari es, menyerap panas dan mendinginkan udara. Setelah cukup panas, ia menguap menjadi gas lagi dan kembali ke kompresor, dan siklus itu berulang.

Pompa panas, yang dapat memanaskan dan mendinginkan rumah Anda, bekerja dengan prinsip yang sama.