Brilio.net - Sejak kelas 11 kamu telah diperkenalkan dengan rumus termodinamika. Namun nggak semua memahami tentang rumus termodinamika itu sendiri. Termodinamika adalah salah satu cabang ilmu fisika yang menarik dan penting untuk dipelajari. Pasalnya, termodinamika mempelajari hubungan antara panas, kerja, dan energi dalam suatu sistem.
Termodinamika juga mempelajari sifat-sifatnya seperti suhu, tekanan, volume, entropi, dan kespontanan proses. Selain itu, rumus termodinamika memiliki banyak peran dalam bidang ilmu pengetahuan, teknologi, dan kehidupan sehari-hari. Oleh karena itu, penting untuk memahami rumus termodinamika ini.
BACA JUGA :
Rumus reamur ke celcius, pahami pengertian, sifat, contoh dan cara pengerjaan
Langsung saja, simak ulasan lengkap tentang rumus termodinamika mulai dari konsep dasar, hukum, proses dan latihan soal, dilansir brilio.net dari berbagai sumber padaRabu (15/11).
Apa itu rumus termodinamika?
foto: Istimewa
BACA JUGA :
Rumus kalor jenis air, beserta pengertian, faktor, manfaat, contoh soal, dan cara mudah pengerjaannya
Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari hubungan antara panas (thermal energy) dan bentuk-bentuk lain dari energi, serta bagaimana energi tersebut berpindah antara sistem dan lingkungan. Bidang ini membahas prinsip-prinsip dasar yang mengatur perubahan energi dalam suatu sistem tertutup atau sistem yang berinteraksi dengan lingkungannya.
Termodinamika pada prinsipnya mengulik tentang sifat-sifat termodinamika seperti suhu, tekanan, volume, entropi, dan kespontanan proses. Termodinamika memiliki beberapa prinsip dan hukum yang mengatur perilaku sistem termodinamika dalam berbagai kondisi.
Prinsip-prinsip termodinamika adalah aturan-aturan yang mengatur hubungan antara panas, kerja, dan energi dalam suatu sistem. Prinsip-prinsip termodinamika dapat ditemukan dalam berbagai bidang ilmu pengetahuan, teknologi, dan kehidupan sehari-hari. Beberapa prinsip termodinamika yang penting adalah:
1. Hukum pertama termodinamika.
Prinsip ini menyatakan bahwa energi dalam suatu sistem tertutup tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya dapat berubah bentuk. Prinsip ini juga dikenal sebagai hukum kekekalan energi. Contohnya, ketika menyalakan kompor gas, energi kimia dalam gas berubah menjadi energi panas dan cahaya. Energi total dalam sistem tidak berubah, hanya bentuknya saja yang berubah.
2. Hukum kedua termodinamika.
Prinsip ini menyatakan bahwa entropi atau tingkat ketidakpastian dalam suatu sistem tertutup selalu meningkat atau tetap konstan, tetapi tidak pernah menurun. Prinsip ini juga dikenal sebagai hukum arah waktu. Contohnya, ketika mencampurkan dua gelas air dengan suhu yang berbeda, suhu air akan menjadi rata-rata dari kedua gelas tersebut. Proses ini tidak dapat dibalik, karena kita tidak dapat memisahkan kembali air dengan suhu yang berbeda tanpa melakukan usaha tambahan.
3. Hukum ketiga termodinamika.
Prinsip ini menyatakan bahwa entropi suatu sistem mendekati nol ketika suhunya mendekati nol mutlak. Prinsip ini juga dikenal sebagai hukum nol mutlak. Contohnya, ketika kita mendinginkan suatu zat sampai mendekati suhu nol mutlak, zat tersebut akan menjadi kristal sempurna yang teratur dengan baik. Proses ini tidak dapat dilanjutkan, karena tidak dapat mencapai suhu nol mutlak secara termodinamika.
Proses termodinamika.
foto: freepik.com
Proses termodinamika adalah perubahan keadaan suatu sistem fisik yang melibatkan transfer energi dalam bentuk panas dan kerja. Dalam termodinamika, sistem dianggap sebagai entitas yang terisolasi yang dapat berinteraksi dengan lingkungannya melalui perpindahan energi. Ada beberapa jenis proses termodinamika yang dapat terjadi, yaitu:
1. Proses isotermal: proses termodinamika yang sistemnya berada pada suhu konstan. Artinya, suhu sistem akan tetap walaupun tekanan dan volumenya berubah.
2. Proses isobarik: proses termodinamika yang sistemnya berada pada tekanan tetap. Artinya, tekanan sistem akan tetap walaupun suhu dan volumenya berubah.
3. Proses isokhorik: proses termodinamika yang sistemnya berada pada volume konstan. Artinya, volume sistem akan tetap walaupun suhu dan tekanannya berubah.
4. Proses adiabatik: proses termodinamika di mana tidak ada panas yang masuk ataupun keluar dari sistem.
Rumus termodinamika.
foto: freepik.com
Ada beberapa rumus termodinamika yang sering digunakan untuk menganalisis proses-proses yang melibatkan perubahan suhu, tekanan, volume, dan entropi. Berikut ini adalah beberapa rumus termodinamika yang umum:
- Hukum pertama termodinamika: rumus termodinamika pertama ini menyatakan bahwa energi dalam suatu sistem tertutup tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya dapat berubah bentuk. Rumusnya adalah:
Q = U + W
Keterangan:
- Q: kalor atau panas yang diterima atau dilepas oleh sistem (Joule)
- U: perubahan energi dalam sistem (Joule)
= W: usaha yang dilakukan oleh atau pada sistem (Joule)
- Hukum kedua termodinamika: rumus termodinamika kedua ini menyatakan bahwa entropi atau tingkat ketidakpastian dalam suatu sistem tertutup selalu meningkat atau tetap konstan, tetapi tidak pernah menurun. Rumusnya adalah:
S 0
Keterangan:
- S: perubahan entropi sistem (Joule/Kelvin)
- Persamaan keadaan gas ideal: rumus ini menghubungkan antara tekanan, volume, suhu, dan jumlah mol gas ideal dalam suatu sistem. Rumusnya adalah:
pV = nRT
Keterangan:
- p: tekanan gas (Pascal)
- V: volume gas (meter kubik)
- n: jumlah mol gas (mol)
- R: konstanta gas ideal (8,314 Joule/mol.Kelvin)
- T: suhu gas (Kelvin)
- Persamaan keadaan gas nyata: rumus termodinamika ini merupakan modifikasi dari persamaan gas ideal yang memperhitungkan faktor koreksi untuk tekanan dan volume gas nyata. Rumusnya adalah:
(p + n^2a / V^2)(Vnb) = nRT
Keterangan:
- a dan b: konstanta Van der Waals yang bergantung pada jenis gas
- Persamaan Bernoulli: rumus termodinamika ini menyatakan bahwa jumlah dari tekanan hidrostatik, tekanan dinamis, dan energi potensial gravitasi dari suatu fluida yang mengalir dalam suatu pipa tertutup adalah konstan. Rumusnya adalah:
p + 1/2v^2 + gh = konstan
Keterangan:
- p: tekanan fluida (Pascal)
- : massa jenis fluida (kilogram/meter kubik)
- v: kecepatan fluida (meter/detik)
- g: percepatan gravitasi (9,8 meter/detik kuadrat)
- h: ketinggian fluida (meter)
Penerapan rumus termodinamika.
foto: freepik.com
Termodinamika memiliki banyak aplikasi dalam bidang ilmu pengetahuan, teknologi, dan kehidupan sehari-hari. Beberapa contoh aplikasi termodinamika adalah:
1. Mesin panas: adalah alat yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Contoh mesin panas adalah mesin uap, mesin mobil, dan turbin gas.
2. Mesin dingin: adalah alat yang mengubah energi mekanik menjadi energi panas. Contoh mesin dingin adalah kulkas, AC, dan pompa panas.
3. Siklus Carnot: adalah siklus termodinamika ideal yang memiliki efisiensi maksimum. Siklus Carnot terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.
4. Hukum Joule: adalah hukum yang menyatakan bahwa kalor yang dilepaskan oleh suatu sistem yang melakukan usaha adiabatik sama dengan usaha yang dilakukan oleh sistem tersebut.
5. Efek Seebeck: adalah efek yang menyebabkan timbulnya beda potensial listrik akibat adanya perbedaan suhu antara dua ujung konduktor atau rangkaian konduktor.
Contoh soal rumus termodinamika dan pembahasannya.
foto: freepik.com
Soal 1
Suatu gas ideal memiliki tekanan awal 2 atm, volume awal 4 L, dan suhu awal 300 K. Gas tersebut mengalami proses isotermal, yaitu proses yang suhunya tetap, hingga volume akhirnya menjadi 8 L. Berapakah tekanan akhir gas tersebut?
Jawaban:
Karena gas tersebut mengalami proses isotermal, maka kita dapat menggunakan persamaan keadaan gas ideal yang berbunyi:
pV = nRT
Di mana:
- p: tekanan gas (atm)
- V: volume gas (L)
- n: jumlah mol gas (mol)
- R: konstanta gas ideal (0,082 atm.L/mol.K)
- T: suhu gas (K)
Karena suhu gas tetap, maka bisa ditulis:
p1V1 = p2V2
Di mana:
- p1: tekanan awal gas (atm)
- V1: volume awal gas (L)
- p2: tekanan akhir gas (atm)
- V2: volume akhir gas (L)
Dengan mengganti nilai-nilai yang diketahui, kita dapat menyelesaikan persamaan tersebut untuk mencari tekanan akhir gas:
p2 = p1V1 / V2 = 2 4 / 8 = 1 atm
Jadi, tekanan akhir gas tersebut adalah 1 atm.
Soal 2
Suatu mesin panas beroperasi dengan siklus Carnot, yaitu siklus termodinamika ideal yang memiliki efisiensi maksimum. Mesin tersebut menerima kalor sebesar 500 J dari sumber panas dengan suhu 400 K dan melepaskan kalor sebesar 300 J ke sumber dingin. Berapakah suhu sumber dingin dan usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut?
Jawaban:
Karena mesin tersebut beroperasi dengan siklus Carnot, maka kita dapat menggunakan rumus efisiensi mesin Carnot yang berbunyi:
= 1 TC / TH
Di mana:
- : efisiensi mesin Carnot
- TC: suhu sumber dingin (K)
- TH: suhu sumber panas (K)
Efisiensi mesin Carnot juga dapat dinyatakan sebagai perbandingan antara usaha yang dilakukan oleh mesin (W) dengan kalor yang diterima dari sumber panas (QH):
= W / QH
Dengan mengganti nilai-nilai yang diketahui, kita dapat menyelesaikan persamaan tersebut untuk mencari suhu sumber dingin:
W/QH = 1 TC/TH
W/500 = 1 TC/400
TC = 400 W/500 400
Untuk mencari usaha yang dilakukan oleh mesin, kita dapat menggunakan hukum pertama termodinamika yang berbunyi:
QH = QC + W
Di mana:
- QH: kalor yang diterima dari sumber panas (J)
- QC: kalor yang dilepaskan ke sumber dingin (J)
- W: usaha yang dilakukan oleh mesin (J)
Dengan mengganti nilai-nilai yang diketahui, kita dapat menyelesaikan persamaan tersebut untuk mencari usaha yang dilakukan oleh mesin:
W = QH QC = 500 300 = 200 J
Jadi, usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut adalah 200 J. Dengan mengganti nilai usaha tersebut ke dalam persamaan suhu sumber dingin, kita dapat menemukan suhu sumber dingin:
TC = 400 200/500 400 =240 K
Jadi, suhu sumber dingin adalah 240 K.