Fisika

Hukum Termodinamika: Pengertian, Proses, Rumus, Formulasi, dan Penerapannya

Written by Kamal N

Hukum Termodinamika – Grameds pasti sudah tahu jika energi kalor itu dapat berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Nah, proses perpindahan itu dapat dipelajari dalam Ilmu Termodinamika. Secara umum, termodinamika adalah suatu ilmu yang mempelajari tentang energi yang secara spesifik membahas hubungan antara energi panas dengan proses kerjanya. Bahkan teknologi yang kerap kita gunakan saat ini, sebut saja AC (Air Conditioner) dan rice cooker itu juga menjadi bentuk nyata dari penerapan Hukum Termodinamika.

Keberadaan Hukum Termodinamika menjadi bagian penting dari ilmu fisika dan memiliki tiga kajian hukumnya. Lalu, apa sih termodinamika itu? Bagaimana bunyi dari Hukum Termodinamika ini? Jika berkenaan dengan ilmu fisika, apakah Hukum Termodinamika lantas memiliki rumus tersendiri? Bagaimana pula penerapan Hukum Termodinamika ini pada teknologi rice cooker? Nah, supaya Grameds memahami hal-hal tersebut, yuk simak ulasan berikut ini!

Definisi Termodinamika

Pada dasarnya, termodinamika menjadi salah satu cabang dari sains dan teknik fisika. Jika dalam bidang sains, para ahli akan berusaha mempelajari perilaku dasar sifat fisika dan kimia dari sejumlah materi dalam keadaan berhenti (diam) dengan menggunakan prinsip termodinamika ini. Sementara di bidang teknik, para ahli (insinyur) biasanya akan menggunakan prinsip termodinamika untuk mempelajari sistem dan interaksinya dengan lingkungan. Lalu, apa sih definisi dari termodinamika hingga prinsip kerjanya saja mampu digunakan dalam dua cabang ilmu yang berbeda?

Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik akan membahas mengenai hubungan antara energi panas dengan cara kerjanya. Energi tersebut dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun melalui hasil rekayasa teknologi. Cara kerja di kebanyakan sistem teknologi dapat dijelaskan melalui termodinamika. Bahkan sering disebut-sebut juga bahwa termodinamika ini menjadi modal utama dari seorang sarjana teknik untuk merancang pompa termal, motor roket, rice cooker, AC, hingga penyuling kimia.

Singkatnya, termodinamika ini menjadi salah satu cabang dari bidang ilmu fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas dan perubahan dari panas menjadi bentuk energi lainnya. Istilah termodinamika memang berasal dari Bahasa Yunani, yaitu “Therme” yang berarti ‘panas’ dan “dynamis” yang berarti ‘gaya’. Keberadaan termodinamika ini tidak akan lepas dari kalor.

Apa Itu Kalor?

Kalor (Q) adalah sebuah energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat adanya perbedaan suhu. Apabila berkaitan dengan sistem dan lingkungan, maka dapat dikatakan bahwa kalor menjadi energi yang berpindah dari sistem ke lingkungan atau energi yang berpindah dari lingkungan ke sistem akibat adanya perbedaan suhu. Jika suhu sistem lebih tinggi dari suhu lingkungan, maka kalor akan mengalir dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya, apabila suhu lingkungan lebih tinggi dari suhu sistem, maka kalor akan mengalir dari lingkungan menuju sistem.

Nah, apabila keberadaan Kalor (Q) berkaitan dengan perpindahan energi akibat adanya perbedaan suhu, maka Kerja (W) berkaitan dengan perpindahan energi yang terjadi melalui cara-cara mekanis (mekanis berkaitan dengan gerak). Misalnya jika sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, maka energi dengan sendirinya akan berpindah dari sistem menuju lingkungan. Sebaliknya jika lingkungan melakukan kerja terhadap sistem, maka energi akan berpindah dari lingkungan menuju sistem.

Sistem Termodinamika

Dalam sistem termodinamika, memiliki istilah-istilah tertentu, yakni:

  • Batas Sistem adalah garis imajiner yang membatasi sistem dengan lingkungannya.
  • Sistem Tertutup yaitu apabila sistem dan lingkungannya tidak terjadi pertukaran energi atau massa, dengan kata lain energy atau massa tidak melewati batas-batas sistem.
  • Sistem Terbuka yaitu apabila energi dan massa dapat melintasi atau melewati batas-batas sistem. Sistem dengan lingkungannya ada interaksi.

Apa Bunyi Hukum Termodinamika?

Keberadaan Hukum Termodinamika ini memang ada tiga bentuk, semuanya berasal dari pondasi yang sama, yakni Hukum Awal alias Zeroth Law. Dalam Hukum Awal Termodinamika ini menyatakan bahwa: “Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain”. Nah, berikut adalah penjabaran Hukum Termodinamika I, II, dan III.

Hukum Termodinamika I

Pada Hukum Termodinamika I ini menyatakan bahwa “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja.” Sesuai dengan bunyinya, maka energi yang diberikan oleh kalor pasti sama dengan kerja eksternal yang dilakukan, ditambah dengan pemerolehan energi dalam karena adanya kenaikan temperatur. Secara tidak langsung, Hukum Termodinamika I ini berkaitan dengan kekekalan energi.

Apabila kalor diberikan pada sistem, maka volume dan suhu sistem tentu akan bertambah (terlihat dengan mengembang dan bertambah panasnya sistem). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, maka volume dan suhu sistem menjadi berkurang (terlihat dengan sistem akan mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip inilah yang menjadi hukum alam dan bentuk dari hukum kekekalan energi yang sejalan dengan Hukum Termodinamika I. Suatu sistem yang telah mengalami perubahan volume nantinya akan melakukan usaha. Sementara sistem yang mengalami perubahan suhu, akan cenderung mengalami perubahan energi dalam. Jadi, keberadaan kalor yang diberikan kepada sistem dapat menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam.

Proses-Proses Dalam Termodinamika I

Dalam Hukum Termodinamika I ini akan mengalami 4 proses, yakni:

1. Proses Isotermal (Suhu Tetap)

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika, dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Proses termodinamika yang berlangsung terutama dalam suhu konstan itulah yang disebut dengan proses isotermal. Berhubung prosesnya berlangsung dalam suhu konstan, maka tidak terjadi perubahan energi dalam. Proses isotermal ini dapat dibuktikan dalam kegiatan sehari-hari, misalnya popcorn di dalam panci.

Nah, jika mengacu pada Hukum Termodinamika I, maka kalor yang diberikan akan sama dengan usaha yang dilakukan oleh sistem (Q = W). Perlu diketahui bahwa proses ini juga dapat diberlakukan dengan Hukum Boyle, yakni menjadi:

Nah, berhubung suhunya tetap maka pada proses isotermal ini tidak akan terjadi perubahan energi dalam ∆U=O. Sementara usahanya tetap dapat dihitung dari luas daerah yang ada di bawah kurva, dengan rumus:

2. Proses Isokhorik (Volume Tetap)

Ketika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, maka gas tersebut tengah dalam proses isokhorik. Hal tersebut karena gas berada dalam volume konstan (∆V=0), sehingga gas tidak melakukan usaha (W=0) dan kalor yang diberikan juga akan sama dengan perubahan energi di dalamnya. Kalor dalam proses ini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV. Proses ini memiliki rumus berupa:

W = P dV = P.0 = 0

Sementara grafik dari proses isokhorik akan membentuk:

3. Proses Isobarik (Tekanan Tetap)

Ketika gas melakukan proses termodinamika supaya menjaga tekanan tetap konstan maka gas tersebut tengah melalui proses isobarik. Contoh penerapan proses isobarik ini adalah air mendidih pada tekanan konstan. Hal tersebut karena gas berada dalam tekanan konstan, sementara gas melakukan usaha ((W = pV). Keberadaan kalor dalam proses ini dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan (Qp ). Nah, jika proses isobarik ini jika didasarkan pada Hukum Termodinamika I, maka akan berlaku rumus:

Sementara grafik usaha gas dalam proses isobarik dapat dinyatakan sebagai:

4. Proses Adiabatik (Kalor Tetap)

Proses adiabatik adalah proses termodinamika yang cara kerjanya dilakukan oleh gas murni yang berasal dari perubahan energi internalnya. Tidak ada energi apapun yang masuk maupun keluar selama proses ini berjalan. Contoh penerapan proses adiabatik ini adalah penggunaan pompa sepeda motor. Jika didasarkan pada Hukum Termodinamika I maka akan menjadi: perubahan energi internal gas (dU) adalah banyaknya energi kalor yang disuplai (Q) dikurangi kerja yang dilakukan oleh gas (P.dV). Apabila Grameds bingung dengan uraian tersebut, berikut ini adalah rumusnya secara singkat:

dU = Q – P.dV = – P dV

P Vƴ = K (konstan)

Sementara grafik usaha gas dalam proses adiabatik dapat dinyatakan sebagai:

Rumus Hukum Termodinamika I 

Keterangan:

Q = kalor/panas yang diterima/dilepas (J)
W =  energi/usaha (J)
∆U = perubahan energi (J)

Hukum Termodinamika II

Dalam Hukum Termodinamika II ini berkaitan dengan entropi dan memiliki kecenderungan  yang dari waktu ke waktu, perbedaan suhu, tekanan, dan menyeimbangkan potensi kimia dalam terisolasinya sistem fisik. Perlu diketahui ya Grameds, entropi adalah keseimbangan termodinamis, terutama mengenai perubahan energi yang hukumnya disebut dengan Hukum Termodinamika II. Dalam Hukum Termodinamika II ini menyatakan bahwa: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.”

Sebenarnya, Hukum Termodinamika I dianggap tidak dapat menjelaskan apakah suatu proses mungkin terjadi ataukah tidak mungkin terjadi. Maka dari itu, muncullah Hukum Termodinamika II yang disusun tidak lepas dari usaha untuk mencari sifat atau besaran sistem yang ada.

Dari hasil percobaan para ahli menyimpulkan bahwa mustahil untuk membuat sebuah mesin kalor yang mengubah panas seluruhnya menjadi kerja, yaitu mesin dengan efisiensi termal 100%. Kemustahilan ini adalah dasar dari satu pernyataan hukum kedua termodinamika sebagai berikut :

“Adalah mustahil bagi sistem manapun untuk mengalami sebuah proses di mana sistem menyerap panas dari reservoir pada suhu tunggal dan mengubah panas seluruhnya menjadi kerja mekanik, dengan sistem berakhir pada keadaan yang sama seperti keadaan awalnya”.

Formulasi Dalam Hukum Termodinamika II

Dalam Hukum Termodinamika II ini terdapat dua formulasi yang berguna untuk memahami konversi energi panas ke energi mekanik, yakni:

1. Formulasi Kelvin-Planck

Formulasi yang pertama ini menyatakan bahwa “Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik”. Dengan kata lain, formulasi ini mengungkapkan bahwa memang tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari lautan. Sehingga lebih baik menggunakan energi tersebut untuk menjalankan generator listrik tanpa menimbulkan efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer. Maka dari itu, setiap alat atau mesin pastilah memiliki nilai efisiensi tertentu. Efisiensi ini akan menyatakan nilai perbandingan dari usaha mekanik yang telah diperolehnya dengan energi panas dari sumber suhu tertinggi.

2. Formulasi Clausius

Dalam formulasi ini menyatakan bahwa “Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas”. Dengan kata lain, seseorang tidak dapat mengambil energi dari sumber dingin (yang memiliki suhu rendah) dan memindahkan seluruhnya ke sumber panas (yang memiliki suhu tinggi) tanpa memberikan energi pada pompa untuk melakukan usaha.

Hukum Termodinamika III

Dalam Hukum Termodinamika III ini berkaitan dengan temperatur nol absolut. Hukum ini juga menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolute, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”. 

Penerapan Hukum Termodinamika Pada Rice Cooker

Hukum Termodinamika ini dapat diterapkan dalam teknologi yang membantu aktivitas manusia sehari-hari, salah satunya adalah rice cooker. Rice cooker adalah alat penanak nasi yang dapat juga dialihfungsikan untuk merebus sayur, mengukus kuah, dan lain-lain. Rice cooker tentu saja memanfaatkan listrik, mulai dari 300 watt, 500 watt, 800 watt, dan seterusnya. Dalam sebuah rice cooker, memiliki elemen pemanas yang berada di bawah, samping, dan atas.

Prinsip kerja sebuah rice cooker adalah saat saklar sudah terhubung dengan elemen pemanas utama, maka arus listrik akan langsung menuju ke elemen utama dan lampu di rice cooking menyala. Ketika suhu pemanas sudah mencapai maksimal dan nasi sudah matang, maka thermostat trip akan langsung menggerakkan tuas sehingga posisi saklar jadi berubah mengalirkan listrik menuju ke elemen penghangat nasi melewati thermostat.

Pada posisi penghangat, ketika suhu thermostat sudah maksimal maka arus yang menuju ke elemen penghangat akan terputus otomatis. Begitu pula ketika suhu pada thermostat berkurang, maka otomatis arus menuju elemen penghangat akan terhubung kembali secara otomatis. Proses ini akan berlangsung secara terus menerus. Jika didasarkan pada Hukum Termodinamika, maka cara kerja rice cooker akan berupa:

“Nasi yang awalnya berupa beras dan memiliki tekstur keras, ketika diberi air dan memanaskannya maka tekstur akan berubah menjadi lembut dan mudah untuk dimakan. Nah, suatu cairan akan menguap apabila tekanan uap gas yang berasal dari cairan itu sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (P uap = P cair).  Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal).

Jika pada rice cooker biasa, air akan  dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K). Sementara itu, pada penanak nasi yang memanipulasi tekanan (pressure cooker, atau electric pressure cooker) jika tutup lubang uapnya dibuka, maka pressure cooker akan bekerja seperti penanak nasi biasa, karena tekanan eksternalnya sama dengan tekanan udara luar.

Namun, jika tutup lubang uapnya (biasanya berupa katup) ditutup, akan ada perubahan pada tekanan udara di ruang dalam pressure cooker dan titik didih cairan akan berubah. Berbeda ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker. Berhubung ada tambahan massa, maka tekanan akan semakin tinggi dan titik kesetimbangan antar fase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.

Berikut ini komponen dalam rice cooker:

Rekomendasi Buku & Artikel Terkait

Baca Juga!

About the author

Kamal N

Ada banyak pelajaran yang dipelajari ketika di sekolah, salah satunya adalah fisika. Ilmu fisika ini juga sering kita temukan dalam kehidupan sehari-hari.