Proses Isobarik

Proses isobarik adalah proses termodinamika dimana tekanannya konstan: ΔP = 0. Istilah ini berasal dari kata Yunani iso-, (sama), dan baros (massa). Panas dipindahkan ke sistem yang melakukan kerja namun juga mengubah energi dalam sistem:

Area kuning menggambarkan kerja yang dilakukan sistem

Menurut Hukum pertama termodinamika, dimana W adalah kerja yang dilakukan pada sistem, U adalah energi dalam dan Q adalah panas. Kerja yang dilakukan oleh sistem tertutup didefinisikan dengan:

dengan Δ menunjukkan adanya perubahan selama proses berlangsung, sedangkan d merupakan lambang diferensial. Karena tekanannya konstan, maka

Menurut hukum gas ideal, hal ini menjadi

mengasumsikan jumlah gas konstan (misalnya tak ada transisi fasa selamareaksi kimia), maka menurut teorema ekuipartisi, perubahan energi dalam berhubungan dengan suhu sistem dengan

dimana adalah panas spesifik pada volume konstan.

Substitusi 2 persamaan terakhir ke persamaan pertama menghasilkan:

,

dengan  adalah panas spesifik pada tekanan konstan.

Kapasitas panas spesifik

Untuk menemukan kapasitas panas molar spesifik gas, persamaan berikut ini dapat digunakan untuk gas umum yang secara kalori benar. Properti merupakan indeks adiabatik atau rasio kapasitas panas. Beberapa sumber menggunakan huruf k.

Panas spesifik molar isokorik:

.

Panas spesifik molar isobarik:

.

Nilai untuk  adalah  untuk gas diatomik seperti udara dan untuk gas monoatomik seperti gas mulia. Rumus untuk panas spesifik menjadi (untuk kasus tertentu saja):

Monatomik:
 dan 

Diatomik:
 and 

Proses isobarik yang ditunjukkan pada diagram PV adalah garis lurus horizontal yang menghubungkan keadaan awal dan akhir. Jika proses ke arah kanan, berarti ada ekspansi, jika ke kiri, berarti terjadi kompresi.

Dalam proses isobaric, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan, maka perubahan energi dalam (delta U), kalor (Q), dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada yang bernilai nol. Dengan demikian persamaan hukum pertama termodinamika tetap utuh seperti semula. Bila volume gas bertambah, berarti gas melakukan usaha atau usaha gas positif (proses ekspansi). Jika volume gas berkurang, berarti pada gas dilakukan usaha atau usaha gas negatif (proses kompresi).

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi:

Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamikasebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Pondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh James Prescott Joule yang melalui eksperimen-eksperimennya berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja saling dapat dikonversikan. Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf Clausius pada 1850: "Terdapat suatu fungsi keadaan E, yang disebut 'energi', yang diferensialnya sama dengan jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu proses adiabatik."

Energi dalam sistem merupakan jumlah total semua energi molekul dalam sistem. Apabila usaha dilakukan pada sistem atau sistem memperoleh kalor dari lingkungan, maka energi dalam pada sistem akan naik. Sebaliknya energi dalam akan berkurang apabila sistem melakukan usaha pada linngkungan atau sistem memberi kalor pada lingkungan. Dengan demikian, perubahan energi dalam pada sistem yang tertutup merupakan selisih kalor yang diterima dengan usaha yang dilakukan sistem.

∆U = Q – W         atau            Q = ∆U + W

dengan

∆U  : Perubahan energi dalam (J)

Q     : Kalor yang diterima/dilepas (J)

W    : Usaha (J)

demensi / tanda :

d : + (bila energy system bertambah)
      - (sebaliknya)
Q : + (bila dQ  masuk kedalam system)
       - (bila dQ keluar dari system)
w : + ( bila volume di kompresi )

      - (bila terjadi ekspansi volume)

Hukum pertama termodinamika merupakan hukum kekekalan energi.  Menurut hukum pertama termodinamika, setelah mengalami proses tertentu, sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2, maka energi-dalamnya berubah dari U₁ ke U₂. Selama proses itu berlangsung, sistem menerima kalor sebanyak Q dan melakukan usaha sebesar W, sehingga didapat persamaan :

dQ = dU + dW                                                           (persamaan 1)

Q = (U₂  - U₁)  + W                                                    (persamaan 2)

Baik persamaan 1 ataupun persamaan 2 merupakan hukum pertama termodinamika.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi kekal adanya, kalau diperhitungkan semua bentuk energi yang timbul. Tidak hanya energi mekanik saja yang harus diperhitungkan, tapi juga energi-dalam dan kalor.

Hukum ini menyatakan pula, bahwa usaha tak dapat diperoleh dengan cuma-cuma. Kalau tidak diberi energi dari luar, sistem yang melakukan usaha itu akan berkurang energi-dalamnya dan pada suatu saat akan habis sehingga sistem akan berhenti. 

Kalor

Pernah minum es teh, es susu, es sirup dll ? Nah, ketika membuat es teh, biasanya kita mencampur air panas atau air hangat yang ada di dalam gelas dengan es batu. Air panas atau air hangat memiliki suhu yang lebih tinggi, sedangkan es batu memiliki suhu yang lebih rendah. Setelah bersenggolan beberapa saat, campuran es batu dan teh panas pun berubah menjadi es teh (campuran es batu dan teh hangat telah mencapai suhu yang sama). Proses yang sama terjadi ketika kita mencampur air panas dengan air dingin. Setelah bersentuhan, air panas dan air dingin berubah menjadi air hangat (campuran air panas dan air dingin telah mencapai suhu yang sama). Mengapa setelah bersentuhan benda-benda tersebut bisa mencapai suhu yang sama ?

Apabila benda-benda yang memiliki perbedaan suhu saling bersentuhan, akan ada perpindahan panas atau sering disebut kalor, dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Kalor adalah salah satu bentuk energi yang berpindah dari benda yang suhunya lebih tinggi ke benda yang suhunya lebih rendah jika kedua benda bersentuhan. Pengertian kalor berbeda dengan suhu. Suhu adalah ukuran derajat panas atau dinginnya suatu benda, sedangkan kalor adalah ukuran banyaknya

Perpindahan kalor terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama. Misalnya jika kita mencampur air panas dengan air dingin, biasanya kalor berpindah dari air panas menuju air dingin. Ketika kita memasukkan besi panas ke dalam air dingin, kalor berpindah dari besi yang lebih panas menuju air. Kalor akan berhenti mengalir setelah besi dan air mencapai suhu yang sama. Ketika dokter atau perawat menempelkan termometer ke tubuhmu, kalor berpindah dari tubuhmu menuju termometer. Perpindahan kalor terhenti setelah tubuhmu dan termometer telah mencapai suhu yang sama. Jika termometer yang digunakan adalah termometer raksa maka ketika tubuhmu dan termometer mencapai suhu yang sama, permukaan air raksa berhenti bergerak. Angka yang ditunjukkan permukaan air raksa merupakan suhu tubuhmu saat itu.

Secara alami, kalor dengan sendirinya berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan kalor cenderung menyamakan suhu benda yang saling bersentuhan. Pada abad ke-18, para fisikawan menduga bahwa aliran kalor merupakan gerakan suatu fluida, suatu jenis fluida yang tidak kelihatan (fluida adalah zat yang dapat mengalir. Fluida meliputi zat cair dan zat gas. Air (zat cair) termasuk fluida karena dapat mengalir. Udara juga termasuk fluida karena dapat mengalir). Fluida tersebut dinamakan caloric. Teori mengenai calorictidak digunakan lagi karena berdasarkan hasil percobaan, keberadaan caloric ini tidak bisa dibuktikan.

Pada abad ke-19, seorang fisikawan Inggris bernama James Prescott Joule (1818-1889) mempelajari cara memanaskan air dalam sebuah wadah menggunakan roda pengaduk. Berdasarkan hasil percobaannya, Joule membuat perbandingan dengan air yang dipanaskan menggunakan api. Ketika nyala api dan wadah yang berisi air bersentuhan, kalor berpindah dari api (suhu tinggi) menuju air (suhu rendah). Setelah membuat perbandingan antara meningkatnya suhu air karena bersentuhan dengan api dan meningkatnya suhu air akibat adanya usaha yang dilakukan oleh pengaduk, Joule menyimpulkan bahwa kalor merupakan energi yang berpindah dari benda bersuhu tinggi menuju benda bersuhu rendah. Kalor bukan energi (kalor bukan suatu jenis energi tertentu, seperti energi kinetik, energi potensial, energi kimia dll). Kaloradalah energi yang berpindah akibat perbedaan suhu. Jadi ketika kalor mengalir dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah, sebenarnya energi yang berpindah dari benda yang bersuhu tinggi menuju benda yang bersuhu rendah. Perpindahan energi terhenti setelah benda-benda yang bersentuhan mencapai suhu yang sama atau setimbang termal.

Istilah kalor  berasal dari kata caloric, yang pertama kali diperkenalkan oleh   seorang ahli kimia dari Prancis. Oleh para ahli kimia dan fisika saat itu, kalor dianggap sebagai zat alir yang tidak terlihat oleh mata. Kalor mempunyai pengaruh terhadap perubahan suhu dan perubahan wujud zat. Alat untuk mengukur besarnya kalor disebut kalorimeter.

Satuan kalor ditetapkan dengan nama kalori (kal). Energi kalor dapat berubah menjadi energi mekanik atau sebaliknya. Oleh karena itu, terdapat hubungan antara satuan energi kalor (kalori) dengan satuan energi mekanik (joule). Hubungan ini ditemukan oleh James Prescott Joule (1818 - 1889), seorang ilmuwan berbangsaan Inggris. Hubungan tersebut adalah 1 kilokalori = 4,186 x 10^3 joule. Satu kalori adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk memanaskan 1 gram air sehingga suhunya naik 1 derajat celsius. Perhitungan James Prescott Joule sampa sekarang masih berlaku.

Apa sih Termodinamika itu?

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana hubungan termodinamika berasal.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi(kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalamtermodinamika tak-setimbang.

Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.

Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Menurut Arief MS Termodinamika adalah suatu konsep mekanika perpindahan Energi. Seperti panas, dimana konsep perpindahan panas adalah panas secara spontan akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur rendah.

Ada beberapa pengertian dari Termodinamika:

·                     Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari pertukaran energi dalam bentuk kalor dan kerja, sistem pembatas (boundary) serta lingkungan. 

·                     Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari hubungan antara panas, kerja mekanik serta aspek-aspek lain dari energi dan perpindahannya. 

·                     Termodinamika adalah suatu cabang ilmu fisika yang mempelajari hokum-hukum dasr yang dipatuhi oleh kalor dan usaha.

Termodinamika adalah bidang ilmu yang meliputi hubungan antara panas dan jenis energi lainnya. Termodinamika ditemukan dan diteliti awal tahun 1800-an. Pada saat itu, itu terkait dengan dan mendapat perhatian karena penggunaan mesin uap.

Termodinamika dapat dipecah menjadi empat hukum. Meskipun ditambahkan ke dalam hukum termodinamika setelah tiga hukum lainnya, hukum ke nol biasanya dibahas terlebih dahulu. Ini menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dengan kata lain, jika dua sistem adalah temperatur yang sama sebagai sistem yang ketiga, maka ketiganya adalah suhu yang sama.

Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi total sistem tetap konstan, bahkan jika itu diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Misalnya, energi kinetik – energi yang memiliki obyek ketika bergerak – diubah menjadi energi panas ketika sopir menekan rem pada mobil untuk memperlambatnya. Ada sering menangkap frase untuk membantu orang mengingat hukum pertama termodinamika: “Usaha adalah kalor, dan kalor adalah usaha.” Pada dasarnya, usaha dan panas yang setara.

Hukum kedua termodinamika adalah salah satu hukum yang paling dasar dalam ilmu pengetahuan. Ini menyatakan bahwa panas tidak bisa mengalir ke sistem pada suhu yang lebih tinggi dari sistem pada suhu yang lebih rendah dengan kemauan sendiri. Untuk tindakan tersebut terjadi, usaha harus dilakukan. Jika es batu ditempatkan dalam secangkir air hangat, es batu mencair saat panas air mengalir ke dalamnya. Hasil akhirnya adalah secangkir air yang sedikit dingin. Es batu hanya bisa terbentuk jika menggunakan energi.

Contoh lain dari hukum kedua hanya bekerja dengan penambahan energi dapat dilihat dengan kulkas tua. Dalam hal ini, pendinginan dari dalam kulkas menghangatkan di luar itu. Jadi, usaha yang dilakukan dan usaha membuat kalor. Usaha selesai dengan pompa kulkas.

Hukum kedua termodinamika juga mengatakan bahwa hal-hal dapat aus. Sebagai contoh, jika sebuah rumah bata dibiarkan tidak terawat, akhirnya akan runtuh karena angin, hujan, dingin, dan kondisi cuaca lainnya. Namun, jika tumpukan batu bata jika dibiarkan tanpa pengawasan, tidak akan pernah membentuk sebuah rumah, kecuali usaha akan ditambahkan ke dalam campuran.

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi dari suatu sistem ketika mengubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya mendekati nol suhunya mendekati nol pada skala Kelvin. Nol pada skala Kelvin adalah mutlak batas bawah suhu – ketika atom dan molekul memiliki energi paling mungkin. Entropi didefinisikan sebagai ketersediaan energi sistem untuk melakukan pekerjaan. Jadi, berikut bahwa ada skala absolut entropi. Akibatnya, tidak ada sistem nyata yang bisa mencapai nol derajat pada skala Kelvin.