1

TERMODINAMIKA

Beli Riyadi :1111090087 Mutiara Indah Sari : 11110900

Erina Septiana :1111090089 Ridwan : 11110900

Erda Sevita Sari : 11110900 Septa Handayani : 1111090078

Fitri Anggi M : 1111090094 Ulyanti Suraimah H: 1111090068

04 NOVEMBER 2013

2

ABSTRAK

Dalam dunia modern ini perkembangan pesat tidak bisa dihindari sehingga semakin menunjukkan

arah keterhubungan antara satu cabang dengan cabang lainnya dalam ilmu fisika. Hal ini terjadi juga

antara topik bahasan termodinamika dengan cabang fisika lainnya yaitu fisika statistik.

Termodinamika harus dikuasai secara baik secara totalitas apalagi dalam pengertian, tujuan, dan

macam-macam pendekatannya.

Kata kunci: Fisika _ Statistik _ Fisika Statistik _ Termodinamika _ Pendekatan Termodinamika

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Dengan melihat nama ”Fisika Statistik”, kita dapat mengamati bahwa ada dua komponen yang penting yaitu ”fisika” yang

berkaitan dengan dinamika atom atau molekul, pada khususnya dengan energi dan ”statistik” yang berhubungan dengan konsep

peluang atau probabilitas. Kita tidak mungkin bisa mengetahui dinamika atau energi satu molekul tertentu, yang kita bisa lakukan

adalah mengetahui peluang atau probabilitas suatu molekul memiliki energi tertentu. Konsep penentuan probabilitas dari energi

3

molekul-molekul yang mendasari fisika statistik. Setelah mengetahui probabilitasnya, nilai rata-rata sistem merupakan nilai variabel-

variabel termodinamika. Aliran konsep penting dalam fisika statistik ditunjukkan pada Gambar 1.1

Hubungan antara sifat-sifat termodinamika suatu sistem akan dijelaskan dan diinterpretasikan oleh fisika statistik yang

menyediakan teori atom atau molekul. Dengan kata lain, persamaan-persamaan termodinamika bisa diturunkan dari fisika statistik

dengan mempertimbangkan dinamika mikroskopik.

Oleh sebab itu, berdasarkan pemaparan diatas sebelum memasuki dunia fisika statistik maka harus dikuasai terlebih dahulu tentang

termodinamika sehingga kami tertarik untuk membuat jurnal termodinamika ini.

B. Rumusan Masalah

Apa pengertian Termodinamika?

FISIKA STATISTIK

Dinamika atauMekanika

Energi PROBABILITAS atauPeluang

Nilai RATA-RATA Sifat

Termodinamika

4

Apa tujuan Termodinamika?

Apa macam-macam pendekatan termodinamika serta komponen-komponennya?

C. Metode

Metode yang kami gunakan adalah metode Studi Kepustakaan, Studi Kepustakaan yaitu mengadakan penelitian dengan cara

mempelajari dan membaca literatur-literatur yang ada hubungannya dengan permasalahan yang menjadi obyek penelitian.

Adapun buku yang digunakan dalam metode studi pustaka adalah:

Termodinamika Tehnik edisi 4 oleh J michael Moran

Fisika Universitas edisi 10 oleh Hugh D Young dan Rogert A Frieedman

Konsep-konsep Inti jilid 2 edisi 3 oleh Raimond Chang

Prinsip-prinsip Kimia Modern oleh David W Oxtobi, H P Gails

PEMBAHASAN

A. Pengertian Termodinamika

Termodinamika adalah satu cabang fisika teoritik yang

berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas,dan

perubahan dari panas menjadi bentuk-bentuk energi yang

lain.Istilah ini diturunkan dari bahasa yunani Therme (panas)

dan dynamis (gaya).Cabang ilmu ini berdasarkan pada dua

prinsip dasar yang aslinya diturunkan dari eksperimen,tapi

kinidianggapsebagaiaksiom.

Prinsip pertama adalah hukum kekekalan energi,yang

mengambil bentuk hukum kesetaraan panas dan kerja.Prinsip

yang kedua menyatakan bahwa panas itu sendiri tidak

dapat mengalir dari benda yang lebih dingin ke benda yang

lebih panas tanpa adanya perubahan dikedua benda tersebut.

5

B. Tujuan termodinamika

Tujuan termodinamika adalah mencari hubungan umum

antara koordinat termodinamik yang taat asas dengan hukum

pokok termodinamika.

Secara umum Termodinamika dapat dimanfaatkan untuk:

1. Menjelaskan kerja beberapa sistem termodinamis.

2. Menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis tidak

bekerja sesuai dengan yang diharapkan.

3. Menjelaskan mengapa suatu sistem termodinamis sama

sekali tidak mungkin dapat bekerja.

4. Landasan teoritis para Insinyur perencana dalam

mendisain suatu sistem termodinamis; misalnya: motor

bakar, pompa termal, motor roket, pusat pembangkit

tenaga listrik, turbin gas, mesin pendingin, kabel

transmisi superkonduktor, LASER daya tinggi, dan

mesin pemanas surya.

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada faham

mengenai:

1. Ketetapan energi.

2. Ketetapan entropi, dalam arti, proses yang

menghasilkan entropi mungkin dapat terjadi, namun

proses yang menghapuskan entropi mustahil terjadi.

3. Entropi yang dapat digunakan untuk menentukan

jumlah daya berguna maksimum yang dapat diperoleh

dari berbagai sumber energi untuk melakukan.

Cabang-cabang Termodinamika

a) Termodinamika Klassik:

Pandangan transfer energi dan kerja dalam sistem

makroskopis, tanpa, memperhatikan interaksi dan gaya

antar individual partikel (mikroskopik).

b) Termodinamika Statistik

Melihat prilaku secara mikroskopik, menjelaskan

hubungan energi berdasarkan sifat-sifat statistik dari

sejumlah besar atom/molekul dan bergantung pada

implikasi Mekanika Kuantum.

6

c) Termodinamika Kimia

Fokus pada transfer energi dalam reaksi Kimia dan kerja

pada sistem Kimia.

d) Termodinamika Teknik

Pemanfaatan Termodinamika pada beberapa mesin pan

dan proses- proses yang menyangkut transfer energi.

Stasiun tenaga nuklir, sistem pemercepat roket. Pada

kenyataannya, sains Termodinamika mulai berkembang

pada awal abad ke-19 untuk memperbaiki efisiensi mesin

uap.

Pendekatan Termodinamika

a. Makroskopik

b. Mikroskopik

c. Statistik

a. Makroskopik

Uraian suatu sistem dengan menggunakan beberapa sifat yang

dapat diukur sebagai koordinat makroskopik misalnya:

Komposisi

Volume sistem

Tekanan gas

Temperatur

Ciri Khas Koordinat Makroskopik

Koordinat ini tidak menyangkut pengandaian khusus

mengenai struktur materi.

Jumlah koordinatnya sedikit

Koordinat ini dipilih melalui daya terima indera kita

scara langsung.

Pada umumnya koordinat ini dapat diukur secara

langsung .Pendekatan ini digunakan dalam

termodinamika klasik.

b. Mikroskopik

Untuk menentukan kedudukan satu molekul gas misalnya

dalam 3 koordinat, demikian pula kecepatannya.

Ciri khas mikroskopik yaitu:

Terdapat pengandaian secara struktur materi, yaitu

molekul dianggap ada.

Banyak kuantitas yang harus diperinci

Kuantitas yang diperinci tidak berdasarkan penerimaan

indera kita

Kuantitas ini tidak bisa diukur.

Kedua pandangan di atas terdapat hubungan, walaupun

sepintas kelihatan sangat berbeda.

7

contoh : kuantitas mikroskopik tekanan adalah perubahan

momentum rata-rata yang ditimbulkan oleh tumbukan

molekular pada bidang yang luasnya satu satuan.

Tekanan dirasakan oleh indera kita, dialami, diukur dan dipakal

lama sebelum fisikawan mempunyai alasan untuk percaya

adanya dampak molekular. Jika teori molekular diubah konsep

tekanan tetap bertahan dan akan tetap berarti sama untuk setiap

orang yang normal (teori) .

c. Statistik

Didasarkan pada statistika dan teori probabilitas, misal

mencari rata-rata semua molekul, kecepatannya. Digunakan

pada :

Teori kinetik gas

Mekanika statistik dan

Termodinamika statistik

Koordinat mekanis

Sebagai contohnya yaitu Benda tegar

Pandangan makroskopik bahwa hanya aspek eksternal dan

benda tegar yang perlu ditinjau. Kedudukan pusat massa

diperinci terhadap sumbu koordinat pada waktu tertentu.

Kedudukan dan waktu serta kombinasi keduanya, misalnya

kecepatan, membentuk beberapa kuantitas makroskopik yang

dipakai dalam mekanika dan disebut koordinat mekanis.

Koordinat mekanis dipakal untuk menentukan energi potensial

dan kinetik benda-tegar terhadap sumbu koordinat, yaitu

energm kinetik dan potensial benda secara keseluruhan.

Kedua jenis energi ini merupakan energi eksternal atau energi

mekanis benda tegar. Tujuan mekanika adalah menentukan

hubungan antara koordinat kedudukan dan waktu, yang taat

asas dengan hukum gerak Newton.

Koordinat Termodinamika

Dalam termodinamika, perhatian ditujukan pada bagian

dalam suatu sistem. Pandangan makroskopik digunakan dan

tekanan diletakkan pada kuantitas makroskopik yang berkaitan

dengan keadaan internal sistem disebut koordinat

termodinamik. Koordinat seperti ini menentukan energi

internal suatu sistem.

Sistem, Proses, Siklus Termodinamika

Dalam sistem ada beberapa komponen sistem yaitu

8

1. Sistem Bagian yang dipisahkan (dalam pikiran) yang

merupakan pusat perhatian.

Contoh : Es terapung di atas air maka es disebut sistem.

2. Lingkungan segala sesuatu di luar sistem yang

mempengaruhi kelakuan sistem secara langsung.

Dalam thermodinamika ada dua jenis sistem, yaitu

sistem tertutup dan sistem terbuka. Dalam sistem tertutup masa

dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada masa keluar dari

sistem atau masuk ke dalam sistem, tetapi volumenya bisa

berubah.

Yang dapat keluar masuk sistem tertutup adalah energi

dalam bentuk panas atau kerja. Contoh sistem tertutup adalah

suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara

didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi

panas masuk ke dalam masa udara di dalam balon.

Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar

sistem atau masuk kedalam sistem melewati batas sistem.

Sebagian besar mesin-mesin konversi energi adalah sistem

terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam

silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara

masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui

knalpot.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut

property dari sistem, seperti tekanan, temperatur, volume ,

masa, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain itu ada

juga property yang didefinisikan dari property yang lainnya

seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain.

Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut

sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).

Proses

Perubahan sistem thermodinamika dari keadaan

seimbang satu menjadi keadaan seimbang lain disebut proses.

Proses thermidinamika biasanya digambarkan dalam sistem

koordinat dua.

Siklus

Siklus apabila sistem tersebut menjalani rangkaian

beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke

keadaan awalnya.

Keseimbangan Termodinamika

Terpenuhi apabila terjadi tiga keseimbangan sekaligus:

VV

TTAA

TTBB

1122

3344

TT

9

a. Keseimbangan Termal : setelah semua suhu sama pada

setiap titik.

b. Keseimbangan Mekanik : setelah tidak ada lagi

gerakan, ekspansi atau kontraksi

c. Keseimbangan Kimia : setelah semua reaksi kimia

berlangsung

Besaran ekstensif dan intensif

Besaran sistem termodinamika ada dua yaitu: Besaran

ekstensif, besaran sistem yang dipengaruhi oleh massa atau

mole sistem. misal : volume, kapasitas panas, energi, entropi

Besaran intensif, besaran sistem yang tidak dipengaruhi oleh

massa atau mole sistem. Misal : Tekanan, temperatur,

kerapatan Besaran ekstensif bila dibagi dengan massa atau

jumlah mol sistem besaran intensif disebut nilai jenis.

Misal volume jenis (v), v = V/m

Volume jenis molar (v*), v* = V/n

n=jumlah mol sistem (kg-mol)

Lambang Huruf besar berarti besaran ekstensif kecuali

suhu/temperatur.

Tekanan

Gaya tegak lurus pada permukaan zat dibagi luas

permukaannya atau gaya tekan suatu fluida (cair atau gas) pada

satu satuan unit luas area. Tekanan di dalam medium kontinu

disebut tekanan hidrostatik. Tekanan memiliki satuan bar =105

Pa = 106 dyne/cm2 = 1 atm

1 Torr = 1 mmHg = 133,3 N m-2

Temperatur/T

Pengertian awam: temperatur merupakan sensasi indra

kita terhadap panas-dinginnya (hotness and coldness) suatu

benda. Secara saintifik pengukuran besaran ini harus dapat

dikuantifikasi (berupa angka numerik), bukan hanya direka

dengan perasaan. Perlu alat ukur berupa termometer.

Energi dalam termodinamika Energi per-satuan masa. Energi

makroskopik adalah keberadaan energi ditandai dari posisinya

terhadap lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang

ditentukan. Contoh energi kinetik dan energi potensial. Energi

mikroskopik. Ditentukan oleh struktur internal dari zat

pembawa energi sendiri dan tidak tergantung kepada

lingkungannnya, yaitu struktur dan gerakan molekul zat

tersebut. Energi mikroskopik ini disebut sebagai energi

internal. Energi laten adalah energi yang merubah jarak dan

10

gaya tarik antar molekul, sehingga masa berubah fase antara

fase padat atau cair menjadi gas .

MATEMATIKA TERMODINAMIKA

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada delapan

besaran termodinamis atau koordinat sistem yang terangkum

dalam kalimat:

“Good Physicists Have Study Under Very Fine Teachers”.

1. Good dengan huruf awal G, adalah lambang dari energi

bebas Gibbs.

2. Physicists dengan huruf awal p, adalah lambang dari

tekanan.

3. Have dengan huruf awal H, adalah lambang dari entalpi

sistem.

4. Study dengan huruf awal S, adalah lambang dari entropi

sistem.

5. Under dengan huruf awal U, adalah lambang dari

energi-dalam sistem.

6. Very dengan huruf awal V, adalah lambang volume

sistem.

7. Fine dengan huruf awal F, adalah lambang dari energi

bebas Helmholtz.

8. Teachers dengan huruf awal T, adalah lambang dari

temperatur sistem.

Delapan koordinat sistem ini merupakan besaran-

besaran makroskopis yang melukiskan keadaan kesetimbangan

sistem. Oleh karena itu, koordinat sistem sering disebut sebagai

variabel keadaan sistem.

Contoh: Suatu sistem termodinamis terdiri atas N

partikel gas. Dalam Termodinamika besaran makroskopis yang

menggambarkan sistem ini adalah tekanan gas (p), volume gas

(V), dan temperatur gas (T). Ketiga besaran ini dapat diamati

dan diukur secara langsung. Misalnya, tekanan gas diukur

dengan menggunakan barometer atau manometer. Volume gas

diukur dengan menggunakan piknometer, dan temperatur gas

dapat diukur dengan termometer.

Eksperimen menunjukkan, bahwa tekanan gas (p),

volume gas (V), dan temperatur gas (T) mempunyai kaitan

tertentu. Artinya, gas dapat diberi harga volume tertentu.

Misalnya 2 liter, kemudian gas dipanaskan sampai temperatur

tertentu, misalnya 75oC, ternyata tekanan gas sudah

mempunyai harga yang pasti. Secara matematis, antara p, V,

dan T mempunyai hubungan fungsional: f (p, V, T) = 0.

11

Dari hubungan empiris ini dapat dibuat ramalan-

ramalan tertentu. Misalnya mengenai: koefisien muai

gas,kapasitas kalor gas, energi-dalam gas, dan koordinat sistem

lainnya. Variabel keadaan gas dapat dilukiskan dalam bentuk:

Implisit, f (p, V, T) = 0 menyatakan bahwa :

1. Variabel p, V, dan T ada hubungan tertentu. Oleh

karena itu, hanya dua variabel di antara ketiga variabel

bersifat bebas, sedangkan variabel yang ketiga

merupakan variabel tak bebas atau terikat

2. eksplisit,

a) p = p (V, T) menyatakan bahwa: variabel V dan T

merupakan variabel bebas dan variabel p merupakan

variabel terikat,

b) V = V (p, T)

c) T = T (p, V)

Perhatikan fungsi x = x (y, z).

Andaikan fungsi ini benar-benar ada, artinya “x is an existing

function of y and z”,

Maka nilai x dapat berubah karena y berubah tetapi z tidak,

atau z berubah tetapi y tidak, atau y dan z keduanya berubah.

Contoh :

Perubahan-perubahan ini secara matematis dapat

dinyatakan dalam bentuk diferensial total, diferensial parsial,

diferensial eksak. Diferensial total, diferensial parsial,

diferensial eksak. Diferensial total dari x adalah dx yang

nilainya sama dengan perubahan x karena y berubah ditambah

dengan perubahan x karena z berubah.

Secara matematis dapat dinyatakan:

dy disebut sebagai perubahan y dan dz disebut sebagai

perubahan z.

merupakan perubahan x karena y berubah,

sedangkan z tidak berubah.

02 zyx

dzzxdy

yxdx

yz

dzzxdy

yxdx

yz

dyyx

z

12

perubahan x karena z berubah, sedangkan y tidak berubah

dinamai diferensial parsial x ke y dengan z tetap yang

biasa ditulis sebagai M (yz) :

Dinamai diferensial parsial x ke z dengan y tetap yang biasa

ditulis sebagai N (yz) :

dy disebut sebagai perubahan y dan dz disebut sebagai

perubahan z.

Diferensial eksak

Jika fungsi x = x (y, z) merupakan fungsi yang benar-benar ada

dan dapat didiferensialkan dengan baik (differensiable), maka

urutan pendiferensialan (diferensiasi) tidak menjadi masalah.

Artinya,

jika maka

karena maka

hubungan ini dikenal sebagai syarat Euler. Diferensial total

suatu fungsi yang nyata ada yang memenuhi syarat euler

dinamakan diferensial eksak.

Jika fungsi x = x (y, z),

Fungsi ini dapat dilihat sebagai fungsi y = y (x, z)

Jika dy disubstitusikan ke dx di atas diperoleh:

dzzx

y

zyx

yzzy

x M

yzyz

x N

yzyz

x N

yzzy

x M

zy yz

NM

zyyz zx

yyx

z ,,

zyyz yzx

zyx

,

2

,

2

dzzxdy

yxdx

yz

dzzydx

xydy

xz

13

atau

Jika fungsi x = x (y, z)=0 maka:

Dalil rantai atau aturan rantai atau “chine rule”.

Variable bebas X dan Z berarti boleh diberi

nilai berapapun. Jika dz = 0 dan dx ≠ 0 maka ruas kanan

menjadi 0 maka:dz

zxdz

zydx

xy

yxdx

yyzz

dzzxdz

xy

yxdx

xy

yxdx

yzzzz

0

yzz zx

xy

yx1

zz xy

yx

1

yxz xz

zy

yx

01

dxxy

yx

zz

dxxy

yx

zz

01

zz xy

yx

1z

z

yx

xy

1dz

zxdz

xy

yxdx

xy

yxdx

yzzzz

dzzxdz

xy

yxdx

xy

yxdx

yzzzz

dzzx

xy

yxdx

xy

yx

yzzzz

1

01

dxxy

yx

zz

dzzx

xy

yx

yzz

0

dzzx

xy

yx

yzz

0dzz

xxy

yx

yzz

0

0

yzz zx

xy

yx

0

yzz zx

xy

yx

14

Penutup

A. Kesimpulan

Dari uraian diatas maka dapat disimpulkan bahwa,

Termodinamika adalah satu cabang fisika teoritik yang berkaitan dengan hukum-hukum pergerakan panas,dan perubahan dari

panas menjadi bentuk-bentuk energi yang lain.

Tujuan termodinamika adalah mencari hubungan umum antara koordinat termodinamik yang taat asas dengan hukum pokok

termodinamika.

Termodinamika memusatkan perhatiannya pada faham mengenai:

1. ketetapan energi.

2. ketetapan entropi

3. entropi yang dapat digunakan untukmenentukan jumlah daya berguna maksimum yang dapat diperoleh dari berbagai

sumber energi untuk melakukan kerja.

Cabang-cabang Termodinamika ada 4 yaitu:

1. Termodinamika Klassik

2. Termodinamika Statistik

3. Termodinamika Kimia

4. Termodinamika Teknik

15

Pendekatan Termodinamika terdiri dari 3 macam yaitu:

a. Makroskopik

b. Mikroskopik

c. Statistik

Keseimbangan Termodinamika terpenuhi apabila terjadi tiga keseimbangan sekaligus yaitu:

1. Keseimbangan Termal yaitu: setelah semua suhu sama pada setiap titik.

2. Keseimbangan Mekanik yaitu: setelah tidak ada lagi gerakan, ekspansi atau kontraksi

3. Keseimbangan Kimia yaitu setelah semua reaksi kimia berlangsung.

Besaran sistem termodinamika ada dua yaitu

1. Besaran ekstensif

2. Besaran intensif

B. Saran

Berdasarkan apa yang kami bahas maka kami menyarankan agar pembaca tertarik selanjutnya membahas secara spesifik

bagaimana hubungan antara thermodinamika dengan fisika statistik.

DAFTAR PUSTAKA

David W Oxtobi, H P Gails, 2001, Prinsip-Prinsip Kimia Modern, Jakarta: Erlangga

Hugh D Young & Roger A Freediman, 2000, Fisika Universitas Edisi Kesepuluh, Jakarta; Erlangga

Moran Michael J,2004, Termodinamika Teknik (Edisi Ke 4), Jakarta: Erlangga

Raimond Chang, 2005, Konsep-Konsep Inti Jilid 2 (Edisi Ketiga), Jakarta:Erlangga