Chap 1.
Short Review
Thermodinamika
Beberapa Definisi dan Pengertian
Variabel mikroskopik: variable yang menggambarkan keadaan
individual atom atau molekul penyusun sistem. Misal kecepatan
atom, posisi atom, sumbu atom diatomic dan momen dipol
magnet atom, dll.
Variable makroskopik: variable menggambakan besaran keadaan
total/keseluruhan sistem. Jadi bergantung pada keseluruhan
atom/molekul penyusun sistem. Dikenal juga sebagai variable
Thermodinamika , misal volume system, tekanan, temperature
dll
Variabel ekstensif :variable makroskopik yg menggambarkan
keadaan sistem dan nilainya bergantung pada jumlah N
atom/molekul penyusun system.
Variabel Intensif : variable makroskopik yang nilainya tidak
bergantung N
Variabel Ekstensive &
Intensive
Ekstensive Intensif
V , A, L : volume, luas, Panjang P tekanan
P polarisasi T temperature
M magnetisasi E, H : medan listrik dan magnet
U : energi dalam F : tegangan
dll Dll
Hubungan Thermodinamika dan
Mekanika Statistik
• Thermodinamika: deskripsi fenomenologis tentang sifat-sifat
fisis sistem makroskopik dalam kesetimbangan.
• Fenomenologis : mendasarkan pada pengamatan empiris
terhadap sejumlah besaran fisika, lalu dengan menggunakan
logika matematika disusun menjadi serangkaian hubungan
antara variabel-variabel (thermodinamika) yang disebut
sebagai hukum-hukum thermodinamika.
• Justifikasi hukum-hukum Thermodinamika tersebut dilakukan
oleh teori yang berdasarkan pada deskripsi mikroskopik
sistem (yang lebih fundamental) yang dikenal dengan nama
mekanika statistik.
Kesetimbangan Fungsi Keadaan• Kesetimbangan : suatu sistem dalam
kesetimbangan jika dalam selang waktu
pengamatan sifat-sifat sistem tidak banyak
berubah.
• Sistem makroskopik dalam kesetimbangan
dikarakterisasi oleh sejumlah fungsi keadaan
(state functions) atau koordinat thermodinamika
• Contoh fungsi keadaan :
• Fluida : tekanan (P) dan volume (V)
• Film tipis : tegangan permukaan (σ) dan luas
permukaan (A)
• Kawat : tegangan (T) dan panjang (L)
• Dielektrik : medan listrik (E) dan polarisasi (P)
Sistem Terbuka dan Tertutup & Hk 0
Sistem tertutup/terisolasi : dibatasi oleh dinding
adiabatik shg tidak ada interaksi dengan lingkungan.
Sistem terbuka : memungkinkan interaksi dengan
lingkungan, misal melalui dinding diatermis.
Diatermis : memungkinkan pertukaran kalor akan tetapi
tidak memperbolehkan partikel lewat.
Hukum ke-0 Thermodinamika :
Jika sistem A dan B secara terpisah dalam
kesetimbangan dengan sistem lain C, maka sistem A
dan B juga saling setimbang satu dengan yang lain.
Temperature & Energi Dalam
Hukum ke-0 berimplikasi adanya fungsi keadaan penting yaitu
Temperature (empiris). Temperatur inilah yang sama ketika
sistem dalam kesetimbangan (thermal).
Transformasi sistem dari satu keadaan setimbang ke keadaan
setimbang yang lain dimungkinkan dengan adanya usaha atau
kalor ke dalam sistem.
Dalam sistem terisolasi (adibatik) usaha yang dilakukan sistem
untuk berubah dari satu keadaan ke keadaan lain hanya
bergantung pada keadaan awal dan akhir saja, dan tidak
bergantung pada proses yang ditempuhnya. Konsekuensinya :
dapat didefinsikan fungsi keadaan lain yang disebut Energi
Dalam (U).
Hukum-1 Thermodinamika
Dalam proses adiabatik tsb Energi dalam sistem (U) terkait
dengan usaha W yang dilakukan oleh sistem:
ΔW = −Δ𝑈 = − 𝑈𝑓 − 𝑈𝑖
konvensi : jika 𝛥𝑊 < 0 berarti sistem dikenai usaha dari luar
dan sebaliknya.
Dalam transformasi non adiabatic (boleh interaksi dengan
lingkungan) maka perubahan energi dalam tak sama dengan
usaha lagi! Jumlah dari mereka didefinisikan sebagai kalor Q
yg masuk sistem:
Q = W + U (hukum ke 1 Thermodinamika)
Untuk perubahan kecil (infinitesimall) : dQ = dW + dU
Proses-Proses Thermodinamika
Ada berbagai tipe proses-proses thermodinamika
Proses kuasistatik adalah proses yang dilakukan
cukup lambat sehingga setiap saat sistem bisa
dianggap setimbang, sehingga setiap saat fungsi
keadaan (koordinate thermodinamika ) exist dapat
didefinisikan dan dapat dihitung.
Proses spontan adalah proses yang terjadi pada
suatu sistem thermodinamika yang mengakibatkan
perubahan variabel/fungsi keadaan tanpa ada
perubahan kendala eksternal terhadap sistem tsb.
Proses tsb semata krn dinamika internal sistem.
Proses-Proses Spesial Thermodinamika
Proses reversible adalah proses kuasitatik yang
mengikuti suatu lintasan di ruang thermodinamika
(dibentuk oleh variable/fungsi keadaan) yang dapat
ditelusur balik ke keadaan semula.
Lawan dari reversible adalah proses irreversible.
Proses isothermal jika temperature tidak berubah
Proses isochoric jika volume tidak berubah
Proses isobaric jika tekanan tidak berubah
Gaya Rampatan (Generalized Force) &
Perpindahan (Displacement)
Dalam proses perubahan kuasistatik maka usaha yang
dilakukan oleh sistem dapat dinyatakan dengan
perubahan yang terjadi dalam koordinat-koordinate
(variabel) thermodinamika tsb.
Fungsi keadaan {X} dapat dinyatakan sebagai satu set
perpindahan umum (generalized displacement) {x} dan
satu set gaya umum (generalized force) {J}, sehingga
usaha yang dilakukan sistem dapat dituliskan sbb:
𝑑𝑊 = −
𝑖
𝐽𝑖 𝑑𝑥𝑖
Gaya Rampatan (Generalized Force)
& Perpindahan (Displacement)
Sistem Generalized
Force
Generalized
Displacement
Fluida Tekanan -P Volume, V
Kawat Tegangan T Panjang, L
Film tipis Tegangan
permukaan, σ
Luas, A
Magnet Medan magnet H Magnetisasi M
Dielektrik Medan listrik E Polarisasi P
Reaksi Kimia Potensial kimia Jumlah partikel N
Hukum 2 Thermodinamika
Ada berbagai bentuk ungkapan hukum 2 thermodinamika yang
semuanya ekivalen. Artinya jika ungkapan yg satu benar maka
ungkapan yg lain juga benar demikian juga sebaliknya.
Versi Kelvin:
Tidak ada proses thermodinamika (siklus) yg melulu hanya
mengambil kalor dari reservoir suhu tinggi dan
mengubahnya seluruhnya menjadi usaha.
Versi Clausius:
Tidak ada proses thermodinamika spontan yang efeknya
hanya memindahkan kalor dari reservoir suhu rendah ke
reservoir suhu tinggi (tak perlu usaha dari luar).
Hukum 2 Thermodinamika
Corrolary :
Tidak ada mesin kalor yg beroperasi diantara reservoir
suhu rendah T1dan suhu tinggi T2 yang bisa lebih efisien
dari Mesin Carnot.
Untuk siklus Carnot berlaku : 𝑄1
𝑇1+
𝑄2
𝑇2= 0
Atau secara umum untuk proses reversible :
ර𝑅
𝑑𝑄
𝑇= 0
Ini menyatakan besaran dQ/T adalah fungsi keadaan!
Definisi Entropi dan
Potensial Thermodinamika
Bisa didefinisikan fungsi keadaan (baru) yang disebut entropi
(S) : 𝑑𝑆 =𝑑𝑄
𝑇
Untuk proses reversible, hukum 1 dapat dinyatakan sbb:
𝑑𝑈 = 𝑇𝑑𝑆 − 𝑑𝑊 = 𝑇𝑑𝑆 +
𝑗
𝐽𝑗𝑑𝑋𝑗
Potensial thermodinamika (analogi mekanika). Usaha oleh
gaya konservatif = perubahan (energi) potensial (tertentu).
𝑑𝑈 = 𝑇𝑑𝑆 − 𝑃𝑑𝑉 = 𝑇𝑑𝑆 +
𝑗
𝐽𝑗𝑑𝑋𝑗 +
𝑗
𝜇𝑗𝑑𝑁𝑗
Definisi Entropi dan
Potensial Thermodinamika
Usaha yang dilakukan terkait dengan perubahan potensial
(thermodinamika) tertentu. Contoh energi dalam (lihat di
sebelumnya), untuk sistem Fluida (atau gas) maka hukum
2 menjadi :
𝑑𝑈 = 𝑇𝑑𝑆 − 𝑃𝑑𝑉
Secara umum jika sistem boleh bertukar partikel dengan
lingkungan (terbuka) maka:
𝑑𝑈 = 𝑇𝑑𝑆 + σ𝑗 𝐽𝑗𝑑𝑋𝑗 + σ𝑗 𝜇𝑗𝑑𝑁𝑗
Energi Bebas (Free Energi)
Helmhotz
Beberapa contoh potensial thermodinamika : Energi Bebas
Helmhotz
Melalui transformasi Legendre, didefinisikan Energi Bebas
Helmhotz (A):
𝐴 = 𝑈 − 𝑇𝑆
A : adalah fungsi keadaan/ potensial thermodinamika,
dalam bentuk differensialnya dapat dinyatakan sbb:
𝑑𝐴 = 𝑑𝑈 − 𝑇𝑑𝑆 − 𝑆𝑑𝑇
A ini bisa disebut potensial thermodinamika juga sebab bisa
dikaitkan dengan usaha (W) untuk proses tertentu.
Energi Bebas (Free Energi)
Helmhotz
Untuk usaha di proses isothermal . Dari hukum 1,
𝑑𝑄 = 𝑑𝑈 + 𝑑𝑊 → 𝑇𝑑𝑆 = 𝑑𝑈 + 𝑑𝑊
Sehingga
𝑑𝐴 = −𝑑𝑊 − 𝑆𝑑𝑇
Dan untuk isothermal berarti:
𝑑𝐴 = −𝑑𝑊
Jadi Energi bebas Helmhotz menjadi potensial
dalam proses reversible isothermal.
Energi Bebas Gibbs
Contoh lain : Energi Bebas Gibbs, didefinisikan sbb:
𝐺 = 𝐴 + 𝑃𝑉
Sehingga: 𝑑𝐺 = 𝑑𝑄 + 𝑃𝑑𝑉 + 𝑉𝑑𝑃 = −𝑆𝑑𝑇 + 𝑉𝑑𝑃
Dapat dibuktikan bahwa Gibbs’s free energi terkait
dengan maksimum usaha yg bisa diperoleh dalam
proses isothermal dan isobaric. (𝑑𝑇 = 0, 𝑑𝑃 = 0)
Jadi G adalah sebuah potensial thermodinamika
juga.
Syarat Kesetimbangan Thermodinamika
Model : 2 sistem yang bersentuhan sehingga bisa bertukar kalor
dan volume masing-masing sistem saling terkait (bisa berubah).
Kedua sistem terisolasi.
Misal energi total sistem konstan E = E1+ E2, total volumenya juga
konstan V1+V2=V
Dalam kesetimbangan, maka total entropi sistem konstan,
sehingga:
S = S1(E1,V1)+ S2(E2,V2) dan dS =0 saat kesetimbangan:
02
2
22
2
21
1
11
1
1
2211
=
+
+
+
= dV
V
SdE
E
SdV
V
SdE
E
SdS
EVEV
01
2
2
1
11
2
2
1
1
2121
=
−
+
−
= dV
V
S
V
SdE
E
S
E
SdS
EEVV
Syarat Kesetimbangan Thermodinamika
Sehingga diperoleh syarat kesetimbangannya yaitu:
Padahal dari hukum 1: dE = dQ – dW atau dE = TdS - PdV
Jelas bahwa
Atau pada kesetimbangan :
21212
2
1
1
2
2
1
1
EEVVV
S
V
S
E
S
E
S
=
=
TE
S
V
1=
T
P
V
S
V
=
21
11
TT=
2
2
1
1
T
P
T
P=
Syarat Kesetimbangan
Thermodinamika
Jikalau volume sistem tetap dV=0, dan
sistem hanya bertukar kalor (energi) maka
syarat kesetimbangan adalah temperatur
sama.
Jikalau volume sistem boleh berubah
juga, maka syarat kesetimbangan
bertambah yaitu tekanan harus sama.
Recommended