Advertisement

Cabang fisika yang mempelajari energi dan pengubahan energi dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Dua bentuk utama energi adalah kalor dan kerja mekanis. Bentuk-bentuk lain adalah energi kimiawi yang tersimpan di dalam ikatan kimia, energi listrik (elektrostatik, elektrodinamik, elektromagnetik, maupun elektrokimiawi), energi magnet, dan massa. Penerapan termodinamika ke rekayasa berkisar pada peningkatan efisiensi dan penghematan, misalnya dalam hal mesin kalor, motor akar, tungku, pendinginan, dan pabrik-pabrik kimia. Penerapan di dalam kimia, biokimia, dan biologi berkisar pada masalah sertamerta (spontan) tidaknya suatu proses.

Termodinamika memandang alam semesta sebagai terdiri atas sistem dan sekitar. Pembahasan sistem kadang harus mengaitkan apa yang terjadi pada sekitar. Beberapa fungsi termodinamika yang penting adalah energi-dalam U, entalpi //, entropi S, energi bebas Gibbs G dan energi bebas Helmholtz A. Di samping itu dikenal variabel keadaan, yaitu suhu T, tekanan p dan volume V serta komposisi sistem. Entropi merupakan suatu besaran sistem yang mencerminkan sejauh mana sistem itu kacau balau. Pada suhu dan tekanan yang sama, satu gram air mempunyai entropi yang lebih rendah daripada satu gram uap, karena dalam keadaan uap H20 mempunyai ke- kacaubalauan yang lebih besar. Entalpi adalah energi- dalam plus pV. Energi bebajf Gibbs G mempunyai rumus G = H – TS- Pada umtimnya proses berjalan pada tekanan konstan dan dapat diusahakan agar suhu juga konstan. Dalam kondisi ini suatu proses akan berjalan sertamerta (tanpa perlu didorong) apabila diiringi dengan berkurangnya energi bebas Gibbs G. Pernyataan yang” setara adalah bahwa proses dalam suatu sistem akan spontan apabila entropi sistem plus sekitar naik. Apa yang diuraikan di atas hanyalah sekelumit dari banyak kesimpulan yang dapat dibuktikan berdasarkan hukum-hukum termodinamika.

Advertisement

Hukum Pertama sering dirumuskan sebagai energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, namun dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Sebelum sampai ke perumusan ini para pakar berusaha keras untuk menunjukkan bahwa bentuk-bentuk energi (kecuali kalor) adalah setara. Kemudian para pakar bersusah payah untuk membuktikan bahwa kalor pun setara dengan bentuk energi yang lain. Akhirnya massa diikutsertakan oleh teori relativitas Einstein (E = mc2).

Hukum Kedua pada hakikatnya merupakan koreksi terhadap hukum pertama. Meskipun kalor setara dengan bentuk energi yang lain, namun derajatnya lebih rendah. Artinya tidak dapat 100 persen kalor diubah menjadi bentuk energi mekanis, tanpa adanya imbalan.. Sedangkan sebaliknya selalu benar. Biasanya sebagian dari kalor Q diubah menjadi kerja W dan sisanya sebesar Q-W harus dibuang ke waduk kalor yang suhunya lebih rendah. Nilai maksimum WIQ adalah (Ti – T2)/TI (rumus Carnot), dengan 7, suhu waduk kalor bersuhu-tinggi dan 7 suhu waduk kalor bersu- hu-rendah, misalnya suhu silinder motor bakar-dalam dan suhu knalpotnya.

Hukum pertama dan hukum kedua dapat dirumuskan secara matematis sebagai berikut: meskipun kalor Q dan kerja W yang dipertukarkan antara sistem dan sekitarnya itu bergantung pada jalan proses, namun selisihnya Q – W tidak bergantung pada jalan, melainkan hanya pada keadaan awal dan keadaan akhir (hukum I); demikian pula Qrev/T tidak bergantung pada jalan (hukum II). Qrew adalah kalor yang dipertukarkan dalam sebarang proses asal proses itu reversibel.

Hukum Lain. Termodinamika masih mengenal dua hukum lagi. Hukum ketiga mengatakan bahwa zat murni dan berkristal sempurna pada 0 K mempunyai entropi samadengan nol. Hukum ketiga ini merupakan perumusan yang lebih keras dibandingkan dengan suatu dalil (disebut dalil kalor dari Nernst) yang mengatakan bahwa reaksi-reaksi kimia pada 0 K antara zat-zat murni dan berkristal sempurna tidak mengubah entropi.

Bila sistem A dan sistem B berada dalam kesetim-bangan termal, demikian pula sistem A dengan sistem C, maka sistem B dan sistem C juga berada dalam kesetimbangan termal. Ungkapan ini sering disebut hukum termodinamika yang kenol.

Termodinamika Statistik berusaha membuat jembatan antara termodinamika klasik dan teori-teori molekul yang terinci. Di dalam termodinamika statistik orang menjumpai penerapan teori-teori mekanika statistik ke dalam penyelesaian termodinamika. Subbidang ini menggunakan banyak metode matematika, namun informasinya selalu dikemukakan dalam bentak besaran-besaran yang dapat diamati di dalam eksperimen. Termodinamika statistik memberikan pengertian yang lebih mendalam mengenai hukum- hukum termodinamika dan hubungan antara hukum- hukum ini. Tiga pakar yang banyak berjasa dalam mengembangkan cabang termodinamika ini adalah Maxwell, Ludwig Boltzmann (fisikawan Austria) dan Josiah Willard Gibbs (pakar fisika matematis Amerika).

Termodinamika Takreversibel juga dikenal sebagai termodinamika non-kesetimbangan. Kedua istilah ini sama-sama ada benarnya, karena cabang termodinamika ini mempelajari sistem yang belum mencapai kesetimbangan, misalnya karena suhu, tekanan dan rapatan massa bagian-bagiannya belum sama. Gaya (mekanis maupun kimiawi) yang bekerja dalam sistem ini belum berimbang sehingga mendorong terjadinya proses-proses yang tak dapat balik. Di sini orang mengandaikan bahwa sistem berada tidak jauh dari keadaan kesetimbangan dan bahwa hukum-hukum termodinamika dapat diterapkan secara lokal dalam bagian-bagian dari sistem itu. Lars Onsager mendapatkan Hadiah Nobel 1968 untuk ilmu kimia karena mengembangkan cabang termodinamika ini.

Termodinamika Kimia merupakan penerapan ter-modinamika dalam problem kimia. Dalam cabang ini suatu besaran yang memegang peranan sentral adalah potensial kimia tiap komponen suatu sistem. Potensial kimia adalah turunan energi bebas Gibbs terhadap kuantitas tiap komponen, dengan diferensiasi dilakukan pada p, T dan n yang lain konstan. Potensial kimia sering juga disebut kecenderungan lolos komponen itu.

Advertisement