Benda Hitam

Benda ada yang mudah menyerap radiasi, ada pula yang mudah memancarkan radiasi dan sebaliknya. Benda yang dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya dan memancarkan seluruh radiasi yang dikeluarkannya disebut sebagai benda hitam. Benda hitam dimodelkan sebagai suatu rongga dengan celah bukaan yang sangat kecil. Jika ada radiasi yang masuk ke dalam rongga melalui lubang, radiasi tersebut akan dipantulkan berulang-ulang oleh dinding dalam rongga sehingga terserap habis energinya.

Tidak ada radiasi yang terpantul memancarkan keluar lubang karena lubang sangat kecil kecil. Jadi, rongga berlubang kecil ini berkelakuan sebagai benda hitam karena dapat menyerap seluruh radiasi yang diterimanya. Demikian pula jika rongga ini memancarkan radiasi, tak ada radiasi yang kembali ke rongga. Dengan demikian, rongga juga akan memancarkan seluruh energi yang dikeluarkannya.Dalam fisika, benda hitam (bahasa Inggris black body) adalah obyek yang menyerap seluruh radiasi yang jatuh kepadanya. Tidak ada radiasi yang dapat keluar atau dipantulkannya. Namun demikian, dalam fisika klasik, secara teori benda hitam haruslah juga memancarkan seluruh panjang gelombang energi yang mungkin, karena hanya dari sinilah energi benda itu dapat diukur.Meskipun namanya benda hitam, dia tidaklah harus benar-benar hitam karena dia juga memancarkan energi. Jumlah dan jenis radiasi yang dipancarkannya bergantung pada suhu benda hitam tersebut. Benda hitam dengan suhu di bawah sekitar 700 Kelvin hampir semua energinya dipancarkan dalam bentuk gelombang inframerah, sangat sedikit dalam panjang gelombang tampak. Semakin tinggi temperatur, semakin banyak energi yang dipancarkan dalam panjang gelombang tampak dimulai dari merah, jingga, kuning dan putih.Istilah "benda hitam" pertama kali diperkenalkan oleh Gustav Robert Kirchhoff pada tahun 1862. Cahaya yang dipancarkan oleh benda hitam disebut radiasi benda hitam.Permukaan benda hitam merupakan permukaan yang memiliki sifat sebagai pemancar atau penyerap radiasi yang sangat baik. Jika suhu permukaannya tinggi dibandingkan lingkungan sekitarnya, akan bersifat memancarkan radiasi. Akan tetapi, jika suhunya rendah, akan bersifat sebagai penyerap radiasi.

Benda hitam merupakan suatu sistem yang dapat menyerap semua radiasi kalor yang mengenai benda tersebut. Tetapi sebenarnya didalam kehidupan ini tidak ada benda hitam sempurna, sepeti definisi diatas. Namun, benda hitam dapat diasumsikan sebagai lubang kecil yang terdapat pada benda yang berongga

Radiasi Benda Hitam

Panas Matahari sampai ke Bumi melalui gelombang elektromagnetik. Perpindahan kalor seperti ini disebut radiasi , yang dapat berlangsung dalam ruang hampa. Radiasi yang dipancarkan oleh sebuah benda sebagai akibat suhunya disebut radiasi panas ( thernmal radiation ).

Setiap benda secara kontinu memancarkan radiasi panas dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Bahkan, sebuah kubus es pun memancarkan radiasi panas, sebagian kecil dari radiasi panas ini ada dalam daerah cahaya tampak. Walaupun demikian, kubus es ini tidak dapat dilihat dalam ruang gelap. Serupa dengan kubus es, tubuh manusia pun memeancarkan radiasi panasdalam daerah cahaya tampak, tetapi intensitasnya tidak cukup kuat untuk dapat dilihat diruang gelap. Namun gelombang-gelombang inframerah yang dipancarkan radiasi panas tubuh dapat dideetksi dalam gelap oleh kamera elektronik.

Setiap benda memancarkan radiasi panas, tetapi umumnya benda terlihat karena benda itu memantulkan cahaya yang datanng padanya, dan bukan karena  ia memancarkan radiasi panas. Benda baru terlihat karena meradiasikan panas jika suhunya melebihi 1000 K. Pada suhu ini benda mulai berpijar merah seperti kumparan pemanas sebuah kompor listrik. Pada suhu diatas 2000 K benda berpijar kuning atau keputih-putihan, seperti besi berpijar putih atau pijar putih dari filament lampu pijar. Begita suhu benda terus ditingkatkan, intensitas relative dari spectrum cahaya yangn dipancarkanya berubah.

Secara umum, bentuk terinci dari spectrum radiasi panas yang dipancarkan oleh suatu benda panas bergantung pada komposisi benda itu. Meskipun demikian, hasil eksperimen menunjukkan bahwa ada satu kelas benda panas yang memancarkan spectra panas dengan karakter universal. Benda ini adalah benda hitam ( black body ). Benda hitam adalah suatu benda yang permukaannya sedemikian sehingga menyerap semua radiasi yang datang padanya ( tidak ada radiasi yang dipantulkan keluar dari benda hitam ). Dari pengamatan ditemukan bahwa semua benda hitam pada suhu yang sama memanv=carkan radiasi dengan spectrum yang sama.

Tidak ada benda yang hitam sempurna. Kita hanya dapat membuat benda yang mendekati benda hitam. Ketika radiasi dari cahaya Matahari memasuki lubang kotak , radiasi dipantulkan berulang-ulang oleh dinding kotak dan setelah pemantulan itu hampir dapat dikatakan tidak ada lagi radiasi yang tersisa ( semua radiasi telah diterap di dalam kotak ). Dengan kata lain, lubang telah berfungsi menyerap semua radiasi yang datang padanya. Akibatnya lubang tampak  hitam .

Kalor

Kalor (Q), merupakan salah satu bentuk energy yang dapat dipertukarkan oleh system dan lingkungan karena adanya perbedaan suhu. Untuk memudahkan pemahaman, penggunaan nilai kalor yang dipertukarkan antara sistem dan lingkungan harus konsisten dengan suatu perjanjian. menurut perjanjian Q bernilai positif apabila kalor menerima kalor dari lingkungan. Sebaliknya, Q bernilai negative apabila melepaskan kalor kelingkungan.

                 

Q = +                                                                  Q = -

Dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada 3 faktor

1.      massa zat (m)

2.      jenis zat (kalor jenis) (c)

3.      perubahan suhu (t2-t1)

Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :

Q = m.c.(t2 – t1)

Dimana :

Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)

m adalah massa benda (kg)

c adalah kalor jenis (J/kgC)

(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)

Kalor dapat dibagi menjadi 2 jenis

Kalor yang digunakan untuk menaikkan suhu

Kalor yang digunakan untuk mengubah wujud (kalor laten), persamaan yang digunakan dalam kalor laten ada dua macam Q = m.U dan Q = m.L. Dengan U adalah kalor uap (J/kg) dan L adalah kalor lebur (J/kg)

Dalam pembahasan kalor ada dua kosep yang hampir sama tetapi berbeda yaitu kapasitas kalor (H) dan kalor jenis (c)

Kapasitas kalor adalah banyaknya kalor yang diperlukan untuk menaikkan suhu benda sebesar 1 derajat celcius.

H = Q/(t2-t1)

Kalor jenis adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 kg zat sebesar 1 derajat celcius. Alat yang digunakan untuk menentukan besar kalor jenis adalah kalorimeter.

c = Q/m.(t2-t1)

Bila kedua persamaan tersebut dihubungkan maka terbentuk persamaan baru

H = m.c

Analisis grafik perubahan wujud pada es yang dipanaskan sampai menjadi uap. Dalam grafik ini dapat dilihat semua persamaan kalor digunakan.

Keterangan :

Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)

         Kapasitas kalor (C) = banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu seluruh benda sebesar satu derajat. Dengan demikian, benda yang mempunyai massa m dan kalor jenis c mempunyai kapasitas kalor sebesar:

C = mc

Keterangan :

C = kapasitas kalor

m = massa benda (Kg)

c = kalor jenis (J/Kg.K)

         Satuan kapasitas kalor benda (C)

Untuk menurunkan satuan kapasitas kalor (C), kita oprek saja persamaan kapasitas kalor (C) di atas :

Satuan Sistem Internasional untuk kapasitas kalor benda = J/K (J = Joule, K = Kelvin)

 Catatan :

Pertama, skala celcius dan skala Kelvin mempunyai interval yang sama. Karenanya selain menggunakan Co, kita juga bisa menggunakan K. Mengenai hal ini sudah gurumuda jelaskan pada pokok bahasan Termometer dan Skala suhu (bagian terakhir).

Siklus PLTU

Sebuah pembangkit listrik jika dilihat dari bahan baku untuk memproduksinya, maka Pembangkit Listrik Tenaga Uap bisa dikatakan pembangkit yang berbahan baku Air. Kenapa tidak UAP? Uap disini hanya sebagai tenaga pemutar turbin, sementara untuk menghasilkan uap dalam jumlah tertentu diperlukan air. Menariknya didalam PLTU terdapat proses yang terus menerus berlangsung dan berulang-ulang. Prosesnya antara air menjadi uap kemudian uap kembali menjadi air dan seterusnya. Proses inilah yang dimaksud dengan Siklus PLTU.

Air yang digunakan dalam siklus PLTU ini disebut Air Demin (Demineralized), yakni air yang mempunyai kadar conductivity (kemampuan untuk menghantarkan listrik) sebesar 0.2 us (mikro siemen). Sebagai perbandingan air mineral yang kita minum sehari-hari mempunyai kadar conductivity sekitar 100 – 200 us. Untuk mendapatkan air demin ini, setiap unit PLTU biasanya dilengkapi dengan Desalination Plant dan Demineralization Plant yang berfungsi untuk memproduksi air demin ini.

Secara sederhana bagaimana siklus PLTU itu bisa dilihat ketika proses memasak air. Mula-mula air ditampung dalam tempat memasak dan kemudian diberi panas dari sumbu api yang menyala dibawahnya. Akibat pembakaran menimbulkan air terus mengalami kenaikan suhu sampai pada batas titik didihnya. Karena pembakaran terus berlanjut maka air yang dimasak melampaui titik didihnya sampai timbul uap panas. Uap ini lah yang digunakan untuk memutar turbin dan generator yang nantinya akan menghasilkan energi listrik.

Secara sederhana, siklus PLTU digambarkan sebagai berikut :

Siklus PLTU

Pertama-tama air demin ini berada disebuah tempat bernama Hotwell.

Dari Hotwell, air mengalir menuju Condensate Pump untuk kemudian dipompakan menuju LP Heater (Low Pressure Heater) yang pungsinya untuk menghangatkan tahap pertama. Lokasi hotwell dan condensate pump terletak di lantai paling dasar dari pembangkit atau biasa disebut Ground Floor. Selanjutnya air mengalir masuk ke Deaerator.

Di dearator air akan mengalami proses pelepasan ion-ion mineral yang masih tersisa di air dan tidak diperlukan seperti Oksigen dan lainnya. Bisa pula dikatakan deaerator memiliki pungsi untuk menghilangkan buble/balon yang biasa terdapat pada permukaan air. Agar proses pelepasan ini berlangsung sempurna, suhu air harus memenuhi suhu yang disyaratkan. Oleh karena itulah selama perjalanan menuju Dearator, air mengalamai beberapa proses pemanasan oleh peralatan yang disebut LP Heater. Letak dearator berada di lantai atas (tetapi bukan yang paling atas). Sebagai ilustrasi di PLTU Muara Karang unit 4, dearator terletak di lantai 5  dari 7 lantai yang ada.

Dari dearator, air turun kembali ke Ground Floor. Sesampainya di Ground Floor, air langsung dipompakan oleh Boiler Feed Pump/BFP (Pompa air pengisi) menuju Boiler atau tempat “memasak” air. Bisa dibayangkan Boiler ini seperti drum, tetapi drum berukuran raksasa. Air yang dipompakan ini adalah air yang bertekanan tinggi, karena itu syarat agar uap yang dihasilkan juga bertekanan tinggi. Karena itulah konstruksi PLTU membuat dearator berada di lantai atas dan BFP berada di lantai dasar. Karena dengan meluncurnya air dari ketinggian membuat air menjadi bertekanan tinggi.

Sebelum masuk ke Boiler untuk “direbus”, lagi-lagi air mengalami beberapa proses pemanasan di HP Heater (High Pressure Heater). Setelah itu barulah air masuk boiler yang letaknya berada dilantai atas.

Didalam Boiler inilah terjadi proses memasak air untuk menghasilkan uap. Proses ini memerlukan api yang pada umumnya menggunakan batubara sebagai bahan dasar pembakaran dengan dibantu oleh udara dari FD Fan (Force Draft Fan) dan pelumas yang berasal dari Fuel Oil tank.

Bahan bakar dipompakan kedalam boiler melalui Fuel oil Pump. Bahan bakar PLTU bermacam-macam. Ada yang menggunakan minyak, minyak dan gas atau istilahnya dual firing dan batubara.

Sedangkan udara diproduksi oleh Force Draft Fan (FD Fan). FD Fan mengambil udara luar untuk membantu proses pembakaran di boiler. Dalam perjalananya menuju boiler, udara tersebut dinaikkan suhunya oleh air heater (pemanas udara) agar proses pembakaran bisa terjadi di boiler.

Kembali ke siklus air. Setelah terjadi pembakaran, air mulai berubah wujud menjadi uap. Namun uap hasil pembakaran ini belum layak untuk memutar turbin, karena masih berupa uap jenuh atau uap yang masih mengandung kadar air. Kadar air ini berbahaya bagi turbin, karena dengan putaran hingga 3000 rpm, setitik air sanggup untuk membuat sudu-sudu turbin menjadi terkikis.

Untuk menghilangkan kadar air itu, uap jenuh tersebut di keringkan di super heater sehingga uap yang dihasilkan menjadi uap kering. Uap kering ini yang digunakan untuk memutar turbin.

Ketika Turbin berhasil berputar berputar maka secara otomastis generator akan berputar, karena antara turbin dan generator berada pada satu poros. Generator inilah yang menghasilkan energi listrik.

Pada generator terdapat medan magnet raksasa. Perputaran generator menghasilkan beda potensial pada magnet tersebut. Beda potensial inilah cikal bakal energi listrik.

Energi listrik itu dikirimkan ke trafo untuk dirubah tegangannya dan kemudian disalurkan melalui saluran transmisi PLN.

Uap kering yang digunakan untuk memutar turbin akan turun kembali ke lantai dasar. Uap tersebut mengalami proses kondensasi didalam kondensor sehingga pada akhirnya berubah wujud kembali menjadi air dan masuk kedalam hotwell.

Siklus PLTU ini adalah siklus tertutup (close cycle) yang idealnya tidak memerlukan lagi air jika memang kondisinya sudah mencukupi. Tetapi kenyataannya masih diperlukan banyak air penambah setiap hari. Hal ini mengindikasikan banyak sekali kebocoran di pipa-pipa saluran air maupun uap di dalam sebuah PLTU.

Untuk menjaga siklus tetap berjalan, maka untuk menutupi kekurangan air dalam siklus akibat kebocoran, hotwell selalu ditambah air sesuai kebutuhannya dari air yang berasal dari demineralized tank.

Berikut adalah gambaran siklus PLTU secara lengkap. (Klik pada gambar untuk memperjelas).

Perubahan Keadaan

Suatu  sistem  termodinamika bila  mengalami  perubahan nilai-nilai  besaran  fisis makroskopiknya maka  dikatakan sedang  mengalami  suatu  proses.   Karena  terjadi  perubahan pada  besaran  fisis makroskopiknya maka  secara umum  sistem tidak  berada  dalam  kesetimbangan termodinamik dan besaran  keadaan  tidak  dapat didefinisikan.   Proses  semacam  ini secara  umum  tidak  akan  dapat kembali  ke  kondisi  semula,  sehingga  disebut  sebagai  proses  yang  tak  dapat balik  (proses  irre- versibel ). Tetapi  bila perubahan dilakukan  secara perlahan-lahan sekali (mikroskopik), sehingga setiap saat dapat dianggap  mendekati keadaan  kesetimbangan termodinamika, maka  besaran  termodinamika dapat didefinisikan dan kondisi sistem dapat  dikembalikan ke kondisi semula.  Proses semacam ini disebut sebagai proses dapat balik (proses  reversibel ).  Dalam  realitanya proses dapat balik tidak  pernah ada,  tetapi proses semacam  ini dapat didekati  yaitu  bila prosesnya  dilakukan  secara perlahan  dan dijaga  agar  mendekati kondisi kesetimbangan termodinamik.  Proses  terakhir ini disebut  sebagai proses agak dapat balik (proses quasi reversibel). Salah satu contoh proses reversible adalah proses perubahan fasa pada titik transisi, misalnya,

H2O(l, 1000C, 1 atm)     ⇌    H2O(g, 1000C, 1 atm)

Pada persamaan reaksi di atas , sebelah kiri persamaan reaksi air bersifat cair (l) pada 1000 C; 1 atm, berkesetimbangan air berfasa gas (g), pada suhu dan tekanan yang sama. Begitupun sebaliknya perubahan terjadi pada fase gas menjadi cair. Proses reversibel dapat berlangsung pada suhu tetap (isotermal), tekanan tetap (isobar), volume tetap (isokhor), entropi tetap (isentropi) dan secara adiabatis (tidak ada pertukaran kalor antara sistem dan lingkungannya).

Pengertian Entropi

Entropi menggambarkan kecenderungan untuk sistem untuk pergi dari keadaan organisasi yang lebih tinggi ke keadaan organisasi terendah pada tingkat molekuler. Dalam kehidupan sehari-hari Anda, Anda secara intuitif memahami bagaimana entropi bekerja setiap kali Anda menuangkan gula dalam kopi atau melelehkan es batu dalam gelas. Entropi dapat mempengaruhi ruang di mana substansi menyebar, perubahannya fase dari padat ke cair ke gas, atau posisinya. Dalam fisika, entropi adalah pengukuran secara matematis perubahan energi potensial dari lebih besar ke yang lebih rendah, berkaitan dengan hukum kedua termodinamika.

Entropi berasal dari kata Yunani yang berarti, “transformasi.” Definisi ini memberi kita wawasan tentang mengapa hal-hal yang tampaknya berubah tanpa alasan. Sistem hanya dapat mempertahankan organisasi pada tingkat molekuler asalkan energi ditambahkan. Misalnya, air akan mendidih hanya selama Anda menempatkan panci di atas api. Anda menambahkan kalor, bentuk energi kinetik, untuk mempercepat molekul di dalam air. Jika sumber panas dipindahkan, kita semua bisa menebak bahwa air secara bertahap akan mendinginkan sekitar suhu kamar. Hal ini disebabkan entropi, karena molekul air cenderung memakai akumulasi energi potensial, pelepasan panas, dan berakhir dengan energi potensial yang lebih rendah.

Temperatur bukan satu-satunya yang terlibat dalam transformasi entropi. Perubahan selalu melibatkan pergerakan dari disequilibrium ke ekuilibrium, secara konsisten dengan pindah ke urutan yang menurun. Misalnya, molekul selalu menyebar seragam untuk mengisi wadah. Ketika kita meneteskan pewarna makanan dalam kaca bening air, bahkan jika kita tidak aduk, penurunan konsentrasi bersatu secara bertahap akan menyebar sampai setiap bagian dari air memiliki kepadatan warna yang sama.

Tipe lain dari entropi yang ada hubungannya dengan gerakan yang terlihat (sebagai lawan dari gerakan tak terlihat atau panas) melibatkan gravitasi. Kecuali kita menempatkan energi ke dalam sistem, seperti lengan dan bola, dengan mengangkat sebuah objek, itu jatuh ke tanah. Posisi tinggi memiliki energi potensial yang lebih tinggi. Ini akan dikonversi menjadi energi kinetik gerak saat benda jatuh. Tujuannya selalu berakhir dengan posisi yang memungkinkan energi potensial terendah, seperti bertumpu terhadap lantai.

Dalam istilah yang lebih teknis, entropi adalah nilai tertentu yang mengukur berapa banyak energi yang dilepaskan dalam sistem ketika mengendap menjadi energi potensial terendah. Entropi menilai jumlah gangguan, dipahami sebagai perubahan dalam panas, dari titik sebelumnya ke titik kemudian dalam waktu. Ini harus terjadi dalam sistem “tertutup”, di mana tidak ada kebocoran energi dalam atau keluar. Secara teoritis, yang dapat diukur, tetapi secara praktis sangat sulit untuk membuat skenario benar-benar tertutup. Dalam contoh pewarna makanan yang diberikan di atas, beberapa larutan pewarna makanan mungkin menguap, proses yang terpisah dari distribusi seragam zat terlarut.

Keadaan Sistem dan Persamaan Keadaan

Keadaan sistem dapat di definisikan sebagai sifat-sifat yang mempunyai nilai tertentu apabila sistem ada dalam kesetimbangan pada kondisi tertentu. Keadaan sistem di tentukan oleh beberapa variabel sistem, yaitu : pertama, variabel yang nilainya tidak bergantung pada besar dan ukuran sistem.

Variabel ini biasa di kenal variabel intensif, yakni : Pertama suhu (T), tekanan (P), massa jenis (ρ), volume spesifik (v), volum molar (V), dan sebagainya. Kedua, variabel yang nilainya bergantung pada besar dan ukuran sistem, variabel ini biasa di sebut variabel ekstensif, yakni : volume total (V), massa (m), jumlah mol (n), dan sebagainya.

Hubungan antara variabel-variabel sistem di nyatakan dalam Persamaan Keadaan. Misalnya persamaan keadaan gas ideal di rumuskan sebagai berikut :

PV = nRT

Sedangkan persamaan Van Der Waals di rumuskan seperti di bawah ini :

( P + an2/ V2 )( V – nb ) = nRT

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan,ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).

Fungsi Keadaan

      Energi dalam (u:U)

Merupakan keadaan yang berarti bahwa apabila keadaan system berubah maka nilai energy  dalamnya juga berubah.

Untuk suatu system tertutup (jumlah dan macam zat tidak mengalami perubahan), besarnya energy dalam system dipengaruhi oleh suhu dan volume. Dengan ungkapan lain energy dalam sebagi fungsi sushu dan volume.

Persamaan energy dalam:

U = U (T,V).

Pergaruh perubahan kedua variable tersebut terhadap perubahan energy dalam

dU = )v dT + ( )T  dV

Menurut persamaan ini perubahan energy dalam system merupakan penjumlahan dari  perubahan energy dalam yang di sebabkan karena perubahan suhu pada velome tetap dan perubahan energy dalam yang di sebabakan karena perubahan volum pada suhu tetap. Dari persamaan tersebut jumlah total perubahan energy dalam dapat di tentukan apabila kuosien –kuosien suku pertama dan kedua dinyatakan dalam bentuk yang  dapat diukur.

Energy dalam Perubahan energi dalam: 

Keterangan:    

:  Perubahan energi dalam (Joule)

U2       :  Energi dalam pada keadaan akhir (Joule)

U1     :  Energi dalam pada keadaan awal (Joule)

Penghitungan energi dalam:

Gas monoatomik:

  

Gas diatomik:

·         Entalpi (h:H)

Entalpi sebagai salah satu properti thermodinamika, sangat berguna dalam banyak pemakaian, terutama pada persoalan-persoalan yang melibatkan proses alir yang seringkali memunculkan suku-suku U dan PV. Secara eksplisit, enthalpi didefinisikan dalam bentuk persamaan matematis seperti berikut ;

H = U + PV

keterangan : H  = enthalpi

                     P = tekanan absolut

                     V = volume

semua variabel yang ada dipersamaan  harus mempunyai satuan yang sama. Hasil kali P dengan V mempunyai satuan energi, demikian juga dengan U. Oleh karena U, P dan V adalah fungsi keadaan (state functions), bentuk differensial dari persamaan  diatas dapat ditulis sebagai :

                        dH = dU + d(PV) 

persamaan diatas ini digunakan apabila adanya suatu perubahan differensial pada suatu sistem. Integrasi persamaan diatas akan menghasilkan :

·         Entropi (s:S)

Rudolf Clausius membuat teori entropi berdasarkan sifat termodinamika. Jika total energi dihitung tidak dapat digunakan dalam beberapa proses seperti termodinamika, maka konsep entropi dapat dipakai. Kecenderungan sistem atau reaksi untuk berproses ke arah tertentu disebut entropi sistem. Dengan kata lain, entropi merupakan derajat ketidakteraturan atau keacakan suatu sistem.

Persamaan Entropi

S = k log W

Dimana Sadalah entropi adalah tetapan Boltzmann W adalah jumlah mikrostat

ΔS = ΔQT

Dimana: S adalah entropi

   Q adalah kalor

ΔS = Cln t2t1

 dU=TdS–PdV

·         Energi bebas Gibb (g:G)

Energi bebas ialah energi yang tersedia untuk melakukan kerja. Jadi, jika suatu reaksi diiringi dengan pelepasan energi yang berguna (dengan kata lain, jika ∆G negatif), kenyataan ini sendiri saja sudah menjamin bahwa reaksinya spontan, dan tak perlu mengkhawatirkan bagian lain dari semesta.

Energy bebas gibbs ditunjukan oleh symbol G dan difinisikan sebagai :

G = E  + P V-TS

    = H-TS

    = A+PV

Dan untuk perubahan kecil:

dG= dE +PdV+VdP-TdS-SdT

              dengan mengabungkan persamaan :

dG = VdP-SdT

·         Energi bebas (a:A)

Kelvin   memformulasikan   bahwa   pada   umumnya   alam   tidak memperkenankan panas dikonversikan menjadi kerja tanpa disertai oleh perubahan besaran yang lain. Kalau formulasi Kelvin ini kita bandingkan  dengan  pernyataan  Hukum  Thermodinamika  Ke-dua, maka besaran lain  yang berubah  yang  menyertai  konversi panas. menjadi kerja adalah perubahan entropi. Perubahan neto entropi, yangnselalu meningkat dalam suatu proses, merupakan energi yang tidak dapat diubah menjadi kerja, atau biasa disebut energi yang tak dapat diperoleh (unavailable energy).

Sesuai Hukum Thermodinamika Pertama, jika kita masukkan energi panas ke dalam sistem dengan maksud untuk mengekstraknya menjadi kerja maka yang bisa kita peroleh dalam bentuk kerja adalah energi yang masuk ke sistem dikurangi energi yang tak bisa diperoleh, yang terkait dengan entropi. Karena mengubah energi menjadi kerja adalah proses irreversible, sedangkan dalam proses irreversible entropi selalu meningkat, maka energi yang tak dapat diperoleh adalah TS di mana S adalah entropi dan T adalah temperatur dalam kondisi keseimbangan.

Energi   yang   bisa   diperoleh   disebut   energi   bebas   yang   yang diformulasikan oleh Helmholtz sebagai:

A = E − TS

A  disebut  Helmholtz  Free  Energy. E adalah energi internal.  Sifat A diyurunkan dari persamaan :

dA= -pdV- SdV

dan untuk perubahan kecil:                            

dA= dE = TdS – SdT

sekarang dS =  =  (Dengan menggunakan hokum termodemika I):

dE = TdS – PdV

dA= -pdV- SdT

pada temperature konstan dan volume konstan:

dA= - DW

yaitu perubahan energi bebas Helmholtz membatasi kerja total yang di peroleh. Kerja total meliputi semua jenis kerja.

Diferensial dari suatu fungsi keadaan merupakan diferensial total (diferensial eksak). Bebrapa sifat diferensial total adalah sebagai berikut:

1.       z2 – z1, dz adalah diferensial total

2.      = 0, dz adalah diferensial total

3.      Formula Euler : jika dz = M (x,y)dx + N (x,y)dy maka:

( )x = ( )y

Teori Kinetik Gas

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U).

Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai

Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ > 1).

Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.

Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku

Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan

QV =∆U

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = Qp − QV

Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV).

Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV.

QV = ∆U

Proses Isotermik

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai 

Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.

Energi Dalam

Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.

Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas. Secara matematis, perubahan energi dalam gas dinyatakan sebagai

untuk gas monoatomik

untuk gas diatomik

Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol−1 K−1, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).

Usaha Luar

Usaha luar dilakukan oleh sistem, jika kalor ditambahkan (dipanaskan) atau kalor dikurangi (didinginkan) terhadap sistem. Jika kalor diterapkan kepada gas yang menyebabkan perubahan volume gas, usaha luar akan dilakukan oleh gas tersebut. Usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V2 – V1)

Tekanan dan volume dapat diplot dalam grafik p – V. jika perubahan tekanan dan volume gas dinyatakan dalam bentuk grafik p – V, usaha yang dilakukan gas merupakan luas daerah di bawah grafik p – V. hal ini sesuai dengan operasi integral yang ekuivalen dengan luas daerah di bawah grafik.

Gas dikatakan melakukan usaha apabila volume gas bertambah besar (atau mengembang) dan V2 > V1. sebaliknya, gas dikatakan menerima usaha (atau usaha dilakukan terhadap gas) apabila volume gas mengecil atau V2 < V1 dan usaha gas bernilai negatif.

Hukum Ketiga Termodinamika

Efek magnetokalorik di pakai untuk menurunkan temperatur senyawa paramagnetik hingga sekitar 0.001 K. Secara prinsip, temperatur yang lebih rendah lagi dapat dicapai dengan menerapkan efek magnetokalorik berulang-ulang. Jadi setelah penaikan medan magnetik semula secara isoterm, penurunan medan magnetik secara adiabat dapat dipakai untuk menyiapkan sejumlah besar bahan pada temperatur Tᶠ¹, yang dapat dipakai sebagai tandon kalor untuk menaikan tandon kalor secara isoterm ynag berikutnya dari sejumlah bahan yang lebih sedikit dari bahan semula. Penurunan medan magnetik secara adiabat yang kedua dapat menghasilkan temperatur yang lebih rendah lagi, Tᶠ², dan seterusnya. Maka akan timbul pertanyaan apakah efek magnetokalorik dapat dipakai untuk mendinginkan zat hingga mencapai nol mutlak.

Pecobaan menunjukan bahwa sifat dasar semua proses pendinginan adalah bahwa semakin rendah temperatur yang dicapai, semakin sulit menurunkannya.hal yang sama berlaku juga untuk efek magnetokalorik.dengan persyaratan demikian, penurunan medan secara adiabat yang tak trhingga banyaknya diperlukan untuk mencapai temperatur nol mutlak.

Temperatur nol mutlak tidak dapat dicapai dengan sederetan prosesyang banyaknya terhingga.Ini dikenal sebagi ketercapaian temperatur nol mutlak atau ketaktercapaian hukum ketiga termodinamika. Pernyataan lain dari hukum ketiga termodinamika adalah hasil percobaan yang menuju ke perhitungan bahwa bagaimana ΔS_T  berlaku ketika T mendekati nol. ΔS_T ialah perubahan entropi sistem terkondensasi ketika berlangsung proses isoterm terbuktikan. Percobaansangat memperkuat bahwa ketika T menurun, ΔS_T  berkurang jika sistem itu zat cair atau zat padat. Jadi prinsip berikut dapat di terima.

Perubahan entropi yang berkaitan dengan proses-terbalikan-isotermis-suatu sistem-terkondensasi mendekati nol ketika temperaturnya mendekati nol. Pernyataan tersebut merupakan hukum ketiga termodinamika menurut Nernst-Simon.

Nernst menyatakan bahwa perubahan entropi yang menyertai tiap proses reversibel, isotermik dari suatu sistem terkondensasi mendekati nol. Perubahan yang dinyatakan di atas dapat berupa reaksi kimia, perubahan status fisik, atau secara umum tiap perubahan yang dalam prinsip dapat dilakukan secara reversibel.

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.  Hukum suhu 0 Kelvin (-273,15 Celcius): Teori termodinamika menyatakan bahwa panas (dan tekanan gas) terjadi karena gerakan kinetik dalam skala molekular. Jika gerakan ini dihentikan, maka suhu material tsb akan mencapai 0 derajat kelvin. Aplikasinya kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu sangat rendah, karena tidak banyak keacakan gerakan kinetik dalam skala molekular yang menggangu aliran elektron.

Hukum ketiga termodinamika terkadang dinyatakan sebagai berikut: “Entropi dari sempurna kristal di nol mutlak adalah persis sama dengan nol. Pada nol kelvin sistem harus dalam keadaan dengan kemungkinan minimal energi , dan pernyataan dari hukum ketiga berlaku jika kristal yang sempurna hanya memiliki satu keadaan energi minimum . Entropi berkaitan dengan jumlah microstates mungkin, dan dengan hanya satu microstate tersedia di nol kelvin, entropi adalah persis nol”

Hukum ketiga termodinamika dirumuskan secara tepat dengan semua titik dari ruang keadaan suhu nol mutlak secara fisik adiabatik tidak dapat diakses dari ruang keadaan dari sistem sederhana. Selain menyiratkan ketidakmampuan pencapaian nol mutlak dalam waktu yang terbatas (atau "oleh sejumlah operasi/proses terbatas"), sebagai konsekuensi, di bawah asumsi kontinuitas, bahwa semua titik dari nol mutlak adalah adiabatik setara. Hukum ketiga adalah universal berlaku untuk semua sistem makroskopik yang mematuhi hukum mekanika kuantum dan/atau teori medan kuantum.

Hal ini jelas bahwa sebagai penurunan suhu, entropi S memainkan peran yang lebih kecildan lebih kecildalam meminimalkan tersedia energi bebas A. Karenaentropimasuk keAas-TS. Namun, hukum-3 menyiratkan lebih: Theentropi S (T, p) itu sendiri cenderung nol dengan T, terlepas dari p. Ini karena hambatan potensial kecil antara keadaan-keadaan yang berbeda menjadi unsur mountable bagi tubuh ketika gerak termal menjadi semakin lemah.

Sebuah bentuk yang lebih umum dari hukum ketiga berlaku untuk sistem seperti kacamata yang mungkin memiliki lebih dari satu keadaan energi minimum: “Entropi dari suatu sistem mendekati nilai konstan karena suhu mendekati nol. Nilai konstan (tidak selalu nol) disebut entropi sisa dari sistem. Secara fisik, hukum menyiratkan bahwa tidak mungkin untuk prosedur apapun untuk membawa sistem ke nol mutlak suhu dalam jumlah terbatas langkah”.

Pernyataan Hukum Ketiga Termodinamika :

•         Suatu kristal sempurna pada temperatur nol mutlak mempunyai keteraturan sempurna, entropinya adalah nol.

•         Entropi suatu zat yang dibandingkan dengan entropinya dalam suatu bentuk kristal sempurna pada nol mutlak, disebut Entropi Mutlak

•         Makin tinggi temperatur zat, makin besar entropi mutlaknya

Dalam istilah sederhana, menyatakan hukum ketiga bahwa entropi dari kristal sempurna mendekati nol sebagai suhu mendekati nol mutlak. Undang-undang ini memberikan titik acuan mutlak untuk penentuan entropi. Entropi ditentukan relatif terhadap titik ini adalah entropi mutlak. Secara matematis, entropi mutlak sistem apapun pada suhu nol adalah log alami dari jumlah _B konstanta k tanah negara kali Boltzmann. Entropi dari suatu kisi kristal yang sempurna seperti yang didefinisikan oleh teorema Nernst ini adalah nol asalkan keadaan dasar adalah unik, karena ln (1) = 0.

Sebuah contoh dari sistem yang tidak memiliki keadaan dasar yang unik adalah salah satu yang mengandung setengah-bulat berputar , yang waktu pembalikan simetri memberikan dua merosot keadaan dasar. Untuk sistem tersebut, entropi pada suhu nol setidaknya ln (2) k _B (yang diabaikan pada skala makroskopis). Beberapa sistem kristal menunjukkan frustrasi geometris , di mana struktur kisi kristal mencegah munculnya keadaan dasar yang unik. Ground-state helium (kecuali di bawah tekanan) tetap cair.

Selain itu, gelas dan solusi yang solid mempertahankan entropi besar di 0K, karena mereka adalah koleksi besar negara hampir merosot, di mana mereka menjadi terperangkap keluar dari keseimbangan. Contoh lain yang solid dengan banyak hampir-degenerate keadaan dasar, terperangkap keluar dari keseimbangan, adalah es Ih , yang memiliki "gangguan proton".

Untuk entropi nol mutlak untuk menjadi nol, momen magnetik dari kristal sempurna memerintahkan harus diri mereka sempurna memerintahkan, memang, dari perspektif entropis, ini dapat dianggap sebagai bagian dari definisi "kristal sempurna". Hanya feromagnetik, antiferromagnetik , dan diamagnetik bahan dapat memenuhi kondisi ini. Bahan yang tetap paramagnetik pada 0K, sebaliknya, mungkin memiliki keadaan dasar banyak hampir-merosot (misalnya, dalam kaca spin ), atau dapat mempertahankan gangguan dinamis (a cairan berputar).

Hukum Dasar Termodinamika

    Hukum Dasar Termodinamika

1.      Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.

2.      Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap system.

Jika A berada dalam kesetimbangan termal dengan B dan jika B berada dalam kesetimbangan termal dengan C, maka A berada dalam kesetimbangan termal dengan C.

3.      Hukum Kedua Termodinamika

Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.

4.      Hukum Ketiga Termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

urutan keempat langkah proses yang terjadi pada siklus Carnot

Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi pada siklus Carnot yakni :

Pada langkah pertama, gas mengalami Ekspansi isotermal reversibel. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar silinder dan sejumlah beban diatas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung,Temperatur sistem tidak berubah, namun volumesistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2 , sejumlah kalor dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.

Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses Ekspansi adiabatis reversibel. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang yang keluar atau masuk kedalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan mengurangi beban yang ada diatas piston. Akibatnya,  Temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.

Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 dan mengalami proses Kompresi isotermal reversibel. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah menyentuh dasar silinder dan jumlah beban diatas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat, temperatur tetap, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4 sejumlah kalor dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem agar tidak berubah.

Pada langkah keempat, gas mengalami proses Kompresi adiabatis reversibel dan keadaannya berubah dari keadaaan 4 ke keadaan 1. Jumlah beban diatas piston bertambah. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang yang keluar atau masuk kedalam sistem, tekanan sistem meningkat, dan volumenya bekurang.

Siklus carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki

 efesiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin carnot .Proses siklus

 carnot menerima kalor Q₁ dari reservoir bersuhu tinggi T₁ dan melepas

 kalor Q₂ ke reservoir bersuhu rendah  T₂.Maka usaha yang dilakukan sistem menurut hukum 1 termodinamika adalah sebagai berikut :

                                                Q = ∆U + W

                                                Q₁- Q₂ =0 +W

                                                W =Q₁ –Q₂