Review Thermodinamika
Hubungan Thermodinamika danMekanika Statistik
• Thermodinamika: deskripsi fenomenologis tentang sifat-sifat fisis sistem makroskopik dalam kesetimbangan.
• Phenomenologis : mendasarkan pada pengamatanempiris terhadap sejumlah besaran fisika, lalu denganmenggunakan logika matematika disusun menjadiserangkaian hubungan antara variabel-variabel(thermodinamika) yang disebut sebagai hukum-hukumthermodinamika.
• Justifikasi hukum-hukum Thermodinamika tersebutdilakukan oleh teori yang berdasarkan pada deskripsimikroskopik sistem (yang lebih fundamental) yang dikenal dengan nama mekanika statistik.
Kesetimbangan an Fungsi Keadaan
• Kesetimbangan : suatu sistem dalam kesetimbangan jikadalam selang waktu pengamatan sifat-sifat sistem tidakbanyak berubah.
• Sistem makroskopik dalam kesetimbangan dikarakterisasioleh sejumlah fungsi keadaan (state functions) ataukoordinat 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 adiabatikshg tidak ada interaksi dengan lingkungan.
• Sistem terbuka : memungkinkan interaksi dengan lingkungan, misal melalui dinding diatermis.
• Diatermis : memungkinkan pertukaran kalor akan tetapi tidakmemperbolehkan partikel lewat.
• Hukum ke-0 Thermodinamika :
– Jika sistem A dan B secara terpisah dalam kesetimbangandengan sistem lain C, maka sistem A dan B juga salingsetimbang satu dengan yang lain.
Temperature & Energi Dalam
• Hukum ke-0 berimplikasi adanya fungsi keadaan penting yaituTemperature (empiris). Temperatur inilah yang sama ketikasistem dalam kesetimbangan (thermal).
• Transformasi sistem dari satu keadaan setimbang ke keadaansetimbang yang lain dimungkinkan dengan adanya usaha ataukalor ke dalam sistem.
• Dalam sistem terisolasi (adibatik) usaha yang dilakukan sistemuntuk berubah dari satu keadaan ke keadaan lain hanyabergantung pada keadaan awal dan akhir saja, dan tidakbergantung pada proses yang ditempuhnya. Konsekuensinya : dapat didefinsikan fungsi keadaan lain yang disebut EnergiDalam (U).
Hukum-1 Thermodinamika
• Dalam proses adiabatik tsb Energi dalam sistem (U) terkaitdengan usaha W yang dilakukan oleh sistem:
W = - {U(final)-U(awal)} = - U
notasi : jika W<0 berarti sistem dikenai usaha dari luar dansebaliknya.
• Dalam transformasi non adiabatic (boleh interaksi denganlingkungan) maka perubahan energi dalam tak sama denganusaha 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 lambatsehingga setiap saat sistem bisa dianggap setimbang, sehingga setiap saat fungsi keadaan (koordinatethermodinamika ) exist dapat didefinisikan dan dapatdihitung.
• Proses spontan adalah proses yang terjadi pada suatu sistemthermodinamika yang mengakibatkan perubahanvariabel/fungsi keadaan tanpa ada perubahan kendalaeksternal terhadap sistem tsb. Proses tsb semata krn dinamikainternal sistem.
Proses-Proses Spesial Thermodinamika
• Proses reversible adalah proses kuasitatik yang mengikutisuatu lintasan di ruang thermodinamika (dibentuk olehvariabel-variabel keadaan) yang dapat ditelusur balik kekeadaan 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 perubahanyang terjadi dalam koordinat-koordinate (variabel) thermodinamika tsb.
• Fungsi keadaan {X} dapat dinyatakan sebagai satu set perpindahan umum (generalized displacement) {x} dan satuset gaya umum (generalized force) {J}, sehingga usaha yang dilakukan sistem dapat dituliskan sbb:
i
iidxJdW
Gaya Rampatan (Generalized Force) & Perpindahan (Displacement)
Sistem Generalized Force
Generalized Displacement
Fluida Tekanan -P Volume, V
Kawat Tegangan T Panjang, L
Film tipis Teganganpermukaan, 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 thermodinamikayang semuanya ekivalen. Artinya jika ungkapan yg satu benarmaka ungkapan yg lain juga benar demikian juga sebaliknya.
• Versi Kelvin:
– Tidak ada proses thermodinamika (siklus) yg melulu hanyamengambil kalor dari reservoir suhu tinggi danmengubahnya seluruhnya menjadi usaha.
• Versi Clausius:
– Tidak ada proses thermodinamika spontan yang efeknyahanya memindahkan kalor dari reservoir suhu rendah kereservoir 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 efisiendari Mesin Carnot.
• Untuk siklus Carnot berlaku :
Atau secara umum untuk proses reversible :
02
2
1
1 T
Q
T
Q
01
RT
dQ
Definisi Entropi danPotensial Thermodinamika
• Bisa didefinisikan fungsi keadaan (baru) yang disebut entropi(S) :
• Untuk proses reversible, hukum 1 dapat dinyatakan sbb:
• Potensial thermodinamika (analogi mekanika). Usaha olehgaya konservatif = perubahan (energi) potensial (tertentu).
T
QddS
i
iidXJTdSWdTdSdU
PdVTdSWdTdSdU
i
ii
i
ii dNdXJTdSdU
Definisi Entropi danPotensial 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 :
• Secara umum jika sistem boleh bertukar partikel denganlingkungan (terbuka) maka:
PdVTdSWdTdSdU
i
ii
i
ii dNdXJTdSdU
Energi Bebas (Free Energi) Helmhotz
• Beberapa contoh potensial thermodinamika : Energi BebasHelmhotz
• Melalui transformasi Legendre, didefinisikan Energi BebasHelmhotz (A):
• A : adalah fungsi keadaan/ potensial thermodinamika, dalambentuk differensialnya dapat dinyatakan sbb:
• A ini bisa disebut potensial thermodinamika juga sebab bisadikaitkan dengan usaha untuk proses tertentu.
TSUA
SdTTdSdUdA
Energi Bebas (Free Energi) Helmhotz
• Untuk usaha di proses isothermal . Dari hukum 1,
• Sehingga
• Dan untuk isothermal berarti:
• Jadi Energi bebas Helmhotz menjadi potensial dalam proses reversible isothermal.
WddUQd WddUTdS
SdTWddA WddA
Energi Bebas Gibbs & SyaratKesetimbangan Thermodinamika
• Contoh lain : Energi Bebas Gibbs, didefinisikan sbb:
• Sehingga:
• Dapat dibuktikan bahwa Gibbs’s free energi terkait denganmaksimum usaha yg bisa diperoleh dalam proses isothermal dan isobaric.
• Model : 2 sistem yang bersentuhan sehingga bisa bertukarkalor dan volume masing-masing sistem saling terkait (bisaberubah). Kedua sistem terisolasi.
PVAG
VdPSdTVdPPdVdAdG
Energi Bebas Gibbs & SyaratKesetimbangan Thermodinamika
• Misal energi total sistem konstan E = E1+ E2, total volumenyajuga 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 :
• Jikalau volume sistem tetap dV=0, dan sistem hanya bertukar kalor (energi) makasyarat kesetimbangan adalah temperatur sama.
• Jikalau volume sistem boleh berubah juga, maka syarat kesetimbangan bertambahyaitu tekanan harus sama.
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
• 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 bertukarkalor (energi) maka syarat kesetimbangan adalah temperatursama.
• Jikalau volume sistem boleh berubah juga, maka syaratkesetimbangan bertambah yaitu tekanan harus sama.