Apa Itu Termodinamika dalam Fisika & Bunyi Hukum Termodinamika?

tirto.id - Termodinamika adalah salah satu cabang ilmu fisika yang membahas hukum dasar dan konversi (perubahan) energi termal (panas atau kalor) menjadi dinamika (kerja/gerakan).

Asal kata termodinamika dari bahasa Yunani, yakni "thermos," dan "dynamic." Kata Thermos bisa dimaknai sebagai segala yang berhubungan dengan panas atau kalor. Sementara itu, dynamic bisa diartikan sebagai dinamis, kerja atau pergerakan.

Dalam ilmu fisika, bidang termodinamika terfokus pada kajian tentang hubungan antara thermal (panas/kalor) dengan dinamika (kerja) dan energi.

Saat mempelajari termodinamika, perlu diingat bahwa benda yang diperhatikan atau objek yang diteliti disebut sistem. Semua hal yang ada di sekitar sistem itu disebut lingkungan. Dalam rumus termodinamika, lambang yang paling utama ialah Q (kalor) dan W (Kerja).

Contoh termodinamika dalam kehidupan sehari-hari bisa terlihat pada proses pembuatan popcorn. Untuk membuat popcorn, jagung dimasukkan ke dalam panci tertutup lalu dipanaskan di atas api.

Kalor dari api akan berpindah ke udara di panci tertutup. Perpindahan kalor itu membuat jagung di dalamnya meletup, dan bahkan bisa mendorong penutup panci terpelanting.

Dalam contoh termodinamika di atas, jagung merupakan objek (sistem), panci disebut pembatas dengan lingkungan luar sehingga kalor tidak keluar, serta udara dan nyala api sebagai lingkungan.

Ketika biji jagung (sistem) mengalami perubahan suhu, volume dan tekanannya akan berubah. Hal ini membuat biji-biji jagung dapat meletup.

Meletupnya biji jagung menjadi popcorn adalah contoh perubahan keadaan "sistem" akibat adanya perubahan energi antara sistem dan lingkungan yang melibatkan Kalor (Q) dan Kerja (W). Proses inilah yang disebut termodinamika.

Bunyi Hukum Termodinamika 1 dan 2

Hukum termodinamika pertama dan kedua dirumuskan pada abad 19. Pada era itu, ilmuwan mulai menemukan mesin uap dan mencari cara untuk melakukan peningkatan efisiensinya. Bunyi hukum termodinamika 1 dan hukum termodinamika 2 beserta penjelasannya adalah sebagai berikut.

A. Bunyi Hukum Termodinamika 1

Hukum termodinamika 1 selaras dengan hukum kekekalan energi: "Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya bisa berubah dari bentuk satu ke bentuk lainnya."

Mengutip dari Modul Fisika (2020) terbitan Kemdikbud, bunyi hukum termodinamika 1 adalah:

"Panas yang ditambahkan pada suatu sistem sama dengan perubahan energi internal sistem ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem."

Berdasarkan hukum termodinamika 1 ini, di setiap proses saat kalor (Q) diberikan pada sistem dan sistem melakukan usaha (W), akan terjadi perubahan energi dalam ΔU (baca: delta U).

Rumusnya adalah: Δ U=Q-W atau Q= DU+W. Satuannya adalah Joule.

B. Bunyi Hukum Termodinamika 2

Rumusan bunyi hukum kedua termodinamika ini mengacu pada formulasi dari beberapa ahli fisika. Merujuk pada laman Sumber Belajar Kemdikbud, hukum termodinamika 2 lebih banyak membahas tentang cara membatasi perubahan energi yang bisa terjadi, serta yang tidak bisa dibatasi.

1. Bunyi Hukum Termodinamika 2 menurut Kelvin-Planck adalah:

“Tidak mungkin membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus, yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu, seluruhnya menjadi usaha mekanik."

Singkatnya, menurut Kelvin-Planck, Q atau kalor tidak mungkin diubah seluruhnya menjadi usaha.

2. Bunyi Hukum Termodinamika 2 menurut Clausius:

"Tidak mungkin membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin kepada benda panas."

Menurut Clausius, mustahil membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari reservoir suhu rendah dan memberikan pada reservoir suhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar.

3. Bunyi Hukum Termodinamika 2 menurut aliran kalor:

Menurut beberapa ahli yang menganut aliran kalor, bahwa: "Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah namun tidak berlaku sebaliknya."

4. Bunyi Hukum Termodinamika 2 dalam konsep entropi:

Menurut beberapa ahli yang cenderung pada pendapat ini: "Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses irreversibel terjadi."