BAB I

PENDAHULUAN

A. LATAR BELAKANG

Termodinamika adalah ilmu pengetahuan yang mempelajari transformasi dari

pelbagai bentuk energi, pembatasan-pembatasan dalam transformasi ini serta penggunaannya.

Termodinamika didasarkan atas dua postulat pokok yang dikenal sebagai hukum pertama dan

hukum kedua. Hukum pertama menyangkut masalah pertukaran energi, sedangkan hukum

kedua membahas arah dari pertukaran

1. Sistem dan Lingkungan

Sistem adalah sejumlah zat atau campuran zat-zat yang dipelajari sifat-sifat dan

perilakunya. Segala sesuatu di luar sistem disebut lingkungan. Suatu sistem terpisah dari

lingkungannya dengan batas-batas tertentu yang dapat nyata atau tidak nyata. Sebagai

contoh, bila dalam botol yang tertutup terdapat air yang terisi setengah, maka yang

menjadi sistem adalah air. Sedangkan dinding dan tutup botol merupakan batas-batas

sistem dan segala yang berada disekeliling botol adalah lingkungan. Antara sistem dan

lingkungan dapat terjadi pertukaran energi dan materi.

Berdasarkan pertukaran ini dapat dibedakan tiga jenis sistem, yaitu sistem tersekat,

sistem tertutup, dan sistem terbuka. Sistem tersekat merupakan sistem yang tidak dapat

melakukan pertukaran materi maupun energi dengan lingkungannya. Sistem tersekat

memiliki jenis energi yang tetap. Contoh untuk sistem tersekat adalah botol termos ideal.

Sistem tertutup adalah sistem yang hanya dapat melakukan pertukaran energi dengan

lingkungannya. Contoh untuk sistem tertutup ini adalah sejumlah gas dalam silinder

tertutup. Sistem terbuka adalah sistem yang dapat mempertukarkan materi dan energi

dengan lingkungannya. Akibatnya komposisi dari sistem terbuka tidak tetap (berubah).

Contoh untuk sistem terbuka ini adalah sejumlah zat-zat dalam wadah terbuka.

2. Keadaan sistem dan Fungsi keadaan

Keadaan sistem ditentukan oleh sejumlah parameter atau variabel, misalnya suhu,

tekanan, volume, massa dan konsentrasi. Variabel sistem dapat bersifat intensif, artinya

tidak bergantung pada ukuran sistem (tekanan, suhu, massa jenis, dan sebagai-nya), atau

bersifat ekstensif yang berarti bergantung pada ukuran sistem (massa, volume, energi,

entropi, dan sebagainya). Setiap besaran atau variabel yang hanya bergantung pada

1

keadaan sistem dan tidak bergantung pada bagaimana keadaan sistem itu tercapai, disebut

fungsi keadaan. Fungsi keadaan, misalnya suhu, tekanan, volume, energi dalam, entropi,

dan lain-lain.

3. Kalor dan Kerja

Kalor dan kerja adalah dua konsep penting dalam termodinamika. Oleh karena itu

pengertian tentang kedua konsep ini harus dipahami dengan baik. Kalor, q, didefinisikan

sebagai energi yang dipindahkan melalui batas-batas sistem sebagai akibat langsung dan

perbedaan temperatur antara sistem dan lingkungannya. Menurut perjanjian, q dihitung

positip bila kalor masuk sistem dan negatip bila kalor ke luar dan sistem.

Kerja, w, adalah energi yang bukan kalor, yang dipertukarkan antara sistem dan

lingkungannya dalam suatu perubahan keadaan. Menurut perjanjian, w dihitung positip,

bila lingkungan melakukan kerja terhadap sistem (misalnya pada proses pemampatan

gas), dan negatip bila sistem melakukan kerja terhadap lingkungan (misalnya bila gas

memuai terhadap tekanan atmosfir). Kerja memiliki berbagai bentuk (misalnya, kerja

ekspansi, kerja listrik, kerja mekanik, kerja permukaan, dan sebagainya). Salah satu

bentuk kerja yang penting adalah kerja yang berhubungan dengan perubahan volume

sistem yang disebut kerja ekspansi.

B. TUJUAN

1. Untuk mengetahui variabel-variabel dalam termodinamika

2. Mengetahui contoh dari variabel intensif dan variabel ekstensif dalam

termodinamika.

2

BAB II

ISI

A. VARIABEL TERMODINAMIKA

1. Variabel Intensif

Variabel intensif : variabel termodinamika yg tidak tergantung pada jumlah

materi. Sifat intensif (intensive property) tidak dapat di akumulasikan seperti sifat

ekstensif. Nilai sifat intensif tidak dipengaruhi oleh ukuran sistem dan dapat bervariasi di

setiap bagian sistem pada waktu yang berbeda. Dengan demikian, sifat intensif

merupakan sifat posisi fungsi waktu. Volume spesifik, tekanan dan temperatur adalah

contoh sifat intensif yang digunakan. Suatu sifat intensif sistem adalah sifat-sifat yang

sama dengan sifat-sifat yang bersesuaian dengan masing-masing subsistem tersebut. Suhu

dan tekanan adalah sifat-sifat intensif yang khas; jika suatu sistem pada 298 K dibagi dua,

suhu masing-masing bagian akan tetap 298 K. Contoh: Temperatur, tekanan, massa jenis,

titik didih, pH, Tegangan muka, Indeks bias, kekentalan, panas spesifik

1. Temperatur

Seperti diketahui bahwa temperatur merupakan salah satu properti sistem yang telah

dikenal luas penggunaannya, akan tetapi agak sukar untuk mendefinisikannya, oleh

karenanya definisi tentang temperatur akan lebih baik diberikan dalam suatu fenomena

saja. pertama kita menyadari adanya temperatur (suhu) sebagai perasaan panas atau

dingin bila kita menyentuh suatu benda. Demikian juga apabila dua buah benda, yang

3

satu panas dan yang satu dingin, disentuhkan satu sama lain, maka benda yang panas akan

mendingin, dan yang dingin akan menjadi panas, sehingga pada suatu waktu, keduanya

akan memiliki rasa panas atau dingin yang sama. Sebenarnya yang terjadi adalah kedua

benda tersebut mengalami perubahan sifat, dan pada waktu proses perubahan ini berhenti,

kedua benda berada dalam keadaan kesetimbangan thermal. Jadi dua sistem yang berada

dalam kesetimbangan thermal mempunyai sifat yang sama, sifat ini disebut temperatur

(suhu). Dengan kata lain, temperatur dari suatu benda adalah suatu indikator dari keadaan

panas yang dimiliki-nya didasari kepada kemampuan benda tersebut untuk mentransfer

panas ke benda lain. Hukum dasar yang mendasari pengukuran suhu dikenal

dengan hukum thermodinamika ke-nol. Hukum thermodinamika ke-nol menyatakan

bahwa apabila dua buah benda masing-masing berada dalam keadaan kesetimbangan

thermal dengan benda yang ketiga, maka kedua benda ini berada dalam kesetimbangan

termal satu sama lain, artinya, suhu kedua benda tersebut adalah sama. Skala untuk

menentukan besar kecilnya temperatur yang sudah dikenal adalah Fahrenheit, Celcius,

Kelvin dan Rankine. Untuk melihat perbedaan skala dari ke empat skala tersebut, bisa

dilihat pada gambar berikut ini.                                      

Gambar 1. Skema Perbandingan Temperatur

Jelas terlihat bahwa satu satuan derajat (satuan perbedaan temperatur) adalah tidak

sama untuk Kelvin-Celcius dengan Rankine-Fahrenheit, atau dengan kata lain bisa di

buat :

                                                                                              (1)

                                                                                                 (2)

dan dari nilai skala seperti pada Gambar 1, diperoleh perbandingan :

4

                           dan                                   (3)

dari penjelasan tersebut, maka dapat diperoleh relasi antara Rankine dengan

Fahrenheit dan relasi antara Celcius dengan Kelvin seperti berikut ini.

                                                           (4)

                                                             (5)

2. Tekanan

Tekanan secara matematis dapat diefinisikan seperti berikut ini :

P=Fn/A                                                                                                          (6)

Fn   = Komponen Gaya Normal tegak lurus A

A     = Luas penampang Lintang

Agar lebih mudah dipahami, perhatikan Gambar 2 berikut ini.

Untuk gas dan cairan, istilah tekanan sering digunakan, tetapi untuk zat padat,

lebih sering digunakan istilah tegangan. Tekanan pada tiap titik dalam fluida yang

diam besarnya sama ke segala arah dan tekanan didefinisikan sebagai komponen gaya

yang tegak lurus pada suatu bidang per satuan luas. Tekanan P pada suatu titik di

dalam fluida yang berada dalam kesetimbangan besarnya sama ke segala arah, akan

tetapi untuk zat cair yang pekat dan dalam keadaan bergerak, variasi tekanan terhadap

5

kedudukan bidang datumnya merupakan suatu hal yang penting dan perlu

pembahasan khusus di luar thermodinamika. Dalam thermodinamika klasik,

umumnya diperhatikan tekanan fluida dalam keadaan setimbang.

Dalam berbagai penggunaan, umumnya digunakan istilah tekanan absolut,

yaitu tekanan yang dimiliki oleh sistem pada batas sistem. Istilah absolut digunakan

untuk membedakannya dari tekanan relatif (pressure gauge), karena dalam praktek,

pengukur tekanan dan pegukur kevakuman menyatakan perbedaan antara tekanan

absolut dan tekanan atmosfer. Untuk memperoleh tekanan absolut, maka tekanan

atmosfer harus ditambahkan pada pembacaan tekanan relatif, jadi :

            Pabsolut  = Prelatif + Patmosfer          

                                                         

Persamaan  ini digunakan untuk tekanan di atas tekanan atmosfer. Untuk

tekanan di bawah tekanan atmosfer, maka tekanan relatif menjadi negatif, dan

umumnya disebut tekanan vakum sebesar harga tekanan relatif tersebut. Jadi tekanan

relatif sebesar –10 atm disebut vakum sebesar 10 atm. Hubungan antara tekanan

absolut, tekanan relatif, tekanan atmosfer, dan vakum dinyatakan secara grafis dalam

Gambar 3 berikut ini

Gambar 3. Skema Perbandingan Tekanan

3. HUKUM-HUKUM DASAR TERMODINAMIKA

a) Hukum Ke-Nol Termodinamika

Hukum ke-nol termodinamika adalah hukum kesetimbangan termal. Hukum

ini mengungkapkan bahwa jika dua buah sistem setimbang termal dengan sistem

ketiga maka keduanya juga setimbang termal satu dengan yang lain. Dari segi nama,

6

hukum ke-nol termodinamik tidak lazim sebab pada umumnya penomoran dimulai

dari pertama, kedua, dst. Hal ini berkaitan dengan kronologi bahwa hukum pertama,

kedua dan ketiga telah dikenal lebih awal. Hukum kesetimbangan termal meskipun

baru ditemukan kemudian, tetapi karena sifatnya lebih dasar, maka diberi nomor lebih

awal dari hukum I, sehingga menjadi hukum ke-nol.

Berdasarkan hukum ke-nol, jika tiga buah sistem A, B dan C, masing-masing

dengan pasangan koordinat tekanan dan volume (PA, VA), (PB, VB) dan (PC, VC).

setimbang termal maka akan ada fungsi bernilai tunggal T sedemikian

T = TA(PA, VA) = TB(PB, VB) = Tc(PC, VC) ……..(2.1)

Artinya ada hubungan fungsional antara P, V dan T , dengan perkataan lain ketiganya

tidak salingbebas sehingga dapat dituliskan sebagai

T = T (P, V ) → f (P, V, T ) = 0…… (2.2)

Oleh karena ketiga peubah tersebut tidak saling bebas, maka kita dapat

memilih tiga kemungkinan pasangan koordinat, yaitu (P, V ), (P, T ) dan (T, V) . Hal

ini ekivalen dengan menyatakan bahwa ruang keadaan diproyeksi ke bidang keadaan.

Misalkan dipilih pasangan (P, V ), maka

dT=( ∂ T∂ P )

v

dP+( ∂ T∂ V )

P

dV

Dua pasangan yang lain menghasilkan

dP=( ∂ P∂ T )

v

dT +( ∂ P∂ V )

P

dV

dV =( ∂ V∂ P )

T

dP+( ∂ V∂ T )

P

dT

b) Hukum Pertama Termodinamika

Hukum I termodinamika adalah pernyataan kuantatif hubungan antara kalor

yang diserap oleh sistem, kerja yang dilakukan dan perubahan energi dalam. Menurut

Hukum I: perubahan energi dalam sistem tidak bergantung pada lintasan terjadinya

7

proses termodinamik, melainkan hanya ditentukan oleh keadaan awal dan keadaan

akhir dari sistem. Selisih antara kalor yang diserap dan kerja yang dilakukan selalu

sama dengan perubahan energi dalam. Dengan demikian terlihat bahwa tidak ada

energi yang hilang. Itu sebabnya hukum ini ekivalen dengan hukum kekekalan energi.

Meskipun kalor dan kerja bukan merupakan fungsi keadaan, selisih antara keduanya

yaitu energi dalam merupakan fungsi keadaan.

dU = dQ – dW

c) Hukum II Termodinamika

Hukum ini pada hakekatnya merupakan kriteria kelayakan berlangsungnya

suatu proses termodi-namik. Ia berkaitan dengan arah waktu yang selalu maju dan

tidak pernah mundur. Sebagaimanadipahami, kita tidak pernah menyaksikan kalor

diserap oleh benda panas dari benda dingin kendati hal ini tidak bertentangan dengan

Hk. I. Alasannya, perpindahan kalor misalnya sejumlah 50 Kkal, akan diterima

sejumlah itu juga, jadi tidak ada kelor yang hilang; dengan perkataan lain kalor kekal.

Pertanyaannya, kenapa hal ini tidak berlangsung? Jawabnya karena bertentangan

dengan Hk. II termodinamika. Jika kalor diserap oleh benda yang bertemperatur lebih

tinggi maka itu artinya entropi mengecil, sementara suatu proses dapat berlangsung

jika entropi membesar.Entropi merupakan besaran sentral dalam pembahasan Hukum

II. Itu sebabnya Hk. II biasa disebut sebagai Hk. entropi.

Pernyataan Hk. II dinyatakan dalam berbagai redaksi yang ekivalen, antara

lain: Kelvin: Tidak mungkin ada proses termodinamika dimana sistem hanya

menyerap kalor dan mengubah seluruhnya menjadi kerja. Clausius: Tidak mungkin

ada proses termodinamika dimana sistem hanya menyerap kalor dari resevoir

bertemperatur rendah dan membuangnya pada resevoir bertemperatur tinggi.

Pernyataan Kelvin menegaskan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang

efisiensinya 100% sedangkan Clasius secara tidak langsung mensyaratkan adanya

kerja ekternal untuk mengalirkan kalor dari resevoir bertemperatur rendah ke resevoir

bertemperatur tinggi. Kedua pernyataan Hk. II di atas setara. Pembuktian kesetaraan

dapat dilakukan dengan menga-sumsikan bahwa kedua perntaan tersebut salah. Jika

pernyataan Kelvin salah, maka kita dapat

8

d) Hukum III Termodinamika

Hukum III Termodinamika diusulkan pertama kali oleh Nernst dalam Tahun

1906 M berdasarkan hasil eksperimen yang berimplikasi pada mekanika kuantum.

Dapat dikatakan bahwa suatu system pada temperatur nol mutlak (0K) jatuh pada

keadaan kuantum paling rendah dan menjadi sangat teratur sehingga entropinya

minimum. Hukum III dapat dinyatakan dalam redaksi yang setara yaitu: tidak

mungkin mencapai temperature nol mutlak melalui sejumlah proses dapat balik

(reversibel) . Pernyataan ini dapat dibuktikan lewat analisis entropi.

2. Variabel ekstensif

Variabel ekstensif : variabel termodinamika yg tergantung pada jumlah

materi.Sifat ekstensif, seperti volume dan massa adalah sifat adiftif, dalam arti bahwa

nilai sifat itu bagi keseluruhan benda adalah jumlah nilai-nilai dari semua bagian yang

menjadikannya. Sifat ekstensif adalah sifat makroskopis yang bergantung pada massa

atau kuantitas zat, contohnya massa, volume, mol, dan energi kinetik. dapat dikatakan

bahwa sifat ekstensif merupakan sifat yang bergantung pada jumlah zat.Dalam sifat

ekstensif, nilai dari keseluruhan sistem merupakan penjumlahan nilai dari setiap

bagian yang menyusun sistem tersebut. dalam kehidupan sehari-hari sifat ekstensif

dapat dilihat dengan jelas, seperti seikat kayu dapat menempati suatu ruang dan lain-

lain.

Sifat benda yang tergantung banyak sedikitnya benda, misal :

Gula pasir satu sendok dan satu cangkir akan mempunyai massa yang tidak

sama, maka massa merupakan sifat ekstensif dari gula pasir.

9

Contoh Sifat Ekstensif Benda

Dua keping uang logam mempunyai massa gabungan yang merupakan jumlah dari massa

masing-masing keping uang itu, nilai-nilai dari sifat ekstensif yang sama dapat

dijumalahkan.

Contoh nilai nifat ekstensif yang sama dapat dijumlahkan.

1) Termodinamika dan sifat ekstensif

Bila termodinamika ekstensif dari sistem dibagi oleh sejumlah zat (biasanya

digunakan mol), maka diperoleh sifat intensif. Misalnya bila sistem terdiri dari zat murni,

kemudian ukurannya diperbesar dua kali maka volumnya bertambah dua kali, tetapi volum

molarnya tetap.

Secara teliti harus digunakan lambang lain untuk volume molar. Karena besaran ini

mempunyai dimensi yang berlainan. Volume dapat dinyatakan dalam meter kubik atau liter,

tetapi volum molar dinyatakan dalam meter kubik per mol atau liter per mol. Penggunaan

lambang yang berlainan untuk sifat termodinamika ekstensif dan pasangan molarnya akan

sangat menambah jumlah lambang dan persamaan.

Dalam kenyataannya, semua perhitungan kimia dilaksanakan dalam besaran mol.

Oleh karena itu akan digunakan satu set lambang untuk besaran termodinmika, yaitu yang

menyatakan sifat intensif atau besaran molar. Jadi hukum gas ideal ditulis sebagai PV = RT,

dengan V yang menyatakan volum menyatakan volum per mol. Karena mola adalah suatu

satuan dalam sistem SI, maka penting untuk menuliskannya dalam menyatakan besaran fisik.

Dalam hal V digunakan untuk menyatakan sifat ekstensif hal ini akan di catat.

Keadaan termodinamika adalah keadaan makroskopis dari suatu sistem di mana sifat-sifatnya

10

hanya ditentukan oleh peralatan laboratorium yang menjaga sifat-sifat tersebut pada nilai

tertentu yang dipilih dan tidak tergantung pada waktu.

Contoh: massa, Volume, Energi Dalam, Entalpi, entropi

 

2) Entalpi

Secara eksplisit, enthalpi didefinisikan dalam bentuk persamaan matematis seperti

berikut ;

       H = U + PV                                                                                                (17)

keterangan : H  = enthalpi

                    P = tekanan absolut

                          V = volume

semua variabel yang ada dipersamaan (17) 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 (17) dapat ditulis sebagai

:

            dH = dU + d(PV)                                                                                  (18)

persamaan (18) ini digunakan apabila adanya suatu perubahan differensial pada suatu sistem.

Integrasi persamaan (18) akan menghasilkan :

                                                                         (19)

enthalpi 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.

11

BAB III

PENUTUP

A. Kesimpulan

1. Untuk menjelaskan perbedaan antara sifat ekstensif dan intensif dapat digunakan

contoh di mana terdapat sejumlah massa yang terdiri dari beberapa bagian dan

keseluruhannya memiliki temperatur yang sama. Massa dan volume total yang dimiliki

benda tersebut, merupakan penjumlahan dari massa dan volume setiap komponennya.

Namun demikian, temperatur total benda tersebut bukanlah merupakan jumlah dari

temperatur masing-masing komponen, melainkan temperatur setiap bagian benda

tersebut adalah sama. Massa dan volume merupakan sifat ekstensif, sedangkan

temperatur adalah sifat intensif. Jadi, yang membedakan disini adalah, sifat intensif

tidak bergantung pada jumlah materi yang di ukur, sedangkan sifat ekstensif

bergantung terhadap materi yang di ukur.

2. Sifat intensif (intensive property) tidak dapat di akumulasikan seperti sifat ekstensif.

Nilai sifat intensif tidak dipengaruhi oleh ukuran sistem dan dapat bervariasi di setiap

bagian sistem pada waktu yang berbeda. Dengan demikian, sifat intensif merupakan

sifat posisi fungsi waktu. Volume spesifik, tekanan dan temperatur adalah contoh sifat

intensif yang digunakan. Suatu sifat intensif sistem adalah sifat-sifat yang sama dengan

sifat-sifat yang bersesuaian dengan masing-masing subsistem tersebut. Suhu dan

tekanan adalah sifat-sifat intensif yang khas; jika suatu sistem pada 298 K dibagi dua,

suhu masing-masing bagian akan tetap 298 K.

12

DAFTAR PUSTAKA

Surungan, Tasrief. 2011. Fisika Statistik. Makassar : Universitas Hasanuddin.

http://id.wikipedia.org/sifatekstensifdanintensiftermodinamika

13