Hukum 1 Termodinamika Menyatakan Bahwa Energi Kekal, Ini Penjelasannya

Termodinamika adalah cabang ilmu fisika yang mempelajari hubungan antara panas (thermal energy) dan bentuk-bentuk lain dari energi. Istilah "termodinamika" berasal dari kata-kata Yunani "therme," yang berarti panas, dan "dynamis," yang berarti kekuatan atau daya. Ilmu ini mencakup prinsip-prinsip dasar yang mengatur perubahan energi dalam sistem fisika, termasuk materi dan energi panas yang berpindah di antara sistem dan lingkungannya.

Beberapa konsep dasar dalam termodinamika melibatkan:

1. Energi: Termodinamika memandang energi dalam berbagai bentuk, seperti panas, kerja mekanis, dan energi internal.

2. Sistem dan Lingkungan: Sistem dalam termodinamika dapat menjadi suatu benda atau ruang tertentu yang diisolasi untuk dianalisis. Lingkungan adalah bagian yang tidak termasuk dalam sistem. Sistem dan lingkungan dapat berinteraksi melalui pertukaran panas, kerja, atau materi.

3. Hukum-hukum Termodinamika: Ada beberapa hukum dasar termodinamika, termasuk Hukum Kekekalan Energi (Hukum Pertama), Hukum Entropi (Hukum Kedua), dan Hukum Ketiga Termodinamika.

• Hukum Pertama Termodinamika (Hukum Kekekalan Energi): Telah dijelaskan sebelumnya, hukum ini menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah bentuknya.
• Hukum Kedua Termodinamika (Hukum Entropi): Hukum ini menyatakan bahwa total entropi (sejenis ukuran ketidakteraturan atau ketidaturunan energi) dalam suatu sistem isolasi cenderung meningkat seiring waktu. Hukum Kedua juga memberikan dasar untuk arah waktu termodinamika.
• Hukum Ketiga Termodinamika: Hukum ini berkaitan dengan sifat entropi pada suhu mutlak nol (0 K), menyatakan bahwa entropi suatu sistem pada suhu mutlak nol adalah nol.

4. Proses Termodinamika: Termodinamika memeriksa bagaimana energi berubah dan beralih antar sistem dan lingkungan selama proses-proses yang dikenal sebagai proses termodinamika. Contoh proses termodinamika termasuk proses isokorik (konstan volume), isobarik (konstan tekanan), dan isotermal (konstan suhu).

Termodinamika memberikan dasar bagi banyak prinsip ilmiah dan teknologi, termasuk mesin-mesin termal, kelistrikan, kimia, dan banyak lagi. Pemahaman termodinamika sangat penting dalam menjelaskan dan merancang berbagai fenomena alam dan perangkat teknologi.

Hukum pertama termodinamika, juga dikenal sebagai Hukum Kekekalan Energi, menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Dalam sistem tertutup, perubahan total energi sistem sama dengan jumlah energi yang dimasukkan ke dalam sistem dikurangi energi yang keluar dari sistem.

Rumus matematis untuk hukum pertama termodinamika dalam sistem tertutup dapat dituliskan sebagai:

ΔU = Q − W

Dimana:

ΔU adalah perubahan energi internal sistem,

Q adalah panas yang ditambahkan ke sistem, dan

W adalah kerja yang dilakukan oleh sistem.

Dengan kata lain, perubahan energi internal sistem sama dengan panas yang ditambahkan dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem. Hukum ini memberikan dasar untuk konsep energi dan mekanisme perpindahan energi dalam sistem fisika dan kimia.

Hukum Kedua Termodinamika menyatakan beberapa prinsip dasar terkait dengan arah waktu dan efisiensi mesin-mesin termal. Hukum ini dapat dirumuskan dalam beberapa cara, dan salah satu bentuk umumnya adalah dengan mengenai konsep entropi. Ada beberapa pernyataan yang merangkum Hukum Kedua Termodinamika:

Pernyataan Kelvin-Planck: Tidak mungkin ada suatu proses yang, bekerja pada siklus, menyerap panas dari suatu reservoir panas tunggal dan sepenuhnya mengubahnya menjadi kerja tanpa ada panas yang diserap dari reservoir yang lebih dingin.

Pernyataan Clausius: Tidak mungkin suatu sistem secara spontan mengalami proses di mana panas diambil dari suatu reservoir tunggal dan sepenuhnya diubah menjadi kerja tanpa ada transfer panas ke reservoir lain atau lingkungan.

Peningkatan Entropi: Pernyataan lain Hukum Kedua Termodinamika adalah bahwa entropi total suatu sistem isolasi tertutup tidak dapat berkurang selama suatu proses alamiah. Pada kenyataannya, entropi sistem ini akan meningkat atau setidaknya tetap konstan, dan ini memberikan arah waktu termodinamika.

Hukum Kedua Termodinamika memberikan dasar untuk konsep irreversibilitas. Proses alam yang tidak dapat membalikkan dirinya sendiri disebut sebagai proses irreversibel. Hukum Kedua juga memberikan dasar untuk definisi entropi, yang dapat dianggap sebagai ukuran ketidakaturan atau ketidakterurutan sistem.

Penting untuk dicatat bahwa Hukum Kedua Termodinamika menyiratkan adanya arah waktu termodinamika. Artinya, suatu sistem alamiah cenderung menuju keadaan dengan entropi yang lebih tinggi, dan tidak mungkin kembali secara spontan ke keadaan dengan entropi yang lebih rendah. Meskipun entropi suatu sistem dapat tetap konstan dalam suatu proses reversibel, namun pada proses alamiah entropi cenderung meningkat.

Hukum Ketiga Termodinamika menyatakan bahwa entropi suatu sistem murni kristal sempurna pada suhu mutlak nol (0 Kelvin atau -273.15 derajat Celsius) adalah nol. Dengan kata lain, seiring dengan pendekatan suhu mutlak nol, entropi suatu sistem kristal sempurna cenderung mencapai nilai minimumnya.

Secara umum, hukum ini menyiratkan bahwa tidak mungkin mencapai suhu mutlak nol dalam suatu jumlah langkah terbatas. Oleh karena itu, dalam praktiknya, suhu mutlak nol tidak dapat sepenuhnya tercapai, dan entropi suatu sistem selalu akan ada pada nilai lebih besar dari nol.

Hukum Ketiga Termodinamika memiliki aplikasi terutama dalam pemahaman sifat-sifat material pada suhu sangat rendah dan dalam penelitian tentang perilaku material ketika suhu mendekati suhu mutlak nol. Selain itu, hukum ini juga membantu mengklarifikasi hubungan antara entropi dan suhu dalam kerangka termodinamika.