Hukum hukum Termodinamika

   HUKUM-HUKUM TERMODINAMIKA DAN METABOLISME 

Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan). Jadi termodinamika adalah ilmu mengenai fenomena-fenomena tentang energi yang berubah-ubah karena pengaliran panas dan usaha yang dilakukan. 

Misalnya suatu benda dinaikan suhunya maka timbul pemuaian atau penyusutan; pada termo elemen akan membangitkan gaya gerak listrik.  Pada proses ini terdapat suatu pemindahan panas dan juga bekerja sesuatu gaya yang mengalami perpindahan yang mengakibatkan terlaksananya suatu usaha.

Dengan demikian thermodinamika merupakan akar dari beberapa cabang ilmu fisika.  Dalam mempelajari thermodinamika bukan hanya fenomena suhu tetapi juga tuntunan logika, sifat-sifat gas, larutan zat padat dan reaksi kimia.

 1.1.  THERMOMETRIK

Mengetahui panas dinginnya suatu zat dengan menggunakan indra peraba merupakan penilaian yang subyektif serta tidak alamiah.  Pengamatan secara itu disebut pengamatan yang kwalitatif yang justru dapat menyesatkan.  Misalnya seseorang mencelupkan tangannya ke dalam air suam akan menilai air itu hangat, apabila orang tersebut sebelumnya telah mencelupkan tangannya ke dalam air dingin.  Sebaliknya akan terasa dingin apabila sebelumnya tangannya telah dicelupkan dalam air yang lebih hangat.  Untuk menghindari penilaian yang subyektif perlu adanya penilaian yang kwantitatif.  Justru ini perlu adanya alat ukur dan satuan standar.  Alat yang dipakai untuk pengukuran suhu tersebut disebut Termometer, prinsip dasar dari alat ukur ini ialah fenomena pemuaian yang merupakan indeks temperatur.  Contoh : termometer air raksa dan thermometer alkohol.

Air raksa mempunyai batas muai dan titik uap tertentu yait pada -40˚C air raksa akan membeku dan titik uap akan berkisar diatas 360˚C sehingga perlu ada metoda lain/ alat lain untk mengkur suhu suatu benda.

Macam-macam Termometer :

a.       Termometer air raksa/alkohol

b.      Termometer tahanan (termistor termometer)

c.       Termometer elemen (termocouple)

d.      Termometer optik

e.       Termometer gas yang bervolume tetap

Dalam bidang kedokteran penggunaan termometer air raksa/alkohol sangat populer

a.  Termometer air raksa

Alat ini terkulis pada (Gb. 97).  Termometer ini terdiri dari bola gelas A berdinding tipis.  Bagian atas bola dihubungkan dengan pipa kapiler B.  Air raksa mengisi bola A dan sedikit pada pipa kapiler B.  Antara pipa kapiler dan bola A terdapat suatu penyempitan.  Tujuannya agar supaya air raksa setelah memuai, tidak mudah kembali ke keadaan semula.  Untuk mengukur tinggi permukaan air raksa dibuat skala yang digoreskan pada dinding pipa tersebut.  Pada dinding belakang yang berlawanan dengan skala, di sebelah luarnya ruangan terdapat/diberikan lapisan perak agar dapat memberikan gambaran skala lebih tajam.  Untuk lebih jelasnya dibuat potongan penampang lintang pipa kapiler dari sebuah termometer.

b.  Termometer Tahanan (Resistance Termometer)

Termometer ini merupakan salah satu dari termometer elektronik yang menggunakan termistor.  Termistor merupakan elemen semi konduktor yang mempunyai berbagai variasi tahanan terhadap temperatur.  Termistor ini terdiri dari kawat halus platina yang dililitkan pada kerangka mika kemudian dimasukkan ke dalam tabung gelas yang berdinding tipis sebagai pelindung.

Rangkaian termometer ini merupakan rangkaian  Jembatan Wheaston.  Termometer tahanan ini sangat peka mengukur suhu sampai ketelitian 0,001˚C.  Daerah kur -250˚C sampai 1.760˚C (lihat gambar)

R_x . R₃  =  R₁ . R₂

           R₁ . R₂

R_x  =       

                     R₃   

R_x di sini adalah termistor.  Pada rangkaian Jembatan Wheaston ini diusahakan agar tidak ada arus yang melewati galvanometer.  Dengan adanya perubahan tegangan pada galvanometer dapat diketahui berapa besarnya temperatur.

Ketelitian termistor ini dapat mengukur 0,001˚C.  Di klinik banyak digunakan termistor in i, apabila diletakkan di dalam hidung untuk memonitor suhu pernafasan makaalai ini disebut Pneumograf.

c.  Termokoupel

Dasar termokoupel dalam pengukuran suhu (Thermoelectric thermometry) dikemukakan oleh Seebeck (1821), beliau mengamati suatu gaya gerak listrik (electro motive force) yang timbul pada hubungan dua logam yang berbeda (Gb. 101).  Fenomena ini terjadi oleh karena ada dua efek yang timbul secara independen.

Efek primer :

Dijumpai oleh Peltier yaitu adanya gaya gerak listrik oleh karena hubungan dua buah logam yang berbeda dan perbedaan temperatur antara dua buah sambungan (lihat gambar)

Gaya gerak listrik Peltier berbanding lurus dengan perbedaan temperatur antara dua buah sambungan.

Efek sekunder :

Dicetuskan oleh Thomson (Lord Kelvin) yaitu gaya gerak listrik timbul oleh karena adanya gradient temperatur sepanjang setiap konduktor.  Gaya gerak listrik Thomson berbanding lurus dengan perbedaan antara kwadrat temperatur absolut (T₁ dan T₂). Pengertian dua efek ini tidak lazim berguna dalam penggunaan praktek.  Namun dalam data kalibrasi empiris biasanya menggunakan kurva dalam kaitan dengan voltase Seebeck yaitu :

            E  =  aT - ½ aT

            T  =  dalam derajat Celcius

            Temperatur reference adalah 0˚

Dari uraian diatas diperoleh kesimpulan bahwa rangkaian antara dua buah logam yang berbeda akan timbul gaya gerak listrik (GGL).  Dengan mengukur GGL ini dapat dikonversikan dalam skala suhu.

Termometer elemen ini dapat mengukur suhu -190˚C sampai 300˚C

Untuk 100˚C GGL yang dihasilkan 4 mV.  Berdasarkan teori tersebut maka dapat dibuat rangkaian termoelemen (lihat gambar)

d.  Pyrometer optik

Pyrometer optik diarahkan ke tungku pembakaran yang sedang nyala, kemudian lampu dinyalakan.  Nyala lampu diatur sedemekian rupa sehingga sesuai dengan nyala tungku.  Berdasarkan skala suhu yang diketahui, kemudian skala pada amperemeter disesuaikan dengan skala suhu.

e.  Termometer gas bervolume konstan

Pada gambar tampak ruangan C berisikan gas hidrogen atau helium.  Tekanan gas itu dapat diukur dengan manometer air raksa AB.  Jika suhu di ruangan C naik maka volume gas mendesak air raksa pada pipa B dan di pipa A tampak air raksa ke atas.

Dengan mengatur pipa karet D diusahakan agar kedudukan air raksa  di kolam B pada kedudukan semula.  Jadi volume gas tetap konstan.  Dengan demikian diperoleh :

                                 P2

T  =  273,16 lim (           ) Volume tetap

                   P 0     P1

                                                                               

1.2.  SKALA TEMPERATUR

Di Amerika banyak menggunakan skala Fahrenheit (0˚C).  Dalam pembuatan skala tersebut dibuatkan titik referensi, yang disebut titik tetap yang kemudian dibuat skala sekehendak kita.  Sebelum tahun 1954 ditentukan dua titik sebagai titik acuan baku, yaitu titik es dan titik uap.

Titik es yaitu suatu titik di mana terdapat campuran air yang jenuh udara dengan es yang bertekanan 1 atmosfir.  Titik uap adalah suhu di mana terdapat air mendidih pada tekanan 1 atmosfir.

Fahrenheit pada tahun 1724 telah menentukan skala temperatur di mana pada 32˚F adalah titik es, pada 212˚F  merupakan titik uap serta temperatur rectal berkisar 98,6˚F.  Dalam bidang kedokteran banyak menggunakan skala Celcius, titik es diberi harga 0˚C suhu pada titik uap diberi 100˚C.  Untuk keperluan bidang ilmu pengetahuan diperlukan skala lain yaitu skala Kelvin.

Sekarang ini titik tripel dipakai sebagai titik acuan baku yaitu 0,01˚C (273,16 K). Untuk mendapatkan gambaran jelas tentang hubungan ini, dapat dilihat pada gambar di bawah ini.

Skala Rankin digunakan di Inggris.  Hubungan skala suhu itu dapat dinyatakan dalam persamaan :

             

  9

T_R  =           T

              5

  9

T_F   =           t  + 32

              5

T_F   =  T_R  - 459,67

1.3.   HUKUM TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah suatu pengetahuan tentang transformasi energi ke dalam usaha.  Walaupun kerja/usaha dapat ditransformasi secara komplit ke dalam energi dalam, namun energi dalam tidak dapat ditransformasikan secara komplit ke dalam usaha.  Hal ini disebabkan karena adanya hukum termodinamika kedua yang membatasinya.  Dalam mempelajari termodinamika ini dikenal ada 4 hukum termodinamika yaitu :

a.         Hukum ke nol termodinamika (oleh R.H. Fowler)

b.        Hukum pertama termodinamika

c.         Hukum kedua termodinamika

d.        Hukum ketiga termodinamika

Pada pembahasan ini akan lebih mudah bila menggunakan matematika tetapi sering terasa sulit untuk dimengerti.  Oleh karena banyak hal diperlukan imaginasi an banyak kaitan dengan zat-zat.  Oleh karena itu dalam pembahasan dipakai gas sebagai contoh; oleh karena gas mempunyai sifat sederhana.

a.  Hukum ke nol termodinamika

Dalam keadaan adiabatik suatu gas ideal dalam ruangan tertutup pemuaian sangat lambat, tidak ada panas yang dimasukkan maupun dilepaskan.  Dari proses ini maka diperoleh :

dE   =   - pdv

Pada uraian hukum I termodinamika :

dE   =   n Cv . dT

Apabila menggunakan hukum gas ideal untuk mencari harga  P   sebagai fungsi  T dan V (PV  =  nRT) maka :

dT                    R            dv

^___     =         ^{_     ____      .       _____}

 T                    Cv           V

dT                    R            dv

^___     =         ^{_     ____      .       _____}

 T                    Cv           V

                  T₂             R             V₁

                Ln   ^___     =      ^____       Ln  ^_____

         T₁             Cv           V₂

Dengan mempergunakan hukum gas ideal untuk mencari formula yang penting pada proses adiabatik gas  :

              ɤ

    V₁                P₂

                       ^___        =      ^____ 

       V₂               P₁

                       R

                           ɤ      =      ^____     +    1

                          Cv

                       Cp

                                   =      ^____     

                          Cv

                                                                             5

Oleh karena   R  =  Cp  -  Cv   maka       ɤ  ₌ ­­_

                                                                             3

Harga  ɤ  sangat berguna pada bab bunyi.  Hukum ke nol termodinamika ini dapat dijelaskan secara singkat yaitu apabila ada dua sistem A dan B dalam keadaan setimbang termal maka sistem ketiga C juga dalam keadaan setimbang termal (Gb. 108)

b.  Hukum Pertama Termodinamika

Misalnya suatu zat dirubah dari keadaan 1 ke keadaan ke 2 menurut lintasan tertentu maka panas Q yang diberikan itu akan diserap dan menyebabkan usaha sebesar W (yang diukur dalam satuan panas) lihat gambar 109.  Dengan demikian dapat dikatakan energi untuk bekerja sebesar :

E  =   Q  -  W    atau,

Q  =   E  -  W

Ini disebut hukum termodinamika yang menyatakan suatu proses penambahan panas dan kerja yang dilakukan sedangkan perubahan energi suatu zat tak tergantung kepada lintasan.  Jjadi hukum pertama termodinamika membahas berapa besar energi yang diserap atau bebas.

Pada gambar terlihat perbedaan temperatur dimana P = n RT / VV pada T_A dan T_B serta jumlah mol dari molekul sama.  Di sini hanya terdapatperbedaan pertukaran temperatur.  Pada keadaan inisial A kemudian menjadi keadaan B terdapat   ΔE  = E_B – E_A .  Usaha yang dilakukan dari keadaan A ke B pada tekanan tetap  :

    

           V_B

W_(AB)     =                 P  .  dV

      V_A

=     P_A  (V_B    -    V_A) 

Ini suatu usaha isobarik (usaha/proses yang terjadi pada tekanan konstan).  Untuk menghitung pekerjaan yang berlangsung via ACB maka :

a.  Usaha sepanjang AC pada temperatur tetap

         V_B        nRT_A

W_(AC)       =                                  dV

      V_A           A

           

                                           Cp

             =      nRT_A        Ln    ^____     ini suatu proses isotermal.

                                              Cv

b.  Usaha dari C ke B di mana volume tetap maka :

W_(CB)       =     0

      Apabila poin a dan b dijumlahkan maka :

W_(ACB)       =    W_(AC)      -     W_(CB)

Untuk menghitung panas yang mengalir, pertama-tama harus mengetahui konsep panas spesifik mola (C_V) .  Kwantitas panas spesifik mola tergantung dari pada ekspresimen.  Pada keadaan volume konstan, panas berbanding langsung dengan peningkatan temperatur T dan tergantung kepada C_V  sehingga persamaan menjadi :

Q    =   n C_V  Δ T

Pada keadaan tekanan konstan

Q    =   n C_V  Δ T

C_V   =  panas spesifik mola pada volume tetap

C_P   =  panas spesifik mola pada tekanan tetap

c.     Proses dari keadaan A menjadi keadaan B adalah isobarik sehingga :

Q_(AB)       =    nC_P  (T_B   -  T_A)

Dengan menggunakan hukum I termodinamika :

E_(AB)       =    nC_P  (T_B   -  T_A)  - P_A  (V_B   -  V_A)    proses isobarik

Dari  C ke keadaan B pada volume tetap :

Q_(AB)       =    nC_P  (T_B   -  T_A)

Dengan mernggunakan hukum I termodinamika  :

E_(AB)       =    nC_P  (T_B   -  T_A)

     Untuk mengetahui proses berapa besar ΔE_(AC)  oleh Joule Thompson pada percobaannya diketahui bahwa E untuk gas ideal tergantung kepada temperatur.  Jika T konstan maka

E   =   0 sehingga

                             E_(AC)   =   0

                             E_(ACB)  =   nC_P  (T_B   -  T_A)

Melalui hukum gas ideal dapat ditulis persamaan  :

E_(AB)       =    nC_P  (T_B   -  T_A)  - P_A  (T_A   -  T_B)

Menjadi  :

E_(AB)       =    nC_P  (T_B   -  T_A)  - nR  (T_A   -  T_B)

Oleh karena :

ΔE_(AB)   =    ΔE_(ACB)

Sehingga   :

C_V       =    C_P      -     R

Dengan demikian hukum I termodinamika dapat ditulis sebagai

        dQ    =    nC_V dT  +  P dV

c.  Hukum Kedua Termodinamika

Sadi Carnot (1796 – 1832) sangat tertarik akan efisiensi dari mesin uap dan menulis makalah dengan judul “Reflection on the Motive  Power of fire”.  Pada tahun 1824 dimana beliau sangat menaruh perhatian akan mesin :

        Diberi energi berwujud panas pada suhu yang relatif tinggi mesin melakukan   usaha mekanik.

        Mesin menuangkan panas yang lebih rendah suhunya.

Carnot berpendapat bahwa dalam mesin kalor terjadi proses di mana energi panas diambil oleh sejumlah energi mekanik tetapi selang waktu tertentu jumlah panas yang masuk mesin sama dengan yang keluar.  Pendapat ini jelas tidak benar, oleh karena kenyataannya panas yang dikeluarkan mesin kurang dari panas yang diberikan ke mesin.  Jadi konsep Carnot tentang sifat fisik panas tidak benar. Namun demikian Carnot telah berhasil memperoleh perumusan yang tepat tentang hukum II termodinamika ini dan tentang daya guna maksimal dari mesin-mesin kalor, yang bekerja antara dua suhu tertentu.

Misalnya pada proses adiabatik gas itu tidak menerima ataupun memberi kalor.  Jika selama proses isotermal pada T₁ gas itu akan memberikan kalor sebesar  Q₁ dan selama proses isotermal T₂ gas itu akan menerima kalor sebesar Q₂ maka usaha yang dilakukan gas itu (dari hukum I termodinamika)

            W   =   Q₂  -  Q₁          (c – 1)

Apabila sebuah mesin menerima kalor sebanyak Q dan melakukan usaha W maka dikatakan mesin itu mempunyai efisiensi yang besarnya :

    W

n       =    ^____                                        (c – 2)   

    Q

Kalau Q  dalam persamaan (c – 2) dapat diartikan sebagai Q₂ maka persamaan (c – 1) dan (c – 2) menjadi :

                           Q₂  -  Q₁

            n       =     ^___________

                               Q₂     

                       

                                 Q₁

            n       =     ^{__  _______}                        (c – 3)

                     Q₂

Q₁     =  banyaknya kalor yang diberikan

Q₂     =  banyaknya kalor yang diterima

n       =  efisiensi

Dari uraian di atas ini Carnot membuat perumusan sebagai berikut :

Mesin yang bekerja diantara reservoir dengan suhu T₁ dan reservoir dengan suhu T₂   (T_{1 >} T₂ )  efisiensinya sama bagaimanapun sifat zat kerjanya.

Lord Kelvin (1853) telah pula menyelidiki hukum II termodinamika dimana dibuat pembatasan-pembatasan  :

Suhu-suhu Kelvin dari reservoir dan sumber antara mana suatu mesin Carnot bekerja didefinisikan dengan hubungan :

Q₁            T₁

 ^___     =    ^____                              (c – 4)

Q₂             T₂

Persamaan (c – 4) dimasukkan ke persamaan (c – 3) menjadi :

                                   T₁

            n       =  1   ^__  _____                        

                       T₂

Dengan demikian Kelvin membuat perumusan :

Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus, menerima kalor dari satu reservoir dan merubah kalor ini seluruhnya menjadi usaha.

d.  Hukum Ketiga Termodinamika

Interprestasi statistik dari entrophy adalah suatu pengukuran yang menyimpang dari suatu sistem.  Jjika suhu diturunkan lebih lanjut segala sistem masuk ke dalam status orde besar.  Vibrasi suatu kristal secara graduil akan mati (berhenti) seraya atom-atom berada pada temperatur absolut nol.  Demikian pula kemungkinan vibrasi suatu zat padat akan berhenti.

Nernst (1906) telah melakukan eksperimen pada temperatur absolut nol, beliau mengambil dua kesimpulan dari percobaan ini yang kemudian diberi nama hukum termodinamika ketiga atau disebut hukum Nernst.

Kesimpulan yang diambil dari percobaan itu :

              s

Lim   ( ^{__­­­­­__}  )  T = 0

              p

T   =  0

Pada T = 0 K  (nol absolut) perubahan entropy (zat homogen yang isotropic) adalah sama dengan konstan.

              V

Lim   (  ^{__­­­­­__}   )

              T

T   =  0

Pada T = 0 mutlak maka koefesien dari seluruh substansi cenderung pada nol.

Hal ini dapat ditunjukkan melalui grafik.

Koefisien muai dari logam (Gb. 111) dikutip dari R. Kroning “Texbooks of Physics” London 1959.  Penerapan hukum ketiga termodinamika pada penggunaan suhu rendah pada bidang kedokteran.