Energi Dalam dan Hukum Pertama Termodinamika

Salah satu konsep terpenting dalam termodinamika adalah energi dalam. Apa yang dimaksud dengan energi dalam?? Kita dapat melihatnya dengan berbagai cara. Kita dapat menjelaskannya berdasarkan ide mekanika. Benda terdiri dari sejumlah atom dan molekul, dan semuanya terdiri dari sejumlah partikel yang memiliki energi potensial dan kinetik. Kita dapat mencoba mendefinisikan energi dalam (internal energy) suatu sistem sebagai jumlah energi kinetik seluruh partikel penyusunnya, ditambah seluru energi potensial dari interaksi antara seluruh partikel ini.

Perhatikan bahwa energi dalam tidak meliputi energi potensial yang dihasilkan dari interaksi antara sistem dan lingkungannya. Jika sistem adalah segelas air, penempatannya pada rak yang tinggi akan menempatkan energi potensial gravitasi akibat dari interaksi antara gelas dengan bumi. Tetap hal ini tidak berpengaruh pada interaksi antara molekul air, sehingga energi dalam air tidak berubah.

Kita memakai simbol U untuk energi dalam. Anda harus ingat bahwa U memiliki arti yang berbeda dalam termodinamika. Selama terjadi perubahan keadaan suatu sistem, energi dalam dapat berubah dari harga awal U₁ ke harga akhir U₂. Kita menuliskan perubahan energi dalam sebagai ∆U = U₂ – U₁.

Kita mengetahui bahwa perpindahan panas adalah perpindahan energi. Jika kita tambahkan sejumlah panas Q ke sistem dan sistem tidak menghasilkan kerja selama proses, energi dalam meningkat setara dengan jumlah Q: yaitu, ∆U = Q. Jika sebuah sistem melakukan usaha dengan berkespansi terhadap lingkungannya dan tidak ada panas yang ditambahkan selama proses, energi meninggalkan sistem dan energi dalam berkurang. Sehingga, Jika W positif, ∆U adalah negatif, dan begitu pula sebaliknya. Maka ∆U = - W. Jika baik perpindahan panas maupun usaha terjadi, perubahan total dari energi dalam adalah

U₂ – U₁ = Q – W (hukum pertama termodinamika)        (1)

Kita dapat menuliskan kembali dalam bentuk

Q = ∆U + W                                                                 (2)

Yang dapat disimpulkan dari persamaan 2 adalah bahwa secara umum ketika panas Q tambahkan ke sistem, sebagai dari energi yang ditambahkan ini tetap tinggal di dalam sistem, menguabah energi dalam sebanyak ∆U, sisanya meninggalkan sistem lagi ketika sistem melakukan usaha/ kerja W terhadap lingkungannya. Karena W dan Q dapat bernilai positif, negatif dan nol, maka ∆U dapat juga bernilai positif, negatif dan nol untuk proses yang berbeda, gambar 1.

Gambar 1: Pada suatu proses termodinamik energi dalam suatu sistem dapat bertambah, berkurang atau tetap

Persamaan 1 atau 2 adalah hukum pertama termodinamika (first law of thermodynamics). Ini adalah penjabaran secara umum terhadap prinsip kekekalan energi yang meliputi perpindahan energi baik berupa kalor/panas maupun usaha/kerja. Prinsip ini dapat diperluas sampai jenis fenomena yang lebih luas dengan menidentifikasi bentuk tambahan energi dan perpindahan energi.

Pada awal bagian ini kita mencoba mendefinisikan energi dalam dalam kaitannya dengan energi kinetik dan potensial makroskopik. Definisi ini tidaklah operasional (sangat rumit) karena tidak menjelaskan bagaimana caranya menentukan energi dalam dari kuantitas fisis yang dapat diukur secara langsung.

Jadi, mari kita lihat energi dalam dengan cara yang berbeda. Dimulai lagi dari awal, definisikanlah perubahan energi dalam ∆U, selama perubahan apapun dalam sistem, sebagai kuantitas yang diberikan dalam persamaan 1, ∆U = Q – W. Ini adalah definisi operasional, karena kita dapat mengukur Q dan W. Hal ini tidak mendefinisikan U itu sendiri, hanya ∆U. Ini bukanlah jalan pintas, karena kita dapat mendefinisikan energi dalam suatu sistem agar memiliki nilai tertentu pada beberapa keadaan acuan, dan kemudian memakai persamaan 1 untuk mendefinisikan enegi dalam pada keadaan lainnya.

Definisi baru ini menukar kesulitan yang satu dengan yang lainnya. Jika kita definisikan ∆U dengan persamaan 1, maka ketika sistem bergerak dari keadaan 1 ke keadaan 2 dengan dua lintasan berbeda, bagaimana kita tahu bahwa ∆U sama untuk kedua lintasan? Kita telah melihat bahwa secara umum Q dan W tidak sama untuk lintasan yang berbeda. Jika ∆U, setara dengan Q – W, juga tergantung pada lintasan, maka ∆U menjadi tidak jelas.

Jika demikian, konsep energi dalam suatu sistem menjadi kritis serupa seperti konsep yang salah mengenai kandungan panas/kalor dalam suatu sistem.

Satu-satunya cara untuk menjawab pertanyaan ini adalah dengan melakukan percobaan. Untuk berbagai bahan kita mengukur Q dan W pada berbagai keadaan dan berbagai lintasan guna mempelajari apakah ∆U bergantung pada lintasan atau tidak. Hasil dari banyak percobaan menunjukkan hasil yang sangat jelas; walau Q dan W bergantung pada lintasan, ∆U = Q – W tidak bergantung pada lintasan. Perubahan energi dalam suatu sistem selama proses termodinamik apapun bergantung hanya pada keadaan awal dan akhir, tidak pada lintasan yang menghubungkan kedua keadaan.

Dengan demikian percobaan telah menjadi cara paling handal untuk membuktikan bahwa suatu sistem termodinamik dalam keadaan tertentu memiliki energi dalam yang unik, yang hanya bergantung pada keadaan tersebut. Pernyataan yang serupa adalah bahwa energi dalam ∆U dari suatu sistem merupakan fungsi dari koordinat keadaan p, V dan T (sebenarnya cukup dengan dua di antaranya, karena ketiga variabel itu terhubung dalam persamaan keadaan).

Hukum pertama termodinamik, yang diperoleh dari 1 atau 2, sejauh ini bisa dinyatakan dapat mewakili kekekalan energi dalam proses termodinamik. Tetapi aspek tambahan yang penting dari hukum pertama ini adalah kenyataan bahwa energi dalam hanya bergantung pada keadaan suatu sistem. Pada perubahan keadaan, perubahan energi dalam tidak bergantung pada lintasan.

Semua hal ini mungkin terasa agak abstrak jika anda puas dengan pemikiran bahwa energi dalam sebagai energi mekanik mikroskopik. Tidak ada salah dengan sudut pandang ini, dan kita akan menggunakannya. Tetapi demi definisi operasional yang tepat, maka energi dalam, seperti kalor, dapat dan harus didefinisikann dengan cara yang tidak bergantung pada struktur mikroskopik bahan yang mendetail.

Dua kasus khusus dari hukum pertama termodinamika pantas disebutkan. Sebuah proses yang akhirnya mengembalikan suatu sistem ke keadaannya yang semula disebut proses siklus. Untuk proses semacam itu, keadaan akhir sama dengan keadaan awal sehingga energi dalam total adalah nol. Sehingga

U₂ = U₁ dan Q = W

Jika selisih kuantitas kerja W dilakukan oleh sistem selama proses ini, jumlah energi yang setara pasti telah mengalir ke dalam sistem sebagai panas Q. Tetapi tidak ada alasan mengapa Q atau W masing-masing harus bernilai nol.

Gambar 2: Setiap hari tubuh kita (suatu sistem termodinamik), mengalami suatu proses termodinamik bersiklus seperti ini.

Kasus hkusus lainnya terjadi pada sistem terisolasi yang tidak melakukan kerja pada lingkungannya dan tidak mengalami aliran panas dari atasu menuju lingkungannya. Untuk proses apapun yang berlangsung dalam sistem terisolasi,

W = Q = 0,

Sehingga

U₂ – U₁ = ∆U = 0

Dengan kata lain, energi dalam suatu sistem terisolasi adalah konstan.