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,SehinggaU2 – U1 = ∆U = 0
Dengan kata lain,
energi dalam suatu sistem terisolasi adalah konstan.
Post a Comment for "Energi Dalam dan Hukum Pertama Termodinamika"
Sobat Fisika! Berikan Komentar di kolom komentar dengan bahasa yang sopan dan sesuai isi konten...Terimasih untuk kunjunganmu di blog ini, semoga bermanfaat!