SMA · 8 menit · Hukum Termodinamika & Siklus
Sistem, keadaan, dan hukum termodinamika
Pilih dulu batas sistem: apakah kita membahas air, gelas, atau keduanya? Energi yang masuk sistem satu dapat keluar dari sistem lain.
Yang akan kamu pelajari
- Sistem termodinamika
- Variabel keadaan
- Kesetimbangan
- Hukum nol
- Hukum pertama
- Hukum kedua
- Hukum ketiga
- Usaha
- Kalor
- Energi internal
- Entropi
Pahami konsepnya
Sistem terbuka bertukar massa dan energi; tertutup bertukar energi tetapi bukan massa; terisolasi tidak bertukar keduanya dalam model ideal. P,V,T,U adalah variabel keadaan; Q dan W adalah transfer yang bergantung proses. Hukum nol menyatakan transitivitas kesetimbangan termal.
Dengan W kerja oleh sistem, hukum I: ΔU=Q−W. Hukum II: entropi total sistem terisolasi tidak berkurang. Hukum III: entropi kristal sempurna dengan keadaan dasar tunggal menuju nol saat T→0 K.
Kesetimbangan berarti tidak ada arus makroskopik bersih dan variabel keadaan stabil.
Analisis lanjut
Untuk proses reversibel dS=δQ_rev/T; untuk proses nyata ΔS dapat dihitung lewat lintasan reversibel yang menghubungkan keadaan sama. Ketaksamaan Clausius membedakan perubahan entropi sistem dari produksi entropi. Ekspansi kuasistatik memberi δW=P_ext dV; memakai tekanan sistem memerlukan kedekatan kesetimbangan mekanik.
Entropi sistem boleh turun dengan membuang entropi lebih besar ke lingkungan.
Pendalaman: Entropi pada ekspansi bebas
Gas ideal mengembang bebas ke ruang vakum di wadah terisolasi. Tidak ada kerja pada batas luar dan Q=0, sehingga ΔU=0. Untuk gas ideal U hanya fungsi T, maka suhu akhirnya sama.
Namun ΔS=nR ln(V_f/V_i)>0. Untuk menghitung ΔS, gunakan lintasan reversibel isoterm hipotetik antara keadaan awal-akhir, bukan menyamakan δQ aktual nol dengan perubahan entropi nol. Proses nyata irreversibel menghasilkan entropi meskipun tidak bertukar kalor dengan lingkungan.
Contoh terurai
Gas menerima Q=500 J dan melakukan kerja W=180 J, sehingga ΔU=320 J. Pada satu siklus U kembali ke nilai awal: Q_net=W_net. Jika 100 J mengalir dari reservoir 400 K ke 300 K, ΔS_total=−100/400+100/300≈0,0833 J/K positif.
Coba, amati, jelaskan
Gambar batas sistem untuk minuman yang mendingin. Tentukan tanda Q pada minuman dan udara. Jelaskan mengapa ΔU=0 dalam satu siklus tidak berarti Q dan W masing-masing nol.
Cek pemahaman
Sistem menerima 80 J dan melakukan kerja 30 J. Berapa ΔU?
- 110 J
- 50 J
- −50 J
Jawab dan baca pembahasannya di aplikasi.
Sumber & bacaan lanjutan
openstax.org · Rujukan Sistem, keadaan, dan hukum termodinamika