TERMODINAMIKA

Termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari perubahan energi, perubahan temperatur dan keterkaitan antara kerja dan kalor. Hal ini dimulai pada abad ke-19 ditandai dengan adanya usaha yang dilakukan para insinyur dalam usahanya untuk meningkatkan efisiensi dari mesin uap,  prinsip kerja dan kalor ini menjadi dasar teori dari sifat makroskopik benda pada sistem kesetimbangan.

Dari kata tersebut mencerminkan apa yang terjadi -- "thermo", berarti temperatur, gambaran dari energi, dan "dynamics", berarti kekuatan atau gaya yang berubah seiring waktu

Kerja.

Basic Thermodynamics Oleh P.B. Nagaraj

Energi didefinisikan sebagai kapasitas dalam melakukan kerja. Ketika energi ditambahkan atau di keluarkan dari sistem, maka sifat termodinamikanya akan mengalami perubahan. Energi berpindah dari atau menuju sistem maksudnya adalah bahwa energi dapat berbentuk sebagai kerja, energi listrik dan kalor. Gaya potensial atau gaya gerak menyebabkan perpindahan energi dari atau menuju sistem. Konsep potensial dapat merujuk kepada sifat mekanik, listrik dan termal.

Energi dari sistem tertutup dapat berubah dengan dua mekanisme, (i) interaksi kerja, (ii) interaksi kalor.

Definisi kerja

Dalam mekanika, kerja didefinisikan sebagai gaya F dalam perpindahan S dan perpindahan tersebut terjadi sesuai dengan gaya yang terjadi

Persamaan tersebut dapat digunakan untuk menghitung kerja yang dibutuhkan untuk menaikkan massa, meregangkan kawat, atau untuk memindahkan partikel bermuatan melalui medan magnet.

Jika sistem memiliki gaya pada batas sistem yang kemudian dipindahkan melewati jarak tertentu, maka terjadi kerja yang dilakukan oleh sistem.

Dalam termodinamika, kerja didefinisikan sebagai banyaknya perpindahan energi diantara sistem dan lingkungan tanpa adanya transfer massa. Kerja dapat dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya jika efek eksternal dapat menaikkan massa.

Contoh 1

Kita pertimbangkan sistem yang yang mencangkup baterai dan dinamo seperti gambar 2.1. dinamo menggerakkan kipas yang menggambarkan efek dari perpindahan kerja dari sistem untuk menggerakkan kipas.

dalam rangka mendefinisikan kerja secara penuh, misalkan kipas diganti dengan suatu katrol dengan beban/massa seperti pada Gambar 2.1. pada sistem tersebut, kipas tidak berputar tetapi pergerakan dinamo akan menarik beban dan bahwa satu-satunya efek adalah tertariknya beban oleh dinamo. pada sistem yang ditunjukkan oleh gambar, efek eksternal satu-satunya ke sistem dapat dikurangi untuk menarik beban dan dengan demikian, kerja dipindahkan dari sistem

Contoh 2

mempertimbangkan ekspansi gas, di dalam silinder. selama ekspansi gas dalam silinder, kerja dilakukan oleh gas pada piston dan beban dapat diangkat melalui tali yang berhubungan. sehingga kerja akan dilakukan oleh gas dan efek tunggal di luar sistem dapat menarik beban.
pada saat energi melintasi batas sistem, energi tersebut akan hilang dan menjadi bagian dari kandungan energi dari sistem atau lingkungan. kerja adalah fenomena sementara dan sistem tidak pernah memiliki kuantitas kerja tertentu pada keadaan tertentu yaitu kuantitas kerja tidak termasuk sifat termodinamika. interaksi kerja hanya mungkin ketika terjadi perubahan keadaan.

Konvensi tanda untuk kerja

Kerja yang dilakukan dari sistem ke lingkungan bernilai positif. Sedangkan kerja yang dilakukan dari lingkungan ke sistem bernilai negatif

+w : kerja dilakukan dari sistem

-w : kerja dilakukan ke dalam sistem

Saat lingkungan melakukan kerja bernilai positif, sistem melakukan kerja bernilai negatif dengan jumlah yang sama dan sebaliknya.

Untuk semua proses berlaku :

Pada suatu mesin, kerja dianggap bernilai negatif untuk kompresi, seperti piston mengkompresi muatan. beberapa kerja dilakukan terhadap sistem. Sama halnya dengan kerja dianggap bernilai positif untuk ekspansi dan mesin memberikan daya. kerja dilakukan oleh sistem untuk menghasilkan daya.

Perpindahan kerja P.dV dalam proses quasi-statis

Kita asumsikan bahwa gas di dalam silinder adalah sistem.

Dengan P1 dan V1 merupakan tekanan dan volume awal dari sistem. P2 dan V2 merupakan tekanan dan volume akhir dari sistem.

Koordinat P1,V1; menggambarkan sistem berada dalam kesetimbangan termodinamik pada keadaan 1. Gas di dalam silinder menghasilkan tekanan pada piston yang merupakan batas yang dapat bergerak dari sistem. Piston bergerak dan mencapai keadaan setimbang yang baru, yaitu keadaan 2.

Dengan menganggap ‘P’ adalah tekanan dan ‘V’ adalah volume pada semua posisi pergerakan piston, titik tengah dari posisi juga merupakan keadaan setimbang.

Ketika piston bergerak melalui jarak yang kecil ‘dx’ dan ‘a’ adalah area dari piston, gaya ‘F’ yang berlakku untuk piston adalah F=P.a. banyaknya kerja yang dilakukan sistem adalah

  (adx=dV=perpindahan volume yang kecil)

Untuk proses quasi statis 1-2 pada gambar, posisi piston berpindah dari posisi 1 ke posisi 2 dan volumenya meningkat dari V1 menjadi V2. Jumlah kerja yang dilakukan oleh sistem adalah

₁W₂ atau

Demikian halnya dengan proses 2-1, dapat dituliskan

₂W₁ atau

Dimana 2-1 adalah proses quasi statis dengan sifat kekentalan, gravitasional dan efek magnetik di abaikan.

Area di bawah garis 1-2 pada diagram P-V menghasilkan jarak dari kerja yang dilakukan oleh sistem. Integral  dapat digunakan hanya untuk proses quasi statis.

Kerja alir

Kerja alir serupa dengan perpindahan kerja. Banyaknya kerja yang dibutuhkan untuk memindahkan suatu fluida ke dalam atau ke luar dari sistem dikenal sebagai kerja alir. Pada sistem terbuka, kerja alir menggambarkan perpindahan energi melalui batas dari sistem. Suatu blower, pompa atau kompresor digunakan untuk melewatkan fluida melewati kontrol volume.

Dengan menganggap bahwa kerja dilakukan oleh piston pada elemen fluida dalam aliran fluida. kerja yang dilakukan oleh piston akibat tekanan luar sehingga piston dapat bergerak adalah

Dengan P adalah tekanan fluida pada piston. dV adalah volume fluida yang memasuki sistem.

Pada area internal (1)-(1) dapat dituliskan sebagai

Sama halnya dengan fluida yang keluar dari sistem pada area (2)-(2)

Ͼ pada per satuan massa, kerja alir, dW=P.V

                     untuk kerja akhir yang tak terbatas

MechanicalWork

The quantitative measurement of work was introduced by Carnot, who defined an amount of work done on an object as the height it is lifted times its weight. This definition was extended by Coriolis, who provided the presently used definition of work: The amount of work done on an object equals the force exerted on it times the distance it is moved in the direction of the force. If a force Fz is exerted on an object in the z direction, the work done on the object in an infinitesimal displacement dz in the

z direction is

where dw is the quantity of work. The SI unit of force is the newton (N _ kgms−2), and the SI unit of work is the joule (J _ kgm2 s−2 _ Nm), If the force and the displacement are not in the same direction, they must be treated as vectors.Avector is a quantity that has both magnitude and direction. Vectors

are discussed briefly in Appendix B.We denote vectors by boldface letters and denote the magnitude of a vector by the symbol for the vector between vertical bars or by the letter in plain type. The amount of work dw can be written as the scalar product of the two vectors F and dr where F is the force exerted on the object and dr is its displacement:

where α denotes the angle between the vector F and the vector dr. The scalar product of the vectors F and dr, denoted by F · dr, is defined by the second equality in Eq. (2.1-2), which contains the magnitudes of the vectors. The product |dr| cos(α) is the component of the displacement in the direction of the force, as shown in Figure 2.1. Only the component of the displacement in the direction of the force is effective in determining the amount of work. There is no work done if the object does not move or if the force and the displacement are perpendicular to each other. For example, if the earth’s orbit around the sun were exactly circular, the sun would do no work on the earth.

The formula in Eq. (2.1-2) can be written in terms of Cartesian components as

For a finite process we can divide the displacement into small steps such that the force is nearly constant in each step. This division is shown schematically in Figure 2.2. The work done on the object in the entire process is obtained by adding the work done in all of the steps. In the limit that the sizes of the steps approach zero the sum becomes an integral. If the displacement and force are both in the z direction this integral is

where we denote an amount of work done in a finite process by w. In order to calculate w for an actual process, we must know how Fz depends on z.

(mortimer page 40-41)

Reversible processes. The paths followed in the PV diagrams of Fig. 1.8 belong to a special  class, of great importance in thermodynamic arguments. They are called reversible paths. A reversible path is one connecting intermediate states all of which are equilibrium states. A process carried out along such an equilibrium path will be called a reversible process.

In order, for example, to expand a gas reversibly, the pressure on the piston must be released so slowly, in the limit infinitely slowly, that at every instant the pressure everywhere within the gas volume is exactly the same and is just equal to the opposing pressure on the piston. Only in this case can the state of the gas- be represented by the variables of state, P and V

Geometrically speaking the state is represented by a point in the PV plane. The line joining such points is a line joining points of equilibrium. Consider the situation if the piston were drawn back suddenly. Gas would rush in to fill the space, pressure differences would be set up throughout the gas volume, and even a condition of turbulence might ensue. The state of the gas under such conditions could no longer be represented by the two variables, P and V. Indeed a tremendous number of variables would be required, corresponding to the many different pressures at different points throughout the gas volume. Such a rapid expansion is a typical irreversible process; the intermediate states are no longer equilibrium states.

It will be recognized immediately that reversible processes are never realizable in actuality since they must be carried out infinitely slowly. All naturally occurring processes are therefore irreversible. The reversible path is the limiting path that is reached as we carry out an irreversible process under conditions that approach more and more closely to equilibrium conditions. We can define a reversible path exactly and calculate the work done

in moving along it, even though we can never carry out an actual change reversibly. It will be seen later that the conditions for reversibility can be closely approximated in certain experiments.