entropi dan termodinamika

KALOR

sumber: David Halliday, Fisika I, edisi ke-3, Erlangga, 1985
Bila dua sistem yang temperaturnya berbeda-beda disatukan, maka suhu akhir yang dicapai oleh kedua sistem itu berada diantara dua temperatur permulaan tersebut.  Perubahan temperatur  dianggap sebagai perpindahan sesuatu dari suatu benda yang mempunyai temperatur tinggi ke sebuah benda pada temperatur yang lebih rendah, dan sesuatu ini disebut sebagai kalor. Kalor adalah sesuatu yang dipindahkan diantara sebuah sistem dan sekelilingnya sebagai akibat dari hanya perbedaan temperatur.

KUANTITAS KALOR

Satuan kalor Q biasanya didefinisikan secara kuantitatif dalam perubahan tertentu yang dihasilkan di dalam sebuah benda selama proses tertentu. Kalori digunakan  sebagai satuan kalor.  1 kilokalori = 1000 kalori = 3,968 Btu.
Zat-zat berbeda terhadap satu sama lain di dalam kuantitas kalor yang diperlukan untuk menghasilkan suatu kenaikan temperatur yang diberikan di dlam sebuah massa yang diberikan. Perbandingan banyaknya kalor ∆Q yang diberikan pada suatu benda untuk menaikkan temperaturnya sebanyak ∆t disebut kapasitas kalor , yakni tenaga yang harus ditambahkan sebagai kalor untuk menaikkan temperatur suatu benda sebanyak satu derajat.
Secara matematis dinyatakan,
C = kapasitas kalor =
Kapasitas kalor per satuan massa  sebuah benda dinamakan kalor jenis. Secara matematis,
C =  =
Kalor adalah tenaga yang mengalir dari sebuah benda ke sebuah benda lain karena adanya perbedaan temperatur diantara kedua benda tersebut.
Kerja didefinisikan sebagai tenaga yang ditransmisikan dari sebuah sistem  ke sebuah sistem yang lain sedemikian rupa sehingga perbedaan temperatur tidak terlibat secara langsung.
dW = F dx
sebuah contoh sederhana, penggosokan dua permukaan bersama-sama. Tidak ada pembatasan kepada jumlah kalor yang dapat dipindahkan dari sistem ini atau kepada jumlah kerja yang dapat ditaruhke dalam sistem tersebut sehingga tidak ada arti tertentu untuk perkataan seperti” kalor di dalam sistem” atau “ kerja di dalam sistem “. Kuantitas Q dan W merupakan proses termodinamika, dimana sistem tersebut bergerak dari suatu keadaan kesetimbangan ke suatu kesetimbangan yang lain, dengan berinteraksi dengan lingkungannya. Hanya selama proses itulah kita dapat memberi arti kalor dan kerja. Pada akhirnya, Q diidentifikasikan sebagai kalor dan W sebagai kerja.

HUKUM  PERTAMA TERMODINAMIKA

Dalam mekanika, bila sebuah benda dari suatu titik permulaan i ke suatu titik akhir f di dalam sebuah medan gravitasi tanpa ada gesekan, maka kerja yang dilakukan hanya bergantung pada kedudukan kedua-dua titik tersebut dan sama sekali tidak bergantung pada jalan melalui mana benda tersebut digerakkan.Artinya bahwa ada sebuah fungsi dari koordinat ruang benda yang nilai akhirnya dikurangi dengan nilai permulaannya adalah sama dengan kerja yang dilakukan dalam memindahkan sebuah benda tersebut. Kita namakan fungsi tersebut sebagai fungsi tenaga potensial.
Dalam termodinamika,bila keadaan sebuah sistem berubah dari keadaan i ke keadaan f maka kuantitas Q – W  bergantung pada koordinat mula-mula dan akhir dan tidak bergantung sama sekali pada jalan yang diambil di antara titik-titik ujung ini. Kita menyimpulkan bahwa ada sebuah fungsi dari koordinat-koordinat termodinamika yang nilai akhirnya dikurangi nilai permulaannya menyamai perubahan Q – W di dalam proses tersebut. Kita namakan ini sebagai fungsi energi dakhil ( internal energy function ).
Q adalah tenaga yang ditambahkan kepada sebuah sistem melalui perpindahan kalor, dan W adalah tenaga yang diserahkan oleh sistem di dalam melakukan kerja, sehingga menurut definisi, Q – W menyatakan perubahan tenaga dakhil dari sistem tersebut, ditulis dengan simbol U
Energi dalam suatu sistem adalah  jumlah total energi yang terkandung dalam sistem. Energi dalam merupakan jumlah energi kinetik, energi potensial dan segenap bentuk energi lain yang dimiliki atom dan molekul sistem. Khusus untuk gas ideal,  energi dalamnya hanyalah terdiri atas energi kinetik saja, dan hanya bergantung pada suhu saja.
½ m₀ v² = 3/2 kT adalah energi kinetik satu atom, atau molekul gas ideal
Usaha yang dilakukan sistem ∆W ( delta W ) dihitung positif jika sistem melepaskan energi pada lingkungannya. Apabila lingkungan mengadakan usaha pada sistem hingga sistem menerima sejumlah energi maka ∆W ( delta W ) adalah negatif. Apabila fluida berekspansi sedikit (∆V, delta V ) sedangkan tekanannya boleh dianggap tetap P, maka fluida melakukan kerja sebesar :
∆W = p ∆V
Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan bahwa energi adalah kekal. Hukum ini menyatakan jika kalor ∆Q ( delta Q ) masuk ke dalam sistem, energi ini haruslah muncul sebagai penambahan energi dalam sistem ∆U ( delta U ) dan atau / usaha yang dilakukan sistem pada lingkungannya.
Secara matematis, ∆Q = ∆U + ∆W
Proses Isobarik: proses dengan tekanan sistem tidak berubah
Proses Isovolumik: proses dengan volume sistem tidak berubah. Gas yang mengalami proses ini memenuhi:
∆W = p ∆V = 0
Sehingga hukum pertama termodinamika menjadi:
∆Q = ∆U
Yakni kalor yang masuk sistem sebagai penambahan energi dalam sistem.
Proses Isotermik: proses dimana suhu tidak berubah. Untuk gas ideal yang mengalami proses isotermik,
∆U = 0, sehingga ∆Q = ∆W ( gas ideal )
Hal ini tidak berlaku untuk sistem lain, misalnya es mencair pada suhu 0⁰C , ∆U ≠ 0 meskipun proses pencairan  berlangsung pada suhu tetap.
Bila gas ideal mengalami proses sehingga p₁ V₁ berubah menjadi p₂ V₂ dimana p₁ V₁ = p₂ V₂, maka berlaku bahwa
∆Q = ∆W = p₁ V₁ ln V₂/ V₁
Proses adiabatik adalah proses dimana tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem.
Maka ∆Q = 0, sehingga
0 = ∆U + ∆W
Artinya:
Apabila sistem melakukan kerja, energi dalamnya haruslah turun. Apabila kerja dilakukan sistem, energi dalamnya akan naik. Apabila gas ideal mengalami proses adiabatik maka
p₁ V₁^ϒ = p₂ V₂^ϒ
dan T₁ V₁^ϒ-1 = T₂ V₂^ϒ-1
dengan ϒ = c_p/c_n
Efisiensi  atau daya guna mesin kalor dirumuskan sebagai :
Efisiensi = usaha yang dihasilkan / kalor yang dimasukkan
Siklus carnot adalah siklus yang paling efisien yang mungkin untuk suatu mesin kalor. Mesin yang bekerja dengan siklus carnot antara reservoir panas T_h dan reservoir dingin T_c mempunyai efisiensi:
Efisiensi _max = 1 – ( T_c/T_h )
Satuan suhu yang digunakan haruslah Kelvin

Hukum kedua termodinamika

Sumber: Frederick J. Bueche,Fisika, edisi ke-8, 1989
(1)    Kalor secara spontan akan mengalir dari benda yang panas ke benda yang dingin, dan bukan sebaliknya
(2)    Tidak ada mesin kalor yang berputar terus menerus dapat merubah seluruh energi yang masuk menjadi kerja
(3)    Jika suatu sistem mengalami perubahan spontan, maka perubahan akan berarah sedemikian rupa sehingga entropi sistem akan bertambah atau akan bertahan pada nilai sebelumnya
Hukum kedua memberi informasi tentang arah perubahan spontan sedangkan hukum kesatu mengatakan apakah perubahan itu dimungkan atau tidak atas pertimbangan kekekalan energi
Entropi merupakan suatu perubahan keadaan pada sistem yang setimbang. Ini berarti bahwa S ( entropi ) sistem selalu sama, apabila sistem berada dalam keadaan keseimbangan tertentu.
Apabila sistem menyerap kalor sebanyak ∆Q pada suhu mutlak T, maka perubahan entropi yang dialami sistem adalah:
∆S = ∆Q/T
asal perubahan itu reversible ( dapat dibalik ). Satuan SI entropi adalah J/K
Perubahan( atau proses ) disebut reversible bila besaran p,V,T dan U selama perubahan berlangsung mempunyai harga yang tertentu. Jika proses diballik, besaran p, V, T dan U selama proses berlangsung akan bernilai sama seperti sebelumnya, walau dalam urutan yang terbalik. Proses akan akan bersifat reversible bila berlangsung dengan lambat dan sistem harus  selalu berada dalam keadaan keseimbangan.