Termodinamika merupakan hukum yang membahas mengenai energi dan usaha. Terdapat tiga hukum yang menjadi landasan termodinamika, salah satunya adalah hukum termodinamika 1 yang akan kita bahas pada artikel berikut.
Hukum ini sering disebut sebagai kekekalan energi. Mari simak informasi lengkapnya berikut ini.
Daftar ISI
Apa Itu Termodinamika?
Sebelum membahas mengenai hukum termodinamika 1 lebih lanjut, penting bagi kita untuk mengetahui apa itu termodinamika.
Menurut KBBI (Kamus Besar Bahasa Indonesia), termodinamika adalah ilmu yang berfokus pada transformasi energi, perubahaan keadaan, dan kesetimbangan partikel pembentuk gas, zat cair, maupun padat, khususnya yang berhubungan dengan termal.
Secara umum, bidang ini membahas mengenai hubungan energi panas serta cara kerjanya dalam fisika. Energi pada dasarnya dapat berubah bentuk, baik secara alami maupun buatan.
Perubahan-perubahan semacam itulah yang menjadi titik fokus dari termodinamika. Sehingga, bidang studi ini banyak teknisi gunakan untuk merancang berbagai barang elektronik.
Secara harfiah, termodinamika berasal dari bahasa Yunani therme yang memiliki arti panas dan dynamis yang artinya gaya. Sehingga, bidang ini memiliki kaitan erat dengan kalor atau energi panas.
Bunyi Hukum Termodinamika 1
Hukum termodinamika 1 memiliki bunyi, bahwasanya setiap energi tidak bisa terbentuk maupun hancur. Akan tetapi, dapat berubah menjadi bentuk yang lain yang berbeda. Hal ini menunjukkan bahwasanya energi internal pada suatu sistem memiliki jumlah yang tetap.
Selain itu, hukum ini juga menunjukkan bahwasanya setiap energi bisa berubah bentuk menjadi energi lainnya, misalnya pada usaha dan panas. Itulah sebabnya secara tidak langsung hukum termodinamika 1 juga memiliki kaitan dengan hukum kekekalan energi.
Ketika sebuah sistem menerima kalor atau energi panas, maka suhu pada sistem tersebut akan bertambah. Begitu pula sebaliknya, apabila energi panas pada sistem diambil, maka suhunya akan berkurang sehingga volumenya juga berkurang.
Prinsip tersebut menjadikan kekekalan energi sejalan dengan hukum termodinamika 1, bahwasanya perubahan volume pada sistem akan mengakibatkan terjadinya usaha.
Sementara perubahan suhu pada sistem menyebabkan energi dalam sistem berubah. Kalor menjadi salah satu faktor yang menyebabkan terjadinya kedua hal tersebut.
Siklus Termodinamika
Pada hukum termodinamika terdapat siklus yang berperan sebagai sistem pembangkit tenaga. Berikut adalah beberapa siklus yang berperan dalam hukum termodinamika:
1. Siklus Reversibel
Reversible merupakan siklus yang terjadi secara bolak-balik. Kondisi ini terjadi karena adanya perubahan yang dialami menjadi keadaan awal tanpa mempengaruhi perubahan pada keadaan sekitarnya Siklus reversibel tidak menyebabkan kerugian suatu suhu yang mana merupakan akibat dari adanya gesekan atau radiasi.
2. Siklus Irreversibel
Irreversible merupakan perlawanan dari siklus reversible di mana siklus ini tidak dapat terjadi bolak-balik. Ketika terjadi perubahan ke keadaan awal, maka keadaan di sekitar akan ikut terpengaruh, sehingga terjadi kerugian akibat adanya panas.
3. Siklus Carnot
Siklus Carnot merupakan siklus yang terjadi pada mesin kalor Carnot yang bekerja terhadap siklus reversible. Terdapat dua sistem operasi yang bekerja pada siklus ini, yaitu operasi ternal dan operasi adiabatik.
Proses-Proses Hukum Termodinamika 1
Terdapat empat proses dalam hukum termodinamika 1 yang perlu Anda ketahui, yakni:
1. Proses Isotermal
Setiap sistem yang mengalami perubahan energi di dalamnya merupakan bagian dari proses termodinamika. Proses isotermal dalam termodinamika merupakan proses perubahan sistem yang berlangsung dalam suhu tetap atau konstan.
Sehingga pada prosesnya tidak mengakibatkan terjadi perubahan pada energi dalam. Misalnya, ketika memasak popcorn di dalam panci tertutup.
Berdasarkan pada Hukum Termodinamika 1 adalah jumlah kalor atau energi panas sama dengan jumlah usaha yang dilakukan sistem. Hal ini berarti Q = W. Pada proses ini juga berlaku persamaan :
P𝐀 V𝐀= P𝐁 V𝐁
Pada proses isotermal, suhunya tetap sehingga perubahan energi dalam tidak terjadi atau ∆U = 0. Sedangkan usaha dihitung berdasarkan luas daerah pada kurva, dengan persamaan :
W = nRTP𝐧 V𝐁 /V𝐀
2. Proses Isokhorik
Proses isokhorik terjadi ketika zat gas mengalami proses termodinamika pada volume tetap. Akibat zat gas berada dalam volume tetap (∆V = 0), maka tidak terdapat usaha sehingga W = 0.
Sehingga, energi panas yang diberikan juga sama dengan perubahan energi di dalamnya. Pada proses ini, energi panas atau kalor disebut sebagai kalor gas pada volume tetap.
3. Proses Isobarik
Proses isobarik juga disebut sebagai tekanan tetap. Ketika gas mengalami proses termodinamika untuk menjaga tekanan tetap konstan, maka gas tersebut mengalami proses isobarik. Misalnya, ketika air mendidih pada tekanan konstan.
Ketika melakukan usaha, gas akan berada dalam tekanan tetap atau konstan. Keberadaan energi panas dalam proses ini adalah sebagai kalor gas pada tekanan konstan (Qp).
4. Proses Adiabatik
Proses adiabatik dalam hukum termodinamika 1 adalah proses yang terjadi akibat adanya perubahan pada energi internalnya yang dialami gas murni. Selama proses ini bekerja, tidak ada energi dari luar yang dapat masuk, maupun energi dari dalam yang dapat keluar.
Misalnya pada penggunaan pompa pada ban sepeda motor. Persamaan yang berlaku adalah sebagai berikut:
dU = Q – P.dV = – P dV
P Vƴ = K (konstan)
Rumus Hukum Termodinamika 1
Pada hukum termodinamika 1, rumus atau persamaan yang digunakan adalah sebagai berikut :
∆U = Q – W
Keterangan:
Q = kalor atau energi panas (J)
W = energi atau usaha (J)
∆U = perubahan energi yang terjadi (J)
Berdasarkan persamaan di atas, terdapat beberapa syarat yang perlu kita pahami, yakni :
- Q bernilai positif apabila panas atau kalor ditambahkan pada sistem. Sebaliknya, jika panas atau kalor dilepaskan oleh sistem, maka Q akan menjadi negatif.
- Ketika sistem melakukan sebuah usaha, maka nilai W menjadi positif. Sedangkan nilai W akan sama dengan negatif jika sistem menerima usaha dari lingkungan.
- Ketika mengalami kenaikan, ∆U akan bernilai positif. Sedangkan ketika mengalami penurunan, maka ∆U akan bernilai negatif.
Contoh Soal Terkait Hukum Termodinamika 1 dan Pembahasannya
Supaya pemahaman Anda tentang hukum termodinamika 1 semakin mendalam, simak beberapa contoh kasus penerapannya di soal berikut ini:
1. Soal 1
Terdapat energi panas sebesar 3000 J pada sebuah sistem. Apabila sistem tersebut melakukan usaha sebesar 2000 J pada lingkungannya, maka berapakah energi dalam sistem tersebut?
Diketahui:
Q = +3000 J
W = +2000 J
Jawab:
∆U = Q – W = 3000 – 2000 = 1000 J
2. Soal 2
Pada sebuah sistem terdapat energi panas atau kalor sebesar 2500 J yang ditambahkan pada sistem. Apabila usaha yang dilakukan adalah 3000 J, maka perubahan energinya adalah sebesar…
Diketahui:
Q = +2500 J
W = -3000 J
Jawab:
∆U = Q – W = 2500 – (-3000)
∆U = 2500 + 3000 = 5500 J
3. Soal 3
Pada suatu sistem sebanyak 2000 J energi panas lepas dari sistem. Sedang lingkungannya melakukan usaha sebesar 2500 J. Berapakah perubahan energi yang terjadi pada sistem?
Diketahui:
Q = -2000 J
W = -2500 J
Jawab:
∆U = Q – W = -2000 – (-2500)
∆U = -2000 + 2500 = 500 J
4. Soal 4
Pada sebuah tabung pada awalnya memiliki volume sebesar 500 cm³. Setelah itu ditambahkan beban 1 kg pada piston, sehingga volume berubah menjadi 400 cm³.
Apabila terjadi penyusutan pada piston tersebut dan penyusutan terjadi serta membebaskan kalor sebanyak 2 kalori. Berapa perubahan energi dalam gas, jika diketahui luas permukaan piston sebesar 10 cm²?
Diketahui:
V1 = 500 cm³ = 5 x 10‐⁴ m³ → (1 cm³ = 10‐⁶ m³)
V2 = 400 cm³ = 4 x 10‐⁴ m³
m = 1 kg
Q = -2 kal = -4,8 J → (1 kal = 2,4 J)
A = 10 cm²= 10-³ m²→ (1 cm² = 10-⁴ m²)
Jawab:
P = F/A = (m.g)/A = (1)(10)/ 10-³= 10⁴N/m
W = P x ∆V = P x (V2 – V1)
= 10⁴ (4 x 10-⁴ – 5 x 10-⁴) = -100 = -1 J
∆U = Q – W = -4,8 – (-1) = -3,8 J
Sudah Paham Mengenai Hukum Termodinamika 1 dan Kaitannya dengan Kekekalan Energi?
Nah, berdasarkan penjelasan di atas, dapat kita ketahui bahwasanya prinsip hukum termodinamika 1 dan kekekalan energi serupa dan sejalan, sehingga keduanya sering kali dikaitkan. Energi panas atau kalor dan usaha dalam hal ini menjadi salah satu faktor penentu perubahan energi yang terjadi.
Energi dan usaha yang diserap dan dilepaskan oleh sistem mempengaruhi volume dari energi dalam sistem itu. sendiri. Keduanya dapat menyebabkan berkurang maupun bertambahnya energi.
