Rumus Termodinamika, Pengertian, Bunyi Hukum, dan Contoh Soal

unsplash
Penulis: Destiara Anggita Putri
Editor: Safrezi
11/1/2024, 13.10 WIB

Fisika merupakan salah satu mata pelajaran dimana siswa akan mempelajari tentang gejala-gejala alam dari segi materi dan energinya. 

Pada materi fisika SMA, siswa akan mempelajari termodinamika, ilmu yang mempelajari mengenai hubungan energi panas dengan proses teknik kerjanya.

Beberapa contoh benda yang mempunyai hukum termodinamika dalam pengerjaannya yaitu rice cooker atau air conditioner. Pasalnya, Kedua benda tersebut bekerja dengan cara memberikan energi panas pada prosesnya.

Pada artikel ini, akan dibahas secara lengkap mengenai termodinamika, termasuk rumusnya yang penting untuk diketahui. Berikut di bawah ini informasinya. 

Rumus Termodinamika (Freepik)

Pengertian Termodinamika

Dari segi bahasa, termodinamika berasal dari 2 kata bahasa Yunani yaitu “thermos” yang bermakna panas dan “dynamic” yang bermakna dinamis atau perubahan. Dari kedua makna ini bisa disimpulkan bahwa termodinamika adalah sebagai panas yang dinamis atau berpindah-pindah. 

Dengan demikian, hukum termodinamika dapat didefinisikan sebagai proses usaha mengubah kalor (perpindahan energi yang disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi yang tentunya memiliki sifat pendukung yang berbeda.

Bunyi Hukum Termodinamika

Hukum dasar yang berlaku dalam sistem thermodinamika dibagi menjadi 4, yaitu:

1. Hukum Awal (Zeroth Law)

Hukum termodinamika yang pertama adalah Hukum Awal atau Zeroth Law. Hukum Awal Termodinamika ini menyatakan bahwa: 

“Jika terdapat dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.”

Artinya, materi benda akan memiliki kesetimbangan termal antara satu dengan yang lainnya/ universal.

2. Hukum Termodinamika I (Kekekalan Energi)

Hukum termodinamika 1 menyatakan bahwa: 

“Energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan.” 

Oleh karena itu, energi hanya bisa diubah bentuknya energinya saja. Jika dijadikan sebuah persamaan matematis akan menjadi seperti ini:

Q = △U + W

Keterangan:

Q = Kalor atau Panas (diterima maupun dilepaskan) : satuan Joule (J).

△U = Perubahan Energi (Energi akhir dikurangi energi mula – mula) : satuan Joule (J).

W = Usaha : satuan Joule (J).

Persamaan matematis tersebut bisa diartikan bahwa kalor yang diterima maupun dilepaskan dari suatu benda akan menjadi usaha ditambah perubahan energi.

Sifat kalor yang diterima atau kalor yang dilepaskan akan menentukan besaran nilainya, seperti apakah hasil nilainya akan positif (+) atau negatif (-). Untuk lebih jelasnya, silahkan perhatikan sifat kalor berikut ini:

  • Q = positif (+), jika menerima kalor. Q = positif (-), jika melepaskan kalor.
  • W = positif (+), jika melakukan sebuah usaha. W = negatif (-), jika diberikan usaha.
  • △U = positif (+), jika ada penambahan energi. △U = negatif (-), jika mengalami penurunan energi.

3. Hukum Termodinamika 2

Hukum Termodinamika 2 berbunyi:

“Kalor mengalir secara spontan (alamiah) dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.”

Jadi, hukum ini menjelaskan bahwa kalor mengalir secara alami dari suatu objek / benda yang panas atau bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu dingin. Akan tetapi, kalor tidak bisa mengalir secara alami jika reaksi suhunya terbalik, yaitu benda bersuhu dingin ke benda bersuhu tinggi tanpa dilakukan usaha.

4. Hukum Termodinamika 3

Hukum ini berbunyi bahwa sistem yang mencapai temperatur nol absolut (temperatur dalam kelvin), semua prosesnya akan berhenti dan entropi sistem akan mendekat ke nilai minimum. Selain itu, untuk entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. 

Rumus Termodinamika

Dalammenyelesaikan berbagai persoalan termodinamika telah dirumuskan rumus  atau  persamaan termodinamika yaitu:

Rumus Termodinamika (Freepik)

a. Hukum 1 Termodinamika

Q = W + ∆U

Dimana

  • Q = kalor atau panas yang diterima atau dilepas (J)
  • W = energi atau usaha (J)
  • ∆U = perubahan energi (J)

b. Isobarik

W = P ∆V

Dimana

  • W = energi atau usaha (J)
  • P = nilai tekanan sistem (atm)
  • ∆V = perubahan volume (L)

c. Isotermik

W = n R T ln(V2/V1)

Dimana

  • W = energi atau usaha (J)
  • n = molaritas larutan (mol)
  • R = tetapan gas (J/K)
  • V2/V1 = perbandingan volume larutan.

d. Adiabatik

W = -3/2 n R ∆T

Dimana

  • W = energi atau usaha (J)
  • n = molaritas larutan (mol)
  • R = tetapan gas (J/K)
  • ∆T = perubahan suhu (K)

    Contoh Soal Termodinamika 

Agar lebih memahami tentang penerapan rumus termodinamika, berikut ini beberapa contoh soalnya yang bisa dipelajari

Contoh Soal 1

Didalam ruang tertutup terdapat gas yang memuai dengan menyerap kalor sebesar 350 J dan melakukan usaha sebesar 250 Joule. Berapa kenaikan energi dalam gas?
 
Penyelesaian:
 
Diketahui:
 
W = 250 J (melakukan usaha) ; Q = 350 J (kalor ditambahkan)
 
Ditanyakan: ∆U = … ?
 
Jawab:
 
∆U = Q – W = 350 J – 250 J = 100J
 
Kenaikan energi dalam gas tertutup tersebuat adalah sebesar 100 J.

Contoh Soal 2

Suatu gas memiliki volume awal 20 m3 dipanaskan dengan kondisi isobaris hingga volume akhirnya menjadi 80 m3. Jika tekanan gas adalah 2 atm, tentukan usaha luar gas tersebut! (1 atm = 1,01 x 105 Pa).

Pembahasan

Diketahui

V2 = 80 m3

V1 = 20 m3

P = 2 atm = 2,02 x 105 Pa

Penyelesaian

W = P (V2 − V1)
W = 2,02 x 105 x (80 − 20)

W = 12,12 x 106 J

Jadi, usaha luar gas tersebut adalah 12,12 x 106 J

Itulah rangkuman mengenai rumus termodinamika termasuk pengertian, bunyi hukum, dan contoh soalnya yang bisa dipelajari agar paham penggunaan rumusnya.