MAKALAH POTENSIAL TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA
DISUSUN OLEH : ANNISA EKA HANDAYANI 1512040015
PENDIDIKAN FISIKA-A JURUSAN FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS NEGERI MAKASSAR TAHUN AKADEMIK 2015/2016
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur saya panjatkan kehadirat Allah SWT atas segala limpahan rahmat dan hidayah-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan penyusunan makalah ini. Saya telah menyusun makalah ini dengan sebaik-baiknya dan semaksimal mungkin. Namun tentunya sebagai manusia biasa tidak akan luput dari kesalahan dan kekurangan. Harapan saya, semoga bisa menjadi koreksi di masa mendatang agar lebih baik dari sebelumnya. Pada dasarnya makalah ini saya sajikan untuk membahas tentang “POTENSIAL TERMODINAMIKA”. Untuk lebih jelas simak pembahasan dalam makalah ini. Mudah-mudahan makalah ini bisa memberikan pengetahuan yang mendalam tentang termodinamika kepada kita semua. Makalah ini masih banyak memiliki kekurangan. Tak ada gading yang tak retak. Oleh karena itu, saya mengharapkan kritik dan saran dari teman-teman untuk memperbaiki makalah saya selanjutnya. Sebelum dan sesudahnya saya ucapkan terimakasih.
Makassar, 24 Mei 2017
Penyusun
DAFTAR ISI
KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB I PENDAHULUAN A.
Latar Belakang
B.
Rumusan Masalah
C.
Tujuan
BAB II PEMBAHASAN A.
Termodinamika
B.
Potensial Termodinamika
C.
Hal-hal yang dibahas dalam Potensial Termodinamika
BAB III PENUTUP DAFTAR PUSTAKA
BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang
Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi. Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya. Hukum keseimbangan / kenaikan entropi: Panas tidak bisa mengalir dari material yang dingin ke yang lebih panas secara spontan. Entropi adalah tingkat keacakan energi. Jika satu ujung material panas, dan ujung satunya dingin, dikatakan tidak acak, karena ada konsentrasi energi. Dikatakan entropinya rendah. Setelah rata menjadi hangat, dikatakan entropinya naik. Proses termodinamik yang berlanggsung secara alami seluruhnya disebut proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlanggsung secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Contohnya kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. Proses reversibel adalah proses termodinamik yang dapat berlanggsung secara bolak-balik. Sebuah sistem yang mengalami idealisasi proses reversibel selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dan lingkungannya. Proses reversibel merupakan proses seperti-kesetimbangan (quasi equilibrium process). Sejarah awal dari AC (Air Conditioner) sudah dimulai sejak jaman Romawi yaitu dengan membuat penampung air yang mengalir di dalam dinding rumah sehingga menurunkan suhu ruangan , tetapi saat itu hanya orang tertentu saja yang bisa karena biaya membangunnya sangatlah mahal karena membutuhkan air dan juga bangunan yang tidak biasa. Hanya para raja dan orang kaya saja yang dapat membangunnya.
Kemudian pada tahun 1820 ilmuwan Inggris bernama Michael Faraday Image menemukan cara baru mendinginkan udara dengan menggunakan Gas Amonia dan pada tahun 1842 seorang dokter menemukan cara mendinginkan ruangan dirumah sakit Apalachicola yang berada di Florida Ameika Serikat. Dr.Jhon Gorrie Image adalah yang menemukannya dan ini adalah cikal bakal dari tehnologi AC (air conditioner) tetapi sayangnya sebelum sempurna beliau sudah meninggal pada tahun 1855. Willis Haviland Carrier Image seorang Insinyur dari New York Amerika menyempurnakan penemuan dari Dr.Jhon Gorrie tetapi AC ini digunakan bukan untuk kepentingan atau kenyamanan manusia melainkan untuk keperluan percetakan dan industri lainnya. Penggunaan AC untuk perumahan baru dikembangkan pada tahun 1927 dan pertama dipakai disbuah rumah di Mineapolis, Minnesota. Saat ini AC sudah digunakan disemua sektor, tidak hanya industri saja tetapi juga sudah di perkantoran dan perumahan dengan berbagai macam bentuk dari mulai yang besar hingga yang kecil.semuanya masih berfungsi sama yaitu untuk mendinginkan suhu ruangan agar orang merasa nyaman.
B. Rumusan Masalah
1. Apa yang dimaksud termodinamika ? 2. Apa yang dimaksud potensial termodinamika ? 3. Apa saja hal-hal yang dibahasa dalam potensial termodinamika ?
C. Tujuan
1. Untuk mengetahui pengertian termodinamika 2. Untuk mengetahui pengertian potensial termodinamika 3. Untuk mengetahui hal-hal yang dibahas dalam potensial termodinamika
BAB II PEMBAHASAN A. Termodinamika
Thermodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesific membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Seperti telah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat gaya magnit, dan lain-lain . Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi. Prinsip thermodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari matahari, dan di bumi energi tersebut berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses didalam diri manusia juga merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam makanan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses thermodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber. energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Pabrik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi panas dan kerja.
Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air conditioning , mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar thermodinamila. Aplikasi thermodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu thermodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin pada abad ke 19. Pengembangan ilmu thermodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik, yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum partikel-partikel zat yang menjadi media pembawa energi, yang disebut pendekatan thermodinamika klasik. Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu thermodinamika modern, atau disebut thermodinamika statistik. Pendekatan thermodinamika statistik dimungkinkan karena perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu dalam menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.
B. Potensial Termodinamika
Potensial termodinamik adalah fungsi termodinamik yang digunakan dalam membahas sifat dan stabilitas suatu sistem termodinamik. Potensial termodinamik yang umum digunakan adalah energi dalam (U), energi bebas Helmholtz (H), energi bebas Gibbs G, entalpi (H) dan potensial grand. Proses termodinamik melibatkan peubah dan fungsi termodinamik tertentu. Secara matematik, biasanya pasangan peubah dan fungsi tertentu lebih elegan dibandingkan jika menggunakan pasangan peubah termodinamik yang lain. Contohnya, peninjauan fisika biasanya menggunakan energi dalam U ( V, T ) sebagai potensial termodinamik, sedangkan dalam kimia digunakan entalpi H ( P,T ). Antara dua peubah ini dapat dilakukan transformasi, yaitu transformasi Legendre.
C. Hal-hal yang dibahas dalam Potensial Termodinamika 1. Fungsi Helmholtz dan Gibbs
Selain energy dalam (U) dan entropi (S) cukup banyak besaran yang dapat didefinisikan berdasarkan kombinasi U, S serta variable keadaan lainnya. Sudah didefinisikan entalpi, H
=+ Ada dua fungsi penting lainnya yakni fungsi Helmholtz, F dan fungsi Gibbs, G
a) Fungsi Helmholtz (F)
Entalphi H = U + PV dan fungsi F = U – TS Tinjau Hukum I Termodinamika dan Hukum II Termodinamika
+ đ = đ + đ − đ = 0 +− đ = 0 +−=0
=
đ
(Tinjauan sistem)
…(1)
Pada volume tetap, maka V = konstan dimana dV=0
+ đ − đ = 0 Dimana đ = = 0 +0− đ = 0 − đ = 0 −=0 …(2) dimana T=konstan, maka TdS dapat dituliskan d(TS), maka persamaan 2 dapat diformulasikan
−
Formulasi inilah yang disebut fungsi Helmholtz(F)
Jika dijadikan dalam diferensial
=− =− =−−
dalam T=konstan
= + đ = đ − đ dimana = ,=
dalam tinjauan sistem đ
= − −− =−−
=−
Energi bebas Helmholtz adalah kerja volum maksimum yang dihasilkan oleh suatu proses reversible yang berlangsung pada suhu tetap. b) Fungsi Gibs
=− =+ Berdasarkan persamaan Hukum I Termodinamika
=+ đ Tinjauan system + đ − đ = 0 đ = đ = Hukum II Termodinamika =−=0 Pada T = tetap, maka TdS dapat ditulis sebagai d(TS) Pada V = tetap, maka PdV dapat ditulis sebagai d(PV) Persamaan 1 dapat diformulasikan
+ − = 0 +− = 0 karena H=U+PV −, Dimana = − =− Penurunan energi bebas Gibbs merupakan kerja maksimum selain kerja volum yang dapat dilakukan oleh sistem dalam proses yang reversibel pada suhu dan tekanan tetap. Potensial Termodinamika Diferensial fungsi Helmholtz dan Gibbs pada system PVT tertutup:
=−→=−− =−+→→=−−++ Karena =− , maka =−− =−+
Dari entalpi:
=+ Dengan meninjau = ,; = ,; = , = , mak:
= = − = − =
= − = − = =
Tampak seperti medan listrik E yang berasal dari potensial listrik ɸ
= −∅∅; = −∅; = −∅ Dari sini tampak analogi T,S,V,P sebagai “medan” dan U,F,G,H sebagai “potensial”. Oleh karena itu keempat besaran terakhir ini seringkali disebut sebagai “potensial termodinamika”. Apabila fungsi Helmholtz F diketahui sebagai fungsi T dan V, maka
= − ( ) = − ( ) = + = − ( ) Variabel lainnya dapat diketahui. Demikian juga jika G diketahui sebagai fungsi T dan P, maka
= ( ) = − ( ) = + = − ( )
2. Relasi Maxwell
Dari: dU = TdS − PdV ; dF = − SdT − PdV ; dG = − SdT + VdP ; dH = TdS + VdP Karena semuanya merupakan diferensial eksak maka:
= − = = − =
3. Keseimbangan
Pengertian suatu sisten dalam “ keadaan seimbang” yaitu apabila system tersebut dalam keadaan seimbang stabil. Definisi tentang sifat-sifat zat pada asalnya terbatas hanya pada keadaan seimbang stabil, menurut definisi ini entropi, fungsi Gibbs dan lain-lain tidak berpengaruh didalamnya. Apabila sejumlah uap pada tekanan yang tetap , tetapi didalamnya tidakk terdapat inti pengembunan, misalnya debu, maka walaupun suhunya lebih rendah dari pada titik embun, tidaklah akan terjadi pengembunan. Keadaan ini akan berlangsung lama dan akan disebut kestabilan metastabil. 4. Syarat Keseimbangan
Persyaratan khusus yang menentukan keadaan stabil, diantaranya: 1) Pada proses ireversibel adiabatik, berlau hubungan
> =0, >0 Ini berarti pada proses ireversibel adiabatik, yang terjadi secara alami, entropi system akan selalu bertambahbesar dan keadaan seimbang baru akan tercapai setelah entropi ini mencapai maksimum, tidak mengalami pertambahan lagi. Jadi syarat keseimbangannya
= 0 =
2) Untuk proses dengan suhu dan volume tetap Fungsi Helmhotz (F) selalu bertambah kecil. Keadaan seimbang akan dicapai bila F telah mencapai nilai minimum.
, = 0 = = 3) Proses dengan suhu dan tekanan tetap Fungsi Gibbs (G) selalu bertambah kecil. Keadaan seimbang akan dicapai bila F telah mencapai nilai minimum.
, = 0 = = 4) Proses dengan entropi dan volume tetap Energy dalam (U) selalu bertambah kecil. Keadaan seimbang akan dicapai bila F telah mencapai nilai minimum.
, = 0 = = 5) Proses dengan tekanan dan entropi tetap Entripi (H) selalu bertambah kecil. Keadaan seimbang akan dicapai bila F telah mencapai nilai minimum.
, = 0 = = 5. Keseimbangan Antar Fase
Jika zat cair dan uapnya dalam keadaan seimbang, maka uap itu dikatakan dalam keadaan jenuh. Ini berarti bahwa banyaknya molekul yang menguap sama dengan molekul yang mengembun. Keadan seimbang ini berkaitan dengan nilai tekanan dan suhu tertentu. Jika suhu T tetap, maka tekanan P juga tetap, walaupun volumenya V berubah. Sebeb adan ya perubahan volume ini diikuti oleh adanya molekul-molekul yang menguap atau mengembun. Oleh karena itu suatu zat dalam beberapa fase yang berada dalam keadaan seimbang mempunyai derajat kebebasan yang lebih kecil dari pada zat itu dalam satu fase. Dua fase dalam keadaan seimbang, memiliki beberapa syarat, diantaranya: 1.
Suhu kedua fesa harus sama, yaitu
=
Syarat ini perlu karena apabila tidak dipenuhi, maka akan ada arus kapasitas yang mengalir dari fase yang suhunya lebih tinggi ke fase yang suhunya lebih rendah. 2.
Tekanan kedua fase harus sama,
=
Syarat ini perlu karena apabila tidak dipenuhi, maka akan terjadi arus di molekul-molekul dari fase yang tekanannya lebih tinggi ke fase yang tekanannya lebih rendah. 3.
= . Fungsi ini jadi = , dan = = = = =
Fungsi Gibbs jenis kedua fase harus sama, tergantung pada suhu dan tekanan,
,. Tetapi ,ℎ , = , = = Maka = ′
6. Persamaan Clausius-Clapeyron
Persamaan Clausius-Clapeyron adalah suatu hubungan yang penting yang melukiskan bagaimana tekanan berubah dengan suhu untuk system yang terdiri atas dua fase dalam keseimbangan. Andaikan suatu cairan dengan uapnya dalam keseimbangan pada tekanan p dan suhu T, sehingga g c = g u. pada suhu T + dT tekanannya adalah p + d p dan fungsi Gibbs jenisnya menjadi g c + d g c dan g u + d g u. Tetapi jika cairan dan uap itu dalam keadaan yang baru ini juga dalam keseimbangan, maka dgc harus sama dengan dgu. Telah diperoleh bahwa D g = -s dT + v d p Jadi dalam keseimbangan ang baru ini, berlaku -sc dT + vc d p = -su dT + vu d p
atau
(su – sc) dT = (vu – vc) d p Akan tetapi selisih entropi jenis ini, (su – sc) sama dengan bahan transformasi (bahang penguapan) 1cu dibagi dengan suhu T, sehingga
) = 1 ( −
Persamaan ini disebut persamaan Clausius-Clapeyron untuk keseimbangan uap cair-uap.Secara geometrik persamaan ini menunjukan kemiringan (slope) garis keseimbangan antara fase cair dan uap pada diagram p-T yang dinyatakan dalam panas transformas, suhu dan volume jenis masing-masing fase. Dengan melakukan penalaran yang sama, maka dapat diperoleh
) = 1 () = 1 ( − − Bahang transformasi berubah dengan suhu, namun selalu positif kecuali untuk He3 pada suhu ya ng lebih rendah dari 0,3 K. suhu T selalu positif dan volume jenis uap selalu lebih besar dati pada volume jenis cairan dan zat padat, sehingga vu- vc dan vu – v p selalu positif. Oleh karena itu kemiringan pada kurva tekanan uap dan kurva tekanan sublimasi, yaitu
dan ,
selalu positif. Namun volume jenis pada fase dapat mungkin lebih besaratau lebih kecil dari pada volume jenispada fase cair. Karena itu kemiringan pada garis keseimbangan padat-cair, mungkin positif mungkin pula negatif. Inilah sebabnya mengapa bidang p-v-T suatu zat seperti air, yang mengembang tatkala membeku, berbeda dengan bidang p-v-T zat lain yang mengerut ketika membeku. Faktor vc- v p adalah negatif untuk zat yang mengembang ketika membeku dan positif untuk zat yang menguncup ketika membeku. Karena itu bidang-bidang keseimbangan padat-cair atau proyeksinya, yang berupa garis pada bidang p-T miring ke kiri-atas untuk zat seperti air yang mengembang ketika membeku, dan miring ke kanan-atas untuk zat yang menguncup ketika membeku. Tetapi proyksi bidang cair-uap dan padat-uap, selalu mempunyai kemiringan yang positif. Untuk perubahan suhu ΔT dan perubahan tekanan Δp yang tidak terlalu besar, maka bahang transformasi dan volume jenis dapat dianggap tetap besarnya, dan kemiringan pada garis keseimbangan lebih kurang sama dengan
nisbah (ratio) perubahan tekanan Δp denga perubahan suhu ΔT , yaitu Δp/ΔT . Demikianlah maka bahang transformasi pada sebarang suhu dapat dicari secara pendekatan dari pengukuran tekanan keseimbangan pada dua suhu yang berdekatan, jika volume jenis yang bersangkutan diketahui. Sebaliknya jika tekanan keseimbangan dan bahang transformasi diketahui pada sebarang suhu, maka tekanan pada suhu yang berdekatan dapat dihitung. Dalam perhitungan semacam ini biasanya diandaikan bahwa uap bekelakuan sebagai gas sempurna. Untuk mengintegralkan persamaan clausius-clapeyron dan untuk memperoleh pernyataan bagi tekanan itu sendiri sebagai fungsi suhu maka bahang transformasi dan volume jenis harus diketahui sebagai fungsi suhu.hal ini merupakan masalah yang penting dalam kimia fisika. Jika perubahan bahang transformasi dapat diabaikan, dan jika salah satu fase adalah uap yang dapat dianggap sebagsi gas sempurna, lagi pula volume jenis fase padat dan cair dapat diabaikan terhadap jenis uap, maka pengintegralan dapat segera dilakukan.
) = 1 = 1 = 1 ( − Atau
= 2 ln = − 1 +ln
BAB III PENUTUP A. Kesimpulan
1. Thermodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesific membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja 2. Potensial termodinamik adalah fungsi termodinamik yang digunakan dalam membahas sifat dan stabilitas suatu sistem termodinamik. Potensial termodinamik yang umum digunakan adalah energi dalam (U), energi bebas Helmholtz (H), energi bebas Gibbs G, entalpi (H) dan potensial grand. 3. Hal-hal yang dibahas dalam potensial termodinamika yakni Fungsi Helmholtz
dan
Keseimbangan, Clapeyron
Gibbs,
Relasi
Keseimbangan
Maxwell,
antar
fase,
Keseimbangan, dan
Persamaan
Syarat Clausiun
DAFTAR PUSTAKA
http://id.wikipedia.org/wiki/Termodinamika http://www.unhas.ac.id/mkufisika/mekstat/node23.html https://www.slideshare.net/MutiaHavina/potensial-termodinamika?from_action=save www.infofisioterapi.com/info/makalah-termodinamika.html
