Prinsip Ekuipartisi Energi

Pada subbab A, Anda telah mempelajari hubungan antara variabel-variabel yang menyatakan keadaan suatu gas dalam ruangan tertutup. Untuk mengamati keadaan gas tersebut, dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu cara makroskopis dan mikroskopis. Jika Anda mengamati keadaan suatu gas dalam ruang tertutup berdasarkan besaran-besaran yang dapat dilihat atau diukur secara langsung, Anda dikatakan melakukan pengamatan secara makroskopis. Namun, jika pengamatan yang Anda lakukan berdasarkan pada variabel atau besaran yang tidak dapat dilihat atau diukur secara langsung, Anda dikatakan melakukan pengamatan secara mikroskopis.

Pengamatan keadaan gas secara makroskopis telah Anda lakukan dan pelajari pada subbab A. Pada subbab B ini, Anda akan mempelajari keadaan gas yang diamati secara mikroskopis serta hubungan antara besaran makroskopis dan besaran mikroskopis.

1. Tinjauan Tekanan Secara Mikroskopis

Berdasarkan sifat-sifat gas ideal, Anda telah mengetahui bahwa setiap dinding ruang tempat gas berada, mendapat tekanan dari tumbukan partikel-partikel gas yang tersebar merata di dalam ruang tersebut. Cobalah Anda amati gerak satu partikel yang berada di dalam ruang berbentuk kubus dengan panjang rusuk kubus L. Massa partikel tersebut adalah m dan kecepatan partikel menurut arah sumbu-x dinyatakan sebagai v_x (perhatikan Gambar 7).

Gambar 6. Sebuah partikel bergerak dengan kecepatan vx dalam ruang berbentuk kubus berusuk L.

Jika partikel gas ideal tersebut menumbuk dinding ruang, tumbukan yang terjadi adalah tumbukan lenting sempurna. Oleh karena itu, jika kecepatan awal partikel saat menumbuk dinding A adalah +v_x, kecepatan akhir partikel setelah terjadinya tumbukan dinyatakan sebagai - v_x. Perubahan momentum (Dp_x) yang dialami partikel adalah Dp_x = p_akhir – p_awal = -mv_x - (mv_x) = -2mv_x.

Setelah menumbuk dinding A, partikel gas ideal tersebut menumbuk dinding B. Demikian seterusnya, partikel gas tersebut akan bergerak bolak-balik menumbuk dinding A dan dinding B. Dengan demikian, Anda dapat menghitung selang waktu antara dua tumbukan yang terjadi pada dinding A dengan persamaan :

Dt = 2L / v_x                                        (1–15)

Pada saat partikel gas tersebut menumbuk dinding, partikel memberikan gaya sebesar F_x pada dinding. Pada pelajaran mengenai momentum, Anda telah mempelajari bahwa besarnya gaya yang terjadi pada peristiwa tumbukan sama dengan laju perubahan momentumnya (F = Dp / Dt). Dengan demikian, besar gaya F_x tersebut dapat diketahui sebagai berikut.

F_x = mv_x² / L                                    (1–16)

Jika di dalam ruang berbentuk kubus tersebut terdapat sejumlah N partikel gas, yang kecepatan rata-rata seluruh molekul gas tersebut dinyatakan dengan v_x, gaya yang dialami dinding dinyatakan sebagai F_total. Dengan demikian, Persamaan (1–16) dapat dinyatakan menjadi :

      (1–17)

Anda dapat mencari besarnya tekanan (p) yang dilakukan oleh gaya total (F_total) yang dihasilkan oleh N partikel gas ideal tersebut pada dinding A.

p = F_total / A

Oleh karena luas dinding adalah perkalian antara dua panjang rusuk dinding tersebtu (A = L²  maka persamaan tekanan pada dinding dapat ditulis dengan :

 (1–18)

atau ;

pV = Nmv_x²                           (1–19)

dengan: 

p = tekanan pada dinding, dan

V = volume ruang.

Dalam tinjauan tiga dimensi (tinjauan ruang), kecepatan rata-rata gerak partikel merupakan resultan dari tiga komponen arah kecepatan menurut sumbu-x (), sumbu-y (  ), dan sumbu-z (  ), yang besarnya sama. Oleh karena itu, dapat dituliskan  dengan    . Jika setiap komponen pada kedua ruas penamaan kecepatan tersebut dikuadratkan, dapat dituliskan :

sehingga diperoleh,

Dengan demikian, Persamaan (1–19) dapat diubah menjadi :

            (1–20)

atau

              (1–21)

dengan: 

N = banyaknya partikel gas,

m = massa 1 partikel gas,

v = kecepatan partikel gas, dan

V = volume gas.

Azas Black

 

Joseph Black (16 April 1728 - 6 Desember 1799) adalah seorang dokter dan ahli kimia Skotlandia, yang dikenal untuk penemuannya panas laten, panas spesifik, dan karbon dioksida. Dia adalah profesor Kedokteran di University of Glasgow (di mana ia juga menjabat sebagai dosen di Kimia).

James Watt, yang ditunjuk sebagai pembuat instrumen filosofis di universitas yang sama pada 1775, berkonsultasi dengan Black pada percobaan dengan mesin uap skala kecil. Watt dan Black juga bekerja sama dalam sebuah proyek untuk memproduksi natrium hidroksida,. Namun, Black tidak diketahui memiliki kepentingan bisnis dalam proses, yang tidak menikmati sukses komersial bangunan kimia di kedua Universitas Edinburgh dan Universitas Glasgow diberi nama setelah Hitam.

Awal Tahun

        Joseph Black lahir di Bordeaux, Perancis, di mana ayahnya, yang berasal dari Belfast, Irlandia, terlibat dalam perdagangan anggur. Ibunya berasal dari Aberdeenshire, Skotlandia, dan keluarganya juga dalam bisnis anggur.Ia masuk Universitas Glasgow ketika dia berusia delapan belas tahun, dan empat tahun kemudian ia pergi ke Edinburgh untuk belajar medis lebih lanjut.

Keseimbangan Analitis

       Pada sekitar tahun 1750, Joseph Black mengembangkan keseimbangan analitis berdasarkan pada balok ringan seimbang pada titik tumpu berbentuk baji. Setiap lengan membawa panci di mana sampel atau bobot standar ditempatkan. Ini jauh melebihi keakuratan saldo lain waktu dan menjadi instrumen ilmiah penting di sebagian besar laboratorium kimia.

Pada 1757, ia diangkat sebagai Profesor Regius Praktek Kedokteran di University of Glasgow.

Panas Laten

       Pada 1761 Black menyimpulkan bahwa penerapan panas ke es pada titik leleh tidak menyebabkan kenaikan temperatur dari campuran es / air, melainkan peningkatan jumlah air dalam campuran. Selain itu, Black mengamati bahwa penerapan panas ke air mendidih tidak mengakibatkan kenaikan suhu campuran air/uap, melainkan peningkatan jumlah uap. Dari pengamatan tersebut, ia menyimpulkan bahwa panas yang diterapkan harus dikombinasikan dengan partikel es dan air mendidih dan menjadi laten. Teori panas laten menandai awal termodinamika.Black teori panas laten adalah salah satu nya kontribusi ilmiah yang lebih penting, dan satu di mana ketenaran ilmiahnya terutama bersandar. Ia juga menunjukkan bahwa zat-zat yang berbeda memiliki spesifik yang berbeda memanas.

Ini semua terbukti penting tidak hanya dalam perkembangan ilmu pengetahuan abstrak tetapi dalam pengembangan mesin uap.Panas laten air sangat besar dibandingkan dengan banyak cairan lainnya, sehingga memberikan dorongan untuk upaya sukses James Watt untuk meningkatkan efisiensi mesin uap ditemukan oleh Thomas Newcomen. Watt menambahkan kondensor terpisah, dan terus silinder pada suhu uap (dengan melampirkan dalam jaket uap penuh) sehingga menyimpan sejumlah besar energi dalam menghindari pemanasan silinder pada setiap siklus mesin.

Karbondioksida

       Black juga menjelajahi sifat dari gas yang diproduksi dalam berbagai reaksi. Dia menemukan bahwa batu kapur (kalsium karbonat) dapat dibakar atau diberikan asam dan menghasilkan gas yang dia namakan "udara tetap".Dia mengamati bahwa udara tetap lebih padat daripada udara dan tidak mendukung baik nyala atau kehidupan binatang. Black juga menemukan bahwa ketika ditiupkan melalui larutan kapur (kalsium hidroksida), itu akan memicu kalsium karbonat. Dia menggunakan fenomena ini untuk mengilustrasikan bahwa karbon dioksida dihasilkan dari pernapasan hewan dan fermentasi mikroba.

Kehidupan Pribadi

        Pada tahun 1757 atau 1758 Hitam menjadi teman dari James Watt, yang pertama kali memulai studinya pada tenaga uap di Universitas Glasgow pada 1761. Dia memberikan pembiayaan yang signifikan dan dukungan lainnya untuk penelitian awal Watt pada mesin uap. Black juga adalah anggota dari Poker dan terkait dengan David Hume, Adam Smith, dan sastrawan dari Pencerahan Skotlandia. Hitam tidak pernah menikah. Dia meninggal di Edinburgh pada usia 71, dan dimakamkan di sana di Greyfriars Kirkyard. Pada tahun 2011 peralatan ilmiah diyakini milik Hitam ditemukan selama penggalian arkeologi di University of Edinburgh.

Asas Black

       Asas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh Joseph Black.Bunyi Asas Black adalah sebagai berikut:

"Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah" Asas ini menjabarkan:

-Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang panas memberi kalor pada              benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama.

-Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas.

-Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan.

dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah"

Rumus Asas Black

Secara umum rumus Asas Black adalah :

Qlepas = Qterima

keterangan :

-Qlepas adalah jumlah kalor yang dilepas oleh zat

-Qterima adalah jumlah kalor yang diterima oleh zat

dan rumus berikut adalah penjabaran dari rumus diatas :

(M1 X C1) (T1-Ta) = (M2 X C2) (Ta-T2)

Keterangan :

M1 = Massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi

C1 = Kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi

T1 = Temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih tinggi

Ta = Temperatur akhir pencampuran kedua benda

M2 = Massa benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

C2 = Kalor jenis benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah

T2 = Temperatur benda yang mempunyai tingkat temperatur lebih rendah.

Catatan : Pada pencampuran antara dua zat, sesungguhnya terdapat kalor yang hilang ke lingkungan sekitar. Misalnya, wadah pencampuran akan menyerap kalor sebesar hasil kali antara massa, kalor jenis dan kenaikan suhu wadah.

Ilmuwan Fisika Termodinamika : Benjamin Thompson

Benjamin Thompson atau 'Count Rumford' (1753 – 1814) adaah penemu, ilmuwan, negarawan, dan tentara terkenal kelahiran Amerika. Benjamin Thompson dilahirkan di Woburn Utara, Massachusetts pada tanggal 26 Maret 1753 beragama Anglican. Ayahnya adalah seorang petani dan meninggal ketika Benjamin Thompson berumur 2 tahun. Ibunya, Ruth Simonds menikah lagi dengan Josiah Pierce pada bulan Maret 1976. Di masa kecilnya, Benjamin Thompson memiliki keterbatasan untuk sekolah sehingga dia lebih banyak belajar sendiri dan kemudian mendapat banyak pengetahuan dari teman dan kenalannya.



Pada usia 13 tahun, Benjamin Thompson mulai melakukan beberapa pekerjaan seperti menjadi juru tulis seorang importer, pedagang bahan kering dan kemudian magang di Doctor John Hay of Woburn, dimana Thompson mendapatkan banyak pengetahuan tentang ilmu medis. Bakat Thompson dalam bekerja dengan alat mekanis dan kemampuan bahasanya yang sangat baik membuat John Fowle, salah satu guru lulusan Harvard, membantunya untuk belajar dengan Professor John Winthrop di Harvard.



Pada tahun 1772, Thompson meninggalkan kota kelahirannya dan mengajar di salah satu sekolah di Bradford, Massachusetts sambil mempelajari ilmu pengetahuan pada Samuel Williams. Tidak beberapa kemudian, Thompson berpindah mengajar di Concord, New Hampshire atas undangan dari Timothy Walker. Di sana Benjamin Thompson hidup menumpang dan kemudian menikahi anak dari tuan rumahnya, Sarah Walker Rolfe yang merupakan janda kaya di daerah Concord. Istrinyalah yang memperkenalkan Thompson pada Gubernur Wentworth dari New Hampshire dan mengangkatnya menjadi mayor di New Hampshire Militia.



Pada saat revolusi Amerika meledak, Thompson diajak bergabung dengan Amerika untuk melawan Inggis karena dia memiliki hubungan penting dengan pemerintah Inggris namun dia menolak. Benjamin Thompson meninggalkan keluarganya di Amerika pada tahun 1974 dan bergabung dengan pemerintah Britania Raya (Inggris) sebagai penasihat Jenderal Thomas Gage. Pada tahun 1776, Thompson bekerja sebagai juru tulis di Sekretariat Negara kemudian jabatannya terus naik menjadi Sekretaris Provinsi Georgia, dan pada tahun 1779 Benjamin Thompson menjadi salah satu anggota Royal Society.



Selain politik, dunia militer juga digeluti oleh Benjamin Thompson. Benjamin Thompson pernah menjabat sebagai letnan kolonel pasukan Britania Raya dan mendapatkan gelar kesatrian dari Raja George III. Pada tahun 1785, Benjamin Thompson bergabung bersama pasukan Austria untuk melawan Turki dan di sana dia berkenalan dengan Pangeran Maximillian dari Bavaria yang mengundangnya untuk tinggal Bavaria. Thompson tinggal di Bavaria selama beberapa tahun untuk memimpin pasukan Bavaria yang kurang mendapatkan perhatian dan penghidupan yang layak, kemudian membuat perubahan besar di daerah tersebut.



Para tentara diberi bayaran lebih tinggi, dibuatkan sarana rekreasi, dan diberikan pendidikan gratis baik untuk tentara maupun anak-anak mereka. Benjamin Thompson juga memberikan penghasilan kepada pengemis jalanan dengan mempekerjakan mereka untuk menjahit pakaian tentara Bavaria yang kurang layak pakai. Pada tahun 1971, Benjamin Thompson dianugerahi gelar Count of the Holy Roman Empire.



Di samping mengurusi masalah politik dan militer, Thompson juga aktif meneliti berbagai hal, terutama bidang Fisika. Sekitar tahun 1975, Benjamin Thompson meneliti tentang gaya pada bubuk mesiu dan membangun sistem sinyal kelautan yang baru bagi tentara Inggris. Kontribusinya yang terbesar pada dunia Fisika adalah pemikirannya tentang teori kalor. Pada akhir abad ke-18, teori kalori yang dipercaya adalah bahwa kalor merupakan fluida yang dapat mengalir ke dalam tubuh ketika dipanaskan dan mengalir keluar ketika didinginkan.



Saat meneliti tentang bubuk mesiu, Benjamin Thompson menemukan adanya penyimpangan atau anomali yang tidak dapat dijelaskan dengan teori kalori. Di dalam laporannya kepada Royal Society yang berjudul "An Experimental Enquiry concerning the Source of Heat excited by Friction" (1798), Benjamin Thompson mengajukan suatu teori baru yang menyatakan bahwa kerja mekanis akan menghasilkan kalor dan kalor tersebut merupakan suatu bentuk gerak. Teori tersebut berhasil memberikan penjelasan mengapa panas yang dihasilkan dari gesekan peluru meriam (bubuk mesiu) tidak akan pernah habis. Peristiwa itu tak dapat dijelaskan dengan teori kalori terdahulu.



Di dalam laporan tersebut terdapat perhitungan jumlah kuantitas kalor yang diproduksi oleh energi mekanis. Teori yang dikemukakan Thompson bertentangan dengan teori kalori yang terdahulu dan banyak orang pada saat itu yang tidak yakin dengan Thompson hingga James Maxwell mengemukakan teori kinetik kalor pada tahun 1871. Penemuan-penemuan Thompson lainnya adalah kompor, oven, ketel ganda, dan pakaian penahan panas, serta mengembangkan cerobong asap dan tungku perapian yang ada.



Pada tahun 1804, Thompson menetap di Paris dan menikah dengan Madame Lavoisier, janda seorang ahli kimia Perancis, Antoine Lavoisier. Pernikahan tersebut hanya bertahan beberapa tahun dan pada 1807 Benjamin Thompson pensiun dan menetap di desa Auteuil dekat Paris. Thompson menjadi anggota Institusi Nasional Perancis sebagai dan secara rutin berkontribusi dalam berbagai pertemuan dan debat ilmu pengetahuan. Penghargaan yang pernah diraihnya adalah Copley Medal. Setelah perceraiannya, Thompson dirawat oleh anak perempuannya hingga pada tanggal 21 Agustus 1814, Benjamin Thompson meninggal di Auteuil, Paris pada usia 61 tahun. Dibangun Monumen Benjamin Thompson di English Garden.

SISTEM 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 dibumi 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 maka nan 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.

Sistem termodinamika adalah sejumlah tertentu dari materi yang terkandung dalam suatu permukaan tertutup. Permukaan tersebut biasanya sangat mudah dikenali seperti misalnya silinder yang menyimpan gas pada gambar 1.1. Akan tetapi dapat pula berupa suatu pembataas imajiner seperti batas berubah bentuk yang mengelilingi sejumlah massa tertentu yang mengalir melalui suatu pompa. Pada gambar 1.1, yang dimaksud dengan sistem adalah gas bertekanan, fluida kerjadnya, sedangkan yang menjadi batas sistemnya ditunjukkan oleh garis putus-putus.

Semua materi dan ruang yang berada di luar suatu sistem kolektif disebut sebagi lingkungan (surrounding) dari sistem tersebut. termodinamika berurusan dengan interaksi antara suatu sistem dengan lingkungannya, atau antara suatu sistem dengan sistem lainnya. Suatu sistem berinteraksi dengan lingkungannya melalui transfer energi melewati pembatasnya. Tidak ada materi yang melintasi pembatas dari suatu sistem. Jika sistem tersebut tidak bertukar enegeri dengan lingkungannya, sistem tersebut disebut sistem terisolasi.

Dalam banyak kasus, analisis disederhanakan jika focus perhatiannya adalah suatu volume dalam ruang ke mana, atau dari mana, suatu zat (substance) mengalir. Suatu volume demikian disebut volume kontrol (control volume). Pompa, turbin, balon pemompa (inflating balloon), adalah contoh-contoh dari volume kontrol. Permukaan yang secara penuh mengelilingi volume kontrol disebut suatu permukaan kontrol (control surface).

JENIS-JENIS SISTEM TERMODINAMIKA

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

1. Sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.

 Sistem yang tidak mengakibatkan terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
            Termos Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.2. Mesin kendaraan bermotor Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.

1.    Sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkanh sebagai sifat pembatasnya:

Ø  pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

Ø  pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

                   Pada Sistem tertutup  terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya bisa berubah. Yang dapat keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam bentuk panas atau kerja.   Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. Selain itu Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja.

2.    Sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan  pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

            Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pecampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

            Sistem terbuka yaitu terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau masuk kedalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesinmesin konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistemmelalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah merupakan sistem thermodinamika terbuka, karena secara simultan ada energi dan masa keluar-masuk sistem tersebut.

SISTEM DAN PERSAMAAN KEADAANNYA

Persamaan keadaan adalah persamaan termodinamika yang menggambarkan keadaan materi di bawah seperangkat kondisi fisika. Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume dan energi dalam. Persamaan keadaan berguna dalam menggambarkan sifat-sifat fluida, campuran fluida, padatan, dan bahkan bagian dalam bintang.  Penggunaan paling umum dari sebuah persamaan keadaan adalah dalam memprediksi keadaan gas dan cairan. Salah satu persamaan keadaan paling sederhana dalam penggunaan ini adalah hukum gas ideal, yang cukup akurat dalam memprediksi keadaan gas pada tekanan rendah dan temperatur tinggi. Tetapi persamaan ini menjadi semakin tidak akurat pada tekanan yang makin tinggi dan temperatur yang makin rendah, dan gagal dalam memprediksi kondensasi dari gas menjadi cairan. Namun demikian, sejumlah persamaan keadaan yang lebih akurat telah dikembangkan untuk berbagai macam gas dan cairan. Saat ini, tidak ada persamaan keadaan tunggal yang dapat dengan akurat memperkirakan sifat-sifat semua zat pada semua kondisi.

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dalam keadaan pasti (atau keadaan sistem).  Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem dispesifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur di mana sistem itu membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem. Bagian selanjutnya dalam seksi ini hanya mempertimbangkan properti, yang merupakan fungsi keadaan.  Jumlah properti minimal yang harus dispesifikasikan untuk menjelaskan keadaan dari sistem tertentu ditentukan oleh Hukum fase Gibbs. Biasanya seseorang berhadapan dengan properti sistem yang lebih besar, dari jumlah minimal tersebut.  Pengembangan hubungan antara properti dari keadaan yang berlainan dimungkinkan. Persamaan keadaan adalah contoh dari hubungan tersebut.

Di dalam fisika dan termodinamika, persamaan keadaan adalah persamaan termodinamika yang menggambarkan keadaan materi di bawah seperangkat kondisi fisika. Persamaan keadaan adalah sebuah persamaan konstitutif yang menyediakan hubungan matematik antara dua atau lebih fungsi keadaan yang berhubungan dengan materi, seperti temperatur, tekanan, volume dan energi dalam. Persamaan keadaan berguna dalam menggambarkan sifat-sifat fluida, campuran fluida, padatan, dan bahkan bagian dalam bintang.

Ø  Keadaan seimbang mekanis : Sistem berada dalam keadaan seimbang mekanis, apabila resultan semua gaya (luar maupun dalam) adalah nol

Ø  Keadaan seimbang kimiawi : Sistem berada dalam keadaan seimbang kimiawi, apabila didalamnya tidak terjadi perpindahan zat dari bagian yang satu ke bagian yang lain (difusi) dan tidak terjadi reaksi-reaksi kimiawi yang dapat mengubah jumlah partikel semulanya ; tidak terjadi pelarutan atau kondensasi. Sistem itu tetap komposisi maupun konsentrasnya.

Keadaan seimbang termal : sistem berada dalam keadaan seimabng termal dengna lingkungannya, apbiala koordinat-kooridnatnya tidak berubah, meskipun sistem berkontak dengan ingkungannnya melalui dinding diatermik. Besar/nilai koordinat sisterm tidak berubah dengan Ø  perubahan waktu.

Ø  Keadaan keseimbang termodinamika : sistem berada dalam keadaan seimbang termodinamika, apabila ketiga syarat keseimbangan diatas terpenuhi. Dalam keadan demikian keadaan keadaan koordinat sistem maupun lingkungan cenderung tidak berubah sepanjang massa. Termodinamika hanya mempelajari sistem-sistem dalam keadaan demikian.

Dalam keadan seimbang termodinamis, hanya dua diantara ketiga koordinat sistem merupakan variabel bebas.

Contoh : Sistem = penjumlahan gas dalam bejana. Perhatikan tiga koorinatnya P, V dan T (dari jumlah 8 yang ada). Kalau V dan T ditentukan terlebih dahulu secara bebas (misal gas dimasukkan dalam bejana tertentu, dan dipanasi sampai suhu tertentu), maka tekannya sudah memiliki nilai tertentu tidak dapat dapat kita tentukan secara bebas. Berlaku : f(P,V,T)=0 disebut persamaan keadaan gas.

Beberapa sistem termodinamika (Jumlah partikel tetap) :

o   Sistem hidrostatik

Sistem hidrostatik = gas, cairan, padatan (atau campurannya) suatu zat kimiawi, tanpa memperhatikan sifat listrik dan sifat magnetiknya.

Disebut zat murni, apabila terdiri atas 1 senyawa kimiawi saja,misal H₂O Disebut zat tak murni, apabila terdiri atas campuran atas beberapa zat murni, misalnya O₂ dan N₂.

Persamaan keaadaanya : f(P,V,T)=0 misalnya PV=nRT, disebut persamaan gas ideal.

     

• Sistem paramagnetik 

Sistem paramagnetik = gas, cairan, padatan (atau campurannya) dari zat yang bersifat paramagnetik, seperti Al, Ca, Cr, Mg dll. Atom-atom ini memiliki momen (atau dipol) magnetik  (atau Pm) tertentu dan karenanya merupakan magnet kecil disebut magnet elementer. Momen magnet ini bersumber pada elektron yang mengelilingi inti dalam kulit (atau subkulit) yang tidak penuh seluruhnya. Momen magnet atom dinyatakan dalam satuan (nol) SI yang disebut magneton Bohr . Pertama-tama sistem paramagnetik mamiliki suatu koordinat yakni besaran-besaran yang menyatakan kuat medan magnet luar, disebut induksi magnet B

•    Sistem dielektrik

Apabila zat dielektrik dimasukkan dalam medan magnet έ , terjadilah polarisasi atom (atau molekkul) didalamnya, yakni karena imbas medan listrik luar itu, pusat muatan positif inti dan elektron atom tidak lagi berimpit, melainkan agak tegeser, hingga atom (molekul) menyerupai dipol listrik kecil.

Benda dielektrik secara kesluruhan memiliki apa yang disebut polarisasi P , yang secara termodinamis merupakan salsah satu koordinat sistem dielektrik. Koordinat yang lain tentunya medan listrik  , karena mereka saling mempengaruhi

•  Dawai tegang

Dawai yang diberi tegangan juga dapat dilihat sebagai suatu sistem termodnamika.

o   Selaput tipis (thin layer), misalnya minyak diatas air

o   Sel listrik (aki)

Macam-macam perubahan wujud zat

2.          Adapun macam-macam perubahan wujud zat, meliputi :

a.  Mencair

     Pencairan atau Peleburan (kadang-kadang disebut fusi) adalah proses yang menghasilkan perubahan fase zat dari padat ke cair. Energi internal zat padat meningkat (biasanya karena panas) mencapai temperatur tertentu (disebut titik leleh) saat zat ini berubah menjadi cair.Benda yang telah mencair sepenuhnya disebut benda cair.

     Pada saat melebur zat memerlukan kalor dan saat membeku zat melepaskan kalor.Banyaknya kalor yang diperlukan suatu zat pada saat melebur, di titik leburnya disebut kalor beku, sedangkan banyaknya kalor yang dilepaskan suatu zat pada saat membeku di titik bekunya disebut kalor lebur. Pada tekanan tertentu kalor lebur sama dengan kalor beku dan titik lebur sama dengan titik beku, kalor beku dan kalor lebur juga disebut kalor laten (kalor tersembunyi), yaitu kalor laten beku dan kalor laten lebur. Pada saat percobaan diperoleh suatu kesimpulan bahwa kalor yang diperlukan atau dilepas untuk melebur atau membeku sebanding dengan massanya dan tergantung jenis bendanya.

         b.  Membeku

          Membeku adalah proses perubahan wujud suatu zat dari cair menjadi padat. Sebagai contoh, pada suhu tertentu air dapat membeku menjadi es. Proses membekunya suatu zat biasanya terjadi pada suhu yang rendah. Suhu ketika suatu zat cair berubah wujud menjadi padat dinamakan titik beku. Setiap benda memiliki titk beku yang berbeda-beda Titik beku merupakan sifat fisika benda yang dapat digunakan utnuk meramalkan bentuk zat pada suhu tertentu.

         c.  Menguap

           Menguap adalah proses perubahan wujud suatu zat dari bentuk cair menjadi gas atau uap. Suhu ketika suatu zat cair berubah menajdi uap disebut dengan titik uap.

           Ketika suatu zat cair dipanaskan pada tekanan normal (1 atm), maka pada suhu tertentu akan terlihat pada seluruh bagian zat cair timbul gelembung-gelembung yang bergerak ke atas dan kemudian pecah saat mencapai permukaan. Pada keadaan yang demikian, zat cair dikatakan mendidih. Ketika suatu zat cair mendidih, maka hampir tiap bagian zat segera berubah menjadi uap. Berdasarkan hal ini, maka titik uap sering disebut dengan titik didih. Sebagai contoh, air murni mendidih ketika mencapai suhu + 100 pada tekanan normal (1 atm), dan pada keadaan tersebut partikel-partikel air akan berubah menjadi gas.

          d.  Mengembun

             Kondensasi atau pengembunan adalah perubahan wujud

      benda ke wujud yang lebih padat, seperti gas (atau uap) menjadi cairan. Kondensasi terjadi  ketika uap didinginkan menjadi cairan, tetapi dapat juga terjadi bila sebuah uap dikompresi(Yaitu tekanan yang ditingkatkan) menjadi cairan, atau mengalami kombinasi dari pendinginan dan kompresi. Cairan yang telah terkondensasi dari uap disebut kondensat.Pada pengembunan zat melepaskan kalor. Percobaan menunjukkan bahwa titik didih sama dengan titik embun dan kalor didih sama dengan kalor embun. Kalor yang diperlukan atau dilepas saat mendidih atau mengembun selain tergantung bendanya juga sebanding dengan massanya.

         e.  Menyublim           

  Sublimasi adalah perubahan wujud dari padat ke gas tanpa mencair terlebih dahulu. Misalkan es yang langsung menguap tanpa mencair terlebih dahulu. Pada tekanan normal, kebanyakan benda dan zat memiliki tiga bentuk yang berbeda pada suhu yang berbeda-beda. Pada kasus ini transisi dari wujud padat ke gas membutuhkan wujud antara. Namun untuk beberapa antara, wujudnya bisa langsung berubah ke gas tanpa harus mencair. Ini bisa terjadi apabila tekanan udara pada zat tersebut terlalu rendah untuk mencegah molekul-molekul ini melepaskan diri dari wujud padat.

      

         f.   Mengkristal

     Desublimasi adalah proses peengkristalan dimana hal ini terjadi karena proses mengerasnya/membekunya suatu benda yang memiliki zat zat tertentu dan memiliki unsur unsur zat yang dapat memberikan warna saat mengeras dan jika dilihat seperti warna kristal. Hal ini adalah lawan dari Sublimasi.