Gambaran Umum Termodinamika
Termodinamika adalah bidang fisika yang membahas hubungan antara kalor dan sifat-sifat lain (seperti tekanan, massa jenis, suhu, dll.) Dalam suatu zat.
Secara khusus, termodinamika sebagian besar berfokus pada bagaimana perpindahan panas terkait dengan berbagai perubahan energi dalam sistem fisik yang mengalami proses termodinamika. Proses seperti itu biasanya menghasilkan pekerjaan yang dilakukan oleh sistem dan dipandu oleh hukum termodinamika.
Secara garis besar, kalor suatu material dipahami sebagai representasi energi yang terkandung di dalam partikel material itu. Ini dikenal sebagai teori kinetik gas , meskipun konsep tersebut berlaku dalam berbagai tingkat untuk benda padat dan cairan juga. Panas dari gerakan partikel-partikel ini dapat berpindah ke partikel terdekat, dan oleh karena itu ke bagian material lain atau material lain, melalui berbagai cara:
- Kontak Termal adalah ketika dua zat dapat mempengaruhi suhu satu sama lain.
- Kesetimbangan Termal adalah ketika dua zat dalam kontak termal tidak lagi mentransfer panas.
- Ekspansi Termal terjadi ketika suatu zat mengembang dalam volume saat memperoleh panas. Kontraksi termal juga ada.
- Konduksi adalah saat panas mengalir melalui padatan yang dipanaskan.
- Konveksi adalah saat partikel yang dipanaskan mentransfer panas ke zat lain, seperti memasak sesuatu dalam air mendidih.
- Radiasi adalah ketika panas ditransfer melalui gelombang elektromagnetik, seperti dari matahari.
- Isolasi adalah ketika bahan berkonduksi rendah digunakan untuk mencegah perpindahan panas.
Proses Termodinamika
Suatu sistem mengalami proses termodinamika ketika ada semacam perubahan energi di dalam sistem, umumnya terkait dengan perubahan tekanan, volume, energi internal (yaitu suhu), atau segala jenis perpindahan panas.
Ada beberapa jenis proses termodinamika tertentu yang memiliki sifat khusus:
- Proses adiabatik - proses tanpa perpindahan panas ke dalam atau ke luar sistem.
- Proses isokorik - proses tanpa perubahan volume, dalam hal ini sistem tidak berfungsi.
- Proses isobarik - proses tanpa perubahan tekanan.
- Proses isotermal - proses tanpa perubahan suhu.
Keadaan Materi
Keadaan materi adalah deskripsi jenis struktur fisik yang dimanifestasikan suatu zat material, dengan sifat-sifat yang menggambarkan bagaimana bahan tersebut bersatu (atau tidak). Ada lima kondisi materi , meskipun hanya tiga yang pertama yang biasanya termasuk dalam cara kita berpikir tentang kondisi materi:
- gas
- cair
- padat
- plasma
- superfluida (seperti Kondensat Bose-Einstein )
Banyak zat dapat bertransisi antara fase materi gas, cair, dan padat, sementara hanya beberapa zat langka yang diketahui dapat memasuki fase superfluida. Plasma adalah keadaan materi yang berbeda, seperti kilat
- kondensasi - gas menjadi cairan
- pembekuan - cair menjadi padat
- mencair - padat menjadi cair
- sublimasi - padat menjadi gas
- penguapan - cair atau padat menjadi gas
Kapasitas Panas
Kapasitas kalor, C , suatu benda adalah rasio perubahan kalor (perubahan energi, Δ Q, di mana simbol Yunani Delta, Δ, menunjukkan perubahan kuantitas) terhadap perubahan suhu (Δ T).
- C = Δ Q / Δ T
Kapasitas kalor suatu zat menunjukkan kemudahan zat memanas. Sebuah konduktor termal yang baik akan memiliki kapasitas panas yang rendah , menunjukkan bahwa sejumlah kecil energi menyebabkan perubahan suhu yang besar. Isolator termal yang baik akan memiliki kapasitas panas yang besar, yang menunjukkan bahwa banyak transfer energi yang diperlukan untuk perubahan suhu.
Persamaan Gas Ideal
Ada berbagai persamaan gas ideal yang menghubungkan suhu (T1), tekanan (P1), dan volume (V1). Nilai-nilai ini setelah perubahan termodinamika ditunjukkan oleh (T2), (P2), dan (V2). Untuk sejumlah zat tertentu, n (diukur dalam mol), hubungan berikut berlaku:
Hukum Boyle ( T konstan):
- P 1 V 1 = P 2 V 2
Hukum Charles / Gay-Lussac ( P konstan):
- V1/T1 = V2/T2
Hukum Gas Ideal :
P1V1/T1 = P2V2/T2 = nR
R adalah konstanta gas ideal , R = 8,3145 J / mol*K. Oleh karena itu, untuk sejumlah materi, nR konstan, yang memberikan Hukum Gas Ideal.
Hukum Termodinamika
- Hukum Nol Termodinamika - Dua sistem masing-masing dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.
- Hukum Pertama Termodinamika - Perubahan energi suatu sistem adalah jumlah energi yang ditambahkan ke sistem dikurangi energi yang dihabiskan untuk melakukan pekerjaan.
- Hukum Kedua Termodinamika - Tidak mungkin suatu proses memiliki satu-satunya hasil transfer panas dari benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas.
- Hukum Ketiga Termodinamika - Tidaklah mungkin untuk mereduksi sistem apa pun menjadi nol mutlak dalam serangkaian operasi yang terbatas. Ini berarti bahwa mesin panas yang efisien sempurna tidak dapat dibuat.
Hukum Kedua & Entropi
Hukum Kedua Termodinamika dapat dinyatakan kembali dengan berbicara tentang entropi , yang merupakan pengukuran kuantitatif gangguan dalam suatu sistem. Perubahan panas dibagi suhu absolut adalah proses perubahan entropi . Didefinisikan seperti ini, Hukum Kedua dapat dinyatakan kembali sebagai:
- Dalam sistem tertutup mana pun, entropi sistem akan tetap konstan atau meningkat.
Yang dimaksud dengan " sistem tertutup " adalah bahwa setiap bagian dari proses disertakan saat menghitung entropi sistem.
Lebih Lanjut Tentang Termodinamika
Dalam beberapa hal, memperlakukan termodinamika sebagai suatu disiplin ilmu fisika yang berbeda adalah menyesatkan. Termodinamika menyentuh hampir setiap bidang fisika, dari astrofisika hingga biofisika, karena semuanya berhubungan dengan perubahan energi dalam suatu sistem. Tanpa kemampuan suatu sistem untuk menggunakan energi di dalam sistem untuk melakukan pekerjaan - inti termodinamika - tidak akan ada yang dipelajari oleh fisikawan.
Seperti yang telah dikatakan, ada beberapa bidang yang menggunakan termodinamika secara sepintas saat mereka mempelajari fenomena lain, sementara ada banyak bidang yang sangat berfokus pada situasi termodinamika yang terlibat. Berikut beberapa sub-bidang termodinamika:
- Cryophysics / Cryogenics / Low Temperature Physics - studi tentang sifat fisik dalam situasi suhu rendah, jauh di bawah suhu yang dialami bahkan di daerah terdingin di Bumi. Contohnya adalah studi tentang cairan super.
- Dinamika Fluida / Mekanika Fluida - studi tentang sifat fisik "fluida", yang secara khusus didefinisikan dalam hal ini sebagai cairan dan gas.
- Fisika Tekanan Tinggi - studi fisika dalam sistem tekanan sangat tinggi, umumnya terkait dengan dinamika fluida.
- Meteorologi / Fisika Cuaca - fisika cuaca, sistem tekanan di atmosfer, dll.
- Fisika Plasma - studi tentang materi dalam keadaan plasma.