Prinsip Termodinamika
Untuk memahami, dengan cara yang mudah, dunia Termodinamika yang luas dan kompleks, disarankan untuk melangkah selangkah demi selangkah dimulai dengan tinjauan istilah-istilah dasar, pengenalan prinsip-prinsip termodinamika, dan kemudian mempelajari lebih dalam hukum-hukum termodinamika, bagaimana mereka diekspresikan secara matematis, dan aplikasinya.
Dengan empat hukum termodinamika (hukum nol, hukum pertama, hukum kedua dan hukum ketiga), dijelaskan bagaimana transfer dan transformasi energi antara sistem yang berbeda bekerja; menjadi dasar untuk memahami banyak fenomena fisikokimia alam.
Review konsep dasar
Kami mengundang Anda untuk melihat artikel tersebut TERMODINAMIKA, apa itu dan aplikasinya
Anda dapat melengkapi informasi ini dengan artikel Kekuatan Hukum Watt (Aplikasi - Latihan) Untuk saat ini KAMI MENGIKUTI ...
Bentuk energi
Energi, sifat tubuh untuk mengubah dirinya dengan memodifikasi situasi atau keadaannya, datang dalam berbagai bentuk, seperti energi kinetik, energi potensial dan energi internal benda. Lihat gambar 1.
Bekerja
Ini adalah hasil kali gaya dan perpindahan, keduanya diukur dalam arah yang sama. Untuk menghitung usaha, digunakan komponen gaya yang sejajar dengan perpindahan benda. Pekerjaan diukur dalam Nm, Joule (J), ft.lb-f, atau BTU. Lihat gambar 2.
Panas (Q)
Perpindahan energi panas antara dua benda yang berada pada temperatur berbeda, dan itu hanya terjadi dalam arti suhunya menurun. Panas diukur dalam Joule, BTU, pound-feet, atau kalori. Lihat gambar 3.
Prinsip Termodinamika
Hukum Nol - Prinsip Nol
Hukum nol termodinamika menyatakan bahwa jika dua benda, A dan B, berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain, dan benda A berada dalam kesetimbangan dengan benda ketiga C, maka benda B berada dalam kesetimbangan termal dengan benda C. Kesetimbangan termal terjadi ketika dua atau lebih benda berada pada suhu yang sama. Lihat gambar 4.
Hukum ini dianggap sebagai hukum dasar termodinamika. Itu didalilkan sebagai "Hukum Nol" pada tahun 1935, karena itu didalilkan setelah hukum pertama dan kedua termodinamika dibuat.
Hukum 1 Termodinamika (Prinsip kekekalan energi)
Pernyataan Hukum Pertama Termodinamika:
Hukum pertama termodinamika, juga dikenal sebagai prinsip kekekalan energi, menyatakan bahwa energi tidak diciptakan atau dimusnahkan, hanya diubah menjadi jenis energi lain, atau ditransfer dari satu objek ke objek lain. Jadi jumlah total energi di alam semesta tidak berubah.
Hukum pertama terpenuhi dalam “segala sesuatu”, energi ditransfer dan ditransformasikan secara terus menerus, misalnya pada beberapa perangkat listrik, seperti mixer dan blender, energi listrik diubah menjadi energi mekanik dan termal, dalam tubuh manusia diubah menjadi bahan kimia energi makanan yang dicerna menjadi energi kinetik saat tubuh sedang bergerak, atau contoh lain seperti yang ditunjukkan pada gambar 5.
Persamaan Hukum Pertama Termodinamika:
Persamaan hukum pertama dalam prinsip termodinamika menyatakan keseimbangan yang harus ada antara berbagai jenis energi dalam proses tertentu. Karena, dalam sistem tertutup [1], pertukaran energi hanya dapat diberikan melalui perpindahan panas, atau dengan usaha yang dilakukan (oleh atau pada sistem) ditetapkan bahwa variasi energi suatu sistem sama dengan jumlah dari transfer energi melalui panas dan kerja. Lihat gambar 6.
Mengingat energi yang dipertimbangkan dalam neraca energi ini adalah energi kinetik, energi potensial dan energi internal [1], maka keseimbangan energi untuk sistem tertutup tetap seperti yang ditunjukkan pada gambar 7.
- (Ek) Energi kinetik , karena pergerakan tubuh;
- (ep) Energi potensial, karena posisi benda dalam medan gravitasi;
- (ATAU) Energi internal, karena kontribusi mikroskopis dari energi kinetik dan potensial dari molekul internal suatu benda.
Latihan 1.
Wadah tertutup berisi zat, dengan energi awal 10 kJ. Zat diaduk dengan baling-baling yang bekerja 500 J, sedangkan sumber panas mentransfer 20 kJ panas ke zat. Selain itu, 3kJ panas dilepaskan ke udara selama proses berlangsung. Tentukan energi akhir zat. Lihat gambar 8.
solusi:
Pada gambar 9 Anda dapat melihat kalor yang ditambahkan oleh sumber kalor, yang dianggap "positif" karena meningkatkan energi zat, kalor yang dilepaskan ke udara, negatif karena menurunkan energi zat, dan kerja baling-baling, yang meningkatkan energi mengambil tanda positif.
Pada gambar 10 disajikan keseimbangan energi, menurut hukum pertama termodinamika dan energi akhir zat diperoleh.
Hukum kedua termodinamika
Ada beberapa pernyataan hukum kedua termodinamika: Pernyataan Planck-Kelvin, Clausius, Carnot. Masing-masing menunjukkan aspek yang berbeda dari hukum kedua. Secara umum hukum kedua termodinamika mendalilkan:
- Arah proses termodinamika, fenomena fisik yang tidak dapat diubah.
- Efisiensi mesin termal.
- Masukkan properti "entropi".
Arah proses termodinamika:
Secara spontan, energi mengalir atau ditransfer dari keadaan energi tertinggi ke tingkat energi terendah. Panas mengalir dari benda panas ke benda dingin dan bukan sebaliknya. Lihat gambar 11.
Efisiensi atau kinerja termal:
Menurut hukum pertama termodinamika, energi tidak diciptakan atau dihancurkan, tetapi dapat diubah atau ditransfer. Tetapi dalam semua transfer energi atau transformasi sejumlah itu tidak berguna untuk melakukan pekerjaan. Saat energi ditransfer atau diubah, sebagian dari energi awal dilepaskan sebagai energi panas: energi menurun, kehilangan kualitas.
Dalam setiap transformasi energi, jumlah energi yang diperoleh selalu lebih sedikit daripada energi yang disuplai. Efisiensi termal adalah jumlah panas dari sumber yang diubah menjadi kerja, perbandingan antara energi berguna yang diperoleh dan energi yang disuplai dalam transformasi. Lihat gambar 12.
Mesin Thermal atau Mesin Panas:
Mesin thermal merupakan suatu alat yang mengubah sebagian panas menjadi tenaga kerja atau energi mekanik, untuk itu diperlukan suatu sumber yang menyuplai panas pada temperatur tinggi.
Dalam mesin termal, zat seperti uap air, udara, atau bahan bakar digunakan. Zat tersebut mengalami serangkaian transformasi termodinamika secara siklis, sehingga mesin dapat beroperasi terus menerus.
Latihan 2.
Mesin kendaraan kargo menghasilkan panas dalam pembakaran dengan membakar bensin. Untuk setiap siklus mesin, kalor sebesar 5 kJ diubah menjadi 1kJ kerja mekanis. Apa efisiensi motornya? Berapa banyak panas yang dilepaskan untuk setiap siklus mesin? Lihat gambar 13
solusi:
Untuk menentukan panas yang dilepaskan, diasumsikan bahwa dalam mesin termal, kerja jaringan sama dengan perpindahan panas bersih ke sistem. Lihat gambar 14.
Entropi:
Entropi adalah derajat keacakan atau ketidakteraturan dalam suatu sistem. Entropi memungkinkan untuk mengukur bagian energi yang tidak dapat digunakan untuk menghasilkan pekerjaan, yaitu, memungkinkan untuk mengukur ketidakterbalikan dari suatu proses termodinamika.
Setiap transfer energi yang terjadi meningkatkan entropi alam semesta dan mengurangi jumlah energi yang dapat digunakan yang tersedia untuk melakukan pekerjaan. Setiap proses termodinamika akan berlanjut ke arah yang meningkatkan total entropi alam semesta. Lihat gambar 15.
Hukum ke-3 Termodinamika
Hukum Ketiga Termodinamika atau Postulat Nerst
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan suhu dan pendinginan. Ini menyatakan bahwa entropi sistem pada nol mutlak adalah konstanta pasti. Lihat gambar 16.
Nol mutlak adalah suhu terendah yang di bawahnya tidak ada lagi ukuran yang lebih rendah, itu adalah suhu terdingin yang bisa ditinggali oleh suatu benda. Nol mutlak adalah 0 K, setara dengan -273,15 ºC.
Kesimpulan
Ada empat prinsip termodinamika. Dalam prinsip nol ditetapkan bahwa kesetimbangan termal terjadi ketika dua atau lebih benda berada pada suhu yang sama.
Hukum pertama termodinamika berkaitan dengan kekekalan energi antar proses, sedangkan hukum kedua termodinamika berkaitan dengan arah dari entropi terendah ke tertinggi, dan efisiensi atau kinerja mesin kalor yang mengubah panas menjadi kerja.
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan suhu dan pendinginan, menyatakan bahwa entropi suatu sistem pada nol mutlak adalah konstanta yang pasti.