Termodinamika, apa itu dan aplikasinya
Termodinamika adalah ilmu yang didasarkan pada studi tentang energi. Proses termodinamika terjadi setiap hari dalam kehidupan sehari-hari, di rumah, di industri, dengan transformasi energi, seperti pada peralatan AC, lemari es, mobil, boiler, dan lain-lain. Oleh karena itu pentingnya studi Termodinamika, berdasarkan empat hukum dasar yang menetapkan hubungan antara kualitas dan kuantitas energi, dan sifat termodinamika.
Untuk memahami hukum-hukum Termodinamika, secara mudah kita harus mulai dari beberapa konsep dasar yang dipaparkan di bawah ini, seperti energi, panas, suhu, dan lain-lain.
Kami mengundang Anda untuk melihat artikel tersebut Kekuatan Hukum Watt (Aplikasi - Latihan)
Termodinamika
Sedikit sejarah:
Termodinamika mempelajari pertukaran dan transformasi energi dalam proses. Pada tahun 1600-an, Galileo mulai melakukan penelitian di bidang ini, dengan penemuan termometer kaca, dan hubungan massa jenis fluida dan suhunya.
Dengan revolusi industri, studi dilakukan untuk mengetahui hubungan antara panas, kerja dan energi bahan bakar, serta untuk meningkatkan kinerja mesin uap, termodinamika muncul sebagai ilmu studi, dari 1697 dengan mesin uap Thomas Savery. Hukum pertama dan kedua termodinamika didirikan pada tahun 1850. Banyak ilmuwan seperti Joule, Kelvin, Clausius, Boltzmann, Carnot, Clapeyron, Gibbs, Maxwell, antara lain, berkontribusi pada pengembangan ilmu ini, "Termodinamika."
Apa itu termodinamika?
Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari transformasi energi. Sejak awalnya dipelajari bagaimana mengubah panas menjadi tenaga, dalam mesin uap, kata Yunani "termos" dan "dinamis" digunakan untuk menamai ilmu baru ini, membentuk kata "termodinamika". Lihat gambar 1.
Aplikasi Termodinamika
Area penerapan termodinamika sangat luas. Transformasi energi terjadi dalam berbagai proses dari tubuh manusia, dengan pencernaan makanan, bahkan dalam berbagai proses industri untuk menghasilkan produk. Di rumah ada juga perangkat di mana termodinamika diterapkan pada setrika, pemanas air, AC, dan lain-lain. Prinsip termodinamika juga diterapkan di berbagai bidang, seperti pembangkit listrik, mobil, dan roket. Lihat gambar 2.
Dasar-dasar dari Termodinamika
Energi (E)
Properti dari setiap tubuh atau sistem material atau non-material yang dapat diubah dengan memodifikasi situasi atau kondisinya. Ini juga didefinisikan sebagai potensi atau kemampuan untuk memindahkan materi. Pada gambar 3 Anda dapat melihat beberapa sumber energi.
Bentuk energi
Energi datang dalam berbagai bentuk, seperti angin, kelistrikan, mekanik, energi nuklir, dan lain-lain. Dalam studi termodinamika, energi kinetik, energi potensial, dan energi internal benda digunakan. Energi kinetik (Ec) berhubungan dengan kecepatan, energi potensial (Ep) dengan tinggi dan energi dalam (U) dengan pergerakan molekul internal. Lihat gambar 4.
Panas (Q):
Perpindahan energi panas antara dua benda yang berada pada temperatur berbeda. Panas diukur dalam Joule, BTU, pound-feet, atau kalori.
Suhu (T):
Ini adalah ukuran energi kinetik atom atau molekul yang menyusun benda material apa pun. Ini mengukur tingkat agitasi molekul internal suatu objek, dari energi termalnya. Semakin besar pergerakan molekul, semakin tinggi suhunya. Itu diukur dalam derajat Celcius, derajat Kelvin, derajat Rankine, atau derajat Fahrenheit. Pada gambar 5 disajikan kesetaraan antara beberapa skala suhu.
Prinsip Termodinamika
Studi tentang transformasi energi dalam termodinamika didasarkan pada empat hukum. Hukum pertama dan kedua terkait dengan kualitas dan kuantitas energi; sedangkan hukum ketiga dan keempat berkaitan dengan sifat termodinamika (suhu dan entropi). Lihat gambar 6 dan 7.
Hukum Pertama Termodinamika:
Hukum pertama menetapkan prinsip kekekalan energi. Energi dapat ditransfer dari satu benda ke benda lain, atau diubah ke bentuk energi lain, tetapi energi itu selalu kekal, sehingga jumlah total energi selalu konstan.
Jalan seluncur es adalah contoh yang baik dari Hukum Kekekalan energi, di mana ditemukan bahwa energi tidak diciptakan atau dihancurkan, tetapi diubah menjadi jenis energi lain. Untuk skater seperti pada gambar 8, ketika hanya gaya gravitasi yang mempengaruhi, kita harus:
- Posisi 1: Ketika skater berada di puncak tanjakan, dia memiliki energi internal dan energi potensial karena ketinggiannya, tetapi energi kinetiknya nol karena dia tidak bergerak (kecepatan = 0 m / s).
- Posisi 2: Saat skater mulai meluncur ke bawah, ketinggian menurun, menurunkan energi internal dan energi potensial, tetapi meningkatkan energi kinetiknya, seiring dengan meningkatnya kecepatannya. Energi tersebut diubah menjadi energi kinetik. Ketika seorang skater mencapai titik terendah dari ramp (posisi 2), energi potensinya adalah nol (ketinggian = 0m), sementara ia memperoleh kecepatan tertinggi dalam perjalanannya menuruni ramp.
- Posisi 3: Saat tanjakan naik, pemain skat kehilangan kecepatan, menurunkan energi kinetiknya, tetapi energi internal meningkat, dan energi potensial, saat ia bertambah tinggi.
Hukum kedua termodinamika:
Hukum kedua terkait dengan "kualitas" energi, dalam optimalisasi konversi dan / atau transmisi energi. Undang-undang ini menetapkan bahwa dalam proses nyata kualitas energi cenderung menurun. Definisi dari sifat termodinamika "entropi" diperkenalkan. Dalam pernyataan hukum kedua, ditetapkan ketika suatu proses dapat terjadi dan ketika tidak dapat, bahkan jika hukum pertama terus ditaati. Lihat gambar 9.
Hukum Nol:
Hukum nol menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam ekuilibrium dengan yang ketiga, keduanya berada dalam ekuilibrium satu sama lain. Misalnya, untuk Gambar 10, jika A berada dalam kesetimbangan termal dengan C, dan C berada dalam kesetimbangan termal dengan B, maka A berada dalam kesetimbangan termal dengan B.
Konsep lain dari Termodinamika
sistem
Bagian dari alam semesta yang menarik atau dipelajari. Untuk secangkir kopi pada Gambar 11, "sistem" adalah kandungan dalam cangkir (kopi) dimana transfer energi termal dapat dipelajari. Lihat gambar 12. [4]
Lingkungan
Itu adalah sisa alam semesta di luar sistem yang diteliti. Pada Gambar 12, cangkir kopi dianggap sebagai "border" yang berisi kopi (sistem) dan yang berada di luar cangkir (border) adalah "lingkungan" dari sistem.
Kesetimbangan Termodinamika
Status di mana properti sistem didefinisikan dengan baik dan tidak berubah dari waktu ke waktu. Ketika suatu sistem menyajikan kesetimbangan termal, kesetimbangan mekanis, dan kesetimbangan kimiawi, ia berada dalam "kesetimbangan termodinamika". Dalam ekuilibrium, suatu sistem tidak dapat mengubah statusnya kecuali agen eksternal bertindak di atasnya. Lihat gambar 13.
Dinding
Entitas yang mengizinkan atau mencegah interaksi antar sistem. Jika dinding memungkinkan lewatnya zat, dikatakan sebagai dinding permeabel. Dinding adiabatik adalah dinding yang tidak memungkinkan perpindahan panas antara dua sistem. Ketika dinding memungkinkan transfer energi panas, itu disebut dinding diatermik. Lihat gambar 14.
Kesimpulan
Energi adalah kemampuan untuk memindahkan materi. Ini dapat diubah dengan mengubah situasi atau statusnya.
Termodinamika adalah ilmu yang mempelajari pertukaran dan transformasi energi dalam proses. Studi tentang transformasi energi dalam termodinamika didasarkan pada empat hukum. Hukum pertama dan kedua terkait dengan kualitas dan kuantitas energi; sedangkan hukum ketiga dan keempat berkaitan dengan sifat termodinamika (suhu dan entropi).
Suhu adalah ukuran derajat agitasi molekul yang menyusun suatu benda, sedangkan panas adalah perpindahan energi panas antara dua benda yang berada pada suhu berbeda.
Kesetimbangan termodinamika terjadi jika sistem secara simultan berada dalam kesetimbangan termal, kesetimbangan mekanis, dan kesetimbangan kimia.
Ucapan terima kasih: Untuk pengembangan artikel ini, kami mendapat kehormatan untuk mendapatkan saran dari Ing. Marisol Pino, Spesialis dalam Instrumentasi dan Kontrol Industri.