Sistem, keadaan, dan hukum termodinamika

Yang akan kamu pelajari

• Sistem termodinamika
• Variabel keadaan
• Kesetimbangan
• Hukum nol
• Hukum pertama
• Hukum kedua
• Hukum ketiga
• Usaha
• Kalor
• Energi internal
• Entropi

Pahami konsepnya

Sistem terbuka bertukar massa dan energi; tertutup bertukar energi tetapi bukan massa; terisolasi tidak bertukar keduanya dalam model ideal. P,V,T,U adalah variabel keadaan; Q dan W adalah transfer yang bergantung proses. Hukum nol menyatakan transitivitas kesetimbangan termal.

Dengan W kerja oleh sistem, hukum I: ΔU=Q−W. Hukum II: entropi total sistem terisolasi tidak berkurang. Hukum III: entropi kristal sempurna dengan keadaan dasar tunggal menuju nol saat T→0 K.

Kesetimbangan berarti tidak ada arus makroskopik bersih dan variabel keadaan stabil.

Analisis lanjut

Untuk proses reversibel dS=δQ_rev/T; untuk proses nyata ΔS dapat dihitung lewat lintasan reversibel yang menghubungkan keadaan sama. Ketaksamaan Clausius membedakan perubahan entropi sistem dari produksi entropi. Ekspansi kuasistatik memberi δW=P_ext dV; memakai tekanan sistem memerlukan kedekatan kesetimbangan mekanik.

Entropi sistem boleh turun dengan membuang entropi lebih besar ke lingkungan.

Pendalaman: Entropi pada ekspansi bebas

Gas ideal mengembang bebas ke ruang vakum di wadah terisolasi. Tidak ada kerja pada batas luar dan Q=0, sehingga ΔU=0. Untuk gas ideal U hanya fungsi T, maka suhu akhirnya sama.

Namun ΔS=nR ln(V_f/V_i)>0. Untuk menghitung ΔS, gunakan lintasan reversibel isoterm hipotetik antara keadaan awal-akhir, bukan menyamakan δQ aktual nol dengan perubahan entropi nol. Proses nyata irreversibel menghasilkan entropi meskipun tidak bertukar kalor dengan lingkungan.

Contoh terurai

Gas menerima Q=500 J dan melakukan kerja W=180 J, sehingga ΔU=320 J. Pada satu siklus U kembali ke nilai awal: Q_net=W_net. Jika 100 J mengalir dari reservoir 400 K ke 300 K, ΔS_total=−100/400+100/300≈0,0833 J/K positif.

Coba, amati, jelaskan

Gambar batas sistem untuk minuman yang mendingin. Tentukan tanda Q pada minuman dan udara. Jelaskan mengapa ΔU=0 dalam satu siklus tidak berarti Q dan W masing-masing nol.

Cek pemahaman

Sistem menerima 80 J dan melakukan kerja 30 J. Berapa ΔU?

• 110 J
• 50 J
• −50 J

Jawab dan baca pembahasannya di aplikasi.