termodinamika

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' dan dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanik statistik di mana banyak hubungan termodinamika berasal. Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagat raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagat raya, yang disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan entropi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan (Daubert, 1985) :
Sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
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 dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
a. pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
b. pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
Sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel.
Hukum pertama Termodinamika suatu sistem menyatakan bahwa panas yang diberikan kepada sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem hanya bergantung pada keadaan awal serta keadaan akhir sistem itu. Beda antara keadaan sistem yang tidak bergantung pada lintasan dari keadaan awal ke keadaan akhir, harus merupakan suatu sifat sistem (Sreeter, 1996).
Hukum pertama Termodinamika adalah hukum kekekalan tenaga yang dinyatakan dalam besaran makroskopis, seperti tenaga dakhil, jumlah bahang, usaha, suhu, tekanan, dan volume. Dalam proses yang menyangkut bahang (kalor) dan usaha, untuk sistem dari keadaan awal yang dicirikan oleh nilai-nilai parameter makroskopis awal ke dalam keadaan akhir dengan nilai-nilai parameter baru, perubahan sistem mempunyai nilai tertentu yang tidak tergantung pada rincian proses, tetapi hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir. Perubahan tenaga dakhil E adalah
E = Q - W 
dengan Q adalah bahan yang dipasok ke dalam gas dan W adalah usaha luar dari gas terhadap lingkungan, tidak tergantung pada rincian proses (Prawirosusanto, 1999).
Bila suatu sistem, yang lingkungannya bertemperatur berbeda dan kerja bisa dilakukan padanya, mengalami suatu proses, maka energi yang dipindahkan dengan cara non mekanis yang sama dengan perbedaan antara perubahan energi internal dan kerja yang dilakukan disebut kalor. Jika perbedaan dilambangkan dengan Q , maka
Q = Uf – Ui – (W)
Uf – Ui = Q + W
dengan kesepakatan bahwa Q positif jika masuk kedalam sistem dan negatif jika keluar dari sistem. Persamaan ini dikenal sebagai perumusan matematis hokum pertama termodinamika. Perumusan matematis hokum pertama mengandung 3 ide yang berkaitan (Zemansky dan Dittman, 1986) :
1 . Keberadaan fungsi energi dalam
2 . Prinsip kekekalan energi
3 . Definisi kalor sebagai energi dalam perpindahan yang ditimbulkan .
Secara fisika, perbedaan Uf – Ui ditafsirkan sebagai perubahan energi sistem. Jadi, kesamaan antara perubahan energi dan kerja adiabatic mengungkapkan prinsip kekekalan energi. Energi internal adalah suatu fungsi koordinat termodinamik yang banyaknya sama dengan yang diperlukan untuk memerinci keadaan suatu sistem. Keadaan setimbang suatu sistem hidrostatik misalnya, yang dapat terperikan oleh tiga koordinat termodinamik P, V, dan  dapat ditentukan oleh dua di antaranya saja karena yang ketiga ditentukan oleh persamaan keadaan. Bilamana suatu kuantitas ternyata hanya bergantung pada keadaan mula dan akhir saja, dan tidak bergantung pada lintasan yang menghubungkannya, dapat disimpulkan bahwa terdapat fungsi koordinat ruang dari benda, yang bila harga akhirnya dikurangi dengan harga mulanya sama dengan kerja yang dilakukan. Fungsi ini disebut fungsi energi potensial (Zemansky dan Dittman, 1986).
Permasalahan pada fluida dinamis dapat diselesaikan dengan prinsip kekekalan massa dan energi. Dalam hal ini pada setiap bagian dari sistem aliran fluida harus dapat disusun suatu neraca massa dan neraca energi. Kedua hal tersebut menjadi dasar dalam suatu perencanaan peralatan untuk penanganan fluida. Pada sistem aliran fluida terjadi perubahan energi internal dari fluida tersebut dan perubahan energi karena pertukaran energi dengan kondisi sekeliling. Fluida di atas bidang dasar, jika dikembalikan pada bidang dasar akan menghasilkan kerja. Kerja tersebut besarnya sama dengan jarak dimana fluida berada dengan bidang dasar dikalikan dengan gaya. Dalam hal ini adalah gaya gravitasi yang ditimbulkan oleh massa fluida dan percepatan gravitasi. Jumlah kerja tersebut dikenal dengan energi potensial. Fluida yang bergerak dapat menghasilkan kerja pada saat akan berhenti, yang besarnya sama dengan kerja yang diperlukan untuk menggerakkan fluida tersebut dari keadaan diam sampai bergerak pada kecepatan yang sama. Kerja tersebut dikenal sebagai energi kinetik (Supriyanto, 1999).
Persamaan Bernoulli adalah pernyataan yang lebih umum dari prinsip kekekalan energi dan dipakai khusus hanya pada “stream line”. Persamaan Bernoulli dapat dituliskan sebagai (Dugdale, 1986) :
(P1/g) + (U12/2g) + z1 = (P2/g) + (U22/2g) + z2 = konstan
Konstanta integrasi (yang disebut konstanta Bernoulli) pada umumnya berubah dari satu garis aliran ke garis aliran lainnya tetapi tetap konstan sepanjang satu garis aliran dalam aliran steady, tanpa gesekan, tak mampu mampat. Dalam persamaan Bernoulli dapat ditafsirkan sebagai suatu bentuk energi, yaitu energi potensial per massa satuan, kerja yang diperlukan untuk mengangkat W newton setinggi z meter adalah Wz. Massanya W newton adalah W/g kg, maka dari itu, energi potensialnya dalam meter Newton per kg adalah Wz/(W/g) = gz. Yang kedua energi kinetik suatu partikel massa adalah m v2/2 atau v2/2 dalam meter Newton per kg. Yang ketiga adalah kerja aliran (energi aliran) per massa satuan. Kerja aliran adalah kerja bersih (netto) yang dilakukan oleh elemen fluida terhadap lingkungannya selagi fluida tersebut mengalir (Streeter, 1996).
Neraca massa adalah kajian jumlah material yang masuk, keluar dan yang terakumulasi dari tiap - tiap sistem proses. Neraca energi adalah rangkaian proses keseluruhan serta kajian tentang jumlah energi (panas) yang harus dipasok atau dikeluarkan dari tiap - tiap sistem proses dan rangkaian proses secara keseluruhan. Data yang paling menarik dari neraca massa dan energi adalah jumlah masing-masing bahan baku, serta bahan bakar yang dibutuhkan untuk memproduksi produk per satuan jualnya, misalnya per kilo atau per liter (Reklaitis, 1983).