Kerja Pemuaian Adiabatik

Konsep termodinamika sering kita jumpai dalam kehidupan sehari-hari seperti kerja, kalor, dan energi. Ketiga hal tersebut merupakan konsep dasar termodinamika. Sebelum pembahasan termodinamika dipaparkan lebih jauh, perlu dipahami terlebih dahulu pengertian-pengertian yang berkaitan dengan termodinamika seperti system dan lingkungan.

Sistem kimia dapat didefinisikan sebagai sesuatu atau sejumlah zat atau campuran zat-zat yang dibatasi oleh sifat-sifat fisik atau konseptual yang sifat-sifatnya dapat dipelajari atau menjadi pusat perhatian. Diluar atau selain sistem tersebut dinamakan lingkungan, lingkungan ini merupakan tempat kita melakukan pengamatan (Rohman dan Mulyani, 2004). Kedua bagian tersebut dapat berada dalam kontak dan dipisahkan dengan sebuah batas. 

Antara sistem dan lingkungan dapat terjadi interaksi, yaitu berupa pertukaran energy dan atau materi. Seperti contoh yang sering kita jumpai berikut, saat kita memasak air dalam panci diatas kompor terjadi perpindahan energi berupa panas/ kalor dari lingkungan ke system, dimana air dalam panci merupakan sistemnya dan api dari kompor sebagai lingkungannya, dan juga panci sebagi batas dari keduanya. Air yang semula dingin jadi panas ini yang menunjukkan terjadinya perpindahan energy berupa kalor. Hal itu terjadi karena kapasitas sistem untuk melekukan kerja bertambah, sehingga energinya bertambah, dan karena penambahan itu terjadi sebagai hasil perbedaan temperature, energy itu sudah dipindahkan kesistem sebagai kalor.
Tidak semua zat memungkinkan pemindahan energy walaupun ada perbedaan temperature antara sistem dengan lingkungannya. Dinding yang memungkinkan pemindahan energy sebagai kalor (seperti baja, kaca) disebut diatermik. Dinding yang tidak memungkinkan pemindahan energy sebagai kalor disebut adiabatik. Labu dewar  adalah contoh wadah adiabatik yang baik (Atkins,1999).

Proses yang berhubungan dengan usaha/kerja yang dilakukan oleh gas yang berkaitan dengan perubahan suhu, volume, tekanan, dan energy dalam gas adalah proses termodinamika gas. Beberapa proses termodinamika gas tersebut adalah proses isothermal, proses isokhorik, proses isobarik, dan proses adiabatik. Pada saat ini saya akan membahas proses adiabatik.

Proses adiabatik merupakan salah satu konsep penting termodinamika dalam pengembangan hukum pertama termodinamika. Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas (system) dimana tidak ada kalor yang masuk kesistem atau keluar dari system (gas) (Bailyn,1994). Proses ini berlangsung dalam dinding atau batas yang terisolasi termal sepenuhnya sehingga tidak terjadi perubahan keadaan.

Dalam kerja pemuaian adiabatik karena tidak terjadi perubahan atau perpindahan kalor, maka dq = 0 pada setiap tahap pemuaian. Oleh karena itu, energi dalam sama dengan kerja yang dilakukan selama pemuaian dU = dw. Untuk menghitung kerja yang dilakukan selama pemuaian dapat dihitung dengan menghitung perubahan energi dalam antara keadaan awal dan akhir yang sama (Atkins,1999): 

w = i∫f dU (1)

persamaan tersebut berlaku untuk segala system tertutup, adiabatik. Pada kasus gas sempurna atau disebut juga gas ideal memungkinkan untuk menghubungkan dU dengan perubahan volume dengan cara yang sederhana, karena kita dapat menggunakan persamaan berikut ini dengan  = 0   

dU = 2  dV + Cv dT     menjadi   dU = 0 + Cv dT     sehingga diperoleh  persamaan
w = i∫f Cv dT   (2)

Untuk banyak gas, Cv hampir tidak bergantung pada temperature, sehingga integrasinya sangat sederhana:

W = Cv  Ti∫Ti  dT = Cv (Tf – Ti)  = Cv ∆T (3)

Karena persamaan yang dihasilkan di atas, maka kerja yang dilakukan selama pemuaian adiabatic sebanding dengan perbedaan temperature antara keadaan awal dan akhir. Persamaan ini berlaku untuk segala pemuaian dan penyusutan adiabatic gas sempurna, reversible atau tak reversible, selama pemuaian itu kuasistatik dan lingkungannya ada pada kesetimbangan dalam (Atkins,1999).

Kesimpulan umum dari persamaan tiga adalah jika w < 0 (sehingga system sudah melakukan kerja), maka ∆T < 0,   tidak perduli apakah perubahan tersebut reversible atau tak reversible. Hal itu tidak mengherankan karena tidak ada kalor yang dapat masuk ketika system adiabatic melakukan kerja, energy dalamnya pasti turun. Walaupun demikian karena energy dalam gas sempurna tidak dipengaruhi oleh perubahan volume saja, pengurangan energy dalam pasti berarti energy juga turun.

Pemuaian Adiabatic Tak Reversible
Jika gas sempurna memuai melawan tekanan luar nol, gas itu tidak melakukan kerja. Oleh karena itu, w = 0, dan konsekuensinya       ∆T<     ..Ini adalah kasus khusus: pemuaian itu secara bersamaan adiabatic dan isothermal (Atkins,1999).

Jika pemuaian terjadi melawan tekanan luar tertentu, maka kerja yang dilakukan adalah w = -Pex ∆V. Ini adalah hasil umum dan berlaku sama terhadap perubahan isothermal dan adiabatic. Untuk gas sempurna kerja harus sama dengan kerja dari persamaan 3 sebelumnya. Oleh karena itu kita dapat menghitung perubahan temperature yang menyertai pemuaian adiabatic tak reversible (Atkins,1999):

Cv  ∆T = - Pex ∆V
∆T = - Pex ∆V     (4)

Pemuaian Adiabatic Reversible
Pada pemuaian reversible setiap tahap tekanan luar dsisesuaikan dengan tekanan dalam selama proses. Oleh karena itu pada proses reversible berlaku Pl = P .  jika volume berubah sebesar dV, maka kerja yang dilakukan adalah dw = - p dV. Karena adiabatic maka dq = 0. Sehingga dU = - p dV dan diperoleh persamaan setiap tahap sebagai berikut (Atkins,1999):

     Cv dT  = - p dV

Karena pada setiap tahap, gas sempurna memenuhi pV = nRT, persamaan ini menjadi:

     Cv dT/T  = nR dV /V   

Karena Cv dapat dianggap tidak bergantung pada temperature (hal ini berlaku untuk gas sempurna beratom tunggal, dan kira-kira berlaku juga gas lainnya), maka kedua sisi dapat diintegralkan di antara keadaan awal dan akhirnya:

 
Atau
  

Dengan menuliskan c = C√nR dan melakukan sedikit penyusunan ulang, kita mendapatkan
           

Yang berarti bahwa

5)

Sekarang kita dapat meramalkan temperature gas sempurna yang sudah memuai (atau menyusut) secara adiabatic dan reversible dari volume Vi dan temperature Ti ke volume Vf
            

Berdasarkan persamaan 5 tersebut dapat diturunkan hubungan variable-variabel system lainya seperti: tekanan dengan suhu dan tekanan dengan volume, yang menghasilkan persamaan (Rohman dan Mulyani, 2004):
(6)
dan
(7)

DAFTAR PUSTAKA
Atkins, p. w. 1999. Kimia Fisika Jilid 1 Edisi keempat. Jakarta: Erlangga.
Bailyn, M. 1994. Sebuah Survei Termodinamika. New York, NY: American Institute of Physics Press.
Rohman, Ijang, dan Mulyani, Sri. 2004. Kimia Fisika 1. Jakarta: Universitas Pendidikan Indonesia

By : Vivi Septya Wati 16630061