Hukum I Termodinamika – Interaksi Panas, Usaha dan Internal Energi

AhmadDahlan.NET – Hukum I Termodinamika membahas tentang energi dari aspek hubungan antara Panas, Kerja dan Konsep Internal Energi. Sama seperti massa, energi akan selalu bersifat kekal sehingga tidak dapat diciptakan dan dimusnakan. Hanya saja, Energi dapat dibuah dari satu bentuk energi ke bentuk energi lainnya.

Internal energi dari sebuah benda atau sistem itu sendiri adalah karakteristik yang menghubungkan antara energi dan partikel penyusun sistem. Internal energi berhubungan energi kinetik partikel dari sistem dan energi potensial termodinamikanya.

Setiap kali sebuah sistem mengalami perubahan kondisi yang disebabkan oleh panas, usaha dan internal energi akan selalu melibatkan perubahan dan transfer energi. Namun kendati demikian totoal keseluruhan energi akan selalu sama sebelum dan sesudah kejadian.

Dalam hukum I Termodinamika, Panas dikonfirmasi sebagai salah satu bentuk energi. Dengan demikian maka proses termodinamika diatur oleh prinsip kekekalan energi. Hal ini membuat Hukum I Termodinamika sering kali disebut sebagai Hukum Kekekalan Energi.

Hukum I Termodinamika

Sebuah sistem termodinamika dalam keadaan setimbang memiliki variable keadan yang disebut sebagai internal energi (U). Perubahan internal energi dari dua buah sistem melibatkan perpindahan panas (Q) dan usaha yang dilakukan oleh sistem (W).

ΔU = Q - W

Konsekuensi dari Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa energi yang ada di alam semesta ini akan selalu sama, tapi bukan berarti dalam keadaan steady stay seperti pendapat Newton. Meskipun bentuk energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain namun energi tidak dimusnakan.

Dalam upaya melakukan observasi tentang keberlakuan hukum I Termodinamika, dibutuhkan alat yang disebut sebagai Mesin Panas (Heat Engine). Mesin ini mampu mengubah energi panas menjadi energi mekanik begitu pula sebaliknya.

Secara umum mesin pada dirancang dalam bentuk sistem terbuka dengan prinsip kerja berdasarkan perubahan panas, tekanan dan volume benda yang diakibatkan karekteristik molekul gas yang ada di dalam mesin.

Misalkan saja salah satu pase ketika dilakukan pembakaran dimana suhu gas di dalam menjadi lebih tinggi. Hal ini membuat tekanan gas memuai dan pada akhirnya menaikkan volume gas. Volume gas dapat digunakan dalam menggerakkan piston sehingga ini menunjukkan seberapa besar kerja (W) yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Aplikasi Pada Sistem Tertutup

Pada sistem keadaan tertutup, Usaha yang dilakukan oleh sistem adalah hasil dari perubahan tekanan dan perubahan volume.

W = -P \Delta V

Dimana P adalah tekanan ekternal terhadap sistem dan ΔV adalah perubahan volume di dalam sistem. Kerja ini disebut sebagai Kerja Tekanan-Volume.

Perubahan energi internal di dalam sistem (Berkurang atau bertambah) tergantung dari interaski kerja dari sistem terhadap ruang tempat terjadinya perubahan PV. Energi Internal akan bertambah jika usaha bekerja pada sistem dan akan berkurang jika usaha dikerjakan oleh oleh sistem. Semuan interkasi energi panas yang terjadi pada sistem juga akan mengakibatkan perubahan energi panas. Namun karena energi akan selalu sama maka total perubahan internal energi akan selalu 0. Jika energi sistem berkurang itu berarti ada energi yang diserap oleh lingkungan dan begitu pula sebaliknya.

\Delta U_{sistem} = -\Delta U_{lingkungan}

Energi panas tentu saja adalah bentuk entitas yang nilainya mutlak sehingga tanda minus (-) hanya menunjukkan perubahan energi dari suatu kerangka acuan dalam hal ini sistem-lingkungan. Agar terjadi kesepakatan maka dibuat hubungan antara Panas dan Internal Energi ditunjukkan pada tabel berikut :