LINGKUP DAN PENERAPAN TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah satu cabang dari fisika dinamika, yang mempelajari tentang perilaku gerakan energi dan materi, termasuk panas atau bahang (heat, therm) sebagai tenaga atau energi, dan juga mencakup dinamika fluida (fluid dynamics) yang mempalajari tentang aliran fluida (fluid flow), seperti gas, udara, air, dan benda bergerak didalamnya, materi atau pun energi. Dinamika fluida mencakup aerodinamika dan hidrodinamika.

Ada perbedaan mendasar antara termodinamika dengan aerodinamika dan hidrodinamika. Termodinamika hanya berurusan dengan perilaku panas sebagai tenaga, perubahan kuantitas, perpindahan, aliran, perubahan status, dan efek terjadi karena perubahan, tapi tak dengan mekanisme bagaimana perubahan tersebut terjadi. Sedangkan aerodinamika dan hidrodinamika berurusan dengan mekanisme pergerakan dalam aliran. Sehingga dalam kategori, termodinamika dibahas tersendiri sebagai cabang khusus fisika tentang panas, sementara mekanisme aerodinamika dan hidrodinamika dibahas dalam dinamika mekanika. Meski demikian, ada hubungan dan keterkaitan antara tiga cabang fisika ini dalam konteks dinamika.

Pembahasan termodinamika dilakukan dalam sistem makro yang mengandung sangat banyak partikel, sehingga variabel atau ubahan termodinamik adalah kuantitas statistik, seperti kompresi atau desakan atau presur [p] atau tekanan, temperatur [T] atau suhu, dan volume [V] ruang lingkup suatu sistem terisolasi, dimana dalam hal ini termodinamika berhubungan dengan dinamika fluida gas, udara, dan air. Meski demikian, dalam konteks tertentu, konsep termodinamika bisa diberlakukan untuk sistem mikro.

Termodinamika dan pembahasan termodinamik berlandaskan pada tiga hukum dasar dinamika panas, yang dinamakan sebagai hukum-hukum termodinamik (laws of thermodynamics).

Termodinamika memiliki penerapan sangat luas dalam fisika dan berbagai cabangnya dan disiplin ilmu lain berkaitan dengan fisika, dalam sains murni dan sais terapan dan teknologi rekayasa; mulai dari sistem molekular dalam kimia, hingga ke sistem stelar dan galaktik dalam kosmomofisika, dan semesta (universe) sendiri sebagai suatu sistem secara keseluruhan; teknologi rekayasa pendinginan dan pemanasan, mencakup teknologi rekayasa, mulai dari permesinan, otomotiv, hingga penerbangan.

Aplikasi Termodinamika dalam Kehidupan Sehari-hari

Hukum termodinamika telah berhasil diterapkan dalam penelitian tentang proses kimia dan fisika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika berkenaan dengan proses alami atau proses spontan dimana fungsi yang memprediksi kespontanan reaksi ialah entropi, yang merupakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Hukum kedua ini menyatakan bahwa untuk proses spontan, perubahan entropi semesta haruslah positif. Sedangkan hukum ketiga termodinamika memungkinkan untuk menentukan nilai entropi mutlak (Chang, 2002: 165).

            Berikut beberapa contoh aplikasi termodinamika yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari :

1. Air Conditioner (AC)

            Sistem kerja AC terdiri dari bagian yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tekanan supaya penguapan dan penyerapan panas dapat berlangsung.

            Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke kondenser yang kemudian dimampatkan di kondenser.

Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan.

Pada kondensor, tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondensor relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator.

            Setelah refrigent lewat kondensor dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun.

            Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.

            Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada didalam substansi yang akan didinginkan.

            Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka entalpi, substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya entalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan.

2. Dispenser

Prinsip kerja pemanas air

Proses pemanasan air terjadi pada saat air masuk kedalam tabung pemanas. Tabung pemanas merupakan tabung yang terbuat dari logam yang disekitar tabung tersebut dikelilingi oleh elemen pemanas, sehingga ketika air mengalir dari tampungan menuju tabung pemanas sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memicu elemen pemanas untuk bekerja, suhu tinggi yang dihasilkan elemen pemanas diserap oleh air yang suhunya lebih rendah, setelah suhu air dalam tabung pemanas tinggi maksimal sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memutuskan arus listrik pada elemen pemanas, pada saat elemen pemanas menyala lampu indikator pemanas menyala dan pada saat elemen pemanas mati lampu indikator pemanas mati.

Pada tabung dispenser dipasang Heater/pemanas serta sensor suhu atau thermostat yang berfungsi untuk membatasi kerja heater agar tidak bekerja terus-menerus yang akan menimbulkan suhu air dalam tabung dispenser berlebihan, karena apabila heater berkerja berlebih, heater akan panas dan bahkan heater tersebut akan terjadi kerusakan didalamnya. Untuk mengurangi terjadinya resiko tersebut, di heater dipasang thermostat yang berguna untuk mengatur suhu.

Ketika suhu air yang dipanaskan oleh heater mencapai suhu tertentu sehingga melebihi suhu kerja sensor/thermostat maka sensor akan bekerja dan memutuskan arus yang mengalir ke heater, dengan demikian heater akan berhenti bekerja sehingga suhu air tetap terjaga sesuai dengan kebutuhan, bisa dilihat di lampu indikator dari warna merah akan berganti warna hijau. Heater akan bekerja kembali manakala suhu air pada tabung menurun sampai suhunya berada dibawah suhu kerja sensor, sensor dipasang seri dengan heater, dengan demikian fungsi dari sensor ini mirip seperti saklar, hanya saja bekerjanya secara otomatis berdasarkan perubahan suhu.

Prinsip kerja pendingin air

            Proses pendinginan air pada dispenser pada umumnya dibedakan menjadi 2 yaitu:

1.     Pendinginan Air dengan Fan

Proses pendinginan air menggunakan fan dilakukan dengan cara menghisap suhu tinggi pada air ketika air berada pada tampungan air kedua yang letaknya berada dibawah tampungan air pertama, namun pada kenyataannya fan hanya alat bantu untuk mempercepat pembuangan panas pada air, sehingga temperatur air hanya akan turun sedikit saja. Setelah melewati tampungan air kedua air akan dikeluarkan melalui keran dan siap untuk diminum.

2.     Pendinginan Air dengan Sistem Refrigran

Pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran sama seperti sistem refrigran pada kulkas hanya saja evaporatornya dimasukkan kedalam tampungan air kedua yang berada dibawah tampungan air pertama, sehingga air disekitar evapurator akan menjadi air dingin. Hasil pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran lebih maksimal dibandingkan pendinginan air menggunakan fan. Setelah air melalui proses pendinginan pada tampungan air kedua, air akan mengalir dan keluar memalui keran.

 Nama komponen pada dispenser:

1.      Saklar On/Off

2.      Thermostat 1

3.      Thermostat 2

4.      Saluran daya utama

5.      Elemen pemanas

6.      Saluran air panas 

7.      Saluran air normal

8.      Pipa pembuangan

3. Rice Cooker

            Pada rice cooker, energi panas ini dihasilkan dari energi listrik. Suatu cairan akan menguap bila tekanan uap gas yang berasal dari cairan adalah sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (Puap = Pcair). Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal). Pada penanak nasi biasa, air akan dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa, dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K).

            Sementara, pada penanak nasi yang memanipulasi tekanan (pressure cooker, atau electric pressure cooker) jika tutup lubang uapnya dibuka, maka pressure cooker akan bekerja seperti penanak nasi biasa, karena tekanan eksternalnya sama dengan tekanan udara luar.

            Namun, jika tutup lubang uapnya (biasanya berupa katup) ditutup, akan ada perubahan pada tekanan udara di ruang dalam pressure cooker dan titik didih cairan akan berubah. Ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker.

Karena ada tambahan massa (tutup katup), tekanan makin tinggi dan titik kesetimbangan antar fase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.

            Massa tutup katup menentukan tekanan di dalam ruang pressure cooker, karena lubang katup akan membiarkan uap air keluar ketika tekanannya telah mencapai titik tertentu. Kelebihan tekanan akan dikurangi dengan melepaskan sedikit uap melalui katup.

Termodinamika

Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = 'panas' and dynamic = 'perubahan') adalah fisika energi, panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. Termodinamika berhubungan dekat dengan mekanika statistik di mana hubungan termodinamika berasal.

Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang. Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalam termodinamika tak-setimbang.

Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.

Hukum termodinamika kebenarannya sangat umum, dan hukum-hukum ini tidak bergantung kepada rincian dari interaksi atau sistem yang diteliti. Ini berarti mereka dapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisi spontan dalam abad ke-20 dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.

Menurut Arief MS Termodinamika adalah suatu konsep mekanika perpindahan Energi. Seperti panas, dimana konsep perpindahan panas adalah panas secara spontan akan berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur rendah. Pada termodinamika inilah konsep mekanika itu akan di bahas

.