Termodinamika adalah ilmu tentang energi, panas, suhu, dan cara materi mengalir di antara keadaan. Empat hukum, diurutkan dengan urutan yang aneh, menata seluruh subjek: nol menyatakan bahwa kesetimbangan termal bersifat transitif (jika A = B dan B = C, maka A = C), yang membenarkan keberadaan suhu sebagai satu bilangan; pertama menyatakan bahwa energi kekal, yaitu ΔU = Q − W (panas masuk dikurangi kerja keluar mengubah energi internal sistem); kedua menyatakan bahwa total entropi sistem terisolasi tidak pernah berkurang — panas mengalir secara spontan dari panas ke dingin, tidak pernah sebaliknya; dan ketiga menyatakan bahwa entropi sistem mencapai minimum pada nol mutlak, yang dapat didekati tetapi tidak pernah dicapai. Keenam kalkulator di panel ini mencakup persamaan kerja: hukum gas ideal dan gabungan, kapasitas panas, ekspansi termal dalam tiga geometri, konversi satuan suhu, dan efisiensi Carnot.
Hukum pertama adalah pembukuan, hukum kedua adalah arah: hukum pertama menjaga kekekalan energi (Anda tidak dapat menang); hukum kedua menyatakan bahwa bahkan energi yang sepenuhnya terjaga menjadi tidak tersedia untuk kerja (Anda tidak dapat impas). Bersama-sama keduanya menetapkan aturan yang harus dipatuhi setiap mesin, lemari es, dan reaksi kimia.
Hukum gas ideal — PV = nRT
Untuk gas yang cukup encer dan panas sehingga molekulnya hampir tidak berinteraksi, tekanan, volume, jumlah mol, dan suhu absolut dihubungkan oleh PV = nRT, dengan R = 0.082057 L·atm/(mol·K) (atau 8.314 J/(mol·K) dalam satuan SI). Contoh default (V = 22.4 L, n = 1 mol, T = 273.15 K) menghasilkan P ≈ 1.0007 atm — volume molar buku teks pada STP adalah 22.4 L persis karena itulah yang ditempati 1 mol gas ideal pada 1 atm dan 0°C. Hukum ini persis berlaku untuk gas ideal, dan kira-kira benar untuk udara, oksigen, dan banyak gas nyata lainnya pada suhu ruang dan tekanan sedang. Pada tekanan tinggi atau suhu rendah, gaya antarmolekul dan ukuran molekul yang terbatas menjadi penting, dan persamaan van der Waals (P + a/V²)(V − b) = nRT mengoreksinya dengan dua parameter empiris. Ketiga hukum gas lainnya (Boyle, Charles, Gay-Lussac) adalah kasus khusus dari PV = nRT pada T, V, atau P konstan; hukum gas gabungan P1V1/T1 = P2V2/T2 menangani perubahan ketiganya secara bersamaan.
Perpindahan panas — Q = m·c·ΔT
Panas yang diserap oleh benda bermassa m dan kapasitas panas spesifik c yang mengalami perubahan suhu ΔT adalah Q = m·c·ΔT, dalam joule. Kalor jenis adalah energi per kilogram per kelvin; nilai air yang terkenal tinggi, 4,186 J/(kg·K), menjadikannya penyangga termal yang sangat baik. Contoh default (1 kg air, 4,186 J/(kg·K), ΔT = 50 K) menghasilkan Q ≈ 209,300 J (209.3 kJ) — energi yang diperlukan untuk memanaskan 1 L air keran dingin hingga cukup panas. Bahan lain berbeda jauh: aluminium 900 J/(kg·K), tembaga 385, besi 450, kaca 840 — logam cepat panas dan cepat dingin, air memanas perlahan dan melepaskan panas perlahan. Angka 4,186 itulah sebabnya botol air panas tetap hangat begitu lama, mengapa suhu laut hanya berubah perlahan sepanjang musim, dan mengapa iklim pesisir lebih sejuk daripada iklim daratan.
Ekspansi termal — ΔL = α·L0·ΔT
Padatan memuai seiring suhu dalam tiga cara bergantung pada geometri: linear ΔL = αL0ΔT, luas ΔA = 2αA0ΔT, volume ΔV = 3αV0ΔT, dengan α adalah koefisien linear. Contoh default (1 m baja, α = 12×10−6/K, ΔT = 100 K) menghasilkan ΔL ≈ 1.2 mm — cukup kecil untuk diabaikan dalam pertukangan sehari-hari, cukup besar untuk meretakkan jembatan baja di musim dingin tanpa sambungan muai. Aluminium memuai dua kali lipat (23×10−6/K), tembaga dan kuningan di antaranya, kaca rendah di 9×10−6/K. Cairan biasanya memuai lebih banyak daripada padatan (merkuri 182, air berperilaku anomali di bawah 4°C), dan gas mengikuti hukum gas ideal alih-alih hukum muai linear apa pun. Celah muai pada rel kereta, pita bimetal pada termostat, dan kolom merkuri yang naik pada termometer semuanya didorong oleh α.
Konversi suhu — empat skala, dua titik acuan
Empat skala yang digunakan adalah Celsius (titik beku dan didih air pada 1 atm sebagai 0 dan 100), Fahrenheit (sebaran serupa dengan titik acuan berbeda, masih standar di AS), Kelvin (skala absolut, dipakai untuk semua perhitungan fisika), dan Rankine (skala Fahrenheit absolut). Contoh default (100°C) menghasilkan 373.15 K, 212°F, dan 671.67°R. Aturan konversinya: K = °C + 273.15; °F = °C × 9/5 + 32; °R = °F + 459.67. Nol mutlak adalah 0 K = −273.15°C = −459.67°F = 0°R, suhu saat gerak termal klasik berhenti; hukum ketiga menyatakan bahwa tidak ada proses terbatas yang benar-benar dapat mencapainya, hanya mendekatinya semakin dekat.
Efisiensi Carnot — batas atas untuk setiap mesin
Siklus Carnot, yang dijalankan antara reservoir panas pada Th dan reservoir dingin pada Tc, adalah mesin kalor paling efisien yang mungkin beroperasi di antara kedua suhu itu, dengan efisiensi η = 1 − Tc/Th (suhu absolut). Contoh default (Th = 500 K, Tc = 300 K) menghasilkan η ≈ 40%. Mesin nyata yang membakar gas alam pada 1500 K dan membuang ke lingkungan 300 K memiliki batas Carnot 80%; pembangkit listrik siklus gabungan nyata mencapai 60%. Tidak ada mesin yang dapat mengalahkan Carnot — pernyataan yang langsung mengikuti dari hukum kedua dan menjelaskan mengapa mesin gerak abadi itu mustahil. Pompa kalor dan lemari es menjalankan fisika yang sama dan memiliki koefisien kinerja COP = Th/(Th − Tc) dalam mode pemanasan atau Tc/(Th − Tc) untuk pendinginan, juga dibatasi oleh batas reversibel yang sama. Itulah sebabnya COP pompa kalor dapat melebihi 1: ia memindahkan panas alih-alih mengubahnya, memberikan 3–4 joule kehangatan per joule listrik.
Kesalahpahaman umum
- Panas dan suhu adalah hal yang sama. Panas adalah energi yang sedang berpindah; suhu adalah energi kinetik rata-rata molekul. Bak mandi berisi air hangat mengandung jauh lebih banyak panas (energi) daripada kembang api pada 1500 °C, karena massa ikut dihitung. Kapasitas panas spesifik adalah faktor konversi yang memungkinkan perubahan suhu yang sama membutuhkan jumlah panas yang sangat berbeda untuk bahan yang berbeda.
- Dingin mengalir dari dingin ke panas. Panas selalu mengalir dari panas ke dingin. Sensasi "dingin yang mengalir" adalah panas tangan yang berpindah ke sekitarnya sampai suhu menyamakan diri.
- Entropi berarti ketidakteraturan. Penjelasan populer itu menyesatkan. Entropi adalah logaritma dari jumlah mikrostat yang sesuai dengan suatu makrostat — hitungan yang presisi, bukan ukuran kekacauan yang samar. Gas memiliki entropi lebih tinggi daripada padatan karena posisinya lebih tersebar.
- Mesin dapat dibuat 100% efisien dengan mengurangi gesekan. Gesekan adalah bagian dari kerugian, tetapi kerugian yang tidak dapat dihindari adalah panas yang dibuang ke reservoir dingin. Bahkan mesin tanpa gesekan yang mengikuti siklus reversibel Carnot dibatasi oleh 1 − Tc/Th.
Alat terkait: Fisika Modern untuk mekanika statistik di balik entropi, Kesetimbangan untuk jembatan ΔG = −RT ln K antara termodinamika dan spontanitas reaksi, dan Konverter Satuan untuk beralih di antara kalori, joule, BTU, dan elektronvolt.
