0Shares

Apa itu Thermodinamik?

Thermodinamik merupakan satu cabang Sains yang membicarakan tentang tenaga. Tenaga itu adalah suatu keupayaan untuk merubahkan sesuatu. Thermodinamik ini mencakupi keseluruhan aspek tenaga iaitu perubahan tenaga seperti penghasilan kuasa, penyejukan, dan perhubungan di antara sifat-sifat bahan. Terdapat dua cara pendekatan di dalam thermodinamik ini iaitu secara makroskopik (klasik) dan mikroskopik (statistik). Pendekatan secara mikroskopik ini adalah dengan tidak mengambil kira zarah-zarah individu yang terlibat, manakala pendekatan mikroskopik pula akan menerangkan kelakuan zarah-zarah tersebut secara purata.

(Gambar diambil dari: https://www.shutterstock.com/search/thermodynamics)

‘The Laws of Thermodynamics’

Umumnya, terdapat tiga ‘Law of Thermodynamic’ (walaupun ada yang mengatakan empat). ‘Zeroth Law of Thermodynamic’ menyatakan bahawa jika dua badan berada dalam keseimbangan thermal dengan badan yang ketiga, maka mereka juga akan berada dalam keseimbangan thermal antara satu sama lain juga akhirnya (rujuk rajah 1). ‘First Law of Thermodynamics’ pula hanya merupakan ungkapan prinsip keabadian tenaga yang menegaskan bahawa tenaga juga adalah diantara sifat-sifat thermodinamik. Prinsip keabadian tenaga ini pula mengatakan yang tenaga tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan (kecuali kuasa Tuhan) akan tetapi, boleh berubah bentuk dari satu bentuk tenaga kepada bentuk tenaga yang lain. Akhir sekali, ‘Second Law of Thermodynamic’ pula menegaskan bahawa tenaga mempunyai kualiti serta kuantiti, dan proses sebenar yang berlaku dalam arah menurunkan kualiti tenaga. Satu parameter yang penting dalam ‘Second Law’ ini adalah entropi, iaitu ukuran terhadap kecelaruan (disorders).

Zeroth Law of Thermodynamics

 

Sistem, Pembatasan, dan Persekitaran

Untuk mengkaji thermodinamik, kita perlu jelas terhadap tiga aspek iaitu system, batasan/sempadanan, dan persekitaran. Satu sistem ditakrifkan sebagai kuantiti bahan dalam ruang yang dipilih untuk dikaji. Persekitaran pula adalah jisim atau ruang di luar sistem tersebut. Sempadanan pula adalah pembatasan yang sebenar ataupun khayalan yang memisahkan sistem dari persekitarannya. Sempadanan ini boleh dalam keadaan tetap ataupun bergerak dimana tiada ketebalan, tiada jisim, dan tanpa isipadu. Sila rujuk gambarajah dibawah.

Sistem, pembatasan, dan persekitaran

Terdapat dua jenis sistem iaitu sistem tertutup (control mass) dan system terbuka (control volume). Sistem tertutup terdiri daripada jumlah jisim tetap, dan tiada jisim boleh melintasi sempadanannya. Akan tetapi, tenaga dalam bentuk haba atau kerja, dapat melintasi sempadan ini.
Sistem terbuka pula adalah ruang di mana jisim dan tenaga boleh melintasi sempadan tersebut. Walaubagaimnapun, kebanyakan sistem terbuka ini mempunyai persempadanan yang tetap dan tidak bergerak. Sistem ini boleh melibatkan interaksi dengan tenaga haba, kerja, dan jisim. Adalah penting untuk kita mengenali jenis-jenis sistem yang terlibat sebelum memulakan kajian.

 

Bentuk-bentuk Tenaga

Terdapat bermacam-macam bentuk tenaga seperti tenaga thermal, mekanikal, kinetik, keupayaan, elektrik, kimia, nuklear, dan tenaga dalaman (sensible energy, latent energy). Setiap satu jenis tenaga ini, mempunyai kaedah dan persamaan yang berbeza sama sekali.  Thermodinamik ini tidak memberikan maklumat mengenai nilai mutlak jumlah tenaga keseluruhan. Ia hanya berkaitan dengan perubahan jumlah tenaga, yang mana ianya sangat penting dalam kejuruteraan.

 

Tenaga thermal ini melibatkan ‘sensible energy’ (yang berkaitan dengan tenaga kinetik oleh molekul-molekul) dan juga ‘latent energy’ (yang berkaitan dengan penukaran fasa). Tenaga dalaman (internal energy) ini melibatkan tenaga thermal, tenaga kimia (atomic bonding), dan tenaga nuklear (nucleus bonding).  Tenaga thermal seperti haba ini melibatkan pemidahan haba antara dua sistem yang berbeza suhu. Terdapat tiga mekanisma pemidahan haba yang berlaku iaitu secara konduksi, perolakan, dan radiasi. Mekanisma ini diterangkan dalam subjek yang lain. Kerja juga merupakan suatu bentuk tenaga yang melibatkan daya yang bertindak pada suatu jarak yang tertentu seperti omboh, shaft, elektrik, dan lain-lain lagi. Tenaga juga boleh dipindahkan melalui pergerakan jisim. Kadar tenaga (haba dan kerja) dalam suatu jangka masa tertentu, disebutkan sebagai kuasa.

 

Kita mengukur kecekapan sesuatu pemindahan tenaga ini dengan suatu nilai yang tertentu iaitu ‘efficiency’. Nilai kecekapan ini adalah nisbah tenaga yang kita inginkan (output) kepada tenaga yang kita ada (input). Ini bermakna, nilai kecekapan yang tinggi adalah apabila tenaga yang kita ada itu boleh ditukarkan keseluruhannya kepada tenaga yang kita inginkan. Namun, ianya adalah MUSTAHIL sama sekali! Ini adalah kerana pemindahan tenaga bukanlah proses yang berbalik. Bermaksud, adalah suatu perkara yang mustahil untuk tenaga itu berpindah tanpa meninggalkan kesan kepada persekitarannya. Ambil contoh seperti kita berjalan di pantai. Setiap kali kita melangkah, pasti ada kesan tapak kaki dibelakangnya. Proses ini (reversible) adalah suatu had teori untuk model yang ideal.

 

Tular: Kapal terbang tidak memerlukan minyak?

Baru-baru ini telah menjadi tular yang mengatakan tentang fakta minyak. Minyak tidak diperlukan untuk menghasilkan tenaga dalam bentuk haba dan tenaga kerja seperti yang terdapat dalam kapal terbang. Cukuplah dengan hanya mampatan udara sahaja. Adakah ini benar? Baiklah, tempat pembakar kapal terbang dinamakan combustor. Ianya suatu sistem yang terbuka (control volume) dimana haba, kerja, dan jisim boleh melintasi system tersebut. Jika tiada minyak dan bahan bakar, maka tiadalah pembakaran yang berlaku. Maka kita boleh analogikannya sebagai sebuah compressor sahaja yang melakukan tugasnya untuk melakukan kerja (rotating turbine) disamping mendapatkan daya tujahan (tenaga kinetic). Itu adalah sesuatu yang mustahil bagi sebuah compressor kerana udara harus dimampatkan dengan tingginya tekanan lalu dilepaskan dalam kelajuan yang tinggi. Udara yang mengalir masuk ke compressor (lalu dimampatkan), tekanannya akan naik, akan tetapi halajunya menurun! Ianya suatu pengaliran yang berterusan bukannya ‘intermittent’ proses. Tanpa kenaikan suhu (enthalpy), maka tenaga itu terhad untuk ditukarkan kepada kerja dan tenaga kinetik.

Keratan rentas enjin turbofan (Gambar diambil dari: https://blog.klm.com/jet-engines-are-hot-in-at-least-4-ways/)

Rumusan

Akhir sekali, thermodinamik ini merupakan suatu cabang yang sangat penting dalam kehidupan kita. Ianya menjelaskan banyak aspek dalam teknologi, seperti enjin haba, peti sejuk, enjin stim, pemprosesan makanan, haba badan, dan tidak lupa juga dalam bidang astronomi dan kosmologi. Prinsip keabadian tenaga ini jugalah menerangkan bagaimana mekanik pergerakan sesuatu jasad di langit seperti matahari, bulan, planet-planet, bumi dan lain-lain lagi. Dengan itu, fenomena-fenomena yang berlaku di langit seperti gerhana matahari dan bulan boleh diukur dengan tepat sekali.

WAllahua’lam.

Rujukan:

Cengel, Y.A., (1997), Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, McGraw Hill.

Cengel, Cimbala, Turner, Kanog’lu (2012), Fundamentals of Thermal-Fluid Science 4th Edition, McGraw Hill.

Cengel, Boles (2015), Thermodynamics 8th Edition, McGraw Hill.

Bird, R. B., Stewart, W. E. and. Lightfoot, E. N., (1960), Transport Phenomena, Wiley.

Holman, J. P., (1992), Heat Transfer, McGraw Hill.

Van Wylen G. J. and. Sonntag, R.E (1986), Fundamentals of Classical Thermodynamics, Wiley.