Hukum Termodinamika: Mengintip Dompet Energi

Kenapa Kerja Gas Bisa Negatif?

Kerja bernilai negatif karena gas mengeluarkan energinya sendiri untuk mendesak udara luar saat volumenya bertambah. Bayangkan kamu sedang berada di ruangan yang penuh sesak lalu mencoba merentangkan kedua tangan lebar-lebar. Kamu terpaksa mendesak kerumunan orang di sekitarmu, dan hal itu pasti menguras tenaga. Hal yang sama persis terjadi pada gas: saat berekspansi dari volume awal hingga menjadi $20\text{ L}$, partikel gas harus mendesak molekul udara luar yang menekan batas wadah.

Karena gas yang harus "membayar biaya capek" untuk menyingkirkan rintangan tersebut, energi sistem justru keluar ke lingkungan. Dalam termodinamika kimia, setiap energi yang dikeluarkan oleh sistem disepakati bertanda minus, sehingga kerja mekanik bernilai negatif ($w = -P_{\text{luar}}\Delta V$). Fakta inilah yang membuat nilai $w$ pada Opsi B dan Opsi C bertanda negatif ($-1.113{,}56\text{ J}$). Sebaliknya, Opsi E menetapkan nilai $w$ positif dan memakai volume akhir ($20\text{ L}$) secara langsung tanpa memperhitungkan selisih volume ($\Delta V$), sehingga menyalahi konsep fisik pergerakan batas sistem.

Memilih Tekanan yang Tepat

Kerja yang dilakukan gas saat berekspansi ditentukan oleh kuatnya tekanan luar, bukan tekanan dalam gas itu sendiri. Saat kamu mendorong pintu darurat untuk keluar, besar tenaga yang wajib kamu keluarkan bergantung pada seberapa kuat kerumunan orang di luar menahan pintu tersebut dari arah berlawanan, bukan semata-mata besar otot lenganmu.

• Tekanan luar ($P_{\text{luar}}$) adalah beban nyata yang harus dilawan saat gas membesar. Karena itu, rumus kerja ekspansi wajib memakai tekanan penahan ini: $w = -P_{\text{luar}}\Delta V$, di mana $P_{\text{luar}} = 1\text{ atm}$.

• Tekanan dalam gas ($P = 4\text{ atm}$) hanyalah kondisi awal sistem yang berguna saat mencari volume mula-mula ($V_1$) lewat persamaan gas ideal ($PV = nRT$).

• Hindari kekeliruan volume: Jika salah menetapkan selisih volume atau keliru memakai variabel tekanan, kamu bisa terjebak menghitung nilai kerja yang meleset seperti pada Opsi A ($506{,}625\text{ J}$) atau Opsi D ($1.519{,}875\text{ J}$).

Menghitung Kalor (Analogi Saldo)

Hukum I Termodinamika adalah hukum saldo energi: perubahan energi dalam adalah hasil gabungan transfer kalor masuk dan pengeluaran kerja gas. Supaya tidak tertukar antara tanda tambah dan kurang, bayangkan energi dalam ($\Delta E$) sebagai perubahan saldo pada rekening bank milik gas. Kerja mekanik ($w$) adalah tagihan belanja yang harus dibayar keluar, sedangkan kalor ($q$) adalah uang transferan yang masuk atau keluar dari rekening.

Prinsip kekekalan energi ini dirumuskan sebagai:

$$\Delta E = q + w$$

Dari soal, saldo akhir gas tercatat tekor sebesar $\Delta E = -100\text{ kal} = -418{,}4\text{ J}$, sementara gas baru saja membayar kerja ekspansi sebesar $w = -1.113{,}56\text{ J}$. Jika gas mengeluarkan uang sebanyak $1.113{,}56\text{ J}$ tetapi saldonya cuma merosot $418{,}4\text{ J}$, artinya pasti ada suntikan dana transferan yang masuk dari luar:

$$q = \Delta E - w = -418{,}4 - (-1.113{,}56) = +695{,}16\text{ J}$$

Nilai kalor positif inilah yang menjadikan Opsi B jawaban yang tepat. Sebaliknya, pada Opsi C, kalor bernilai negatif ($-895{,}16\text{ J}$). Secara logika saldo dompet, jika gas sudah tekor membayar kerja dan masih ditarik uang kalor lagi ke luar, saldo rekening gas tentu akan anjlok jauh lebih parah, bukan hanya berkurang $-418{,}4\text{ J}$.