Ekspansi Joule-Thomson

Kalau Anda pernah belajar ilmu termodinamika ketika kuliah, pasti pernah mendengar istilah Ekspansi Joule Thomson atau biasa juga disebut Joule-Thomson Effect. Banyak orang (lebih tepatnya sih mahasiswa) merasa bingung dan tak terbayang ketika belajar istilah ini. Sering juga orang menyebutnya mata kuliah yang abstrak banget. Kayaknya sulit  dilihat atau diwujudkan dalam kehidupan sehari-hari. Benarkah demikian? Yuk, kita lihat kisah seru ekspansi Joule-Thomson.
Suatu hari Joule dan Thomson melakukan eksperimen dengan peralatan sederhana seperti berikut. Bayangkan sebuah tabung dengan pelat berpori (porous plug) yang memisahkan tabung tersebut menjadi dua bagian. Pelat tersebut dapat dilewati gas tetapi dengan laju yang lambat (biasanya istilah gaul termodinamikanya disebut throttle). Pada kedua ujung tabung tersebut terdapat piston yang bisa masuk dengan tepat dan kuat ke dalam tabung. Setiap piston bisa bergerak mendekati dan menjauhi poros berpori tersebut. Tabung juga diinsulasi dengan baik sehingga tidak ada kalor yang bisa masuk dan keluar tabung tersebut (istilah keren: adiabatik).

Skema Percobaan Ekspansi Joule-Thomson

Gas dimasukkan di antara pelat berpori dan piston sebelah kiri tabung. Kita sebut  sisi pertama. Pada bagian kanan tabung, piston berada tanpa ruang kosong di sebelah poros berpori. Sebut saja sisi kedua. Volume awal sisi pertama adalah V₁. Tekanan awal dan temperaturnya masing-masing P₁ dan T₁.  Sekarang, gas pada sisi pertama didorong piston ke arah poros berpori dan pada saat yang sama piston sisi kedua akan tertarik menjauhi poros berpori sehingga memiliki tekanan P₂ (tentu saja P₂ lebih kecil daripada P₁). Pada akhir eksperimen, piston sisi pertama tepat berada di sebelah poros berpori dan kondisi (volume, tekanan, dan temperatur) akhir sisi kedua adalah V₂, P₂, dan T₂.
Ada yang aneh hasil percobaan sederhana tersebut! Pengukuran yang akurat menunjukkan T₂ tidak sama dengan T₁. Kadang T₂ bisa lebih kecil dan lebih besar dari T₁. Bagaimana menjelaskan hal ini?
Analisis Awal
Proses diawali dengan volume V₁=V₁ dan V₂=0 dan diakhiri dengan V₁=0 dan V₂=V₂. Kerja yang dilakukan pada sisi pertama: W₁= – P₁(0-V₁) =P₁V₁. Kerja yang dihasilkan pada sisi kedua: W₂ = – P₂ (V₂-0) = – P₂V₂ (sekedar intermezo: Masih ingat kan rumus kerja W = – P ?V?? Kalo negatif berarti kerja yang dihasilkan sisitem, kalo positif berarti kerja yang dilakukan pada sistem).
Berarti kerja total adalah

W_total = W₁ + W₂ = P₁V₁ – P₂V₂

Masih ingat hukum termodinamika pertama? deltaU = Q + W. Artinya perubahan energi dalam sistem akan dipengaruhi oleh panas dan kerja total yang terjadi pada sistem. Karena eksperimen ini dilakukan pada kondisi adiabatik, maka Q = 0. Dengan demikian energi dalam (deltaU) hanya bergantung pada W (kerja total sistem).

DeltaU = W_total

U₂ – U₁ = P₁V₁ – P₂V₂

U₂ + P₂V₂ = U₁ + P₁V₁

Masih ingat U+PV = H (entalpi) ??
Jadi, persamaan terakhir ditutup dengan H₂ =H₁. Proses ternyata berlangsung pada kondisi ISENTALPI!
Biasanya dalam soal atau aplikasi termodinamika, alat yang berperan sebagai poros berpori (porous plug) tersebut adalah valve. Nah, uda tahu kan kenapa pada setiap soal termodinamika yang berhubungan dengan valve selalu diselesaikan dengan kondisi isentalpi (H₂ =H₁)?
Sekian tulisan ekspansi Joule-Thomson bagian pertama. Pembahasan mengenai efek penurunan/kenaikan temperatur akan dijelaskan pada bagian kedua. Nantikan kisah seru ekspansi Joule-Thomson pada bagian kedua.
Tak bermaksud menggurui, hanya sekedar berbagi ilmu.

Sumber:

1. Daubert. Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 6 Edition
2. Gans, Paul. Physical Chemistry 1: JT Notes. 1993.
3. Smith, V., Van Ness,  Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics,  4^th Edition, McGraw-Hill, Singapore, 1987
4. etiska18.wordpress.com/2010/10/04 (Image Source)
5. WikEducator. The Joule-Thomson Experiment (Image Source)