Entropi
Peng Pengal alam aman an
dan
seha sehari ri-h -har arii
menu me nunj njuk ukka kan n
Hukum
bahw bahwa a
sebu sebuah ah
Kedua
kola kolam m
Termodinamika
tida tidak k
membeku di musim panas. Jika sebuah benda panas berinteraksi dengan benda dingin, maka tak terjadi bahwa benda panas tersebut semakin panas dan dan ben benda da dingin dingin semaki semakin n dingi dingin, n, meskip meskipun un prose proses-p s-pros roses es terse tersebut but tidaklah tidaklah melangga melanggarr hukum hukum kekekalan kekekalan energi energi yang dinyatak dinyatakan an sebagai sebagai hukum pertama termodinamika. termodinamika. Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan apakah proses-proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, � Untuk Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi". Bila ditinjau siklus Carnot , yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor
dan pemampatan adiabatik; adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan , mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi . Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut. Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar". Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka kekacauan maka pernyataan hukum kedua termodinamika di dalam prosesproses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar. Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T 1 dan T2 berinteraksi, sehingga sehingga mencapai temperatur yang serba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan "semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dibandingkan dengan pernyataan semua molekul di dalam benda A bersesuaian dengan temperatur T 1 dan benda B bersesuaian dengan temperatur T2". Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah, pers. (1): S = k log w dimana k adalah k adalah konstanta Boltzmann, S adalah S adalah entropi sistem, w adalah w adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati. Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah, pers. (2): W 1 = c V dimana c adalah c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul N molekul secara serempak di dalam volume V adalah V adalah hasil kali lipat N dari N dari w . Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari N molekul N molekul berada di dalam volume V adalah, V adalah, pers.(3): w = w 1N = (cV)N . Jika persamaan (3) disubstitusikan ke (1), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai positip . Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah besar . besar . Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (1), menghubungkan menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin . mungkin . Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik . Akan tetapi fluktuasi , misal gerak Brown , dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan. kesetimbangan. Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku pada suatu hari musim panas
yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan. Hukum kedua termodinamika termodinamika memperlihatkan arah peristiwa-peristiwa peristiwa-peristiwa yang paling mungkin, bukan hanya peristiwa- peristiwa yang mungkin .
HUKUM II TERMODINAMIKA
Berdasarkan hokum I termodinamika kita mengetahui bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lain. Apabila kita hanya berpedoman pada hokum I termodinamika, maka kita dapat mengubah setiap energi menjadi bentuk energi lain sesuai kehendak kita asalkan memenuhi hokum kekekalan energi. Akan tetapi kenyataan yang terjadi tidak demikian. Sebagai contoh, ketika kita menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetic. Ketika bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya kita balik, yaitu bola besi kita panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi kinetic ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi panas ini akan berubah menjadi energi kinetic dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi kita panaskan sampai meleleh sekalipun.
Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain:
1. Hukum II termod termodinamik inamikaa dalam dalam pernyataan pernyataan aliran kalor
“Kalor mengalir secara spontan dari bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.”
2. Hukum II termodin termodinamika amika dalam pernyataan pernyataan tentang tentang mesin mesin kalor kalor
“Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.”
3. Hukum Hukum II termod termodina inamik mikaa dalam dalam pernyat pernyataan aan entro entropi pi
“Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversible terjadi dan bertambah ketika proses irreversible terjadi.”
Pengertian Entropi Adalah besaran termodinamika yang menyertai perubahan setiap keadaan dari keadaan awal sampai keadaan akhir sistem. Entropi menyatakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Suatu sistem yang memiliki entropi tinggi berarti sistem tersebut makin tidak teratur. Sebagi contoh, jika gas dipanaskan maka molekul-molekul gas akan bergerak secara acak (entropinya tinggi) tetapi jika suhu =nya diturunkan gerak molekulnya menjadi lebih teratur (entropinya rendah).
Perubahan entropi suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. Proses reversible tidak mengubah total entropi dari semesta, tet api setiap proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta.
Mesin Pendingin
Merupakan peralatan yang bekerja berdasarkan aliran kalor dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada siste. Contoh mesin pendingin adalah l emari es (kulkas0 dan pendinginan ruangan (AC).
Ukuran penampilan sebuah mesin pendingin dinyatakan dengan koefisien daya guna (koefisien performansi) yang diberi symbol Kp
Kp = Q2/W = ((Q2)/(Q1 – Q2)) = ((T2)/(T1 – T2))
Keterangan: Kp: koefisien daya guna Q1: kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J) Q2: kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J) W: usaha yang diperlukan (J) T1: suhu reservoir suhu tinggi (K) T2: suhu reservoir suhu rendah (K) Secara umum, kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai. Semakin tinggi nilai Kp, berarti semakin baik penampilan mesin tersebut.
6. PROSES TERBALIKKAN & PROSES TAK TERBALIKKAN Seca Secara ra alam alamii kalo kalorr meng mengal alir ir dari dari temp temper erat atur ur ting tinggi gi ke temp temper erat atur ur rend rendah ah,, tida tidak k sebaliknya. Balok meluncur pada bidang, tenaga mekanik balok dikonversikan ke tenaga internal balok balok & bida bidang ng (kal (kalor or)) saat saat gese geseka kan. n. Prose Proses s ters tersebu ebutt term termas asuk uk pros proses es tak tak terba terbalik likka kan n (irreversible). Kita tidak dapat melakukan proses sebaliknya. Proses terbalikkan terjadi bila sistem melakukan proses dari keadaan awal ke keadaan akhir melalui keadaan setimbang setimbang yang berturutan. berturutan. Hal ini terjadi secara secara quasi-stat quasi-statik. ik. Sehingga Sehingga seti setiap ap kead keadaa aan n dapa dapatt dide didefi fini nisi sika kan n deng dengan an jela jelas s P, V dan dan T-ny T-nya. a. Seba Sebalik likny nya a pada pada pros proses es irreversible, kesetimbangan pada keadaan perantara tidak pernah tercapai, sehingga P,V dan T tak terdefinisikan.
pasir
p
irreversible f
i
reversible V
Reservoir kalor
7. MESIN KALOR Rangkaian dari beberapa proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama disebut siklus. p
2
3 1
4 V
Untuk sebuah siklus, ∆ T = 0 oleh karena itu ∆ U = 0. Sehingga Q = W. Q menyatakan selisih kalor yang masuk (Q 1) dan dan kalor kalor yang yang keluar keluar (Q (Q2) (Q = Q 1- Q2) dan W adalah kerja total dalam satu siklus.
7.1. Siklus Carnot Tahun Tahun 1824 1824 Sadi Sadi Carnot Carnot menunj menunjukka ukkan n bahwa bahwa mesin mesin kalor kalor terbali terbalikkan kkan adenga adengan n siklus siklus antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien. Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis. Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur T h (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor T h dari reservoir dan melakukan usaha Wab menggerakkan piston. Qh a b
d Qc
c
Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas turun dari Th ke Tc (temperatur rendah) dan melakukan usaha Wab . Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur T c (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Qc dari reservoir dan mendapat usaha dari luar Wcd.
Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas naik dari Tc ke Th dan mendapat usaha Wda . Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot :
η = W/Qh = 1 - Qc /Qh karena Qc /Qh = Tc /Th (buktikan) maka
η = 1 - Tc /Th 7.2. Mesin Bensin Proses dari mesin bensin ini dapat didekati dengan siklus Otto. Proses O-A : Udara ditekan masuk ke dalam silinder pada tekanan atmosfir dan volume naik dari V2 menjadi V1. Proses A-B : gas ditekan secara adiabatik adiabatik dari V 1 menjadi V2 dan temperaturnya naik Dari TA ke TB.
p C
B
D
O
A
V2
V1
V
Proses B-C : terjadi proses pembakaran gas (dari percikan api busi), kalor diserap oleh gas Q h. Pada proses ini volume dijaga konstan sehingga tekanan dan temperaturnya naik menjadi p C dan TC.. Proses C-D : Gas berekspansi secara adiabatik, melakukan kerja WCD. Proses D-A : kalor Qc dilepas dan tekanan gas turun pada volume konstan. Proses A-O : dan pada akhir proses, gas sisa dibuang pada tekanan atmosfir dan volume gas turun dari V1 menjadi V2.. Bila campuran udara-bahan bakar dianggap gas ideal, effisiensi dari siklus Otto adalah :
η = 1 - 1/(V1/V2.) γ -1. V1/V2. disebut rasio kompresi.
7.3. Mesin Diesel. Mesin diesel diidealkan bekerja dengan siklus Diesel.
C B
D
A V2
V3
V1
Berbeda dengan mesin bensin, pembakaran gas dilakukan dengan memberikan kompresi hingga teka tekana nann nnya ya ting tinggi gi.. Pada Pada pros proses es BC terja terjadi di pemba pembaka kara ran n gas gas berek bereksp span ansi si samp sampai ai V3 dan dilanjutkan ekspansi adiabatik sampai V1. Rasio kompresi siklus Diesel lebih besar dari siklus Otto sehingga lebih efisien.
7. 4. Heat Pumps dan Refrigerators. Heat Heat pump pump adalah adalah peralat peralatan an mekanis mekanis untuk untuk memana memanaska skan n atau atau mendin mendingin ginkan kan ruang ruang dalam dalam rumah/gedung. Bila berfungsi sebagai pemanas gas yang bersirkulasi menyerap panas dari luar (eksterior) dan melepaskannya di dalam ruang (interior). Bila difungsikan sebagai AC, siklus dibalik.
Temperatur panas, Th
Qh W
Qc Temperatur dingin, Tc
Efektifitas dari heat pump dinyatakan dalam Coefisien C oefisien of Perfoment (COP),
COP =Qh/W Refrigerator, seperti dalam heat pump, memompa kalor Qc dari makanan di dalam ruang ke luar ruangan.
COP = Qc/W
8. HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA Mesin kalor yang telah dibahas sebelumnya menyatakan :
♣ kalor diserap dari sumbernya pada temperatur tinggi (Qh) ♣ Usaha dilakukan oleh mesin kalor (W). ♣ Kalor dilepas pada temperatur rendah (Qc). Dari Dari kenyat kenyataan aan ini menuju menujukka kkan n bahwa bahwa efisie efisiensi nsi mesin mesin kalor kalor tidak tidak pernah pernah berhar berharga ga 100 %. karena Qc selalu ada dalam setiap siklus. Dari sini Kelvin-Planck menyatakan :
“Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor, yang beroperasi pada suatu siklus, hanyalah mentransformasikan ke dalam usaha semua kalor yang diserapnya dari sebuah sumber”. Temperatur tinggi,Th
Temperatur tinggi, Th
Qh
Qh
W
W
Qc Temperatur rendah, Tc
Mesin kalor
Temperatur rendah, Tc
Mesin kalor yang tidak mungkin
Sebuah heat pumps (atau refrigerator), menyerap kalor Qc dari reservoir dingin dan melepaskan kalor
Qh
ke reservoir panas. Dan ini hanya mungkin terjadi bila ada usaha/kerja yang dilakukan
pada sistem. Clausius menyatakan :
“Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan tidak ada efek lain, selain daripada menyampaikan kalor secara kontinyu dari sebuah benda ke benda lain yang bertemperatur lebih tinggi”.
Temperatur tinggi,Th
Temperatur tinggi, Th
Qh
Qh
W Qc
Qc
Temperatur rendah, Tc
Temperatur rendah, Tc
Refrigerator
Refrigerator yang tak mungkin
Secara sederhana, kalor tidak dapat mengalir dari objek dingin ke objek panas secara spontan.
9. ENTROPI Konsep temperatur muncul dalam hukum ke-nol termodinamika. Konsep energi internal muncul muncul dalam hukum pertama pertama termodinam termodinamika. ika. Dalam hukum kedua termodinamika termodinamika muncul konsep tentang entropi. Misal Misal ada proses proses terbalikkan, terbalikkan, quasi-statik, quasi-statik, jika dQ adalah kalor yang diserap diserap atau dilepas oleh sistem selama proses dalam interval lintasan yang kecil, ke cil, dS = dQ/T Entropi dari alam naik bila proses yang berlangsung alamiah Perubahan entropi dari suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem. f ∆ S = ∫ dS = ∫ dQ/T i Untuk proses dalam satu siklus perubahan entropi nol ∆ S = 0. Untuk proses adiabatik terbalikkan, tidak ada kalor yang masuk maupun keluar sistem, maka
∆ S = 0. Proses ini disebut proses isentropik. Entropi dari alam akan tetap konstan bila proses terjadi secara terbalikkan. Untuk proses quasi-statik, terbalikkan, berlaku hubungan : dQ = dU + dW dimana dW = pdV. Untuk gas ideal, dU = ncv dT dan P = nRT/V, oleh karena itu dQ = dU + pdV = nc v dT + nRT dV/V bila dibagi dengan T dQ/T = ncv dT/T + nR dV/V
/Ti) + nR ln(V f /V /Vi) ∆ S = ∫ dQ/T = ncv ln(Tf /T
