Rio Anshari, M.Si 3353 (
[email protected]) (
[email protected])
HUKUM PERTAMA PERTAMA TERMODINAMIKA TE RMODINAMIKA
HUKUM PERTAMA PERTAMA TERMODINAMIKA TE RMODINAMIKA
HUKUM PERTAMA PERTAMA TERMODINAMIKA TE RMODINAMIKA
Bila Bila sist sistem em men menyera yerap p kalo kalorr, seba sebagia gian n ener energi gi digu diguna naka kan n untu untuk k mena menaik ikk kan ener energi gi dala dalam m sis sistem tem (ΔU posi positi tif) f) dan dan sisa sisan nya digu diguna nak kan untu untuk k mela melak kukan ukan usah usaha a ke luar luar (W negatif). Dalam bentuk differensial differensial
= ∆ −
= −
Q positif positif bila siste sistem m menyer menyerap ap kalor kalor dan dan bertanda bertanda nega negatif tif jika sistem melepas kalor. kalor.
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA Pada proses kuasistatik nilai usaha luar :
= − Maka hukum pertama termodinamika untuk proses kuasistatik dapat dituliskan menjadi :
= − = − − = +
KALOR PADA PROSES TERMODINAMIKA 1. Isobarik Dari hukum pertama termodinamika :
= ∆ −
∆ =
Dimana :
2. Isokhorik Dari hukum pertama termodinamika :
= ∆ − Pada proses isokhorik W = 0, maka nilai Q :
= ∆ =
∆
∆
KALOR PADA PROSES TERMODINAMIKA 3. Isotermik Dari hukum pertama termodinamika :
= ∆ − Pada proses isotermik, Δ T = 0 sehingga ΔU = 0
= − =
KALOR PADA PROSES TERMODINAMIKA 4. Adiabatik Dari hukum pertama termodinamika :
= ∆ − Pada proses adiabatik, Q = 0 sehingga :
= ∆ − = ∆ = ∆ −∆ = ∆
∆ = −∆
SOAL 1. Delapan mol gas ideal dipanaskan pada tekanan tetap sebesar 2 × 105 N/m2 sehingga volumenya berubah dari 0,08 m3 menjadi 0,1 m3. Jika gas mengalami perubahan energi dalam gas sebesar 1.500 J, berapakah kalor yang diterima gas tersebut ? 2. Suatu sistem mengalami proses isobarik. Pada sistem dilakukan usaha sebesar 100 J. Jika perubahan energi dalam sistem ΔU dan kalor yang diserap sistem = 150 joule, berapakah besarnya ΔU ?
SOAL 3. Kedalam sejumlah gas dialirkan kalor sebesar 300 joule. Kemudian gas dikenai kerja 120 joule. Berapakah perubahan energi dalam gas? 4. Dari dalam gas diserap kalor sebesar 1205 joule. Sehingga energi dalamnya turun 1000 joule. Tentukan usaha yang dilakukan gas. 5. Gas ideal dalam wadah memiliki tekanan 1,5 atm dan volume 10 lt. Pada saat gas menyerap kalor ternyata volumenya menjadi 12 lt dan tekanan tetap. Tentukan kalor yang diserap gas tersebut!
SOAL 6. Sejumlah gas ideal mengalir proses isobarik pada tekanan 2 atm. Jika volumenya berubah dari 1,5 lt menjadi 2 lt maka tentukan: a. usaha gas, b. pembentukan energi dalam, c. kalor yang diserap gas! 7. Tiga mol gas ideal menyerap kalor 225 joule. Kemudian gas melakukan kerja pada suhu tetap. Berapakah kerja yang dilakukan gas?
MESIN KALOR
Mesin-mesin dipergunakan untuk mengerakkan sesuatu. Prinsipnya mesin menghasilkan energi kinetik.
Berdasarkan hukum kekekalan energi, maka harus ada jenis energi yang lain yang dapat diubah menjadi energi kinetik, salah satunya adalah energi kalor.
Energi kalor biasanya diperoleh dari pembakaran bahan bakar seperti BBM, batubara, kayu bakar, sampah dll.
Namun yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar sebenarnya tidak hanya kalor tetapi juga gas buang, salah satunya gas CO2.
MESIN KALOR
Mesin kalor adalah sebutan untuk alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik.
Semua alat transportasi yang menggunakan bahan bakar merupakan mesin kalor seperti mobil, sepeda motor, pesawat terbang, jet dll.
Mesin-mesin yang ada sekarang yang pada prinsipnya menggunakan panas sebagai sumber energi untuk mengasilkan kerja semuanya merupakan mesin kalor.
Mesin kalor pertama kali berhasil ditemukan oleh James Watt pada awal abad 18 yaitu berupa mesin uap.
MESIN KALOR
MESIN KALOR
MESIN KALOR
MESIN KALOR
MESIN KALOR
MESIN KALOR
MESIN KALOR
MESIN KALOR
Sekarang mesin uap digunakan untuk membangkitkan energi listrik.
Gagasan dasar dibalik penggunaan mesin kalor adalah bahwa kalor bisa diubah menjadi energi mekanik hanya jika kalor dibiarkan mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah.
Selama proses ini, sebagian kalor diubah menjadi energi mekanik (sebagian kalor digunakan untuk melakukan kerja), sebagian kalor dibuang pada tempat yang bersuhu rendah.
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin kalor tampak seperti diagram berikut :
MESIN KALOR
MESIN KALOR
Dari diagram, temperatur tinggi (TH) dan temperatur rendah (TL) dikenal juga dengan julukan temperatur operasi mesin.
Kalor yang mengalir dari tempat bertemperatur tinggi diberi simbol QH, sedangkan kalor yang dibuang ke tempat bertemperatur rendah diberi simbol QL.
Ketika mengalir dari tempat bertemperatur tinggi menuju tempat bertemperatur rendah, sebagian QH diubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan kerja/W), sebagian lagi dibuang sebagai QL.
Sebenarnya kita sangat mengharapkan bahwa semua QH bisa diubah menjadi W, tapi pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa hal tersebut tidak mungkin terjadi. Selalu saja ada kalor yang terbuang.
MESIN KALOR
Mesin kalor yang ditinjau adalah mesin kalor yang berkerja secara terus menerus.
Konsekuensinya dengan kerja yang terus menerus, maka kalor masukan pun harus secara terus menerus juga diberikan.
Dari diagram, terlihat kalor masukan tidak semuanya menjadi usaha tetapi sebagian dibuang. Berarti jumlah kalor yang diserap oleh sistem adalah selisih dari kalor masuk dengan kalor yang dibuang.
Jika kalor masuk disimbolkan dengan Q1 sedangkan kalor yang dibuang disimbolkan dengan Q2, maka besarnya kalor yang diserap sistem (Q) adalah :
= −
MESIN KALOR
Menurut hukum Termodinamika I :
= ∆ −
Karena yang ditinjau adalah mesin yang bekerja secara terus menerus, berarti prosesnya terjadi secara berkala dan berulang secara periodik.
Karena terdapat perulangan, maka sistem otomatis kembali ke keadaan awal setiap satu proses.
Karena ΔU merupakan U akhir – U awal, sedangkan keadaan akhir sama dengan keadaan awal, maka ΔU bernilai 0, sehingga berdasarkan hukum Termodinamika I di atas diperoleh :
MESIN KALOR
=− = − =
Besarnya :
Ini berarti semua kalor yang diserap sistem sepenuhnya dikonversi menjadi usaha luar (tanda negatif merupakan arah yang memperlihatkan sistem melakukan usaha ke lingkungan).
Sehingga besarnya usaha yang dilakukan sistem dapat dituliskan :
= = −
EFISIENSI MESIN KALOR
Bagaimana efisiensi dari mesin kalor ???
Efisiensi termal mesin kalor adalah ukuran tanpa dimensi yang menunjukkan performa peralatan termal seperti mesin pembakaran dalam dan sebagainya.
Pada prinsipnya, konsep efiensi merupakan perbandingan hasil yang diperoleh dengan biaya produksi.
Suatu kondisi dikatakan efisien jika tidak ada biaya produksi yang terbuang sia-sia
Jika diaplikasikan ke dalam termodinamika, efisiensi merupakan perbandingan kerja yang dihasilkan dengan besarnya kalor yang diserap oleh sistem.
EFISIENSI MESIN KALOR
Suatu mesin kalor dikatakan efisien jika semua kalor yang diberikan seluruhnya dikonversi oleh mesin menjadi usaha tanpa ada yang terbuang.
Panas yang masuk (Q 1) adalah energi yang didapatkan dari sumber energi. Output yang diinginkan dapat berupa panas atau kerja, atau mungkin keduanya. Sedangkan panas yang terbuang (Q 2) adalah pelepasan kalor ke lingkungan yang tidak diharapkan.
Suatu mesin kalor akan sangat efisien jika tidak ada kalor yang dibuang ke lingkungan, dalam arti kata ketika mesin beroperasi mesin tetap dalam keadaan dingin.
EFISIENSI MESIN KALOR
Kenyataannya itu adalah kondisi ideal dan tidak mungkin hal itu dapat terjadi.
Sehingga besarnya efisiensi mesin kalor dapat diungkapkan sbb :
=
=
EFISIENSI MESIN KALOR
= =
=
= −
−
−
=−
EFISIENSI MESIN KALOR
Nilai efisiensi :
≤≤ Q 2 = 0
=−
=
Ini berarti tidak ada kalor yang terbuang (Q 2=0), semua kalor yang masuk (Q 1) seluruhnya dikonversi menjadi usaha.
Q 2 = Q 1
=−
=−=
Ini berarti seluruh kalor yang masuk terbuang (Q 2=Q 1), semua kalor yang masuk (Q 1) seluruhnya terbuang ke lingkungan. Tidak ada kalor yang diserap oleh sistem.
EFISIENSI MESIN KALOR
Bagaimana kaitan temperatur kedua reservoir mesin kalor dengan besarnya efisiensi mesin kalor ?
=−
Dengan pendekatan :
=
EFISIENSI MESIN KALOR
Pengungkapan efisiensi dalam bentuk persentase :
=
= −
= −
× %
× %
× %
EFISIENSI MESIN KALOR
Pengungkapan efisiensi dalam bentuk persentase :
≤ ≤ %
Idealnya mesin kalor memiliki efisiensi 100%, namun itu tidak mungkin terjadi karena bertentangan dengan hukum II Termodinamika (akan dibahas pada pertemuan selanjutnya)
Mobil bensin memiliki efisiensi 50%-60% Mesin pembangkit listrik tenaga batu bara yang besar memiliki efisiensi maksimum 46%. Mesin diesel terbesar di dunia memiliki efisiensi maksimum 70%.
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
Hukum ke-nol termodinamika menjelaskan bagaimana kesetimbangan temperatur pada suatu sistem atau beberapa sistem yang berada dalam keadaan setimbang.
Hukum pertama termodinamika menyatakan proses perubahan energi pada suatu sistem, baik sistem tersebut memperoleh energi maupun melepaskan energi.
Hukum pertama secara umum mendasarkan ke hukum kekekalan energi, bahwa energi di alam tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, namun hanya mengalami perubahan bentuk menjadi energi yang lain.
Walupun begitu, energi tidak serta merta dapat dirubah menjadi energi dengan bentuk yang lain walaupun hukum kekekalan energi berkata hal tersebut dapat terjadi.
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
Walaupun hukum pertama termodinamika menunjukkan perubahan energi pada suatu sistem, namun ternyata perubahan tersebut tidak berlangsung sembarangan.
Terdapat aturan tetentu yang menentukan arah perubahan dari energi tersebut.
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
Hukum kedua termodinamika menjelaskan tentang arah perubahan tersebut, terutama tentang arah perubahan pada energi kalor.
Energi kalor merupakan salah satu bentuk energi yang dapat dengan mudah berpindah dari suatu “tempat” ke “tempat ” yang lain, atau dari suatu “sistem” ke “sistem” yang lain.
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
MESIN PENDINGIN PENJELASAN CLAUSIUS ENTROPI
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
PENJELASAN KELVIN-PLANCK
MESIN KALOR
PENJELASAN KELVIN-PLANCK
PENJELASAN KELVIN-PLANCK
PENJELASAN KELVIN-PLANCK
Penjelasan Kelvin-Planck berkaitan dengan mesin 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
“
PENJELASAN KELVIN-PLANCK
Dengan kata lain pernyataan Kelvin-Planck ini menyatakan tidak mungkin untuk membuat mesin kalor yang efisiensinya 100%.
PENJELASAN CLAUSIUS
PENJELASAN CLAUSIUS
Penjelasan Clausius berkaitan dengan mesin pendingin :
“ Kalor mengalir secara spontan dari “ benda bertemperatur tinggi ke benda bertemperatur rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya
PENJELASAN CLAUSIUS
Hal ini berarti : Tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus dimana kalor diserap dari suatu reservoir yang bertemperatur rendah dan melepaskan kalor tersebut ke reservoir yang bertemperatur tinggi tanpa memerlukan usaha luar.
PENJELASAN CLAUSIUS
Penjelasan Clausius berkaitan dengan entropi :
“
Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi
“
PENJELASAN CLAUSIUS
Dari penjelasan Clausius tentang entropi, terdapat beberapa istilah yaitu entropi, proses reversibel dan proses ireversibel.
Entropi menyatakan besarnya energi yang tidak dapat diubah menjadi usaha.
Proses revesibel adalah suatu proses termodinamika dimana setelah proses terjadi, sistem kembali ke keadaan awal. Proses reversibel juga dikenal dengan istilah siklus. Dikenal beberapa siklus pada sistem termodinamika.
Sedangkan proses ireversibel merupakan kebalikan dari proses reversibel. Pada proses ini, perubahan pada sistem terjadi satu arah dan tidak dapat kembali ke arah semula.
MESIN PENDINGIN
Prinsip kerja mesin pendingin adalah memindahkan kalor dari benda bertemperatur lebih rendah pada reservoir bertemperatur rendah ke reservoir bertemperatur tinggi.
Prinsip kerja mesin pendingin berkaitan dengan pernyataan Clausius pada hukum kedua termodinamika tentang mesin pendingin.
Clausius menyatakan jika kalor dipaksakan berpindah dari reservoir dingin ke panas, maka harus ada usaha luar yang diberikan ke dalam sistem.
Arah aliran kalor menjadi berlawanan dengan arah aliran kalor pada mesin kalor.
MESIN PENDINGIN
MESIN PENDINGIN
MESIN PENDINGIN
Jenis-jenis mesin pendingin :
1. Refrigerant Jenis ini lebih dikenal dengan sebutan kulkas atau lemari es. Tipe dan kapasitasnya bermacam-macam, dan umumnya digunakan untuk rumah tangga. Fungsinya untuk mendinginkan minuman, mengawetkan bahan makanan, menghasilkan es. Suhu untuk lemari es dipertahankan 3o - 100o C
MESIN PENDINGIN
Jenis-jenis mesin pendingin :
2. Freezer Jenis yang satu ini tidak berbeda dengan kulkas, hanya saja kapasitas lebih besar, dan suhunya lebih rendah.
MESIN PENDINGIN
Jenis-jenis mesin pendingin :
3. Air Conditioner (AC) Alat ini diperuntukkan untuk mengatur termperatur dan kelembapan udara di dalam suatu ruangan.
MESIN PENDINGIN
Mesin pendingin yang baik adalah mesin pendingin yang menyerap kalor dari benda yang akan didinginkan sebanyakbanyaknya dengan menggunakan usaha luar seminimalnya.
Sebuah mesin pendingin yang dapat menyerap kalor sebanyak-banyaknya dengan usaha luar seminimalnya dikatakan memiliki nilai performansi yang bagus.
Nilai performansi dari mesin pendingin dinyatakan dalam bentuk koefisien performansi (Kp)
Jika kalor yang diambil dari reservoir rendah Q 2, kalor yang dibuang ke resevoir panas adalah Q 1 sedangkan kerja yang diberikan adalah W, maka koefisien performansi dapat dinyatakan sbb :
MESIN PENDINGIN
=
Dari skema terdapat hubungan :
= − Maka koefisien performansi dapat diungkapkan :
=
−
MESIN PENDINGIN Jika sistem yang didinginkan mematuhi persamaan gas ideal, maka koefisien performansi dapat juga diungkapkan menjadi :
=
−
≅
Bagaimana nilai koefisien performansinya ???
=
−
=
−
MESIN PENDINGIN
Nilai Q 1 pasti selalu lebih besar dari Q 2 , dan tidak mungkin sama kecuali mesin dalam kadaan tidak beroperasi. Oleh karena itu nilai <
< berakibat nilai koefisien
performansi :
>
Semakin besar nilai koefisien performansi suatu mesin pendingin, semakin bagus performa dari kerja mesin.
Contoh Soal
1. Sebuah lemari es memiliki koefisien performansi 6. Jika suhu ruang di luar lemari es adalah 28°C, berapakah suhu paling rendah di dalam lemari es yang dapat diperoleh? 2. Suhu di dalam mesin pendingin – 3°C dan suhu di luarnya 27°C. Jika daya yang dipakai untuk mengaktifkan mesin pendingin adalah 250 watt, hitunglah besarnya panas yang dikeluarkan dari ruangan setiap jamnya!
SIKLUS OTTO SIKLUS MESIN KALOR
SIKLUS DIESEL SIKLUS CARNOT
SIKLUS OTTO
SIKLUS OTTO
SIKLUS OTTO
Siklus Otto Otto adalah siklus siklus thermodina thermodinamika mika yang yang paling banyak banyak digunakan dalam kehidupan manusia.
Mobil dan dan sepeda motor motor berbahan berbahan bakar bakar bensin bensin (Petrol (Petrol Fuel) Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.
Siklus Otto dikenal juga dengan istilah siklus volume volume konstan. konstan.
SIKLUS OTTO
Seca Secarra therm thermod odin inami amika ka,, sikl siklus us ini ini memi memili liki ki 4 buah buah pros proses es ther thermod modin inami amika ka yang yang terd terdir irii dari dari 2 buah buah pros proses es isok isokho hori rik k (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Proses yang terjadi adalah : 1-2 : Kompresi adiabatis 2-3 : Pembakaran isokhorik 3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis 4-1 : Langkah buang isokhorik
SIKLUS OTTO
SIKLUS DIESEL
SIKLUS DIESEL
Ditemukan pada tahun 1890 oleh seorang berkebangsaan Jerman yaitu Rudolph Diesel.
Sama halnya dengan siklus otto, siklus diesel merupakan siklus bolak-balik (reciprocating), namun pada siklus ini terdapat pengapian kompresi yang berbeda dengan siklus otto (menggunakan spark plug).
Pada siklus diesel ini spark plug dan karburator digantikan oleh injektor bahan bakar.
Kelebihan siklus ini adalah efisiensinya yang tinggi karena tingkat kompresinya yang cukup besar
SIKLUS DIESEL
SIKLUS DIESEL
Efisiensi siklus diesel yang tinggi menyebabkan siklus ini digunakan untuk mesin-mesin dengan kapasitas besar, seperti yang terdapat pada truk, lokomotif, mesin kapal, dan pembangkit tenaga listrik darurat (genset).
Siklus ini dikenal juga dengan istilah siklus tekanan tetap.
SIKLUS DIESEL
Langkah (0-1) adalah langkah hisap udara, pada tekanan konstan. Langkah (1-2) adalah langkah kompresi, pada keadaan isentropik. Langkah (2-3) adalah langkah pemasukan kalor, pada tekanan konstan. Langkah (3-4) adalah langkah ekspansi, pada keadaan isentropik. Langkah (4-1) adalah langkah pengeluaran kalor, pada volume konstan. Langkah (0-1) adalah langkah buang, pada tekanan konstan.
SIKLUS CARNOT
SIKLUS CARNOT
Siklus Carnot adalah siklus ideal dari mesin pemanas yang reversible (dapat balik) secara sempurna.
Siklus ini menggunakan proses pemuaian isotermis, pemuaian adiabatic, pemampatan isotermis, dan pemampatan adiabatic yang berlangsung berurutan terus menerus.
Konsep dari siklus ini diperkenalkan oleh Sadi Carnot, ahli fisika berkebangsaan Perancis.
Konsep mesin kalor ideal diwakili oleh siklus Carnot. Kata ideal dapat diartikan bahwa siklus ini pada kenyataannya belum dapat direalisasikan ke dalam suatu mesin kalor.
SIKLUS CARNOT
SIKLUS CARNOT
Pada proses A-B terjadi ekspansi isotermik pada proses B-C terjadi ekspansi adiabatik pada proses C-D terjadi pemampatan isotermik pada proses D-A terjadi pemampatan adiabatik
SIKLUS CARNOT
Mesin carnot terbesar?
manakah
yang
efisiensinya
terkecil
dan
SIKLUS CARNOT
