Huk Hukum Termo ermodi dina nami mik ka II Wiwiek Jumiati Inst In stit itut ut Tek ekno nolo logi gi Sa Sain inss Ba Band ndun ung g
Silabus •
Sikl Siklus us Mesi Mesin n
•
Mesi Mesin n Kalor alor
•
Mesi Mesin n Carn Carnot ot
•
Mesi Mesin n Pendi ending ngin in
•
Huku Hukum m Termo ermodi dina nami mik ka II
•
Entropi
Siklus •
Sikl Siklus us adal adalah ah pros proses es yang ang berawal dari ari satu keadaan dan ber berakhi akhirr kemba embali li di keada eadaan an semul semula. a. Jik Jika dig digambar ambarka kan n dala dalam m diag diagrram P-V P-V,, maka maka sikl siklus us beru berupa pa kurv urva tert tertut utup up.. P(Pa) B P2
C
•
•
•
•
•
•
•
•
P1
A V1
D V2 V(m3 )
Kerj Kerja a yang yang dila dilaku kuka kan n tiap tiap elem elemen en proses: Proses AB=isokhorik WAB=0 Pros Proses es BC=is C=isob obar ar pada pada P2 WBC=P2(V2-V1) Pros Proses es CD=isokhorik WCD=0 Pros Proses es DA=is A=isob obar ar pada pada P1 WDA=P1(V2-V1) Total W=WAB+WAB+WAB+WAB=(P2P1) (V2-V1) Luas=panjan Luas=panjangxleb gxlebar ar =(P2-P1) (V2V 1) Ker erja ja to tota tall se sela lama ma sa satu tu si sikl klus us sama sa ma de deng ngan an lu luas as da daer erah ah yan ang g dilingkup dilin gkupii siklu siklus. s.
MESIN KALOR
•
•
1.
Sebu Sebuah ah mesin esin kalor alor adal adalah ah sesu sesuat atu u alat alat yang ang meng menggu guna nak kan kalor/panas untuk untuk melakuk melakukan an usaha/kerja. Mesi Mesin n kalor alor memi memili liki ki tig tiga ciri ciri utam utama: a: Kalor diki dikiri rimk mkan an ke mesi mesin n pada pada temperatur yang ang relat elatif if ting tinggi gi dari dari reserv ervoar oar pana panass. suat suatu u tempa empatt yang ang dise disebu butt res
Sebagi gian an dari dari kalor alor inpu inputt digu diguna nak kan untu untuk k melak elakuk ukan an kerja erja oleh oleh 2. Seba working substance dari dari mesi mesin, n, yaitu aitu mat ater eria iall dala dalam m mesi mesin n yang ang seca secarra aktu aktual al mela melaku kuk kan kerja erja (e.g (e.g., ., camp campur uran an bens bensin in-u -uda darra dala dalam m mesi mesin n mobi mobil) l).. Sisa dari dari kalor alor inpu inputt heat heat dibu dibuan ang g 3. Sisa
pada pada tempe emperrat atur ur yang ang lebi lebih h rendah dah dar dari temper peratur tur inpu inputt ke sua suatu tempat yang ang dise isebut but reserv res ervoar oar ding dingin in..
Skema Mesin Kalor
Gambar ini melukiskan skema mesin kalor.. kalor inpu putt ka kalo lorr, QH menyatakan besarnya in dan subscript H menyatakan hot reservoir.. reservoir QC menyatakan besarnya kalor yang dibuang, dan subscript C merepresentasikan cold reservoir. reservoir. W merepresentasikan kerja yang dilakukan.. dilakukan
Ketika sebuah sistem melakukan proses siklus maka tidak terjadi perubahan energi dalam pada sistem. Dari hukum I termodinamika:
U Q W 0 Q W
Q W
Q Q H QC Q H QC W Q Q H QC W Q H QC
Mesin Kalor …. •
•
Untu Untuk k meng mengha hasi silk lkan an efis efisie iens nsii yang yang ting tinggi gi,, sebu sebuah ah mesi mesin n kalor alor haru haruss meng mengha hasi silk lkan an juml jumlah ah kerja erja yang ang besa besarr dan dan efisie iens nsi, i, e, dari dari suat suatu u kalor kalor input input yang yang kecil. ecil. Ka Kare renan nanya ya,, efis mesi mesin n kalor alor didef didefini inisik sikan an sebag sebagai ai perban perbandin dinga gan n anta antara ra kerja erja yang ang dila dilaku kuk kan oleh oleh mesi mesin n W deng dengan an kalor alor inpu inputt QH: Kerja yg dilakukan W (1) e Input panas Q H Jika Jika kalo kalorr inpu inputt semu semuan anya ya dik dikonve onvers rsik ikan an menj menjad adii kerja erja,, mak maka mesi mesin n akan akan memp mempun unya yaii efisiensi 1.00, 1.00, kare karena na W = QH; dik dikat atak akan an mesi mesin n ini ini memil emilik ikii efisiensi 100%, 100%, idealn idealnya ya demikian. Teta tapi pi hal hal terse ersebu butt tida tidak k mung mungki kin n Q C tida tidak k sama sama deng dengan an nol
Mesin Kalor •
Sebuah mesin, harus mengikuti prinsip konservasi energi. Sebagian dari kalor input QH diubah menjadi kerja W , dan sisanya QC dibu dibuan ang g ke cold cold reser eservo voir ir.. Jik Jika tidak ada lagi kehilangan energi dalam mesi mesin, n, mak maka prin prinsi sip p konse onserv rvas asii ener energi gi:: QH = W + QC
W Q H QC e
e
W Q H
Q H QC Q H
1
QC Q H
e
W Q H
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot •
•
•
•
•
Bagaimana membuat mesin kalor beroperasi dengan efisiensi maksimum? Insinyur Prancis Sadi Carnot (1796–1832) mengusulkan bahwa sebuah mesin kalor akan memiliki efisiensi maksimum jika proses-proses proses-proses dalam mesin adalah reversibel reversibel (dapat balik). Suatu proses reversibel adalah suatu keadaan dimana kedua sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan semula, sama persis seperti sebelum terjadinya proses. Tujuan dari mesin kalor adalah perubahan panas menjadi kerja dengan dengan efisiensi sebesar mungkin. Selama perpindahan panas dalam mesin carnot tidak boleh ada perbedaan suhu yang cukup besar.
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot… Prinsip Carnot : Sebuah alternatif alternatif penyataa penyataan n Hukum II Termodinamika
Tidak ada mesin ireversibel yang beroperasi antara dua reservoir pada suhu konstan dapat mempunyai efisiensi yang lebih besar dari sebuah mesin reversibel reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama. Selanjutnya, semua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama memiliki efisiensi yang sama.
Prinsi Prinsip p Carnot Carnot dan Mesin Mesin Carnot Carnot … Tidak ada mesin nyata yang beroperasi secara reversibel. Akan tetapi, ide mesin reversibel memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin Carnot yang secara khusus berguna sebagai model ideal. ,
Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwa bahwa semua kalor input QH berasal dari suatu hot reservoir pada satu temperatu temperaturr tunggal tunggal T H dan semua kalor yang dibuang QC pergi menuju suatu cold reservoir pada satu temperatu temperaturr tunggal tunggal T C.
Ciri-ciri siklus carnot •
•
•
Setiap proses yang melibatkan perpindahan panas haruslah isotermal baik pada T H maupun pada TC. Setiap proses yang mengalami perubahan suhu tidak terjadi perpindahan panas (proses adiabatik) a diabatik) Siklus carnot terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel
Application of 2nd law to energy conversion systems
Carnot Engine
isothermal expansion
T A
Q H
W12
adiabatic compression
a-b
adiabatic expansion
b-c
d-a
W 41
W 23 c-d
W 34 QC
T B
isothermal compression
Application of 2nd law to energy conversion systems
Carnot Cycle
T
1
T A
2
engine reversible heat engine
4
V T
reversible heat pump
3
T B
1
T A
2
4
3
T B
V
Untuk gas ideal energi dalam hanya bergantung pada suhu maka pada proses isotermal perubahan energi dalam sama dengan nol
Q W Q H W ab nRT H ln
QC W cd nRT C ln QC nRT C ln
V c V d
V b V a
Dari proses adiabatik
.........(1)
V d V c
.........(2)
T H V b
γ
V b
γ
1
V a
γ
1
QC Q H
1
T C V c V c
1
T H V a
γ
1
V b
γ
1
V a
T C
QC
T H
Q H
V d
γ
γ
1
T C V d
V c
V d
T C T H
Subtitusikan persamaan 1 dengan persmaan 2
T ln (V c / V d ) C ......(3) Q H T H ln (V b / V a) QC
e 1
QC Q H
e 1
T C T H
Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara T C dan T H
γ
1
Pendingin carnot Karena masing-masing langkah langkah dalam siklus carnot adalah reversibel, reversibel, maka seluruh siklus dapat dibalik, hal ini mengubah mesin menjadi pendingin QC
K
K
Q H QC Q C / Q H 1 Q C / Q H
QC Q H
T C T H
K carnot
T C T H T C
Semakin besar perbedaan suhu T H –TC semakin kecil harga K dan semakin besar kerja yang diperlukan untuk memindahkan jumlah panas yang dibutuhkan
Prinsi Prinsip p Carnot Carnot dan Mesin Mesin Carnot Carnot … •
Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang dibuang QC dengan kalor input QH dapa dinyatakan dengan persamaan berikut:
QC Q H
T C T H
dengan T C dan T H dalam kelvins (K). •
Efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebgai berikut:
e 1
QC
1
T C
Q H nilai efisiensi T H maksimum yang Hubungan ini memberikan mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara T C dan T H
Mesi Mesin n Pendi ending ngin in Pendingin (refrigerator): sebuah mesin kalor yang beroperasi secara terbalik dengan mesin kalor. Refrigerator menarik panas dari tempat dingin (di dalam pendingin) dan melepaskan panas ke tempat yang lebih hangat. Proses ini hanya dapat berlangsung jika diberikan kerja dari luar, karena kalor tidak dapat mengalir secara spontan dari tempat bersuhu rendah ke tempat bersuhu tinggi. Contoh mesin pendingin ini adalah kulkas, AC.
W Q H QC
REFRIGERATOR
Mesi Mesin n pend pendin ingi gin n yang yang baik baik adal adalah ah mesi mesin n yang yang dapa dapatt menyed menyedot ot panas panas seban sebanyak yak-ban -banyak yakny nya a dari dari reser reservoa voarr ding dingin in untu untuk k juml jumlah ah kerja erja tert terten entu. tu. Untu Untuk k itu itu koefi oefisi sien en unju unjuk k kerja erja mesi mesin n pend pendin ingi gin: n:
=
=
T H QH
Sema Semaki kin n besa besarr rasio asio ini ini mak maka semaki semakin n baik baik pendinginnya QC Rasi Rasio o ini ini dise disebu butt koefi oefisi sien en kine kinerj rja a (coeficie (coeficient nt of performanc performance) e) T
C
W
Pompa ompa Panas anas Pompa panas adalah alat yang digunakan untuk menghasilkan panas. Jika pompa panas bekerja maka suhu reservoir panas semakin tinggi. Untuk itu pompa panas bekerja dengan menyedot kalor dari reservoir dingin dan membuangnya ke reservoir panas. Agar proses ini berlangsung maka diperlukan kerja luar. Contoh pompa panas adalah pemanas ruangan, hair dryer, hand dryer.Pompa panas yang baik adalah pompa yang dapat memindahkan kalor paling banyak ke reservoir panas. Untuk itu unjuk kerja pompa panas REFRIGERATOR T H QH =
W QC T C
Huk Hukum Termo ermodi dina nami mik ka II •
•
•
•
Jika ika tida tidak k ada ada kerja erja dari ari luar luar,, panas anas tidak idak dap dapat mer meramb ambat secar ecara a spon pontan dari dari suhu uhu rend endah ke suhu suhu tin tinggi ggi (Cla (Clau usius sius)) Pros Proses es peru peruba baha han n kerja erja menj menjad adii pana panass meru merupa pak kan pros proses es irre irreve verrsibl sible e jik jika tida tidak k terj terjad adii pros proses es lain lainn nya (Tho (Thoms mson on-Kelvin-Planck) Suat Suatu u mesi mesin n tida tidak k mung mungki kin n bek bekerja erja deng dengan an han hanya meng mengam ambi bill ener energi gi dari dari suat suatu u sumb sumber er suhu suhu ting tinggi gi kemud emudia ian n memb membua uang ngn nya ke sumb sumber er pana panass ter tersebu sebutt untu untuk k meng mengha hasi silk lkan an kerja erja abad abadii (Ket (Ketid idak akmu mung ngki kina nan n mesi mesin n abad abadi) i) Mesi Mesin n Carn Carnot ot adal adalah ah sala salah h satu satu mesi mesin n rever eversi sibl ble e yan yang g meng mengha hasi silk lkan an day daya pali paling ng idea ideal. l. Mesi Mesin n idea ideall memi memili liki ki efis efisie iens nsii maks maksim imum um yang ang mung mungki kin n dica dicapa paii seca secarra teori eoriti tiss
Entropi dan Ketidakteraturan Ketidakteraturan •
•
•
•
•
Redistribusi partikel gas dalam wadah terjadi tanpa perubahan energi dalam total sistem, semua susunan ekivalen Jumlah cara komponen sistem dapat disusun tanpa merubah energi sistem terkait erat dengan kuantitas entropi (S) Entropi adalah ukuran ketidakteraturan sistem Sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya sedikit seperti kristal padat memiliki ketidakteraturan yang kecil atau entropi rendah Sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya banyak seperti gas memiliki ketidakteraturan besar atau entropi tinggi
•
•
Jika entropi sistem meningkat, komponen sistem menjadi semakin tidak teratur, random dan energi sistem lebih terdistribusi pada range lebih besar Sdisorder > Sorder Seperti halnya energi dalam atau entalpi, entropi juga fungsi keadaan keadaan yaitu hanya hanya tergantung tergantung pada keadaan awal dan akhir tidak pada bagaimana proses terjadinya Ssis
•
= Sfinal – Sinitial
Jika entropi meningkat maka Ssis akan positif po sitif,, sebaliknya jika entropi turun, maka Ssis akan negatif
Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika ermodinam ika •
•
•
•
•
Apa yang menentukan arah perubahan spontan? Sistem alami cenderung kearah tidak teratur, random, distribusi partikel kurang teratur Beberapa sistem sistem cenderung lebih tidak teratur (es meleleh) tetapi ada juga yang lebih teratur (air membeku) secara spontan Dengan meninjau sistem dan lingkungan terlihat semua proses yang berlangsung dalam arah spontan akan meningkatkan entropi total alam semesta (sistem dan lingkungan). Ini yang disebut dengan hukum kedua termodinamika Hukum ini tidak memberikan batasan batasan perubahan entropi sistem atau lingkungan, tetapi untuk perubahan spontan entropi total sistem dan lingkungan harus positif Suniv = Ssis + Ssurr > 0
Entropi Entr Entrop opii pert pertam ama a kali ali dipe diperk rken enal alk kan oleh oleh Claus lausis isu us tahun hun 1860. Menu enurut rut Claus lausiu ius, s, sua suatu sis sistem yang ang mela melak kukan ukan pros proses es rever eversi sibe bell (dap (dapat at diba dibali lik k arahn ahnya) pada pada suh suhu kons onstan diser iserttai pen penyerap erapan an kalor alor Q meng mengal alam amii peru peruba baha han n entropi.
ΔS
=
ΔS peru peruba baha han n entr entrop opy y, Q kalor alor yang diserap dan T suhu proses
Latihan Soal 1.
Gas id ideal melakukan proses sepe sepert rtii gamb gambar ar beri beriku kut. t. Hitu Hitung ng kerja.
fisien ensi si sebu sebuah ah mesi mesin n carno arnott 3. Efisi adal adalah ah 60%. 60%. Jik Jika rese reserv rvoi oirr ber bersuhu suhu rend rendah ah memi memili liki ki suhu suhu 50 oC. oC. Ber Berapak apakah ah suhu suhu rese reserv rvoi oirr bersuh bersuhu u tinggi. tinggi.
Sebany nyak ak 2. Seba
0,1 0,1 mol mol gas gas yan yang g memi memili liki ki 5 teka tekanan nan 2x10 2x10 pa dan volum 2 L melak melakuk ukan an pros proses es isokho isokhorik rik sehingg sehingga a tekan ekanan an menj menjad adii dua dua kali ali lipa lipat. t. Selanj Selanjutn utnya ya gas gas ters tersebu ebutt menga mengalam lamii prose prosess isobar isobarik ik hingga hingga volum volumny nya a menjadi menjadi setenga setengahny hnya. a. Gas kemudia kemudian n kemba embali li ke keada eadaan an awal awal mela melalu luii garis garis lurus lurus pada pada diagr diagram am P-V. P-V. Tentu entuka kan n kerja erja sela selama ma satu satu sikl siklus us..
4. Sebuah mesin kalor men menyerap erap dari dari rese reserv rvoi oirr panas sebesar 1000J dan memb embuang uang kalor lor ke reser eserv voir oir ding dingin in 800 800 J. Berapak Berapakah ah effisien effisiensi si mesin mesin ter tersebut. sebut.
5. Suhu kumparan pendingin pada lemari es adalah -15 oC seda sedang ngk kan suhu suhu reser eserv voir oir pemb pembua uang ngn nya adal adalah ah 30 oC. Ber Berapak apakah ah koefi oefisi sien en unju unjuk k kerja erja maks maksim imum um lema lemari ri es terse ersebu but? t? 6. Sebuah kubus es yang bermassa 60 g dan suhu 0oC dite itempa mpatkan tkan di dal dalam gela elas. Setelah lah disi disimp mpa an bebe eberapa apa lam lama, seten eteng gah dari ari es terse ersebu butt telah elah menc encair men menjad jadi air air ya yang ber bersuhu suhu 0 oC. Ber Berapa apa peru peruba baha han n entr entrop opii es/ es/air? air? Dik Diketah etahui ui kalor alor late laten n peleburan es adalah 80 kal/g. 7. Sebuah pabrik pembuat mesin mengklaim sebagai berikut. Energi input ke mesin per detik adalah 9,9 kJ pada suhu 375 K. Energi output per sekon adalah 4,0 kJ kJ pada suhu 225 K. K. Apakah percaya deng dengan an klai klaim m ter tersebu sebut? t?
