Siklus Carnot Dan Hukum Termodinamika II (1)

Siklus Carnot dan Hukum Termodinamika II Siklus Carnot

Siklus adalah suatu rangkaian proses sedemikian rupa sehingga akhirnya kembali kepada keadaan semula. Perhatikan Gambar 1!

Gambar 1. Siklus termodinamika.

Misalnya, terdapat suatu siklus termodinamika yang melibatkan proses isotermal, isobarik, dan isokorik. Sistem menjalani proses isotermal dari keadaan A sampai B, kemudian menjalani proses isobarik untuk mengubah sistem dari keadaan B ke keadaan C. Akhirnya proses isokorik membuat sistem kembali ke keadaan aalnya A". Proses dari A ke keadaan B, kemudian ke keadaan C, dan akhirnya kembali ke keadaan A, menyatakan suatu siklus.

 Apabila siklus tersebut berlangsung terus menerus, kalor yang diberikan dapat diubah menjadi usaha mekanik. #etapi tidak semua kalor dapat diubah menjadi usaha. $alor yang dapat diubah menjadi usaha hanya pada bagian yang diarsir saja. Berdasarkan Gambar 1 tersebut besar usaha yang berman%aat adalah luas daerah ABCA. Se&ara matematis dapat ditulis seperti berikut. ' ( n)# ln

*+

 p*+  *1"

*1

-saha bernilai positi% jika arah proses dalam siklus searah putaran jam, dan bernilai negati% jika berlaanan arah putaran jarum jam. Perubahan energi dalam -" untuk satu siklus sama dengan nol  - ( /", karena keadaan aal sama dengan keadaan akhir.

Pada tahun 10+, seorang insinyur berkebangsaan Pran&is, Nicolas Leonardi Sadi Carnot, memperkenalkan metode baru untuk meningkatkan e%isiensi suatu mesin berdasarkan siklus usaha. Metode e%isiensi Sadi Carnot ini selanjutnya dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot terdiri atas empat proses, yaitu dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.

1

Perhatikan Gambar berikut!

Gambar +. Siklus Carnot.

Berdasarkan Gambar di atas dijelaskan siklus Carnot sebagai berikut 2

Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu # 1. Pada proses ini sistem menyerap kalor 31 dari reser4oir bersuhu tinggi #1 dan melakukan usaha ' AB.

Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari # 1 menjadi #+ sambil melakukan usaha 'BC.

Proses C5 adalah pemampatan isoternal pada suhu #+. Pada proses ini sistem menerima usaha 'C5 dan melepas kalor 3+ ke reser4oir bersuhu rendah #+.

Proses 5A adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari #+ menjadi #1 akibat menerima usaha '5A.

Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu me sin yang memiliki efisiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin Carnot . Usaha total yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus pada diagram p - V. Mengingat selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi 1 dan melepas kalor Q! ke reservoir bersuhu rendah !" maka usaha yang dilakukan oleh sistem menurut hukum # termodinamika adalah sebagai berikut.

Q $ %U & '

Q1 ( Q! $ ) & ' ' $ Q1 ( Q!

*alam menilai kinerja suatu mesin" efisiensi merupakan suatu faktor yang penting. Untuk mesin kalor" efisiensi mesin ( η diba+a eta , ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diberikan.

!

Se+ara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

6 ' 71//8 31 , 3+ 71//8 1 3+ 71//8

31

31

31 3+

#+

-ntuk siklus Carnot berlaku hubungan

, sehingga e%isiensi mesin

#

3 1

1

Carnot dapat dinyatakan sebagai berikut. 61

#+

 71//8 #1

$eterangan2

6 2 e%isiensi mesin Carnot 8"

#1 2 suhu reser4oir bersuhu tinggi $" # + 2 suhu reser4oir bersuhu rendah $"

9%isiensi mesin Carnot merupakan e%isiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang mempunyai e%isien melebihi e%isiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan persamaan di atas terlihat e%isiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon atau reser4oir. -ntuk mendapatkan e%isiensi sebesar 1//8, suhu tandon #+ harus ( / $. :al ini dalam praktik tidak mungkin terjadi. ;leh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. :al ini disebabkan proses kalor Carnot merupakan proses

re4ersibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel tak terbalikkan".

Contoh Soal 1 :

Sebuah mesin Carnot menyerap kalor sebesar // $ dan // $. Berapa kalor yang terbuang oleh mesin?

Penyelesaian :

5iketahui 2 #1 ( >// $

#+ ( // $ 31 (
5itanyakan 2 3+ ( ...? =aab 2 61

1

#+

 71//8 #1

//

 71//8 >//

( @@,@@8

1 (

@

@

-ntuk menghitung 3+, dapat Anda gunakan persamaan e%isiensi 2

61

1 @

3+

1

 71//8 31

3+

  71//8


3+ ( @@@,@ k=

Hukum II Termodinamika

:ukum  termodinamika menyatakan baha energi adalah kekal, tidak dapat di&iptakan dan tidak dapat dimusnahkan. 9nergi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. amun, kenyataannya tidak demikian. 9nergi tidak dapat diubah sekehendak  Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian ke&il berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristia ini tidak mungkin terjadi alau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun.

:al ini menunjukkan proses perubahan bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak dapat dibalik. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel . Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel .

:ukum  #ermodinamika menjelaskan tiga rumusan mengenai perpindahan kalor sebagai berikut 2

Kalor tidak mungkin berpindah dari sistem bersuhu rendah ke sistem bersuhu tinggi secara spontan.

Menurut Asas Bla&k, kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah. :al ini sesuai dengan rumusan Clausius baha tidaklah mungkin memindahkan kalor dari tandon yang bersuhu rendah ke tandon yang bersuhu lebih tinggi tanpa dilakukan usaha.

Tidak ada mesin yang mengubah seluruh kalor yang masuk menjadi usaha.

Menurut $el4in Plan&k, tidak ada mesin yang bekerja dalam satu siklus dapat mengubah kalor menjadi usaha seluruhnya. Jika suatu sistem mengalami perubahan secara spontan, maka

 perubahan akan berarah sedemikian rupa sehingga entropi sistem akan bertambah, atau akan tetap nilainya.



9ntropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami proses re4ersibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya 3 " dibagi suhu mutlak sistem tersebut #". Perubahan entropi diberi tanda S, se&ara matematis dapat ditulis sebagai berikut.

3 S #

Ciri proses re4ersibel adalah perubahan total entropi S ( /" baik bagi sistem maupun lingkungannya. Pada proses irre4ersibel perubahan entropi / semesta S semesta  /. Proses irre4ersibel selalu menaikkan entropi semesta.

Contoh Soal 2 :

Gambar di baah ini menunjukkan baha 1.+// = kalor mengalir se&ara spontan dari reser4oir panas bersuhu >// $ ke reser4oir dingin bersuhu @// $.

#entukanlah jumlah entropi dari sistem tersebut. Anggap tidak ada perubahan lain yang terjadi.

Penyelesaian :

5iketahui

3 ( 1.+// =, #1 ( >// $, #+ ( @// $.

5itanyakan 2 Ssistem ( ...? =aab 2

Perubahan entropi reser4oir panas2

 DS1 #

3

1+//

1

+ =E$

>//

Perubahan entropi reser4oir dingin2

 DS+ #

3 +

1+//

 =E$

@//

#otal perubahan entropi adalah 2 Ssistem ( S1 F S+ ( + F  ( + =E$

<

Mesin Pendingin

Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu tinggi dinamakan mesin pendingin re%rigerator". Misalnya, pendingin ruangan AC" dan lemari es kulkas". Perhatikan Gambar di baah ini!

Gambar @. Siklus mesin pendingin.

$alor diserap dari suhu rendah #+ dan kemudian diberikan pada suhu tinggi #1. Berdasarkan hukum kedua termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap. Se&ara matematis dapat ditulis dalam persamaan berikut.

31 ( 3+ F '

:asil bagi antara kalor yang masuk 3 +" dengan usaha yang diperlukan '" dinamakan koefisien daya guna !erformansi" yang diberi simbol #!. Se&ara umum, kulkas dan pendingin ruangan memiliki koe%isien daya guna dalam jangkauan + sampai >. Makin tinggi nilai $ p, makin baik kerja mesin tersebut.

$p

3+

 '

-ntuk gas ideal berlaku2 $p 3+ 3+ #+

#1 , #+

' 31  3+

$eterangan 2 $p 2 koe%isien daya guna 31 2 kalor yang diberikan pada reser4oir suhu tinggi =" 3+ 2 kalor yang diserap pada reser4oir suhu rendah =" ' 2 usaha yang diperlukan =" #1 2 suhu reser4oir suhu tinggi $"

#+ 2 suhu reser4oir suhu rendah $"

Contoh Soal $ :

Sebuah lemari es memiliki koe%isien per%ormansi >. =ika suhu ruang di luar lemari es adalah +0C, berapakah suhu paling rendah di dalam lemari es yang dapat diperoleh?

>

Penyelesaian :

5iketahui2 $p ( >

#1 ( +0 F +H@" $ ( @/1 $ 5itanyakan 2 # + ( ...? =aab 2

$oe%isien per%ormansi maksimum diperoleh sebagai berikut2

$p

#+

 #1  #+

dengan #1 adalah suhu tinggi dan #+ adalah suhu rendah. 5ari persamaan tersebut diperoleh 2

$p #1 I $p #+ ( #+ $p #1 ( #+ 1 F $p"

# $p #

1 $p

+

1

>

 @/1" 1 >

o

( +<0 $ ( 1< C o

Suhu paling rendah di dalam lemari es adalah 1< C.

Contoh Soal % :

o

Mesin pendingin ruangan memiliki daya
suhu udara luar +H C, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendingin selama 1/ menit? e%isiensi mesin ideal".

Penyelesaian :

5iketahui2

o

P (
o

#+ ( @ C ( @ F +H@ ( +H/ $ 5itanya2 3 + ( ... ? t ( 1/ menit" =aab2

$ p

3

+

#

+

' #1  #+

3 +

' . #+

#1  #+

3+
@//  +H/

( // s, maka2 >

3+ ( .// ( +,H 7 1/  =.

H