1. Siklus,  Hukum  Termodinamika  II  dan  Mesin  Kalor    

a. Siklus  dan  Perhitungan  Usaha    

Siklus  adalah  rangkaian  beberapa  proses  termodinamika  yang  membuat  keadaan  akhir  sistem  kembali  ke  keadaan  awalnya.    

   Pada  gambar  di  atas  siklus  terdiri  dari  3  proses      Proses  A  ke  B           Proses  B  ke  C      Usaha  adalah  luas  trapesium       Usaha  adalah  luas  persegi    

panjang    𝑊!" = !!!!!

!𝑉! − 𝑉!

𝑊!" = !!!!!!

𝑉! − 𝑉!𝑊!" = !!!!!

!∆𝑉

       

𝑊!" = 𝑃! 𝑉! − 𝑉!𝑊!" = 𝑃! 𝑉! − 𝑉!𝑊!" = −𝑃! 𝑉! − 𝑉!𝑊!" = −𝑃!∆𝑉

 

 Usaha  positif  (pemuaian)       Usaha  negatif  (pemampatan)            

         

   

 

 Proses  C  ke  D    𝑊!" = 𝑃 𝑉! − 𝑉!𝑊!" = 𝑃 𝑉! − 𝑉!𝑊!" = 𝑃 0𝑊!" = 0

           

           Usaha  satu  siklus  𝐴𝐵𝐶𝐴    𝑊!! =𝑊!" +𝑊!" +𝑊!"

𝑊!! = !!!!!!

∆𝑉 + −𝑃!∆𝑉 + 0

𝑊!! = !!!!!!

∆𝑉 − 𝑃!∆𝑉

𝑊!! = !!!!!!

− 𝑃! ∆𝑉

𝑊!! = !!!+ !!

!− !!!

!∆𝑉

𝑊!! = !!!− !!

!∆𝑉

𝑊!! = !!𝑃! − 𝑃! ∆𝑉

       

 Usaha  satu  siklus  sama  dengan  luas  segitiga  atau  area  yang  ada  didalam  kurva  siklus    Karena  keadaan  sistem  kembali  ke  keadaan  semula  berarti  ∆𝑈 = 0        

     

   

Usaha  𝑊  yang  dilakukan  oleh  sistem  dalam  satu  siklus  sama  dengan  luas  area  yang  ada  di  dalam  kurva  siklus  dan  besarnya  sama  dengan  kalor  𝑄  yang  diserap    

𝑊 = 𝑄  

 

b. Hukum  Termodinamika  II  dan  Mesin  Kalor    

Hukum  termodinamika  I  pada  dasarnya  adalah  hukum  kekekalan  energi  yang  mengatakan  energi  tidak  dapat  dimusnahkan  dan  diciptakan  namum  dapat  berpindah  atau  berubah  bentuk.    Sesuai  hukum  kekekalan  energi,  energi  panas  es  dapat  berpindah  ke  air  sehingga  es  bertambah  dingin  dan  air  bertambah  panas.    Pada  kenyataannya  hal  di  atas  tidak  akan  terjadi  secara  spontan  tanpa  bantuan  suatu  alat.  Hal  sebaliknya  akan  terjadi  secara  spontan  tanpa  bantuan  alat  yaitu  energi  panas  air  akan  berpindah  atau  diserap  oleh  es  sehingga  suhu  es  akan  naik  dan  mencair    Hukum  termodinamika  I  tidak  menentukan  arah  perpindahan  energi  sedang  hukum  termodinamika  II  menentukan  mana  arah  perpindahan  energi  yang  mungkin  dan  yang  tidak  secara  spontan  sesuai  dengan  pengamatan  Rudolf  Clausius      

   Berdasarkan  rumus  usaha  dalam  satu  siklus  𝑊 = 𝑄  dan  hukum  kekekalan  energi  bahwa  kalor  yang  diserap  sistem  dapat  diubah  semuanya  menjadi  usaha  luar.    Sesuai  dengan  pengamatan  yang  dilakukan  oleh  Kelvin-­‐Planck    

           

   

Kalor  mengalir  secara  spontan  dari  benda  bersuhu  tinggi  ke  benda  bersuhu  rendah  dan  tidak  mengalir  secara  spontan  dalam  arah  kebalikannya  

Tidak  mungkin  membuat  sebuah  mesin  kalor  yang  bekerja  dalam  suatu  siklus  yang  semata  mata  menyerap  kalor  dari  sebuah  reservoir  dan  mengubah  seluruhnya  menjadi  usaha  luar  

 

Mesin  Kalor  adalah  suatu  alat  yang  mengubah  energi  panas  menjadi  energi  gerak    

   Prinsip  kerja  mesin  kalor    (1) Kalor  diserap  𝑄!  dari  sebuah  reservoir  bersuhu  tinggi  𝑇!  

 (2) Mengubah  sebagian  kalor  menjadi  usaha  luar  𝑊  

 (3) Melepaskan  kalor  yang  tersisa  𝑄!  pada  reservoir  bersuhu  rendah  𝑇!  

   Karena  mesin  bekerja  dalam  suatu  siklus  maka  ∆𝑈 = 0  maka  𝑊 = 𝑄! − 𝑄!        

         

Efisiensi  termal  sebuah  mesin  kalor  adalah  perbandingan  antara  usaha  yang  dilakukan  dan  kalor  yang  diserap  dari  reservoir  bersuhu  tinggi    

𝜂 =𝑊𝑄!

=𝑄! − 𝑄!𝑄!

= 1−𝑄!𝑄!

 

 

c. Siklus  Carnot    Sardi  Carnot  mengembangkan  metode  untuk  meningkatkan  efisiensi  mesin  berdasarkan  siklus  usaha  yang  disebut  siklus  Carnot  dan  mesin  Carnot  merupakan  konsep  mesin  ideal  dengan  efisiensi  paling  tinggi  yang  tidak  pernah  ada    

   Siklus  Carnot  terdiri  dari  2  proses  isotermis  dan  2  proses  adiabatis    (1) Pada  proses  isotermal  𝐴𝐵  sistem  menyerap  kalor  𝑄!  dari  reservoir  

bersuhu  tinggi  𝑇!  dan  sistem  melakukan  usaha  𝑊!" = 𝑄!  karena  ∆𝑈 = 0    

(2) Pada  proses  adiabatik  𝐵𝐶  sistem  mengambil  energi  dalam  dan  melakukan  usaha  𝑊!" = −∆𝑈  karena  𝑄 = 0  dan  suhu  turun  menjadi  𝑇!    

(3) Pada  proses  isotermal  𝐶𝐷  sistem  melepaskan  kalor  𝑄!  ke  reservoir  bersuhu  rendah  𝑇!  dan  sistem  melakukan  usaha  𝑊!" = −𝑄!  karena  ∆𝑈 = 0  

 (4) Pada  proses  adiabatik  𝐶𝐴  sistem  menambah  energi  dalam  dan  

melakukan  usaha  𝑊!" = ∆𝑈  karena  𝑄 = 0  dan  suhu  naik  kembali  ke  𝑇!    Usaha  total  dalam  satu  siklus  adalah  𝑊!!    𝑊!! =𝑊!" +𝑊!" +𝑊!" +𝑊!"𝑊!! = 𝑄! − ∆𝑈 − 𝑄! + ∆𝑈𝑊!! = 𝑄! − 𝑄!

   

 Khusus  untuk  mesin  ideal  atau  mesin  Carnot  berlaku    !!

!!= !!

!!    sehingga  

           

Efisiensi  termal  sebuah  mesin  kalor  ideal  adalah    

𝜂 = 1−𝑄!𝑄!

= 1−𝑇!𝑇!  

 

d. Mesin  Pendingin    Prinsip  kerja  mesin  pendingin  kebalikan  dengan  mesin  kalor    (1) Kalor  diserap  𝑄!  dari  sebuah  reservoir  bersuhu  rendah  𝑇!  

 (2) Lingkungan  melakukan  usaha  terhadap  sistem  𝑊  

 (3) Melepaskan  kalor  𝑄!  pada  reservoir  bersuhu  tinggi  𝑇!  

   

             

     

 

Koefisien  performansi  mesin  pendingin  adalah  hasil  bagi  kalor  𝑄!  yang  diserap  dari  reservoir  suhu  rendah  dengan  usaha  𝑊  yang  dibutuhkan  dari  lingkungan    

𝐾! =𝑄!𝑊 =

𝑄!𝑄! − 𝑄!

 

 Koefisien  mesin  pendingin  ideal  atau  Carnot  adalah    

𝐾! =𝑇!

𝑇! − 𝑇!