apliksi hukum termodinamika
Post on 01-Feb-2016
357 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
BAB 1
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Termodinamika adalah Cabang ilmu Fisika yang mempelajari hukum-hukum
dasar yang berkaitan dengan kalor dan usaha adalah ilmu tentang energi, yang secara
spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja.
Termodinamika juga merupakan ilmu yang mengatur perubahan energi dari satu
bentuk ke bentuk lainnya, pemanfaatan energi dalam bentuk kalor dan usaha. Dalam
termodinamika ada dua besaran yang sangat mendasar yaitu sistem dan lingkungan.
Termodinamika sudah sangat tidak asing didalam kehidupan sehari-hari, banyak
sekali peristiwa termodinamika yang terjadi dalam kehidupan. Sebagai contohnya
perubahan suhu yang terdapat pada badan kita, kemudian beberapa peralatan rumah
tangga yang menggunakan konsep termodinamika dan beberapa peralatan lainnya.
Termodinamika telah merubah sistem industri didunia, dari yang mulanya
menggeunakan kayu bakar untuk memasak sampai menggunakan listrik untuk
memasak. Hal ini karena termodinamika merupakan hukum-hukum yang
menyangkut banyak hal dalam kehidupan sehari-hari. Penerapan hukum pertama
termodinamika juga dapat dilihat dalam kegiatan eksplorasi maupun eksploitasi dari
sistem panas bumi.
1
B. Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang, maka rumusan masalah dalam penulisan ini
dirumuskan sebagai berikut :
1. Bagaimana itu hukum pertama termodinamika?
2. Apakah aplikasi hukum pertama termodinamika dalam kehidupan sehari –
hari dan juga dalam sistem panas bumi?
C. Tujuan Penulisan
Berdasarkan perumusan masalah yang diuraikan diatas, maka penulisan ini
mempunyai tujuan sebagai berikut:
1. Untuk mengetahui bagaimana hukum pertama termodinamika
2. Untuk mengetahui kegunaan hukum pertama termodinamika dalam kehidupan
sehari – hari dan juga dalam sistem panas bumi.
D. Manfaat Penulisan
Kegunaan penelitian yang diharapkan dengan dilaksanakannya penulisan ini
antara lain:
1. Bagi para akademisi, sebagai wawasan tentang tahapan eksplorasi panas
bumi.
2. Bagi kelompok, penulisan ini memberikan kontribusi untuk penulisan -
penulisan selanjutnya tentang teknik eksplorasi panas bumi
2
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
A. Kajian Teori
1. Termodinamika
Dalam Termodinamika dikenal ada dua jenis sistem yaitu: yaitu sistem
tertutup dan sistem terbuka. Dalam sistem tertutup massa dari sistem yang dianalisis
tetap dan tidak ada massa yang keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi
volumenya bisa berubah.Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang
dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan
energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon.
Dalam sistem terbuka, energi dan massa dapat keluar sistem atau masuk
kedalam sistem melewati suatu pembatas sistem. Sebagian besar mesin-mesin
konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar merupakan ruang
didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara yang masuk
kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas, turbin
uap, pesawat jet dan lain-lain merupakan sistem thermodinamika terbuka, karena
secara simultan ada energi dan masa yang keluar-masuk sistem tersebut. Sehingga
dapat disimpulkan: Sistem Terbuka terjadi ketika energi dan massa dapat keluar
sistem atau masuk kedalam sistem melewati suatu pembatas sistem. misal: tangki air
yang terbuka. Sistem tertutup terjadi ketika tidak ada perpindahan massa melalui
batas sistem tetapi dapat terjadi perpindahan energi misal: Gas dalam balon.
3
2. Hukum I Termodinamika
Apabila sistem gas menyerap kalor dari lingkungan sebesar , maka oleh
sistem mungkin akan diubah menjadi:
a. usaha luar (W) dan perubahan energi dalam (U),
b. energi dalam saja (U), dan
c. usaha luar saja (W).
Secara sistematis, peristiwa di atas dapat dinyatakan sebagai:
Q = W + ∆U (1.1)
Persamaan ini dikenal sebagai persamaan untuk hukum I Termodinamika.
Bunyi hukum I Termodinamika adalah “Energi tidak dapat diciptakan ataupun
dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja.” Berdasarkan
uraian tersebut terbukti bahwa kalor (Q) yang diserap sistem tidak hilang. Oleh
sistem, kalor ini akan diubah menjadi usaha luar (W) dan atau penambahan energi
dalam (U). Jika suatu Sistem memperoleh energi dalam bentuk KALOR (Q) dan pada
saat yang sama kehilangan energi dalam bentuk USAHA (W),
Perubahan energi dalam (∆U) dari suatu sistem ditentukan oleh jumlah kalor
yang dipertukarkan (Q) antara sistem dengan lingkungannya, dan kerja/usaha (W)
yang dihasilkan antara sistem dengan lingkungan.
4
Aliran kalor atau kerja (usaha) yang dialami oleh suatu sistem dapat
menyebabkan sistem tersebut memperoleh atau kehilangan energi, tetapi secara
keseluruhan energi itu tidak ada yang hilang, energi tersebut hanya mengalami
perubahan. Berdasarkan hukum kekekalan energi tersebut, hukum pertama
termodinamika dirumuskan sebagai berikut: Untuk setiap proses, apabila kalor Q
diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka selisih energi, Q – W,
sama dengan perubahan energi dalam ∆U dari sistem.
∆U = U2-U1 = Q – W atau Q = W + ∆U (1.2)
Perjanjian tanda untuk Q dan W (Gambar 1.1) adalah sebagai berikut :
- Jika sistem melakukan usaha, nilai W bertanda positif,
- Jika sistem menerima usaha, nilai W bertanda negatif
Gambar (1.1) Perjanjian tanda untuk W dan Q
- Jika sistem menerima kalor, nilai Q bertanda positif,
- Jika sistem melepas kalor, nilai Q bertanda negatif.
5
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan
perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total
dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan
terhadap sistem.
Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum
universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai
suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama
termodinamika ini berbunyi: Kenaikan energi internal dari suatu sistem
termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam
sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.
Pondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh James Prescott Joule yang
melalui eksperimen-eksperimennya berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja
saling dapat dikonversikan. Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf
Clausius pada 1850: "Terdapat suatu fungsi keadaan E, yang disebut 'energi', yang
diferensialnya sama dengan jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya
pada suatu proses adiabatik."
Hukum kekekalan energi: Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat
dihancurkan/dihilangkan. Tetapi dapat ditransfer dengan berbagai cara. Aplikasi:
Mesin-mesin pembangkit energi dan pengguna energi. Semuanya hanya mentransfer
energi, tidak menciptakan dan menghilangkan.
6
3. Penerapan Hukum I Termodinamika
Dalam kehidupan sehari-hari, banyak peristiwa yang berhubungan dengan
Hukum I Termodinamika, sebagai contoh adalah peristiwa di dalam mesin. Sebelum
dapat melakukan usaha, sistem tersebut harus dipanaskan terlebih dahulu. Hal inilah
yang menjadi salah satu alasan orang-orang memanaskan motornya terlebih dahulu
sebelum digunakan. Dengan adanya pemanasan terlebih dahulu, maka energi dalam
gas akan meningkat dan stabil, sehingga usaha yang dihasilkan lebih besar dan lancar.
Salah satu contoh yang paling sederhana adalah es didalam gelas yang
menyebabkan terjadi pengembunan diluar gelas, padahal terpisahkan oleh medium
gelas (glass) yang memisahkan permukaan luar dan permukaan dalam.
Proses timbulnya air pada permuakaan gelas itu menandakan adanya suatu
sistem yang terjadi pada perstiwa ini, sistem yang terjadi adalah bahwa udara yang
ada di sekeliling gelas mengandung uap air. Ketika gelas diisi es, gelas menjadi
dingin. Udara yang bersentuhan dengan gelas dingin ini akan turun suhunya. Uap air
yang ada di udara pun ikut mendingin. Jika suhunya sudah cukup dingin, uap air ini
akan mengembun membentuk tetes-tetes air di bagian luar gelas.
Dari contoh es pada gelas diatas merupakan sistem pertukaran secara tertutup
karena terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan
menggunakan media pembatas rigid (tidak boleh mempertukarkan kerja) dengan
mempertukarkan panas melalui medium gelas.
7
Termos Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I
termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang
digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang
hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak
terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun
sebaliknya. Mesin kendaraan bermotor Pada mesin kendaraan bermotor terdapat
aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin
merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam
silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.
ANALISIS TERMODINAMIKA SISTEM TERBUKA
Dalam persoalan yang menyangkut adanya aliran massa ke/dari sistem maka
sistemnya adalah sistem terbuka (control volume). Contohnya : water heater, radiator
mobil, turbin, kompressor, nozle dll. Tidak ada aturan mengenai bagaimana memilih
sistem, tetapi yang penting adalah pemilihan tersebut dapat memudahkan analisis.
Misalkan akan dianalisis aliran udara melalui nozle, maka pemilihan sistemnya
adalah di dalam nozle. Lapis batas dari control volume disebut control surface, dapat
riil ataupun imajiner. Dalam kasus nozle misalnya, maka permukaan dalam dari nozle
adalah lapis batas yang riil, sedangkan daerah masuk dan keluarnya aliran adalah
lapis batas imajiner karena tidak ada bentuk fisik sesungguhnya. Control volume
dapat tetap (bentuk dan ukurannya) maupun dapat mengandung moving boundary.
8
Flow work
Flow work adalah energi yang diperlukan untuk mendorong fluida masuk atau
keluar dari control volume,merupakan bagian dari energi yang dibawa oleh fluida.
Kita tinjau gambar di atas. Jika tekanan fluida P , luas penampang saluran A, maka
gaya yang bekerja pada elemen fluida oleh piston imajiner adalah : F = P A Untuk
memasukkan seluruh elemen fluida ke dalam control volume maka gaya akan bekerja
masuk ke dalam control volume : Wflow = F L = P A L = P V (kJ)
Dalam basis massa : wflow = P v (kJ/kg)
STEADY FLOW PROCESS
Proses-proses yang dijumpai dalam sistem keteknikan sangat bervariasi, mulai
dari yang sangat sederhana sampai yang rumit. Dalam beberapa hal, proses yang
rumit dapat disederhanakan menjadi bagian yang sederhana(dengan pengandaian-
pengandaian). Turbin, kompresor dan nozle beroperasi untuk waktu yang lama
dengan kondisi yang sama. Peralatan seperti itu diklasifikasikan sebagai steady flow
devices. Proses dari peralatan steady dapat dianalisis dengan suatu idealisasi proses
yang disebut “steady flow process”. Steady flow process didefinisikan sebagai suatu
proses di mana fluida mengalir dalam control volume secara steady. Hal ini berarti
bahwa property dapat berubah dari titik ke titik di dalam control volume tetapi pada
setiap titik selalu konstan selama proses.
9
Karakteristik steady flow process 1. Selama proses tidak ada property yang
berubah terhadap waktu. Jadi volume V, massa m dan total energi E konstan.
Akibatnya boundary work nol dan total massa dan energi yang masuk control volume
sama dengan total massa dan energi yang keluar control volume. Dengan kata lain
selama proses kandungan enegi dan massa dari kontrol volume tetap, tidak berubah
terhadap waktu. 2. Selama proses sifat fluida di inlet dan outlet tidak berubah
terhadap waktu 3. Interaksi energi (berupa panas dan kerja) antara sistem control
volume dengan sekelilingnya tidak berubah terhadap waktu Proses dengan perubahan
sifat-sifat fluida secara periodik dapat dianalisis sebagai steady flow process.
STEADY FLOW DEVICES 1.
Nozle dan diffuser
Nozle : menambah kecepatan fluida Difuser : menaikkan tekanan fluida
dengan menurunkan kecepatan. Beberapa hal yang perlu diperhatikan
1. Q 0. Laju perpindahan panas antara fluida yang mengalir di dalam≅
nozle atau difuser dengan sekeliling biasanya sangat kecil walaupun
tidak diisolasi. Hal ini karena kecepatan fluida cukup tinggi sehingga
tidak cukup waktu untuk terjadi transfer panas. Oleh sebab itu jika
tidak ada data mengenai transfer panas, prosesnya dianggap adiabatik
2. W 0 Kerja di dalam nozle dan difuser nol karena hanya berupa≅
bentuk penampang saluran.
10
3. Δke ≠ 0. Pada waktu fluida melewati nozle aatau difuser terjadi
perubahan kecepatan yang besar sehingga perubahan energi kinetik
harus diperhitungkan dalam analisis.
4. Δpe = 0. Biasanya tidak terdapat perbedaan elevasi, sehingga faktor
energi potensial dapat diabaikan.
Turbin dan kompresor
Di dalam steam power plants peralatan yang menggerakkan generator adalah
turbin. Fluida masuk kedalam turbin dan menggerakkan sudu-sudu sehingga memutar
poros. Kerja yang dihasilkan turbin adalah positif karena dilakukan oleh fluida.
Kompresor adalah alat untuk menaikkan tekanan fluida, seperti juga pompa dan fan.
Fan menaikkan tekanan untuk menggerakkan udara sekitar. Kompresor untuk
menaikkan tekanan gas menjadi tekanan yang sangat tinggi. Pompa sama seperti
kompresor tetapi untuk fluida cair. Beberapa hal yang perlu diperhatikan
1. Q 0. Laju perpindahan panas kecil dibandingkan dengan kerja poros≅
kecuali ada pendinginan, sehingga dapat diabaikan kecuali ada
pendinginan.
2. W 0. Pada persoalan ini pasti ada kerja poros. Pada turbin berupa≅
daya output, pada pompa dan kompresor berupa daya input.
11
3. Δke 0. Perubahan kecepatan fluida biasanya hanya menyebabkan≅
perubahn energi kinetik yang tidak signifikan kecuali pada turbin.
4. Δpe = 0. Perubahan energi potensial biasanya kecil sehingga dapat
diabaikan.
Throttling valves
Proses throttling terjadi bila aliran fluida mengalami kehilangan tekanan
sewaktu melewati hambatan. Throttling valve menyebabkan penurunan tekanan
(pressure drops) di dalam fluida. Pressure drops biasanya diikuti penurunan
temperatur yang besar. Pada throttling valve biasanya diasumsikan adiabatik (q 0)≅
karena tidak cukup waktu dan daerah untuk terjadinya perpindahan panas. Faktor
kerja juga tidak ada (w 0). Perubahan energi potensial sangat kecil sehingga bisa≅
diabaikan (Δpe 0). Meskipun kecepatan keluar lebih besar dari kecepatan masuk≅
tetapi dalam banyak kasus perubahan energi kinetik tidak signifikan (Δke 0). ≅
Sehingga persamaan kekekalan energi menjadi : h2 h1 (kJ/kg) (4.20) u2 +≅
P2 v2 = u1 + P1 v1 atau energi dalam + flow enegi = konstan Enthalpy pada inlet dan
exit sama, disebut proses isenthalpic. Jika flow work naik (P2v2 > P1v1) maka energi
dalam akan turun dan diikuti turunnya temperatur. Jika flow work turun (P2v2 <
P1v1) maka energi dalam dan temperatur naik.
12
Heat exchanger
Merupakan perlatan untuk menukar kalor. Di dalam heat exchanger tidak ada
interaksi kerja (w = 0) dan perubahan energi kinetik serta energi potensial diabaikan
(Δke 0, Δpe 0). Perpindahan panas tergantung bagaimana memilih control≅ ≅
volumenya. Jika seluruh bagian dipilih sebagai control volume maka tidak terjadi
perpindahan panas (Q 0). Tetapi jika hanya satu fluida yang dipilih sebagai control≅
volume maka ada perpindahan panas dari satu fluida ke fluida yang lain (Q ≠ 0).
13
4. Hukum II Termodinamika dan Aplikasinya
Gambar di bawah ini memperlihatkan dua sistem yang berbeda, masing-
masing dilingkungi oleh dinding adiabatik. Pada gambar (a) sebuah benda yang
suhunya T1bersinggungan dengan benda lain (reservoir) yang suhunya T2 lebih
tinggi daripada T1 maka sesuai dengan hukum alam, sejumlah panas akan mengalir
dari reservoir masuk ke dalam benda pertama, sampai akhirnya dicapai keadaan
seimbang, suhu benda pertama menjadi sama dengan suhu reservoir. Seperti
diketahui reservoir adalah benda yang karena ukurannya besar atau karena mendapat
masukkan energi panas dari sistem lain, maka walaupun sejumlah panas mengalir ke
luar atau masuk ke dalamnya, suhunya tidak berubah. Gambar
(a) sejumlah panas mengalir reservoar ( T2) ke benda dengan suhu T1 (T2 > T1 )
(b) gas pada bagian kiri mengalami ekspansi bebas saat diafragme /penyekat
dihilangkan
Proses di atas terjadi secara spontan dan irreversibel. Keadaan awal, kedua benda
mempunyai suhu yang berbeda, setelah bdisentuhkan dan mencapaui keseimbangan ,
maka keadaan akhirnya benda mempunyai suhu yang sama dengan suhu reservoar.
14
Jika sistem ingin dikembalikan lagi ke keadan semula, dimana benda kembali
mempunyai suhu T1 yang lebih rendah, tidaklah mungkin terjadi. Andaikata proses
ini dapat berlangsung maka hal ini sama sekali tidak bertentangan dengan hukum
pertama, yang tidak lain adalah hukum kekekalan tenaga.
Tetapi ternyata sesuai dengan pengalaman proses itu tidak pernah terjadi,
walaupun jumlah tenaganya tetap saja, karena sistem itu dilingkungi dengan dinding
adiabatik. Mengapa tidak dapat tertjadi ? Pada gambar (b) dilukiskan suatu bejana
yang terbagi oleh dua diafragma. Bagian kiri berisi sejumlah gas dan bagian kanan
hampa. Jika diafragma dirobek, maka sejumlah molekul gas dari bagian kiri akan
bergerak memasuki bagian kanan sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang dengan
kedua bagian mempunyai tekanan yang sama.
Proses inipun tak dapat berlangsung ke arah sebaliknya. Dari keadaan
seimbang dengan molekul-molekul gas menempati kedua bagian dengan tekanan
yang sama kemudian sejumlah molekul bergerak ke kiri sampai akhirnya bagian
kanan menjadi hampa. Andaikata hal ini dapat terjadi maka inipun tidak bertentangan
dengan hukum pertama. Peristiwa ini dikenal dengan peristiwa ekspansi bebas,
dimana dalam hal ini walaupunvolume sistem bertambah, sistem dikatakan tidak
melakukan usaha. Dari kedua peristiwa itu timbul pertanyaan mengapa suatu
peristiwa yang sebenarnya tidak bertentangan dengan sesuatu hukum tetapi tidak juga
dapat terjadi.
15
Di alam ternyata ada peristiwa-peristiwa yang terjadi secara spontan ke satu arah
saja.. Menghadapi kenyataan seperti ini maka haruslah diambil kesimpulan bahwa
pastilah ada satu hukum alam lain di luar hukum pertama termodinamika dan yang
tak dapat dijabarkan dari hukum pertama itu lagipula dapat menentukan ke arah
mana proses alami itu akan terjadi. Hukum ini selanjutnya akan disebut kedua
termodinamika. Penyusunan hukum kedua ini tidak lepas dari usaha untuk mencari
sifat atau besaran sistem yang merupakan fungsi keadaan. Ternyata orang yang
menemukannya adalah Clausius dan besaran itu disebut entropi. Hukum kedua ini
dapat dirumuskan sbb.:
Proses suatu sistem terisolasi yang disertai dengan penurunan entropi tidak
mungkin terjadi. Dalam setiap proses yang terjadi pada sistem terisolasi, maka
entropi system tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah.
Lebih lanjut, jika suatu sistem terisolasi dalam keadaan demikian rupa sehingga
entropinya maksimum, maka sistem itu dalam keadaan seimbang. Hal ini disebabkan
karena setiap proses yang akan terjadi berkaitan dengan penurunan entropi, sehingga
tidak mungkin terjadi. Dengan perkataan lain, syarat untuk keseimbangan ialah
bahwa entropinya harus maksimum. Pernyataan di atas hanya berlaku untuk sistem
yang terisolasi. Jadi mungkin saja bahwa suatu sistem yang tak terisolasi akan
menjalani proses yang berkaitan dengan penurunan entropi. Namun selalu dapat
diketemukan bahwa entropi sistem lain yang berinteraksi dengan sistem itu naik
paling sedikit dengan jumlah yang sama dengan penurunan entropinya.
16
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa
total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat
seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
Hukum keseimbangan / kenaikan entropi: Panas tidak bisa mengalir dari material
yang dingin ke yang lebih panas secara spontan. Entropi adalah tingkat keacakan
energi. Jika satu ujung material panas, dan ujung satunya dingin, dikatakan tidak
acak, karena ada konsentrasi energi. Dikatakan entropinya rendah. Setelah rata
menjadi hangat, dikatakan entropinya naik.
Aplikasi: Kulkas harus mempunyai pembuang panas di belakangnya, yang suhunya
lebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak Panas dari isi kulkas tidak bisa
terbuang keluar. Formulasi Kelvin-Planck atau hukum termodinamika kedua
menyebutkan bahwa adalah tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang
bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh
dari suatu reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik. Hukum
kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata
lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan
arahnya).
Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka salju dibawah
tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut. Akan tetapi
17
beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut untuk
menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki arah, yaitu
dari panas ke dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah studi tentang
mesin kalor. Mesin kalor adalah sebutan untuk alat yang berfungsi mengubah energi
panas menjadi energi mekanik.
Dalam mesin mobil misalnya, energi panas hasil pembakaran bahan bakar
diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui
bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas
buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian
energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang diubah ke energi mekanik. Contoh
lain adalah dalam mesin pembangkit tenaga listrik; batu bara atau bahan bakar lain
dibakar dan energi panas yang dihasilkan digunakan untuk mengubah wujud air ke
uap. Uap ini diarahkan ke sudu-sudu sebuah turbin, membuat sudu-sudu ini berputar.
Akhirnya energi mekanik putaran ini digunakan untuk menggerakkan generator
listrik.
Pada pembahasan sebelumnya telah dibahas tentang hukum Termodinamika
yaitu Hukum I Termodinamika. Hukum I Termodinamika menyatakan
bahwa energi adalah kekal. Ada beberapa proses yang dapat dibayangkan
yang menunjukkan perubahan energi tetapi tidak tampak terjadi di alam.
Sebagai contoh, bila benda yang panas disentuhkan dengan benda yang dingin
maka akan terjadi aliran panas dari benda yang panas ke benda yang dingin,
18
tidak pernah sebaliknya secara sendirinya tanpa memasukkan kerja dalam bentuk
apapun. Hukum I Termodinamika tidak membatasi kemanapun kita untuk
mengubah kerja menjadi kalor atau sebaliknya kalor menjadi kerja asalkan hukum
kekekalan energi terpenuhi. Pada kenyataannya kerja seluruhnya dapat diubah
menjadi kalor tetapi kalor tidak seluruhnya dapat diubah menjadi kerja.
Selanjutnya, pada pembahasan sekarang akan dibahas tentang Hukum II
termodinamika. Dalam membahas tentang Hukum II Termodinamika, yang
dibahas tentang proses reversibel dan proses irreversibel, mesin kalor, siklus
carnot, mesin pendingin, hukum II termodinamika, dan entropi. Tetapi, dalam
pembahasa kali ini kita tidak akan membahas tentang entropi.
Proses Reversibel dan Proses Irreversibel
Bila kita meninjau sebuah sistem yang khas dalam kesetimbangan
termodinamika dengan massa M dari suatu gas ideal yang dibatasi dalam sebuah
susunan silinder pengisap dengan volume V, tekanan P serta temperatur T. Dalam
kesetimbangan maka variabel-veriabel tersebut tetap konstan terhadap waktu.
Dimisalkan bahwa silinder tersebut dinding-dindingnya adalah isolator panas
yang ideal dan alasnya adalah penghantar panas yang ideal ditempatkan pada
sebuah reservoir besar yang dipertahankan pada temperatur T sama seperti
gambar 1. Kemudian keadaan sistem tersebut diubah dengan T adalah sama tetapi
volume V direduksi sebesar setengah volume awalnya.
19
1. Proses Irreversibel (Proses Tak Terbalikkan)
Apabila kita menekan pengisap tersebut dengan sangat cepat sampai
kembali lagi ke kesetimbangan dengan reservoir, selama proses ini gas bergolak
dan tekanan serta temperaturnya tidak dapat didefinisikan secara tepat sehingga
grafik proses ini tidak dapat digambarkan sebagai sebuah garis kontinu dalam
diagram P-V karena tidak diketahui berapa nilai tekanan atau temperatur yang
akan diasosiasikan dengan volume yang diberikan. Proses inilah yang dinamakan
proses irreversibel.
2. Proses Reversibel (Proses Terbalikkan)
Apabila kita menekan pengisap dengan sangat lambat sehingga tekanan,
volume, dan temperatur gas tersebut pada setiap waktu adalah kuantitas-kuantitas
yang dapat didefinisikan secara tepat. Mula-mula sedikit butiran pasir dijatuhkan
pada pengisap dimana kemudian volume sistem akan direduksi sedikit dan T akan
naik serta terjadi penyimpangan terhadap kesetimbangan yang sangat kecil.
Sejumlah kecil kalor akan dipindahkan ke reservoir dan dalam waktu singkat
sistem akan mencapai kesetimbangan baru dengan T adalah sama dengan T
reservoir. Peristiwa ini diulakukan berulang-ulang sampai akhirnya kita mereduksi
volume menjadi setengah kali volume awalnya. Selama keseluruhan proses ini,
sistem tersebut tidak pernah berada dalam sebuah keadaan yang berbeda banyak
20
dari sebuah keadaan kesetimbangan. Proses inilah yang dinamakan proses
reversibel. Proses reversibel adalah sebuah proses yang dengan suatu perubahan
diferensial di dalam lingkungannya dapat dibuat menelusuri kembali lintasan
proses tersebut.
Pada praktiknya semua proses adalah irreversibel tetapi kita dapat
mendekati keterbalikan (reversibel) sedekat mungkin dengan membuat perbaikan-
perbaikan eksperimen yang sesuai. Proses yang betul-betul reversibel adalah suatu
abstraksi sederhana yang berguna dalam hubungannya dengan proses riel adalah
serupa seperti hubungan abstraksi gas ideal dengan gas riel. Pada proses reversibel
juga terjadi proses isotermal, kerena kita menganggap bahwa T gas berbeda pada
setiap waktu hanya sebanyak diferensial dT dari T konstan reservoir dimana
silinder berdiam. Volume gas tersebuat juga dapat direduksi secara adiabatikr
dengan memindahkan silinder dari reservoir kalor dan menaruhnya pada sebuah
tempat yang tidak bersifat sebagai penghantar. Dalam proses adiabatikr tidak ada
kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem. Proses adiabatikr dapat merupakan
proses reversibel atau irreversibel, dimana proses reversibel kita dapat
menggerakkan pengisap sangat lambat dengan cara pembebanan pasir dan proses
yang irreversibel kita dapat menyodok pengisap dengan sangat cepat ke bawah.
21
Selama proses kompresi adiabatik temperatur gas akan naik karena dari Hukum
I Termodinamika bila Q = 0 maka besarnya usaha W untuk mendorong pengisap
ke bawah harus muncul sebagai suatu pertambahan energi dalam sebesar
ΔU. W akan bernilai berbeda untuk kecepatan yang berbeda dari pendorongan
pengisap tersebut ke bawah yang diberikan oleh ∫PdV yaitu luas daerah di
bawah kurva pada diagram P –V (hanya untuk proses reversibel untuk P tetap). ΔU
dan ΔT tidak akan sama baik untuk proses reversibel ataupun irreversibel.
Mesin Kalor
Sebelum kita membahas tentang siklus Carnot dan Hukum Kedua
Termodinamika maka terlebih dahulu membahas tentang mesin kalor. Bagi kita
adalah mudah untuk menghasilkan energi termal dengan melakukan kerja.
Contohnya adalah dengan menggosokkan telapak tangan dengan cepat maka
tangan akan terasa panas. Namun untuk mendapatkan kerja dari energi termal
lebih sulit, dan penemuan alat yang praktis untuk melakukan hal ini terjadi sekitar
tahun 1700 dengan pengembangan mesin uap (mesin kalor). Ide-ide yang
mendasari mesin kalor adalah bahwa energi mekanik dapat diperoleh dari energi
termal ketika kalor dibiarkan mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur
rendah. Dalam semua mesin kalor pengubahan energi panas ke energi mekanik
selalu disertai dengan pengeluaran gas buang yang membawa sejumlah energi
panas.
22
Efisiensi Termal Mesin Kalor
Efisiensi maksimum sebuah pembangkit tenaga listrik yang beroperasi antara
temperatur TH = 750 K dan TL = 300 K adalah 60 persen jika menggunakan rumus
efisiensi mesin reversibel, tetapi aktualnya hanya sekitar 40 persen. Hal ini
sebenarnya tidak begitu buruk dan hal tersebut masih membutuhkan improvisasi
untuk mendekati efisiensi mesin reversibel.
Mesin menyerap kalor sejumlah Q1 dari reservoir panas dengan temperatur tinggi
(T1), kalor yang diserap ini sebagian diubah menjadi kerja sebesar W dan
sebagiannya lagi dibuang sebagai kalor Q2 pada temperatur rendah (T2). Karena
fluida kerja melalui suatu proses siklus dimana dalam siklus berawal dari satu
keadaan dan kembali ke keadaan awalnya, sehingga sangat jelas bahwa ΔU
= 0. Sesuai dengan hukum pertama termodinamika maka besarnya usaha W dapat
ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut.
23
ΔU=Q−w
0=(Q1−Q2)−W
W =Q1−Q2
Dengan Q1 dan Q2 adalah besaran yang bernilai positif. Jika fluida kerjanya adalah
gas, maka usaha yang dilakukan fluida kerja untuk sebuah proses siklus sama
dengan luas yang dimuat siklus pada diagram P – V. Efisiensi termal sebuah
mesin kalor merupakan perbandingan nilai antara usaha yang dilakukan dan kalor
yang diserap dari reservoir suhu tinggi selama satu siklus.
Mesin Pendingin
Mesin pendingin adalah mesin kalor yang prinsip kerjanya terbalik dengan
mesin kalor. Mesin kalor mengambil kalor dari reservoir kalor bersuhu tinggi dan
mengubahnya menjadi kerja mekanik serta membuang kelebihannya ke reservoir
suhu rendah. Tetapi mesin pendingin mengambil panas dari reservoir suhu rendah
kemudian kompresornya memberikan input usaha mekanik dan kalor dibuang
pada reservoir suhu tinggi.
COP Mesin Pendingin
24
COP mesin pendingin dan pompa kalor menurun ketika TL menurun. Berarti
hal ini memerlukan kerja untuk menyerap panas da media bertemepratur rendah.
Ketika temperatur ruang refrigerasi mendekati nol, jumlah kerja yang diperlukan
untuk memproduksi jumlah pendinginan tertentu akan mendekati tak terbatas dan
COP-nya akan mendekati nol.
Sebagai contoh dari mesin pendingin adalah lemari es (kulkas) dan
pendingin ruangan atau AC. Dalam lemari es, bagian dalam peralatan bertindak
sebagai reservoir dingin, sedangkan bagian luar yang lebih hangat bertindak
sebagai reservoir panas . Kulkas mengambil kalor dari makanan yang tersimpan
dalam kulkas dan mengalirkan kalor ke udara di sekitar kulkas. Untuk dapat
mengalirkan kalor maka diperlukan energi listrik untuk melakukan usaha pada
sistem sehingga kalor dapat mengalir dari reservoir dingin ke reservoir panas. Maka
dari itulah pada saat kulkas bekerja permukaan-permukaan luar kebanyakan kulkas
terasa hangat ketika kita sentuh (kulkas menghangatkan udara di sekitarnya).
Mungkin dalam pikiran kita akan muncul pertanyaan, mungkinkah kalor
mengalir dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu dingin? Hukum kedua
termodinamika mengabaikan kemungkinan kalor dapat mengalir dari benda
bertemperatur rendah ke benda bertemperatur tinggi. Hal ini berarti bahwa, pada
hukum kedua termodinamika arah proses menjadi perhatian, dimana arah tersebut
hanya dapat dibalik dengan adanya suatu usaha luar dari sistem.
25
5. Penerapan Termodinamika Pada Sistem Pembangkit Listrik Tenaga
Panas Bumi
Pembangkit Listrik Tenaga Panas Bumi (PLTP) pada prinsipnya sama
seperti Pembangkit Listrik Tenaga Uap (PLTU), hanya pada PLTU uap dibuat di
permukaan menggunakan boiler, sedangkan pada PLTP uap berasal dari reservoir
panas bumi. Apabila fluida di kepala sumur berupa fasa uap, maka uap tersebut dapat
dialirkan langsung ke turbin, dan kemudian turbin akan mengubah energi panas bumi
menjadi energi gerak yang akan memutar generator sehingga dihasilkan energy
listrik. Apabila fluida panas bumi keluar dari kepala sumur sebagai campuran fluida
dua fasa (fasa uap dan fasa cair) maka terlebih dahulu dilakukan proses pemisahan
pada fluida. Hal ini dimungkinkan dengan melewatkan fluida ke dalam separator,
sehingga fasa uap akan terpisahkan dari fasa cairnya. Fraksi uap yang dihasilkan dari
separator inilah yang kemudian dialirkan ke turbin.
Siklus Uap Langsung ( Direct Dry Steam)
Silus ini digunakan pada lapagan panas bumi dengan sistem reservoir
dominasi upa. Siklus ini merupakan sistem paling sederhana dalam mengeksploitasi
fluida panas bumi, karena uap dapat langsung dimanfaatkan untuk memutar turbin,
pada sistem ini tidak diperlukan separator karena fluida sumur yang dihasilkan
26
kandugan airnya sangat kecil – contoh lapangan dominasi uap adalah Geysers,
Larderello dan Monte Amiata ( Italia )
Gambar ( 1.2 ) Sistem pembangkit siklus uap kering/ direct dry steam ( Al- Dabbas,
2009)
Siklus Uap Hasil Pemisahan ( Separated Steam )
Siklus ini merupakan siklus yang paling umum digunakan dalam
pengembangan panas bumi selama ini. Siklus ini sesuai untuk lapangan panas bumi
dengan sistem reservoir dominasi air, sehingga ketika fluida panas bumi tersebut
diproduksikan ke permukaan, masih diperlukan proses pemisahan untuk
mendapatkan uap kering. Secara umum terdapat dua sistem pembangkit yang
termasuk dalam kategori siklus ini yaitu sistem pembangkit single flash dan double
flash. Contoh lapangan yang menggunakan sistem ini adalah Cerro Prieto ( Mexico ).
27
Siklus Penguapan Tunggal ( Single Flash Steam )
Pada sistem ini digunakan satu buah pemisahan fluida yaitu separator yang
berfungsi untuk memisahkan fluida dua fasa dari kepala sumur menjadi uap kering
dan brine. Contoh lapangan yang menggunakan sistem pembangkit single flash
adalah lapangan panas bumi Sibayak dan Wayang Windu.
Gambar ( 1.3 ) Sistem pembangkit single flash steam ( Al- Dabbas, 2009)
Siklus Penguapan Ganda ( Double Flash Steam )
Pada sistem ini digunakan dua pemisahan fluida yaitu separator dan flasher
dan digunakan komposisi 2 turbin, HP-turbin dan LP-turbin yang disusun tandem
(ganda), contoh lapangan panas bumi Hatchobaru (Jepang).
28
Gambar ( 1.4 ) Sistem pembangkit single flash steam ( Al- Dabbas, 2009)
Siklus Biner ( Binery Cycle )
Siklus ini digunakan paa lapangan panas bumi enthalpy menengah sampai
rendah dengan tujuan untuk mendapatkan efisiensi konversi energi yang lebih tinggi
bila dibandingakan dengan menggunakan siklus konvesional ( siklus uap hasil
pemisahan ). Siklus ini memanfaatkan fluida panas bumi sebagai sumber panas yang
digunakan untuk menguapkan fluida kerja ( biasanya hidrokarbon ) menjadi uap
untuk kemudian diekspansi di dalam turbin sehingga menghasilkan energi listrik.
29
Gambar ( 1.5 ) Sistem pembangkit siklus biner ( Al- Dabbas, 2009)
Pembangkit biner ini dapat dimanfaatkan secara tersendiri sebagai
pembangkit utama ( untuk lapangan panas bumi enthalpy menengah – rendah )
ataupun dikombinasikan dengan pembangkit jenis flash sebagai pembangkit kedua
(lapangan panas bumi enthalpy tinggi) menjadi pembangkit sistem hybrid.
30
6. Soal dan Penyelesaian Materi Hukum I Termodinamika
1. Suatu sistem gas menyerap kalor sebanyak 500 joule sehingga energi
dalamnya bertambah sebanyak 300 joule. Berapa kerja yang terlibat pada
kasus ini ? apakah sistem melakukan atau dikenai kerja ?
Penyelesaian :
Q = 500 joule ( positif karena sistem menyerap kalor )
∆U = 300 joule ( positif karena energi dalam sistem bertambah )
Menghitung kerja W dengan persamaan hukum I termodinamika :
∆U = Q – W = W = Q - ∆U = W = 500 – 300 = 200 joule
W bernilai positif yang berarti sistem melakukan kerja terhadap lingkungan.
31
2.
3. Delapan mol gas ideal dipanaskan pada tekanan tetap sebesar 4
× 105 N/m2 sehingga volumenya berubah dari 0,06 m3 menjadi 0,08 m3. Jika
gas mengalami perubahan energi dalam gas sebesar 1.500 J, berapakah kalor
yang diterima gas tersebut.
Jawaban :
Diketahui: p = 4 × 105 N/m2,
V1 = 0,06 m3,
V2 = 0,8 m3, dan
ΔU = 1.500 J.
32
Q = ΔU+ W
Q = ΔU + p(V2 – V1)
Q = 1.500 joule + 4 × 105 N/m2 (0,08 – 0,06) m3 = 1.500 joule + 8.000 joule =
9.500 J
33
BAB III
PENUTUP
A. Kesimpulan
Dari hasil penguraian materi yang telah dilakukan dalam penulisan ini, maka
dapat disimpulkan sebagai berikut :
1. Hukum I Termodinamika adalah hukum yang berbicara tentang prinsip
kekekalan energi yaitu” energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan
akan tetapi bisa diubah ke bentuk energi lain” dan juga berbicara
mengenai usaha dan jumlah kalor. Sistem yang mengalami perubahan
volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan
suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan
kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami
perubahan energi dalam. Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan
suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan
bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan
suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih
dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu
bentuk dari hukum kekekalan energi.
2. Hukum I Termodinamika berbicara tentang kekekalan energi dan juga
energy yang telah dikonversi. Jadi, penerapan hukum I termodinamika
34
dalam panas bumi dapat dilihat dari siklus – siklus pembangkit listrik
tenaga panas bumi khususnya di siklus biner.
B. Saran
Beberapa hal yang harus diperhatikan dalam aspek pembangkit listrik adalah
jenis pembangkitnya. Studi mengenai termodinamika sangat menjadi dasar dalam
pemangkit listrik tenaga panas bumi. Jadi, apabila hasil studi dari termodinamika
dapat diaplikasikan pada semua aspek yang telah dikaji maka pembangkit listrik
untuk pengembangan panas bumi di daerah tersebut dinyatakan layak untuk
dilakukan. Karena itu harus dilakukan dengan teliti dan secara berlanjut untuk
kegiatan pengembangan sumber daya panas bumi.
35
Daftar Pustaka
Badan Geologi, 2014. Sumber Daya Panas Bumi Indonesia, Bandung : Pusat
Sumber Daya Geologi
Gupta H., dan Roy S., 2007. Geothermal Energy : An Alternative Resource For The
21ST Century, Amsterdam: Elsevier.
Mitrakusuma, W, 2009. Termodinamika dan Perpindahan Panas. Diktat Dasar
Refrigerasi. Jakarta
Saptadji, N.M Ir, Ph.D. 2001. Teknik Panas Bumi, Departemen Teknik Perminyakan,
ITB, Bandung
Sulistyani, M.Si. 2001. Termodinamika, Jurusan Fisika, UNY, Yogyakarta
Sumintadireda, P, 2005. Vulkanologi dan Geotermal, Teknik Geologi, Institut
Teknologi Bandung
36
top related