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