BAB II

EKSERGI DANBESARAN TERMODINAMIS

HUKUM I TERMODINAMIKA

Energy and matter cannot be created or destroyed nor produced or consumed.

There are no sources or sinks for energy and matter.

Energy and matter can only be converted into different forms.

HUKUM II TERMODINAMIKA

Energi dan benda dapat diubah ke bentuk lain dengan mengkonsumsi KUALITAS energi/benda tersebut.

Kualitas dapat ditingkatkan; akan tetapi hal ini hanya dapat dilakukan dengan “biaya” besar yang berupa penurunan kualitas yang lebih besar di tempat lain.

Menurut Hukum II Termodinamika, kualitas energi selalu menurun setiap energi digunakan dalam suatu proses.

“Kualitas energi” disebut EKSERGI.

Eksergi suatu sistem adalah jumlah maksimum energi yang dapat diubah menjadi usaha/kerja hingga sistem tersebut mencapai keadaan keseimbangan dengan lingkungan.

Menurut Hukum II Termodinamika, energi termal tidak dapat digunakan sepenuhnya / tidak dapat diubah 100% menjadi usaha karena kita berada di lingkungan dengan tekanan dan temperatur atmosferis.

Eksergi diukur secara relatif terhadap keadaan kese-imbangan dimana tidak ada gradien apapun (temperatur,

tekanan, density, komposisi kimia, medan gravitasi dan elektro-magnetik).

Eksergi dari suatu subsistem adalah ukuran seberapa besar “jarak”-nya dari keseimbangan

• Eksergi mekanik = EK

• Eksergi termal = Q

Konsep ini sangat penting dalam perancangan mesin-mesin yang efisien energinya

Gambar bahan bakar yang terbakar

Untuk senyawa bukan bahan bakar, eksergi kimia merupakan suatu ukuran untuk membedakannya

dengan lingkungan sekeliling.

Bahan tambang kualitas tinggi memiliki kandungan eksergi lebih tinggi daripada yang kualitasnya rendah,

sehingga diperlukan energi untuk meningkatkan kualitasnya.

Panas pembakaran (enthalpy) dari bahan bakar kurang lebih sama dengan kandungan ekserginya

Eksergi juga merupakan suatu konsep yang penting untuk memahami proses-proses yang terjadi dalam kehidupan.

Struktur-struktur yang sudah mati akan berubah menjadi struktur yang terorganisir dan dapat berkembang (hidup)

dengan cara mengubah dan menghancurkan sebagian eksergi

Alam menciptakan keadaan yang jauh dari keadaan keseimbangan di Bumi melalui design ulang tanpa henti

terhadap lingkungan dengan tenaga yang berasal dari eksergi sinar matahari

Eksergi merupakan selisih enthalpy bebas (energi Gibbs) antara pembawa energi dengan senyawa

referensi di lingkungan alam

Air laut memiliki U ataupun H yang luar biasa besar, akan tetapi kita tidak bisa memanfaatkannya karena

berada dalam keseimbangan dengan lingkungan alam.

afinitas air laut terhadap lingkungan bumi = 0

Senyawa pada T > Tatm atau T < Tatm mengandung sejumlah energi yang dapat diubah menjadi kerja,

sehingga E > 0

Gas pada P > Patm atau P < Patm E > 0

Eair laut = 0

Energi dari alam semesta selalu konstan, tetapi eksergi selalu berkurang.

Hal ini dapat digambarkan dengan tube pasta gigi.

Jika kita membeli energi dari PLN, sebenarnya yang kita beli adalah eksergi.

Kita tidak bisa mengambil kembali energi panas dari ruangan dan mengembalikannya ke PLN untuk ditukar dengan uang.

Kalau lampu listrik yang kita nyalakan cukup besar, maka lama kelamaan ruangan akan terasa hangat.

KONSUMSI EKSERGI DI ALAM

Matahari menyinari seluruh permukaan bumi dengan intensitas yang sama.

Berbagai tempat di permukaan bumi memiliki kualitas biologis yang berbda-beda, sehingga sifat-sifatnyapun berbeda-beda.

Hal ini berakibat pada perbedaan konsumsi eksergi.

HUKUM II TERMODINAMIKA PADA HEAT ENGINE

EKSERGI SUATU SENYAWA

Eksergi fisik Eksergi kimiawi

Berhubungan dengan:• perubahan temperatur

(ekergi termal)• perubahan tekanan (eksergi

tekanan, eksergi dinamis)• perubahan konsentrasi

(eksergi pencampuran

Berhubungan dengan perubahan komposisi kimiawi senyawa

EKSERGI DAN PANAS

TTT

QQQWE rev0

0

Q

Q

Q0

Sumber panas pada temperatur tinggi T

Lingkungan pada temperatur rendah T0

Kerja yang dilakukan:

Konversi panas Q menjadi kerja Wrev melalui suatu reversible heat engine antara temperatur tinggi T dan temperatur lingkungan T0

Energi termal, Q0 = Q – E = Q (T0/T), yang dilepaskan dari mesin ke sekeliling pada temperatur T0 tidak dapat

dimanfaatkan, dan itu disebut anergi:

Anergi = Energi – Eksergi

Efisiensi dari het engine yang beroperasi secara reversibel, rev

(= Wrev/Q), menyatakan energy availability Q dari sejumlah panas Q pada temperatur T:

TT

QE

QWrev

Q01

Jika heat engine beroperasi secara irreversibel, maka jumlah kerja, Wirr, yang diperoleh dari sejumlah energi termal Q lebih

kecil daripada jumlah maksimum kerja, Wrev, dan tentu saja lebih kecil daripada eksergi (E) dari energi termal Q pada

temperatur T :

revirrirr WEEW

EKSERGI DAN TEKANAN

V PV0 P0

P0 0P

Prev dVPW

Kerja yang dilakukan adalah melawan tekanan atmosferis P0, yaitu kerja untuk me-mindahkan sejumlah ter-tentu gas atmosferis.

Kerja ini tidak dapat diguna-kan, sehingga available work ekivalen dengan eksergi E dan lebih kecil daripada Wrev

Tekanan PTemperatur T0

Tekanan lingkungan P0 dan temperatur T0

Eksergi dari gas pada tekanan tinggi P yang mengalami ekspansi ke tekanan rendah P0 pada temperatur konstan T0

0

0

P

Prev dVPPW

Jika P >> P0 Wrev E

PV = nRT0

Persamaan gas ideal pada temperatur konstan T0:

Eksergi molar dari gas yang mengalami proses perubahan tekanan adalah:

P dV + V dP = 0

dPP

nRTdP

PV

dV

2

0

000 ln

0

PP

nRTP

dPnRTWE

P

Prev

000

0 ln ssTPP

RT