hukum 2 termodinamika
TRANSCRIPT
Hukum II TermodinamikaOleh:
Nur Muhammad Zain (22)XI IA 2
Mesin Carnot
Bagaimana membuat mesin kalor beroperasi dengan efisiensi maksimum?
Insinyur Prancis Sadi Carnot (1796–1832) mengusulkan bahwa sebuah mesin kalor akan memiliki efisiensi maksimum jika proses-proses dalam mesin adalah reversibel (dapat balik).
Suatu proses reversibel adalah suatu keadaan dimana kedua sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan semula, sama persis seperti sebelum terjadinya proses.
Tujuan dari mesin kalor adalah perubahan panas menjadi kerja dengan efisiensi sebesar mungkin.
Selama perpindahan panas dalam mesin carnot tidak boleh ada perbedaan suhu yang cukup besar.
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot
Prinsip Carnot : Sebuah alternatif penyataan Hukum II Termodinamika
Tidak ada mesin ireversibel yang beroperasi antara dua reservoir pada suhu konstan dapat mempunyai efisiensi yang lebih besar dari sebuah mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama. Selanjutnya, semua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama memiliki efisiensi yang sama.
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot
Tidak ada mesin nyata yang beroperasi secara reversibel. Akan tetapi, ide mesin reversibel memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin Carnot, yang secara khusus berguna sebagai model ideal.
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot
Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwa semua kalor input QH berasal dari suatu hot reservoir pada satu temperatur tunggal TH dan semua kalor yang dibuang QC pergi menuju suatu cold reservoir pada satu temperatur tunggal TC.
Setiap proses yang melibatkan perpindahan panas haruslah isotermal baik pada TH maupun pada TC.
Setiap proses yang mengalami perubahan suhu tidak terjadi perpindahan panas (proses adiabatik)
Siklus carnot terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel
Ciri-ciri siklus carnot
Application of 2nd law to energy conversion systems
Application of 2nd law to energy conversion systems
isothermalcompression
adiabaticexpansion
isothermalexpansion
adiabaticcompression
TA
TB
a-b
b-c
c-d
d-a
QH
QC
W12
W23
W34
W41
CarnotEngine
Application of 2nd law to energy conversion systems
Application of 2nd law to energy conversion systems
CarnotCycle
TA
TB
1 2
34
TA
TB
1 2
34
V
V
T
T
reversibleheat engine
reversibleheat pump
engine
Untuk gas ideal energi dalam hanya bergantung pada suhumaka pada proses isotermal perubahan energi dalam sama
dengan nol
)1.........(lna
bHabH V
VnRTWQ
)2.........(lnd
cCC V
VnRTQ
c
dCcdC V
VnRTWQ ln
WQ
)3......()/(ln
)/(ln
ab
dc
H
C
H
C
VV
VV
T
T
Q
Q
11 dCaH VTVT
1
1
1
1
d
c
a
b
V
V
V
V
d
c
a
b
V
V
V
V
11 cCbH VTVT
H
C
H
C
T
T
Q
Q
H
C
H
C
T
T
Q
Q
H
C
Q
Qe 1
H
C
T
Te 1
Subtitusikan persamaan 1 dengan persmaan 2
Dari proses adiabatik
Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TC dan TH
Pendingin carnot
Karena masing-masing langkah dalam siklus carnot adalah reversibel, maka seluruh siklus dapat dibalik, hal ini mengubah mesin menjadi pendingin
CH
C
QK
HC
HC
QQK
/1
/
H
C
H
C
T
T
Q
Q
CH
Ccarnot TT
TK
Semakin besar perbedaan suhu TH –TC semakin kecil harga K dan semakin besar
kerja yang diperlukan untuk memindahkan jumlah panas yang dibutuhkan
Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang dibuang QC dengan kalor input QH dapa dinyatakan dengan persamaan berikut:
dengan TC dan TH dalam kelvins (K).
Efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebgai berikut:
Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TC dan TH
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot
H
C
H
C
T
T
Q
Q
H
C
H
C
T
T
Q
Qe 11
Mesin Diesel
MESIN DIESEL
Pengoperasian mesin diesel
• Proses pembakaran mesin diesel
Motor Diesel
Pada siklus motor diesel, udara masuk ke dalam silinder saat langkah menghisap dan ditekan secara adiabatik sampai suhu naik cukup tinggi. Akibatnya, bahan bakar yang diinjeksikan pada akhir langkah ini akan terbakar tanpa memerlukan percikan bunga api.
Mobil berbahan bakar diesel
Perhatikan gambar! Mulai dari titik a, udara ditekan secara adiabatik sampai titik b, akibatnya timbul panas yang menyebabkan terjadi pemuaian secara isobarik sampai titik c. Kemudian, memuai secara adiabatik sampai di titik d. dan menjadi dingin dan terjadi perubahan tekanan secara isokorik sampai titik a.
Pada mesin diesel, saat langkah kompresi di dalam silinder belum terdapat bahan bakar sehingga belum terjadi penyalaan dini. Perbandingan kompress V1/V2 mempunyai nilai jauh lebih besar dibanding dengan perbandingan kompresi motor bensin yaitu bisa mencapai angka perbandingan 15. Dengan mengambil g =1,4 maka efisiensi siklus diesel kira-kira 56%.
Siklus diesel
Kelebihan dan Kekurangan Untuk keluaran tenaga yang sama, ukuran mesin diesel lebih besar
daripada mesin bensin karena konstruksi besar diperlukan supaya dapat bertahan dalam tekanan tinggi untuk pembakaran atau penyalaan. Dengan konstruksi yang besar tersebut penggemar modifikasi relatif mudah dan murah untuk meningkatkan tenaga dengan penambahan turbocharger tanpa terlalu memikirkan ketahanan komponen terhadap takanan yang tinggi. Mesin bensin perlu perhitungan yang lebih cermat untuk modifikasi peningkatan tenaga karena pada umumnya komponen di dalamnya tidak mampu menahan tekanan tinggi, dan menjadikan mesin diesel kandidat untuk modifikasi mesin dengan biaya murah.
Penambahan turbocharger atau supercharger ke mesin bertujuan meningkatkan jumlah udara yang masuk dalam ruang bakar dengan demikian pada saat kompresi akan menghasilkan tekanan yang tinggi dan pada saat penyalaan atau pembakaran akan menghasilkan tenaga yang besar. Penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin diesel tidak berpengaruh besar terhadap pemakaian bahan bakar karena bahan bakar disuntikan secara langsung ke ruang bakar pada saat ruang bakar dalam keadaan kompresi tertinggi untuk memicu penyalaan agar terjadi proses pembakaran. Sedangkan penambahan turbocharger atau supercharger pada mesin bensin sangat memengaruhi pemakaian bahan bakar karena udara dan bahan bakar dicampur dengan komposisi yang tepat sebelum masuk ruang bakar, baik untuk mesin bensin dengan sistem karburator maupun sistem injeksi.
Mesin Otto
Motor Bensin
Motor bensin menggunakan sistem empat langkah dalam satu siklus yang biasa disebut empat tak. Misal, pada posisi piston di puncak (top), lalu bergerak turun, campuran udara dan bensin masuk ke dalam silinder karena katup masuk terbuka dan katup pembu-angan tertutup. Langkah piston me-nurun ini disebut langkah menghisap.
Motor bahan bakar bensin
Siklus Otto (mesin bensin)
Berdasarkan proses langkah kerjanya, gambar di samping dapat dijelaskan bahwa garis: ab- langkah kompresi,bc- langkah bereksplosi, cd- langkah usaha, dan langkah pembuangan.
V1 pada gambar adalah volume udara maksimum dalam silinder dan V2 volume udara minimum dalam silinder. Perbandingan V1/V2 disebut perbandingan kompresi, yang nilainya untuk motor bakar ± 10.
1
1
2
1Efi siensi 1 100%
VV
dengan = konstanta Laplace.
Jika perbandingan kompresi 10 dan g = 1,4 maka efisiensinya kurang dari 60%.
Mesin Kalor
Sebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yang menggunakan kalor/panas untuk melakukan usaha/kerja.
Mesin kalor memiliki tiga ciri utama:
1. Kalor dikirimkan ke mesin pada temperatur yang relatif tinggi dari suatu tempat yang disebut reservoar panas.
2. Sebagian dari kalor input digunakan untuk melakukan kerja oleh working substance dari mesin, yaitu material dalam mesin yang secara aktual melakukan kerja (e.g., campuran bensin-udara dalam mesin mobil).
3. Sisa dari kalor input heat dibuang pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur input ke suatu tempat yang disebut reservoar dingin.
MESIN KALOR
Gambar ini melukiskan skema mesin kalor.
QH menyatakan besarnya input
kalor, dan subscript H menyatakan hot reservoir.
QC menyatakan besarnya kalor
yang dibuang, dan subscript C merepresentasikan cold reservoir.
W merepresentasikan kerja yang dilakukan.
Skema Mesin Kalor
WQU
WQ
WQ
0
Ketika sebuah sistem melakukan proses siklus maka tidak terjadi perubahan energi dalam pada sistem. Dari hukum I termodinamika:
CHCH QQQQQ
CH
CH
QQW
QQQW
Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi, sebuah mesin kalor harus menghasilkan jumlah kerja yang besar dan kalor input yang kecil. Karenanya, efisiensi, e, dari suatu mesin kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang dilakukan oleh mesin W dengan kalor input QH:
Jika kalor input semuanya dikonversikan menjadi kerja, maka mesin akan mempunyai efisiensi 1.00, karena W = QH; dikatakan mesin ini memiliki efisiensi 100%, idealnya demikian.Tetapi hal tersebut tidak mungkin QC tidak sama dengan nol
Mesin Kalor
HQ
W
panasInput
dilakukanygKerjae
Mesin Kalor Sebuah mesin, harus mengikuti
prinsip konservasi energi. Sebagian dari kalor input QH diubah menjadi kerja W, dan sisanya QC dibuang ke cold reservoir. Jika tidak ada lagi kehilangan energi dalam mesin, maka prinsip konservasi energi:
QH = W + QC
HQ
We
CH QQW
H
C
H
CH
Q
Q
Q
QQe
1
HQ
We
Efesiensi Mesin Kalor
Keterangan:ή = efisiensi mesin Carnot (%)W = usaha (J)Q1 = kalor yang diserap (J)
1
W100%
Q
2
1
Q1 100%
Q
Keterangan:Q1 = kalor yang diserap (J)Q2 = kalor yang dilepas (J)
Sehingga efisiensi mesin Carnot dapat dinyatakan: Keterangan:
T1 = suhu pada reservoir suhu tinggi (K)T2 = suhu pada reservoir suhu rendah (K)
2
1
T1 100%
T
Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22.0% dan menghasilkan kerja sebesar 2510 J. Hitung jumlah kalor yang dibuang oleh mesin itu.
Solusi
Contoh 1: An Automobile Engine
JJWe
WWQQ HC 89001
22.0
12510
Proses mesin bakar
Mesin Pendingin
TH
TC
QH
QC
W
REFRIGERATOR
Pendingin (refrigerator): sebuah mesin kalor yang beroperasi secara terbalik. Refrigerator menarik panas dari tempat dingin (di dalam pendingin) dan melepaskan panas ke tempat yang lebih hangat.
0 WQQ CH
WQQ CH
WQQ CH
TH
TC
QH
QC
W
REFRIGERATOR
W
QC
WQQ CH
Persamaan di atas merupakan hubungan nilai-mutlakyang berlaku untuk mesin kalor dan pendingin
Siklus pendingin terbaik adalah yang memindahkanKalor QC terbanyak dari dalam pendingin dengan
Kerja mekanik W sedikit mungkin
CH QQ
Semakin besar rasio ini maka semakin baik pendinginnyaRasio ini disebut koefisien kinerja (coeficient of performance)
CH
CC
Q
W
QK