HUKUM 2 & 3 TERMODINAMIKA

DAN MESIN PANASDIBUAT OLEH:

- JEFRIS OKDEAN

- SAHRIL SAIFUDIN

- VINCENT DANIEL

PEMBAHASAN

• Pendahuluan• Bunyi hukum II termodinamika• Pengertian hukum II termodinamika• Bunyi hukum III termodinamika• Pengertian hukum III termodinamika• Mesin Panas

PENDAHULUAN• Pengertian Termodinamika. Termodinamika adalah bidang ilmu yang meliputi hubungan antara panas dan

jenis energi lainnya. Termodinamika ditemukan dan diteliti awal tahun 1800-an. Pada saat itu, itu terkait dengan dan mendapat perhatian karena penggunaan mesin uap.

• Termodinamika dapat dipecah menjadi empat hukum. Meskipun ditambahkan ke dalam hukum termodinamika setelah tiga hukum lainnya, hukum ke nol biasanya dibahas terlebih dahulu. Ini menyatakan bahwa jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, maka mereka berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dengan kata lain, jika dua sistem adalah temperatur yang sama sebagai sistem yang ketiga, maka ketiganya adalah suhu yang sama.

• Hukum pertama termodinamika menyatakan bahwa energi total sistem tetap konstan, bahkan jika itu diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Misalnya, energi kinetik – energi yang memiliki obyek ketika bergerak – diubah menjadi energi panas ketika sopir menekan rem pada mobil untuk memperlambatnya. Ada sering menangkap frase untuk membantu orang mengingat hukum pertama termodinamika: “Usaha adalah kalor, dan kalor adalah usaha.

• Kali ini kami akan membahas hukum kedua dan ketiga termodinamika..

PENGERTIAN KERJA, KALOR DAN ENERGI

Kerja, Kalor dan Energi adalah konsep yang mendasar dalam termodinamika .

Semua pengukuran kalor dan perubahan energi menghasilkan pengukuran kerja.

Kerja = gaya x jarak ; kerja dilakukan selama proses untuk menghasilkan suatu perubahan

Energi = kapasitas sistem untuk melakukan kerja

Kalor = energi sistem yang berubah sebagai hasil perbedaan temperatur antara sistem dan temperatur lingkungan.

Proses pelepasan energi sebagai kalor disebut eksoterm, dan proses penyerapan energi sebagai kalor disebut endoterm

BUNYI HUKUM II TERMODINAMIKA • kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan

dari benda dingin ke benda panas”

• Hukum II Termodinamika

memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah

seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck).

Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).

Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).

• Hukum II Termodinamika dirumuskan dalam berbagai pernyataan atau perumusan sebagai hasil pengamatan yang dilakukan berabad - abad.

• Menurut Clausius: tidak mungkin memindahkan kalor dari tandon yang bersuhu rendah ke tandon yang bersuhu tinggi tanpa dilakukan usaha.Perumusan R. J. E. Clausius (1822–1888) sehubungan dengan prinsip kerja Refrigerator (mesin pendingin).“Heat can flow spontaneously from a hot object to a cold object; heat will not flow spontaneously from a cold object to a hot object.”

Dua formulasi dari hukum kedua termodinamika yang berguna untuk memahami konversi energi panas ke energi mekanik, yaitu formulasi yang dikemukakan oleh Kelvin-Planck dan Rudolf Clausius. Adapun hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut :

1. Formulasi Kelvin-Planck

“Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik.” Dengan kata lain, formulasi kelvin-planck menyatakan bahwa tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari lautan dan menggunakan energi ini untuk menjalankan generator listrik tanpa efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer. Oleh karena itu, pada setiap alat atau mesin memiliki nilai efisiensi tertentu. Efisiensi menyatakan nilai perbandingan dari usaha mekanik yang diperoleh dengan energi panas yang diserap dari sumber suhu tinggi.

2. Formulasi Clausius

“Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas”. Dengan kata lain, seseorang tidak dapat mengambil energi dari sumber dingin (suhu rendah) dan memindahkan seluruhnya ke sumber panas (suhu tinggi) tanpa memberikan energi pada pompa untuk melakukan usaha. (Marthen Kanginan, 2007: 249-250)

Berbeda dari hukum pertama, hukum kedua ini mempunyai berbagai perumusan. Kelvin mengetengahkan suatu permasalahan dan Planck mengetengahkan perumusan lain. Karena pada hakekatnya perumusan kedua orang ini mengenai hal yang sama maka perumusan itu digabung dan disebut perumusan Kelvin-Planck bagi hukum kedua termodinamika. Perumusan ini diungkapkan demikian :

“Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubahnya menjadi usaha”

Oleh Clausius, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan ungkapan :

“Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya hanya menyerap kalor dari reservoir bertemperatur rendah dan memindahkan kalor ini ke reservoir yang bertemperatur tinggi, tanpa disertai perubahan lain”.

HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA TERBAGI MENJADI 2 YAITU

• 1. Untuk mesin kalor

• ” tidak mungkin mengubah semua kalor yang terdapat pada resevoir kalor temperatur tinggi menjadi kerja dalam sebuah siklus kerja tanpa membuang sebagian kalor ke reservoir kalor temperatur rendah” . Pernyataan ini dapat digambarkan sebagai berikut .

• Semua mesin kalor yang bekerja menghasilkan kerja (W) dengan mengkonversikan kalor dari sumber kalor yang lebih tinggi (Qh) pasti akan membuang sebagian kalor ke resevoir kalor yang lebih rendah temperaturnya (Ql). Artinya tidak semua kalor dapat diubah menjadi kerja, pasti ada kebocoran dan kerugian yang disebut efisiensi (η).

GAMBAR 2 PROSES KONVERSI ENERGI PADA MOTOR BAKAR MENURUT HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

• Contoh; sebuah motor bakar bensin membakar campuran udara dan bahan bakar dan menghasilkan kalor. Energi kalor ini tidak semuanya dapat diubah oleh mesin menjadi kerja (putaran poros), tetapi pasti ada sebagian yang dibuang ke lingkungan sekitar melalui pendingin mesin dan sisa gas buang. Proses konversi energi pada motor bakar menurut hukum kedua termodinamika dapat digambarkan sebagai berikut .

• Efisiensi sistem dapat dihitung dengan membandingkan kerja yang dihasilkan dengan kalor yang diberikan atau dapat ditulis secara matematis .

GAMBAR 3 PROSES PEMINDAHAN KALOR DARI RESERVOIR TEMPERATUR RENDAH KE RESERVOIR TEMPERATUR TINGGI MENURUT HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

• 2. Untuk mesin pendingin

• ” Tidak mungkin memindahkan kalor dari reservoir temperatur rendah ke reservoir temperatur tinggi dalam sebuah siklus kerja tanpa membutuhkan kerja dari luar sistem “. Hukum kedua termodinamika untuk mesin pendingin dapat digambarkan sebagai berikut.

• semua mesin pendingin memindahkan panas dari ruangan atau sumber panas yang lebih rendah ke sumber panas yang lebih tinggi membutuhkan kerja dari luar sistem. Pada dasarnya kalor berpindah dari temperatur tinggi ke temperatur rendah, jadi untuk membalik arah kalor atau memindahkan kalor dari sumber yang bertemperatur rendah ke daerah yang bertemperatur lebih tinggi dibutuhkan kerja tambahan (W).

• Contoh; Lemari es mendinginkan ruangan di dalam lemari es dengan cara membuang kalor dari dalam lemari es ke luar ruangan (lingkungan). Temperatur di dalam lemari es lebih rendah dari pada temperatur di luar lemari es. Supaya lemari es dapat bekerja, maka lemari es membutuhkan kerja dari luar. Kerja ini diambil dari energi listrik yang digunakan untuk menggerakan kompressor pada mesin pendingin lemari es.

• Inti dari hukum kedua termodinamika adalah setiap proses konversi energi selalu menghasilkan kerugian yang disebut efisiensi (η). Proses nyata disebut juga proses irreversibel atau proses yang tidak dapat kembali ke titik semula. Semua proses di alam adalah irreversibel.

HUKUM TERMODINAMIKA IIIHukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa suatu kristal sempurna pada nol mutlak mempunyai keteraturan sempurna, jadi entropinya adalah nol. Pada temperatur lain selain nol mutlak, terdapat kekacau-balauan yang disebabkan oleh eksitasi termal. Kristal adalah zat padat yang terdiri dari atom-atom diam dalam suatu barisan statik barbaniar, suatu keadaan dimanik yang paling teratur. Zat padat ini merupakan tingkat wujud materi yang amat langka dan terdapat di alam sebagai planet dan meteorit. Kristal suatu zat padat sebenarnya seperti statik atau diam saja. Pada tingkat atomik, masing-masing atom itu sebenarnya bergetar di sekitar tempat kedudukannya dengan arah acak. Getaran itu makin bekurang jika suhu kristal itu diturunkan alias didinginkan. Jika dibiarkan, getaran itu akan menjadi semakin giat, benda menjadi panas dan akhirnya membuat molekul-molekul itu terlepas satu sama lain sehingga relatif saling bebas membentuk zat cair. Zat cair adalah bentuk materi yang kurang “teratur” dibanding zat padat tetapi lebih teratur dibandingkan gas. Dan zat cair itu merupakan wujud yang paling langka dan kompleks. Sedangkan gas adalah bentuk “kekacauan” paling sempurna yang di dalamnya setiap molekul bergerak bebas secara acak. Jadi, begitu sulit mendapatkan zat dalam keadaan dinamik teratur atau kristal sempurna seperti yang dibayangkan hukum ketiga termodinamika karena pada tingkat atomik setiap zat dalam kedudukannya selalu bergerak acak yang menyebabkan molekul-molekul menjadi kacau atau tidak teratur.

MESIN PANAS (KALOR)

Mesin kalor digunakan untuk merubah energi kalor yang tersimpan dalam suatu system menjadi energi mekanik. Perubahan energi pada sebuah mesin kalor, dilukiskan dengan diagram alir, Mesin menerima kalor (Q1) dari reservoir bersuhu tinggi (T1), mengubah sebagian kalor menjadi usaha berguna (W) dan membuang sisa kalor (Q2) ke reservoir bersuhu lebih rendah (T2).

21 QWQ 21 QQW

SKEMA MESIN KALOR

MESIN

Q1

Q2

WUSAHA

BERGUNA

RESERVOIR DINGIN (T2)

RESERVOIR PANAS (T1)

21 QWQ

KARAKTERISTIK MESIN KALOR

Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikan sebagai berikut:

• Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi

• Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja

• Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah

• Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.

EFISIENSI TERMAL

Efisiensi termal sebenarnya digunakan untuk mengukur unjuk kerja dari suatu mesin kalor, yaitu berapa bagian dari input panas yang diubah menjadi output kerja bersih. Efisiensi () adalah perbandingan antara energi berguna (usaha) dengan kalor yang diterima.Dalam peralatan-peralatan praktis, seperti mesin kalor, mesin pendingin dan pompa kalor umumnya dioperasikan antara sebuah media bertemperatur tinggi pada temperatur T1 dan sebuah media bertemperatur rendah pada temperatur T2. Untuk sebuah keseragaman dalam mesin kalor, mesin pendingin dan pompa kalor perlu pendefinisian dua kuantitas :

Q1 = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur tinggi pada temperatur T1

Q2 = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur rendah pada temperatur T2

Sehingga di dapar rumus efisensi termal sebagai berikut

1

2

1

21

1

1QQ

QQQ

QW

1

21QQ

CONTOH SOAL 1:Mesin Carnot dengan efisiensi 40%, suhu reservoir panasnya 800 K. Seberapakah suhu reservoir panas harus dinaikkan untuk meningkatkan efisiensi mesin sampai 60%?

1

21TT

1

21TT

80014,0 2T

6,08002 T

KT 4802

1

48016,0T

4,0480

1

T

KT 12001

CONTOH SOAL 2:

Grafik berikut melukiskan siklus kerja suatu mesin kalor. Hitung besarnya usaha yang dihasilkan mesin dalam siklus tersebut. Tentukan efisiensinya jika mesin menerima kalor sebesar 1500 kJ tiap siklus.

4

400

V(m3)

P(kPa)

1

A B

CD

200

2 3

PENYELESAIAN

A B

CD

4

400

V(m3)

P(kPa)

1

200

2 3

W

Usaha (W) ekivalen dengan luas daerah dalam kurva

tertutup ABCD.

600

14200400

W

%404,0

4,01500600

1

QW

PERNYATAAN KELVIN PLANKMelihat karakterisitk dari sebuah mesin kalor, maka tidak ada sebuah mesin kalor yang dapat mengubah semua panas yang diterima dan kemudian mengubahnya semua menjadi kerja. Keterbatasan tersebut kemudian dibuat sebuah pernyataan oleh Kelvin-Plank yang berbunyi :

“Adalah tidak mungkin untuk sebuah alat/mesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi sejumlah kerja bersih”

MESIN KALOR CARNOT

Hukum termo kedua meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank dan Clausius. Sebuah mesin kalor tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar. Dari pernyataan diatas kita dapat mengambil kesimpulan yang berhubungan dengan efisiensi termal dari proses reversibel dan irreversibel

• 1. Efisiensi sebuah mesin kalor irreversibel selalu lebih kecil dari mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama.

• 2. Efisiensi semua mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama adalah sama.

Efisiensi termal dari semua mesin kalor reversibel atau irreversibel dapat dituliskan sebagai berikut :

dimana QH adalah panas yang ditransfer ke mesin kalor pada temperatur TH, dan QL adalah panas yang diteransfer ke mesin kalor pada temperatur TL.

Hubungan di atas adalah hubungan yang mengacu pada efisiensi Carnot, karena mesin kalor Carnot adalah mesin reversibel yang baik. Perlu dicatat bahwa TL dan TH adalah temperatur absolut. Penggunaan oC atau oF akan sering menimbulkan kesalahan. Efisiensi termal dari suatu mesin kalor aktual dan reversibel yang beroperasi pada batas temperatur yang sama adalah sebagai berikut Gb. 5 -5):

Hampir semua mesin kalor mempunyai efisiensi termal dibawah 40 persen, yang sebenarnya relatif rendah jika dibandingkan dengan 100 persen. Tetapi bagaimanapun, ketika performance dari mesin kalor diperoleh tidak harus dibandingkan dengan 100 persen, tetapi harus dibandingkan dengan efisiensi sebuah mesin kalor reversibel yang beroperasi diantara batas temperatur yang sama.

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.

Kualitas Energi

Sebuah mesin kalor Carnot jika menerima panas dari sebuah sumber pada temperatur 925 K dan mengubahnya 67,2 persen menjadi kerja, kemudian membuang sisanya (32,8 persent) ke sink pada 303 K.

Sekarang jika dievaluasi bagaimana efisiensi termal jika sumber temperatur bervairiasi dengan temperatur sink dijaga konstan. Jika suplai panas dari temperatur sumber 500 K (bandingkan dengan 925 K), maka efisiensi termal turun drastis menjadi dari 67,2 ke 39,4

persen. Dan jika temperatur sumber sebesar 350 K, maka fraksi panas yang dikonversi hanya 13,4 persen. Harga efisiensi menunjukkan bahwa energi mempunyai kualitas sama seperti

mempunyai kunatitas. Semakin tinggi temperatur, semakin tinggi kualitas energi. Contoh misalnya, jumlah yang besar dari energi matahari , jika disimpan dalam sebuah benda (body) yang disebut solar pond akan mempunyai temperatur kurang lebih 350 K. Jika hal ini disuplaikan ke sebuah mesin kalor , maka efisiensinya hanya kurang lebih 5 persen.

Karena rendahnya kualitas energi yang didapat disimpan pada sebuah sumber, maka biaya konstruksi dan perawatan menjadi semakin mahal. Hal ini menjadi tidak kompetitif meskipun tersedia dalam jumlah yang banyak.

MESIN PENDINGIN

Mesin pendingin, sama seperti mesin kalor, adalah sebuah alat siklus. Fluida kerjanya disebut dengan refrigerant. Siklus refrigerasi yang paling banyak digunakan adalah daur refrigerasi kompresi-uap yang melibatkan empat komponen : kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator.

Prinsip kerja mesin, menyerap kalor (Q2) dari reservoir dingin (T2) dengan bantuan usaha (W) dari luar mesin dan membuang kalor (Q1) ke reservoir panas (T1).

21 QQW 12 QQW

CARA KERJA MESIN PENDINGIN AC

Refrigerant memasuki kompresor sebagai sebuah uap dan dikompres ke tekanan kondensor. Refrigerant meninggalkan kompresor pada temperatur yang relatif tinggi dan kemudian didinginkan dan mengalami kondensasi dikondensor yang membuang panasnya ke lingkungan. Refrigerant kemudian memasuki tabung kapilar dimana tekanan refrigerant turun drastis karena efek throttling. Refrigerant bertemperatur rendah kemudian memasuki evaporator, dimana disini refrigerant menyerap panas dari ruang refrigerasi dan kemudian refrigerant kembali memasuki kompresor. Efisiensi refrigerator disebut dengan istilah coefficient of performance (COP), dinotasikan dengan COPR.

SKEMA MESIN PENDINGIN

MESIN

RESERVOIR PANAS (T1)

RESERVOIR DINGIN (T2)

W USAHA LUAR

Q1

Q2

KOEFISIEN REFORMASI MESIN PENDINGIN

• Koefisien Performansi (CP) menunjukkan tingkat kinerja mesin pendingin.

• Koefisien Performansi adalah perbandingan antara kalor yang diserap (Q2) dengan usaha luar (W).

• Untuk mesin pendingin ideal, koefisien performansinya adalah:

21

2

2

QQQ

WQCP

21

2

QQQCP

21

2

TTTCP

CONTOH SOAL

Koefisien Performansi sebuah lemari es adalah 3,5. Tentukan besarnya energi listrik yang diperlukan untuk mengeluarkan 4200 joule kalor dari sejumlah makanan yang berada dalam lemari es.

Penyelesaian:

WQCP 2

PCQW 2

5,34200

joule1200

POMPA KALOR ( HEAT PUMP )

Pompa kalor adalah suatu alat yang mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi. Tujuan dari mesin pendingin adalah untuk menjaga ruang refrigerasi tetap dingin dengan meyerap panas dari ruang tersebut. Tujuan pompa kalor adalah menjaga ruangan tetap bertemperatur tinggi. Proses pemberian panas ruangan tersebut disertai dengan menyerap panas dari sumber bertemperatur rendah.

MESIN PENDINGIN DAN POMPA KALOR CARNOT

Mesin pendingin dan pompa kalor yang beroperasi menggunakan siklus terbalik dinamakan mesin pendingin Carnot. Coefficient of performance mesin pendingin atau pompa kalor reversibel atau irreversibel adalah :

Jika mesinnya adalah mesin reversibel maka :

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.

Perbandingan COP mesin pendingin reversibel dan irreversibel adalah sebagai berikut :

KESIMPULANDari pembahasan sebelumnya, maka dapat ditarik kesimpulan antara lain:

1. Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja.

2. Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah. Dengan kata lain, tidak semua proses di alam adalah reversibel (arahnya dapat dibalik). Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak pernah mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

3. Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua - - pernyataan kelvin-plank yang diperuntukkan untuk mesin kalor, dan pernyataan clausius yang diperuntukkan untuk mesin pendingin/pompa kalor.

4. Sebuah mesin kalor dapat di karakteristikkan sebagai berikut:

a. mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, bahan bakar, reaktor nuklir

b. mesin kalor mengkonvensi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam bentuk poros yang berputar)

c. mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.

d. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.