BAB IPENDAHULUAN

1.1. LATAR BELAKANG

Dalam kehidupan sehari-hari termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang memusatkan pada energi terutama energi panas dan transformasinya. Hukum termdinamika 1 menyatakan energi adalah kekal yaitu tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnakan. Energi mungkin saja bisa berubah, perubahan bentuk energi hanya dapat berlangsung dalam satu arah. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel sedangkan proses yang dapat dibalik arahnya disebut proses reversibel.Dalam analisis termodinamika, perlu adanya suatu konsep yang disebut reversible (reaksi termodinamika reversible) dan reaksi irreversibel. Walaupun di alam tidak mungkin ada proses yang reversible, tetapi secara teoritis dan praktis artinya cukup penting. Proses termodinamik yang berlanggsung secara alami seluruhnya disebut proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlangsung secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Contohnya kalor berpindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Reversible adalah sebuah proses yang bisa "dibalik" dengan cara sangat kecil perubahan dalam beberapa properti dari sistem tanpa produksi entropi (yaitu disipasi energi). Karena terhadap perubahan sangat kecil, sistem dalam kesetimbangan termodinamika sepanjang seluruh proses. Karena itu akan mengambil jumlah tak terbatas waktu untuk proses reversibel untuk menyelesaikan, proses reversibel sempurna tidak mungkin. Namun, jika sistem mengalami perubahan merespon lebih cepat daripada perubahan diterapkan, deviasi dari reversibilitas mungkin dapat diabaikan. Dalam siklus reversibel, sistem dan sekitarnya akan persis sama setelah setiap siklus. Definisi alternatif dari proses reversibel adalah proses yang, setelah itu telah terjadi, dapat dibalik dan tidak menyebabkan perubahan baik dalam sistem atau sekitarnya. Secara termodinamika, proses "berlangsung" akan mengacu pada transisi dari awal negara ke keadaan akhir. Dalam proses ireversibel hingga perubahan yang dibuat, sehngga sistem ini tidak pada kesetimbangan selama proses berlangsung. Pada titik yang sama dalam siklus ireversibel, sistem akan berada dalam keadaan yang sama, tetapi lingkungan yang berubah secara permanen setelah setiap siklus.Dalam termodinamika, perubahan sistem dan semua disekitarnya tidak dapat tepat untuk dikembalikan pada keadaan awal oleh perubahan yang sangat kecil dalam beberapa sistem tanpa mengeluarkan energi. Sebuah sistem yang mengalami peroses irreversible mungkin masih mampu kembali pada keadaan awal, namun mustahil bila terjadi pemulihan lingkungan pada kondisi awal. Sebuah proses irreversible meningkatkan entropi alam semesta. Namun, karena entropi adalah fungsi keadaan maka, perubahan entropi dari suatu sistem adalah sama. Apakah proses ini reversibel atau irreversible? Hukum kedua termodinamika dapat digunakan untuk menentukan apakah suatu proses yang reversible atau tidak.

Untuk mengetahui lebih lengkap mengenai proses reversibel dan irreversibel akan dijabarkan lebih lengkap dalam makalah ini.

1.2. RUMUSAN MASALAH

1. Bagaimana sejarah proses reversibel dan irreversibel ?2. Bagimana perbedaan proses reversibel dan irreversibel ? 3. Bagaimana kriteria dari proses reversibel dan irreversibel ?4. Bagaimana contoh dari proses reversibel dan irreversibel ?

1.3. TUJUAN Adapun tujuan pembuatan dari makalah ini adalah : 1. Untuk mengetahui sejarah dari proses reversibel dan irreversibel2. Untuk mengetahui perbedaan dari proses reversibel dan irreversibel3. Untuk mengetahui kriteria dari proses reversibel dan irreversibel4. Untuk mengetahui contoh dari proses reversibel dan irreversibel

BAB IIISI

2.1. Siklus Dalam Termodinamika Dengan menganggap sejumlah tertentu gas terkandung dalam sebuah silinderyang disusun dengan piston dan thermometer.Dengan menggerakan piston dan memanaskan atau mendinginkan silinder, tekanan P, volume V, dan suhu T dapat diubah. Keadaan termodinamika gas ditentukan dengan memberikan nilai dari variablevariabel termodinamika P,V dan T. Jika variable-variabel dihubungkan oleh persamaan :PV=nRT

Dimana n adalah jumlah mol gas dan R=8,314 J/K adalah tetapan gas . Persamaan ini menunjukan bahwa jika dua variable diketahui, variable ketiga dapat ditentukan. Hal ini berarti hanya dua variable yang diperlukan untuk menentukan keadaan. Bahkan jika gas tidak ideal, hanya dua variable yang diperlukan, karena terdapat persamaan keadaan yang berhubungan dengan variable-variabel ini. Siklus termodinamika terdiri dari urutan operasi/proses termodinamika, yang berlangsung dengan urutan tertentu, dan kondisi awal diulangi pada akhir proses. Jika operasi atau proses dilukiskan pada diagram p-v, akan membentuk lintasan tertutup.

Karena daerah dibawah setiap kurva merupakan kerja yang dilakukan, sehingga kerjanetto dalam satu siklus diberikan oleh daerah yang ditutupi oleh lintasan, sepertiditunjukkan oleh gambar 1.

Gambar 1. Sebuah siklus termodinamika.

Klasifikasi Siklus TermodinamikaSiklus termodinamika, secara umum, bisa diklasifikasikan kedalam dua tipe:1. Siklus reversibel,2. Siklus irreversibel.

Siklus ReversibelSebuah proses, dimana perubahan dalam arah sebaliknya, akan membalik proses seutuhnya, dikenal dengan proses reversibel. Sebagai contoh, jika selama proses termodinamika dari keadaan 1 ke 2, kerja yang dilakukan oleh gas adalah W1-2, dan kalor yang diserap adalah Q1-2. Sekarang jika kerla dilakukan pada gas sebesar W1-2 dan mengeluarkan kalor sebesar Q1-2, kita akan membawa sistem kembali dari keadaan 2 ke 1, proses disebut reversibel. Pada proses reversibel, seharusnya tidak ada kerugian panas karena gesekan, radiasi atau konduksi, dsb. Siklus akan reversibel jika semua proses yang membentuk siklus adalah reversibel. Maka pada siklus reversibel, kondisi awal dicapai kembali pada akhir siklus.

Siklus IrreversibelSebagaimana telah disebut di atas bahwa jika perubahan dalam arah sebaliknya, akan membalik proses seutuhnya disebut sebagai proses reversibel. Tetapi jika perubahan tidak membalik proses, maka disebut proses ireversibel. Pada proses ireversibel, terjadi kerugian panas karena gesekan, radiasi atau konduksi. Dalam keadaan di lapangan, sebagian besar proses adalah ireversibel. Penyebab utma ireversibel adalah : (1) gesekan mekanik dan fluida, (2) ekspansi tak tertahan, (3)perpindahan panas dengan perbedaan temperatur tertentu. Lebih jauh, gesekan akan merubah kerja mekanik menjadi panas. Panas ini tidak bisa dirubah kembali dalam jumlah yang sama ke dalam kerja mekanik. Sehingga jika ada gesekan di dalam proses maka proses adalah ireversibel. Sebuah siklus adalah ireversibel jika ada prosesireversibel pada proses-proses pada siklus tersebut. Maka pada siklus ireversibel, kondisi awal tidak didapati pada akhir siklus.

2.2. Sejarah Munculnya Proses Reversibel

Pada mulanya suatu reaksi reversibel ini muncul yaitu dari beberapa fakta yang diperoleh dari beberapa eksperimen. Perubahan-perubahan yang terjadi secara spontan dan dengan sendirinya dalam sistem dinamakan proses-proses alami. Contohnya ialah pencampuran dua gas, melelehnya es menjadi air. Perubahan seperti itu tidak pernah dapat dibalik secara keseluruhan sebab dari pengalaman diketahui bahwa sistem hanya dapat dikembalikan pada keadaan awal dengan memindahkan sejumlah kalor .Dalam hal ini proses alami dikatakan irreversibel. Tetapi terdapat beberapa jenis perubahan lain yang menyangkut sepasang keadaan tertentu yang lain, misalnya A dan B daurnya A ke B ke A tanpa meninggalkan lebih dari perubahan yang dapat diabaikan pada benda lain. Perubahan tersebut dinamakan reversibel. Reversibel didefinisikan sebagai proses yang dapat dibalik tanpa meninggalkan lebih dari perubahan kecil yang dapat diabaikan pada sistem lain manapun. Daurnya A menjadi B menyangkut penyerapan kalor q akan mungkin untuk melaksanakan perubahan kebalikan B menjadi A dengan membuang jumlah kalor yang sama. Contohnya: air menguap menjadi gas dan akan mengembun menjadi air kembali.Keseimbangan termal merupakan proses yang dialami oleh sebuah benda dalam pengambilan kalor yang menyebabkan perubahan keadaan tertentu, dengan demikian perubahan suatu entropi mempunyai nilai tertentu. Keseimbangan mekanik, bila suatu cairan pada tekanan tertentu mengembang pada tekanan luar maka kerja yang akan dilakukan oleh cairan yang berjumlah banyak. Kedua jumlah kerja diatas akan memiliki jumlah kerja yang sama dengan demikian proses-proses memenuhi definisi reversibilitas. Contoh reversibel, misalnya setelah hidrogen dan oksigen selesai bergabung secara spontan, air dapat dipisahkan lagi menjadi gas-gas, tetapi hanya dengan meninggalkan perubahan - perubahan pada benda-benda lain seperti aki listrik dan waduk kalor. Hal diatas dapat dikatakan juga sebagai reaksi reversibel. Dengan contoh tersebut dapat diketahui bahwa proses reversibel adalah proses-proses gaya yang dilakukan oleh sistem yang bersangkutan hanya berselisih kecil tidak terhingga dari gaya luar yang bekerja pada sistem. Untuk kekhususan yang lengkap bagi sebuah proses,diperlukan keadaan pertama dan keadaan akhir dari seluruh benda yang dipengaruhi2.2.1. Pengertian Reversibel Proses reversibel adalah proses termodinamik yang dapat berlanggsung secara bolak-balik. Sebuah sistem yang mengalami idealisasi proses reversibel selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dan lingkungannya. Proses reversibel merupakan proses seperti-kesetimbangan (quasi equilibrium process). Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel. Proses reversibel adalah murni dan bersifat hipotesis.

Berbagai proses yang diidealisasikan sebagai proses reversibel adalah : Tidak ada gesekan internal atau mekanisTidak adanya gesekan antara zat atau molekul yang terjadi dalam siklus reversibel, membuat proses reversibel menjadi terus berlangsung.

Perbedaan suhu dan tekanan antara zat kerja dan lingkungan harus infinitesimalPerbedaan suhu dan tekanan yang terjadi disini adalah berbanding lurus, dimana ketika seuhu pada awal tinggi maka tekanan juga tinggi dan apabila suhu rendah ketika proses selanjutnya maka teakanan juga rendah. Jika suhu awa dan suhu akhir sama maka proses reversibel tidak akan terjadi.

Pemampatan atau pemuain yang terbatasApabila dalam proses siklus terjadi pemampatan, maka proses reversibelk tidak akan mampu terus berlangsung. Hal ini di karenakan proses yang berlangsung akan tertahan dengan adanya pemampatan. Namun jika pemampatan tidak ada, maka siklus reversibel dapat terjadi

Reaksi kimia yang terbatasReaksi kimia yang terbatas akan membuat suatu reaksi kimia mengalami proses kebalikannya , hal ini juga serung dinamakan dengan proses kesetimbangan. Jika di kaitkan dengan proses reversibel, suatu reaksi dapat terjadi bolak-balik.

Pencampuran dua sampel zat yang sama pada keadaan yang sama Adanya campuran zat, yang dimana masing-masing dari zat tersebut, mempunyai karakteristik yang sama, maka proses reversibel dapat berlangsung hal ini dapat terjadi karena tidak adanya ketidaksinkronisasian antara masing-masing zat.

Contoh proses isotermal reversibel ialah perubahan fase pada tekanan tetap. Arus panas yang masuk kedalam sistem per satuan massa atau per mol sama dengan panas transformasi 1, sehingga perubahan entropi jenisnya menjadi :

Jika dalam suatu proses terdapat arus panas antara sistem dengan lingkungannya secara reversibel, maka pada hakekatnya suhu sistem dan suhu lingkungan adalah sama. Besar arus panas ini yang masuk kedalam sistem atau yang masuk kedalam lingkungan disetiap titik adalah sama, tetapi harus diberi tanda yang berlawanan. Karena itu perubahan entropi lingkungan sama besar tapi berlawanan tanda dengan perubahan entropi sistem dan jumlahnya menjadi nol. Sebab sistem bersama dengan lingkungannya membentuk dunia, maka boleh dikatakn bahwa entropi dunia adalah tetap. Hendaknya diingat bahwa pernyataan ini berlaku untuk proses reversibel saja

2.2.2. Ilustrasi Proses ReversibelSelama proses ekspansi piston bergerak sejauh x dan volume gas yang terkurung dalam pistn meningkat dari v1 ke v2. Terjadi dua gaya yang bekerja pada piston yaitu gaya tekan gas, sama dengan tekanan dikali luas dari piston, dan gaya luar pada batang(shaft) dan kepala(head) piston

2.2.3. Ilustrasi Proses ReversibelSelama proses ekspansi piston bergerak sejauh x dan volume gas yang terkurung dalam pistn meningkat dari v1 ke v2. Terjadi dua gaya yang bekerja pada piston yaitu gaya tekan gas, sama dengan tekanan dikali luas dari piston, dan gaya luar pada batang(shaft) dan kepala(head) piston

Jika gaya tekan gas sama dengan gaya F, maka tidak terjadi apa-apa. Jika F lebih besar daripada gaya dari gas, maka gas akan terkompresi, begitujuga jika F kurang dari gaya dari gas, maka gas akan ekspansi.

2.3. Sejarah Penemuan Proses Irreversibel Usaha untuk menemukan kriteria termodinamika oleh Barthelot bagi reaksi kimia yang spontan (1879 menghasilkan kesimpulan yang salah, bahwa reaksi yang melepaskan kalor adalah spontan. Menurut hukum kedua termodinamika proses akan spontan apabila berlangsung dalam sistem terisolasi yang menaikkan entropi dalam sistem. Para fisikawan Jerman Rudolf Clausius (1850 an) adalah orang pertama yang mengukur secara matematis penemuan irreversibilitas di alam melalui pengenalan tentang konsep entropi.

Beliau menyatakan pada Formulir modifikasi dari teorema Fundamental II dalam Teori Panaskan bahwa suatu sistem tidak mungkin mentransfer panas dari tubuh yang lebih dingin ke tubuh yang lebih panas. Contohnya : Secangkir Kopi panas yang diletakkan pada suhu kamar.

Penjelasan lain dari sistem irreversible dipresentasikan oleh ahli matematika prancis Henri Poincare (1890) ia menerbitkan dinamika non linier yang disebut teori Chaos. Bahwa menerapkan teori Chaos dengan hukum Kedua Termodinamika, paradoks irreversibilitas dapat dijelaskan dalam kesalahan yang terkait dengan skala microstates untuk macrostates dan derajat kebebasan yang digunakan ketika melakukan eksperimen. Irreversible merupakan proses- proses yang dapat berlangsung secara alami dan akan berlangsung secara searah.Proses tak reversible sering disebut proses alami karena merupakan proses nyata yang berlangsung secara spontan di alam tanpa harus ada usaha dari luar sistem untuk melangsungkannya. Sesuai namanya proses alami selalu berlangsung satu arah, yaitu keadaan tak setimbang menuju ke keadaan seimbang, dan proses akan berhenti dengan sendirinya bila keadaan setimbang telah tercapai. Proses pada arah sebaliknya yaitu dari keadaan setimbang menuju ke keadaan setimbang, tidak pernah berlangsung secara spontan dan hanya dapat terjadi melalui usaha atau interperensi dari luar sistem.

Beberapa contoh proses irreversibel ( dalam fisika ) : Perpindahan panas melalui perbedaan suhu Beberapa contoh proses irreversibel ( dalam kimia ) pada saat suatu reaksi menjadi spontan : pembentukan NaClNaOH(aq) + HCl(aq) NaCl(aq) + H2O (l) Reaksi antara batau pualam dan asam kloridaCaCO3(s) + HCl (aq) CaCl2(aq) +CO2(g) + H2O(l)

PembakaranPada saat terjadi proses pembakaran terjadi, suatu wujud benda yang berupa padat akan menalami proses penghancuran struktur dari wujud tersebut. Sehingga wujud tersebut tidak dapat kembali ke bentuk awal. Itu artinya zat tersebut mengalami proses ireversibel. GesekanJika adanya seuatu gesekan pada permukaan benda, maka akan membuat benda menjadi kehilangan sebagian strukturnya, kehilangan struktur ini membuat benda itu tidak dapat kembali ke bentuk semula.

Listrik mengalir melalui resistensi. Jika sutu listrik mengalir dari suatu tempat ke tempat yang lain, dengan adanya suatu resistensi menuju tempat lain dan tidak kembali ke asal. Maka litrik tersebut akan mengalami proses ireversibel.

Kriteria proses irreversibel : A. Benda diambil sekaligus, yang berakibat ekspansi cepatJika suatu kumpul benda diambil secara keseluruhan, maka ekspansi yang terjadi akan cepat dan membuat terjadinya proses ireversibelB. Tekanan bersifat tetap sebesar Tekanan luar (Pex), sedangkan reversibel tekanan mengalami perubahan.Apabila suatu siklus terjadi, dalam siklus tersebut tekanan dalam dan tekanan luar dan tekanan reversibel pun berubah sama seperti tekanan yang ada diluar, maka proses tersebut akan menjadi reversibelC. Usaha yang terjadi pada tekanan juga bersifat tetap. Jika dalam suatu siklus tekanan yang ada dalam siklus dan luar adalah sama, maka usahapun akan terjadi tetap apabila tidk terjadi perubahan tekanan. Jika usaha tetap maka tidak akan terjadi proses reversibel. Karena untik mengalami proses dari akhir kembali ke awal dibutuhkan usaha yang besar.D. Perubahan energi dalam kriteria proses irreversibel menjadi lebih kecil daripada 0Apabila terjadi perubahan energi, dimana perubahan energi yang terjadi. Membuat energi yang di hasilkan adalah tetap atau semakin kecil, maka membuat usaha tersebut tidak dapat membuat proses awal.E. Kalor dan energi Gibbs pada proses irreversibel lebih kecil daripada 0. Hal itu mempengaruhi perubahan entalpi yang terjadi dan mengakibatkan nilainya lebih kecil daripada 0 (nol).Apabila suatu reaksi yang terjadi dalam suatu reaksi pembentukan atau penguraian, membuat entalphi yang dihasilkan lebih kecil dari nol atau lebih kecil dari entalphi sebelum reaksi. Maka proses yang terjadi pada reaksi itu bersifat ireversibel.

2.4. Perbedaan proses Reversibel dan Irreversibel : 1. Proses Irreversibel (Proses Tak Terbalikkan)

Proses irreversible terjadi jika perubahan besaran ekstensif sistem berlangsung secara spontan. Selama berlangsungnya proses ini sistem berada dalam keadaan tak setimbang. Untuk proses irreversible kerja sistem hanya dapat dinyatakan sebagai harga negatif dari kerja lingkungan terhadap sistem:

Dengan Yeksmenyatakan besaran intensif lingkungan (eksternal) yang pada umumnya konstan.

.Contoh:1. Kerja pada proses perubahan volume yang irreversible.Gambar di samping ini menunjukkan perubahan volume gas secara spontan apabila stoper dilepas. Kerja pada proses spontan ini dinyatakan dengan:

2. KERJA PADA PROSES PEMULAAN BEBAS (EKSPANSI BEBAS)Gambar di bawah ini menunjukkan perubahan volume gas karena mengisi ruang vakum.

Setelah kran dibuka, maka gas dari ruang A akan mengalir ke ruang B yang mula-mula vakum, sehingga volume gas bertambah dari V = VAmenjadi V = VA+ VB. Karena Peks= 0, maka perubahan volume gas tersebut dikatan sebagai pemuaian bebas dan prosesnya berlangsung secara spontan. Pada pemuaian bebea besarnya kerja. W = 0, karena Peks= 0.

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)1. proses kerjaMengubah usaha menjadi kalor dapat dilakukan secara terusmenerus.Tetapi mengubah kalor menjadi usaha tidak semudah itu karena menyangkut terbatasnya ruang tempat gas. Untuk dapat mengubah kalor menjadi usaha secara terus-menerus, haruslah diupayakan agar gas yang telah melakukan usaha itu dikembalikan ke keadaan semula. Proses seperti ini disebut proses keliling atau siklus atau daur. Perhatikan contoh siklus sembarang dalam diagram p-V seperti diperlihatkan pada Gambar 4.7. Rangkaian prosesnya dapat dijelaskan sebagai berikut:

Gambar 9.19 Contoh proses keliling (siklus) dalam diagram p-V

Proses pertama (a b)Pada proses a b, gas memuai secara adiabatik. Usaha yang dilakukan oleh gas adalah luas bidang abV2V1, harganya positif (+ Wab).Proses kedua (b c) Pada proses b c, gas dimampatkan secara isotermal. Usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan luas bcV2V1, harganya negatif (-Wbc).Proses ketiga (c a) Proses c a adalah proses isokhorik. Pada proses ini gas tidak melakukan usaha luar karena volume tetap (Wca= 0). Proses c a dilakukan hanya untuk mengembalikan keadaan gas ke keadaan semula, agar bisa lagi melakukan proses pertama dan seterusnya.

Usaha luar total () dalam satu siklus a b c a dapat dinyatakan:= Wab- Wbcatau= luas daerah abcaDalam penerapannya, suatu proses keliling (siklus) dilakukan di dalam sebuah mesin kalor. Misanya: Mesin otto, siklusnya disebut siklus Otto Mesin Diesel, siklusnya disebut siklus Diesel Mesin Uap, siklusnya disebut siklus RankineGambar 9.28 memperlihatkan siklus mesin-mesin tersebut.

Gambar 9.20 Proses keliling (siklus) mesin

2. Sekitar tahun 1824 seorang insinyur dan ahli fisika bernama Sardi Carnot, telah berhasil menciptakan suatu landasan teori tentang siklus dalam suatu mesin, yang kemudian disebut mesin carnot dan siklusnya disebut siklus carnot. Mesin carnot merupakan mesin kalor ideal yang bekerja secara siklus dan dapat dibalik (reversible) di antara dua suhu. Mesin carnot dibayangkan sebagai mesin yang terdiri atas sebuah silinder gas ideal dan ditutup dengan penghisap (piston) yang dapat bergerak bolak-balik dalam silinder. Perhatikan gerakan piston pada setiap proses dari satu bidang siklus (Gambar 9.21).

Gambar 9.21 Siklus Carnot dan gerak piston di dalam silinder.

Siklus carnot secara lengkap ditunjukkan oleh gambar 9.29. Prosesprosesnya yaitu sebagai berikut: Proses a ke b, gas mengalami pemuaian isotermal, menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi T1 dan melakukan usaha. Proses b ke c, gas mengalami pemuaian adiabatik dan melakukan usaha. Proses c ke d, gas mengalami pemampatan isotermal, membuang kalor Q2 ke reservoar suhu rendah T2, usaha dilakukan pada gas. Proes d ke a (kembali ke kedudukan awal), gas mengalami pemampatan adiabatik dan usaha dilakukan pada gas.

Gambar 9.22 Diagram PV untuk proses isothermal dan adiabatis.Karena dalam satu siklus, gas kembali ke keadaan semula, maka tidak ada perubahan energi dalam (= 0). Oleh karena itu, usaha yang dilakukan gas () dalam satu siklus adalah:

Dengan:Q1= kalor yang diserap dari reservoir suhu tinggi T1Q2= kalor yang dibuang ke reservoar suhu rendah T2= usaha dalam satu siklusMenurut Gambar 9.22, usaha total satu siklus sama dengan luas abcd (bidang yang diranster).

Contoh Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoar suhu tinggi sebesar 11000 joule. Bila mesin melakukan usaha sebesar 4000 joule,hitunglah:a. kalor yang dikeluarkan mesin ke reserfoar suhu rendah!b. Efisiensi mesin!

Contoh Sebuah mesin Carnot mempunyai efisiensi 30% ketika reserfoar suhu tinggi 800 K. Agar efisiensi mesin naik menjadi 50%, harus dibuat suhu berapa reserfoar suhu tinggi?

2.5. Proses Reversibel dan ireversibel pada siklus carnotProses melingkar adalah suatu proses pada suatu system setelah mengalami beberapa perubahan keadaan, akhirnya kembali pada keadaan semula.

Pada proses melingkar, system berubah kemudian kembali ke keadaan semula. Energy dalam proses melingkar tidak berubah.Sebuah proses reversible adalah sebuah proses yang berlangsung sedemikian sehingga pada akhir proses, system dan keliling local ( local surroundings) dapat dikembalikan ke keadaan mula-mula, tanpa meninggalkan suatu perubahan pada sisa universum (rest of universe). Universum disini digunakan dalam arti teknis, yaitu sempit sekali tanpa suatu pengertian kosmos.Universum disini artinya tidak lain adalah bagian yang berhingga dari dunia yang terdiri dari system dan kelilingnya yang dapat mengadakan interaksi dengan system itu. Sebuah proses yang tidak memenuhi syarat-syarat diatas disebut irreversible.Sebagai konsekuensi hukum kedua Termodinamika yang memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energy dan memperkenalkan prinsip peningkatan entropi, maka semua proses alam adalah irreversible.Pengubahan usaha menjadi energy dalam sebuah system kalor berlangsung dengan disertai gejala-gejala seperti gesekan viskositas, inelastisitas, tahanan listrikndan listeresisi magnetic. Efek-efek ini disebut efek-efek disipatif dan usaha itu dikatakan terdissipasi.Proses-proses yang disertai dissipasi usaha menjadi energy dalam dikatakan menunjukkan irreversible mekanik luar. Irreversibilitas lainnya ialah irreversibilitas mekanik dalam, irreversibilitas termik, irreversibilitas kimia.Kalau berbagai macam proses alam diselidiki dengan teliti maka ternyata bahwa semuanya disertai salah satu dari dua sifat berikut.1. Tidak dipenuhinya syarat-syarat untuk kesetimbangan termodinamika, yaitu tidak adanya kesetimbangan mekanik, termik dan kimia2. Adanya efek disipatif, seperti geseran, viskositas, anelastisitas, tahanan listrik dan listeresis magnetic.Maka dapat ditarik kesimpulan, bahwa sebuah proses akan reversible kalau1. Proses itu berlangsung quasi-statik2. Proses itu tidak disertai efek-efek desipatif.Karena tidak mungkin bentuk memenuhi kedua syarat itu dengan sempurna maka jelaslah bahwa sebuah proses reversible adalah sesuatu yang hayal atau ideal.Proses reversible sangat berguna dalam perhitungan teori dalam hal ini, pengandaian proses reversible dalam termodinamika serupa dengan pengandaian yang seringkali dijumpai dalam mekanika, misalnya pengandaian kawat yang tidak bermassa, katrol tanpa geseran dan titik massa. A. MESIN KALOR CARNOTKetika system dalam suatu mesin menjalani sebagian daurnya, sejumlah kalor diserap dari reservoir panas, pada bagian lain dari daur itu kalor yang jumlahnya lebih sedikit dibuang ke reservoir yang lebih dingin. Jadi boleh dikatakan bahwa mesin bekerja diantara sepasang reservoir ini. Menurut kenyataannya sejumlah kalor selalu dibuang ke reservoir yang lebih dingin, sehingga efisiensi mesin tidak akan pernah mencapai 100%.Ada 3 hal yang penting mengenai mesin.1. Berapa daya guna maksimum yang dapat dicapai oleh suatu mesin yang bekerja antara kedua reservoir itu.2. Bagaimana karakteristik mesin.3. Apa pengaruh sifat zat kerja.Untuk menjawab pertnyaan ini Nicelai Leonard Sadi Carnot (1824) seorang insinyur ulung bangsa perancis memikirkan sebuah siklis ideal yang sekarang terkenal dengan siklus Carnot. Siklus carnot terdiri atas dua proses isothermal reversible dan dua proses adiabatic reversible.Siklus Carnot terdiri dari 4 proses sebagai berikut:1. Proses adiabatic reversible dalam arah sedemikian sehingga suhu naik sampai suhu T1dari reservoir panas.2. Zat kerja tetap berhubungan dengan reservoir dengan suhu T1 dan menjalani proses isotermik reversible dalam arah dan waktu sedemikian sehingga jumlah kalor Q1 diserap dari reservoir tersebut, (Penyerapan kalor terjadi pada suhu konstan yaitu suhu dari reservoir panas).3. Proses adiabatic reversible dalam arah berlawanan dengan proses pertama sehingga suhu turun sampai suhu T2 dari reservoir dingin.4. Zat kerja tetap berhubungan dengan reservoir pada T2 dan mengalami proses isothermik reversible dalam arah belawanan dengan proses kedua sampai zat kerja mencapai keadaan mula-mula. Selama proses ini kalor Q2 diberikan kepada reservoir dingin (Pengeluaran kalor terjadi pada suhu konstan yaitu suhu dari reservoir dingin)Suatu mesin yang menjalani siklus carnot disebut mesin carnot. Sedangkan mesin kalor carnot adalah suatu mesin yang mengubah energy kalor menjadi energy mekanik. Karena keempat proses dari siklus tersebut reversible maka siklus carnot adalah siklus reversible. Q2= Kalor masukW= Usaha yang dihasilkanQ1= Kalor yang keluar atau energy kalor yang tidak terpakai atau terbuangQ2 dari reservoir panas, Q1 dari reservoir dingin.Usaha W=Q2-Q1

Efisiensi mesin kalor :

Mesin Kalor Carnot

Usaha 1-2 ( Ekspansi isothermik)

Usaha 2-3 ( Ekspansi adiabatic)

Usaha 3-4 ( Kompresi isothermik)

Usaha 4-1 (Kompresi adiabatic)

Usaha Total

Kita amati pada proses adiabatic2 3

4 1

Efisiensi diatas merupakan Effisiensi Mesin Carnot Termik.Effisiensi mesin secara umum dapat dituliskan sebagai:=Q2-Q1Q2=WQ2 Dari persamaan diatas dapat disimpulkan bahwa:Mesin biasa hanya berlaku persamaan=Q2-Q1QSedang mesin Carnot dapat berlaku=Q2-Q1Q1 dan =T2-T1T2Dari persamaanQ2-Q1Q2=T2-T1T2T2-T1Q2=Q2-Q1T2T2Q2-T1Q2=Q2T2-Q1T2T1Q2=T2Q1Q1T1=Q2T2QT=C

B. REFRIGERATOR CARNOT ( Mesin Pendingin Carnot)

Mengingat mesin Carnot merupakan mesin kalor reversible, maka mesin tersebut dapat dibalik. Mesin tersebut merupakan mesin pendingin atau refrigerator Carnot.Pada refrigerator Carnot berlakuT2'>T1,W=Q2-Q1W= kalor yang masuk / diperlukanQ1= kalor yang dihisap Perbandingan antara kalor Q1 yang dapat dihisap dengan usaha yang digunakan W merupakan koefisien performance C.c=T1'T2'-T1'c=Q1'W'=Q1'Q2'-Q1'Theorema Carnot berbunyi : Tak ada sebuah mesin yang bekerja antara dua reservoir tertentu dapat lebih effisien daripada mesin Carnot yang bekerja antara kedua reservoirBukti:Misalkan sebuah mesin Carnot (R) dan suatu mesin lain (I) bekerja diantara dua reservoir yang samadan diatur demikian sehingga keduanya melakukan usaha yang sama yaitu W.Mesin Carnot R1. Menghisap kalor reservoir panas.2. Melakukan usaha W.3. Mengeluarkan kalor Q1-W kepada reservoir dingin4. Daya Guna R=WQ1

Mesin Lain I1. Menghisap kalor Q, dari reservoir panas.2. Melakukan usaha W3. Mengeluarkan kalor Q1'-W kepada reservoir dingin4. Daya guna 1=WQ'Misalkan bahwa daya guna mesin I lebih besar dari RI>RWQ,>WQ1Q1>Q'Misalkan sekarang bahwamesin I menjalankan mesin Carnot R yang bekerja sebagai mesin pendingin. Pada peristiwa ini secara simbolikditunjukkan sebagai gambar

Karena seluruh usaha adalah untuk kepentingan bersama maka mesin kalor dan mesin pendingin ini dapat digabungkan sehingga keseluruhannya merupakan alat yang bekerja sendiri.Kalor bersih yang diserap dari reservoir dingin adalah:Q1-W-Q1-W=Q1-Q1'Harga ini adalah positif. Kalor bersih yang dikeluarkan kepada reservoir panas juga =Q1-Q1'Jadi kesimpulannya alat yang bekerja sendiri ini memudahkan kalor sebesar Q1-Q1, dari reservoir dingin ke reservoir panas. Hal ini bertentangan dengan hukum II Termodinamika (Azas Clausius).Hal ini berarti bahwa pengandaian I>R salah. Maka seharusnya adalah:IR

Dari Theorema Carnot dapat ditarik kesimpulan bahwa:Semua mesin Carnot yang bekerja antara dua reservoir yang tertentu daya gunanya sama.Bukti:Misalkan ada mesin Carnot R1 dan R2 yang bekerja diantara dua reservoir yang sama. Apabila R1 menjalankan R2 yang bekerja sebagai mesin pendingin maka theorema Carnot haruslah :R1R2Apabila R2 menjalankan R1 yang bekerja sebagai mesin pendingin maka menurut theorema Carnot haruslah:R2R1Jadi dengan begitu jelaslah bahwaR1=R2Karena dalam pembahasan tadi tidak terdapat syarat-syarat khusus untuk sifat zat kerja maka, daya guna siklus Carnot tidak dipengaruhi oleh zat kerja.Daya Guna Siklus CarnotKarena Carnot tidak tergantung dari zat kerja maka untuk mudahnya perhitungan kita pakai gas sempurna sebagai gas kerja.

Skema suatu proses siklisa bProses kompressi adiabatic reversible.Persamaan : Vax-IT2=Vbx-IT1Atau T1T2=VaVbx-Ib cProses ekspansi isothermik reversible.Contoh soal

Buktikan bahwa kurva adiabatic gas ideal lebih tegak daripada kurva isotermik!Penyelesaian soal C.3. Pada proses isotermik PV=CPada proses adiabatic PV=CIP=CV=CV-IdPdV=-CV-2=-CV2=-PVP=C'VC'V-dPdV=-C'V--I=-C'V+1=-PVKarena =CpCV selalu > 1 maka kurva adiabatic gas ideal lebih tegak dari pada kurva isotermik gas ideal.

2.6. Aplikasi Proses Reversibel dan Irreversibel dalam Termodinamika 2.6.1 Aplikasi Proses ireversibel pada pompa kalor dan ACMesin refrigerasi dan pompa kalor adalah mesin yang bekerjamenyerap kalor dari lingkungan bersuhu rendah kemudian dipindahkankelingkungan bersuhu tinggi . Pada gambar 23.1 adalah cara kerja mesintersebut

Refrigerator atau mesin pendingin bekerja dengan menyerap kalorpada suhu rendah ( di dalam ruangan) kemudian dibuang ke suhu yanglebih tinggi ( di luar ruangan). Pompa kalor bekerja dengan menyerapkalor pada suhu rendah ( di luar ruangan) kemudian dibuang ke suhuyang lebih tinggi ( di dalam ruangan). Jadi perbedaan dari kedua sistemtersebut adalah pemanfaatan kalornya. Untuk refrigerator, kalor harusdibuang kelingkungan, tetapi untuk pompa kalor, kalor harus diambil darilingkungan untuk pemanasan.2.6.2 Aplikasi proses reversibel pada Mesin PendinginMesin Pendingin (Refrigerator)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.

Gambar 2.1 Siklus Refrigerasi

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.

Sebuah kulkas ideal mempunyai koefisien performansi 5,0. Jika suhu ruang di luar kulkas adalah 27oC, berapa suhu paling rendah di dalam kulkas yang dapat diperoleh?

2.7. Apakah yang dimaksud dengan entropi ? Entropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami proses reversibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya dibagi suhu mutlak sistem tersebut (T).Entropi adalah fungsi keadaan, nilainya pada suatu keadaan setimbang dapat dinyatakan dalam variabel-variabel yang menentukan keadaan sistem. Asas kenaikan entropi dapat dinyatakan bahwa entropi selalu naik pada tiap proses ireversibel. Karena itu dapat dikatakan bahwa entropi dari suatu sistem terisolasi sempurna selalu naik tiap proses ireversibel.Dalam proses adiabatik, dQ = 0, dan dalam proses adaibatik ireversibel dQr = 0. Oleh karena itu dalam proses adibatik reversibel, ds = 0 atau ini berarti bahwa entropi S tetap. Proses demikian ini disebut pula sebagai proses insentropik. Jadi:

dQr = 0 dan dS = 0

Dalam proses isotermal reversibel, suhu T tetap, sehingga perubahan entropiUntuk melaksanakan proses semacam ini maka sistem dihubungkan dengan sebuah reservoir yang suhunya berbeda. Jika arus panas mengalir masuk kedalam sistem, maka Qr positif dan entropi sistem naik. Jika arus panas keluar dari sistem Qr negatif dan entropi sistem turun.Contoh proses isotermal reversibel ialah perubahan fase pada tekanan tetap. Arus panas yang masuk kedalam sistem per satuan massa atau per mol sama dengan panas transformasi 1, sehingga perubahan entropi jenisnya. Jika dalam suatu proses terdapat arus panas antara sistem dengan lingkungannya secara reversibel, maka pada hakekatnya suhu sistem dan suhu lingkungan adalah sama. Besar arus panas ini yang masuk kedalam sistem atau yang masuk kedalam lingkungan disetiap titik adalah sama, tetapi harus diberi tanda yang berlawanan. Karena itu perubahan entropi lingkungan sama besar tapi berlawanan tanda dengan perubahan entropi sistem dan jumlahnya menjadi nol. Sebab sistem bersama dengan lingkungannya membentuk dunia, maka boleh dikatakn bahwa entropi dunia adalah tetap. Hendaknya diingat bahwa pernyataan ini berlaku untuk proses reversibel saja.Keadaan akhir proses irreversibel itu dapat dicapai dengan ekspansi reversibel. Dalam ekspansi semacam ini usaha luar haus dilakukan. Karena tenaga dakhil sistem tetap, maka harus ada arus panas yang mengalir kedalam sistem yang sama besarnya dengan usaha luar tersebut. Entropi dalam gas dal proses reversibel ini naik dan kenaikan ini sama dengan kenaikan dalam proses sebenarnya yang irreversibel, yaitu ekspansi bebas.

2.7. Bagaimanakah Asas Kenaikkan Entropi?

Hukum keseimbangan / kenaikan entropi menyatakan bahwa 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.Dalam pembahasan proses-proses ireversibel dalam pasal terdahulu, didapatkan bahwa entropi dunia (unuiverse) selalu naik. Hal ini juga benar untuk semua proses ireversibel yang sudah dapat dianalisa. Kesimpulan ini dikenal sebagai asas kenaikan entropi dan dianggap sebagai bagian dari hukum kedua termodinamika. Asas ini dapat dirumuskan sebagai berikut.Entropi dunia selalu naik pada setiap proses ireversibel

Jika semua sistem yang berinteraksi di dalam suatu proses di lingkungi dengan bidang adiabatik yang tegar, maka semua itu membentuk sistem yang terisolasi sempurna dan membentuk dunianya sendiri. Karena itu dapat dikatakan bahwa entropi dari suatu sistem yang terisolasi sempurna selalu naik dalam proes ireversibel yang terjdai dalam sistem itu. Sementara itu entropi tetap tidak berubah dalam sistem yang terisolasi jika sistem itu mengalami proses reversibel.

2.8 Contoh Soal Entropi1.Misal diambil contoh soal:Mula-mula sebuah wadah berisi 0,3m3gas nitrogen (anggap sebagai gas ideal) bertekanan 10 kPa dan suhu 250C dimampatkan sampai tekanan jadi dua kalinya dan volumenya menjadi 0,2m3. Tentukan perubahan entropi jenisnya!Diketahui:Keadaan awal: V1= 0,3 m3, p1= 10 kPa= 104Pa, T1= 250C = 298 KKeadaan akhir: V2= 0,2 m3, p2= 20 kPa = 2 x 104Pacp= 1,0416 KJ/kgcv= 0,7448 KJ/kgR= 296,93 joule/kgm-mol KDitanya: Perubahan entropi jenisnya (s2- s1)?Penyelesaian:Untuk menghitung perubahan entropi, pertama-tama harus dihitung suhu pada keadaan akhir:Perubahan entropi dapat dihitung dengan menggunakan persamaan:

2.Diketahui:

Ditanya: penjelasan rumus diatas?Penyelesaian:Proses ireversibel (dQr= 0) dan proses reversibel (dS = 0) yang berarti bahwa entropiS tetap. Jadi:dQr= 0 dan dS = 0Dalam proses isotermal reversibel, suhu T tetap, sehingga perubahan entropi:

Atau bisa ditulis:

3.Entropi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Jelaskan mengapa energi atau kalor tidak bisa diubah menjadi usaha?Jawab:Karena ini sesuai dengan hukum ke 2 termodinamika yaitu hukum kekekalan energi. Bahwa energi itu kekal, tidak semua energi atau kalor bisa diubah menjadi usaha 100%. Jika semua itu terjadi, maka akan melanggar hukum kekekalan energi. sehingga sisa dari energi yang tidak menjadi usaha itulah yang diubah menjadi energi lain yang disebut entropi. Jadi, energi atau kalortidak bisa diubah menjadi usaha sebab energi itu kekal.

27