Thermodinamika Dasar 2

Hukum Thermodinamika Pertama

� Hukum Thermodinamika pertama � Kekekalan energi baik padaclosed system maupun open system/control volume.

� Tidak memberi batasan terhadap arah suatu proses� Proses yang tidak bertentangan dengan hukum Thermodinamika

I tidak selamanya bisa berlangsung

Closed System

Open system / Control Volume

Hukum Thermodinamika Kedua

� Memberi batasan terhadap arah suatu proses� Suatu proses dapat berlangsung jika TIDAK BERTENTANGAN

dengan Hukum Thermodinamika I dan II.� Pelanggaran terhadap Hukum Thermodinamika II dapat dideteksi

dengan sebuah properti yang disebut “ENTROPI”

� Proses hanya terjadi pada arah yang pastidan tidak dapat terjadi pada arah yang berkebalikan

� Proses hanya terjadi jika memenuhi hukumthermodinamika pertama dan kedua

Penggunaan hukum Thermodinamika II

� Kuantitas dan kualitas energi� Menentukan batas teoritis unjuk kerja mesin� Memperkirakan kelangsungn reaksi kimia

Thermal Energy Reservoir (TER)

� Kapasitas energi thermal yang relatif besar.� Contoh : udara atmosfer, sungai, laut danau, industrial

furnace� Reservoir yang mensuplai energi thermal disebut

source� Reservoir yang menerima energi thermal disebut sink

Heat Engine

Kerja mekanik dalam bentuk kerja putar poros digunakan untukmengkonversi energi internal air sehingga ada energi dalam bentuk panas

yang meninggalkan air.

Jika prosesnya dibalik, dengan memanaskan air terlebih dahulu. Maka tidak ada kerja yang dihasilkan dalam bentuk putaran poros.

� Kesimpulan :� Kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas.� Tetapi, panas tidak dapat langsung digunakan untuk

mengkonversi menjadi kerja tetapi membutuhkan beberapa peralatan khusus, yaitu heat engine

Karakteristik heat engine� Menerima panas dari High TER / Source (ernergi

matahari, furnace, reaktor nuklir, dsb)� Mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (biasanya

dalam bentuk putaran poros)� Membuang sisa panas ke Low TER / Sink (atmosfer,

sungai, dll).� Beroperasi dalam sebuah siklus.

Heat Engine

Heat engine dan peralatannyamembutuhkan fluida kerja untukberoperasi dalam sebuah siklus, seperti : air, udara, refrigerant.

Contoh aplikasi heat engine pada steam power plant � external combustion engine

Pembakaran terjadi diluar engine dan energithermal dilepas selama proses ini yaituditransfer menjadi uap dalam bentuk panas.

Heat Engine : Steam power plant

Heat Engine : Steam power plant

Kerja netto adalah perbedaan kerja total output dengan kerja total input

Atau dapat dituliskan :

Thermal Efficiency

masukanenergi

idikehendakyangenergiefisiensi =

Atau dapat ditulis

Efisiensi thermal :

Atau dapat ditulis :

The Second Law Thermodynamics :

Kelvin-Planck Statement

Tidak mungkin membuat sebuah mesin yang beroperasiberdasarkan siklus thermodinamika yang menerima panas

dari HTER dan mengkonversi semuanya menjadi kerja.

Tidak mungkindibuat

Refrigerator dan Heat Pump

siklus refrigerasi kompresi uap

Coefficient of Performance (COP) Refrigerator

Coefficient of Performance (COP) Heat Pump

Hubungan COPR dan COPHP

Energy Efficiency Rating (EER)

� Performansi refrigerator dan air conditioning seringdinyatakan dalam bentuk the energy efficiency rating (EER) � USA

� Definisi � jumlah panas yang dipindahkan dari ruangandingin (LTER) dalam BTU (British Thermal Unit) selama1 Wh (watthour) energi listrik yang dikonsumsi.

� 1 kWh = 3421 BTU � 1 Wh = 3,412 BTU

The Second Law Thermodynamics :

Clausius StatementTidak mungkin membuat sebuah mesin yang beroperasi

berdasarkan siklus thermodinamika yang mentransferpanas dari LTER ke HTER tanpa membutuhkan kerja

Tidak mungkindibuat

Proses Reversibel dan Ireversibel

� Proses reversibel � suatu proses yang setelah berlangsung, arahnya dapat dibalik kembali ke kondisi semula tanpa meninggalkan jejak (bekas) pada sistem dan lingkungan

� Atau dengan kata lain, suatu proses yang jika arahnya dibalik akan tetap melalui lintasan yang sama (berimpit).

� Proses reversibel adalah proses yang ideal dan tidak pernah ada.

� Apakah pendulum ini bisa dikatakan proses reversibel ???� Pendulum bisa dikatakan proses reversibel JIKA perubahan

netto kerja dan panas antara sistem dan lingkungan nol.� Kenyataannya, terjadi gesekan antara udara dan pendulum

sehingga lama-kelamaan pendulum berhenti, MAKA pendulum mengalami proses reversibel

� Bagaimana dengan sistem silinder piston diatas ??� Proses quasi-equilibrium (quasi static) adalah

proses idealisasi seolah-olah prosesnya lambat �untuk memudahkan analisis

� Proses diatas dapat dikatakan proses reversibel jika piston bergerak tanpa adanya gesekan (frictionless)

Proses dan Siklus

� PROSES � lintasan (tempat kedudukan) yang menyatakan kondisi (state) sistem selama terjadi perubahan.

� Kondisi sistem hanya terdefinisikan jika sistem dalam kondisi setimbang.

� SIKLUS � gabungan beberapa macam proses yang yang dapat kembali ke kondisi (state) awal atau dengan kata lain � proses yang titik awalnya berimpit dengan titik akhirnya

SIKLUS CARNOT

� PROSES 1-2 : proses ekspansi isothermal reversibel (TH = konstan). Menerima panas QH dari High TER pada TH sehingga menyebabkan sistem silinder piston berkespansi

� PROSES 2-3 : proses ekspansi adiabatik reversibel Temperatur turun dari TH menjadi TL. Pada state 2, reservoir yang kontak dengan kepala silinder diisolasi sehingga sistem menjadi adiabatik (tidak menerima dan mengeluarkan dari sistem ke lingkungan)

� PROSES 3-4 : proses kompresi isothermal reversibel (TL = konstan)Pada state 3, isolasi pada kepala silinder dilepas dan dikontakkan dengan Low TER pada temperatur TL.

� PROSES 4-1 : proses kompresi adiabatik reversibel Temperatur naik dari dari TL menjadi TH. Pada state 4, ketika pada Low TER, kepala silinder diislasi sehingga terjadi kenaikan temperatur pada sistem silinder-piston

Diagram P-V Siklus Carnot

Siklus Carnot yang Dibalik

(Siklus Refrigerasi Carnot)

� Karena prosesnya reversibel, maka siklus carnot dapat dibalik pada lintasan yang sama dan disebut dengan siklus refrigerasi carnot

Prinsip-prinsip Carnot

(Konsekuensi Hukum Thermo II)

� Efisiensi heat engine ireversibel selalu lebih kecil daripada efisiensi heat engine reversibel jika beroperasi pada 2 reservoir yang sama.

Prinsip-prinsip Carnot

(Konsekuensi Hukum Thermo II)

� Efisiensi semua heat engine reversible yangbekerja diantara dua reservoir yang sama, besarnya adalah sama (tak tergantung fluidakerjanya)

SKALA SUHU ABSOLUT(THE THERMODYNAMIC TEMPERATURE SCALE)

� Karena LTER dan HTER karakteristiknya hanya padatemperaturnya, maka efisiensi thermal heat engine reversibel adalah hanya fungsi dari temperaturreservoirnya. Dan dapat dinyatakan :

Untuk :

� Tiga buah heat engine (A, B dan C) yang bekerja diantara 2 buah reservoir thermal

Maka dari persamaan diatas dihasilkan :

Dimana :

Maka :

Untuk proses reversibel rasio transfer panas (QH/QL) sebanding dengan rasio temperatur absoulutnya (TH/TL)

Carnot Heat Engine / Mesin Kalor Carnot

Efisiensi mesin carnot :

Efisiensi mesin carnot reversibel :

Sering disebut dengan efisiensi Carnot

Efisiensi ini adalah efisiensi yang tertinggi padasebuah mesin kalor yang beroperasi pada duareservoir pada temperature TL dan TH yang dapatdicapai.

Perbandingan antara efisiensi thermal mesin kalor actual dan

reversibel yang beroperasi diantara temperatur yang sama :

Refrigerator dan Heat Pump Carnot

� Refrigerator atau heat pump yang beroperasi berdasarkan siklus carnot yang dibalik disebut dengan refrigerator carnot atau heat pump carnot.

� Efisien thermal refrigerator dan heat pump dinyatakan :

� Efisiensi refrigerator reversibel dan heat pump reversibel adalah :

� Ini adalah COP refrigerator dan heat pump tertinggi yang beroperasi diantaratemperature TL dan TH yang dapat dicapai.

budi_kristiawan jurusan teknik mesin FT UNS