tugas termo hk termo ii

8/19/2019 Tugas Termo Hk Termo II

http://slidepdf.com/reader/full/tugas-termo-hk-termo-ii 1/10

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Hukum termodinamika I yang menyatakan bahwa energi tidak dapat

diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke

bentuk yang lain . Prinsip tersebut juga di kenal dengan istilah konservasi energi,

yang berlaku untuk sistem tertutup dan terbuka.

Dalam kasus secangkir kopi panas ditaruh dalam suatu ruangan, maka akan

dengan sendirinya kopi tersebut akan menjadi dingin, hukum termodinamika

pertama telah terpenuhi karena energi yang dilepaskan kopi sebanding dengan

energi yang diterima oleh lingkungan. Tetapi jika dibalik secangkir kopi menjadi

panas dalam sebuah ruangan yang dingin, kita tahu bahwa hal tersebut tidak akan

terjadi. Atau kita ambil contoh lain, seperti tahanan panas memanaskan sebuahruangan, jika dibalik, kita memberikan panas pada ruangan, maka tidak mungkin

arus akan mengalir dengan arah terbalik dan menghasilkan energi yang sama

dengan energi yang dihasilkan listrik sebelumnya.

Dari contoh diatas jelas bahwa proses berjalan dalam suatu arah tertentu

tidak sebaliknya. Suatu proses yang telah memenuhi hukum termo I, belum tentu

dapat berlangsung. Diperlukan suatu prinsip selain hukum termo I untuk

menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung, yang dikenal dengan hukum

termo II. Atau dengan kata lain suatu proses dapat berlangsung jika memenuhi

hukum termo I dan termo II.

egunaan hukum termo II tidak terbatas hanya pada mengiden!ikasi arah

dari suatu proses, tetapi juga bisa untuk mengetahui kualitas energi "hukum I

berhubungan dengan kuantitas energi dan perubahan bentuk energi# $ menentukan

batas toeritis unjuk kerja suatu sistem $ dan memperkirakan kelangsungan reaksi

kimia (degree of completion of chemical reaction#.

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Reservoir Energi Panas T!er"al Energ# Reservoirs$

Sebelum membahas mengenai hukum termo II, perlu diketahui istilah

reser%oir energi panas (Thermal Energy Reservoir ) atau lebih umum disebut

dengan reser%oir. &eser%oir mempunyai pengertian adalah suatu benda'(at yangmempunyai kapasitas energi panas "massa ) panas jenis# yang besar. Artinya

reser%oir dapat menyerap' menyuplai sejumlah panas yang tidak terbatas tanpa

mengalami perubahan temperatur. *ontoh dari benda'(at besar yang disebut

reser%oir adalah samudera, danau dan sungai untuk benda besar berujud air dan

atmos!er untuk benda besar berujud udara.

Sistem dua+!asa juga dapat dimodelkan sebagai suatu reser%oir, karena

sistem dua+!asa dapat menyerap dan melepaskan panas tanpa mengalami

perubahan temperatur.

Dalam praktek, ukuran sebuah reser%oir menjadi relati!. isalnya, sebuah

ruangan dapat disebut sebagai sebuah reser%oir dalam suatu analisa panas yang

dilepaskan oleh pesawat tele%isi.

1



&eser%oir yang menyuplai energi disebut dengan source dan reser%oir yang

menyerap energi disebut dengan sink.

2.2 %esin Kalor (Heat Engines)

Seperti kita ketahui kerja dapat dikon%ersi langsung menjadi panas. Seperti

misalnya pengaduk air. erja dapat kita berikan pada poros pengaduk sehingga

temperatur naik. Tetapi sebaliknya, jika kita memberikan panas pada air, maka

poros tidak akan berputar. Atau dengan kata lain, jika memberikan panas pada air,

maka tidak akan tercipta kerja "poros#. Dari pengamatan di atas, kon%ersi panas

menjadi kerja bisa dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan

dengan mesin kalor "heat engines#.

Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut -

. esin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi "energi

matahari, !urnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll#./. esin kalor mengkon%ersi sebagian panas menjadi kerja "umumnya

dalam dalam bentuk poros yang berputar#.

0. esin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.

1. esin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.

engacu pada karakteristik di atas, sebenarnya motor bakar dan turbin gas

tidak memenuhi kategori sebagai sebuah mesin kalor, karena !luida kerja dari

motor bakar dan turbin gas tidak mengalami siklus termodinamika secara lengkap.

Sebuah alat produksi kerja yang paling tepat mewakili de!inisi dari mesin

kalor adalah pembangkit listrik tenaga air, yang merupakan mesin pembakaran

luar dimana !luida kerja mengalami siklus termidinamika yang lengkap.

E&isiensi Ter"al (Thermal Efficiencies)

2!isiensi termal sebenarnya digunakan untuk mengukur unjuk kerja dari

suatu mesin kalor, yaitu berapa bagian dari input panas yang diubah menjadi

output kerja bersih.

3njuk kerja atau e!isiensi, pada umumnya dapat diekspresikan menjadi -

Unjuk kerja= input yangdiperlukan

output yangdiinginkan /.

3ntuk mesin kalor, output yang diinginkan adalah output kerja bersih dan

input yang diperlukan adalah jumlah panas yang disuplai ke !luida kerja.

emudian e!isiensi termal dari sebuah mesin kalor dapat diekspresikan sebagai

Efisiensi Termal= totalinput panas

output kerja bersih

Atau

ɳ t h=W bersih,out

Q¿/./

Atau

ɳ t h=1−Qout

Q¿ dimana

W bersi h,out =Q¿−Qout /.0

2



Dalam peralatan+peralatan praktis, seperti mesin kalor, mesin pendingin dan

pompa kalor umumnya dioperasikan antara sebuah media bertemperatur tinggi

pada temperatur T H dan sebuah media bertemperatur rendah pada temperatur T L.3ntuk sebuah keseragaman dalam mesin kalor, mesin pendingin dan pompa kalor

perlu pende!inisian dua kuantitas -

4H 5 besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertemperatur

rendah pada temperatur TH.

46 5 besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertemperatur

rendah pada temperatur T6.

Sehingga e!isiensi termal dapat dituliskan sebagai berikut -

ɳ t h=W bersih,out

Q H /.1

Atau

ɳ t h=1−Qout

Q¿ dimana

W bersi h,out =Q¿−Qout /.7

H'k'" Ter"o(ina"ika Ke('a )

Pern#ataan Kelvin*Plank

elihat karakterisitk dari sebuah mesin kalor, maka tidak ada sebuah mesin

kalor yang dapat mengubah semua panas yang diterima dan kemudian

mengubahnya semua menjadi kerja. eterbatasan tersebut kemudian dibuat

sebuah pernyataan oleh el%in+Plank yang berbunyi - 8 Adalah tidak mungkin

untuk sebuah alatmesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi se!umlah ker!a bersih".

Pernyataan el%in+Plank "hanya diperuntuk untuk mesin kalor# diatas dapat

juga diartikan sebagai 8tidak ada sebuah mesinalat yang beker!a dalam sebuah

siklus menerima panas dari reservoir bertemperatur tinggi dan mengubah panas

tersebut seluruh men!adi ker!a bersih9. Atau dengan kata lain 8tidak ada sebuah

mesin kalor yang mempunyai efisiensi #$$%9.

2.+ %esin Pen(ingin Dan Po",a Kalor ( Refrigerators And Heat Pumps)

esin pendingin, sama seperti mesin kalor, adalah sebuah alat siklus. :luida

kerjanya disebut dengan refrigerant . Siklus re!rigerasi yang paling banyak

digunakan adalah daur re!rigerasi kompresi+uap yang melibatkan empat

komponen - kompresor, kondensor, katup ekspansi dan e%aporator ";ambar ./#.

3



-a"ar 1.2

Refrigerant memasuki kompresor sebagai sebuah uap dan dikompres ke

tekanan kondensor. Refrigerant meninggalkan kompresor pada temperatur yangrelati! tinggi dan kemudian didinginkan dan mengalami kondensasi dikondensor

yang membuang panasnya ke lingkungan. Refrigerant kemudian memasuki

tabung kapilar dimana tekanan refrigerant turun drastis karena e!ek throttling .

Refrigerant bertemperatur rendah kemudian memasuki e%aporator, dimana

disini re!rigerant menyerap panas dari ruang re!rigerasi dan kemudian refrigerant

kembali memasuki kompresor.

2!isiensi re!rigerator disebut dengan istilah coefficient of performance

"*<P#, dinotasikan dengan *<P& .W bersih,∈¿

COP R=

output yangdiinginkan

input yangdiinginkan =

Q

¿ /.=

Atau

COP R=Q

Q H −Q

= 1

Q H

Q

−1 /.>

Perlu dicatat bahwa harga dari *<P& dapat berharga lebih dari satu, karena

jumlah panas yang diserap dari ruang re!rigerasi dapat lebih besar dari jumlah

input kerja. Hal tersebut kontras dengan e!isiensi termal yang selalu kurang dari

satu. Salah satu alasan penggunaan istilahcoe!!icient o! per!ormance+lebih disukaiuntuk menghindari kerancuan dengan istilah e!isiensi, karena *<P dari mesin

pendingin lebih besar dari satu.

Po",a Kalor Heat Pumps)

Pompa kalor adalah suatu alat yang mentrans!er panas dari media

bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi. Tujuan dari mesin pendingin

adalah untuk menjaga ruang re!rigerasi 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.W bersih ,∈¿

COP HP=output yangdiinginkan

input yang diinginkan =

Q H

¿/.?

Atau

COP HP=Q H

Q H −Q

= 1

1−Q

Q H

/.@

Perbandingan antara *<P& dan *<PHP adalah sebagai berikut -COP HP=COP R+1

/.

4



Air condtioner pada dasarnya adalah sebuah mesin pendingin tetapi yang

didinginkan disini bukan ruang re!rigerasi melainkan sebuah ruangan'gedung atau

yang lain.

H'k'" Ter"o(ina"ika Ke('a )

Pern#ataan /la'si's

Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua yaitu,

pernyataan el%in+Plank, yang diperuntukkan untuk mesin kalor, dan pernyataan

*lausius, yang diperuntukkan untuk mesin pendingin'pompa kalor. Pernyataan

*lausius dapat di ungkapkan sebagai berikut -&Adalah tidak mungkin membuat

sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar

untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media

bertemperatur tinggi".

Telah diketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media bertemperatur rendah. Pernyataan *lausius tidak

mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat siklus yang dapat memindahkan

panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi adalah tidak

mungkin dibuat. Hal tersebut mungkin terjadi asalkan ada e!ek luar yang dalam

kasus tersebut dilakukan'diwakili oleh kompresor yang mendapat energi dari

energi listrik misalnya.

2.0 %esin*-erak*Aa(i Perpetual-Motion Machines)

ita mempunyai pernyataan yang berulang+ulang, bahwa sebuah proses

tidak akan dapat berlangsung jika tidak memenuhi hukum termodinamika pertama

dan kedua. Semua alat yang melanggar baik hukum termodinamika pertama

maupun kedua disebut dengan mesin gerak abadi " 'erpetual)otion )achines*.

Sebuah alat yang melanggar hukum termodinamika pertama disebut dengan

mesin gerak abadi tipe pertama ('erpetual)otion )achines of the first

kind '))#* dan sebuah alat yang melanggar hukum termodinamika kedua

disebut dengan mesin gerak abadi tipe kedua ('erpetual)otion )achines of the

second kind '))+*. Perhatikan skema P dan P/ dibawah ini ";ambar

/.0#.

a#P b#P/

-a"ar 2.+ 'erpetual)otion )achines

2. Sikl's /arnot

Sebelum membahas siklus *arnot terlebih dahulu perlu diketahui istilah

re%ersibel dan irre%ersibel. Sebuah proses re%ersibel dide!inisikan sebagai sebuah

proses yang dapat dibalik tanpa meningggal jejak pada lingkungan. Atau dengan

5



kata lain, sebuah proses yang jika dibalik akan melalui lintasan yang sama++ingat

pengertian panas dan kerja sebagai !ungsi lintasan. Proses irre%ersibel adalah

kebalikan dari proses re%ersibel.Siklus *arnot adalah sebuah siklus re%ersibel, yang pertama kali

dikemukakan oleh Sadi *arnot pada tahun ?/1, seorang insinyur Perancis. esin

teoritis yang menggunakan siklus *arnot disebut dengan esin alor *arnot.

Siklus *arnot yang dibalik dinamakan dengan siklus *arnot terbalik dan mesin

yang menggunakan siklus carnot terbalik disebut dengan esin re!rigerasi *arnot

";ambar /.1#

-a"ar 2.0

3rutan proses pada siklus *arnot adalah sebagai berikut -

. 2kspansi isotermal re%ersibel.

/. 2kspansi adiabatis re%ersibel

0. ompresi isotermal re%ersibel

1. ompresi adiabatis re%ersibel2. Prinsi, /arnot

Hukum termo kedua meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus

seperti yang diekspresikan oleh el%in+Plank dan *lausius. Sebuah mesin kalor

tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reser%oir tunggal,

dan re!rigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah

sumber luar.

Dari pernyataan diatas kita dapat mengambil kesimpulan yang berhubungan

dengan e!isiensi termal dari proses re%ersibel dan irre%ersibel.

-a"ar 2.

6



#. Efisiensi sebuah mesin kalor irreversibel selalu lebih kecil dari mesin kalor

reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama.

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

2.3 %esin Kalor /arnot

2!isiensi termal dari semua mesin kalor re%ersibel atau irre%ersibel dapat

dituliskan sebagai berikut -

ɳ t h=1−Q

Q H /.

dimana 4H adalah panas yang ditrans!er ke mesin kalor pada temperatur

TH, dan 46 adalah panas yang diterans!er ke mesin kalor pada temperatur T6.

Hubungan di atas adalah hubungan yang mengacu pada e!isiensi *arnot,karena mesin kalor *arnot adalah mesin re%ersibel yang baik. Perlu dicatat bahwa

T6 dan TH adalah temperatur absolut. Penggunaan B* atau B: akan sering

menimbulkan kesalahan.

2!isiensi termal dari suatu mesin kalor aktual dan re%ersibel yang beroperasi

pada batas temperatur yang sama adalah sebagai berikut-¿ɳ th,re! mesin kalor irre%esibel

ɳ t h ¿ɳ th,re! mesin kalor re%esibel

¿ɳ th,re! mesin kalor impossible

Hampir semua mesin kalor mempunyai e!isiensi termal dibawah 1 persen,

yang sebenarnya relati! rendah jika dibandingkan dengan persen. Tetapi

bagaimanapun, ketika per!ormance dari mesin kalor diperoleh tidak harus

dibandingkan dengan persen, tetapi harus dibandingkan dengan e!isiensi

sebuah mesin kalor re%ersibel yang beroperasi diantara batas temperatur yang

sama.

-a"ar 2. 2!isiensi Termal esin alor

2!isiensi maksimum sebuah pembangkit tenaga listrik yang beroperasi

antara temperatur TH5 >7B dan T65 0B adalah = persen jika menggunakan

7



rumus e!isiensi mesin re%ersibel, tetapi aktualnya hanya sekitar 1 persen. Hal ini

sebenarnya tidak begitu buruk dan hal tersebut masih membutuhkan impro%isasi

untuk mendekati e!isiensi mesin re%ersibel.

K'alitas Energi

Sebuah mesin kalor *arnot jika menerima panas dari sebuah sumber pada

temperatur @/7 dan mengubahnya =>,/ persen menjadi kerja, kemudian

membuang sisanya "0/,? persent# ke sink pada 00 . Sekarang jika die%aluasi

bagaimana e!isiensi termal jika sumber temperatur ber%airiasi dengan temperatur

sink dijaga konstan.

Cika suplai panas dari temperatur sumber 7 "bandingkan dengan @/7

#, maka e!isiensi termal turun drastis menjadi dari =>,/ ke 0@,1 persen. Dan jika

temperatur sumber sebesar 07 , maka !raksi panas yang dikon%ersi hanya 0,1

persen.Harga e!isiensi menunjukkan bahwa energi mempunyai kualitas sama

seperti mempunyai kunatitas. Semakin tinggi temperatur, semakin tinggi kualitas

energi.

*ontoh misalnya, jumlah yang besar dari energi matahari , jika disimpan

dalam sebuah benda "body# yang disebut solar pond akan mempunyai temperatur

kurang lebih 07 . Cika hal ini disuplaikan ke sebuah mesin kalor, maka

e!isiensinya hanya kurang lebih 7 persen. arena rendahnya kualitas energi yang

didapat disimpan pada sebuah sumber , maka biaya konstruksi dan perawatan

menjadi semakin mahal. Hal ini menjadi tidak kompetiti! meskipun tersedia

dalam jumlah yang banyak.

2.4 %esin Pen(ingin Dan Po",a Kalor /arnot

esin pendingin dan pompa kalor yang beroperasi menggunakan siklus

terbalik dinamakan mesin pendingin *arnot.

oefficient of performance mesin pendingin atau pompa kalor re%ersibel

atau irre%ersibel adalah -

COP R= 1

Q H

Q

−1

danCOP HP= 1

1−Q

Q H

Cika mesinnya adalah mesin re%ersibel maka -

COP R ,re!= 1

T H

T −1 /./

dan

COP HP ,re!= 1

1−T

T H

/.0

Perbandingan *<P mesin pendingin re%ersibel dan irre%ersibel adalah

sebagai berikut-

8



¿COP R ,re! mesin pendingin irre%esibel

COP R ¿COP R ,re! mesin pendingin

re%esibel¿COP R ,re! mesin pendingin impossible

-a"ar .3 *<P esin Pendingin

*<P mesin pendingin dan pompa kalor menurun ketika T6 menurun.

erarti hal ini memerlukan kerja untuk menyerap panas da media bertemperatur

rendah. etika temperatur ruang re!rigerasi mendekati nol, jumlah kerja yang

diperlukan untuk memproduksi jumlah pendinginan tertentu akan mendekati tak

terbatas dan *<P+nya akan mendekati nol.

9



BAB III

PENUTUP

+.1 Kesi",'lan

1$ egunaan hukum termo II tidak terbatas hanya pada mengiden!ikasi arah

dari suatu proses, tetapi juga bisa untuk mengetahui kualitas energi "hukum

I berhubungan dengan kuantitas energi dan perubahan bentuk energi# $

menentukan batas toeritis unjuk kerja suatu sistem $ dan memperkirakan

kelangsungan reaksi kimia (degree of completion of chemical reaction#.

2$ Pernyataan oleh el%in+Plank yang berbunyi - 8 Adalah tidak mungkin untuk

sebuah alatmesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima

panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi se!umlah ker!a

bersih".

+$ Pernyataan *lausius dapat di ungkapkan sebagai berikut -&Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa

adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur

rendah ke media bertemperatur tinggi".

0$ Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua yaitu,

pernyataan el%in+Plank, yang diperuntukkan untuk mesin kalor, dan

pernyataan *lausius, yang diperuntukkan untuk mesin pendingin'pompa

kalor.

DA5TAR PUSTAKA

Sudjito, Ir., PhD., Sai!uddin ., Ir., Agung S.,E., T. -iktat Termodinamika

-asar. mesin.ub.ac.iddiktata!ardata$+cbab#n+termo#. Diakses

Tanggal 0 Desember /7.

10

tugas termo hk termo ii

Documents