TUGAS UMUM HEAT CONDUCTION

Hukum-Hukum yang Berlaku Pada Heat Conduction Aparatus

Konduksi adalah suatu perpindahan energi dengan interaksi dari molekul-

molekul suatu substansi di mana terjadinya perpindahan panas dalam bentuk

liquid, gas, padat tanpa adanya perpindahan partikel-partikel dalam bahan

tersebut dalam medium tetap.

Contoh peristiwa konduksi :

a. Ujung sendok logam secara tiba-tiba dicelupkan dalam secangkir kopi panas

sehingga logam tersebut akan panas karena adanya konduksi energi melalui

sendok.

b. Pada medium dingin, terjadi kehilangan energi dari ruangan yang dipanaskan

terhadap udara luar melalui dinding yang memisahkan udara dalam ruangan

dengan udara luar.

Konduksi memindahkan energi dari bagian panas ke bagian dingin dari

substansi oleh interaksi molekul. Dalam fluida, pertukaran energi utamanya

dengan tabrakan langsung. Pada solid, mekanisme yang utama adalah vibrasi

molekuler. Konduktor listrik yang baik juga merupakan konduktor panas yang

baik.

Persamaan yang berlaku untuk aliran panas konduksi, pertama kali

dinyatakan sebagai berikut:

aliran panas konduksi = ¿ [ luas permukaan ¿ ]¿¿

¿

¿¿

konstanta kesebandingan dimiliki oleh setiap material. Dalam bentuk matematik,

dengan menganggap bahwa temperatur bervariasi dalam arah-X yang dinotasikan

dengan qx = dQ / dt dalam arah-x

qx = −k A

dTdx

. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .(1 )

atau qx =

q x

Ax

= −kdTdx

.. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . ..(2 )

Hukum Fourier untuk heat konduksi ini sesuai untuk seluruh jenis solid,

liquid dan gas. Koefisien k adalah sifat transport dari suatu material dan disebut

thermal conductivity, qx = q / A sesuai untuk beberapa analisa. Kuantitas Ax

adalah luas permukaan normal untuk arah x. Jika T(x,y,z) adalah suatu fungsi

multi dimensi, hukum Fourier menjadi suatu vektor.

q ``=`` ital iq rSub { size 8{x} } + jqx ``+`` ital kq rSub { size 8{x} } = −k [i ∂ T∂ x

+ j∂T∂ y

+ k∂T∂ z ]

atau q ~=~ - k`` nabla T . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . \( 3 \) } {¿

Bila bahan/material adalah isotropis maka konduktivitasnya tidak

bervariasi terhadap arah. Catatan bahwa tanda negatif pada persamaan Fourier di

atas diperoleh dari Hukum II Termodinamika untuk meyakinkan bahwa laju

panas positif dalam arah penurunan temperatur (dari daerah panas ke daerah

dingin).

Gradien suhu (temperatur gradien) yang terdapat dalam suatu bahan

homogen akan menyebabkan perpindahan energi di dalam medium itu, yang

lajunya dapat dihitung dengan:

qx = −k A∂ T∂ η

di mana ∂T /∂ η ialah gradien suhu dalam arah normal (tegak lurus) terhadap

bidang A. Konduktivitas termal k ialah suatu konstanta (tetapan) yang ditentukan

dari eksperimen dengan medium itu. Satuan k adalah btu/hr ft oF atau W/mK.

Jika profil suhu di dalam medium itu bersifat linier, maka gradien suhu itu

(yang merupakan turunan parsial) dapat diganti dengan :

ΔTΔx

=T 2 − T1

x2 − x1

Sifat linier di atas selalu ditemukan pada medium homogen yang

mempunyai k tertentu dalam perpindahan kalor benda itu termasuk titik-titik pada

permukaan benda.

Jika suhu berubah menurut waktu, tentulah ada energi yang menumpuk

atau dikeluakan dari benda itu. Laju penumpukan energi itu adalah:

q menumpuk = m. Cp

∂T∂ x

Dimana m adalah hasil kali volume V dan densitas

Pemisahan variabel dan integrasi persamaan Fourier dimana arah gradien ialah x,

menghasilkan:

q ∫x1

x2

dx−kA ∫T1

T 2

dT

atau :

q=−kAT 2−T1

X2−X1

=−kAT2−T 1

Δx

Persamaan ini dapat disusun kembali sehingga menghasilkan,

q=T1−T 2

ΔxkA

=Beda potensial termaltahanan termal

Perhatikan bahwa tahanan terhadap aliran kalor berbanding lurus dengan

tebal bahan. Tetapi berbanding terbalik dengan konduktivitas termal bahan dan

berbanding terbalik dengan tegak lurus terhadap arah perpindahan kalor.

Dalam keadaan steady, laju perpindahan kalor yang masuk melalui

permkaan kiri sama dengan yang keluar dari muka kanan.

Jadi,

q=T1−T 2

ΔxαkαA dan

q=T 1−T3

Δ xbkbA

Kedua persamaan ini memberikan :

q=T 1−T 2

ΔxαkαA

+ Δ xbkαA

Kedua persamaan diatas menggambarkan analogi antara perpindahan kalor

konduksi dan aliran arus listrik. Dan analogi ini berakar pada kesamaan hukum

Fourier dan hukum Ohm.

Hukum Fourier dapat dinyatakan dengan mudah sebagai:

Aliran kalor konduksi= Beda Suhu menyeluruh

Jumlah semua tahanan termal

Sifat-sifat bahan:

1. Konduktivitas termal zat padat

Konduktivitas thermal logam dalam fase padat yang telah diketahui

komposisinya dan hanya tergantung pada suhu saja. Konduktivitas termal logam

dalam jangkauan suhu yang cukup luas biasanya dinyatakan dengan rumus:

K = Ko (1+ b + C2)

Dimana = T – T rujukan

Ko = konduktivitas pada suhu rujukan T rujukan

Kisaran suhu ini, pada berbagai penerapan teknik, biasanya cukup kecil dan

biasanya hanya beberapa ratus derajat, sehingga:

K = Ko ( 1 + h )

Konduktivitas termal bahan homogen biasanya sangat bergantung pada

aparent bulk density, yaitu massa bahan dibagi dengan volume total.

2. Konduktivitas termal zat cair

Dalam hal ini k bergantung pada suhu, tetapi tidak peka terhadap tekanan.

Konduktivitas termal kebanyakan zat cair berkurang bila suhu makin tinggi,

kecuali air dimana k bertambah sampai 300oF dan berkurang pada suhu yang lebih

tinggi. Air mempunyai konduktivitas termal paling tinggi diantara semua zat cair,

kecuali logam cair.

3. Konduktivitas termal gas

Konduktivitas termal gas bertambah jika suhu makin tinggi tetapi pada

tekanan di sekitar tekanan atmosfir. Hampi tidak tergantung pada besarnya

tekanan. Dua gas yang sangat penting ialah udara dan uap air.

Konduksi Steady State pada one dimensional

Kondisi steady state adalah suatu keadaan dimana variabel-variabel yang

ada pada suatu sistem tidak berubah. Pada tekanan steady state kita mengabaikan

tambahan kerja dan sistem tidak dapat berubah.

Dengan kata lain, Penambahan panas pada sistem harus seimbang dengan

panas yang hilang. Istilah one dimensional berarti bahwa sistem variabel seperti t,

hanya berbeda pada satu dimensi atau spasi koordinat, dinotasikan dengan x.

Kasus-kasus Persaman Konduksi :

1. Persamaan Fourier (tanpa konversi energi dalam)

∂T∂ x

+ ∂T∂ y

+ ∂ T∂ z

= 1α

∂T∂ t

2. Persamaan Poison (keadaan steady state dengan konversi energi)

∂T∂ x

+∂T∂ y

+∂ T∂ z

=0

3. Persamaan Laplace (Keadaan staedy state tanpa konversi energi dalam)

∂T∂ x

+ ∂T∂ y

+ ∂ T∂ z

+ qk=0

Hukum-Hukum Dasar Termodinamika

Di dalam mempelajari termodinamika akan selalu mengacu kepada hukum-

hukum dasar termodinamika yang ada.  Ada tiga hukum yang sangat penting,

yaitu hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga. Ketiga hukum ini

bersama-sama dengan hukum termodinamika ke nol membentuk suatu dasar yang

membangun pengetahuan termodinamika. Hukum-hukum ini bukanlah dalil

(teorema) dalam pengertian dapat dibuktikan, tetapi sebenarnya adalah postulat

yang berdasarkan kenyataan eksperimental. Seperti halnya hukum termodinamika

pertama, suatu eksperimental telah dilakukan Joule (1840-1878) sebagai suatu

perwujudan dan pembuktian dari hukum pertama tersebut. Dalam buku

termodinamika bagian pertama ini hanya dibahas hukum pertama dan kedua saja.

a. Hukum Termodinamika I dan Formulasinya

Hukum I Termodinamika menerangkan tentang prinsip konservasi energi yang

menyatakan bahwa, energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan, namun

demikian energi tersebut dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain 

menjadi kerja misalnya. Dari konsep ini, dapat dikatakan bahwa energi dapat

diubah menjadi kerja dan juga kerja dapat diubah menjadi energi.  Dalam kaitan

dengan Termodinamika salah satu bentuk dari energi yang dimaksud adalah

Panas (Heat),  dan kerja (Work). Ditinjau suatu sistem tertutup, persamaan energi

di peroleh dari penyusunan Neraca Energi untuk sistem tertutup tersebut, yaitu

seperti berikut :

                        

                                                                            

Keterangan :    Q  = Panas yang berpindah dari atau ke sistem ( Qin – Qout )

                        W  = Kerja dalam berbagai bentuk ( Wout – Win )

                       = Perubahan Energi total dari sistem, ( E2 – E1 )

Perubahan Energi total ΔE dinyatakan sebagai jumlah dari perubahan energi

dalam (ΔU), energi potensial (ΔEp) , dan energi kinetik (ΔEk), pada suatu sistem,

maka persamaan (9) dapat ditulis dalam bentuk :

                                                                                (10)

Keterangan :

                          

                              

                               

kebanyakan sistem tertutup adalah stasioner sehingga perubahan energi kinetik

dan potensial dapat diabaikan, persamaan (10) menjadi :

                                                                                                      (11)

Telah menjadi suatu kesepakatan umum, bahwa tanda “ + “ dan “ – “ dari

nilai Q dan W adalah seperti berikut ini.

Gambar 4. Sistem tertutup dan notasi kerja dan panas

Untuk menghitung nilai Kerja (W) dari suatu proses pada sistem tertutup ini, akan

diilustrasikan dari pergerakan piston di dalam sebuah silinder, seperti gambar

berikut ini.

Gambar 5.  Silinder Piston

Menurut Hukum thermodinamika pertama, energi dalam ΔU dari sistem

akan berubah bila sistem akan berubah bila sistem tersebut menerima kerja atau

melepaskan panas. Dari gambar diatas dapat dikatakan bahwa bila piston ditekan

dengan tekanan tertentu secara konstan, maka volume cairan akan berubah sampai

suatu saat sistem tersebut diberikan sejumlah kalor (panas) sehingga cairan

tersebut kembali mengekspansi sampai ke keadaan semula. Akhirnya satu siklus

proses tadi dapat dikatakan reversibel pada tekanan tetap dan volume tetap. Dalam

bentuk formulasi matematisnya dapat dinyatakan sebagai berikut.

Kerja (W) = Gaya (F) x Jarak perpindahan (L)                                   (12)

Untuk Gambar 5 tersebut, Gaya (F) = P x A, dimana A adalah luas penampang

lintang piston yang bekerja pada cairan, dengan demikian kerja (W) dapat ditulis

sebagai :

                                                                                             (13)

Atau                                                                                     (14)

Untuk perubahan volume yang sangat kecil (dV), maka persamaan (14) dapat

ditulis sebagai :

            dW = P dV                                                                                           (15)

integrasi persamaan (15) akan menghasilkan :

                                                                                                     (16)

Enthalpi

Secara eksplisit, enthalpi didefinisikan dalam bentuk persamaan matematis seperti

berikut ;

       H = U + PV                                                                                                (17)

keterangan : H  = enthalpi

                          P = tekanan absolut

                          V = volume

semua variabel yang ada dipersamaan (17) harus mempunyai satuan yang sama.

Hasil kali P dengan V mempunyai satuan energi, demikian juga dengan U. Oleh

karena U, P dan V adalah fungsi keadaan (state functions), bentuk differensial dari

persamaan (17) dapat ditulis sebagai :

            dH = dU + d(PV)                                                                                  (18)

persamaan (18) ini digunakan apabila adanya suatu perubahan differensial pada

suatu sistem. Integrasi persamaan (18) akan menghasilkan :

                                                                         (19)

enthalpi sebagai salah satu properti thermodinamika, sangat berguna dalam

banyak pemakaian, terutama pada persoalan-persoalan yang melibatkan proses

alir yang seringkali memunculkan suku-suku U dan PV.

Proses Alir ( Flow-System) Steady-state

Untuk kebanyakan proses dalam industri, analisis terhadap  proses alir

steady-state sering dijumpai, terutama pada peristiwa mengalirnya fluida di dalam

suatu peralatan. Analisis dan perhitungan yang dilakukan terhadap peristiwa

demikian tetap akan didasari pada hukum termodinamika pertama dalam bentuk

yang sesuai dengan kebutuhan yang ada. Istilah steady state dalam hal ini

berkaitan dengan berlangsungnya suatu proses tidak tergantung kepada waktu atau

dengan kata lain, tidak terjadi akumulasi massa dan energi dari suatu sistem yang

ditinjau. Sebagai dasar dari perhitungan proses alir ini, disusunlah suatu

persamaan kontinuitas.

Persamaan kontinuitas menggambarkan suatu hubungan tekanan, kecepatan

aliran, dan luas penampang aliran dari titik inlet ke titik outlet tanpa melalui suatu

sistem peralatan proses. Berikut ini akan diturunkan persamaan kontinuitas untuk

suatu aliran satu dimensi. Sebagai Illustrasi perhatikan    Gambar 7.

Gambar 7. Aliran melalui Potongan Tabung

Apabila proses mengalirnya fluida di dalam tabung tersebut berlangsung secara

steady-state, maka massa fluida yang mengalir melalui tiap penampang harus

sama, dengan kata lain :

                                                                 (20)

atau                                                                                      (21)

Persamaan (21) dikenal sebagai Persamaan Kontinuitas untuk aliran satu dimensi.

Dengan menggunakan differensial Logaritmik, diperoleh bentuk :

                                                                                          (22)

Persamaan kontinuitas adalah pernyataan matematik dari prinsip kekekalan massa,

dan bersama-sama dengan persamaan energi sebelumnya, sangat membantu

penyelesaian soal-soal keteknikan.

            Untuk memudahkan dalam mendapatkan bentuk umum dari persamaan

energi proses alir, Pertimbangkan suatu proses alir seperti pada Gambar 8 berikut.

Gambar 8. Proses Alir Steady-state

Suatu fluida mengalir  melalui peralatan-peralatan seperti tersebut pada gambar,

dari titik inlet (1) ke titik outlet (2). Pada titik inlet (1) kondisi fluida ditandai

dengan subskrip 1. Pada titik ini pula fluida berada pada ketinggian z1 dari bidang

datumnya, dengan kecepatan v1, memiliki volume spesifik  v1, tekanan P1 dan

energi dalam (U1). Dengan cara yang sama, untuk titik outlet ditandai dengan

subskrip 2. Sistem dianalisis dalam besaran per satuan massa fluida. Perubahan

energi per satuan massa untuk sistem tersebut melibatkan perubahan energi

kinetik, potensial dan energi dalamnya seperti pada persamaan (10).

                                

Keterangan :   

                           

                           

                          

sehingga secara umum, persamaan energi untuk proses alir steady-state dapat

ditulis sebagai :

            m(u2 – u1) +  1/2 m(u22 – u1

2)+ mg(z2 – z1) = Q – W                               (23)

W pada persamaan (23) menyatakan semua kerja yang dilakukan oleh fluida, dan

nila kerja (W) tesebut merupakan jumlah dari Kerja Poros (Shaft Work, Ws) dan

Kerja hasil kali PV dari fluida yang mengalir. Yang dimaksud dengan kerja poros

(Ws) adalah kerja yang yang dilakukan atau diterima oleh fluida yang mengalir

melalui suatu peralatan sehingga dihasilkan suatu kerja mekanik (misalnya dapat

memutar suatu poros atau menggerakan baling-baling pada turbin dan banyak lagi

lainnya). Secara matematis dapat dituliskan :

            W = Ws + P2V2 – P1V1                                                                        (24)

selanjutnya substitusikan persamaan (24) ke dalam persamaan (23), sehingga

diperoleh :

   m(u2 – u1) + 1/2 m(u22 – u1

2)+ mg(z2 – z1) = Q – [Ws + P2V2 – P1V1]    (25)

diketahui bahwa, V2 = mv2 dan V1 = mv1, dengan menyusun kembali persamaan

(2-23) akan diperoleh :

            m[(u2 + P2V2) –(U1 + P1V1)] + mg(z2 – z1) = Q – Ws        (26)

oleh karena h = u + P V, maka persamaan (24) menjadi :

   m(h2 – h1) +  1/2 m(u22 – u1

2)+ mg(z2 – z1) = Q – Ws                 (27)

atau                                                            (28)

Persamaan (28) merupakan persamaan umum proses alir steady-state.

            Untuk kebanyakan pemakaian di dalam thermodinamika, perubahan energi

kinetik dan energi potensial aliran relatif lebih kecil (sering diabaikan) jika

dibandingkan dengan energi bentuk lainnya, sehingga persamaan (28) menjadi :

            

atau    

(29)

dalam hal ini, diketahui bahwa enthapi (h) adalah fungsi keadaan, sehingga ia

punyai nilai tertentu pada kondisi P dan T tertentu pula, untuk itu sering juga nilai

enthalpi ini dapat dilihat pada Tabel-tabel data thermodinamika untuk zat-zat

murni tertentu.

HUKUM TERMODINAMIKA 2

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 sebuah ruangan, 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 termodinamika II.

Kegunaan hukum termo II tidak terbatas hanya pada mengidenfikasi 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)

RESERVOIR ENERGI PANAS (Thermal Energy Reservoirs)

Sebelum membahas mengenai hukum termo II, perlu diketahui istilah

reservoir energi panas (Thermal Energy Reservoir) atau lebih umum disebut

dengan reservoir. Reservoir mempunyai pengertian adalah suatu benda/zat yang

mempunyai kapasitas energi panas (massa x panas jenis) yang besar. Artinya

reservoir dapat menyerap/ menyuplai sejumlah

Panas yang tidak terbatas tanpa mengalami perubahan temperatur. Contoh

dari benda/zat besar yang disebut reservoir adalah samudera, danau dan sungai

untuk benda besar berujud air dan atmosfer untuk benda besar berujud udara.

Sistem dua-fasa juga dapat dimodelkan sebagai suatu reservoir, karena sistem

dua-fasa dapat menyerap dan melepaskan panas tanpa mengalami perubahan

temperatur. Dalam praktek, ukuran sebuah reservoir menjadi relatif. Misalnya,

sebuah ruangan dapat disebut sebagai sebuah reservoir dalam suatu analisa panas

yang dilepaskan oleh pesawat televisi. Reservoir yang menyuplai energi disebut

dengan source dan reservoir yang menyerap energi disebut dengan sink.

MESIN KALOR (Heat Engines)

Seperti kita ketahui kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas.

Seperti misalnya pengaduk air. Kerja 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, konversi

panas menjadi kerja bisa dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan

dengan mesin kalor (heat engines) Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan

sebagai berikut :

1. Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari,

furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll).

2. Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam

dalam bentuk poros yang berputar)

3. Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.

4. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.

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

tidak memenuhi kategori sebagai sebuah mesin kalor, karena fluida kerja dari

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

Sebuah alat produksi kerja yang paling tepat mewakili definisi dari mesin kalor

adalah pembangkit listrik tenaga air, yang merupakan mesin pembakaran luar

dimana fluida kerja mengalami siklus termidinamika yang lengkap.

Efisiensi Termal (Thermal Efficiencies)

Efisiensi termal sebenarnya digunakan untuk mengukur unjuk kerja dari

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

output kerja bersih.

Unjuk kerja atau efisiensi, pada umumnya dapat diekspresikan menjadi :

untuk kerja=output yangdiinginkaninput yangdiperlukan

Untuk mesin kalor, output yang diinginkan adalah output kerja bersih dan

input yang diperlukan adalah jumlah panas yang disuplai ke fluida kerja.

Kemudian efisiensi termal dari sebuah mesin kalor dapat diekspresikan sebagai

efisiensi termal=output kerja bersi htotal input panas

atau

ηt h=W bersi hout

Q¿

Atau

ηt h=1−Qout

Q¿

Dimana W bersi hout = Q¿−Qout

Dalam peralatan-peralatan praktis, seperti mesin kalor, mesin pendingin

dan pompa kalor umumnya dioperasikan antara sebuah media bertemperatur

tinggi pada temperatur H T dan sebuah media bertemperatur rendah pada

temperatur L T . Untuk sebuah keseragaman dalam mesin kalor, mesin pendingin

dan pompa kalor perlu pendefinisian

dua kuantitas :

QH = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur

tinggi pada temperatur H T .

QL = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur

rendah pada temperatur L T .

Sehingga efisiensi termal dapat dituliskan sebagai berikut :

ηt h=W bersi hout

QH

Atau

ηt h=1−QL

QH

Dimana W bersi hout = QH−QL

Pernyataan Kelvin-Plank

Melihat 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 :

dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan

memproduksi sejumlah kerja bersih.

Pernyataan Kelvin-Plank (hanya diperuntuk untuk mesin kalor) diatas

dapat juga diartikan sebagai tidak ada sebuah mesin/alat yang bekerja dalam

sebuah siklus menerima panas dari reservoir bertemperatur tingg dan mengubah

panas tersebut seluruh menjadi kerja bersih. Atau dengan kata lain tidak ada

sebuah mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%.

MESIN PENDINGIN DAN POMPA KALOR ( Refrigerators and Heat

Pumps)

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.

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.

COPR=output yangdiingi nkaninput yangdiperlukan

=QH

W bersi h∈¿¿

Atau

COPR=QH

QH−QL

= 1QL

QH

−1

Perlu dicatat bahwa harga dari COPR dapat berharga lebih dari satu,

karena jumlah panas yang diserap dari ruang refrigerasi dapat lebih besar dari

jumlah input kerja. Hal tersebut kontras dengan efisiensi termal yang selalu

kurang dari satu. Salah satu alasan penggunaan istilahcoefficient of performance-

lebih disukai untuk menghindari kerancuan dengan istilah efisiensi, karena COP

dari mesin pendingin lebih besar dari satu.

Pompa Kalor (Heat Pumps)

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.

COPHP=output yangdiinginkaninput yang diperlukan

=QH

W bersih∈¿¿

AtauCOPHP=

QH

QH−QL

= 1

1−QL

QH

Perbandingan antara COPR dan COPHP adalah sebagai berikut :

COPHP=COPR+1. Air condtioner pada dasarnya adalah sebuah mesin pendingin

tetapi yang didinginkan disini bukan ruang refrigerasi melainkan sebuah

ruangan/gedung atau yang lain.

Hukum Termodinamika Kedua : Pernyataan Clausius

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. Pernyataan Clausius

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 Clausius 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 efek luar yang dalam kasus tersebut dilakukan/diwakili oleh

kompresor yang mendapat energi dari energy listrik misalnya.