Termodinamika berasal dari dua kata yakni Thermos (panas) dan Dinamis (berubah). Hukum Termodinamika sendiri dapat diartikan sebagai hukum-hukum yang mengatur yang perubahan energi panas dan hal-hal yang berkaitan dengan perubahan tersebut. Secara perubahan energi panas dimanfaatkan manusia dengan mengkonversi menjadi Usaha.
Hukum Termodinamika
Bab I. Pendahuluan
A. Latar Belakang
Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi.
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
Hukum keseimbangan/kenaikan entropi: 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.
Proses termodinamik yang berlanggsung secara alami seluruhnya disebut proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlanggsung secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Contohnya kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.
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).
Sejarahawal dari AC (Air Conditioner) sudah dimulai sejak jaman Romawi yaitu dengan membuat penampung air yang mengalir di dalam dinding rumah sehingga menurunkan suhu ruangan , tetapi saat itu hanya orang tertentu saja yang bisa karena biaya membangunnya sangatlah mahal karena membutuhkan air dan juga bangunan yang tidak biasa. Hanya para raja dan orang kaya saja yang dapat membangunnya.
Kemudian pada tahun 1820 ilmuwan Inggris bernama Michael Faraday Image menemukan cara baru mendinginkan udara dengan menggunakan Gas Amonia dan pada tahun 1842 seorang dokter menemukan cara mendinginkan ruangan dirumah sakit Apalachicola yang berada di Florida Ameika Serikat. Dr.Jhon Gorrie Image adalah yang menemukannya dan ini adalah cikal bakal dari tehnologi AC (air conditioner) tetapi sayangnya sebelum sempurna beliau sudah meninggal pada tahun 1855.
Willis Haviland Carrier Image seorang Insinyur dari New York Amerika menyempurnakan penemuan dari Dr.Jhon Gorrie tetapi AC ini digunakan bukan untuk kepentingan atau kenyamanan manusia melainkan untuk keperluan percetakan dan industri lainnya. Penggunaan AC untuk perumahan baru dikembangkan pada tahun 1927 dan pertama dipakai disbuah rumah di Mineapolis, Minnesota. Saat ini AC sudah digunakan disemua sektor, tidak hanya industri saja tetapi juga sudah di perkantoran dan perumahan dengan berbagai macam bentuk dari mulai yang besar hingga yang kecil. semuanya masih berfungsi sama yaitu untuk mendinginkan suhu ruangan agar orang merasa nyaman.
B. Rumusan Masalah
Maka dirumuskan permasalahan sebagai berikut :
- Apa pengertian dan aplikasi hukum kedua termodinamika?
- Bagaimana Prinsip kerja dari beberapa mesin menurut hukum kedua Termodinamika?
C. Tujuan
Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini, antara lain:
- Memberikan tambahan pengetahuan kepada pembaca tentang Hukum kedua termodinamika.
- Memberikan pengetahuan kepada pembaca mengenai cara kerja dari reservoir energi panas, mesin kalor, mesin pendingin, pompa panas, dan mesin abadi.
Bab II. Pembahasan
A. Termodinamika
Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Seperti telah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud dalam berbagai bentuk, selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnet, energi akibat gaya magnet, dan lain-lain . Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi.
Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari matahari, dan di bumi energi tersebut berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya. Proses didalam diri manusia juga merupakan proses konversi energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam makanan menjadi energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi yang sangat bernilai yaitu energi pikiran kita. Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip alamiah dalam berbagai proses thermodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber. energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa.
Pabrik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air conditioning, mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan prinsip dasar termodinamika. Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena perkembangan ilmu termodinamika sejak abad 17 yang dipelopori dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin pada abad ke 19. Pengembangan ilmu thermodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik, yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku umum partikel-partikel zat yang menjadi media pembawa energi, yang disebut pendekatan thermodinamika klasik.
Pendekatan tentang sifat thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu thermodinamika modern, atau disebut thermodinamika statistik. Pendekatan thermodinamika statistik dimungkinkan karena perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu dalam menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.
B. Bentuk-Bentuk Energi
Total energi (E) suatu sistem merupakan jumlah dari energi termal, mekanis, kinetis, potensial, elektrik, magnetik, kimia dan nuklir. Di dalam termodinamika yang dipelajari adalah besarnya perubahan dari satu bentuk energi ke bentuk lainnya, bukan menghitung jumlah energi dari suatu sistem.
Bentuk energi dibagi menjadi dua kelompok:
1. Energi Makroskopik: Berhubungan dengan gerak dan pengaruh luar seperti gravitasi, magnetik, elektrik dan tegangan permukaan.
Energi Makroskopik terdiri dari:
– Energi Kinetik ( Ek ): Energi yang disebabkan oleh gerakan relatif terhadap suatu referensi. Adapun besarnya dalam berntuk energi per-satuan masa dengan:
Ek = ½ m . v2 (2.1)
* m= satuan masa media pembawa energi v= satuan kecepatan gerakan masa
– Energi Potensial ( Ep ): Energi yang disebabkan oleh elevasinya dalam medan gravitasi, besarnya adalah:
Ep = m . g . h (2.2)
2. Energi Mikroskopik: Berhubungan dengan struktur molekul dan derajat aktivitas molekul. Jumlah total energi mikroskopik disebut energi dalam (internal energy) , dengan simbol U.
Energi Mikroskopik terdiri dari:
- Energi Sensibel : Berhubungan dengan energi kinetik dan gerakan (translasi, rotasi, vibrasi) molekul sistem.
- Energi Latent : Berhubungan dengan fasa dari sistem, mencair, menguap dll.
- Energi Kimia : Berhubungan dengan ikatan atom-atom dalam sistem.
Dengan demikian energi total suatu sistem hanya dipengaruhi oleh energi kinetik,energi potensial dan energi dalam.
C. Sistem dan Proses Termodinamika
Suatu sistem termodinamika adalah sustu masa atau daerah yang dipilih, untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai lingkungan. Batas antara sistem dengan lingkungannya disebut batas sistem (boundary), dalam aplikasinya batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak.
Dalam thermodinamika ada dua jenis sistem, yaitu sistem tertutup dan sistem terbuka. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya bisa berubah. Yang dapat-keluar masuk sistem tertutup adalah energi dalam bentuk panas atau kerja. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau masuk kedalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesin-mesin konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.
Turbin gas, turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah merupakan sistem thermodinamika terbuka, karena secara simultan ada energi dan masa keluar-masuk sistem tersebut. Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property dari sistem, seperti tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang disefinisikan dari property yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis property sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai property yang tetap. Apabila property nya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbnag (equilibrium). Perubahan sistem thermodinamika dari keadaan seimbang satu menjadi keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkaian keadaan diantara keadaan awal dan akhir disebut lintasan proses. Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut menjalani rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya.
D. Hukum-Hukum Termodinamika
Suatu gas yang berada dalam suhu tertentu dikatakan memiliki energi dalam. Energi dalam gas berkaitan dengan suhu gas tersebut dan merupakan sifat mikroskopik gas tersebut. Meskipun gas tidak melakukan atau menerima usaha, gas tersebut dapat memiliki energi yang tidak tampak tetapi terkandung dalam gas tersebut yang hanya dapat ditinjau secara mikroskopik.
Berdasarkan teori kinetik gas, gas terdiri atas partikel-partikel yang berada dalam keadaan gerak yang acak. Gerakan partikel ini disebabkan energi kinetik rata-rata dari seluruh partikel yang bergerak. Energi kinetik ini berkaitan dengan suhu mutlak gas. Jadi, energi dalam dapat ditinjau sebagai jumlah keseluruhan energi kinetik dan potensial yang terkandung dan dimiliki oleh partikel-partikel di dalam gas tersebut dalam skala mikroskopik. Dan, energi dalam gas sebanding dengan suhu mutlak gas. Oleh karena itu, perubahan suhu gas akan menyebabkan perubahan energi dalam gas.
Dimana ∆U adalah perubahan energi dalam gas, n adalah jumlah mol gas, R adalah konstanta umum gas (R = 8,31 J mol−1 K−1, dan ∆T adalah perubahan suhu gas (dalam kelvin).
Terdapat empat Hukum Dasar yang berlaku di dalam sistem termodinamika, yaitu:
1. Hukum Awal (Zeroth Law) Termodinamika
Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya.
2. Hukum Pertama Termodinamika
Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem.
3. Hukum Kedua Termodinamika
Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi. Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya.
4. Hukum Ketiga Termodinamika
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.
1. Hukum Pertama Termodinamika
Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas). Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum kekekalan energi. Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau disebut hukum I termodinamika. Secara matematis, hukum I termodinamika dituliskan sebagai :
Q = W + ∆U ……………………………………….. (2.3)
Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan ∆U adalah perubahan energi dalam. Secara sederhana, hukum I termodinamika dapat dinyatakan “Jika suatu benda (misalnya krupuk) dipanaskan (atau digoreng) yang berarti diberi kalor Q, benda (krupuk) akan mengembang atau bertambah volumenya yang berarti melakukan usaha W dan benda (krupuk) akan bertambah panas (coba aja dipegang, pasti panas deh!) yang berarti mengalami perubahan energi dalam ∆U.”
1. Proses Isotermik
Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik. Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi dalam (∆U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W). Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p – V di bawah ini. Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagaiDimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.
2. Proses Isokhorik
Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan, gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam volume konstan (∆V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV.
Q_V = ∆U \ \ \ \ \ ...(4)
3. Proses Isobarik
Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = p∆V). Kalor di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp. Sebelumnya telah dituliskan bahwa perubahan energi dalam sama dengan kalor yang diserap gas pada volume konstan QV =∆U. Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai
W = Qp − QV ……………………………………… (2.5)
Jadi, usaha yang dilakukan oleh gas (W) dapat dinyatakan sebagai selisih energi (kalor) yang diserap gas pada tekanan konstan (Qp) dengan energi (kalor) yang diserap gas pada volume konstan (QV).
4. Proses Adiabatik
Dalam proses adiabatik tidak ada kalor yang masuk (diserap) ataupun keluar (dilepaskan) oleh sistem (Q = 0). Dengan demikian, usaha yang dilakukan gas sama dengan perubahan energi dalamnya (W = ∆U). Jika suatu sistem berisi gas yang mula-mula mempunyai tekanan dan volume masing-masing p1 dan V1 mengalami proses adiabatik sehingga tekanan dan volume gas berubah menjadi p2 dan V2, usaha yang dilakukan gas dapat dinyatakan sebagai
Dimana γ adalah konstanta yang diperoleh perbandingan kapasitas kalor molar gas pada tekanan dan volume konstan dan mempunyai nilai yang lebih besar dari 1 (γ = gt; 1). Proses adiabatik dapat digambarkan dalam grafik p – V dengan bentuk kurva yang mirip dengan grafik p – V pada proses isotermik namun dengan kelengkungan yang lebih curam.
Hukum pertama termodinamika adalah suatu pernyataan mengenai hukum universal dari kekekalan energi dan mengidentifikasikan perpindahan panas sebagai suatu bentuk perpindahan energi. Pernyataan paling umum dari hukum pertama termodinamika ini berbunyi: “ Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang ditambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya. ”
Fondasi hukum ini pertama kali diletakkan oleh James Prescott Joule yang melalui eksperimen-eksperimennya berhasil menyimpulkan bahwa panas dan kerja saling dapat dikonversikan. Pernyataan eksplisit pertama diberikan oleh Rudolf Clausius pada 1850: “Terdapat suatu fungsi keadaan E, yang disebut ‘energi’, yang diferensialnya sama dengan jumlah kerja yang dipertukarkan dengan lingkungannya pada suatu proses adiabatik.
2.4.2 Hukum Kedua Termodinamika
Termodinamika (bahasa Yunani: thermos = ‘panas’ and dynamic = ‘perubahan’) adalah fisika energi , panas, kerja, entropi dan kespontanan proses. 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. Misalnya, jika sebuah kubus kecil dicelupkan ke dalam secangkir air kopi panas, kalor akan mengalir dari air kopi panas ke kubus es sampai suhu keduanya sama.
Hukum pertama termodinamika tidak dapat menjelaskan apakah suatu proses mungkin terjadi ataukah tak mungkin terjadi. Oleh karena itu, muncullah hukum kedua termodinamika yang disusun tidak lepas dari usaha untuk mencari sifat atau besaran sistem yang merupakan fungsi keadaan. Ternyata orang yang menemukannya adalah Clausius dan besaran itu disebut entropi. Hukum kedua ini dapat dirumuskan sebagai berikut:“Proses suatu sistem terisolasi yang disertai dengan penurunan entropi tidak mungkin terjadi. Dalam setiap proses yang terjadi pada sistem terisolasi, maka entropi sistem tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah.”
Hukum kedua termodinamika memberikan batasan dasar pada efisiensi sebuah mesin atau pembangkit daya. Hukum ini juga memberikan batasan energi masukan minimum yang dibutuhkan untuk menjalankan sebuah sistem pendingin. Hukum kedua termodinamika juga dapat dinyatakan dalam konsep entropi yaitu sebuah ukuran kuantitatif derajat ketidakaturan atau keacakan sebuah sistem.
Dari hasil percobaan para ahli menyimpulkan bahwa mustahil untuk membuat sebuah mesin kalor yang mengubah panas seluruhnya menjadi kerja, yaitu mesin dengan efisiensi termal 100%. Kemustahilan ini adalah dasar dari satu pernyataan hukum kedua termodinamika sebagai berikut: “Adalah mustahil bagi sistem manapun untuk mengaalami sebuah proses di mana sistem menyerap panas dari reservoir pada suhu tunggal dan mengubah panas seluruhnya menjadi kerja mekanik, dengan sistem berakhir pada keadaan yang sama seperti keadaan awalnya”. Pernyataan ini dikenal dengan sebutan pernyataan “mesin” dari hukum kedua termodinamika.
Dasar dari hukum kedua termodinamika terletak pada perbedaaan antara sifat alami energi dalam dan energi mekanik makroskopik. Dalam benda yang bergerak, molekul memiliki gerakan acak, tetapi diatas semua itu terdapat gerakan terkoordinasi dari setiap molekul pada arah yang sesuai dengan kecepatan benda tersebut. Energi kinetik dan energi potensial yang berkaitan dengan gerakan acak menghasilkan energi dalam.
Jika hukum kedua tidak berlaku, seseorang dapat menggerakkan mobil atau pembangkit daya dengan mendinginkan udara sekitarnya. Kedua kemustahilan ini tidak melanggar hukum pertama termodinamika. Oleh karena itu, hukum kedua termodinamika bukanlah penyimpulan dari hukum pertama, tetapi berdiri sendiri sebagai hukum alam yang terpisah. Hukum pertama mengabaikan kemungkinan penciptaan atau pemusnahan energi. Sedangkan hukum kedua termodinamika membatasi ketersediaan energi dan cara penggunaan serta pengubahannya.
Panas mengalir secara spontan dari benda panas ke benda yang lebih dingin, tidak pernah sebaliknya. Sebuah pendingin mengambil panas dari benda dingin ke benda yang lebih panas, tetapi operasinya membutuhkan masukan energi mekanik atau kerja. Hal umum mengenai pengamatan ini dinyatakan sebagai berikut :“Adalah mustahil bagi proses mana pun untuk bekerja sendiri dan menghasilkan perpindahan panas dari benda dingin ke benda yang lebih panas.” Pernyataan ini dikenal dengan sebutan pernyataan “pendingin” dari hukum kedua termodinamika.
Pernyataan “pendingin” ini mungkin tidak tampak berkaitan sangat dekat dengan pernyataan “mesin”. Tetapi pada kenyataannya, kedua pernyataan ini seutuhnya setara. Sebagai contoh, jika seseorang dapat membuat pendingin tanpa kerja, yang melanggar pernyataan “pendingin” dari hukum kedua, seseorang dapat mengabungkannya dengan sebuah mesin kalor, memompa kalor yang terbuang oleh mesin kembali ke reservoir panas untuk dipakai kembali. Meski gabungan ini akan melanggar pernyataan “mesin” dari hukum kedua, karena selisih efeknya akan menarik selisih panas sejumlah dari reservoir panas dan mengubah seutuhnya menjadi kerja W.
Perubahan kerja menjadi panas, seperti pada gesekan atau aliran fluida kental (viskos) dan aliran panas dari panas ke dingin melewati sejumlah gradien suhu, adalah suatu proses ireversibel. Pernyataan “mesin” dan “pendingin” dari hukum kedua menyatakan bahwa proses ini hanya dapat dibalik sebagian saja. Misalnya, gas selalu mengalami kebocoran secara spontan melalui suatu celah dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Gas-gas dan cairan-cairan yang dapat bercampur bila dibiarkan akan selalu tercampur dengan sendirinya dan bukannya terpisah. Hukum kedua termodinamika adalah sebuah pernyataan dari aspek sifat searah dari proses-proses tersebut dan banyak proses ireversibel lainnya. Perubahan energi adalah aspek utama dari seluruh kehidupan tanaman dan hewan serta teknologi manusia, maka hukum kedua termodinamika adalah dasar terpenting dari dunia tempat makhluk hidup tumbuh dan berkembang.
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 berkaitan dengan apakah proses-proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, “Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi”.
Bila ditinjau siklus Carnot, yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan, mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi. Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.
Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, “Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar”.
Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar.
Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T1 dan T2 berinteraksi, sehingga mencapai temperatur yang serba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan “semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dengan pernyataan semua molekul di dalam benda A bersesuaian dengan temperatur T1 dan benda B bersesuaian dengan temperatur T2“. Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah :
S = k log w ……………………………………… (2.6)
dimana k adalah konstanta Boltzmann, S adalah entropi sistem, w adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati.
Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah:
W1 = c V ………………………………………… (2.7)
dimana c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul secara serempak di dalam volume V adalah hasil kali lipat N dari w. Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari N molekul berada di dalam volume V adalah :
w = w1N = (cV)N ……………………………………. (2.8)
Jika persamaan (2.8) disubstitusikan ke (2.6), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai positip. Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah besar.
Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (2.6), menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin. Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik. Akan tetapi fluktuasi, misal gerak Brown, dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan.
Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku pada suatu hari musim panas yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan.
Reservoir Energi Panas (Thermal Energy Reservoir)
Thermal Energy Reservoir atau lebih umum disebut dengan reservoir energi panas adalah suatu benda atau zat yang mempunyai kapasitas energi panas yang besar. Artinya reservoir dapat menyerap atau menyuplai sejumlah energi panas yang tidak terbatas tanpa mengalami perubahan temperatur. Contoh dari benda atau zay besar yang disebut reservoir adalah samudera, danau, dan sungai untuk benda besar yang berwujud air dan atmosfer untuk benda berwujud besar di udara. Sistem dua fasa juga dapat dimodelkan sebagau suatu reservoir, karena sistem dua fasa dapat menyerap dan melepaskan panas tanpa mengalami perubahan temperatur. Dalam prakteknya, ukuran sebuah reservoir menjadi relatif. Misalnya sebuah ruangan dapat disebut sebagai sebuah reservoir dalam suatu analisa panas yang dilepaskan oleh sebuah televisi. Reservoir yang menyuplai energi disebut dengan saurce dan reservoir yang menyerap energi disebut dengan sink.
Mesin Kalor (Heat Engines)
Mesin kalor adalah sebutan untuk alat yang berfungsi mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Sebuah mesin kalor dapat di karakteristikkan sebagai berikut:
- Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, bahan bakar, reaktor nuklir, dll)
- Mesin kalor mengkonvensi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam bentuk poros yang berputar)
- Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah.
- Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.
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 termodinamika 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 = Output yang diinginkan …………………….. (2.9)
Input yang diperlukan
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 bersih ……………………. (2.10)
Input yang diinginkan
Atau
nth= 1 – Q out …………………………………………………. (2.11)
Atau
Q in Dimana W bersih out = Qout-Qin …………………………….. (2.12)
Melihat karaktristik dari sebuah mesin kalor, maka tidak ada sebuah mesin kalor yang dapat mengubah semua panas yang diterima kemudian mengubahnya semua menjadi kerja. Pernyataan tersebut dimuat sebuah pernyataan oleh Kelvin-Plank yang berbunyi : “Adalah tidak mungkin untuk sebuah alat atau mesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi sejumlah kerja bersih.”
Pernyataan diatas hanya diperuntukkan pada mesin kalor, dapat diartikan sebagai tidak ada sebuah mesin/alat yang bekerja dalam sebuah siklus menerima panas dari reservoir bertemperatur tinggi dan mengubah panas tersebut seluruhnya menjadi kerja bersih. Atau dengan kata lain tidak ada sebuah mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%.
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
Refrigerant memasuki kompresor sebagai sebuah uap dan di kompres ketekanan kondensor. Refrugerant meninggalkan kompresor pada temperatur yang relatif tinggi dan kemudian didinginkan dan mengalami kondensasi di kondensor yng membuang panasnya ke lingkungan. Refrigent kemudian memasuki tabung kapilar dimana tekanan refrigerant turun drastis karena efek throttling. Refrigerant bertemperatur rendah kemudian memasuki evaporator, dimana disini refrigent menyerap panas dari ruang refrigerasi dan kemudian refriferant kembali memasuki kompresor. Efisiensi refrigerator disebut dengan istilah coefficient of performance (COP), dinotasikan dengan COPR.
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
Pompa kalor adalah mesin yang memindahkan panas dari satu lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Sebagian besar teknologi pompa kalor memindahkan panas dari sumber panas yang bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Contoh yang paling umum adalah lemari es, freezer, pendingin ruangan, dan sebagainya. 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.
Perbandingan antara COPR dan COPHP adalah sebagai berikut :
Mesin kalor membuat energi mengalir dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin, menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin ke lokasi yang lebih panas.Air condtioner pada dasarnya adalah sebuah mesin pendingin tetapi yang didinginkan disini bukan ruang refrigerasi melainkan sebuah ruangan/gedung atau yang lain.
Hukum Termodinamika II 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 clausis dapat diungkapkan sebagai berikut: “Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroprasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah kemedia bertemperatur tinggi.”
Telah kita ketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi kemedia bertemperatur rendah. Pernyataan clausis tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat siklus yang dapat memindahkan panas dari terperatur rendah ke media bertemperatur tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut dapat terjadi asalkan ada efek luar yang dalam kasus tersebut dilakukan kompresor yang mendapat energi dari energi listrik.
Mesin Gerak –Abadi (Perpetual-Motion Machines)
Kita 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 pertama dan kedua termodinamika disebut dengan mesin gerak abadi (Perpetual-Motion Machines).
Sebuah alat yang melanggar hukum termodinamika yang pertama disebut mesin gerak abadi tipe pertama (Perpetual-Motion Machines of the first kind) atau PMMI, sedangkan alat yang melanggar hukum termodinamika kedua disebut mesin gerak abadi tipe kedua (Perpetual-Motion Machines of the second kind)atau KMM2.
2.4.3 Hukum Ketiga Termodinamika
Efek magnetokalorik di pakai untuk menurunkan temperatur senyawa paramagnetic hingga sekitar 0.001 K. Secara prinsip, temperatur yang lebih rendah lagi dapat dicapai dengan menerapkan efek magnetokalorik berulang-ulang. Jadi setelah penaikan medan magnetik semula secara isoterm, penurunan medan magnetik secara adiabat dapat dipakai untuk menyiapkan sejumlah besar bahan pada temperatur Tᶠ¹, yang dapat dipakai sebagai tandon kalor untuk menaikan tandon kalor secara isoterm ynag berikutnya dari sejumlah bahan yang lebih sedikit dari bahan semula. Penurunan medan magnetik secara adiabat yang kedua dapat menghasilkan temperatur yang lebih rendah lagi, Tᶠ², dan seterusnya. Maka akan timbul pertanyaan apakah efek magnetokalorik dapat dipakai untuk mendinginkan zat hingga mencapai nol mutlak.
Pecobaan menunjukan bahwa sifat dasar semua proses pendinginan adalah bahwa semakin rendah temperatur yang dicapai, semakin sulit menurunkannya.hal yang sama berlaku juga untuk efek magnetokalorik.dengan persyaratan demikian, penurunan medan secara adiabat yang tak trhingga banyaknya diperlukan untuk mencapai temperatur nol mutlak. Perampatan dari pengalaman dapat dinyatakan sebagai berikut : Temperatur nol mutlak tidak dapat dicapai dengan sederetan prosesyang banyaknya terhingga.Ini dikenal sebagi ketercapaian temperatur nol mutlak atau ketaktercapaian hukum ketiga termodinamika. Pernyataan lain dari hukum ketiga termodinamika adalahhasil percobaan yang menuju ke perhitungan bahwa bagaimana ΔST berlaku ketika T mendekati nol. ΔST ialah perubahan entropi sistem terkondensasi ketika berlangsung proses isoterm terbuktikan. Percobaansangat memperkuat bahwa ketika T menurun, ΔST berkurang jika sistem itu zat cair atau zat padat. Jadi prinsip berikut dapat di terima: Perubahan entropi yang berkaitan dengan proses-terbalikan-isotermis-suatu sistem-terkondensasi mendekati nol ketika temperaturnya mendekati nol. Pernyataan tersebut merupakan hukum ketiga termodinamika menurut Nernst-Simon. Nernst menyatakan bahwa perubahan entropi yang menyertai tiap proses reversibel, isotermik dari suatu sistem terkondensasi mendekati nol. Perubahan yang dinyatakan di atas dapat berupa reaksi kimia, perubahan status fisik, atau secara umum tiap perubahan yang dalam prinsip dapat dilakukan secara reversibel.
Hal ini dikenal sebagai hukun Nernst, yang secara matematika dinyatakan sebagai :
Pada Kemudian, Pada tahun 1911, Planck membuat suatu hipotesis 0, bukan hanya beda entropi yg = 0, tetapi entropi setiap zatàsuhu T padat atau cair dalam keseimbangan dakhir pada suhu nol. Dapat ditunjukkan secara eksperimen, bahwa bila suhunya mendekati St menurun.D0 K, perubahan entropi transisi. Persamaan diatas dikenal sebagai hukum ketiga termodinamika.
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol. StD Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi yang berkaitan dengan perubahan kimia atau perubahan fisika bahan murni pada T = 0 K bernilai nol. Secara intuitif hukum ketiga dapat dipahami dari fakta bahwa pergerakan ionik atau molekular maupun atomik yang menentukan derajat ketidakteraturan dan dengan demikian juga besarnya entropi, sama sekali berhenti pada 0 K. Dengan mengingat hal ini, tidak akan ada perubahan derajat ketidakteraturan dalam perubahan fisika atau kimia dan oleh karena itu tidak akan ada perubahan entropi.
E. Siklus Termodinamika
Khusus untuk proses isotermal, hanya satu proses isotermal saja tidak mungkin dapat terus-menerus melakukan usaha karena volume sistem ada batasnya. Pada suatu saat proses itu harus berhenti, yaitu bila volume V2 sudah mencapai nilai maksimum. Agar dapat mengubah kalor menjadi usaha lagi, sistem itu harus dikembalikan ke keadaan awalnya. Rangkaian proses yang membuat keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya disebut siklus. Dalam Gambar 14.8 dilukiskan sebuah siklus termodinamika. Mulai dari keadaan A gas itu mengalami proses isotermal sampai keadaan B. Kemudian proses isobarik mengubah sistem sampai ke keadaan C.
Akhirnya proses isokhorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya di A. Proses dari keadaan A ke keadaan B lalu kembali ke keadaan A disebut siklus. Usaha yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah yang diarsir pada diagram itu. Sedangkan perubahan energi dalam untuk satu siklus sama dengan nol (∆U = 0) karena keadaan awal sama dengan keadaan akhir. Dapatlah sekarang disimpulkan bahwa agar dapat melakukan usaha terus-menerus, sistem itu harus bekerja dalam satu siklus.
1. Siklus Carnot
Siklus carnot merupakan suatu siklus termodinami-ka yang melibatkan proses isotermal, isobarik, dan isokorik. Siklus adalah suatu rangkaian sedemikian rupa sehingga akhirnya kembali kepada keadaan semula. Misalnya, terdapat suatu siklus termodinami-ka yang melibatkan proses isotermal, isobarik, dan isokorik. Sistem menjalani proses isotermal dari keadaan A sampai B, kemudian menjalani proses isobarik untuk mengubah sistem dari keadaan B ke keadaan C. Akhirnya proses isokorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya (A). Proses dari A ke keadaan B, kemudian ke keadaan C, dan akhirnya kembali ke keadaan A, menyatakan suatu siklus.
Apabila siklus tersebut berlangsung terus menerus, kalor yang diberikan dapat diubah menjadi usaha mekanik. Tetapi tidak semua kalor dapat diubah menjadi usaha. Kalor yang dapat diubah menjadi usaha hanya pada bagian yang diarsir (diraster) saja. Berdasarkan diatas besar usaha yang bermanfaat adalah luas daerah ABCA. Secara matematis dapat ditulis seperti berikut.
Gambar 1.1 Siklus Carnot
………………………… (2.13)
Usaha bernilai positif jika arah proses dalam siklus searah putaran jam, dan bernilai negatif jika berlawanan arah putaran jarum jam. Perubahan energi dalam ΔU untuk satu siklus sama dengan nol ( ΔU = 0) karena keadaan awal sama dengan keadaan akhir.
Berdasarkan percobaan joule diketahui bahwa tenaga mekanik dapat seluruhnya diubah menjadi energi kalor. Namun, apakah energi kalor dapat seluruhnya diubah menjadi energi mekanik? Adakah mesin yang dapat mengubah kalor seluruhnya menjadi usaha? Pada tahun 1824, seorang insinyur berkebangsaan Prancis, Nicolas Leonardi Sadi Carnot, memperkenalkan metode baru untuk meningkatkan efisiensi suatu mesin berdasarkan siklus usaha. Metode efisiensi Sadi Carnot ini selanjutnya dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot terdiri atas empat proses, yaitu dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.
Proses Pada Siklus Carnot
Berdasarkan gambar diatas dapat dijelaskan siklus Carnot sebagai berikut.
- Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Pada proses ini sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha WAB.
- Proses BC adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini berlangsung suhu sistem turun dari T1 menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC.
- Proses CD adalah pemampatan isoternal pada suhu T2. Pada proses ini sistem menerima usaha WCD dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2.
- Proses DA adalah pemampatan adiabatik. Selama proses ini suhu sistem naik dari T2 menjadi T1 akibat menerima usaha WDA.
Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki efisiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin Carnot. Usaha total yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus pada diagram p – V. Mengingat selama proses siklus Carnot sistem menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2, maka usaha yang dilakukan oleh sistem menurut hukum I termodinamika adalah sebagai berikut.
Q = ![]()
U + W ……………………………………… (2.14)
Q1 – Q2 = 0 + W …………………………………… (2.15)
W = Q1 – Q2…………………………………………………… (2.16)
Dalam menilai kinerja suatu mesin, efisiensi merupakan suatu faktor yang penting. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin (
η) ditentukan dari perbandingan usaha yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diberikan. Secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.
= ![]()
X100% = ![]()
x 100% = 1 – ![]()
x 100%……………… (2.17)
Untuk siklus Carnot berlaku hubungan, ![]()
sehingga efisiensi mesin Carnot dapat dinyatakan sebagai berikut.
= 1 – ![]()
x 100% ………………………………….. (2.18)
Keterangan:
η
: efisiensi mesin Carnot
T1 : suhu reservoir bersuhu tinggi (K)
T2 : suhu reservoir bersuhu rendah (K)
Efisiensi mesin Carnot merupakan efisiensi yang paling besar karena merupakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang mempunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan persamaan di atas terlihat efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung pada suhu kedua tandon atau reservoir. Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T2 harus = 0 K. Hal ini dalam praktik tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. Hal ini disebabkan proses kalor Carnot merupakan proses reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami proses irreversibel (tak terbalikkan) tidak seperti mesin carnot.
DAFTAR PUSTAKA
Ade. 2009. Hukum Ketiga Termodinamika. http://adeputriprasetya.blogspot.com/2009/11/hukum-3-termodinamika.html
Anonim. 2007. Termodinamika. http://id.wikipedia.org/wiki/Termodinamika
Anonim. 2007. Termodinamika 1. http://termodinamika1.wordpress.com/2007/12/08/materi-perkuliahan/
Anonim. 2009. Hukum Pertama Termodinamika. http://www.cuacajateng.com/hukumpertama thermodinamika.html
Anonim. 2009. Termodinamika. www.bebas.vlsm.org/v12/sponsor/…/0285%20Fis-1-5b.html
Anonim. 2011. Hukum Termodinamika. kk.mercubuana.ac.id/files/13015-3-860358017731.doc
Anonim. 2012. Hukum Termodinamika. www.infofisioterapi.com/info/termodinamika.html
Anonim. 2013. Bunyi Hukum ke-2 Termodinamika. http://www.forumsains.com/fisika-smu/bunyi-hukum-ke-2-thermodynamics/
Halliday, Resnick. 1998. Fisika Edisi Ke 3. Jakarta: Erlangga
Khairunnisa. 2013. Konsep Dasar Termodinamika. http://khairunnisa2.blogspot.com/2013/03/konsep-dasar-termodinamika.html
Odimira. 2011. Termodinamika. http://odimirakoyukieto.blogspot.com/2011/06/termodinamika.html
Tahang. 2011. Penerapan Hukum-2 Termodinamika. www.slideshare.net/tahangpette/penerapan-hukum-2-thermodinamika.
