MAKALAH FISIKA DASAR

APLIKASI FISIKA DALAM TEKNIK KIMIA

NAMA : ADITIYO RAMADHAN (2008620094)

MARIA PRISILA PARU (2012620048)

VIKY V. I SKANDAR (2012620050)

RENGGA KUSUMA W ( 2012620070)

FITRIAH (2012620096)

MOHAMMAD NURIFKI F (2012620100)

RAMADIAN (2012620108)

KELAS : F

UNIVERSITAS KATOLIK PARAHYANGAN

Bandung

2012

ABSTRACT

Thermodynamics in the chemical industry relating to heat pumps to be one important utility that was involved in the chemical industry by engineering undergraduate clams. In chemical engineering, heat transfer is one of the basic science of chemical engineering. Chemical engineering related to chemical processes in an industry need to learn the calculation of the process which is the theoretical foundation of physics and one of them is termodunamic. The second law of Thermodynamic in particular the theory of thermodynamics which is the daar of this paper is applied to the heat pump. But that is often used also by chemical engineering from the laws of thermodynamics II is entropy Entropy is not like heat, is a function of the system state. When discussing the entropy, what is important is the change in entropy during the process, not the absolute. According to Clausius, entropy S of the system changes, when heat Q is added to it with a reversible process at a constant temperature, expressed as:

ΔS = Q / T In addition to this paper also discusses entropy contradicts the second law of thermodynamics constraints put restrictions on equipment operation cycle as expressed by the Kelvin-Plank and Clausius. A heat engine can not operate by exchanging heat with just a single reservoir, and refrigerator can not operate without the input of work from an outside source Kelvin-Plank statement and Clausius that leads to heat engines, the foundation work on the application of the heat pump. . The purpose is to heat the heat pump (providing QH) and not the cool (discard QL). Thus the coefficient of performance of heat pump is defined differently from air conditioning because the heat QH is supplied to the room that was the priority. The value of the efficiency of a refrigerator or heat pump called a number performasi (coefficient of performance). In the chemical industry heat pump is used as a utilty in the process of distillation. . Distillation is meant in this case is distilled water. Distilled water in this era has led or most use of heat pumps

ABSTRAK

Makalah ini menyajikan pembahasan akan penerapan hukum termodinamika II dalam industri kimia yang berkaitan dengan pompa kalor sebagi salah satu utility penting dalam industri kimia yang digeluti oleh para sarjana teknik kima. Dalam ilmu teknik kimia , perpindahan panas merupakan salah satu dasar ilmu teknik kimia. Ilmu teknik kimia yang berhubungan dengan proses-proses kimia dalam suatu industri perlu mempelajari perhitungan dari proses tersebut yang dasar teorinya adalah dari fisika dan salah satu diantaranya adalah termodianamiaka. Teori Termodinamika khususnya teori Termodinamika II inilah yang menjadi daar dari makalah ini yang diterapkan pada pompa kalor. Namun yang sering digunakan pula oleh teknik kimia dari hukum termodinamika II ini adalah entropi Entropi tidak seperti kalor, merupakan fungsi keadaan sistem. Ketika membahas entropi, yang penting adalah perubahan entropi selama proses, bukan besar mutlaknya. Menurut Clausius, perubahan entropi S dari sistem, ketika kalor sejumlah Q ditambahkan kepadanya dengan proses reversibel pada temperatur yang konstan, dinyatakan sebagai :

∆S= QT Selain membahas entropi makalah ini juga bertolak pada batasan Hukum termodinamika

kedua yang meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank dan Clausius. Sebuah mesin kalor tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar Pernyataan Kelvin-Plank dan Clausius ini yang mengarah pada mesin kalor, menjadi landasan pada penerapan proses kerja pompa kalor. . Tujuan pompa kalor adalah untuk memanaskan ( memberikan QH ) dan bukan mendinginkan ( membuang QL ). Dengan demikian koefisien kinerja pompa kalor didefenisikan berbeda dari penyejuk udara karena kalor QH yang diberikan ke dalam ruangan lah yang menjadi prioritas. Nilai dari daya guna sebuah refrigerator ataupun pompa kalor disebut sebagai bilangan performasi (coefficient of performance) . Dalam industri kimia pompa

kalor digunakan sebagai utilty dalam proses distilasi. . Distilasi yang dimaksudkan dalam hal ini adalah distilasi air. Distilasi air pada era ini sudah mengarah atau sebagian besar menggunakan pompa kalor.

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis haturkan kepada Tuhan Yang Maha Esa karena atas rahmat dan bimbinganNya penulis dapat menyelesaikan makalah Fisika Dasar tepat pada waktu yang telah ditentukan. Pada tugas makalah Fisika Dasar ini sesuai tema yang diberikan yakni Penerapan Ilmu Fisika dalam Teknik Kimia, penulis mengambil judul Aplikasi Hukum Termodinamika II. Penulisan makalah ini selain untuk memenuhi nilai tugas Fisika Dasar, juga sebagai sarana bagi penulis sendiri untuk menerapkan pengetahuan yang telah penulis peroleh berkaitan dengan hukum Termodinamika. Penulis juga menyadari pentingnya pengetahuan akan hukum-hukum termodinamika berkaitan dengan disiplin ilmu yang penulis tekuni yakni Teknik Kimia. Berbagai manfaat tersebut penulis uraikan dalam makalah ini. Akhir kata penulis mengharapkan agar makalah ini sesuai dengan kriteria penilaian yang diberikan. Kritik dan saran yang bersifat membangun penulis terima sebagai motivasi dalam membuat makalah yang lebih baik.

Bandung, 24 November 2012

Penulis

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Dalam teknik kimia, ilmu yang dipelajari salah satunya adalah fisika yang diterapkan dalam proses kimia. Semua prinsip-prinsip fisika sangat berperan penting dalam industri proses kimia. Teknik kimia tidak hanya mempelajari disiplin kimia tetapi juga mempelajari ilmu fisika. Sebenarnya bisa dikatakan bahwa fisikalah ilmu yang banyak dipelajari dalam ilmu teknik kimia. Misalnya tentang besaran dan satuan. Beasaran-besaran yang ada dalam fisika juga dipakai dalam disiplin ilmu teknik kimia. Elektrolisa yang berhubungan dengan arus listrik juga berkaitan dengan kimia. Dan dalam makalah ini materi pembahasan penulis tentang aplikasi termodinamika dalam teknik kimia khususnya salah satu industri kimia juga semakin menunjukkan bahwa hubungan fisika dengan teknik kimia sangat erat dalam penggunaan dan penganalisaan prinsiip-prinsip ilmu pengetahuan tentang fenomena alam.Hubungan fisika dengan teknik kimia dapat ditelusuri dari defenisi masing-masing anggota yang berhubungan.

Defenisi Fisika :Kata Fisika berasal dari bahasa dari bahasa Yunani “Phsyic” yang berarti alam merupakan salah

satu cabang utama ilmu pengetahuan alam atau hal ikhwal alam, sedangkan fisika ialah ilmu yang mempelajari aspek-aspek alam, yang dapat dipahami dengan dasar-dasar pengertian terhadap prinsip-prinsip dan hukum-hukum elementernya. Selanjutnya fisika dapat didefenisikan dalam berbagai pengertian. Satu diantaranya menyatakan bahwa fisika adalah ilmu yang mempelajari suatu zat dan energi atau zat dan gerakan. Fisika sebagai ilmu memiliki arti yang sangat lluas tetapi dalam persoalan sering dijumpai dalam bidang teknik kimia yang mempelajari tentang gerakan atom dalam perpindahan panas ( termodinamika )Fisika memberi prinsip-prinsip dasar, yang bersama-sama dengan teknik matematika yang tepat, akan merupakan unsur yang penting dalam perkembangan kerekayasaan (engineering). Kerekayasaan merupakan terapan dari prinsip-prinsip sains pemecahan permasalahan praktis. Sasaran utama dari fisika adalah mengerti prinsip-prinsip dari dunia fisika dan tidak menerapkan ke hal-hal yang praktis. Hal yang terakhir ini adalah tugas dibidang kerekayasaan, walaupun banyak juga fisikawan yang terlibat dalam pekerjaan yang sifatnya atau sebagian dari padanya bersifat kerekayasaan. Memang tidaklah mungkin dan tidaklah perlu untuk membuat garis yang tegas antara fisika dan kerekayasaan. Jadi, walaupun fisika berhubungan dengan prinsip-prinsip dasar, namun latihan untuk menerapkan latihan-latihan ini adalah penting untuk mendapatkan pengertian yang mantap. Penerapan ilmu fisika dalam teknik kimia digunakan metode Penerapan Hmo Fisika. Fisika menguraikan dan menganalisa struktur dan peristiwa-peristiwa dalam alam, teknik dan dunia sekeliling kita. Dalam pada itu ditemukan aturan-aturan atau hukum-hukum dalam alam yang mungkin dapat menerangkan gejala-gejala berdasarkan struktur logika antara sebab dan akibat dengan bantuan penalaran dan pengalamannya, membuat model serta teori fisis ilmu-ilmu pengetahuan yang menggunakan fisika. Sejak gravitasi Newton, astronomi berkembang menjadi astrofisika. Dengan teori kuantum dapat diterangkan teoti-teori yang nyata dalam kimia, walaupun banyak masalah kimia sering dapat dipecahkan dengan metode kimia klasik. Bahkan terjadinya hidup dalam ilmu biologi dapat dipahami dengan termodinamika modern secara fisis. Keteknikan juga diilhami oleh ilmu fisika, teknik bangunan, teknik persenjataan, juga teknik mesin uap merupakan jangkauan fisika. Sebaliknya, teknik listrik adalah penerapan hasil fisis. Ilmu teknik merupan aplikasi dan pengembangan dari ilmu fisika untuk menjawab kebutuhan manusia. Pada keabad ke-21 ini, ilmu teknik bersatu dalan tugas penelitian. Dengan metode fisis, bagian tertentu dari alam diteliti untuk memecahkan masalah-masalah tertentu seperti: penyediaan energi, penggarapan informasi dan bahan sintesisi lan lain-lain. Dari uraian diatas dapat disimpulkan bahwa fisika adalah hal yang paling dasar dari ilmu pengetahuan.

Defenisi Teknik Kimia Menurut American Institute of Chemical EngeneeringTeknik kimia adalah suatu ilmu pengetahuan tentang matematika, kimia dan pengetahuan tentang ilmu-ilmu yang lain diperoleh dari studi, pengalaman dan praktek yang diterapkan dalam pertimbangan untuk mengembangkan cara-cara yang ekonomis ( menguntungkan ) bagi penggunaan bahan dan energi untuk kepentingan manusia. Menurut Ahli Teknik Kimia Indonesia.Teknik Kimia adalah salah satu dari bagian ilmu teknik yang mempelajari tentang bagaimana cara mengubah bahan baku ( raw material ) menjadi barang jadi atau tengah jadi yang mempunayi sifat fisika, kimia atau keduanya yang berbeda dari bahan semula untuk kepentingan meningkatkan kesejahteraan umat manusia. Dari kedua defenisi diatas terlihat jelas bahwa ilmu fisika merupakan fondasi penting bagi teknik kimia dalam mendukung perwujudan dari defenisi-defenisi tersebut. Pada abad ke-21 ini, fisika telah mengalami perkembangan cepat. Apalagi dalam perkembangan teknologi dunia didasarkan dari teori fisika. Dampak perkembangan fisika dapat dirasakan yaitu berupa perkembangan teknologi mutakhir, misalnya :* Penggunaan tenaga nuklir* Teknologi laser* Semi konduktor, dan lain-lainFisika juga telah banyak menguak tabir-tabir misteri di alam. Misalnya dulu orang menganggap panas sebagai misteri. Mereka tidak tahu penyebab timbulnya panas. Tapi setelah ditemukan teori atom orang menjadi mengerti bahwa sebenarnya panas itu akibat gerakan dan tumbukaan atom-atom. Teori ini berhasil menyatukan konsep panas dan konsep gerak ( mekanika )Dalam ilmu teknik kimia , perpindahan panas merupakan salah satu dasar ilmu teknik kimia. Ilmu teknik kimia yang berhubungan dengan proses-proses kimia dalam suatu industri perlu mempelajari perhitungan dari proses tersebut yang dasar teorinya adalah dari fisika (termodianamiaka). Perhitungan ini berguna untukpengawasan dari proses kimia yang berlangasung dan untuk mengetahui berapa banyak bahan atau keadaan suatu reaksi (besarnya tekanan, suhu, panas, dan lainlain). lni sangat diperlukan agar proses tersebut dapat dijalankan. Seorang sarjana Teknik Kimia harus menguasai dan mendalami dasar-dasar fisika yang sangat penting untuk mempelajari mata kuliah bidang teknik kimiakhususnya dalam teori tentang termodinamika. Termodinamika merupakan salah satu bidang ilmu fisika yang mempelajari tentang berbagai macam bentuk tenaga dalam bentuk suatu sistem. Misalnya tenaga listrik, tenaga kimia, tenaga radiasi, tenaga panas, tenaga cahaya dan sebagainya. Termodinamika hanya mempelajari hubungan antara tenaga awal dan tenaga akhir dari sistem tersebut. Tenaga dari sistem adalah jumlah tenaga potensial dan tenaga kinetiknya. Termodinamika memiliki dua hukum yang sangat penting untuk dasar ilmu teknik kimia.

Hukum I termodinamika"Tenaga tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tapi hanya dapat diubah dalambentuk tenaga lainya”.Hukum II termodinamika“Semua proses-proses yang terjadi didalam alam bertendensi terjadi dengankenaikan entropi”.Kedua hukum tersebut penting seklali guna menyelesaikan satu persoalan dalamproses industri kimia.

Pada makalah ini fokus penulis adalah membahas tentang aplikasi hukum termodinamika dalam pompa kalor. Alasan penulis memilih menganalisa aplikasi hukum termodinamika II melalui sudut pandang entropi dan efisiensi atau cara kerja pompa kalor adalah karena dalam salah satu proses penting yang terjadi daalam industri kimia yang ditekuni atau ditangani oleh teknik kimia yaitu proses distilasi pada era yang pesat akan pertumbuhan teknologi ini proses distilasi sudah menggunakan metode terbaru yaitu proses distilasi menggunakan pompa kalor. Melihat perkembangan ini penulis mersa tertarik untuk mengetahui dan membahas akan efisiensi mesin kalor. Karena penulis melihat pada masa yang akan datang penggunaan pompa kalor untuk distilasi ini menjadi salah satu alternatif yang sangat baik, baik di tingkat laboratorium maupun tingkat industri. Selain itu penulis juga

menyadari bahwa dalam teknik kimia istilah atau bahasan akan entropi menjadi bahasan yang penting. Dan sangat bertepatan pulalah entropi dan pompa kalor ini memanfaatkan prinsip termodinamika yang ditekankan atau tercakup dalam ilmu fisika khususnya pada cakupan mengenai Hukum Termodinamika II. Atas dasar hubungan inilah penulis melihat bahwa ilmu fisika dalam hal ini Hukum Termodinamika II meiliki hubungan atau peranan penting dalam teknik kimia.

.

1.2 Rumusan MasalahRumusan masalah pada makalah ini adalah sebagai berikut :

Apa konsep dan defenisi hukum Termodinamika II ? Apa penekanan utama dalam hukum Termodinamika II ? Bagaimana aplikasi hukum Termodinamika II dalam disiplin ilmu Teknik Kimia

khususnya Industri Kimia ?

1.3 Tujuan Penulisan Mendefinisikan konsep Termodinamika II Mengetahui pengaplikasian hukum termodinamika II Mengetahui hubungan antara hukum termodinamika II dalam pompa kalor

s

BAB IIPEMBAHASAN

2.1 Dasar Teori ( Teori Hukum Termodinamika II dan Konsep Dasar Hukum Termodinamika II )

Hukum Termodinamika pertama yang menjelaskan tentang kekekalan energi, tidak akan dilanggar jika proses-proses ini terjadi dengan sebaliknya. Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas ( bisa balik ) para ilmuwandi paruh kedua abad sembilan belas merumuskan prinsip baru yang dikenal Hukum Termodinamika Kedua. Hukum ini merupakan pernyataan mengenai proses yang terjadi di alam dan yang tidak. Hukum ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, semuanya sama. Satu pernyataan, dibuat oleh R.J.E. Clausius ( 1822 – 1888 ) adalah :Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.Karena pernyataan ini berlaku untuk satu proses tertentu, tidak jelas bagaimana bisa berlaku untuk proses yang lain. Diperlukan pernyataan yang lebih umum yang akan mencakup proses lain yang mungkin, dengan cara yang lebih nyata. Perkembangan pernyataan umum hukum kedua sebagian didasarkan pada studi mesin kalor. Mesin kalor adalah alat yang merubah energi termal menjadi energi mekanik. Penelitian terhadap mesin kalor inilah yang merupakan faktor utama dalam mengembangkan hukum termodinamika IISebelum membahas mengenai hukum termodinamika II yang diterapkan pada mesin kalor, akan dijelaskan terlebih dahulu mengenai reservoir energi panas (Thermal Energy Reservoir) atau lebih umum disebut dengan reservoir. Reservoir adalah suatu benda/zat yang mempunyai kapasitas energi panas (massa x panas jenis) yangbesar. 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.

2.1.1 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.

Efisiensi Termal (Thermal Efficiencies)Efisiensi termal sebenarnya digunakan untuk mengukur unjuk kerja dari suatu mesin kalor, yaitu berapa bagian dari input panas yang diubahmenjadi output kerja bersih. Unjuk kerja atau efisiensi, pada umumnya dapat diekspresikan menjadi :

Unjuk kerja =output yangdiperlukaninput yang diinginkan

¿¿

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 diekspresika sebagai:

Efisiensi termal =output kerja bersihtotal input panas

Atau ᶮ = Wbersihout

Qin¿

¿

Atau ᶮ= 1- QuotQin¿

¿→dimana Wbersih out = Qin - 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 :H Q = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur tinggi pada temperatur H T .L Q = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertmeperatur rendah pada temperatur L T .Dari penjelasan ini, kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja untuk mesin bensin adalah udara dan uap bensin, zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar.Zat kerja biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (QL). Karena si energi kekal, maka QH = W + QL.

Efisiensi mesin kalor

Efisiensi (e) mesin kalor merupakan perbandingan antara Usaha alias Keja (W) yang dilakukan mesin dengan masukan Kalor pada suhu tinggi (QH). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :

W merupakan keuntungan yang kita terima, sedangkan QH merupakan biaya yang kita keluarkan untuk membeli dan membakar bahan bakar. Sebagai manusia yang selalu ingin memperoleh keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya , kita sangat berharap bahwa keuntungan yang kita peroleh (W) sebanding dengan biaya yang kita keluarkan (QHBerdasarkan kekekalan energi, Kalor masukan (QH) harus sama dengan Kerja (W) yang dilakukan + Kalor yang dibuang (QL). Secara matematis bisa diobok-obok seperti ini :

Kita gantikan W pada persamaan 1 dengan W pada persamaan 2 :

Jika ingin menyatakan efisiensi mesin kalor dalam persentase, persamaan efisiensi dikalikan dengan 100 %.Berdasarkan persamaan efisiensi di atas, tampak bahwa semakin banyak kalor yang dibuang (QL) oleh suatu mesin kalor, semakin tidak efisien mesin kalor tersebut (merugikan kita).Kita sangat menginginkan agar jumlah kalor yang dibuang (QL) sesedikit mungkin. Bagaimanapun kalor masukan (QH) biasanya diperoleh dengan membakar minyak, batu bara, gas dkk (bahan bakar yang kita bayar). Karenanya setiap mesin kalor pada dasarnya dirancang untuk memiliki efisiensi sebesar mungkin. Btw, walaupun kita sangat menginginkan keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya (prinsip ekonomi-kah ?), kenyataan menunjukkan bahwa efisiensi mesin uap biasanya sekitar 40 %, sedangkan efisiensi mesin pembakaran dalam sekitar 50 %. Hal ini menunjukkan bahwa setengah bagian kalor yang diperoleh dengan membakar bahan bakar (membakar duit kita ) terbuang percuma. Hanya setengah bagian saja yang berubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan usaha alias kerja).

Siklus Carnot

Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan muda belia dari negeri Perancis yang bernama Sadi Carnot (1796-1832 = 36 tahun ) meneliti suatu mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824.Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum dirumuskan (apalagi hukum kedua). Hukum pertama belum dirumuskan karena para ilmuwan belum mengetahui secara pasti kalor alias panas tuh sebenarnya apa. Setelah om Jimi Joule dan teman-temannya melakukan percobaan pada tahun 1830-an, para ilmuwan baru mengetahui secara pasti bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Jadi hukum pertama baru dirumuskan setelah tahun 1830. Carnot sudah meneliti mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824.Penelitian yang beliau lakukan sebenarnya untuk menaikkan efisiensi mesin uap yang pada waktu itu sudah digunakan. Kebanyakan mesin uap waktu itu kurang efisien Siklus pada mesin kalor ideal hasil penemuan Carnot disebut sebagai siklus Carnot. Sebelum meninjau siklus Carnot terlebih dahulu dibahas mengenai proses reversibel. Setiap proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi yang berlangsung secara alami, biasanya terjadi secara ireversibel (tidak bisa balik). Misalnya kalau kita menggosokkan kedua telapak tangan, kedua telapak tangan kita biasanya kepanasan.Dalam hal ini, kalor alias panas dihasilkan melalui kerja yang kita lakukan.Prosesnya bersifat ireversibel. Kalor alias panas yang dihasilkan tersebut tidak bisa dengan sendirinya melakukan kerja dengan menggosok-gosok kedua telapak tangan kita . Nah, tujuan dari mesin kalor adalah membalikkan sebagian proses ini, di mana kalor alias panas bisa dimanfaatkan untuk melakukan kerja dengan efisiensi sebesar mungkin. Agar mesin kalor bisa memiliki efisiensi yang maksimum maka kita harus menghindari semua proses ireversibel… Perpindahan kalor yang terjadi secara alami biasanya bersifat ireversibel, karenanya kita berupaya agar si kalor tidak boleh jalan-jalan.Pada saat mesin mengambil kalor QH pada tempat yang bersuhu tinggi (TH), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TH.Demikian juga apabila mesin membuang kalor QL pada tempat yang bersuhu rendah (TL), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TL. Jadi setiap proses yang melibatkan perpindahan kalor harus bersifat isotermal (suhu sama). Sebaliknya, apabila suhu zat kerja dalam mesin berada di antara TH dan TL, tidak boleh terjadi perpindahan kalor antara mesin dengan tempat yang memiliki

suhu TH (penyedia kalor) dan tempat yang memiliki suhu TL (pembuangan). Agar kalor tidak berpindah maka proses harus dilakukan secara adiabatik.Siklus Carnot sebenarnya terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel. Berikut disajikan gambar proses yang terjadi dalam siklus Carnot.

Gambar di atas merupakan siklus Carnot untuk gas ideal. Mula-mula kalor diserap selama pemuaian isotermal (a-b). Selama pemuaian isotermal, suhu gas dalam silinder dijaga agar selalu konstan. Selanjutnya gas memuai secara adiabatik sehingga suhunya turun dari TH menjadi TL (b-c). TH = suhu tinggi (High temperatur), TL = suhu rendah (Low temperatur). Selama pemuaian adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari silinder.Setelah itu gas ditekan secara isotermal (c-d). Selama penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Seluruh proses pada siklus Carnot bersifat reversibel.

Selama pemuaian isotermal dan penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Tujuannya adalah menghindari adanya perbedaan suhu. Adanya perbedaan suhu bisa menyebabkan terjadi perpindahan kalor (proses ireversibel). Agar proses isotermal bisa terjadi (suhu gas selalu konstan) maka gas harus dimuaikan atau ditekan secara perlahan-lahan. Dalam kenyataannya, pemuaian atau penekanan gas terjadi lebih cepat. Hal ini diakibatkan oleh adanya turbulensi (ingat materi fluida dinamis), gesekan, viskositas alias kekentalan dan sebagainya. Akibatnya, proses isotermal yang sempurna tidak akan pernah ada. Sebaliknya, pemuaian dan penekanan adiabatik dilakukan dengan cepat. Tujuannya adalah menjaga agar kalor tidak mengalir menuju silinder atau kabur dari silinder. Adaya gesekan, viskositas alias kekentalan menyebabkan pemuaian dan penekanan adiabatik sempurna tidak akan pernah ada. Mesin Carnot hanya bersifat teoritis saja. Mesin carnot tidak ada dalam kehidupan kita. Walaupun hanya bersifat teoritis saja tetapi adanya mesin Carnot sangat membantu pengembangan ilmu termodinamika. Sebab kita bisa mengetahui setiap proses ireversibel yang mungkin terjadi selama proses dan berupaya untuk meminimalkannya sehingga efisiensi mesin kalor rancangan kita bisa bernilai maksimum.Hasil yang sangat penting dari mesin Carnot adalah bahwa untuk mesin kalor yang sempurna (semua proses reversibel), Kalor yang diserap (QH) sebanding dengan suhu TH dan Kalor yang dibuang (QL) sebanding dengan suhu TL. Dengan demikian, efisiensi mesin kalor sempurna adalah :

PRINSIP CARNOTHukum termodinamika kedua meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank dan Clausius. Sebuah mesin kalor tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar. Dari pernyataan diatas kita dapat mengambil kesimpulan yang berhubungan dengan efisiensi termal dari proses reversibel dan irreversibel

Secara lebih sederhana kerja mesin kalor berdasarkan prinsip Carnot dijelaskan dari gambar diatas dengan defenisi sebagai berikut :1. Efisiensi sebuah mesin kalor irreversibel selalu lebih kecil dari mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama.2. Efisiensi semua mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama adalah sama.Pernyataan Kelvin-PlankMelihat 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 yangberbunyi : Adalah tidak mungkin untuk sebuah alat/mesin yang beroperasi 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 tinggi dan mengubah panas tersebut seluruh menjadi kerja bersih. Atau dengan kata lain tidak ada sebuah mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%.

2.1.1 Entropi dan Hukum Termodinamika II

Pada paruh kedua abad kesembilan belas, hukum termodinamika kedua akhirnya dinyatakan secara umum, yaitu dalam besaran yang disebut entropi, diperkenalkan oleh Clausius pada tahun 1860-an. Entropi tidak seperti kalor, merupakan fungsi keadaan sistem. Ketika membahas entropi, yang penting adalah perubahan entropi selama proses, bukan besar mutlaknya. Menurut Clausius, perubahan entropi S dari sistem, ketika kalor sejumlah Q ditambahkan kepadanya dengan proses reversibel pada temperatur yang konstan, dinyatakan sebagai :

∆S= QT

dimana T adalah temperatur dalam Kelvin.Entropi dapat dianggap sebagai ukuran keteraturan atau ketidakteraturan sistem.

a.) Entropi dan KetakteraturanHukum kedua termodinamika berkaitan dengan fakta bahwa beberapa proses adalah irreversibel; artinya proses-proses tersebut berlangsung hanya satu arah saja. Namun ada banyak proses ireversibel yang tidak mungkin digambarkan oleh rumusan kedua untuk mesin panas atau refrigerator. Semua proses ireversibel mempunyai satu kesamaan yakni sistem dan lingkungannya bergerak ke arah keadaan yang lebih tak teratur. Dan fungsi temodinamika entropi S inilah ayang merupakan ukuran ketakteraturan sistem. Seperti tekanan P, volume V, temperatur T, dan energi dalam U, entropi adalah sebuah fungsi keadaan sistem. Seperti dijelaskan sebelumnya perubahan entropilah yang penting. Perubahan entropi adalah ∆S sebuah sistem bila berubah dari satu keadaan ke keadaan lain yang didefenisikan sebagai

∆S=∫❑ dQrevT¿¿ ............................................(2-1)

Dengan d Qrev❑ adalah panas yang harus ditambahkan pada sistem dalam suatu proses reversibel

untuk membawanya dari keadaan awalnya ke keadaan akhirnya. Jika panas diambil dari sistem, d Qrev

❑ bernilai negatif dan perubahan entropi sistem bernilai negatif. Perubahan entropi dapat juga

dinyatakan :

∆S =∫❑ dQT¿¿ = Cvln

T 2T 1 + nR ln

V 2V 1 ................................(2-2)

Suku dQrev pada persamaan ( 2-1 ) tidak berarti bahwa harus terjadi transfer panas reversibel agar entropi sistem berubah. Memang, banyak terdapat situasi berubahnya entropi sistem ketika tak ada transfer panas apapun. Persamaan ini hanyalah memberi kita metoda untuk menghitung beda entropi antara dua keaadan sistem. Seperti energi dalam, entropi merupakan fungsi keadaan. Oleh karena itu, perubahan entropi sistem bila berubah dari satu keadaanke keadaan lain hanya bergantung pada keadaan awal dan akhir sistem, tidak pada proses terjadinya perubahan itu. Namun, untuk menghitung perubahan entropi proses yang irreversibel, mula-mula kita harus menemukan proses reversibel yang menghubungkan keadaan awal dan akhir itu, kemudian mencari panas yang ditambahkan atau diambil selam aproses reversibel ini. Karena entropi adalah fungsi keadaan, perubahannya tak bergantung pada proses. Jika tekanan akhir sama dengan tekanan awal, maka perubahan entropi zat diberikan oleh persamaan

∆S =Cp∫T 1

T 2dTT

=Cp lnT 2T 1

...............................(2-3)

bila zat dipanaskan lewat proses apapun, baik reversibel maupun ireversibel. Persamaan ini juga memberikan perubahan entropi zat yang diinginkan. Dalam hal ini, T2 lebih kecil daripada T1, dan ln(T2/T1) akan bernilai negatif, dan menghasilkan perubahan entropi negatif.

Pada proses reversibel, perubahan entropi semesta adalah nol. Yang dimaksud dengan “semesta” adalah sistem dan lingkungannya. Sedangkan pada proses ireversibel entropi semesta naik. Untuk sembarang proses, entropi semesta tak pernah berkurang.

b)Entropi dan ProbabilitasPada dasarnya keadaan dengan keteraturan tinggi mempunyai probabilitas rendah

2.2 Aplikasi Hukum Termodinamika II

Membahas mengenai aplikasi Hukum termodinamika pada dasarnya hukum termodinamika II ini digunakan pada cukup banyak alat dalam kehidupan di sekitar kita. Berikut disajikan beberapa contoh peralatan dalam kehidupan kita yang tanpa kita sadari sebenarnya menggunakan prinsip hukum Termodinamika II 1. Lemari Es

2. Penyejuk Udara3. Pompa Kalor

4. Turbin Uap5. Mesin Kalor Moderen yang sekarang diterapkan pada mesin mobil, mesin

sepeda motor dan sebagainya. 6. Pembangkit listrik tenaga uap ( mesin uap )

Pada makalah ini fokus penulis adalah membahas tentang aplikasi hukum termodinamika dalam pompa kalor. Alasan penulis memilih menganalisa aplikasi hukum termodinamika II melalui sudut pandang efisiensi atau cara kerja pompa kalor adalah karena dalam salah satu proses penting yang terjadi daalam industri kimia yang ditekuni atau ditangani oleh teknik kimia yaitu proses distilasi pada era yang pesat akan pertumbuhan teknologi ini proses distilasi sudah menggunakan metode terbaru yaitu proses distilasi menggunakan pompa kalor. Melihat perkembangan ini penulis mersa tertarik untuk mengetahui dan membahas akan efisiensi mesin kalor. Karena penulis melihat pada masa yang akan datang penggunaan pompa kalor untuk distilasi ini menjadi salah satu alternatif yang sangat baik, baik di tingkat laboratorium maupun tingkat industri. Selain itu penulis juga menyadari bahwa dalam teknik kimia istilah atau bahasan akan entropi menjadi bahasan yang penting. Dan sangat bertepatan pulalah pompa kalor ini memanfaatkan prinsip termodinamika yang ditekankan atau tercakup dalam ilmu fisika khususnya pada cakupan mengenai Hukum Termodinamika II. Atas dasar hubungan inilah penulis melihat bahwa ilmu fisika dalam hal ini Hukum Termodinamika II meiliki hubungan atau peranan penting dalam teknik kimia.

Istilah pompa kalor biasanya dibatasi untuk alat yang bisa mengahangatkan ruangan dengan mengambil kalor QL dari luar pada temperatur rendah dan memberikan kalor QH ke bagian dalam rumah yang lebih hangat, dengan melakukan kerja W. Tujuan pompa kalor adalah untuk memanaskan ( memberikan QH ) dan bukan mendinginkan ( membuang QL

). Dengan demikian koefisien kinerja pompa kalor didefenisikan berbeda dari penyejuk udara karena kalor QH yang diberikan ke dalam ruangan lah yang menjadi prioritas. Nilai dari daya guna sebuah refrigerator ataupun pompa kalor disebut sebagai bilangan performasi (coefficient of performance) yang

dinyatakan sebagai berikut :

atau secara sederahana dituliskan KK=QHW

Pada dasarnya pompa panas memanfaatkan fluida yang disebut refrigerant. Sebagaimana yang kita ketahui secara umum panas atau kalor mengalir dari dari sistim yang bersuhu tinggi ke yang bersuhu lebih rendah. Bila energi dipindahkan atau diubah bentuk secara berulang-ulang, maka energinyaakan semakin berkurang untuk digunakan. Pada akhirnya, energi memiliki intensitas yang rendah (dari suhu medium menjadi suhu yang rendah) yang tidak lagi dapat digunakan.Sangat memungkinkan untuk membalik arah aliran energi secara spontan dengan menggunakan sistim termodinamika yaitu dengan pompa panas. Kebanyakan pompa panas bekerja dengan prinsip siklus kompresi uap. Dalam siklus ini,bahan yang bersirkulasi dipisahkan secara fisik dari aliran sumber (limbah panas, dengan

suhu Tin) dan pengguna (panas yang digunakan dalam proses, Tout), dan diguna ulang secarasiklus, oleh karena itu disebut ‘siklus tertutup’. Dalam pompa panas, terjadi proses berikut:Gambar Susunan Pompa Panas

Secara sederhana cara kerja atau prose yang terjadi dalam pompa panas adalah sebagai berikut :Dalam evaporator, panas diambil dari sumber panas untuk mendidihkan bahan yang disirkulasi;Kompresor memampatkan bahan yang disirkulasi, sehingga meningkatkan suhu dan tekanannya. Uap bersuhu rendah dimampatkan oleh sebuah kompresor, yang memerlukan kerja dari luar. Kerja dilakukan terhadap uap akan menaikan suhu dan tekanannya ke tingkat dimana energinya siap untuk digunakan.Panas diantarkan ke kondensor;Tekanan bahan yang disirkulasi (fluida kerja) menurun dan kembali ke kondisi evaporator dalam klep penutup, dimana siklus berulang lagi.

Pompa panas dikembangkan sebagai sistem pemanas ruangan dimana energi bersuhu rendah dari udara ambien, air, atau tanah dinaikkan hingga suhu sistim pemanas dengan pemampatan/kompresi menggunakan sebuah kompresor yang digerakkan oleh motor listrik. Pompa panas memiliki kemampuan untuk meng- upgrade panas ke nilai lebih dari dua kalilipat dari energi yang dipakai oleh peralatan. Potensi penerapan pompa panas makin bertambah dan terdapat pertambahan jumlah industri yang telah mendapatkan manfaat dari pemanfaatan ulang limbah panas kualitas rendah dengan cara meng- upgrade nya dan menggunakannya dalam aliran proses utama. Penerapan pompa panas sangat menjanjikan bila kemampuan pemanasan dan pendinginannya dapat dipadukan. Salah satu contohnya adalah sebuah pabrik plastik dimana air dingin/chilled water digunakan untuk mendinginkan mesin pencetak injeksi/ injection-moulding, sementara keluaran panas dari pompa panas digunakan untuk pemanasan pabrik atau kantor. Contoh lain dari pemasangan pompa panas selain sebagai penghangat ruangan juga sebagai pengeringan produk, menjaga udara yang kering untuk penyimpanan dan untuk pengeringan udara bertekanan. Seperti yang penulis jelaskan bahwa pompa panas juga digunakan dalam industri kimia, yaitu salah satunya adalah dalam proses distilasi. Distilasi yang dimaksudkan dalam hal ini adalah distilasi air. Distilasi air pada era ini sudah mengarah atau sebagian besar menggunakan pompa kalor. Sering pada situasi industri, fluida yang akan dipanaskan atau didinginkan dapat dipakai sebagai fluida kerja pada siklus pemampatan –uap yang mencapai efek yang diinginkan, seperti pada proses distilasi air. Air suplai yang dipraduga belum cukup murni untuk dipakai, diprapanaskan lalu diuapkan pada tekanan atmosfer. Uap jenuh dimampatkan sampai kira-kira 2 atmosfer hingga temperature kondensasinya cukup tinggi untuk menguapkan air pada 100 derajat celcius dengan sedikit perbedaan temperature

dalam koil ruang penguapan. Pembuangan terakhir dapat dikendalikan oleh katup untuk mencegah kondensat menguap lagi hingga kondensat itu disubdinginkan dalam penukar kalor. Pada skala laboratorium prose yang dilakukan oleh pompa panas dalam distilasi digambarkan dalam diagram sederhana yang menunjukkan siklus ideal. Satu-satunya masukan energi adalah (hd-hc). Dalam pabrik industri skala besar proses ini sering digambarkan dalam diagram skematik.

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Kesimpulan dalam makalah ini diuraikan sebagai berikut :

1. “Semua proses-proses yang terjadi didalam alam bertendensi terjadi dengankenaikan entropi”.

2. Sikilus pada hukum termodinamika kedua yaitu siklus Carnot Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan dari negeri Perancis yang bernama Sadi Carnot (1796-1832 = 36 tahun ) meneliti suatu mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824.Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum dirumuskan (apalagi hukum kedua) dan siklus Kelvin-Plank yangberbunyi : Adalah tidak mungkin untuk sebuah alat/mesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi sejumlah kerja bersih.

3. Hukum termodinamika kedua meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank dan Clausius. Sebuah mesin kalor tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar. Dari pernyataan diatas kita dapat mengambil kesimpulan yang berhubungan dengan efisiensi termal dari proses reversibel dan irreversibel.

4. Mesin kalor adalah membalikkan sebagian proses ini, di mana kalor alias panas bisa dimanfaatkan untuk melakukan kerja dengan efisiensi sebesar mungkin.

5. Istilah pompa kalor biasanya dibatasi untuk alat yang bisa mengahangatkan ruangan dengan mengambil kalor QL dari luar pada temperatur rendah dan memberikan kalor QH ke bagian dalam rumah yang lebih hangat, dengan melakukan kerja W. Tujuan pompa kalor adalah untuk memanaskan ( memberikan QH ) dan bukan mendinginkan ( membuang QL ). Dengan demikian koefisien kinerja pompa kalor didefenisikan berbeda dari penyejuk udara karena kalor QH yang diberikan ke dalam ruangan lah yang menjadi prioritas. Nilai dari daya guna sebuah refrigerator ataupun pompa kalor disebut sebagai bilangan performasi (coefficient of performance) yang dinyatakan sebagai berikut :

Atau Atau secara sederahana dituliskan

KK=QHW

6. Pompa panas dikembangkan sebagai sistem pemanas ruangan dimana energi bersuhu rendah dari udara ambien, air, atau tanah dinaikkan hingga suhu sistim pemanas dengan pemampatan/kompresi menggunakan sebuah kompresor yang digerakkan oleh motor listrik.

7. Pada dasarnya pompa panas memanfaatkan fluida yang disebut refrigerant. Sebagaimana yang kita ketahui secara umum panas atau kalor mengalir dari dari sistim yang bersuhu tinggi ke yang bersuhu lebih rendah. Bila energi dipindahkan atau diubah bentuk secara berulang-ulang, maka energinyaakan semakin berkurang untuk digunakan.

3.2 Saran

Penulis berharap semoga dengan makalah ini dapat membantu pembca sekalian untuk lebih memahami akan konsep Hukum Termodinamika II, dan khusus bagi pembaca sekalian yang menekuni bidang teknik kimia semoga makalah ini dapat membantu memahami peranan fisika khususnya hukum Termodinamika II sehingga mempermudah dalam proses belajar di bidang teknik kimia

DAFTAR PUSTAKA

Giancoli, Douglas.FISIKA, Edisi Kelima,Jilid 1.Jakarta : Erlangga

http://www.energyefficiencyasia.org/docs/ee_modules/indo/Chapter%20%20Waste%20heat%20recovery%20%28Bahasa%20Indonesia%29.pdf

Tipler,Paul. 1998. FISIKA Untuk Sains dan Teknik. Jakarta : Erlangga