Upload
asmarasabda
View
67
Download
1
Embed Size (px)
Citation preview
KATA PENGANTAR
Puji syukur ke hadirat ALLAH SWT karena telah melimpahkan
rahmat dan hidayah-Nya sehingga kami dapat menyelesaikan
“MAKALAH TERMODINAMIKA” yang berjudul “PROSES MENGALIR”.
Semoga dengan adanya makalah ini dapat menambah ilmu bagi
yang membacanya. makalah ini sangat jauh dari sempurna dan
masih banyak terdapat kesalahan-kesalahan dalam penyusunan
makalah ini, maka dari itu, kami mohon maaf yang sebesar-
besarnya.
Selain itu, saran, usul dan kritik yang sifatnya membangun sangat
kami harapkan demi penyempurnaan di masa yang akan datang.
akhir kata, semoga makalah ini dapat berguna dan bermanfaat bagi
semua pihak.
Balikpapan 14 Juni 2014
Penyusun
1
DAFTAR ISI
Kata Pengantar…………………………………………………….. 1
Daftar Isi……………………………………………………………. 2
BAB I Pendahuluan…………………………………………………3
1.1 Latar Belakang…………………………………………………..5
1.2 Rumusan Masalah……………………………………………….6
1.3 Tujuan……………………………………………………………6
1.4 Manfaat…………………………………………………………..6
BAB II Pembahasan………………………………………………...7
2.1 Kalor……………………………………………………………..7
2.2 Kalor dan Energi Termal………………………………………..9
2.3 Satuan Kalor…………………………………………………….9
2.4 Perpindahan Kalor………………………………………………9
a. Konduksi…………………………………………………….10
b. Konveksi……………………………………………………. 11
c. Radiasi……………………………………………………….11
2
2.5 Hukum II Termodinamika………………………………………13
1. Formulasi Kelvin-Planck…………………………………….17
2. Formulasi clausius……………………………………………17
2.6 Proses Reversibel dan Ireversibel………………………………..18
2.7 Mesin Carnot………………………………………………………19
a. Siklus Carnot………………………………………………….20
b. Mesin Pendingin………………………………………………22
Prinsip Kerja dari mesin Pendingin………………….24
c. Mesin Pemanas………………………………………………..25
d. Siklus Carnot pada mesin Pendingin dan Pemanas…………26
Proses Isokhorik…………………………………………..27
Proses Isobaris…………………………………………….27
Proses Isotermis…………………………………………...28
Proses Adiabatik…………………………………………..29
BAB III Kesimpulan………………………………………………….31
3.1 Daftar Pustaka…………………………………………………….32
3
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 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 bentuklain, 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.
4
Proses reversibel adalah proses termodinamika 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).
Sejarah awal 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
5
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.
1.2 Rumusan Masalah
Maka dirumuskan permasalahan sebagai berikut :
1. Apa pengertian dan aplikasi hukum kedua termodinamika ?
2. Bagaimana Prinsip kerja dari proses mengalir di hukum
termodinamika 2 ?
1.3 Tujuan
Adapun tujuan dari penyusunan makalah ini, antara lain:
1. Memberikan tambahan pengetahuan kepada pembaca
tentang Hukum 2 Termodinamika.
2. Memberikan pengetahuan kepada pembaca mengenai cara
kerja dari reservoir energi panas, mesin kalor, mesin
pendingin, pompa panas, dan mesin abadi.
6
1.4 Manfaat
Manfaat yang dapat diperoleh dari penulisan makalah adalah:
1. Memberi penjelasan kepada pembaca tentang sistem
termodinamika,
2. Memberi penjelasan kepada pembaca mengenai hukum I
termodinamika beserta aplikasinya dalam proses
termodinamika, pada manusia, dan kehidupan sehari-hari.
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Kalor
Didefinisikan sebagai energi panas yang dimiliki oleh suatu
zat. Secara umum untuk mendeteksi adanya kalor yang dimiliki
oleh suatu benda yaitu dengan mengukur suhu benda tersebut. Jika
suhunya tinggi maka kalor yang dikandung oleh benda sangat
besar, begitu juga sebaliknya jika suhunya rendah maka kalor yang
dikandung sedikit. dari hasil percobaan yang sering dilakukan besar
kecilnya kalor yang dibutuhkan suatu benda(zat) bergantung pada
3 faktor :
massa zat
7
jenis zat (kalor jenis)
perubahan suhu
Sehingga secara matematis dapat dirumuskan :
Q = m.c.(t2 – t1)
Dimana :
Q adalah kalor yang dibutuhkan (J)
m adalah massa benda (kg)
c adalah kalor jenis (J/kgC)
(t2-t1) adalah perubahan suhu (C)
Benyamin Thomson/Count Rumford (1753-1814) dengan
eksperimen-nya, dia mengebor logam, teramati bahwa mata bor
menjadi panas dan didinginkan dengan air (sampai airnya
mendidih), tentunya dari teori “kalorik”, kalorik tersebut lama
kelamaan akan habis dan ternyata bila proses tersebut berlanjut
terus kalorik tersebut tidak habis, jadi teori kalorik tidak tepat. Jadi
kalor bukan materi :
kalor
T1 T2 T1>T2
8
Ket.
Pada Q1 es mendapat kalor dan digunakan menaikkan suhu es, setelah suhu sampai pada 0 C kalor yang diterima digunakan untuk melebur (Q2), setelah semua menjadi air barulah terjadi kenaikan suhu air (Q3), setelah suhunya mencapai suhu 100 C maka kalor yang diterima digunakan untuk berubah wujud menjadi uap (Q4), kemudian setelah berubah menjadi uap semua maka akan kembali terjadi kenaikan suhu kembali (Q5)
2.2 Kalor dan Energi Termal
Ada suatu perbedaan antara kalor (heat) dan energi dalam dari
suatu bahan. Kalor hanya digunakan bila menjelaskan perpindahan energi
dari satu tempat ke yang lain. kalor adalah energi yang dipindahkan
akibat adanya perbedaan temperatur.. Sedangkan energi dalam (termis)
adalah energi karena temperaturnya
2.3 Satuan Kalor
9
Satuan kalor adalah kalori dimana, 1 kalori adalah kalor yang
diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gr air dari 14,5 C menjadi 15,5
C.
Dalam sistem British, 1 Btu (British Thermal Unit) adalah kalor untuk
menaikkan temperatur 1 lb air dari 63 F menjadi 64 F.
1 kal = 4,186 J = 3,968 x 10-3 Btu
1 J = 0,2389 kal = 9,478 x 10-4 Btu
1 Btu = 1055 J = 252,0 kal
2.4 Perpindahan Kalor
Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi
aliran kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang
bertemperatur lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal.
Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu :
konduksi, konveksi dan radiasi.
a. Konduksi
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik
merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana
partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk
partikel dengan energi yang lebih tinggi.
10
Besarnya energi konduksi disebut juga laju konduksi ditentukan oleh
persamaan berikut:
Keterangan:
Q = kalor (joule)
k = koefisien konduski (konduktivitas termal)
t = waktu (s)
A = luas penampang (m persegi)
L = panjang logam (m)
T=Suhu(kelvin)
Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada
posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini
atom dan elektron bergetar dengan amplitudi yang makin membesar.
Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan
memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada
atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui
getaran dan gerakan elektron bebas.
b. Konveksi
Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah
dipanaskan dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila
perpindahannya dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi
11
alami (natural convection) dan bila didorong, misal dengan fan atau
pompa disebut konveksi paksa (forced convection).
Besarnya energi konveksi atau bisa disebut laju konveksi ditentukan oleh
persamaan berikut:
Keterangan:
Q = kalor (joule) h = koefisien konveksi t = waktu (s) A = luas penampang
(m persegi)
T = Suhu (kelvin)
c. Radiasi
Pada proses radiasi, energi termis diubah menjadi energi radiasi.
Energi ini termuat dalam gelombang elektromagnetik, khususnya daerah
inframerah (700 nm - 100 m). Saat gelombang elektromagnetik tersebut
berinteraksi dengan materi energi radiasi berubah menjadi energi termal.
Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per
satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :
12
E = e T4.
dimana : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4, e : emitansi (0
e 1).
Sinar Gelombang Elektromagnetik tersebut dibedakan berdasarkan
panjang gelombang dan frekuensinya. Semakin besar panjang gelombang
semakin kecil frekuensinya. Energi radiasinya tergantung dari besarnya
frekuensi dalam arti semakin besar frekuensi semakin besar energi
radiasinya. Sinar Gamma adalah gelombang elektromagnetik dan sinar
radioaktif dengan energi radiasi terbesar.
Dalam kasus ini, terdapat hal yang disebut radiasi benda hitam, yang
memaparkan bahwa semakin hitam benda tersebut maka energi radiasi
yang dikenainya juga makin besar. Hal ini adalah fakta sehari-hari. Saat
kita menjemur pakaian hitam dan putih dibawah sinar matahari berwarna
dengan jenis dan tebal yang sama, maka pakaian warna hitam akan lebih
cepat kering dibandingkan dengan pakaian berwarna putih.
Oleh karena itu, warna hitam dikatakan sempurna menyerap panas,
sedangkan warna putih mampu memantulkan panas atau cahaya dengan
sempurna. Sehingga emisivitas bahan (kemampuan menyerap panas)
13
untuk warna hitam e = 1 sedangkan warna putih e = 0. Untuk warna
lainnya berkisar antara 0 dan 1.
Besarnya energi radiasi benda hitam tergantung pula pada tingkat derajat
suhunya. Seperti yang terlihat dari rumus energi radiasi berikut:
Keterangan:
P = Daya Radiasi/Energi Radiasi setiap Waktu (watt)
Q = Kalor (joule)
t = waktu (s)
e = emisivitas bahan
A = luas penampang (m persegi)
T = suhu (kelvin)
o = konstanta stefan boltzmann (5,67 x 10 pangkat minus 8)
2.5 Hukum II 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
14
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.
Tiga Pernyataan Bagi Hukum Kedua Termodinamika
1. Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas.
2. Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha
secara utuh,
15
3. Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak.
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.
16
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 prosesireversibel. 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 17
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
18
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”.
2.6 Proses Reversibel dan Ireversibel
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). Proses yang
dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversible proses reversibel
adalah murni dan bersifat hipotesis. Berbagai proses yang diidealisasikan
sebagai proses reversibel adalah :
19
· Tidak ada gesekan internal atau mekanis
· Perbedaan suhu dan tekanan antara zat kerja dan lingkungan harus
infinitesimal
· Pemampatan atau pemuaian yang terbatas
· Aliran arus listrik melalui tahan adalah nol
· Reaksi kimia yang terbatas
· Magnetisasi, polarisasi
· Pencampuran dua sampel zat yang sama pada keadaan yang sama
Proses termodinamik yang berlanggsung secara alami seluruhnya disebut
proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlangsung
secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Proses
yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel.
Contohnya kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang
bersuhu rendah.
2.7 Mesin Carnot
Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi
dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model
dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot,
seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin
Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Émile Clapeyron
1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada
1850an dan 1860an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron
inilah konsep dari entropi mulai muncul.
20
Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu.
Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami
rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali
ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut
dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut
mesin kalor.
Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari
daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam
prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis.
Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang
dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang
memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi
panas disebut mesin refrigerator.
Pada diagram di atas, yang diperoleh dari tulisan Sadi Carnot
berjudul Pemikiran tentang Daya Penggerak dari Api (Réflexions sur
la Puissance Motrice du Feu), diilustrasikan ada dua benda A dan B,
yang temperaturnya dijaga selalu tetap, dimana A memiliki 21
temperatur lebih tinggi daripada B. Kita dapat memberikan atau
melepaskan kalor pada atau dari kedua benda ini tanpa mengubah
suhunya, dan bertindak sebagai dua reservoir kalor. Carnot
menyebut benda A "tungku" dan benda B "kulkas". Carnot lalu
menjelaskan bagaimana kita bisa memperoleh daya penggerak
(usaha), dengan cara memindahkan sejumlah tertentu kalor dari
reservoir A ke B.
a. Siklus Carnot
Siklus adalah suatu rangkaian proses yang dimulai dari suatu
keadaan awal dan berakhir pada keadaan itu lagi. Siklus
Carnot merupakan suatu siklus usaha yang dikemukakan oleh
Sadi Carnot (1796-1832).
Siklus Carnot terdiri dari empat proses:
1. Proses pemuaian secara isotermik A ke B. Pada proses ini
sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1
dan melakukan usaha WAB.
2. Proses pemuaian secara adiabatik B ke C. Selama proses
ini berlangsung suhu sistem turun dari T1 menjadi T2
sambil melakukan usaha WBC.
22
3. Proses pemampatan secara isotermik C ke D. Pada proses
ini sistem menerima usaha WCD dan melepas kalor Q2 ke
reservoir bersuhu rendah T2.
4. Proses pemampatan secara adiabatik D ke A. Selama
proses ini suhu sistem naik dari T2 menjadi T1 akibat
menerima usaha WDA.
Mesin paling ideal dan mempunyai efisiensi maksimum adalah
mesin yang menggunakan siklus Carnot, kerja yang dilakukan
mesin yang menggunakan mesin Carnot, adalah:
Bisa juga kita tuliskan W = Q1 – Q2
Katerangan :
Q1 = kalor yang diberikan oleh reservoir bersuhu tinggi (T1)
Q2 = kalor yang diberikan oleh reservoir bersuhu tinggi (T2)
W = kerja yang dilakukan mesin (J)
T1 = reservoir suhu tinggi (K)
T2 = reservoir suhu tinggi (K)
23
Mesin Carnot memiliki efisiensi paling besar karena merupakan
mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Jadi, sebenarnya tidak
ada mesin yang mempunyai efisien yang menyamai efisiensi mesin
Carnot. Cara kerja mesin Carnot hanya tergantung pada suhu kedua
tandon atau reservoir.
Untuk mendapatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon suhu
rendah (T2) harus = 0 K, hal ini dalam praktik tidak mungkin terjadi.
Hal ini disebabkan karena proses kalor pada mesin Carnot bersifat
reversibel, sedangkan pada mesin sesungguhnya mengalami
prosesnya irreversibel.
b. Mesin Pendingin
Mesin pendingin merupakan mesin yang berfungsi untuk
memindahkan panas dari lingkungan bersuhu rendah ke
lingkungan bersuhu tinggi. Mesin pendingin dapat dibayangkan
sebagai mesin kalor yang beroperasi secara terbalik (Young,
2002).
24
Secara skematik, aliran energi kalor pada mesin pendingin dapat
digambarkan seperti gambar 1. Kalor yang diserap dari reservoir
suhu rendah (Qinput) dan kerja yang dibutuhkan (W) memiliki
hubungan matematis:
Rasio antara Qoutput/W, disebut sebagai Koefisien Kinerja (K).
Semakin besar rasio ini, semakin baik pendinginnya.
Salah satu mesin pendingin adalah refrigerator atau kulkas.
Komponen refrigerator terdiri dari kompresor, kondensor,
evaporator, pipa kapiler atau katup eskpansi, filter, thermostat,
heater, dan kipas.
Prinsip kerja dari mesin pendingin.
25
Mesin pendingin seperti pada Gambar 1. terdiri dari rangkaian
tertutup berisi fluida refrigeran. Fluida refrigeran ini biasanya
berupa senyawa Freon.
Kompresor sebagai komponen penggerak fluida digerakkan oleh
motor listrik yang membutuhkan energi masukan untuk melakukan
kerja (W) setiap siklusnya. Kerja selalu dibutuhkan untuk
memindahkan panas dari benda dingin ke benda yang panas. Panas
mengalir secara spontan dari benda panas ke benda lebih dingin,
dan untuk membalikkan alirannya dibutuhkan kerja dari luar
(Young, 2002).
Kompresor menarik fluida dari evaporator dan menurunkan tekanan
di evaporator sehingga zat pendingin dapat menguap pada suhu
yang lebih rendah. Penurunan tekanan fluida mengakibatkan fluida
berubah fasenya dari cair menjadi uap. Proses perubahan fase cair
ke fase uap ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan,
sehingga refrigeran menyerap panas (Qinput) dari sekelilingnya.
Fluida dari evaporator dikirim oleh kompresor ke kumparan
kondensor pada tekanan tinggi. Suhu fluida menjadi lebih tinggi dari 26
pada udara disekitar kondensor, maka fluida melepaskan kalor
(Qoutput) dan sebagian refrigeran mengembun. Fluida berekspansi
secara adiabatik menuju evaporator dengan laju yang dikontrol oleh
katup ekspansi.
Siklus refrigeration dalam refrigerator dapat digambarkan melalui
diagram P-V seperti gambar 2. Kompresor bekerja secara otomatis
yang dikendalikan saklar otomatis. Saklar otomatis ini dapat berupa
thermostat yang dikendalikan oleh suhu dan sebagai pengamannya
dapat digunakan bimetal yang dikendalikan oleh tegangan listrik.
c. Mesin Pemanas
Mesin panas adalah sistem yang bekerja secara siklus, dan melalui permukaan-permukaan batasannya, energi dalam bentuk panas dan kerja yang dapat mengalir. Tujuannya mengubah panas menjadi kerja. Mesin panas mengalami proses – proses secara periodik kembali kekeadaan semula (reversible). Sebagai contoh yaitu PEMBANGKIT TENAGA UAP, fluida kerjanya adalah H2O yang mengalir secara kontiniu dan stasionermelalui ketel (dalam bentuk air dan kemudian menguap), mengalir ke turbin. Keluar dari turbinsebagai uap air pada temperatur dan tekanan rendah. H2O (uap air) masuk ke Condenser, disiniH2O (uap air) berubah menjadi air kembali, dan air ini di pompa kembali ke ketel. Proses ini berlangsung secara periodik.
27
d. Siklus Carnot pada mesin pendingin dan pemanas
Pada siklus Carnot asli, kerja dihasilkan dari berpindahnya
panas dari suhu tinggi ke suhu rendah. (W = Qh-Ql). Pada
mesin pendingin dibutuhkan kerja untuk memindahkan panas
dari suhu rendah ke suhu tinggi (W=Ql-Qh). Efisiensi sutu
28
mesin didefinisikan sebagai perbandingan hasil kerja dan
usaha untuk mengasilkan kerja.
Pada siklus mesin panas efisiensi selalu bernilai kurang dari 1
(efisiensi = W/Qh = 1-Ql/Qh). Hasil dari siklus pendinginan
adalah efek pendinginan yang terjadi (Ql) dan kerja yang
diperlukan adalah sebesar W (Qh-Ql) dan karenanya efisiensi
mesin pendingin selalu lebih besar dari satu (efisiensi= Ql/W)
Proses Isokhorik
Proses isokhorik adalah perubahan keadaan gas pada volume
tetap. Persamaan keadaan isokhorik:
Digram proses isokhorik. Grafiknya berupa garis lurus vertikal
karena volumenya tidak berubah. Tidak ada usaha yang
dilakukan pada proses isokhorik.
29
Proses Isobarik
Proses isobarik adalah perubahan keadaan gas pada tekanan
tetap.
Persamaan keadaan isobarik :
Usaha yang dilakukan pada keadaan isobarik:
Diagram proses isobarik. Daerah berwarna kuning sama dengan
usaha yang dilakukan
Proses Isotermis
Proses isotermik adalah perubahan keadaan gas pada suhu
tetap.
Persamaan keadaan isotermik:
Usaha yang dilakukan pada keadaan isotermik:
30
Dari persamaan gas ideal
Rumus umum usaha yang dilakukan gas:
Maka: karena: bernilai tetap
maka:
Ingat integral ini :
maka persamaan di atas menjadi :
maka menjadi:
31
Proses isotermis. Daerah berwarna biru menunjukkan besarnya
usaha yang dilakukan gas.
Proses Adiabatik
Proses adiabatik adalah perubahan keadaan gas dimana tidak
ada kalor yang masuk maupun keluar dari sistem.
Persamaan keadaan adiabatik:
Tetapan Laplace:
Karena maka persamaan diatas dapat juga
ditulis:
Usaha yang dilakukan pada proses adiabatik:
32
Proses adiabatik. Warna biru muda menunjukkan besarnya
usaha yang dilakukan.
BAB III
KESIMPULAN
Dari pembahasan sebelumnya, maka dapat ditarik kesimpulan
antara lain:
1. Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara
spesifik membahas tentang hubunganantara energi panas dengan
kerja.
33
2. 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.
3. 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.
4. Sebuah mesin kalor dapat di karakteristikkan sebagai berikut:
a. mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur
tinggi (energi matahari, bahan bakar, reaktor nuklir, dll)
b. mesin kalor mengkonvensi sebagian panas menjadi kerja
(umumnya dalam bentuk poros yang berputar)
c. mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur
rendah.
d. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.
3.1 DAFTAR PUSTAKA
www.slideshare.net/tahangpette/penerapan-hukum-2-
thermodinamika
kk.mercubuana.ac.id/files/13015-3-860358017731.doc
34
Halliday, Resnick. 1998. Fisika Edisi Ke 3. Jakarta; Erlangga
http://prizasnugroho.blogspot.com/2013/05/hukum-kedua-
termodinamika-contoh-makalah.html
Kanginan, Marthen (2002). Fisika Untuk SMA Kelas XI Semester
2. Erlangga.
Alonso, M. dan Budikase, E. dan Nyoman Kertiasa. 1995. Fisika 3.
Jakarta: Departemen Pendidikan dan Kebudayaan.
Abadi, Rinawan, dkk. 2009. Buku Panduan Pendidik Fisika untuk
SMA/MA untuk kelas XI. Klaten: Intan Pariwara.
Kroemer, Herbert; Kittel, Charles (1980). Thermal Physics (ed.
2nd ed.). W. H. Freeman Company.
http://nofitaridwi.blogspot.com/2012/04/artikel-termodinamika-ii-
tugas-berkala.html
35