Mesin Kalor, Entropi dan Hukum 2 Termodinamika

Materi Kuliah : Fisika Dasar 1Ir. Tri Surawan M,SiFakultas Teknik Universitas Indonesia2014/2015 Term 1

Yang akan dibahas Mesin Kalor dan Hukum 2 Termodinamika Pompa Kalor dan Refrigerator . Proses Reversibel dan Ireversibel Mesin Carnot, Mesin Bensin dan Diesel. Entropi. Perubahan entropi dalam Proses Ireversibel.

Siklus TermodinamikaSiklus termodinamika adalah suatu sistem yang dapat mengalami proses-proses termodinamika yang berlangsung secara berurutan dan dapat kembali ke keadaan awalnya.Jika kita melakukan perubahan pada variabel tekanan, volume, atau suhu, maka keadaan sistem akan berubah yang disebabkan oleh kerja yang dilakukan atau diterima sistem.

Besar kerja yang dilakukan tergantung pada urutan proses yang dilakukan. Jika sistem melakukan serangkaian proses, maka kerja yang dihasilkan merupakan jumlah kerja dari beberapa proses yang dilakukan.

Siklus Termodinamika

Proses I. Proses pemuaian dari A ke B secara isobarik akan menyerap kalor dari lingkungan sebesar QAB dan melakukan kerja sebesar WAB. Sebagian kalor yang diserap digunakan untuk menambah energi dalam sistem, sehingga suhu sistem bertambah. Penambahan suhu ini menyebabkan volume berubah dari V1 menjadi V2.Proses II. Akibat penambahan volume, terjadi penurunan tekanan sistem dari B ke C secara isovolumetrik. Proses ini berlangsung beberapa saat sehingga suhu sistem menurun. Pada proses ini tidak ada kerja yang terlibat.Proses III. Akibat penurunan suhu, terjadi proses pemampatan sistem dari C ke D secara isobarik sehingga sistem melepas kalor sebesar QCD dan sistem menerima kerja dari lingkungan (W bernilai negatif ) sebesar - WCD. Akibat pelepasan kalor oleh sistem, energi dalam sistem berkurang sehingga suhunya turun.Proses IV. Penurunan suhu pada proses III akan berhenti sampai sistem mempunyai volume tertentu dan bertahan beberapa saat (isovolumetrik) sehingga tekanan sistem akan naik. (kenaikan tekanan dari D ke A secara isovolumetrik). Pada proses ini, sistem tidak melakukan usaha atau menerima kerja (W = 0). Kemudian, sistem kembali ke kedudukan semula sambil menyerap kalor dari lingkungan.

Kerja dalam Siklus Termodinamika

Kerja yang terlibat dalam satu siklus merupakan jumlah dari kerja pada tiap proses. Sistem akan menyerap kalor pada proses I dan IV. Jumlah kalor yang masuk ke sistem adalah : Qmasuk = QAB + QDASistem akan mengeluarkan kalor pada proses II dan III. Jumlah kalor yang keluar dari sistem adalah : Qkeluar = QBC + QCDKalor yang masuk ke sistem hanya sebagian yang digunakan untuk melakukan kerja dan sebagian lagi digunakan untuk menambah energi dalam sistem. Perbandingan antara jumlah kalor yang masuk dan kerja yang dilakukan mesin disebut efisiensi mesin.Dimana : = Efisiensi mesin (%) W = Kerja yang dilakukan sistem dalam satu siklus (J) Q = kalor yang diserap sistem (J)

Contoh

Suatu sistem melakukan proses siklus a-b-c-d-a seperti gambar. Jika CV = 10 J/K dan CP = 15 J/K, tentukan kalor yang masuk dan keluar pada tiap siklus. Diketahui : CV = 10 J/K dan CP = 15 J/KJawab :Proses a-b merupakan proses isovolumetrik Qab = CV Tab = CV (Tb Ta) = (10)(573 300) = 2730 J(Kalor masuk)(Kalor masuk)(Kalor keluar)(Kalor keluar)Penyelesaian :Proses b-c merupakan proses isobarik Qbc = CP Tbc = CP (Tc Tb) = (15)(773 573) = 3000 JProses c-d merupakan proses isovolumetrik Qcd = CV Tcd = CV (Td Tc) = (10)(723 773) = 500 JProses d-a merupakan proses isobarik Qda = CP Tda = CP (Ta Td) = (15)(300 723) = 6345 J

Mesin Kalor

Mesin kalor adalah mesin yang digunakan untuk menghasilkan kerja yang keluar secara kontinu dengan cara melakukan siklus secara berulang-ulang. Karena proses ini adalah proses siklus, maka U = 0. Sesuai dengan hukum I TermodinamikaU = Q W 0 = Q W W = QJika, Q = Qmasuk Qkeluar Q = Q1 Q2Maka : W = Q1 Q2Efisiensi mesin dinyatakan :Dimana : = efisiensi mesin Q1 = jumlah kalor yang masuk (J) Q2 = jumlah kalor yang keluar (J)Prinsip kerja mesin kalorKalor Q1 yang masuk mesin digunakan untuk melakukan kerja dan menambah energi dalam sistem. Akan tetapi, tidak semua kalor digunakan. Ada sebagian kalor yang dikeluarkan yakni Q2.

Hukum II TermodinamikaHukum II Termodinamika menjelaskan rumusan mengenai perpindahan kalor sebagai berikut.

Menurut Clausius, kalor tidak mungkin berpindah dari sistem bersuhu rendah ke sistem bersuhu tinggi secara spontan.Menurut Kelvin Planck, tidak ada mesin yang mengubah seluruh kalor yang masuk menjadi kerja.

Prinsip kerja Lemari Es (refrigerator)

Prinsip kerja lemari es berdasarkan rumusan Clausius yang menyatakan bahwa untuk memindahkan kalor dari dalam refrigerator yang bersuhu rendah ke refrigerator bersuhu lebih tinggi diperlukan kerja.Prinsip kerja lemari es adalah mengambil kalor dari daerah bersuhu dingin (bagian dalam lemari es) dan mengeluarkannya pada daerah bersuhu tinggi (bagian luar lemari es).Untuk mengeluarkan kalor dari tempat bersuhu rendah ke tempat bersuhu tinggi diperlukan kerja (W).Koefisien pendingin dirumuskan sebagai :Berdasarkan hukum termodinamika, Q2 = W + Q1 atau W = Q2 Q1. Dimana : = koefisien pendingin W = kerja luar yang dilakukan mesin Q1 = jumlah kalor yang diserap dari tandon suhu rendah Q2 = jumlah kalor yang dikeluarkan pada tandon suhu tinggi

ContohSebuah refrigerator mempunyai daya 350 W. Jumlah kalor total yang diterima lingkungan 2,5 x 105 J. Jika koefisien pendingin 40%, tentukan jumlah kalor yang dipindahkan dari dalam refrigerator selama 1 jam.Diketahui : P = 350 W, t = 1 jam = 3600 s, dan Q2 = 2,5 x 105 JJawab :Kerja yang dilakukan refrigerator dalam 1 jam : W = P t = (350 W)(3600 s) = 1,26 x 106 JDari persamaan efisiensi pendingin, Q1 dicari dengan rumus :Jadi : Q1 = 5,04 x 105 JPenyelesaian :

Proses Reversibel dan Irreversibel

Proses reversibel adalah suatu proses yang dapat mengembalikan keadaan seperti semula secara spontan (tanpa kerja dari luar sistem).Proses irreversibel adalah suatu proses yang tidak dapat mengembalikan keadaan seperti semula secara spontan (memerlukan kerja dari luar sistem).Menurut Hukum I Termodinamika, energi bersifat kekal, maka besar kalor Q dapat berubah seluruhnya menjadi kerja W, atau sebaliknya seluruh kerja W dapat berubah menjadi kalor QNamun, menurut Hukum II Termodinamika, kejadian berubahnya kerja oleh sistem menjadi kalor seluruhnya tidak mungkin terjadi. Kejadian ini merupakan proses irreversibel. Maka dari Clausius memperkenalkan besaran baru yang disebut entropi (S).Entropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi kerja.

Mesin CarnotPrinsip siklus termodinamika pertama kali dijelaskan oleh seorang insinyur Perancis bernama Sadi Carnot dan disebut siklus Carnot. Siklus Carnot adalah suatu siklus ideal reversibel yang terdiri atas dua proses isotermal dan proses adiabatik.Siklus Carnot ini merupakan salah satu prinsip dasar siklus termodinamika yang digunakan untuk memahami cara kerja mesin Carnot.

Mesin CarnotProses yang terjadi pada siklus Carnot dapat dijelaskan sebagai berikut.Proses 1, proses dari A ke B, yaitu proses pemuaian secara isotermik. Proses ini menyerap kalor QH dari sumber bersuhu tinggi TH dan seluruhnya diubah menjadi kerja sebesar W1.Proses 2, proses dari B ke C, yaitu pemuaian secara adiabatik. Pada proses ini, sistem tidak menyerap atau melepas kalor, tetapi melakukan kerja sebesar W2 dan suhunya berkurang.Proses 3, proses dari C ke D, yaitu pemampatan secara isotermik. Pada proses ini sistem melepas kalor ke tempat bersuhu rendah TL sebesar QL dan melakukan kerja yang berharga negatif. Besar kerja itu W3.Proses 4, proses dari D ke A, yaitu pemampatan secara adiabatik. Pada proses ini, sistem tidak menyerap atau melepas kalor, tetapi melakukan kerja yang berharga negatif, besarnya W4 , serta suhu sistem naik.

Mesin CarnotDiagram aliran arus pada siklus Carnot dapat ditunjukkan seperti gambar berikut.Kerja total yang dihasilkan mesin dalam satu siklus adalah : W = W1 + W2 + W3 + W4 = Q1 + 0 + ( Q2) + 0 = Q1 Q2 Efisiensi mesin carnot dapat dinyatakan dengan persamaan :Karena besar Q sebanding dengan suhu, maka efisiensi mesin Carnot dapat dinyatakan dengan :Dimana : T1 = suhu pada tandon (reservoir) tinggi T2 = suhu pada tandon (reservoir) rendahDimana : Q1 = kalor yang diserap mesin Q2 = kalor yang dilepas mesin

Mesin Bensin

Bahan bakar dari karburator masuk ke dalam silinder ketika piston turun, yang menyebabkan volume bertambah. Proses ini adalah proses pemuaian isotermal.silinder penuh berisi bahan bakar. Kemudian piston bergerak naik. Karena tidak ada kalor yang masuk atau keluar, maka proses ini termasuk proses penyusutan adiabatik.terjadi penyusutan isotermal, sampai piston menumbuk busi, dan terjadi percikan api.setelah piston menumbuk busi (pemantik api), terjadi pembakaran bahan bakar. Ini menyebabkan suhu sistem naik. Akibatnya, di dalam silinder terjadi pemuaian adiabatik.terjadi penyusutan isotermik dan pembuangan gas dari silinder. Setelah itu, keadaan gas di dalam silinder kembali ke keadaan semulaa.b.c.d.e.

Mesin DieselPada dasarnya, cara kerja mesin diesel sangat mirip dengan mesin bensin, hanya bedanya pada mesin diesel tidak menggunakan busi sebagai pemantik api.Rasio kompresi pada mesin diesel jauh lebih besar dibandingkan pada mesin bensin.Udara pada silinder piston dikompres sampai volume yang sangat kecil, sehingga temperaturnya akan naik menjadi sangat tinggi.Pada titik ini, bahan bakar kemudian dimasukkan ke silinder piston. Karena temperatur pada silinder piston sangat tinggi, maka campuran udara dan bahan bakar tersebut akan meledak tanpa bantuan pemantik api dari busi, sehingga mendorong piston gerak mundur.Mesin diesel lebih efisien dibandingkan dengan mesin bensin karena rasio kompresi yang lebih tinggi dan menghasilkan temperatur ruang pembakaran yang lebih tinggi.

EntropiEntropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi kerja.Besarnya entropi suatu sistem yang mengalami proses reversibel sama dengan kalor yang diserap sistem dan lingkungannya ( Q) dibagi suhu mutlak sistem tersebut (T). Perubahan entropi diberi tanda S, dan secara matematis dinyatakan :

Salah satu ciri proses reversibel adalah perubahan total entropi ( S = 0) baik bagi sistem maupun lingkungannya.Pada proses irreversibel perubahan entropi Ssemesta > 0, sehingga pada proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta.

Perubahan Entropi pada Proses ReversibleProses AdiabatikDalam proses adiabatik Q = 0, sehingga S = 0 atau entropi tetap. Proses isotermik (T konstan) :Perubahan entropi dinyatakan :Proses isovolumetrik (V konstan)Proses isobarik (P konstan)Reservoir adalah benda yang suhunya tetap valaupun sejumlah kalor keluar atau masuk ke dalam benda tersebut.Dimana : T1 = suhu sistem T2 = suhu reservoir

ContohGambar di samping menunjukkan bahwa 1.200 J kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas bersuhu 600 K ke reservoir dingin bersuhu 300 K. Tentukanlah jumlah entropi dari sistem tersebut. Anggap tidak ada perubahan lain yang terjadi.Diketahui Q = 1.200 J, T1 = 600 K, dan T2 = 300 K.JawabPerubahan entropi reservoir panas:Perubahan entropi reservoir dingin:Total perubahan entropi total adalah :Penyelesaian :

Perubahan Entropi dalam Proses IreversibelPerubahan entropi seperti yang dirumuskan dalam persamaan, S = Q/T berlaku untuk proses reversibel. Namun, karena entropi S adalah variabel keadaan, maka nilai perubahannya hanya ditentukan oleh keadaan awal dan akhir proses.Jadi, pada proses ireversibel boleh menggunakan rumus entropi pada proses reversibel, asalkan keadaan awal dan akhir proses ini sama.Jika proses terjadi pada tekanan tetap Cp, maka:Karena T2 > T1, maka kalor masuk ke dalam benda, danbernilai positif, maka entropi naik.Suhu reservoir tetap (T2), karena itu perubahan entropinya sama dengan perubahan entropi pada proses isotermik reversibel.dQ = Cp dT, sehingga:Karena kalor keluar dari reservoir, maka:Perubahan entropi total adalah:

ContohDiketahui 100 gram air bersuhu 27 C dihubungkan dengan suatu reservoir (tandon) yang mempunyai suhu 77 C. Jika suhu air mencapai 77 C, maka tentukan perubahan entropi dari air, reservoir, dan keseluruhan sistem! (Cair = 1 kal/g C)Diketahui : T1 = (27 + 273) = 300 K T2 = (77 + 273) = 350 K Cair = 1 kal/g C mair = 100 gJawab:Perubahan entropi air ( Sair ) adalah :Kalor yang diserap air dari reservoir Q = m Cair (T2 T1) = 100 1 (350 300) = 5.000 kalPerubahan entropi reservoir ( Sreservoir)(tanda negatif (-) menunjukkan bahwa reservoir mengeluarkan kalor)Perubahan entropi keseluruhan adalah :Penyelesaian :