Hukum II Termodinamika

OLEH :

Komang Suardika (0913021034)

JURUSAN PENDIDIKAN FISIKA

FAKULTAS MIPA

UNIVERSITAS PENDIDIKAN GANESHA

SINGARAJA

2011

HUKUM II TERMODINAMIKA

1

R2

q2

w

Mesin jenis ini tidak ada

/.

1. Hukum II Termodinamika

Hukum Kekekalan Energi yang dinyatakan dalam Hukum I

Termodinamika menyatakan bahwa energi dapat diubah dari satu bentuk ke

bentuk lain. Misalnya, perubahan usaha (energi potensial) menjadi energi kalor

atau sebaliknya. Akan tetapi, tidak semua perubahan energy yang terjadi di alam

ini prosesnya dapat dibalik seperti pada Hukum I Termodinamika.

Hukum pertama termodinamika, kekekalan energi, tidak akan dilanggar

jika proses-proses ini terjadi dengan sebaliknya. Untuk menjelaskan tidak adanya

reversibilitas (bisa balik) para ilmuwan di paruh kedua abad ke-19 merumuskan

prinsip baru yang dikenal sebagai Hukum Kedua Termodinamika. Hukum ini

merupakan pernyataan mengenai proses yang terjadi di alam dan yang tidak.

Hukum ini dapat dinyatakan dengan berbagai pernyataan oleh para ilmuan,

namun pada prinsipnya semua sama. Adapun perumusan Hukum II

Termodinamika adalah sebagai berikut.

Pernyataan Kelvin dan Planck yaitu "Tidak ada proses yang bisa

berlangsung yang hasilnya tidak lain hanyalah penyerapan kalor dari suatu

tandon dan mengkonversikan kalor ini menjadi kerja" . Perumusan

Kelvin-Planck dapat pula dinyatakan sebagai berikut. Tidaklah mungkin

membuat mesin kalor yang bekerja bersiklus semata-mata hanya

menyerap kalor dari reservoir suhu tinggi dan mengubah seluruhnya

menjadi usaha, tanpa mengeluarkan sebagian dari kalor itu ke

lingkungannya dalam bentuk kalor (Rapi, 2009:67). Kalau digambarkan

dalam diagram alir ditunjukkan seperti gambar 1.

2

Gambar 1.

R2 q T2

R1 q T1

T1 < T2

Mesin jenis ini tidak ada

Akan tetapi, mesin jenis ini tidak ada. Andaikan ada sebuah mesin

yang dapat menyerap kalor dari lingkungannya dan dapat mengubah kalor

ini seluruhnya menjadi usaha terus-menerus, disebut mesin perpetum

mobile jenis kedua.

Hukum II termodinamika menurut Clausius sebagai yaitu “Tidaklah

mungkin dibuat mesin pendingin yang bekerja bersiklus dapat

memindahkan kalor dari benda bersuhu rendah ke benda yang bersuhu

lebih tinggi, tanpa memerlukan usaha luar. Dengan kata lain oleh R. J. E.

Clausius (1822-1888), dinyatakan sebagai berikut.

"Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas ke benda yang

dingin; kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin

ke benda panas." (Giancolli, 2001:527).

Kalau kita gambarkan diagram alir ditunjukkan pada gambar 2.

Andaikan ada mesin yang dapat menciptakan energi yang dibutuhkan

sendiri agar berfungsi hingga menjadi “self supporting” adalah bertentangan

dengan hukum I termodinamika. Mesin semacam ini (yang jelas tidak ada)

dinamakan mesin abadi jenis pertama.

3

Gambar 2.

q1 R1 T1 q1

q2q2R2 T2

Mesin abadi ini seandainya ada akan berfungsi sebagai mesin kalor dengan

efisiensi = 1, berarti tanpa membuang kalor sedikitpun, atau mampu berfungsi

sebagai mesin pendingin tanpa memerlukan usaha luar. Kenyataan sehari-hari

hingga kini membuktikan bahwa mesin-mesin abadi memang tidak ada. Dengan

kata lain kedua hukum Termodinamika sebenarnya adalah hukum alam.

2. Kesetaraan Perumusan Kelvin-Planck dan Clausius

Perumusan Kelvin-Planck setara dengan perumusan Clausius artinya : bila

perumusan Clausius benar, perumusan Kelvin-Planck juga benar. Begitu pula

sebaliknya, bila perumusan Clausius tidak benar, maka perumusan Kelvin-Planck

juga tidak benar. Untuk menunjukkan bahwa perumusan Kelvin-Planck setara

dengan perumusan Clausius digunakan konsep-konsep sebagai berikut (Rapi,

2009:68).

Konsep Clausius tentang hukum II Termodinamika adalah tidak mungkin

membuat mesin yang kerjanya hanya menyerap panas dari reservoir suhu rendah

dan memindahkan panas ini ke reservoir suhu tinggi tanpa diberikan usaha luar.

Andaikan konsep ini salah, maka dapat dibuat mesin pendingin yang dapat

memindahkan panas dari reservoir suhu rendah ke reservoir suhu tinggi tanpa

usaha dari luar. Andaikan bisa dibuat mesin gabungan yang terdiri dari mesin

pendingin dan mesin kalor, secara skematis digambarkan sebagai berikut.

Reservoir suhu rendah (R1) menerima kalor (q1) dari mesin kalor, namun

kalor (q1) diambil langsung oleh mesin pendingin, ini berarti jumlah kalor yang

4

Gambar 3.

(Sumber : Rapi, 2009:69)

T1 < T2

diterima oleh tendon (reservoir) suhu rendah adalah nol. Sedangkan reservoir

suhu tinggi menerima kalor sebesar (q1) dari mesin pendingin dan memberi kalor

sebesar (q2) yang lebih besar dari (q1) ke mesin kalor. Ini berarti reservoir suhu

tinggi melepas kalor sebanyak |q2|−|q1|. Dari diagram di atas mesin kalor

melakukan usaha sebesar w = |q2|−|q1|.

Dengan kenyataan ini, reservoir suhu tinggi memberikan kalor sebesar

|q2|−|q1| kepada mesin gabungan dan mesin gabungan ini melakukan usaha

sebesar w = |q2|−|q1|. Bila digambarkan mesin gabungan di atas adalah :

Gambar 4. Mesin gabungan yang tidak mungkin

(Sumber : Rapi,2009:69)

Jadi, mesin gabungan ini menentang perumusan Kelvin-Planck.

Berdasarkan kenyataan tersebut dapat disimpulkan, jika perumusan Clausius

salah maka perumusan Kelvin-Planck juga salah.

Cara kedua untuk menunjukkan bahwa perumusan Kelvin-Planck setara

dengan perumusan Clausius, kita menganggap perumusan Kelvin-Planck salah,

maka dapat dibuat mesin gabungan, secara otomatis digambarkan sebagai berikut.

5

Seperti ditunjukkan pada gambar (5) mesin kalor menyerap kalor sebesar

|q2| dari reservoir suhu tinggi dan mengubah kalor ini menjadi usaha, usaha ini

kemudian digunakan untuk menjalankan mesin pendingin.

Ini berarti reservoir suhu tinggi menerima kalor sebesar

|q1|+|w|−|q2|=|q1|+|q2|−|q2|=|q1|, sedangkan reservoir suhu rendah

mengeluarkan panas sebesar |q1|. Jadi, mesin gabungan ini yang merupakan

mesin pendingin ternyata mampu memindahkan kalor dari reservoir suhu rendah

ke reservoir suhu tinggi tanpa memerlukan usaha luar. Hal ini tidak mungkin

karena bertentangan dengan hukum II Termodinamika.

Berdasarkan kedua perbandingan ini, dapat disimpulkan bahwa perumusan

Clausius setara dengan perumusan Kelvin-Planck.

3. Konsekuensi Hukum II Termodinamika

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa proses reversibel

didefinisikan sebagai suatu proses yang bisa balik atau sebagai proses yang

berlangsung secara kuasistatik tanpa adanya disipasi kalor (kalor masuk ke dalam

lingkungan) akibat gaya gesekan. Sedangkan proses didefinisikan perubahan

yang dialami sistem akibat dari adanya interaksi dengan lingkungan. Interaksi itu

dapat berupa usaha luar atau pertukaran kalor. Termodinamika memandang

6

Gambar 5.

(Sumber : Rapi, 2009:70)

GAS

Sistem T

T+dTR1

T+2dTR2

T+3dTR3

T+ndTRn

T+ndT

semua proses yang dijalani sistem berlangsung secara kuasistatik, sehingga setiap

saat keadaan sistem dapat dinyatakan dengan variabel-variabel termodinamika

Bagaimana caranya agar proses berlangsung secara kuasistatik? Hal ini

dapat dilakukan dengan mengadakan beberapa pendekatan. Misalnya proses yang

dijalani sistem akibat dari interaksi melalui usaha luar. Kita pandang suatu sistem

gas di dalam silinder yang dilengkapi dengan piston bebas bergerak tanpa

gesekan seperti pada gambar (6). Supaya sistem dikompresi secara kuasistatik

(proses berlangsung secara kuasistatik), maka piston harus ditekan secara

perlahan-lahan, yaitu misalnya dengan cara menambahkan sedikit demi sedikit

beban di atas piston, sehingga menyebabkan piston akan bergerak secara

perlahan-lahan, jika beban tersebut kembali diambil sedikit demi sedikit posisi

piston akan kembali ke posisi semula.

Pada interaksi termal (melalui pertukaran kalor) di sini ada dua

kemungkinan, kemungkinan pertama : temperatur sistem tetap, dalam hal ini

supaya proses berlangsung secara kuasistatik hanya diperlukan satu reservoir.

Kemungkinan kedua : temperatur sistem berubah, dalarn hal ini supava proses

berlangsung secara kuasistatik, harus disediakan cukup banyak reservoir dengan

perbedaan temperatur relatif kecil, seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

7

Gambar 6.

(Sumber : Rapi, 2009:71)

Gambar 7.

(Sumber: Rapi, 2009:71)

Di dalam praktek, hal ini tidak mungkin dilakukan karena memerlukan waktu

cukup lama.

Berdasarkan Hukum II termodinamika dan definisi proses reversibel

diperoleh beberapa konsekuensi hukum II termodinamika antara lain :

1) Tidak ada mesin kalor yang bekerja bersiklus mempunyai efisiensi lebih

besar dari mesin reversibel jika dioperasikan di antara dua reservoir yang

sama.

2) Semua mesin reversibel yang dioperasikan di antara dua reservoir yang sama

mempunyai efisiensi yang sama.

3) Nol absolut tidak mungkin terjadi (Rapi, 2009:72).

Adapun pembuktian dari konsekuensi yang ketiga diatas adalah sebagai

berikut. Jika mesin kalor Carnot dioperasikan di antara dua reservoir dengan

temperatur T2 dan T1 di mana T2 > T1. Sesuai dengan Hukum I Termodinamika,

maka usaha 1uar yang dihasilkan oleh mesin : w = │q2│-│q1│ atau │q1│=│q2│-

w. Dari definisi efisiensi () mesin kalor Carnot :

η=1−T1

T2 atau η=1−

|q1||q2|

T1

T2

=|q1||q2|

|q1|=|q2|T1

T2

|q2|−w=|q2|T1

T 2

w=|q2| (1−T 1

T 2)

w|q2|

= (1−T 1

T 2)

8

Gambar 8.(Sumber : Rapi,2009:73)

vII = volume spesifik cairanvIII = volume spesifik uap

vIII = volume spesifik uap

a b

cd

vII vIII v

p

T1

T2

= (1− w|q2|)

T 1=T 2 (1−w

|q2|) .............................................................................(1)

Hukum II Termodinamiká menyatakan, tidak mungkin seluruh kalor dapat

diubah menjadi usaha, maka w < q2, sehingga

w|q2|< 1 dan (1 -

w|q2|) selalu

bernilai positif. Jadi, berdasarkan hukum II Termodinamika suhu terendah dari

reservoir yang dapat dicapai oleh mesin Carnot selalu lebih besar dari nol absolut

(dengan kata lain nol absolut tidak mungkin ada).

4. Persamaan Clausius Clapeyron

Sudah diketahui bahwa siklus Carnot merupakan siklus yang reversibel

dan siklus Carnot terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses adiabatik.

Sistem yang dikaji adalah gas yang diasumsikan berupa gas ideal. Tetapi secara

praktis sistem dapat berupa gas, cair, padat atau campuran antara dua wujud

benda.

Persamaan Clausius Clapeyron dapat diturunkan melalui siklus Carnot

dengan menggunakan sistem campuran. Misalkan dipakai sistem campuran antara

cairan dan uap, maka sistem secara bersama-sama menjalani siklus abcd seperti

ditunjukkan pada gambar berikut.

9

Gambar 8.

P

T

dT

dp23

a,bc,b

Gambar 9.

(a) (b) (b) (c) (c) (d)

T,p23T,p23

T,p23p23dp23

T-dT T-dT

p23dp23T-dTp23dp23

TT-dT

Rangkaian proses yang dijalani sistem dapat diilustrasikan seperti gambar berikut.

Proses a — b : Sistem dikontakkan dengan reservoir yang bertemperatur

T. Sejumlah kalor masuk sistem dan sistem berekspansi

secara isotermal dan isobar. Akibat dari interaksi ini

sejumlah cairan berubah phase menjadi gas (perubahan

volume spesifik = vIII - vII).

Proses b — c : Sistem diisolasi dan dibiarkan berekspansi, sehingga

temperatur sistem turun sebesar dT dan tekanan turun

sebesar dp23. Pada proses ini sejumlah cairan berubah

phase menjadi gas.

10

Gambar 10. (Sumber: Rapi, 2009:73)

Gambar 9.

Proses c —d : Sistem dikompresi secara isobarik dan isotermis,

sejumlah kalor keluar sistem dan sejumlah gas berubah

menjadi cairan.

Proses d —a : Sistem dikompresi secara adiabatik, sehingga keadaan

sistem kembali seperti keadaan semula.

Sudah diketahui efisiensi siklus Carnot adalah :

η = wq2

=T2 − T 1

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

Untuk sebagian kecil siklus, persamaan di atas menjadi :

d wq

= dTT ................................................................(3)

Jika q = kalor yang diserap dari reservoir suhu tinggi dan m = massa cairan yang

berubah menjadi gas, maka :

q = m l23.................................................................(4)

Jika perubahan volume di dalam proses adiabatik diabaikan, maka usaha netto

adalah daerah persegi panjang (abcda), maka dapat dirumuskan :

d w = m ( vIII − v II ) dp23 ........................................................(5)

Jika persamaan (5) dibagi dengan persamaan (4), maka persamaan di atas bisa

ditulis :

d wq

=m ( vIII − v II )dp23

ml23 ......................................................(6)

Dengan mensubstitusi persamaan (3) ke persamaan (6), maka diperoleh

persamaan berikut.

11

(v III − v II )dp23

l23

=dTT

dp23

dT=

l23

T (v III − v II ). . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. . .. .. .(7 )

Persamaan (7) disebut persamaan Clausius-Clapeyron,

dp23

dT disebut kecondongan kurva tekanan uap.

dp12

dT disebut kecondongan kurva tekanan peleburan.

dp13

dT disebut kecondongan kurva tekanan sublimasi.

DAFTAR PUSTAKA

Haryadi, Bambang. 2009. Fisika : untuk SMA/MA kelas XI. Jakarta : Pusat

Perbukuan Departemen Pendidikan Nasional.

Rapi,Ni Ketut. 2099. Buku Ajar Termodinamika. Singaraja : FMIPA

UNDIKSHA.

12