Amelia Syifa Herningtyas (08)Teknik Metalurgi dan Material1306368204 Termodinamika-01 RegulerHal ini, selanjutnya, menyebabkan kalor mengalir secara spontan dari resevoir panas ke silinder, dalam upaya untuk membangun kembali kesetimbangan termal antara keduanya. Jika pada saat 1 mol air menguap, tekanan eksternal yang bekerja pada piston meningkat seketika menjadi nilai asli, Pext, kemudian penguapan uap air dan aliran panas berhenti dan kesetimbangan terjadi kembali. Usaha yang dilakukan oleh sistem selama proses ini sama dengan (Pext P)V, dimana V adalah volume molar uap air pada PH2O(T)2. Jika tekanan eksternal yang bekerja pada piston tiba-tiba meningkat dengan jumlah terbatas P, maka piston berakselerasi dengan cepat ke piston. Kompresi uap air meningkatkan tekanan terhadap nilai yang lebih besar dari nilai saturasi, maka kondensasi spontan terjadi, dimana menjadi eksotermik, sehingga meningkatkan suhu di dalam silinder untuk nilai yang lebih tinggi dari T. Suhu gradien antara silinder dan reservoir panas kemudian menyebabkan aliran spontan panas dari silinder ke reservoir. Jika pada saat 1 mol uap air telah terkondensasi, tekanan eksternal yang bekerja pada piston seketika menurun ke nilai aslinya, lalu kesetimbangan terjadi kembali dan kerja yang dilakukan pada sistem sama dengan (Pext + P)V. Perubahan permanen pada kondisi eksternal yang disebabkan oleh proses siklus adalah 2PV.Perhatikan sekali lagi proses penguapan. Jika besarnya Pext menurun dengan jumlah yang sangat kecil sebesar , ketidaksetimbangan yang dihasilkan antara tekanan yang bekerja pada piston menyebabkan silinder bergerak perlahan-lahan keluar dari piston. Perluasan lambat dari uap air menurunkan tekanannya, dan ketika tekanan telah menurun dengan jumlah yang sangat kecil di bawah nilai saturasi, penguapan air dimulai. Proses penguapan membentuk sebuah gradien suhu yang sangat kecil antara reservoir panas dan silinder, dimana mengalir panas laten yang dibutuhkan oleh penguapan air. Semakin kecil nilai , maka semakin lambat juga prosesnya, semakin kecil tingkat undersaturation dari uap air, dan semakin kecil gradien suhu. Semakin lambat proses ini dilakukan, maka semakin besar peluang yang diberikan kepada proses penguapan dan aliran panas untuk "menjaga" kesetimbangan. Jika setelah penguapan 1 mol air tekanan eksternal seketika meningkat ke nilai aslinya Pext, maka usaha yang dilakukan oleh sistem sama dengan (Pext - P)V. Jika tekanan eksternal kemudian meningkat sebesar P, kemudian kerja sebesar (Pext + P)V, dilakukan pada sistem untuk menyingkat 1 mol uap air, dan perubahan permanen dalam keadaan eksternal sama dengan kerja yang dilakukan pada sistem dikurangi kerja yang dilakukan oleh sistem selama proses siklik. Hal ini dipandang bahwa semakin kecil nilai P, maka nilainya semakin mendekati dua keadaan kerja, dan dalam batas bahwa mereka adalah sama, tidak ada perubahan permanen terjadi pada keadaan eksternal, dan karenanya proses siklik telah dilakukan reversibel.Dapat dilihat bahwa sifat reversibel dapat didekati saat penguapan atau proses kondensasi ketika proses tersebut terjadi disaat tekanan uap air pada kondisi tersebut jauh lebih kecil dari tekanan uap jenuh pada temperatur tersebut. Hal ini juga dapat dilihat bahwa dengan pendekatan suatu reversibilitas sempurna, maka proses menjadi jauh lebih lambat.3.6 ENTROPI DAN KALOR REVERSIBELPerhatikan proses penguapan. Usaha yang dilakukan oleh sistem selama penguapan 1 mol dipandang memiliki nilai maksimum, Wmax = PextV, dimana proses ini dilakukan secara reversibel. Setiap proses penguapan ireversibel melakukan sedikit pekerjaan sebesar W = (Pext-P)V. Perubahan nilai U untuk sistem yang disebabkan oleh penguapan 1 mol air tidak tergantung dari apakah proses tersebut dilakukan reversibel atau tidak, dan dengan demikian, dari Hukum Pertama, Eq. (2.1), terlihat bahwa jumlah maksimum panas, qrev, ditransfer dari reservoir panas ke silinder ketika proses dilakukan reversibel, di mana qrev = U + Wmax. Jika proses ini dilakukan secara ireversibel, maka sedikit kalor q ditransfer dari reservoir ke silinder, di mana q = U + W. Perbedaan antara kerja yang dilakukan selama proses reversibel dan yang dilakukan selama proses ireversibel, (Wmax - W), adalah energi mekanik yang telah terdegradasi ke energi panas di dalam silinder sebagai akibat dari proses spontan ireversibel. Panas ini dihasilkan oleh degradasi, yang diberikan sesuai persamaan (qrev - q) = (Wmax - W), dengan fakta bahwa kalor yang ditransfer ke silinder dari reservoir selama proses ireversibel lebih sedikit daripada yang ditransfer selama proses reversibel.Dengan demikian, jika proses penguapan dilakukan secara reversibel, maka kalor qrev akan meninggalkan reservoir panas dan memasuki silinder pada suhu T. Perubahan entropi dari reservoir panas diberikan oleh Persamaan. (3.1) sebagai berikutSheat reservoir = - Dimana tanda negatif menandakan panas yang meninggalkan reservoir panas, dan dengan demikian entropi reservoir berkurang. Perubahan entropi pada air dan uap air di dalam silinder adalah Swater + vapor = Dimana tanda positif menandakan panas yang masuk ke dalam silinder, dan dengan demikian entropi dari isi silinder meningkat. Perubahan entropi dari gabungan uap air reservoir panas adalahStotal = Sheat reservoir + Swater + vapor = 0Perubahan entropi yang bernilai nol diakibatkan proses yang terjadi merupakan proses yang reversibel, sehingga tidak terjadi penurunan entropi selama proses tersebut.Jika penguapan terjadi secara ireversibel kemudian kalor q (q < qrev) ditransfer dari reservoir ke silinder. Perubahan entropi pada reservoir panas adalahSheat reservoir = - Bagaimanapun juga, total kalor yang terdapat pada silinder sama dengan kalor q yang ditransfer dari reservoir panas ditambah panas yang dihasilkan oleh degradasi atau penurunan dari kerja yang diakibatkan dari proses spontan ireversibel. Kerja yang bernilai negatif, (Wmax W), sama dengan (qrev q), dan dengan demikian perubahan entropi pada silinder dapat dinyatakan sebagai

Swater + vapor = Yang mana sama dengan qrev/T. Dengan demikian perubahan entropi dari sistem gabungan yang disebabkan oleh proses spontan ireversibel adalah Stotal = Sreservoir + Swater + vapor = = Jika qrev > q, maka perubahan entropi bernilai positif, dan dengan demikian entopi telah dihasilkan (atau terbentuk) sebagai hasil dari proses ireversibel. Entropi dihasilkan dari (qrev - q)/T, yang disebut sebagai Sirreversible (Sirr) dan itu adalah pengukuran degradasi yang terjadi sebagai hasil dari proses tersebut. Dengan demikian, untuk proses penguapan, terlepas dari derajat ireversibilitas, persamaan entropinya adalah sebagai berikutSwater + vapor = SirrProses kondensasi menunjukkan bahwa kerja yang dilakukan pada sistem memiliki nilai minimum ketika kondensasi dilakukan secara reversibel, dan searah, dan kalor yang ditransfer dari silinder ke reservoir panas memiliki nilai miminum qrev. Jika proses ini dilakukan secara ireversibel maka kerja yang dilakukan harus lebih besar, dan kerja berlebih yang melewati nilai minimum yang diperlukan adalah kerja yang terdegradasi panas dalam proses ireversibel. Selanjutnya, kalor tambahan adalah selisih antara kalor yang meninggalkan silinder q, dan kalor minimum qrev.Dengan demikian, persamaan entropi untuk kondensasi reversibel adalah

Swater + vapor = Sheat reservoir = Dan Stotal = 0Dimana, entropi tidak terbentuk.Untuk kondensasi ireversibel, persamaan entropinya adalah,Swater + vapor = = Sheat reservoir = DanStotal = =Dan jika q > qrev, maka terlihat bahwa entropi telah terbentuk sebagai hasil dari proses ireversibel. Entropi terbentuk sebesar Sirr, dan dengan demikian, perubahan entropi pada air dan uap air adalahSwater + vapor = SirrSifat yang paling penting yang perlu diperhatikan dari persamaan (3.2) dan (3.3) adalah selama proses berlangsung dari keadaan awal ke keadaan akhir [baik pada proses penguapan atau kondensasi untuk 1 mol air pada tekanan PH20 (T), dan temperatur T], persamaan (3.2) dan (3.3) pada sisi kiri bernilai konstan, sama dengan, masing-masing qrev/T dan - qrev/T. Perbedaan entropi antara keadaan akhir dan keadaan awal adalah tidak bergantung pada proses yang dilakukan baik itu reversibel maupun ireversibel dan tidak bergantung pula pada jalur proses yang disimpulkan sebagai perbedaan antara nilai dari fungsi keadaan. Fungsi keadaan ini adalah entropi dan persamaan entropi pada proses yang berlangsung dari keadaan A ke keadaan B adalahS = SB - SA = Sirr = Persamaan (3.4b) menunjukkan bahwa perubahan entropi dapat ditentukan hanya dengan mengukur kalor yang mengalir pada temperatur T, lalu perubahan entropi hanya dapat diukur untuk proses yang reversibel, dimana kalor mengalir yang diukur adalah q rev dan S = 0.3.7 KOMPRESI ISOTERMAL REVERSIBEL PADA GAS IDEALPerhatikan kompresi isotermal reversibel dari 1 mol gas ideal dari keadaan (VA, T) ke keadaan (VB, T). Gas ditempatkan pada kontak termal dengan reservoir panas pada temperatur T, dan berdasarkan aplikasi berat jatuh, gas yang dikompresi cukup lambat selama proses kompresi, dengan tekanan yang diberikan pada gas hanya sedikit lebih besar dari tekanan sesaat dari pada gas, Pinst, dimana Pinst = RT / Vinst. Keadaan gas pada temperatur T konstan pada permukaan P-V-T (Gambar 1.1 dan 1.3a), dan karenanya gas melewati sebuah kontinum dari keadaan kesetimbangan selama proses dari keadaan (VA , T) ke keadaan (VB, T). Saat gas tidak pernah keluar dari kesetimbangan, yaitu, proses reversibel, tidak ada degradasi yang terjadi, dan dengan demikian entropi tidak terbentuk. Entropi hanya ditransfer dari gas ke reservoir panas, dimana gas tersebut diukur sebagai kalor yang masuk dibagi dengan temperatur T*. Saat kompresi dilakukan nilai U = 0, dan dengan demikian kerja yang dilakukan pada gas = kalor yang ditarik dari gas, yaitu, *Sifat yang terkait dengan reservoir panas pada suhu konstan adalah bahwa reservoir hanya mengalami efek panas atau kalor dan tidak melakukan kerja pada reservoir. "Kalorimeter es," yang terdiri dari sistem es dan air pada suhu 0 C dan tekanan 1 atm, adalah contoh dari reservior panas sederhana pada suhu konstan. Panas yang mengalir masuk atau keluar dari kalorimeter ini pada suhu 0 C diukur sebagai perubahan yang terjadi pada rasio es ke air sebagai hasil dari aliran panas (kalor), dan sebagai volume molar es yang lebih besar daripada air, perubahan rasio ini diukur sebagai perubahan volume total es + air pada kalorimeter. Sebenarnya, jika panas mengalir keluar dari kalorimeter, lalu terjadi pembekuan air, volume sistem meningkat, dan juga kalorimeternya, walaupun pada kenyataannya, kalorimeter melakukan kerja ekspansi terhadap tekanan atmosfer. Namun, rasio kerja yang dilakukan pada ekspansi panas yang meninggalkan sistem cukup kecil dan menunjukkan bahwa efek kerja dapat diabaikan, seperti yang digambarkan di bawah ini.Pada suhu 0 C dan tekanan 1 atm, volume molar es adalah 19.8 cm3, dan volume molar air adalah 18 cm3. Dengan demikian, kerja yang dilakukan terhadap atmosfer selama pembekuan 1 mol air pada suhu 0 C adalah 1 x 1.8 x 10-3 x 101.3 = 0.182 J. Panas laten pada pembekuan 1 mol air adalah 6 kJ. Di sisi lain, berat jatuh yang melakukan kerja kompresi tidak mengalami efek panas, dan karena perubahan entropi disebabkan oleh aliran panas, maka perubahan entropi tidak terjadi pada saat berat jatuh.Wmax = qrevDimanaWmax = Dengan VB < VA, maka Wmax bernilai negatif, sesuai dengan fakta bahwa kerja dilakukan pada gas. Transfer panas dari gas ke reservoir menyebabkan perubahan entropi pada gas sebesarSgas = Dimana entropi ini juga bernilai negatif. Akibatnya, karena tidak ada perubahan total entropi sistem selama kompresi reversibel, maka perubahan entropi dari reservoir diberikan oleh persamaan sebagai berikutSheat reservoir = -Sgas 3.8 EKSPANSI ADIABATIK REVERSIBEL PADA GAS IDEALPerhatikan ekspansi adiabatik reversibel pada 1 mol gas ideal dari keadaan (PA, TA) ke keadaan (PB, TB). Untuk proses reversibel, proses tersebut harus dilakukan dengan cukup lambat sehingga selama proses tersebut, keadaan gas terletak pada permukaan P-V-T-nya, dan, seperti yang telah ditunjukkan pada Bab. 2, kondisi ini, bersamaan dengan kondisi yang q = 0 (proses adiabatik), menyatakan bahwa jalur proses di permukaan P-V-T mengikuti garis PV = konstan.