TERMODINAMIKA -...

21
TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk T di ik k 2 Hukum Termodinamika ke-2 Mesin Kalor Mesin Kalor Prinsip Carnot & Mesin Carnot FI-1101: Termodinamika, Hal 1

Transcript of TERMODINAMIKA -...

Page 1: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA

Hukum Termodinamika ke-0

Hukum Termodinamika ke-1

H k T di ik k 2Hukum Termodinamika ke-2

Mesin KalorMesin Kalor

Prinsip Carnot & Mesin Carnot

FI-1101: Termodinamika, Hal 1

Page 2: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Kesetimbangan Termal & HukumKesetimbangan Termal & HukumKesetimbangan Termal & Hukum Kesetimbangan Termal & Hukum Termodinamika keTermodinamika ke--00

Jika dua buah benda dengan suhu yang berbedaJika dua buah benda dengan suhu yang berbeda diletakkan sedemikian rupa sehingga terjadi kontak, maka lama-kelamaan kedua benda akan mempunyai suhu yang sama. Kemudian dikatakan bahwa kedua benda

l i k ti b t lmengalami kesetimbangan termal.

Hukum termodinamika ke-0; Jika dua buah sistem berada dalam keadaan kesetimbangan termal dengan sistem ke-3, maka kedua sistem itu berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.Mi lk d 3 b h i t A B d C Jik T T dMisalkan ada 3 buah sistem A, B, dan C. Jika TA = TC danTB = TC, maka TA = TB.

FI-1101: Termodinamika, Hal 2

Page 3: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Hukum I TermodinamikaHukum I Termodinamika

Energi dalam sistem bersifat konservatif, perubahan energi g , p gdalam hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir.

• ΔU = Uf – Ui

• dU = Cv dTKalor adalah energi yang mengalir atau berpindah karena

perbedaan temperatur. Kalor masuk/keluar ini menyebabkan perubahan keadaan sistem (P,V, T, U, dsb.)dQ = C dT

Usaha W merupakan mekanisme transfer energi antara sistem & lingkungannya.

( )∫∫∫fff

ddddx

FI-1101: Termodinamika, Hal 3

( )∫∫∫ −=Δ====i

ifii

VVPVPPdVPAdxdWWF=PA

mg

Page 4: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Hukum I Termodinamika…Hukum I Termodinamika…

Hukum I Termodinamika

Energi dalam suatu sistem berubah dari nilai awal Ui to a ke suatu nilai akhir Uf karena panas Q dan kerja W:

ΔU = Uf - Ui = Q - W

Q positif ketika sistem menerima panas dan negatif jika kehilangan panas. W positif jika kerja dilakukan oleh sistemdan negatif jika kerja dilakukan pada sistem

FI-1101: Termodinamika, Hal 4

Page 5: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan)Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan)

Proses Isobarik (Tekanan Tetap) untuk sistem gas ideal

( )T

f

iif VVPPdVW

f

−== ∫ Pf

f

i

i

TP

TP

=

( )if

T

Tp

VVPdTCU

dTCQ

f

f

i

−−=Δ

=

∫ a b

Vo V1

Proses Isokhorik (Volume Tetap) untuk sistem gas idealf

( )ifT

p VVPdTCUi

Δ ∫V

Vo V1

∫ ==

fT

f

i

d

PdVW 0 P

P

P1 bf

f

i

i

VT

VT

=

FI-1101: Termodinamika, Hal 5

∫==ΔiT

V dTCQUV

Po a

Page 6: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)

Proses Isotermal (Temperatur Tetap) untuk sistem gas idealideal

WQdTCUfT

V =⇒==Δ ∫ 0

Pb

iTV∫

Va

Selanjutnya dari persamaan gas idealSelanjutnya dari persamaan gas ideal

==⇒==CnRTPkonsnRTPV tan 0

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛==== ∫ ∫

i

f

i

ff

i

f

i VV

NkTVV

nRTdVV

nRTPdVWQ

VV

lnln

FI-1101: Termodinamika, Hal 6

⎠⎝⎠⎝ iii i

Page 7: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)

Proses Adiabatik (tidak ada pertukaran kalor) untuk gas idealideal.

PbWUQ −=Δ⇒= 0

Τ2

VaSelanjutnya dari persamaan gas ideal Τ1

dTCdVV

nRTdVV

nRTPdVdW

dTCdU

V

V

−=⇒==

=

tanlnln konsTnRC

VTdT

nRC

VdV

VVVV +−=⇒−=

FI-1101: Termodinamika, Hal 7

Page 8: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Proses Adiabatik (sambungan )Proses Adiabatik (sambungan )Proses Adiabatik (sambungan …)Proses Adiabatik (sambungan …)

MengingatMengingat

( ) 1C

nRCC

V

Vp

⎟⎞

⎜⎛

=−

( ) ( )

tanln1ln

111

konsTV

nRC

nRC VV

+⎟⎟⎞

⎜⎜⎛−=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−

−=⇒=−γ

γ

( )tanln

tanln1

ln

1 konsCTV

konsTV

==

+⎟⎟⎠

⎜⎜⎝ −−=

−γ

γ

Dengan demikian

tt1 kCPVkCVPV − γγ

FI-1101: Termodinamika, Hal 8

tantan 11 konsCPVkonsCV

nR==⇒== γγ

Page 9: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Contoh Gas IdealContoh Gas Ideal

The temperature of three moles of a monatomic ideal gasis reduced from Ti = 540 K to Tf = 350 K by two different methods. In the first method 5500 J of heat flows into the gas, while in the second, 1500 J of heat flows into it. In each case find:

(a) the change in the internal energy(a) the change in the internal energy(b) the work done by the gas.

FI-1101: Termodinamika, Hal 9

Page 10: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Hukum II TermodinamikaHukum II Termodinamika

Pernyataan tentang aliran kalor / panas

Kalor mengalir secara spontan dari suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih tinggi ke suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih rendahbenda/zat yang berada pada temperatur yang lebih rendah dan tidak dapat mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

FI-1101: Termodinamika, Hal 10

Page 11: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

MESIN KALORMESIN KALORMESIN KALOR MESIN KALOR

Sebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yangSebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yang menggunakan kalor/panas untuk melakukan usaha/kerja.

Mesin kalor memiliki tiga ciri utama:g

1. Kalor dikirimkan ke mesin pada temperatur yang relatif tinggi dari suatu tempat yang disebut reservoar panas.

2. Sebagian dari kalor input digunakan untuk melakukan kerja oleh working substance dari mesin, yaitu material dalam mesin yang secara ktual melakukan kerja (e.g., campuran bensin-udara dalam mesin mobil).p )

3. Sisa dari kalor input heat dibuang pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur input ke suatu tempat yang disebut reservoar dingin.

FI-1101: Termodinamika, Hal 11

Page 12: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Sk M i K lSkema Mesin Kalor

Gambar ini melukiskan skema mesin kalor.

QH menyatakan besarnya inputQH menyatakan besarnya inputkalor, dan subscript H menyatakan hot reservoir.

Q menyatakan besarnya kalorQC menyatakan besarnya kalor yang dibuang, dan subscript C merepresentasikan cold reservoirreservoir.

W merepresentasikan kerja yang dilakukan.

FI-1101: Termodinamika, Hal 12

Page 13: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Mesin Kalor ….Mesin Kalor ….

Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi, sebuah mesin kalor harus mengasilkan jumlah kerja yang besar darikalor harus mengasilkan jumlah kerja yang besar dari sekecil mungkin kalor input. Karenanya, efisiensi, e, dari suatu mesin kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang dilakukan oleh mesin W dengan kalor j y g ginput QH:

(15. 1)QW

IdilakukanygKerjae ==

( 5 )

Jika kalor input semuanya dikonvesikan menjadi kerja, maka mesin akan mempunyai efisiensi 1 00 karena W =

HQpanasInput

maka mesin akan mempunyai efisiensi 1.00, karena W QH; dikatakan mesin ini memiliki efisiensi 100%. Apakah ini mungkin?, kita kan lihat nanti.

FI-1101: Termodinamika, Hal 13

Page 14: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Mesin Kalor ….Mesin Kalor ….

Sebuah mesin harus mengikuti prinsip konservasi energiSebuah mesin, harus mengikuti prinsip konservasi energi. Sebagian dari kalor input QH diubah menjadi kerja W, dan sisanya QC dibuang ke cold reservoir. Jika tidak ada lagi kehilangan energi dalam mesin, maka prinsip konservasi

i h d ki b henergi menghendaki bahwa:QH = W + QC (15.2)

Selesaikan persamaan ini untuk W kemudian masukkan hasilnya ke dalam persamaan 15.1 akan menghasilkan pernyataan lain untuk efisiensi e dari sebuah mesin kalor:

(15.3)H

C

H

CH

QQ

QQQe −=

−= 1

FI-1101: Termodinamika, Hal 14

Page 15: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Contoh 1: Contoh 1: An Automobile EngineAn Automobile Engine

Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22 0% danSebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22.0% dan menghasilkan kerja sebesar 2510 J. Hitung jumlah kalor yang dibuang oleh mesin itu.

SolusiDari persamaan 15.1 untuk efisiensi e, diperoleh bahwa QH = W/e. Substitusikan hasil ini kedalam persamaanQH W/e. Substitusikan hasil ini kedalam persamaan 15.2, akan diketahui bahwa jumlah kalor yang dibuang adalah

W 1 ⎞⎛ JJWe

WWQQ HC 8900122.012510 =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ −=−=−=

FI-1101: Termodinamika, Hal 15

Page 16: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

P i i C t d M i C tP i i C t d M i C tPrinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin Carnot

Bagaimana membuat mesin kalor beroperasi denganBagaimana membuat mesin kalor beroperasi dengan efisiensi maksimum?

Insinyur Prancis Sadi Carnot (1796 1832) mengusulkanInsinyur Prancis Sadi Carnot (1796–1832) mengusulkan bahwa sebuah mesin kalor akan memiliki efisiensi maksimum jika proses-proses dalam mesin adalah reversibel (dapat balik).

Suatu proses reversibel adalah suatu keadaan dimana kedua sistem dan lingkungannya dapatdimana kedua sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan semula, sama persis seperti sebelum terjadinya proses.

FI-1101: Termodinamika, Hal 16

Page 17: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot…Prinsip Carnot dan Mesin Carnot…

Prinsip Carnot : Sebuah alternatif penyataan Hukum IIPrinsip Carnot : Sebuah alternatif penyataan Hukum II Termodinamika

Tidak ada mesin non-reversibel yang beroperasi antara dua y g preservoar pada suhu konstan dapat mempunyai efisiensi yang lebih besar dari sebuah mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama. Selanjutnya, semua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatursemua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama memiliki efisiensi yang sama.

FI-1101: Termodinamika, Hal 17

Page 18: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Prinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin Carnot ……

Tidak ada mesin nyataTidak ada mesin nyata yang beroperasi secara reversibel. Akan tetapi, ide mesin reversibel

Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwasemua kalor input reversibel

memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar

pQH berasal dari suatu hot reservoir pada satu temperatur tunggalmesin nyata. Gambar

ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin Carnot, yang secara

p ggTH dan semua kalor yang dibuang QCpergi menuju suatu cold reservoir pada Ca ot, ya g seca a

khusus berguna sebagai model ideal.

satu temperatur tunggal TC.

FI-1101: Termodinamika, Hal 18

Page 19: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Prinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin Carnot ……

Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang dibuang QC dengan kalor input QH dapa dinyatakan dengan g C g p H p y gpersamaan berikut:

(15.4)H

C

H

C

TT

QQ

=

dengan TC dan TH dalam kelvins (K).

HH TQ

Efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebgai berikut:

(15.5)CC TQe −=−= 11

Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang ki d i t i k l b i t T

HH TQe == 11

FI-1101: Termodinamika, Hal 19

mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TCdan TH

Page 20: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Contoh: A Tropical Ocean as a Heat EngineContoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine

Air dekat permukaan laut tropis mempunyaiAir dekat permukaan laut tropis mempunyai temperatur 298.2 K (25.0 °C), sementara 700 m di bawah permukaan mempunyai temperatur 280 2 K (7 0 °C) Telah diusulkan bahwa air280.2 K (7.0 C). Telah diusulkan bahwa air hangat sebagai hot reservoir dan air dingin sebagai cold reservoir dari suatu mesin kalor. Tentukan efisiensi maksimum dari mesin iniTentukan efisiensi maksimum dari mesin ini.

FI-1101: Termodinamika, Hal 20

Page 21: TERMODINAMIKA - bayubuwana.web.unej.ac.idbayubuwana.web.unej.ac.id/.../2015/11/Kuliah-13-Termodinamika-1.pdf · TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hk

Contoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine…Contoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine…

Solusi:Solusi:Efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor, adalah mesin Carnot yang b i T d Tberoperasi antara TC dan TH

Gunakan TH = 298.2 K danTC = 280.2 K ke H Cdalam persamaan 15.5, diperoleh:

2280 ⎞⎛ KTC %)6(06.02,2982,28011 =⎟

⎞⎜⎝

⎛−=−=

KK

TTe

H

C

FI-1101: Termodinamika, Hal 21