Bab 15
Bab 15
Hukum
Daftar Isi Bab 15
Daftar Isi Bab 15
•
• Hukum Termodinamika PertamaHukum Termodinamika Pertama •
• Proses Termodinamika dan Hukum PertamaProses Termodinamika dan Hukum Pertama •
• Metabolisme Manusia dan Hukum Metabolisme Manusia dan Hukum PertamaPertama •
• Hukum Termodinamika KeduaHukum Termodinamika Kedua — — PendahuluanPendahuluan •
• Mesin Kalor Mesin Kalor •
Daftar Isi Bab 15
Daftar Isi Bab 15
•
• Entropi dan Hukum Kedua TermodinamikaEntropi dan Hukum Kedua Termodinamika •
• Keteraturan Menuju KetidakteraturanKeteraturan Menuju Ketidakteraturan •
• Ketidaktersediaan Energi; Kematian Kalor Ketidaktersediaan Energi; Kematian Kalor •
• Intrepretasi Statistik Entropi dan Hukum KeduaIntrepretasi Statistik Entropi dan Hukum Kedua •
15-1 Hu
15-1 Hukum T
kum Termodinamik
ermodinamika Pert
a Pertama
ama
Perubahan energi internal dari sistem tertutup sama Perubahan energi internal dari sistem tertutup sama den
dengan engan enerergi yangi yang ditag ditambmbahkahkanan padpadanyanyaa miminus usanus usahaha yang d
yang dilakuilakukan olkan olehnyaehnya pada sepada sekitarnkitarnya.ya.
Ini adalah
Ini adalah hukum konservasi energihukum konservasi energi, dalam bentuk yang, dalam bentuk yang berguna u
berguna untuk sistem yang mntuk sistem yang melibatkan transfer panas.elibatkan transfer panas.
(15-1) (15-1)
Dalam proses isotermal, temperatur tidak berubah.
15-2 Proses Termodinamika
dan Hukum Pertama
Agar proses isotermal berlangsung, kita berasumsi bahwa sistem berkontak dengan reservoir kalor.
Secara umum, kita berasumsi bahwa sistem tetap dalam kesetimbangan selama keseluruhan proses.
15-2 Proses Termodinamika
dan Hukum Pertama
15-2 Proses Termodinamika
dan Hukum Pertama
Dalam proses adiabatik , tidak ada kalor yang mengalir masuk ke atau keluar dari sistem.
15-2 Proses Termodinamika
dan Hukum Pertama
Proses isobarik (a) muncul pada tekanan konstan;
Jika tekanan konstan, usaha yang dilakukan adalah tekanan dikali perubahan volume:
Dalam proses isometrik, volume tidak berubah; sehingga usaha yang dilakukan adalah nol.
15-2 Proses Termodinamika
dan Hukum Pertama
15-2 Proses Termodinamika
dan Hukum Pertama
Dalam proses di mana tekanan bervariasi, usaha yang dikerjakan adalah daerah di bawah kurva P -V .
15-2 Proses Termodinamika
dan Hukum Pertama
15-3 Metabolisme Manusia
dan Hukum Pertama
Jika kita menerapkan hukum pertama termodinamika pada tubuh manusia
kita tahu bahwa tubuh dapat melakukan usaha.
Agar energi internal tidak turun, harus ada energi yang masuk. Energi masuk ini tidak dalam bentuk kalor;
tubuh kehilangan kalor ketimbang menyerapnya.
Nyatanya, energi itu adalah energi potensial kimia yang tersimpan dalam makanan.
15-3 Metabolisme Manusia
dan Hukum Pertama
Laju metabolik adalah laju transformasi energi internal di dalam tubuh.
15-4 Hukum Termodinamika Kedua
—
Pendahuluan
Tidak adanya proses seperti yang digambarkan di atas menunjukkan bahwa konservasi energi bukanlah
keseluruhan cerita. Jika demikian, film yang berjalan mundur akan terlihat normal untuk kita!
15-4 Hukum Termodinamika Kedua
—
Pendahuluan
Hukum kedua termodinamika adalah pernyataan
tentang proses yang terjadi dan yang tidak. Ada banyak cara untuk menyatakan hukum kedua; di sini salah
satunya:
Kalor dapat mengalir secara spontan dari benda panas ke benda dingin; tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.
15-5 Mesin Kalor
Sangat mudah untuk menghasilkan energi termal melalui usaha, tapi bagaimana menghasilkan usaha dari energi termal?
Ini adalah mesin kalor; energi mekanis dapat diperoleh dari
energi termal hanya ketika kalor dapat mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah.
15-5 Mesin Kalor
Kita hanya membahas mesin yang berjalan dalam siklus berulang ; perubahan energi internal selama siklus itu
adalah nol, karena sistem kembali ke keadaan awal. Wadah suhu tinggi mentransfer sejumlah kalor QH ke mesin, di mana sebagian diubah menjadi kerja W dan sisanya, QL, dialirkan ke wadah temperatur yang lebih rendah.
Mesin uap adalah salah satu jenis mesin kalor.
Mesin pembakaran internal juga adalah satu jenis mesin kalor.
15-5 Mesin Kalor
Mengapa mesin kalor membutuhkan perbedaan temperatur ?
Jika tidak berbeda, usaha yang dilakukan pada sistem di satu bagian dari siklus akan sama dengan usaha yang
dilakukan oleh sistem di bagian lain, dan usaha neto akan menjadi nol .
15-5 Mesin Kalor
Efisiensi dari mesin kalor adalah rasio usaha yang dikerjakan terhadap kalor input:
Dengan konservasi energi demi mengeliminasi W , kita dapatkan:
(15-4a)
(15-4b)
15-5 Mesin Kalor
Mesin Carnot dibuat untuk menguji efisiensi mesin kalor. Mesin ini ideal , karena tidak memiliki gesekan.
Setiap tahap dari siklusnya bersifat reversibel . Siklus Carnot terdiri dari:
• ekspansi isotermal • ekspansi adiabatik • kompresi isotermal • kompresi adiabatik
Untuk mesin reversibel yang ideal, efisiensi dapat ditulis dalam konteks suhu:
Dari sini kita melihat bahwa efisiensi 100% dapat dicapai hanya jika wadah dingin berada pada nol absolut , yang mana tidak mungkin.
Mesin nyata memiliki beberapa kerugian gesekan; yang terbaik mampu mencapai 60-80% dari nilai efisiensi
Carnot .
15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara,
dan Pompa Kalor
Peralatan seperti ini dapat dianggap sebagai mesin kalor yang beroperasi secara terbalik .
Seiring usahanya, panas
diambil dari wadah dingin dan dibawa keluar ke wadah panas.
15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara,
dan Pompa Kalor
15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara,
dan Pompa Kalor
Kinerja refrigerator diukur dengan koefisien kinerja (COP):
15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara,
dan Pompa Kalor
15-7 Entropi dan
Hukum Kedua Termodinamika
Definisi dari perubahan entropi S ketika sejumlah kalor Q ditambahkan:
Pernyataan lain dari hukum kedua termodinamika: Total entropi dari sistem terisolasi tidak pernah berkurang.
15-8 Keteraturan menuju Ketidakteraturan
Entropi adalah ukuran dari ketidakteraturan sistem. Ini memberi kita pernyataan lain dari hukum kedua:
Proses alami cenderung bergerak ke arah keadaan ketidakteraturan yang lebih besar.
Contoh: Jika Anda memasukkan susu dan gula ke dalam kopi kemudian mengaduknya, Anda mendapatkan kopi yang rasa susu dan manisnya seragam. Tidak ada jumlah pengadukan yang akan memisahkan lagi susu dan gula
15-8 Keteraturan menuju Ketidakteraturan
Contoh lain: Ketika tornado mendera bangunan, terjadi kerusakan besar. Anda tidak pernah melihat tornado
melewati tumpukan puing-puing dan membuatnya menjadi bangunan.
Kesetimbangan termal adalah proses yang serupa —
keadaan akhir yang seragam akan memiliki lebih banyak ketidakteraturan daripada tiap temperatur pada keadaan awal.
15-8 Keteraturan menuju Ketidakteraturan
Pertumbuhan individu dan evolusi spesies, keduanya adalah proses peningkatan keteraturan. Apakah mereka melanggar hukum kedua termodinamika?
Tidak! Mereka bukan sistem terisolasi. Energi
mendatangi mereka dalam bentuk makanan, sinar matahari, dan udara; dan energi juga meninggalkan mereka.
Hukum kedua termodinamika mendefinisikan panah waktu — proses akan terjadi yang tidak reversibel,
15-9 Ketidaktersediaan Energi;
Kematian Kalor
Konsekuensi lain dari hukum kedua:
Dalam setiap proses alami, sebagian energi menjadi tidak tersedia untuk melakukan usaha yang
bermanfaat.
Jika kita melihat alam semesta sebagai keseluruhan, tampaknya tak terelakkan bahwa, karena semakin
banyak energi yang diubah menjadi bentuk yang tidak tersedia, kemampuan untuk melakukan usaha di mana saja secara bertahap akan lenyap. Ini disebut kematian kalor alam semesta.
15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi
dan Hukum Kedua
Sebuah keadaan makro dari sistem ditentukan dengan memberikan sifat makroskopiknya — temperatur,
tekanan, dan sebagainya.
Sebuah keadaan mikro sistem menggambarkan posisi dan kecepatan dari setiap partikel.
Untuk setiap keadaan makro, ada satu atau lebih keadaan mikro.
Contoh sederhana: Melemparkan empat koin. Keadaan makro menjelaskan berapa banyak sisi kepala dan sisi ekor yang ada; keadaan mikro mendaftarkan berbagai cara untuk mencapai keadaan makro itu.
15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi
dan Hukum Kedua
15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi
dan Hukum Kedua
Dengan asumsi bahwa tiap keadaan mikro sama
mungkinnya untuk terjadi, probabilitas keadaan makro tergantung pada berapa banyak keadaan mikronya.
Jumlah keadaan mikro akan cepat menjadi sangat besar jika terdapat koin lebih dari 100 ketimbang 4.
Tabel pada slide berikut ini mendaftarkan beberapa keadaan makro, berapa banyak keadaan mikro yang mereka miliki, dan probabilitas relatif bahwa setiap keadaan makro akan terjadi.
Perhatikan bahwa probabilitas mendapatkan kurang dari 20 kepala atau ekor adalah sangat kecil.
15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi
dan Hukum Kedua
15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi
dan Hukum Kedua
Kini dapat kita katakan bahwa hukum kedua tidak melarang proses tertentu; tiap keadaan mikro sama mungkinnya. Tapi, beberapa memiliki probabilitas sangat rendah untuk terjadi — danau beku di musim
panas, peralatan rusak terakit-ulang dengan sendirinya; semua udara di ruangan bergerak ke satu sudut.
Ingat tentang menjadi begitu rendahnya beberapa probabilitas hanya dalam perubahan dari 4 koin ke
100 — jika kita menangani dengan banyak mol dari
materi, mereka dapat menjadi begitu langka sehingga secara efektif menjadi tidak mungkin.
15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global,
dan Sumber Energi
Pembangkitan listrik sering kali melibatkan sejenis
mesin kalor, yang didukung biomassa (a) ataupun tenaga surya (b). Menara pendingin (c) adalah fitur dari banyak pembangkit listrik.
15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global,
dan Sumber Energi
Output dari mesin kalor, QL, disebut polusi
termal, karena harus
15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global,
dan Sumber Energi
Polusi udara dipancarkan oleh pembangkit listrik, industri, dan konsumen. Sebagian besar bentuk
pembakaran juga mengakibatkan penumpukan CO2 di atmosfer, berkontribusi terhadap pemanasan global. Ini dapat diminimalkan melalui pilihan hati-hati terhadap bahan bakar dan proses.
Bagaimanapun, polusi termal adalah konsekuensi dari hukum kedua dan tidak dapat dihindari; yang dapat
dikurangi hanya dengan mengurangi jumlah energi yang kita gunakan.
15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global,
dan Sumber Energi
Penyelesaian soal termodinamika:
1. Tentukan apa saja bagian dari sistem dan apa bagian dari lingkungan.
2. Cermati tanda untuk usaha dan kalor saat memakai hukum pertama termodinamika.
3. Cermati satuan; pastikan bahwa Anda menggunakan satuan yang sama di keseluruhan soal.
15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global,
dan Sumber Energi
4. Ungkapkan temperatur dalam kelvin. 5. Efisiensi selalu lebih kecil daripada 1.
6. Entropi meningkat ketika kalor ditambahkan, dan menurun ketika kalor dihilangkan.
• Hukum pertaman termodinamika:
• Proses isotermal: temperatur bersifat konstan. • Proses adiabatic: tidak ada pertukaran kalor.
• Usaha yang dikerjakan oleh gas pada tekanan konstan:
• Mesin kalor mengubah kalor
menjadi usaha bermanfaat; perlu perbedaan temperatur.
• Efisiensi dari mesin kalor:
Rangkuman Bab 15
(15-1)
(15-4a)
(15-4b) atau
• Batas atas dari efisiensi:
• Refrigerator dan pengkondisi udara bekerja mengekstraksi
kalor dari daerah dingin dan mengirimnya ke daerah hangat:
• Pompa kalor juga serupa:
