Hukum Termodinamika ik ke-2. Hukum Termodinamika ke-1. Prinsip Carnot & Mesin Carnot. FI-1101: Termodinamika, Hal 1

(1)

TERMODINAMIKA

Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 H k T di ik k 2 Hukum Termodinamika ke-2 Mesin Kalor

Mesin Kalor

(2)

Kesetimbangan Termal & Hukum

Termodinamika ke

Termodinamika ke--0

0

z Jika 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 l mengalami kesetimbangan termal.

z 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 d Misalkan ada 3 buah sistem A, B, dan C. Jika T_A = T_C dan T_B = T_C, maka T_A = T_B.

(3)

Hukum I Termodinamika

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

• ΔU = U_f – U_i

• dU = Cv dT

Kalor 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.

(

)

∫

f d f d f d dx

(

)

∫

= = = Δ = − = i i f i i V V P V P PdV PAdx dW W F=PA mg

(4)

Hukum I Termodinamika…

z Hukum I Termodinamika

z Energi dalam suatu sistem berubah dari nilai awal U_i to a ke suatu nilai akhir U_f karena panas Q dan kerja W:

ΔU = U_f - U_i = Q - W

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

(5)

Hukum I Termodinamika

(Beberapa contoh penerapan)

Hukum I Termodinamika

(Beberapa contoh penerapan)

Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan)

z Proses Isobarik (Tekanan Tetap) untuk sistem gas ideal

(

)

T f i i f V V P PdV W f − = =

∫

_P f f i i T P TP =

(

f i

)

T T p V V P dT C U dT C Q f f i − − = Δ =

∫

a b Vo V1

z Proses Isokhorik (Volume Tetap) untuk sistem gas ideal

f

(

f i

)

T pdT PV V C U i Δ

∫

V Vo V1

∫

= = f T f i d PdV W 0 P P P1 b f f i i V T VT =

∫

= = Δ i T V dT C Q U V Po _a

(6)

Hukum I Termodinamika

(Beberapa contoh penerapan )

Hukum I Termodinamika

(Beberapa contoh penerapan )

Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)

z Proses Isotermal (Temperatur Tetap) untuk sistem gas ideal ideal

W

Q

dT

C

U

f T V

=

⇒

=

Δ

∫

0

P b i T V

∫

V a

Selanjutnya dari persamaan gas ideal Selanjutnya dari persamaan gas ideal

=

⇒

=

nRT

kons

P

nRT

C

PV

tan

0

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

∫

i f i f f i f i

V

NkT

V

nRT

dV

V

nRT

PdV

W

Q

V

ln

⎠

⎝

⎠

⎝

i i i i

(7)

Hukum I Termodinamika

(Beberapa contoh penerapan )

Hukum I Termodinamika

(Beberapa contoh penerapan )

Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)

z Proses Adiabatik (tidak ada pertukaran kalor) untuk gas ideal ideal. P b

W

U

Q

= 0

⇒

Δ

=

−

Τ2 V a

Selanjutnya dari persamaan gas ideal _Τ1

dT C dV V nRT dV V nRT PdV dW dT C dU V V − = ⇒ = = = tan ln ln T kons nR C V T dT nR C V dV V V V V ⇒ = − + − =

(8)

Proses Adiabatik (sambungan

)

Proses Adiabatik (sambungan

)

Proses Adiabatik (sambungan …)

z Mengingat z Mengingat

(

)

C

1 nR

C

V V p

⎟

⎞

⎜

⎛

=

−

(

)

₍

₎

tan

ln

1 ln

1

1 kons

T

V

nR

C

nR

C

_V V

+

⎟⎟

⎞

⎜⎜

⎛

−

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

−

=

⇒

=

−

γ

(

)

tan

ln

tan

ln

1 ln

1

kons

C

TV

kons

T

V

=

+

⎟⎟

⎠

⎜⎜

⎝

−

=

− γ

γ

z Dengan demikian

t

1

k

C

PV

k

C

V

PV

_γ₋ _γ

tan

₁ 1

kons

C

PV

kons

C

V

γ

=

⇒

γ

=

(9)

Contoh Gas Ideal

z The temperature of three moles of a monatomic ideal gas

is reduced from T_i = 540 K to T_f = 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

(10)

Hukum 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 rendah benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih rendah dan tidak dapat mengalir secara spontan dalam arah

(11)

MESIN KALOR

z Sebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yang

menggunakan kalor/panas untuk melakukan usaha/kerja.

z 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.

(12)

Sk

M

i K l

Skema Mesin Kalor

Gambar ini melukiskan skema mesin kalor.

Q_H menyatakan besarnya input Q_H menyatakan besarnya input

kalor, dan subscript H

menyatakan hot reservoir. Q menyatakan besarnya kalor Q_C menyatakan besarnya kalor

yang dibuang, dan subscript C merepresentasikan cold

reservoir reservoir.

W merepresentasikan kerja yang dilakukan.

(13)

Mesin Kalor ….

z Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi, sebuah mesin kalor harus mengasilkan jumlah kerja yang besar dari kalor 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 g input Q_H: (15. 1)

Q

W

I

dilakukan

yg

Kerja

e

=

_{( 5} ₎

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

H

Q

panas

Input

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

(14)

Mesin Kalor ….

z Sebuah mesin harus mengikuti prinsip konservasi energi

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

i h d ki b h energi menghendaki bahwa:

Q_H = W + Q_C (15.2)

z 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 C H

Q

e

=

−

=

1 −

(15)

Contoh 1:

An Automobile Engine

z Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22 0% dan

z Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22.0% dan

menghasilkan kerja sebesar 2510 J. Hitung jumlah kalor yang dibuang oleh mesin itu.

z Solusi

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

W

⎛

1 ⎞

J

W

e

W

Q

_C _H

1 8900

22 .

0

1 2510

⎟

=

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

₋

=

−

=

−

=

(16)

P i

i C

t d

M

i C

t

P i

i C

t d

M

i C

t

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot

z Bagaimana membuat mesin kalor beroperasi dengan

z Bagaimana membuat mesin kalor beroperasi dengan efisiensi maksimum?

z Insinyur Prancis Sadi Carnot (1796 1832) mengusulkan

z Insinyur Prancis Sadi Carnot (1796–1832) mengusulkan bahwa sebuah mesin kalor akan memiliki efisiensi

maksimum jika proses-proses dalam mesin adalah reversibel (dapat balik).

z

Suatu proses reversibel adalah suatu keadaan

dimana kedua sistem dan lingkungannya dapat

kembali ke keadaan semula, sama persis seperti

sebelum terjadinya proses.

(17)

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot…

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

Tidak ada mesin non-reversibel yang beroperasi antara dua y g p reservoar 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 temperatur semua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama memiliki efisiensi yang sama.

(18)

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot …

…

Tidak ada mesin nyata Tidak ada mesin nyata

yang beroperasi secara reversibel.

Akan tetapi, ide mesin reversibel

z Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwa

semua kalor input reversibel

memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar

p Q_H berasal dari suatu hot reservoir pada satu

temperatur tunggal mesin nyata. Gambar

ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin

Carnot, yang secara

p gg

T_H dan semua kalor yang dibuang Q_C pergi menuju suatu cold reservoir pada

Ca ot, ya g seca a

khusus berguna

sebagai model ideal.

satu temperatur tunggal T_C.

(19)

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot …

…

z Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang

dibuang Qg _C_C dengan kalor input Qg p _H_H dapa dinyatakan dengan p y g persamaan berikut: (15.4) H C H C