Standar Kompetensi : Menerapkan konsep termodinamika dalam mesin kalor
Kompetensi Dasar : 2. Menganalisis perubahan keadaan gas ideal dengan menerapkan hukum termodinamika Indikator : 1.1 Menjelaskan hukum 1 termodinamika
1.2 Menganalisis hukum 1 termodinamika pada proses-proses termodinamika 1.3 Mendeskripsikan siklus termodinamika
1.4 Menganalisis siklus carnot
1.5 Mengaplikasikan konsep siklus carnot pada berbagai soal
Apabila sistem gas menyerap kalor dari lingkungan sebesar , maka oleh sistem mungkin akan diubah menjadi:
a. usaha luar (W) dan perubahan energi dalam (U), b. energi dalam saja (U), dan
c. usaha luar saja (W).
Secara sistematis, peristiwa di atas dapat dinyatakan sebagai:
Persamaan ini dikenal sebagai persamaan untuk hukum I Termodinamika. Bunyi hukum I Termodinamika adalah “Energi tidak dapat diciptakan ataupun dimusnahkan, melainkan hanya bisa diubah bentuknya saja.” Berdasarkan uraian tersebut terbukti bahwa kalor (Q) yang diserap sistem tidak hilang. Oleh sistem, kalor ini akan diubah menjadi usaha luar (W) dan atau penambahan energi dalam (U). Jika suatu Sistem memperoleh energi dalam bentuk KALOR (Q) dan pada saat yang sama kehilangan energi dalam bentuk USAHA (W),
Perubahan energi dalam (U) dari suatu sistem ditentukan oleh jumlah kalor yang dipertukarkan (Q) antara sistem dengan lingkungannya, dan kerja/usaha (W) yang dihasilkan antara sistem dengan lingkungan.
1 2 U U U W Q U dengan :
U : perubahan energi dalam ( J )
U positif / bertambah jika suhu sistem naik, dan U negatif / berkurang jika suhu sistem turun U2 : energi dalam keadaan akhir ( J )
U1 : energi dalam mula-mula ( J )
Q : kalor yang dipertukarkan antara sistem dengan lingkungan ( J )
Q positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan, dan
Q negatif jika sistem memberikan kalor kepada lingkungan W : usaha yang dilakukan ( J )
W positif jika sistem melakukan kerja kepada lingkungan, dan
W negatif jika sistem dikenai kerja oleh lingkungan A. HUKUM I THERMODINAMIKA
No Nama Proses Nilai Khas Usaha ( W ) Hukum I Termodinamika 1. Isobarik : tekanan tetap - WP.V U = Q - W 2. Isotermal : suhu tetap (T2 = T1) U = 0
1 2 lnVV nRT W Q = W 3. Isokhorik, volume tetap (V2 = V1) V = 0 W0 U = Q4. Adiabatik, tidak ada
pertukaran kalor Q Q = 0 2 ( 1 2)
3nR T T
W U = -W
Contoh Soal :
Suatu sistem gas menyerap kalor sebanyak 500 joule sehingga energi dalamnya bertambah sebanyak 300 joule. Berapa kerja yang terlibat pada kasus ini ? apakah sistem melakukan atau dikenai kerja ?
Penyelesaian :
Q = 500 joule ( positif karena sistem menyerap kalor )
U = 300 joule ( positif karena energi dalam sistem bertambah ) Menghitung kerja W dengan persamaan hukum I termodinamika :
U = Q – W W = Q - U W = 500 – 300 = 200 joule
W bernilai positif yang berarti sistem melakukan kerja terhadap lingkungan.
Agar suatu sistem dapat terus-menerus melakukan usaha yang berguna maka sistem tersebut harus bekerja dalam suatu siklus, yaitu mulai dari suatu keadaan awal dan melalui proses termodinamika kembali kekeaan awalnya.
Perhatikan kembali sejumlah sistem gas pada suatu silinder dengan piston yang bebas bergerak seperti pada gambar berikut:
Agar piston mampu menggerakkan sistem mekanis yang dihubungkan dengan batang engsel secara terus-menerus, harus dipenuhi syarat bahwa keadaan sistem gas dibuat sedemikian sehingga setelah gas dinaikkan suhunya secara spontan sehingga mendorong piston keluar, pada tahap berikutnya piston harus kembali ke posisi semula, tentunya dengan keadaan sistem gas persis seperti keadaan semula. Setelah sistem gas kembali ke keadaan semula, maka proses dapat diulangi lagi berulang-ulang sehingga batang engsel pada piston mampu menggerakkan sistem mekanis yang terhubung padanya secara kontinu.
Perubahan sistem dari suatu keadaan ke keadaan lain, dan kembali berubah ke keadaan semula disebut siklus. Prinsip inilah yang digunakan untuk mesin-mesin kalor, yaitu bahwa agar dapat melakukan usaha secara terus-menerus, sistem harus bekerja dalam suatu siklus
B. HUKUM I THERMODINAMIKA PADA PROSES-PROSES THERMODINAMIKA
P ,V , T C. SIKLUS TERMODINAMIKA
Sadi Carnot, seorang insinyur berkebangsaan Prancis pada tahun 1824 mengembangkan sebuah model mesin ideal – selanjutnya disebut mesin Carnot -, yaitu mesin yang paling efisien. Siklus ini terdiri dari empat proses yaitu:
1. Proses A-B adalah pemuaian isotermal pada suhu T1. Dalam proses ini gas menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha sebesar WAB. 2. Proses B-C adalah pemuaian adiabatik. Selama proses ini
suhu gas turun menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC. 3. Proses C-D adalah pemampatan isotermal pada suhu T2.
Pada proses ini gas membuang kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2 dan menerima usaha sebesar WCD.
4. Proses D-A yaitu pemampatan adiabatik. Suhu gas naik kembali ke suhu T1 sambil menerima usaha sebesar WDA.
Usaha total yang dilakukan sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah yang diraster , yang ekuivalen dengan selisih antara kalor yang diserap sistem (Q1) dari reservoir suhu tinggi T1 dengan kalor yang dibuang sistem (Q2) pada reservoir suhu rendah T2. Karena suhu sistem selama melakukan satu siklus tidak berubah (dari suhu T1 berubah menjadi T2 dan kembali lagi bersuhu T1), maka tidak ada perubahan energi dalam sistem (U = 0) yang menunjukkan berlakunya hukum I termodinamika :
U = 𝛥Q – W U = 0 W =𝛥 Q = Q1 – Q2
Dengan demikian, pada mesin Carnot telah terjadi perubahan energi kalor menjadi usaha. Mesin yang mengubah energi kalor menjadi usaha disebut mesin kalor. Efisiensi mesin kalor dinyatakan sebagai perbandingan antara usaha yang dilakukan mesin dengan kalor yang diserap. Secara matematis dituliskan:
% 100 1 x Q W
karena W = Q1 – Q2 maka efisiensi dapat ditulis dalam bentuk lain :
% 100 1 % 100 1 2 1 2 1 x Q Q x Q Q Q
Untuk siklus Carnot berlaku
1 2 1 2 T T Q Q
, sehingga untuk mesin ideal berlaku efisiensi teoritis
: % 100 1 1 2 x T T dimana: : efisiensi mesin ( % )
T2 : suhu reservoir dingin ( K )
B C D A W Q1 Q2 P V T1 T2 D. SIKLUS CARNOT
T1 : suhu reservoir panas ( K )
Q2 : kalor yang dibuang mesin pada reservoir dingin (J)
Q1 : kalor yang diserap mesin dari reservoir panas (J)
W : usaha/kerja yang dihasilkan mesin ( J )
Pada kenyataannya efisiensi real selalu lebih kecil daripada efisiensi Carnot. Efisiensi mesin bensin : 20 – 25%, mesin diesel : 26 – 38%, turbin uap pembangkit nuklir : 35%, turbin uap pembangkit batubara : 40%.
1. Apa inti atau kesimpulan dari hukum 1 termodinamika (tulis dengan kata-kata sendiri)?
2. Mengapa suatu sistem agar dapat melakukan usaha secara terus-menerus, sistem harus bekerja dalam suatu siklus? Jelaskan?
3. Suatu sistem gas melepas kalor sebanyak 120 joule sehingga energi dalamnya berkurang sebanyak 100 joule. Berapa kerja yang terlibat pada kasus ini ? apakah sistem melakukan atau dikenai kerja ?
4. Kerjakan soal di buku jelang UN halaman 52?
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 energi yang terjadi di alam ini prosesnya dapat dibalik seperti pada Hukum I Termodinamika.
1. Hukum II termodinamika menurut Rudolf Clausius : “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir pada arah kebalikannya.”
2. Hukum II termodinamika menurut Kelvin dan Planck : “tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.” Dengan kata lain
tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang efisiensinya 100%, bahkan untuk mesin Carnot sekalipun.
3. Hukum II termodinamika dinyatakan dalam entropi : “total entropi jagad raya tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi.”
Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas para ilmuwan merumuskan prinsip baru, yaitu Hukum II Termodinamika, dengan pernyataan: “kalor mengalir secara
alami dari benda yang panas ke benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas”
Termodinamika menyatakan bahwa proses alami cenderung bergerak menuju ke keadaan ketidakteraturan yang lebih besar. Ukuran ketidakteraturan ini dikenal dengan sistem entropi. Entropi merupakan besaran termodinamika yang menyerupai perubahan setiap
Entropi ( S ) adalah suatu ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Perubahan entropi ( S ) untuk sistem yang mengalami proses reversibel dirumuskan sebagai :
reversibel T Q S dimana : S : perubahan entropi (JK-1)
Q : kalor yang diserap sistem (J)
T : suhu mutlak sistem (K
Hukum II termodinamika membatasi arah aliran kalor yang secara alamiah hanya dapat mengalir dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah. Agar
kalor dapat dialirkan pada arah sebaliknya diperlukan usaha luar. Prinsip inilah yang diaplikasikan pada mesin pendingin.
Aliran kalor pada mesin pendingin merupakan kebalikan dari aliran kalor pada mesin kalor. Usaha (W) yang berasal dari energi listrik digunakan untuk menyerap kalor dari makanan yang tersimpan dalam reservoir dingin (Q2) untuk dibuang pada reservoir panas
(Q1) yaitu udara disekitar mesin.
2 1 1 2 Q W Q Q Q W
Ukuran penampilan mesin pendingin ditentukan oleh perbandingan antara jumlah kalor yang dapat dipindahkan mesin dari reservoir dingin (Q2) dengan usaha W yang
dibutuhkan untuk memindah kalor ini.
Hasil rasio ini disebut koefisien performansi ( Cp ) atau koefisien daya guna mesin :
2 1 2 2 Q Q Q W Q Cp Reservoir panas T1 Reservoir dingin T2 W (energi listrik) Q1 Q2 mesin B. MESIN PENDINGIN
untuk mesin pendingin ideal berlaku : 1 2 1 2 T T Q Q
sehingga persamaan tersebut dapat ditulis sebagai: 2 1 2 2 T T T W Q Cp dimana :
Cp : koefisien performansi mesin
Q2 : kalor yang dipindah dari reservoir dingin (J) W : usaha / energi listrik yang dibutuhkan (J) T1 : suhu reservoir panas (K)
T2 : suhu reservoir dingin (K)
Contoh Soal :
Mesin pendingin ruangan menyerap kalor sebesar 5.800 joule dalam waktu satu sekon. Bila suhu ruangan akan dipertahankan sebesar 17 oC, sedangkan suhu lingkungan tempat pembuangan kalor adalah 28 oC, tentukan daya listrik yang diserap mesin !
Penyelesaian :
Q2 = 5.800 joule ; T1 = 28 + 273 = 301 K ; T2 = 17 + 273 = 290 K Menghitung daya listrik W dengan persamaan koefisien performansi Cp :
watt x W W T T T W Q 220 290 11 800 . 5 290 301 290 800 . 5 2 1 2 2
1. Jelaskan dengan kata-kata sendiri, kesimpulan apa yang kamu dapat dari bunyi hukum 2 termodinamika?
2. Berdasarkan hukum2 Termodinamika Mungkinkah kita dapat menciptakan sebuah mesin yang mengubah panas seutuhnya menjadi enegi mekanik?
3. Salah satu aplikasi hukum 2 termodinamika adalah mengenai lemari es, ceritakan bagaimana proses aliran kalor pada lemari es?
