Siklus Carnot dan Hukum Termodinamika II

Transkripsi

1 Siklus Carnot dan Hukum Termodinamika II Siklus Carnot Siklus adalah suatu rangkaian roses sedemikian rua sehingga akhirnya kembali keada keadaan semula. Perhatikan Gambar 1! Gambar 1. Siklus termodinamika. Misalnya, terdaat suatu siklus termodinamika yang melibatkan roses isotermal, isobarik, dan isokorik. Sistem menjalani roses isotermal dari keadaan A samai B, kemudian menjalani roses isobarik untuk mengubah sistem dari keadaan B ke keadaan C. Akhirnya roses isokorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya (A). Proses dari A ke keadaan B, kemudian ke keadaan C, dan akhirnya kembali ke keadaan A, menyatakan suatu siklus. Aabila siklus tersebut berlangsung terus menerus, kalor yang diberikan daat diubah menjadi usaha mekanik. Tetai tidak semua kalor daat diubah menjadi usaha. alor yang daat diubah menjadi usaha hanya ada bagian yang diarsir saja. Berdasarkan Gambar 1 tersebut besar usaha yang bermanfaat adalah luas daerah ABCA. Secara matematis daat ditulis seerti berikut. V2 W = nrt ln - (V2 - V 1 ) V1 Usaha bernilai ositif jika arah roses dalam siklus searah utaran jam, dan bernilai negatif jika berlawanan arah utaran jarum jam. Perubahan energi dalam ( U) untuk satu siklus sama dengan nol ( U = 0), karena keadaan awal sama dengan keadaan akhir. Pada tahun 1824, seorang insinyur berkebangsaan Prancis, Nicolas Leonardi Sadi Carnot, memerkenalkan metode baru untuk meningkatkan efisiensi suatu mesin berdasarkan siklus usaha. Metode efisiensi Sadi Carnot ini selanjutnya dikenal sebagai siklus Carnot. Siklus Carnot terdiri atas emat roses, yaitu dua roses isotermal dan dua roses adiabatik. 1

2 Perhatikan Gambar berikut! Gambar 2. Siklus Carnot. Berdasarkan Gambar di atas dijelaskan siklus Carnot sebagai berikut : 1. Proses AB adalah emuaian isotermal ada suhu T 1. Pada roses ini sistem menyera kalor Q 1 dari reservoir bersuhu tinggi T 1 dan melakukan usaha W AB. 2. Proses BC adalah emuaian adiabatik. Selama roses ini berlangsung suhu sistem turun dari T 1 menjadi T 2 sambil melakukan usaha W BC. 3. Proses CD adalah emamatan isoternal ada suhu T 2. Pada roses ini sistem menerima usaha W CD dan meleas kalor Q 2 ke reservoir bersuhu rendah T Proses DA adalah emamatan adiabatik. Selama roses ini suhu sistem naik dari T 2 menjadi T 1 akibat menerima usaha W DA. Siklus Carnot meruakan dasar dari mesin ideal yaitu mesin yang memiliki efisiensi tertinggi yang selanjutnya disebut mesin Carnot. Usaha total yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus ada diagram - V. Mengingat selama roses siklus Carnot sistem menerima kalor Q 1 dari reservoir bersuhu tinggi T 1 dan meleas kalor Q 2 ke reservoir bersuhu rendah T 2, maka usaha yang dilakukan oleh sistem menurut hukum I termodinamika adalah sebagai berikut. Q = U + W Q 1 Q 2 = 0 + W W = Q 1 Q 2 Dalam menilai kinerja suatu mesin, efisiensi meruakan suatu faktor yang enting. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin ( η dibaca eta ) ditentukan dari erbandingan usaha yang dilakukan terhada kalor masukan yang diberikan. 2

3 Secara matematis daat dituliskan sebagai berikut. W - η 1 Untuk siklus Carnot berlaku hubungan, sehingga efisiensi mesin Carnot daat dinyatakan sebagai berikut. η 1 eterangan: η : efisiensi mesin Carnot (%) T 1 : suhu reservoir bersuhu tinggi () T 2 : suhu reservoir bersuhu rendah () Efisiensi mesin Carnot meruakan efisiensi yang aling besar karena meruakan mesin ideal yang hanya ada di dalam teori. Artinya, tidak ada mesin yang memunyai efisien melebihi efisiensi mesin kalor Carnot. Berdasarkan ersamaan di atas terlihat efisiensi mesin kalor Carnot hanya tergantung ada suhu kedua tandon atau reservoir. Untuk mendaatkan efisiensi sebesar 100%, suhu tandon T 2 harus = 0. Hal ini dalam raktik tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, mesin kalor Carnot adalah mesin yang sangat ideal. Hal ini disebabkan roses kalor Carnot meruakan roses reversibel. Sedangkan kebanyakan mesin biasanya mengalami roses irreversibel (tak terbalikkan). Contoh Soal 1 : Sebuah mesin Carnot menyera kalor sebesar 500 kj. Mesin ini bekerja ada reservoir bersuhu 600 dan 400. Beraa kalor yang terbuang oleh mesin? Penyelesaian : Diketahui : T 1 = 600 T 2 = 400 Q 1 = 500 kj Ditanyakan : Q 2 =...? Jawab : η 1 T 1 1 = 33,33% =

4 Untuk menghitung Q 2, daat Anda gunakan ersamaan efisiensi : η 1 1 Q Q 2 = 333,3 kj Hukum II Termodinamika Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak daat dicitakan dan tidak daat dimusnahkan. Energi hanya daat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda daat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. Namun, kenyataannya tidak demikian. Energi tidak daat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi otensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi anas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika rosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda anaskan sehingga memiliki energi anas sebesar energi anas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi otensial sehingga bola besi daat naik? Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda anaskan samai meleleh sekaliun. Hal ini menunjukkan roses erubahan bentuk energi di atas hanya daat berlangsung dalam satu arah dan tidak daat dibalik. Proses yang tidak daat dibalik arahnya dinamakan roses irreversibel. Proses yang daat dibalik arahnya dinamakan roses reversibel. Hukum II Termodinamika menjelaskan tiga rumusan mengenai erindahan kalor sebagai berikut : a. alor tidak mungkin berindah dari sistem bersuhu rendah ke sistem bersuhu tinggi secara sontan. Menurut Asas Black, kalor berindah dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu lebih rendah. Hal ini sesuai dengan rumusan Clausius bahwa tidaklah mungkin memindahkan kalor dari tandon yang bersuhu rendah ke tandon yang bersuhu lebih tinggi tana dilakukan usaha. b. Tidak ada mesin yang mengubah seluruh kalor yang masuk menjadi usaha. Menurut elvin Planck, tidak ada mesin yang bekerja dalam satu siklus daat mengubah kalor menjadi usaha seluruhnya. c. Jika suatu sistem mengalami erubahan secara sontan, maka erubahan akan berarah sedemikian rua sehingga entroi sistem akan bertambah, atau akan teta nilainya. 4

5 Entroi adalah ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak daat diubah menjadi usaha. Besarnya entroi suatu sistem yang mengalami roses reversibel sama dengan kalor yang disera sistem dan lingkungannya ( Q ) dibagi suhu mutlak sistem tersebut (T). Perubahan entroi diberi tanda S, secara matematis daat ditulis sebagai berikut. S Q T Ciri roses reversibel adalah erubahan total entroi ( S = 0) baik bagi sistem mauun lingkungannya. Pada roses irreversibel erubahan entroi 0 semesta S semesta > 0. Proses irreversibel selalu menaikkan entroi semesta. Contoh Soal 2 : Gambar di bawah ini menunjukkan bahwa J kalor mengalir secara sontan dari reservoir anas bersuhu 600 ke reservoir dingin bersuhu 300. Tentukanlah jumlah entroi dari sistem tersebut. Angga tidak ada erubahan lain yang terjadi. Penyelesaian : Diketahui Q = J, T 1 = 600, T 2 = 300. Ditanyakan : S sistem =...? Jawab : Perubahan entroi reservoir anas: 1200 ΔS1 2 J/ T 600 Perubahan entroi reservoir dingin: 1200 ΔS2 4 J/ T 300 Total erubahan entroi adalah : S sistem = S 1 + S 2 = = 2 J/ 5

6 Mesin Pendingin Mesin yang menyera kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya ada suhu tinggi dinamakan mesin endingin (refrigerator). Misalnya, endingin ruangan (AC) dan lemari es (kulkas). Perhatikan Gambar di bawah ini! Gambar 3. Siklus mesin endingin. alor disera dari suhu rendah T 2 dan kemudian diberikan ada suhu tinggi T 1. Berdasarkan hukum kedua termodinamika, kalor yang dileaskan ke suhu tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang disera. Secara matematis daat ditulis dalam ersamaan berikut. Q 1 = Q 2 + W Hasil bagi antara kalor yang masuk (Q 2 ) dengan usaha yang dierlukan (W) dinamakan koefisien daya guna (erformansi) yang diberi simbol. Secara umum, kulkas dan endingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 samai 6. Makin tinggi nilai, makin baik kerja mesin tersebut. Q 2 W Untuk gas ideal berlaku: W - - eterangan : : koefisien daya guna Q 1 : kalor yang diberikan ada reservoir suhu tinggi (J) Q 2 : kalor yang disera ada reservoir suhu rendah (J) W : usaha yang dierlukan (J) T 1 : suhu reservoir suhu tinggi () T 2 : suhu reservoir suhu rendah () Contoh Soal 4 : Sebuah lemari es memiliki koefisien erformansi 6. Jika suhu ruang di luar lemari es adalah 28 C, beraakah suhu aling rendah di dalam lemari es yang daat dieroleh? 6

7 Penyelesaian : Diketahui: = 6 T 1 = ( ) = 301 Ditanyakan : T 2 =...? Jawab : oefisien erformansi maksimum dieroleh sebagai berikut: - dengan T 1 adalah suhu tinggi dan T 2 adalah suhu rendah. Dari ersamaan tersebut dieroleh : T 1 T 2 = T 2 T 1 = T 2 (1 + ) 1 6 (301) 1 6 = 258 = -15 o C Suhu aling rendah di dalam lemari es adalah -15 o C. Contoh Soal 5 : Mesin endingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3 o C dan suhu udara luar 27 o C, beraakah kalor maksimum yang disera mesin endingin selama 10 menit? (efisiensi mesin ideal). Penyelesaian : Diketahui: P = 500 watt (usaha 500 J tia 1 sekon) T 1 = 27 o C = = 300 T 2 = -3 o C = = 270 Ditanya: Q 2 =...? (t = 10 menit) Jawab: W - W x 270 Q = 4500 J ( tia sekon ) Dalam waktu 10 menit = 600 s, maka: Q 2 = x 600 = 2,7 x 10 6 J. 7