MAKALAH FISIKA II HUKUM TERMODINAMIKA II

Transkripsi

1 MAKALAH FISIKA II HUKUM TERMODINAMIKA II Disusun untuk memenuhi tugas mata kuliah Fisika II Dosen : Dwi Hadi Sulistyarini, ST., MT. Oleh : 1. Farisio Nadhilsyah ( ) 2. Franz Joshua Setiawan ( ) 3. Puspa Nila Cempaka Ledy ( ) 4. Siti Badriyah ( ) JURUSAN TEKNIK INDUSTRI FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS BRAWIJAYA MALANG 2014

2 KATA PENGANTAR Puji dan syukur kami panjatkan kehadirat Allah Yang Maha Esa yang telah melimpahkan rahmat, karunia, dan bimbingan-nya dalam penyusunan makalah ini. Makalah ini disusun dalam rangka melengkapi nilai tugas mata kuliah Fisika II pada Semester Genap Tahun Ajaran 2013/2014. Pembuatan makalah ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk itu, kami ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak yang telah membantu. Kami menyadari sepenuhnya bahwa makalah ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu dengan segala kerendahan hati, semua kritik dan saran yang membangun sangat kami harapkan demi menyempurnakan makalah ini. Tim Penulis Malang, 8 Mei 2014

3 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL KATA PENGANTAR DAFTAR ISI BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Penulisan 2 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Hukum Termodinamika II Reservoir Energi Panas 2.3 Mesin Kalor 2.4 Mesin Pendingin dan Pompa Kalor 2.5 Proses Reversibel dan Irreversibel 2.6 Siklus Carnot 2.7 Prinsip Carnot 2.8 Mesin Kalor Carnot 2.9 Mesin Pendingin dan Pompa Kalor Carnot 2.10 Mesin Gerak Abadi BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan 3.2 Saran DAFTAR PUSTAKA

4 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Hukum Termodinamika I menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Prinsip tersebut juga dikenal dengan istilah konservasi energi yang berlaku untuk sistem tertutup dan terbuka. Secangkir kopi panas ditaruh dalam suatu ruangan, maka akan dengan sendirinya kopi tersebut menjadi dingin. Dalam kasus tersebut Hukum Termodinamika I telah terpenuhi, karena energi yang dilepaskan kopi sebanding dengan energi yang diterima oleh lingkungan. Tetapi jika dibalik, secangkir kopi menjadi panas dalam sebuah ruangan yang dingin, tentu hal tersebut tidak akan terjadi. Salah satu contoh diatas menjelaskan bahwa proses berjalan dalam suatu arah tertentu, tidak sebaliknya. Suatu proses yang telah memenuhi Hukum Termodinamika I, belum tentu dapat berlangsung. Diperlukan suatu prinsip selain Hukum Termodinamika I untuk menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung, yaitu Hukum Termodinamika II. Dengan kata lain, suatu proses dapat berlangsung jika memenuhi Hukum Termodinamika I dan Hukum Termodinamika II. Kegunaan Hukum Termodinamika II tidak sebatas hanya pada mengidentifikasi arah dari suatu proses, tetapi juga bisa untuk mengetahui kualitas energi (Hukum Termodinamika I berhubungan dengan kuantitas energi dan perubahan bentuk energi); menentukan batas teoritis unjuk kerja suatu sistem; dan memperkirakan kelangsungan reaksi kimia (degree of completion of chemical reaction). Sementara itu dalam bahasannya, Hukum Termodinamika II membahas tentang proses reversibel dan irreversibel, mesin kalor, mesin pendingin dan pompa kalor, siklus carnot, serta entropi. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah yang akan dibahas dalam makalah ini adalah : 1. Bagaimana bunyi Hukum Termodinamika II? 2. Bagaimana penerapan Hukum Termodinamika II?

5 1.3 Tujuan Penulisan Adapun tujuan dari penulisan makalah ini adalah sebagai berikut : 1. Mengetahui bunyi Hukum Termodinamika II. 2. Mengetahui penerapan Hukum Termodinamika II.

6 BAB II PEMBAHASAN 2.1 Hukum Termodinamika II Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah. Dengan kata lain, tidak semua proses di alam adalah reversibel (arahnya dapat dibalik). Hukum kedua termodinamika menyatakan bahwa kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak pernah mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya. Misalnya, jika sebuah kubus kecil dicelupkan ke dalam secangkir air kopi panas, kalor akan mengalir dari air kopi panas ke kubus es sampai suhu keduanya sama (Marthen Kanginan, 2007: ). Hukum pertama termodinamika tidak dapat menjelaskan apakah proses tersebut mungkin terjadi ataukah tidak mungkin terjadi. Oleh karena itu, muncullah hukum kedua termodinamika yang disusun tidak lepas dari usaha untuk mencari sifat atau besaran sistem yang merupakan fungsi keadaan. Sehingga hukum termodinamika kedua dapat dirumuskan sebagai berikut: Proses suatu sistem terisolasi yang disertai dengan penurunan entropi tidak mungkin terjadi. Dalam setiap proses yang terjadi pada sistem terisolasi, maka entropi sistem tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah. Hukum kedua termodinamika juga memberikan batasan dasar pada efisiensi sebuah mesin atau pembangkit daya. Hukum ini juga memberikan batasan energi masukan minimum yang dibutuhkan untuk menjalankan sebuah sistem pendingin. Selain itu, hukum kedua termodinamika juga dapat dinyatakan dalam konsep entropi yaitu sebuah ukuran kuantitatif derajat ketidakaturan atau keacakan sebuah sistem. Dari hasil percobaan para ahli menyimpulkan bahwa mustahil untuk membuat sebuah mesin kalor yang mengubah panas seluruhnya menjadi kerja, yaitu mesin dengan efisiensi termal 100%. Kemustahilan ini adalah dasar dari satu pernyataan hukum kedua termodinamika sebagai berikut : Adalah mustahil bagi sistem manapun untuk mengalami sebuah proses di mana sistem menyerap panas dari reservoir pada suhu tunggal dan mengubah panas seluruhnya menjadi kerja mekanik, dengan sistem berakhir pada keadaan yang sama seperti keadaan awalnya. Pernyataan ini dikenal dengan sebutan pernyataan mesin dari hukum kedua termodinamika.

7 Dasar dari hukum kedua termodinamika terletak pada perbedaaan antara sifat alami energi dalam dan energi mekanik makroskopik. Dalam benda yang bergerak, molekul memiliki gerakan acak, tetapi diatas semua itu terdapat gerakan terkoordinasi dari setiap molekul pada arah yang sesuai dengan kecepatan benda tersebut. Energi kinetik dan energi potensial yang berkaitan dengan gerakan acak menghasilkan energi dalam. Jika hukum kedua tidak berlaku, seseorang dapat menggerakkan mobil atau pembangkit daya dengan mendinginkan udara sekitarnya. Dua kemustahilan ini tidak melanggar hukum pertama termodinamika. Oleh karena itu, hukum kedua termodinamika bukanlah penyimpulan dari hukum pertama termodinamika, tetapi berdiri sendiri sebagai hukum alam yang terpisah. Hukum pertama termodinamika mengabaikan kemungkinan penciptaan atau pemusnahan energi. Sedangkan hukum kedua termodinamika membatasi ketersediaan energi dan cara penggunaan serta pengubahannya. Panas mengalir secara spontan dari benda panas ke benda yang lebih dingin, tidak pernah sebaliknya. Sebuah pendingin mengambil panas dari benda dingin ke benda yang lebih panas, tetapi operasinya membutuhkan masukan energi mekanik atau kerja. Hal umum mengenai pengamatan ini dinyatakan sebagai berikut : Adalah mustahil bagi proses mana pun untuk bekerja sendiri dan menghasilkan perpindahan panas dari benda dingin ke benda yang lebih panas. Pernyataan ini dikenal dengan sebutan pernyataan pendingin dari hukum kedua termodinamika. Pernyataan pendingin ini mungkin tidak tampak berkaitan sangat dekat dengan pernyataan mesin. Tetapi pada kenyataannya, kedua pernyataan ini seutuhnya setara. Sebagai contoh, jika seseorang dapat membuat pendingin tanpa kerja, yang melanggar pernyataan pendingin dari hukum kedua termodinamika, seseorang dapat menggabungkannya dengan sebuah mesin kalor, memompa kalor yang terbuang oleh mesin kembali ke reservoir panas untuk dipakai kembali. Meski gabungan ini akan melanggar pernyataan mesin dari hukum kedua termodinamika karena selisih efeknya akan menarik selisih panas sejumlah dari reservoir panas dan mengubah seutuhnya menjadi kerja (W). Perubahan kerja menjadi panas, seperti pada gesekan atau aliran fluida kental (viskos) dan aliran panas dari panas ke dingin melewati sejumlah gradien suhu, adalah suatu proses ireversibel. Pernyataan mesin dan pendingin dari hukum kedua menyatakan bahwa proses ini hanya dapat dibalik sebagian saja. Misalnya, gas selalu mengalami kebocoran secara spontan melalui suatu celah dari daerah bertekanan tinggi ke daerah bertekanan rendah. Gas-gas dan cairan-cairan yang dapat bercampur bila dibiarkan akan selalu tercampur

8 dengan sendirinya dan bukannya terpisah. Hukum kedua termodinamika adalah sebuah pernyataan dari aspek sifat searah dari proses-proses tersebut dan banyak proses ireversibel lainnya. Perubahan energi adalah aspek utama dari seluruh kehidupan tanaman dan hewan serta teknologi manusia, maka hukum kedua termodinamika adalah dasar terpenting dari dunia tempat makhluk hidup tumbuh dan berkembang (Sears dan Zemansky, 2000: ). 2.2 Reservoir Energi Panas (Thermal Energy Reservoirs) Sebelum membahas mengenai hukum termodinamika kedua, perlu diketahui istilah reservoir energi panas atau lebih umum disebut dengan reservoir. Reservoir mempunyai pengertian adalah suatu benda atau zat yang mempunyai kapasitas energi panas yang besar. Artinya reservoir dapat menyerap/ menyuplai sejumlah panas yang tidak terbatas tanpa mengalami perubahan temperatur. Contoh dari benda atau zat besar yang disebut reservoir adalah samudera, danau dan sungai untuk benda besar berwujud air dan atmosfer untuk benda besar berwujud udara. Sistem dua-fasa juga dapat dimodelkan sebagai suatu reservoir, karena sistem duafasa dapat menyerap dan melepaskan panas tanpa mengalami perubahan temperatur. Dalam praktek, ukuran sebuah reservoir menjadi relatif. Misalnya, sebuah ruangan dapat disebut sebagai sebuah reservoir dalam suatu analisa panas yang dilepaskan oleh pesawat televisi. Reservoir yang menyuplai energi disebut dengan source dan reservoir yang menyerap energi disebut dengan sink. 2.3 Mesin Kalor (Heat Engine) Seperti kita ketahui kerja dapat dikonversi langsung menjadi panas. Seperti misalnya pengaduk air. Kerja dapat kita berikan pada poros pengaduk sehingga temperatur naik. Tetapi sebaliknya, jika kita memberikan panas pada air, maka poros tidak akan berputar. Atau dengan kata lain, jika memberikan panas pada air, maka tidak akan tercipta kerja (poros). Dari pengamatan di atas, konversi panas menjadi kerja bisa dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan dengan mesin kalor. Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut : 1. Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll).

9 2. Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam dala mbentuk poros yang berputar) 3. Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah. 4. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus. Mengacu pada karakteristik di atas, sebenarnya motor bakar dan turbin gas tidak memenuhi kategori sebagai sebuah mesin kalor, karena fluida kerja dari motor bakar dan turbin gas tidak mengalami siklus termodinamika secara lengkap. Sebuah alat produksi kerja yang paling tepat mewakili definisi dari mesin kalor adalah pembangkit listrik tenaga air, yang merupakan mesin pembakaran luar dimana fluida kerja mengalami siklus termidinamika yang lengkap. Efisiensi Termal (Thermal Efficiencies) Efisiensi termal sebenarnya digunakan untuk mengukur unjuk kerja dari suatu mesin kalor, yaitu berapa bagian dari input panas yang diubah menjadi output kerja bersih. Unjuk kerja atau efisiensi, pada umumnya dapat di ekspresikan menjadi : Untuk mesin kalor, output yang diinginkan adalah output kerja bersih dan input yang diperlukan adalah jumlah panas yang disuplai ke fluida kerja. Kemudian efisiensi termal d ari sebuah mesin kalor dapat diekspresikan sebagai atau, Dalam peralatan- peralatan praktis, seperti mesin kalor, mesin pendingin dan pompa kalor umumnya dioperasikan antara sebuah media bertemperatur tinggi pada temperatur T H dan sebuah media bertemperatur rendah pada temperatur T L. Untuk sebuah keseragaman dalam mesin kalor, mesin pendingin dan pompa kalor perlu pendefinisian dua kuantitas : Q H = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media bertemeperatur tinggi pada temperatur T H.

10 Q L = besar perpindahan panas antara peralatan siklus dan media berteperatur rendah pada temperatur T L. Sehingga efisiensi termal dapat dituliskan sebagai berikut : Melihat karakteristik dari sebuah mesin kalor, maka tidak ada sebuah mesin kalor yang dapat mengubah semua panas yang diterima dan kemudian mengubahnya semua menjadi kerja. Keterbatasan tersebut kemudian dibuat sebuah pernyataan oleh Kelvin - Plank yang berbunyi: Adalah tidak mungkin untuk sebuah alat/mesin yang beroperasi dalam sebuah siklus yang menerima panas dari sebuah reservoir tunggal dan memproduksi sejumlah kerja bersih. Pernyataan Kelvin-Plank (hanya diperuntuk untuk mesin kalor) diatas dapat juga diartikan sebagai tidak ada sebuah mesin atau alat yang bekerja dalam sebuah siklus menerima panas dari reservoir bertemperatur tinggi dan mengubah panas tersebut seluruh menjadi kerja bersih. Atau dengan kata lain tidak ada sebuah mesin kalor yang mempunyai efisiensi 100%. 2.5 Mesin Pendingin dan Pompa Kalor (Refrigerator and Heat Pumps) Mesin pendingin, sama seperti mesin kalor, adalah sebuah alat siklus. Fluida kerjanya disebut dengan refrigerant. Siklus refrigerasi yang paling banyak digunakan adalah daur refrigerasi kompresi-uap yang melibatkan empat komponen : kompresor, kondensor, katup ekspansi dan evaporator. Gambar 2.1 Siklus Refrigerasi

11 Refrigerant memasuki kompresor sebagai sebuah uap dan dikompres ke tekanan kondensor. Refrigerantmeninggalkan kompresor pada temperatur yang relatif tinggi dan kemudian didinginkan dan mengalami kondensasi dikondensor yang membuang panasnya ke lingkungan. Refrigerant kemudian memasuki tabung kapilar dimana tekanan refrigerantturun drastis karena efek throttling. Refrigerant bertemperatur rendah kemudian memasuki evaporator, dimana disini refrigerant menyerap panas dari ruang refrigerasi dan kemudian refrigerant kembali memasuki kompresor. Efisiensi refrigerator disebut dengan istilah coefficient of performance (COP), dinotasikan dengan COPR. Atau Perlu dicatat bahwa harga dari COPR dapat berharga lebih dari satu, karena jumlah panas yang diserap dari ruang refrigerasi dapat lebih besar dari jumlah input kerja. Hal tersebut kontras dengan efisiensi termal yang selalu kurang dari satu. Salah satu alasan penggunaan istilah coefficient of performance lebih disukai untuk menghindari kerancuan dengan istilah efisiensi, karena COP dari mesin pendingin lebih besar dari satu. Pompa Kalor (Heat Pumps) Pompa kalor adalah suatu alat yang mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi. Tujuan dari mesin pendingin adalah untuk menjaga ruang refrigerasi tetap dingin dengan meyerap panas dari ruang tersebut. Tujuan pompa kalor adalah menjaga ruangan tetap bertemperatur tinggi. Proses pemberian panas ruangan tersebut disertai dengan menyerap panas dari sumber bertemperatur rendah. Atau Perbandingan antara COP R dan COP HP adalah sebagai berikut:

12 Air conditoner pada dasarnya adalah sebuah mesin pendingin tetapi yang didinginkan disini bukan ruang refrigerasi melainkan sebuah ruangan/gedung atau yang lain. Terdapat dua pernyataan dari hukum termodinamika kedua pernyataan Kelvin - Plank, yang diperuntukkan untuk mesin kalor, dan pernyataan Clausius, yang diperuntukkan untuk mesin pendingin/pompa kalor. Pernyataan Clausius dapat di ungkapkan sebagai berikut: Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroperasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi. Telah diketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi ke media bertemperatur rendah. Pernyataan Clausius tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat siklus yang dapat memindahkan panas dari media bertemperatur rendah ke media bertemperatur tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut mungkin terjadi asalkan ada efek luar yang dalam kasus tersebut dilakukan/diwakili oleh kompresor yang mendapat energi dari energi listrik misalnya. 2.6 Proses Reversibel dan Proses Irreversibel Bila kita meninjau sebuah system yang khas dalam kesetimbangan termodinamika dengan massa M dari suatu gas ideal yang dibatasi dalam sebuah susunan silinder pengisap dengan volume V, tekanan P serta temperatur T. Dalam kesetimbangan maka variabelveriabel tersebut tetap konstan terhadap waktu. Dimisalkan bahwa silinder tersebut dinding-dindingnya adalah isolator panas yang ideal dan alasnya adalah penghantar panas yang ideal ditempatkan pada sebuah reservoir besar yang dipertahankan pada temperatur T. Kemudian keadaan sistem tersebut diubah dengan T adalah sama tetapi volume V direduksi sebesar setengah volume awalnya. 1. Proses Irreversibel (Proses Tak Terbalikkan) Apabila kita menekan pengisap tersebut dengan sangat cepat sampai kembali lagi ke kesetimbangan dengan reservoir, selama proses ini gas bergolak dan tekanan serta temperaturnya tidak dapat didefinisikan secara tepat sehingga grafik proses ini tidak dapat digambarkan sebagai sebuah garis kontinu dalam diagram P-V karena tidak diketahui berapa nilai tekanan atau temperatur yang akan diasosiasikan dengan volume yang diberikan. Proses inilah yang dinamakan proses irreversibel.

13 2. Proses Reversibel (Proses Terbalikkan) Apabila kita menekan pengisap dengan sangat lambat sehingga tekanan, volume, dan temperatur gas tersebut pada setiap waktu adalah kuantitas-kuantitas yang dapat didefinisikan secara tepat. Mula-mula sedikit butiran pasir dijatuhkan pada pengisap dimana kemudian volume sistem akan direduksi sedikit dan T akan naik serta terjadi penyimpangan terhadap kesetimbangan yang sangat kecil. Sejumlah kecil kalor akan dipindahkan ke reservoir dan dalam waktu singkat sistem akan mencapai kesetimbangan baru dengan T adalah sama dengan T reservoir. Peristiwa ini diulakukan berulang-ulang sampai akhirnya kita mereduksi volume menjadi setengah kali volume awalnya. Selama keseluruhan proses ini, sistem tersebut tidak pernah berada dalam sebuah keadaan yang berbeda banyak dari sebuah keadaan kesetimbangan. Proses inilah yang dinamakan proses reversibel. Proses reversibel adalah sebuah proses yang dengan suatu perubahan diferensial di dalam lingkungannya dapat dibuat menelusuri kembali lintasan proses tersebut. Pada praktiknya semua proses adalah irreversibel tetapi kita dapat mendekati keterbalikan (reversibel) sedekat mungkin dengan membuat perbaikan- perbaikan eksperimen yang sesuai. Proses yang betul-betul reversibel adalah suatu abstraksi sederhana yang berguna dalam hubungannya dengan proses riel adalah serupa seperti hubungan abstraksi gas ideal dengan gas riel. Pada proses reversibel juga terjadi proses isotermal, kerena kita menganggap bahwa T gas berbeda pada setiap waktu hanya sebanyak diferensial dt dari T konstan reservoir dimana silinder berdiam. Volume gas tersebuat juga dapat direduksi secara adiabatikr dengan memindahkan silinder dari reservoir kalor dan menaruhnya pada sebuah tempat yang tidak bersifat sebagai penghantar. Dalam proses adiabatikr tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem. Proses adiabatikr dapat merupakan proses reversibel atau irreversibel, dimana proses reversibel kita dapat menggerakkan pengisap sangat lambat dengan cara pembebanan pasir dan proses yang irreversibel kita dapat menyodok pengisap dengan sangat cepat ke bawah. Selama proses kompresi adiabatik temperatur gas akan naik karena dari Hukum I Termodinamika bila Q = 0 maka besarnya usaha W untuk mendorong pengisap ke bawah harus muncul sebagai suatu pertambahan energi dalam sebesar ΔU. W akan bernilai berbeda untuk kecepatan yang berbeda dari pendorongan pengisap tersebut ke bawah yang diberikan oleh PdV yaitu luas daerah di bawah kurva pada diagram P V (hanya untuk proses reversibel untuk P tetap). ΔU dan ΔT tidak akan sama baik untuk proses reversibel ataupun irreversibel.

14 2.7 Siklus Carnot Sebelum membahas siklus Carnot terlebih dahulu perlu diketahui istilah reversibel dan irreversibel. Sebuah proses reversibel didefinisikan sebagai sebuah proses yang dapat dibalik tanpa meningggal jejak pada lingkungan. Atau dengan kata lain, sebuah proses yang jika dibalik akan melalui lintasan yang sama--ingat pengertian panas dan kerja sebagai fungsi lintasan. Proses irreversibel adalah kebalikan dari proses reversibel. Siklus Carnot adalah sebuah siklus reversibel, yang pertama kali dikemukakan oleh Sadi Carnot pada tahun 1824, seorang insinyur Perancis. Mesin teoritis yang menggunakan siklus Carnot disebut dengan Mesin Kalor Carnot. Siklus Carnot yang dibalik dinamakan dengan siklus Carnot terbalik dan mesin yang menggunakan siklus carnot terbalik disebut dengan mesin refrigerasi Carnot. Urutan proses pada siklus Carnot adalah sebagai berikut : 1. Ekspansi isotermal reversibel 2. Ekspansi adiabatis reversibel 3. Kompresi isotermal reversibel 4. Kompresi adiabatis reversibel Hukum termodinamika kedua meletakkan pembatasan pada operasi peralatan siklus seperti yang diekspresikan oleh Kelvin-Plank dan Clausius. Sebuah mesin kalor tidak dapat beroperasi dengan menukarkan panas hanya dengan reservoir tunggal, dan refrigerator tidak dapat beroperasi tanpa adanya input kerja dari sebuah sumber luar. Dari pernyataan diatas kita dapat mengambil kesimpulan yang berhubungan dengan efisiensi termal dari proses reversibel dan irreversibel : 1. Efisiensi sebuah mesin kalor irreversibel selalu lebih kecil dari mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama. 2. Efisiensi semua mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama adalah sama.

15 Gambar 2.2 Prinsip Carnot 2.8 Mesin Kalor Carnot Efisiensi termal dari semua mesin kalor reversibel atau irreversible dapat dituliskan sebagai berikut : dimana Q H adalah panas yang ditransfer ke mesin kalor pada temperatur T H, dan Q L adalah panas yang diteransfer ke mesin kalor pada temperatur T L. Hubungan di atas adalah hubungan yang mengacu pada efisiensi Carnot, karena mesin kalor Carnot adalah mesin reversibel yang baik. Perlu dicatat bahwa T L dan T H adalah temperatur absolut. Penggunaan o C atau o F akan sering menimbulkan kesalahan. Efisiensi termal dari suatu mesin kalor aktual dan reversibel yang beroperasi pada batas temperatur yang sama adalah sebagai berikut : Hampir semua mesin kalor mempunyai efisiensi termal dibawah 40 persen, yang sebenarnya relatif rendah jika dibandingkan dengan 100 persen. Tetapi bagaimanapun, ketika performance dari mesin kalor diperoleh tidak harus dibandingkan dengan 100 persen, tetapi harus dibandingkan dengan efisiensi sebuah mesin kalor reversibel yang beroperasi diantara batas temperatur yang sama. Gambar 2.3 Efisiensi Termal Mesin Kalor

16 Efisiensi maksimum sebuah pembangkit tenaga listrik yang beroperasi antara temperatur T H = 750 K dan T L = 300 K adalah 60 persen jika menggunakan rumus efisiensi mesin reversibel, tetapi aktualnya hanya sekitar 40 persen. Hal ini sebenarnya tidak begitu buruk dan hal tersebut masih membutuhkan improvisasi untuk mendekati efisiensi mesin reversibel. Kualitas Energi Sebuah mesin kalor Carnot jika menerima panas dari sebuah sumber pada temperatur 925 K dan mengubahnya 67,2 persen menjadi kerja, kemudian membuang sisanya (32,8 persent) ke sink pada 303 K. Sekarang jika dievaluasi bagaimana efisiensi termal jika sumber temperatur bervairiasi dengan temperatur sink dijaga konstan. Jika suplai panas dari temperatur sumber 500 K (bandingkan dengan 925 K), maka efisiensi termal turun drastis menjadi dari 67,2 ke 39,4 persen. Dan jika temperatur sumber sebesar 350 K, maka fraksi panas yang dikonversi hanya 13,4 persen. Harga efisiensi menunjukkan bahwa energi mempunyai kualitas sama seperti mempunyai kunatitas. Semakin tinggi temperatur, semakin tinggi kualitas energi. Contoh misalnya, jumlah yang besar dari energi matahari, jika disimpan dalam sebuah benda (body) yang disebut solar pond akan mempunyai temperatur kurang lebih 350 K. Jika hal ini disuplaikan ke sebuah mesin kalor, maka efisiensinya hanya kurang lebih 5 persen. Karena rendahnya kualitas energi yang didapat disimpan pada sebuah sumber, maka biaya konstruksi dan perawatan menjadi semakin mahal. Hal ini menjadi tidak kompetitif meskipun tersedia dalam jumlah yang banyak. 2.9 Mesin Pendingin dan Pompa Kalor Carnot Mesin pendingin dan pompa kalor yang beroperasi menggunakan siklus terbalik dinamakan mesin pendingin Carnot. Coefficient of performance mesin pendingin atau pompa kalor reversibel atau irreversibel adalah : Jika mesinnya adalah reversibel maka :

17 berikut: Perbandingan COP mesin pendingin reversiblel dan irreversibel adalah sebagai Gambar 2.4 COP Mesin Pendingin COP mesin pendingin dan pompa kalor menurun ketika TL menurun. Berarti hal ini memerlukan kerja untuk menyerap panas da media bertemepratur rendah. Ketika temperatur ruang refrigerasi mendekati nol, jumlah kerja yang diperlukan untuk memproduksi jumlah pendinginan tertentu akan mendekati tak terbatas dan COP-nya akan mendekati nol Mesin Gerak Abadi (Perpetual-Motion Machines) Kita mempunyai pernyataan yang berulang-ulang, bahwa sebuah proses tidak akan dapat berlangsung jika tidak memenuhi hukum termodinamika pertama dan kedua. Semua alat yang melanggar baik hukum termodinamika pertama maupun kedua disebut dengan mesin gerak abadi (Perpetual-Motion Machines). Sebuah alat yang melanggar hukum termodinamika pertama disebut dengan mesin gerak abadi tipe pertama (Perpetual-Motion Machines of the first kind PMM1) dan sebuah alat yang melanggar hukum termodinamika kedua disebut dengan mesin gerak abadi tipe kedua (Perpetual-Motion Machines of the second kind PMM2). Gambar 2.5 Skema PMM1 (kiri) dan PMM2 (kanan)

18 BAB III PENUTUP 3.1 Kesimpulan 3.2 Saran

19 DAFTAR PUSAKA Baedoewie, Saifuddin. Ir., Ir. Sudjito, dan Agung Sugeng W., ST., MT. Diktat Bab V: Hukum Temodinamika II. [online] Availabe at: [Diakses pada tanggal 8 Mei 2014] Makalah Hukum Termodinamika II. [online] Availabe at: [Diakses pada tanggal 8 Mei 2014] [Diakses pada tanggal 8 Mei 2014]