BAB 5 HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA
Bab 5: Hk Termo IIDr. Ir. T. A. Fauzi Soelaimanhal.: 5.7
BAB 5. HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA
Yang akan dipelajari: Hukum Termodinamika 2, dan Korolari
(Dampak Wajar) Hukum Termo 2.
ARAH PROSES
Beberapa proses yang terjadi secara spontan:
a. Balok dari temperatur tinggi ke temperatur sekeliling.
U sistem turun, U sekeliling naik.
Sebaliknya tidak akan pernah terjadi secara spontan walau Hk I
terpenuhi.
b. Tangki dilepas dari tekanan tinggi ke tekanan sekeliling
ketika katup dibuka.
c. Benda dilepaskan akan jatuh ke bawah.
PE ( KE ( U naik ( U kesetimbangan
Seluruh proses di atas tidak dapat dibalikkan secara spontan
walau Hk Termo I dipenuhi. Pada ketiga kasus di atas dapat dibuat
agar kerja dapat diperoleh selama proses berlangsung. Perlu
dianalisis:
Berapa maksimum kerja secara teoritik yang dapat diperoleh?
Faktor apa saja yang diperlukan agar kerja maksimum
tercapai?
Hukum Termodinamika I tidak dapat:
1. Memperkirakan apakah suatu proses dapat terjadi atau
tidak.
2. Menyatakan ke mana proses akan berlangsung.Hukum
Termodinamika 2 dapat digunakan untuk:
1. Memperkirakan arah proses.
2. Menentukan kondisi kesetimbangan.
3. Menentukan prestasi teoritik maksimum siklus.
4. Menentukan faktor yang menyatakan maksimum prestasi.5.
Menentukan skala temperatur independen terhadap sifat termometrik
zat.
6. Menyatakan sifat u dan h dari sifat-sifat yang dapat diukur
dari eksperimen
7. dll. (ekonomi, politik, philosophi, dll.)
PERNYATAAN HUKUM TERMODINAMIKA 2:
Tidak ada satu pernyataan untuk Hukum Termo 2. Dasarnya adalah
kenyataan eksperimental.
1.PERNYATAAN CLAUSIUS:
Tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa
sehingga hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas
dari sistem yang lebih dingin ke sistem yang lebih panas.
(Sistem refrigerasi/pompa panas? Mungkin bila Win ada)
2. PERNYATAAN KELVIN-PLANCK:
Tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus termodinamika
dan memberikan sejumlah netto kerja ke sekeliling sambil menerima
energi panas dari satu reservoir termal.
(Bila bukan siklus bisa: sistem torak dan silinder)
Secara analitik: Untuk satu reservoir: Wsiklus ( 0
(dan Qsiklus ( 0).
PERSAMAAN PERNYATAAN CLAUSIUS DAN KELVIN PLANCK
Pernyataan sama bila pelanggaran suatu pernyataan menyebabkan
pelanggaran terhadap pernyataan lainnya.
Bukti pelanggaran Pernyatakan Clausius melanggar Pernyataan
Kelvin Planck:
A: Qc dari dingin ke panas, melanggar
Clausius
B: Sebuah siklus: tidak melanggar
C: Siklus dengan satu reservoir:
melanggar Kelvin Planck
Jadi, kedua pernyataan di atas sama.
Sebaliknya: Soal no. 5.3.
MENGIDENTIFIKASI KETAKTERBALIKKAN (IRREVERSIBILITIES)
Hukum Termo 2 dapat digunakan untuk menentukan prestasi teoritik
terbaik dari sistem. Dengan membandingkannya terhadap prestasi
sebenarnya, maka potensi perbaikan dapat diidentifikasi dengan
menentukan ketakterbalikan sistem.
PROSES TAK TERBALIKKAN:
Suatu proses dimana sistem dan seluruh sekeliling tidak dapat
kembali ke tingkat keadaan awal. (Sistem mungkin dapat kembali ke
t.k. awal, tapi sekeliling tidak). Semua proses nyata adalah proses
tak terbalikkan.
Ketakterbalikkan: -dalam (dalam sistem)
luar (dalam sekeliling yang terdekat)
Ketakterbalikkan dapat didemonstrasikan dengan Pernyataan Kelvin
Planck
(lihat Gambar 5.3):
a. Asumsi ada cara untuk sistem dan sekeliling kembali ke t.k.
awal.
b. Perhatikan bahwa akibat asumsi ini mungkin diperoleh siklus
yang menyebabkan adanya kerja dari satu sistem reservoir
termal.
c. Karena siklus ini tidak mungkin ada, maka asumsi a adalah
salah dan sistem tidak mungkin kembali ke t.k. awal.
PROSES TERBALIKKAN:
Suatu proses dimana sistem dan sekeliling dapat kembali ke t.k.
awal (suatu hipotesa).
Proses terbalikkan sebenarnya tidak ada, hanya merupakan proses
ideal. Proses ideal diperlukan sehingga kita dapat membandingkan
proses yang sebenarnya dengan proses idealnya.
Proses terbalikkan dalam: bila tidak terjadi ketidakterbalikkan
dalam sistem, semua sifat intensif seragam dalam sistem setiap
saat, proses tidak boleh terjadi secara spontan, proses
quasi-equilibrium: kesetimbangan semu. Di luar sistem (di
sekeliling) mungkin terjadi ketakterbalikkan.
APLIKASI HUKUM TERMO 2 PADA SIKLUS TERMODINAMIKA
INTEPRETASI PERNYATAAN KELVIN PLANCK
Kelvin Planck: untuk satu reservoir: Wsiklus ( 0.
Untuk siklus terbalikkan:
Wsiklus = 0 = Qsiklus (Hk. Termo 1)
Untuk siklus takterbalikkan:
Wsiklus < 0 bisa! (W masuk bisa!)
Qsiklus < 0 bisa! (Q keluar bisa!)
SIKLUS DAYA DENGAN DUA RESERVOIR TERMAL:
Efisiensi termal:
Bila Qc = 0, ( = 100% (tidak mungkin oleh Kelvin Planck). Jadi
efisiensi harus lebih kecil dari 100%.
(Kesimpulan ini tidak memerlukan data bahan sistem, proses dalam
siklus, atau proses merupakan ideal atau sebenarnya)
Korolari (Dampak Wajar) Carnot:
Korolari 1:Efisiensi termal dari siklus daya tak terbalikkan
selalu lebih rendah dari efisiensi termal siklus daya terbalikkan
bila keduanya beroperasi dengan dua reservoir termal yang
sama.Korolari 2:Semua siklus daya terbalikkan antara dua reservoir
termal yang sama akan memberikan efisiensi termal yang sama.Bukti
Korolari 1:
R: siklus reversible, I: siklus irreversible
A: siklus ada 2: R dan I
B: Ganti arah energi di R (menjadi refrigerasi)
Semua sama kecuali arah QH, QC dan WRC: Tinjau R + I dan
Reservoir Panas
Bila ini harus jalan, W siklus < 0, atau: WI WR < 0
Bagi dengan QH: WI/QH WR/QH < 0
Atau: (I < (R .... terbukti
Bukti Korolari 2:
A: Siklus: 2 R: R1 dan R2B: Balik arah-arah di R1C: Tinjau
sistem: R1 + R2 + Reservoir Panas
W siklus = 0 (terbalikkan)
Atau: WR2 WR1 = 0
Bagi dengan QH: WR2/QH WR1/QH = 0
Atau: (R1 = (R2 .... terbukti
SIKLUS PENDINGIN DAN PENUKAR PANAS DENGAN DUA RESERVOIR
TERMAL
Hukum Termo 2 membatasi prestasi siklus daya dan siklus
pendingin dan pompa panas sbg.:
COP pendingin:
COP pompa panas:
Bila W mendekati nol (menentang pernyataan Clausius), COP di
atas mendekati infiniti (tidak mungkin diperoleh, dibatasi).
Korolari Siklus Pendingin Dan Pompa Panas:
(bandingkan dengan untuk siklus daya Carnot di atas)
Korolari 1:COP dari siklus pendingin/pompa panas tak terbalikkan
selalu lebih kecil dari COP siklus pendingin/pompa panas
terbalikkan bila keduanya bekerja pada dua reservoir termal yang
sama.
Korolari 2:Semua siklus pendingin/pompa panas terbalikkan
bekerja pada temperatur yang sama akan memberikan COP yang sama
pula.Bukti Korolari 1:
A: Siklus: R dan I dengan Qc yang sama.
B: Balik arah-arah di R.
C: Tinjau sistem: R + I + Reservoir Dingin
W siklus < 0 (takterbalikkan)
Atau: WR WI < 0
Bagi dengan Qc: WR/Qc W1/Qc < 0.
Atau: (R > (I .... terbukti
Bukti Korolari 2: Silahkan coba sendiri. Begitu pula yang untuk
Pompa Panas.
SKALA TEMPERATUR KELVIN
Korolari Carnot kedua menyatakan efisiensi semua siklus daya
terbalikkan dengan dua reservoir termal adalah sama tanpa melihat
bahan dan lain-lain. Oleh karena itu, efisiensi bergantung pada
sifat reservoir termal, yaitu temperatur.
Untuk siklus yang berkerja pada dua reservoir termal
bertemperatur: (H dan (C maka:
Atau:
Persamaan ini menyatakan skala temperatur termodinamika yang
tidak tergantung oleh bahan, yang disebut juga Skala Kelvin.
Bila diambil TH = 273,16 K sebagai titik triple air, maka:
T = 273, 16 (Q/Qtp)siklus terbalikkan
Skala Temperatur Internasional: The International Temperature
Scale of 1990 (ITS-90): dibuat berdasarkan titik-titik yang dapat
diduplikasi di mana saja Lihat Tabel 5.1)
PRESTASI MAKSIMUM UNTUK SIKLUS DENGAN DUA RESERVOIR
Siklus Daya:
( = 1- QC/QH Berdasarkan Skala Kelvin: untuk sebuah siklus
reversible (efisiensi maksimum):
(maks = 1- TC/THSkala yang harus digunakan adalah skala absolut
Kelvin, efisiensi naik bila TH naik dan TC turun. TC umumnya
digunakan sebagai T sekeliling = 298 K.
Dengan cara yang sama, berdasarkan Skala Kelvin:
Siklus Pendingin:
(maks = TC / (TH TC)
Siklus Pompa Panas: (maks = TH / (TH TC)SIKLUS CARNOT
Contoh siklus terbalikkan yang bekerja pada dua reservoir
termal:
Siklus Daya Carnot:
(Contoh lain: Siklus Erricson dan Siklus Stirling)
Asumsi semua proses terbalikkan:
Pada Massa Atur:
Proses Siklus Daya Carnot (Massa Atur):
1-2: kompresi adiabatik
2-3: ekspansi isotermal
3-4: ekspansi adiabatik
4-1: kompresi isotermal
Pada Volume Atur:Diagram p-v (luas dalam kurva: kerja yang
dihasilkan per satuan massa):Satu fasa:
Dua fasa (Volume Atur):
Kebalikkannya adalah:
Siklus Refrigerasi Carnot:
Proses Siklus Pendingin Carnot:
1-2: ekspansi isotermal
2-3: kompresi adiabatik
3-4: kompresi isotermal
4-1: ekspansi adiabatik
Luas dalam kurva: kerja yang diperlukan siklus per massa.
KETIDAKSAMAAN CLAUSIUS
Merupakan korolari dari Hk Termo 2.
Berlaku untuk siklus manapun tanpa memperhatikan badan yang
menerima atau memberikan kalor.
dimana: (Q: perpindahan kalor pada batas sistem
T : temperatur absolut bagian batas tersebut
b : integral pada batas sistem yang merupakan siklus
( : integrasi pada seluruh bagian batas selama siklus
berlangsung
Bukti:
Dari definisi Skala Kelvin, untuk siklus:
Kesetimbangan energi di sistem kombinasi:
Dari Kelvin-Plank: bila sistem kombinasi harus dapat berjalan,
maka Wc ( 0. Jadi:
Terbukti!
Atau dapat ditulis pula:
dimana:(siklus adalah kekuatan ketakterbalikkan siklus
(nanti akan didefinisikan sebagai produksi entropi)
(siklus = 0 bila terbalikkan
(siklus > 0 bila tak terbalikkan
(siklus < 0 tidak mungkin terjadi
A
B
C
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
R1
R2
WR2
WR1
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
4
1
2
3
4
1
2
3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
_1047467468.unknown
_1288508046.unknown
_1288508048.unknown
_1288508049.unknown
_1288508050.unknown
_1288508047.unknown
_1061649156.unknown
_1047386718.unknown
_1047447139.unknown
_1047386599.unknown