termodinamika

.     PENGERTIAN TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara  alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu energi di   alam   semesta   bersifat   kekal,   tidak   dapat   dibangkitkan   atau dihilangkan,  yang  terjadi  adalah  perubahan  energi  dari  satu  bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya dengan hukum – hukum dasar pada termodinamika. Dalam makalah ini kami akan membahas tentang hukum 3 termodinamika dan tentang sistem tenaga uap rankine.

Efek magnetokalorik di pakai untuk menurunkan temperatur senyawa paramagnetikhingga sekitar 0.001 K. Secara prinsip, temperatur yang lebih rendah lagi dapat dicapai dengan menerapkan efek magnetokalorik berulang-ulang. Jadi setelah penaikan medan magnetik semula secara isoterm, penurunan medan magnetik secara adiabat dapat dipakai untuk menyiapkan sejumlah besar bahan pada temperatur Tᶠ¹, yang dapat dipakai sebagai tandon kalor untuk menaikan tandon kalor secara isoterm ynag berikutnya dari sejumlah bahan yang lebih sedikit dari bahan semula. Penurunan medan magnetik secara adiabat yang kedua dapat menghasilkan temperatur yang lebih rendah lagi, Tᶠ², dan seterusnya. Maka akn tibul pertanyaan apakah efek magnetokalorik dapat dipakai untuk mendinginkan zat hingga mencapai nol mutlak.

Pecobaan menunjukan bahwa sifat dasar semua proses pendinginan adalah bahwa semakin rendah temperatur yang dicapai, semakin sulit menurunkannya.hal yang sama berlaku juga untuk efek magnetokalorik.dengan persyaratan demikian, penurunan medan secara adiabat yang tak trhingga banyaknya diperlukan untuk mencapai temperatur nol mutlak.

Rankine Cycle kadang-kadang dikenal sebagai suatu Daur Carnot praktis ketika suatu turbin efisien digunakan, T diagram akan mulai untuk menyerupai Daur Carnot. Perbedaan yang utama adalah bahwa suatu pompa digunakan untuk memberi tekanan cairan sebagai penganti gas. Ini memerlukan sekitar 100 kali lebih sedikit energy dibanding yang memampatkan suatu gas di dalam suatu penekan ( seperti di Daur Carnot)

2.      USAHA PADA BERBAGAI PROSES TERMODINAMIKA

a)      Usaha Sistem pada Lingkungannya

Dalam termodinamika, kumpulan benda-benda yang kita tinjau disebut sistem, sedangkan semua yang ada di sekitar sistem disebut lingkungan. Perhatikan suatu sistem berupa gas yang ada dalam suatu silinder yang dilengkapi tutup sebuah piston yang bebas bergerak seperti gambar 14.1. Usaha yang dilakukan oleh sistem sehubungan dengan perubahan volume gas dapat dirumuskan sebagai berikut . Piston yang mempunyai luas penampang A dan tekanan gas P menghasilkan gaya yang mendorong piston sebesar F = P A. Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

dW = F dx = P A dx = P dV

 

Untuk proses dari V1 ke V2, kerja (usaha) yang dilakukan oleh gas adalah

W =

 

                                                                                                            .... ( 4.1 )

                        Untuk menghitung integral ini kita perlu mengetahui bagaimana variasi tekanan selama proses berlangsung. Secara umum, tekanan tidak konstan sehingga penyelesaian integral tidak terlalu sederhana. Namun, jika kurva P terhadap V diketahui, kerja yang dilakukan oleh gas sama dengan luas area di bawah kurva pada diagram PV.

 Khusus untuk proses yang tekanannya konstan. Persamaan 4.1 dapat ditulis menjadi :

           

                                                                                                                            ...4.2

Dengan :

            W = usaha yang dilakukan oleh sistem ( gas )

             P = tekanan gas ( konstan )

            V₂ = volume akhir

            V₁ = volume awal

            Usaha yang dilakukan oleh gas (sistem) sering disebut usaha luar. Apabila diagram PV diketahui, usaha luar akan lebih sederhana ditentukan secara grafik yaitu dengan menentukan luas area di bawah kurva pada diagram tersebut. Perhatikan gambar 14.2 berikut.

 

                        Usaha yang dilakukan oleh gas (sistem) sering disebut usaha luar. Apabila diagram PV diketahui, usaha luar akan lebih sederhana ditentukan secara grafik yaitu dengan menentukan luas area di bawah kurva pada diagram tersebut. Perhatikanlah Gambar 14.2. Dari Persamaan (14.1) dapat kita lihat bahwa untuk tekanan P yang positif, usaha W akan positif bila gas memuai (V2 > V1) atau arah lintasan proses ke kanan (Gambar 14.2a). Sebaliknya, usaha W akan negatif bila gas memampat (V2 < V1) atau arah lintasan proses ke arah kiri (Gambar 14.2b).

b)     Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika

Beberapa proses dalam termodinamika antara lain, proses isotermal, proses isokhorik, proses isobarik, dan proses adiabatik.

Ø  Proses isotermal

Proses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistem pada P1 suhu tetap (Gambar 14.3). Proses ini mengikuti hukum Boyle, yaitu : PV = konstan. Untuk menghitung usaha yang dilakukan oleh sistem,

P2 kita tentukan dahulu persamaan tekanan sebagai fungsi volume berdasarkan persamaan keadaan V1 V2 V gas ideal, yaitu:

 

Dengan menggunakan rumus umum usaha ynag dilakukan oleh gas diperoleh:

 

                                                                                            ... ( 14.3 )

Ø  Proses isokhorik

Proses isokhorik adalah proses P perubahan keadaan sistem pada P1 volume tetap (Gambar 14.4). Karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha P2 yang dilakukan oleh gas sama nol.

W = P ( V) = P(0) = 0

Ø  Proses isobarik

Proses isobarik adalah proses Perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap (Gambar 14.5). Usaha yang dilakukan oleh gas adalah sesuai dengan Persamaan (14.2), yaitu :

W = P (V2  - V1) = P ( V)

Ø  Proses adiabatik

Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya kalor yang masuk ke atau keluar dari sistem (gas), yaitu Q = 0 (Gambar 14.6). Kurva adiabatik lebih curam dibanding kurva isotermal. Grafik 14.6 menunjukkan bahwa pada proses adiabatik terjadi perubahan suhu, tekanan, dan volume. Proses ini mengikuti rumus poisson sebagai berikut :

1y  = P2V2 TV(y – 1) = Tetap atau T1V1(y – 1) = T2V2(y – 1)

 

                                                                                                               ....... (14. 4)

Dengan , merupakan hasil perbandingan kapasitas kalor gas pada tekanan tetap CP dan kapasitas kalor pada volume tetap CV . besaran  disebut konstanta Laplace.

 

                                                                                                         ....... (14.5)

Usaha yang dilakukan oleh sistem (gas) hanya mengubah energi dalam, sebab sistem tidak menerima ataupun melepas kalor. Besarnya usaha yang dilakukan oleh sistem dapat ditentukan dengan menerapkan Persamaan (14.1) sehingga menghasilkan hubungan sebagai berikut.

                                                                                                                 ....(14.6)

Selain itu, dengan menggunakan hukum termodinamika I (akan dibahas kemudian), usaha yang dilakukan oleh gas pada proses adiabatik juga dapat dinyatakan sebagai berikut.

 

                                                                                                                .....(14.7)

Apabila keadaan awal dan keadaan akhir dari suatu proses adiabatik diketahui, usaha yang dilakukan oleh gas pada proses adiabatik tersebut dapat ditentukan dengan menggunakan Persamaan (14.6) atau (14.7). Proses adiabatik sangat penting dalam bidang rekayasa. Beberapa contoh proses adiabatik adalah pemuaian gas panas dalam suatu mesin diesel, pemuaian gas cair dalam sistem pendingin, dan langkah kompresi dalam mesin diesel.

3.       Hukum I Termodinamika

Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Kita hanya dapat mengubah bentuk energi, dari bentuk energi yang satu ke bentuk energi yang lain. Apabila suatu sistem diberi kalor, maka kalor tersebut akan digunakan untuk melakukan usaha luar dan mengubah energi dalam. Hukum I Termodinamika menyatakan bahwa:

Untuk setiap proses, apabila kalor Q diberikan kepada sistem dan sistem melakukan usaha W, maka akan terjadi perubahan energi dalam ∆U = Q – W.

Pernyataan ini dapat dituliskan secara matematis:

          

  

●      W  bertanda positif jika sistem melakukan usaha terhadap lingkungan

●      W bertanda negatif jika sistem menerima usaha dari lingkungan

●      Q bertanda positif jika sistem menerima kalor dari lingkungan

●      Q bertanda negatif jika sistem melepas kalor pada lingkungan

Ø  Usaha  Luar / Kerja

Gas dalam suatu silinder apabila dipanaskan, volumenya akan mengembag. Gas tersebut dikatakan melakukan usaha.

Gas dalam suatu sipinder melakukan usaha:

Ø  Kerja atau usaha luar pada gas ideal

          Pers. Gas ideal :

a.      Proses Isotermik ( T tetap)

b.      Proses Isometrik / Isokhorik / Isovolum ( V tetap )

c.       Proses Isobarik ( p tetap )

Usaha luar ( W ) : tergantung pada lintasan atau proses

Ø  Tenaga Dalam (Usaha Dalam)

Jumlah kalor

                   Menurut hukum I Termodinamika

Pada proses dengan V tetap berarti dW = 0 Sehingga :

cV = kalor jenis gas pada volume tetap

cp = kalor jenis gas pada tekanan tetap

Ø  Untuk proses p tetap

Ø  Proses pada gas ideal :

R = 0,82 It.atm/mol K

                        = 8,3.10⁷ erg/mol K

                          = 8,3 joule/mol K

Energi dalam (U) : tidak tergantung pada lintasan proses, melainkan hanya tergantung pada suhu awal dan suhu akhir.

4.     Hukum II termodinamika

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi dapat berubah bentuk dari satu bentuk ke bantuk lain. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat berlangsung dan perubahan energi mana yang tidak dapat berlangsung. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, yaitu:

a)    Rudolf Clausius (1822 – 1888) menyatakan rumusan Clausius tentang hukum II termodinamika dengan pernyataan aliran kalor. Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

b)    Hukum II termodinamika dinyatakan dalam entropi: Total entropi jagat raya tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi.

c)    Kelvin dan Planck menyatakan rumusan yang setara sehingga dikenal rumusan Kelvin-Planck tentang hukum II termodinamika tentang mesin kalor. Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah sluruhnya menjadi usaha luar.

Ø  Pengertian entropi

Secara umum proses ireversibel meyebabkan kehilangan sejumlah kalor, tetapi tidak seluruhnya sehinga mesin masih mampu melakukan usaha. Bagian kalor yang hilang dapat dinyatakan dengan suatu variabel keadaan termodinamika baru yang disebut entropi.

Entropi adalah suatu ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha Jika suatu sistem pada suhu mutlak T mengalami suatu proses reversibel dengan menyerap sejumlah kalor Q maka kenaikan entropi ∆S dirumuskan oleh :

 

                                                                                                 ..............(14.12)

Perubahan emtropi ∆S hanya tergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal. Proses reversibel tidak mengubah total entropi dan jagat raya, tetapi setiap proses ireversibel selalu menaikkan entropi jagat raya.

Mesin pendingin (refrigerator)

Kalor dapat dipaksa mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja secara ini disebut mesin pendingin (refrigerator), contohnya lemari es (kulkas) dan pendingin ruangan (AC)

Ukuran penampilan sebuah mesin pendingin dinyatakan dengan koefisien daya guna (koefisien perfomansi) yang diberi lambang Kp.

 

..........(14.22)

Kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien perfomansi dalam jangkauan 2 sampai dengan 6. Semakin tinggi nilai Kp, semakin baik mesin pendingin tersebut.

5.     Siklus termodinamika

Ø  Perngertian Siklus

Khusus untuk proses isotermal, hanya satu proses isotermal saja tidak mungkin dapat terus-menerus melakukan usaha karena volume sistem ada batasnya. Pada suatu saat proses itu harus berhenti, yaitu bila volume V2 sudah mencapai nilai maksimum. Agar dapat mengubah kalor menjadi usaha lagi, sistem itu harus dikembalikan ke keadaan awalnya. Rangkaian proses yang membuat keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya disebut siklus. Dalam Gambar 14.8 dilukiskan sebuah siklus termodinamika. Mulai dari keadaan A gas itu mengalami proses isotermal sampai keadaan B. Kemudian proses isobarik mengubah sistem sampai ke keadaan C.

Akhirnya proses isokhorik membuat sistem kembali ke keadaan awalnya di A. Proses dari keadaan A ke keadaan B lalu kembali ke keadaan A disebut siklus. Usaha yang dilakukan oleh sistem untuk satu siklus sama dengan luas daerah yang diarsir pada diagram itu. Sedangkan perubahan energi dalam untuk satu siklus sama dengan nol (∆U = 0) karena keadaan awal sama dengan keadaan akhir. Dapatlah sekarang disimpulkan bahwa agar dapat melakukan usaha terus-menerus, sistem itu harus bekerja dalam satu siklus.

Ø  Siklus Carnot

Siklus Carnot diperkenalkan oleh seorang insinyur berkebangksaan Perancis bernama Sadi Carnot (1796-1832) pada tahun 1824. Siklus ini terdiri dari empat proses seperti pada gambar 14.9. Keempat proses itu adalah sebagai berikut.

                               I.            Proses AB adalah pemuaian isotermal pada suhu T1 . Dalam proses ini, gas menyerap kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi T1 dan melakukan usaha WAB.

                            II.            Proses BC adalah pemuaian adibatik. Selama proses ini suhu gas turun dari T1 menjadi T2 sambil melakukan usaha WBC

                         III.            Proses CD adalah pemampatan isotermal pada suhu T2, Dalam proses ini, gas melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah T2 dan melakukan usaha WCD

                         IV.            Proses akhir DA adalah pemampatan adiabatik. Suhu gas naik dari T2 ke T1 sambil melakukan usaha WDA .

Siklus Carnot merupakan dasar dari mesin ideal, yaitu mesin yang paling efisien, yang selanjutnya diesbut mesin Carnot. Usaha total yang dilakukan oleh gas untuk satu siklus sama dengan luas daerah di dalam siklus. Mengingat selama proses siklus Carnot gas menerima kalor Q1 dari reservoir bersuhu tinggi dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu rendah ,

maka usaha yang dilakukan oleh gas sesuai dengan hukum I termodinamika adalah:

Q = ∆V + W atau Q₁ – Q₂ = 0 + W

 

                                                                                                  ......... (14.18 )

dengan:

Q1 = kalor yang diserap dari reservoir bersuhu tinggi (J)

Q2 = kalor yang dilepas ke reservoir bersuhu rendah (J)

Ø  Efisiensi mesin

Dalam menilai untuk kerja suatu mesin, efisiensi merupakan suatu faktor yang penting. Untuk mesin kalor, efisiensi mesin (c) dapat dilihat dari perbandingan kerja yang dilakukan terhadap kalor masukan yang diperlukan, yang secara matematis dapat ditulis sebagai berikut:

 

                                                                                                                         ....... (14.19)

            Untuk siklus Carnot berlaku hubungan  sehingga efisiensi siklus Carnot dapat dinyatakan sebagai:

             

                                                                                               ....... (14.20)

dengan:

T1 = suhu reservoir bersuhu tinggi (K)

            T2 = suhu reservoir bersuhu rendah (K)