(Diunggah untuk mamenuhi tugas catatan kuliah online kuliah Termodinamika 2017)
Oleh : KELOMPOK 2
Rr. Anisa Sahardia (05021381621061)
Tri Sukma Rani (05021381621059)
Yudha Mulyadi (05021381621066)
Kesetaraan Perumusan Kelvin-Planck dan Clausius
Gambar 8. (a) Motor bakar; (b) Pesawat pendingin
Jika ditinjau sepintas, seakan-akan kedua perumusan itu tidak kena mengena. Tetapi dapat ditunjukkan bahwa sebenarnya kedua perumusan itu setara, dalam arti kalau perumusan Clausius tidak benar, perumusan Kelvin-Planck pun tidak benar pula. Demikian juga sebaliknya. Secara simbolik, sebuah motor bakar dinyatakan seperti terlukis dalam gambar 8 (a) dan pesawat pendingin seperti gambar 8 (b).
1. Misalkan perumusan Clausius tidak benar.
Jika demikian halnya, dapatlah dibuat pesawat pendingin yang dapat memindahkan kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas tanpa usaha dari luar yang digunakan serempak dengan motor bakar biasa. Dalam hal ini, diusahakan agar pesawat dingin itu mampu menyerap seluruh kalor yang oleh motor bakar diberikan kepada reservoir dingin sehingga diperoleh gabungan yang terlukis seperti gambar berikut ini :
Gambar 9. Gabungan antara pendingin yang menentang Clausius dengan motor-bakar biasa T1
Gambar 10. Hasil akhir gabungan
Adapun hasil gabungan ini adalah :
Reservoir T2 menerima kalor│Q2│dari motor bakar, tetapi kalor sebesar ini pula diambil oleh pesawat pendingin. Jadi netto, reservoir T2 ini mendapat maupun kehilangan kalor.Ini berarti reservoir T2 tidak diperlukan.
Gambar 11. Gabungan antara pesawat yang menentang Kelvin Planck dengan pesawat pendingin biasa.
Reservoir T1 menerima kalor sebanyak │Q2│ dari pesawat pendingin, tetapi memberikan kalor │Q1│ > │Q2│ kepada motor bakar.Jadi netto, reservoir itu kehilangan kalor sebanyak │Q1│- │Q2│. Tetapi motor bakar itupun melakukan usaha sebanyak │Q1│- │Q2│. Jadi, dapat disimpulkan bahwa reservoir T1 memberikan kalor │Q1│- │Q2│ kepada gabungan itu, dan gabungan itu melakukan usaha sebanyak W = │Q1│-│Q2│. Jika demikian halnya, gabungan ini merupakan pesawat yang menentang persamaan Kelvin-Planck. Jadi, Kalau perumusan Clausius tidak benar, maka perumusan Kelvin-Planck pun tidak benar pula.
2. Misalkan perumusan Kelvin-Planck tidak benar.
Dalam hal ini, seseorang dapat membuat pesawat yang menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah kalor itu menjadi usaha.Usaha dapat digunakan untuk menjalankan pesawat pendingin biasa (gambar 11).
Alhasil reservoir T1 itu menerima kalor sebanyak
│Q2│ + │W│-│Q1│= │Q2│+│Q1│-│Q1│=│Q2│
Sedangkan dari reservoir T2 diambil kalor sebanyak │Q2│ juga. Jadi, gabungan itu memindahkan kalor │Q2│ dari reservoir dingin (T2) ke reservoir panas (T1) tanpa perubahan lain apapun. Gabungan ini bertentangan dengan perumusan Clausius. Dengan demikian, perumusan Clausius setara dengan perumusan Kelvin-Planck.
2.4 REVERSIBEL DAN IREVERSIBEL
Proses yang tidak menyalahi hukum kedua, dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu reversibel dan ireversibel (terbalikkan dan tak terbalikkan). Marilah kita tinjau suatu sistem terisolasi. Hukum kedua mengatakan bahwa tidaklah mungkin terjadi suatu proses yang akan mengurangi entropi. Andaikan sistem itu mengalami suatu proses dengan arah yang kita sebut saja ke depan. Jika proses itu terjadi dengan kenaikan entropi, maka andaikan terjadi proses sebaliknya (ke belakang) pastilah akan disertai penurunan entropi dan ini tak mungkin. Maka dikatakan bahwa proses yang terjadi ke arah depan itu disebut ireversibel.
Bila ada proses ke depan itu tidak terjadi perubahan entropi maka pada proses sebaliknya juga tidak akan terjadi perubahan entropi. Dengan demikian maka proses dapat berlangsung ke arah manapun tanpa menyalahi hukum kedua. Proses reversibel adalah proses yang tak menghasilkan entropi.
Kebanyakan proses yang nyata adalah ireversibel, namun banyak pula yang dapat diidealkan sebagai proses reversibel. Beberapa proses demikian misalnya adalah proses–proses berikut.
1) Untai listrik dengan kapasitor dan induktor, tanpa resistor.
2) Kotak beroda pada rel licin (tanpa gesekan) yang dihubungkan dengan satu ujung pegas, ujung lain terikat pada dinding.
3) Gas dalam bejana tertutup piston yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan; piston dihubungkan dengan satu ujung pegas dan ujung pegas yang lain terikat pada dinding.
(Dimsiki Hadi, 1993: 192-193)
Misalkan sebuah sistem mengalami suatu proses, berubah dari keadaan A ke keadaan B. jika, sesudah proses itu selesai, sistem dan lingkungannya dapat dikembalikan ke keadaan semula, sehingga pada hasil akhirnya tiada kalor yang berpindah dan tiada usaha yang dilakukan, maka proses tersebut disebut proses reversibel. Proses yang tidak memenuhi syarat ini disebut proses ireversibel.
Tinjaulah lagi proses perpindahan kalor dari benda A (yang bertemperatur TA) ke benda B (yang bertemperatur TB < TA), bila kedua buah benda itu bersentuhan. Setelah kedua-duanya bertemperatur sama, T dapatkah masing-masing di kembalikan kekeadaan semula? Dapat! Yang diperlukan hanyalah dua buah reservoir: yang sebuah bertemperaturTA dan yang lain TB. Kemudian benda A dibiarkan bersentuhan dengan reservoir TA, benda B bersentuhan dengan reservoir TB. Maka pada akhirnya benda A bertemperatur TA dan benda B bertemperatur TB, seperti sebelum proses. Tetapi terjadi pula perubahan lain di lingkungannya: reservoir TA kehilangan kalor sebesar Q, sedang reservoir TB menerima kalor sebesar Q. Dapatkah kalor Q dipindahkan dari reservoir TB ke reservoir TA tanpa perubahan lain? Jelas tidak dapat! Karena itulah proses tersebut dikatakan ireversibel.
Agar suatu proses reversibel haruslah dalam proses itu tidak ada gesekan dan tidak ada pula ketidakseimbangan. Proses seideal itu tidak mungkin ada. Kalau proses itu quasistatik dan di dalamnya gesekan dapat diabaikan, cukuplah sudah proses itu dianggap reversibel.
(Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1983: 208)
Mesin Pendingin dan Pompa kalor
a. Mesin Pendingin
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
Refrigerant memasuki kompresor sebagai sebuah uap dan di kompres ketekanan kondensor. Refrugerant meninggalkan kompresor pada temperatur yang relatif tinggi dan kemudian didinginkan dan mengalami kondensasi di kondensor yng membuang panasnya ke lingkungan. Refrigent kemudian memasuki tabung kapilar dimana tekanan refrigerant turun drastis karena efek throttling. Refrigerant bertemperatur rendah kemudian memasuki evaporator, dimana disini refrigent menyerap panas dari ruang refrigerasi dan kemudian refriferant kembali memasuki kompresor. Efisiensi refrigerator disebut dengan istilahcoefficient of performance (COP), dinotasikan dengan COPR.
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 istilahcoefficient of performance-lebih disukai untuk menghindari kerancuan dengan istilah efisiensi, karena COP dari mesin pendingin lebih besar dari satu.
b. Pompa Kalor
Pompa kalor adalah mesin yang memindahkan panas dari satu lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Sebagian besar teknologi pompa kalor memindahkan panas dari sumber panas yang bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Contoh yang paling umum adalah lemari es, freezer, pendingin ruangan, dan sebagainya. 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.
Perbandingan antara COPR dan COPHP adalah sebagai berikut :
Mesin kalor membuat energi mengalir dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin, menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin ke lokasi yang lebih panas.
Air condtioner pada dasarnya adalah sebuah mesin pendingin tetapi yang didinginkan disini bukan ruang refrigerasi melainkan sebuah ruangan/gedung atau yang lain.
Hukum Termodinamika II Pernyataan Clausius
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 clausis dapat diungkapkan sebagai berikut:
“Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroprasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah kemedia bertemperatur tinggi.”
Telah kita ketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi kemedia bertemperatur rendah. Pernyataan clausis tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat siklus yang dapat memindahkan panas dari terperatur rendah ke media bertemperatur tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut dapat terjadi asalkan ada efek luar yang dalam kasus tersebut dilakukan kompresor yang mendapat energi dari energi listrik.
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 pertama dan kedua termodinamika disebut dengan mesin gerak abadi (Perpetual-Motion Machines).
Gambar (Perpetual-Motion Machines)
Sebuah alat yang melanggar hukum termodinamika yang pertama disebut mesin gerak abadi tipe pertama (Perpetual-Motion Machines of the first kind) atau PMMI,sedangkan alat yang melanggar hukum termodinamika kedua disebut mesin gerak abadi tipe kedua (Perpetual-Motion Machines of the second kind)atau KMM2.
HUKUM KE DUA TERMODINAMIKA
Termodinamika adalah nama yang diberikan untuk studi proses di mana energi ditransfer sebagai kalor dan sebagai kerja. Dalam termodinamika terdapat beberapa hukum yang meliputinya. Hukum termodinamika pertama menyatakan bahwa energi adalah kekal. Sebagai contoh, ketika sebuah benda yang panas diletakkan bersentuhan dengan benda yang dingin, kalor mengalir dari yang panas ke yang dingin, tidak pernah sebaliknya secara spontan. Jika kalor meninggalkan benda yang dingin dan masuk ke yang panas, energi akan tetap bisa kekal. Tetapi ini tidak berlangsung secara spontan. Ada banyak contoh lain dari proses yang terjadi di alam tetapi kebalikannya tidak pernah terjadi. Misal, cangkir kopi dan gelas akan pecah seketika jika Anda menjatuhkannya. Tetapi pecahannya tidak akan bersatu kembali seketika.
Hukum termodinamika pertama, kekekalan energi, tidak akan dilanggar jika proses-proses ini terjadi dengan sebaliknya. Untuk menjelaskan tidak adanya reversibilitas (bisa balik) para ilmuwan di paruh kedua abad sembilanbelas merumuskan prinsip baru yang dikenal dengan hukum termodinamika kedua. Hukum ini merupakan pernyataan mengenai proses yang terjadi di alam dan yang tidak. Hukum ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, semuanya sama.
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
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: 246 dan 250)
Gambar dibawah ini memperlihatkan dua sistem yang berbeda dan masing-masing dilingkupi oleh dinding adiabatik. Pada gambar (a) sebuah benda yang suhunya T1bersinggungan dengan benda lain (reservoir) yang suhunya T2. Jika suhu T2 lebih tinggi dari pada T1 maka sejumlah bahang akan mengalir dari reservoir masuk ke dalam benda pertama sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang. Dalam keadaaan seimbang ini, suhu benda pertama berubah menjadi T2 sama dengan suhu reservoir. Proses ini terjadi secara spontan. Seperti yang diketahui, reservoir adalah benda yang karena ukurannya besar atau karena sejumlah bahang mengalir keluar masuk ke dalamnya, suhunya tidak berubah.
Gambar 1. Dua sistem berbeda oleh dinding adiabatik
Pada gambar (b) dilukiskan suatu bejana yang terbagi dua oleh diafragma. Bagian kiri berisi sejumlah gas dan bagian kanan hampa. Jika diafragma dirobek, maka sejumlah molekul gas dari bagian kiri akan bergerak memasuki bagian kanan sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang dengan kedua bagian mempunyai tekanan yang sama. Proses inipun tak dapat berlangsung ke arah sebaliknya. Dari keadaan seimbang dengan molekul-molekul gas menempati kedua bagian dengan tekanan yang sama kemudian sejumlah molekul bergerak ke kiri sampai akhirnya bagian kanan menjadi hampa. Dari varian di atas dapat disimpulkan bahwa tampaknya hukum pertama tidak sensitif terhadap arah proses.
Hukum pertama termodinamika tidak dapat menjelaskan apakah suatu proses mungkin terjadi ataukah tak 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. Ternyata orang yang menemukannya adalah Clausius dan besaran itu disebut entropi. Hukum kedua ini 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 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. Maka hukum kedua secara langsung menjadi relevan pada banyak soal praktis yang penting. 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 mengaalami 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.
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. Kedua kemustahilan ini tidak melanggar hukum pertama termodinamika. Oleh karena itu, hukum kedua termodinamika bukanlah penyimpulan dari hukum pertama, tetapi berdiri sendiri sebagai hukum alam yang terpisah. Hukum pertama 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, seseorang dapat mengabungkannya 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, 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 prosesireversibel. 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 dengan sendirinya dan bukannya terpisah. Hukum kedua termodinamika adalah sebuah pernyataan dari aspek sifat searah dari proses-proses tersebut dan banyak prosesireversibel 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.
Gambar 2. Diagram aliran energi untuk bentuk-bentuk yang ekuivalen dari hukum kedua. (a) Sebuah pendingin tanpa kerja (kiri), jika ada, dapat dikombinasikan dengan mesin kalor biasa (kanan) untuk membentuk sebuah perangkat gabungan yang berfungsi sebagai mesin dengan efisiensi 100%, mengubah panas seutuhnya menjadi kerja. (b) Sebuah mesin dengan efisiensi 100% (kiri), jika ada dapat dikombinasikan dengan pendingin biasa (kanan) untuk membentuk sebuah pendingin tanpa kerja, memindahkan panas QC dari reservoir dingin ke reservoir panas tanpa selisih masukan kerja. Karena keduanya adalah mustahil, maka yang satunya pun akan mustahil.
(Sears dan Zemansky, 2000: 561-562)
2.2 PERNYATAAN KELVIN-PLANCK DAN RUDOLF CLAUSIUS TENTANG HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
Dua formulasi dari hukum kedua termodinamika yang berguna untuk memahami konversi energi panas ke energi mekanik, yaitu formulasi yang dikemukakan oleh Kelvin-Planck dan Rudolf Clausius. Adapun hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut :
1. Formulasi Kelvin-Planck
“Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik.” Dengan kata lain, formulasi kelvin-planck menyatakan bahwa tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari lautan dan menggunakan energi ini untuk menjalankan generator listrik tanpa efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer. Oleh karena itu, pada setiap alat atau mesin memiliki nilai efisiensi tertentu. Efisiensi menyatakan nilai perbandingan dari usaha mekanik yang diperoleh dengan energi panas yang diserap dari sumber suhu tinggi.
(4-1)
Dimana W= Q1– Q2, sehingga
(4-2)
2. Formulasi Clausius
“Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas”.Dengan kata lain, seseorang tidak dapat mengambil energi dari sumber dingin (suhu rendah) dan memindahkan seluruhnya ke sumber panas (suhu tinggi) tanpa memberikan energi pada pompa untuk melakukan usaha.
(Marthen Kanginan, 2007: 249-250)
Berbeda dari hukum pertama, hukum kedua ini mempunyai berbagai perumusan. Kelvin mengetengahkan suatu permasalahan dan Planck mengetengahkan perumusan lain. Karena pada hakekatnya perumusan kedua orang ini mengenai hal yang sama maka perumusan itu digabung dan disebut perumusan Kelvin-Planck bagi hukum kedua termodinamika. Perumusan ini diungkapkan demikian :
“Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubahnya menjadi usaha”
Oleh Clausius, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan ungkapan :
“Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya hanya menyerap kalor dari reservoir bertemperatur rendah dan memindahkan kalor ini ke reservoir yang bertemperatur tinggi, tanpa disertai perubahan lain”. Memindahkan kalor dari temperatur rendah ke temperatur tinggi kalau terus-menerus, akan membuat reservoir dingin menjadi lebih dingin lagi, dan reservoir panas menjadi lebih panas lagi. Adapun proses yang terjadi pada pesawat pendingin seperti lemari es adalah sebagai berikut :
a. Zat cair pada tekanan tinggi harus melalui saluran yang sempit, menuju ke ruang yang lapang. Proses ini disebut proses Joule-Kelvin.
b. Tiba diruang yang lapang itu (evaporator) zat cair berkurang tekanan dan temperaturnya, serta menguap pula. Untuk menguap, zat cair itu memerlukan kalor yang diserapnya dari reservoir T2. (Benda yang akan didinginkan itulah yang menjadi reservoir dingin).
c. Uap pada tekanan rendah ini masuk kompresor, dimampatkan, sehingga tekanan dan temperaturnya naik. Temperatur uap ini lebih tinggi dari pada temperatur reservoir T1 (dan T1˃T2).
d. Tiba di kondensor uap ini memberikan kalor pada reservoir T1. Selaku reservoir T1 dapat digunakan udara dalam kamar, ataupun air.
Zat yang sering digunakan pada pesawat pendingin adalah freon atau amoniak. Proses yang sebenarnya berlangsung amat rumit. Dengan mengabaikan banyak hal dapatlah dilukiskan siklus yang mirip (gambar). Siklus ini terdiri atas:
a.
Gambar 4. Siklus pesawat pendingin
Gambar 3. Bagan pesawat pendingin
proses Joule-Kelvin. Selama proses ini keadaan sistem bukanlah keadaan seimbang, karena itu tidak diketahui harga p dan V dari saat yang satu ke saat yang lain. Hanya keadaan awal (keadaan 1) dan keadaan akhir (keadaan 2) yang merupakan keadaan seimbang dengan harga p dan V yang tertentu. Karena itulah keadaan sistem selama proses itu tidak dapat dilukiskan sebenarnya. Dalam gambar 3, proses ini dinyatakan oleh titik .
b. penguapan terjadi pada tekanan dan temperature tetap, dengan penyerapan kalor sebesar Q2.
c. pemampatan secara adiabatik, sampai temperatur uap melebihi harga T1.
d. pendinginan pada tekanan tetap sampai temperatur uap mencapai harga T1, dilanjutkan dengan pengembunan pada tekanan tetap dan temperatur tetap.
Azas kerja pesawat pendingin ini tidak menentang perumusan Clausius karena pada pesawat ini harus dilakukan usaha dari luar sebesar W yang dinyatakan oleh luas bagian yang dibatasi 12341. Dari hukum pertama termodinamika diketahui,
(4-3)
Jadi, selain pemindahan kalor dari reservoir dingin (T2) ke reservoir panas (T1), terjadi pula perubahan usaha menjadi kalor yang ikut dibuang di .
(Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1983: 203-206)
Pernyataan Clausius tentang hukum kedua termodinamika adalah sebagai berikut:
“Suatu poses tidak mungkin terjadi, bila satu-satunya hasil adalah sejumlah arus bahang yang mengalir keluar dari suatu sistem dengan suhu tertentu dan semuanya masuk kedalam sistem lain pada suhu yang lebih tinggi.” Hal ini dijelaskan sebagai berikut:
T2 > T1
Andaikan proses tersebut dapat berlangsung, seperti yang dilukiskan pada gambar 7-5. Perubahan entropi sistem (reservoir) A dan B adalah
……(4-4)
Gambar 5. Proses perpindahan kalor ke suatu sistem
Kedua sistem itu bersama-sama merupakan sebuah dunia semesta. Perubahan entropi semesta ini adalah
(4-5)
Perubahan entropi total ini negatif karena T2 > T1 sehingga suku pertama yang negatif pada ruas kanan lebih besar dari pada suku kedua. Ini berarti bahwa dalam proses ini entropi menurun, sehingga menurut hukum kedua proses tersebut tidak mungkin terjadi.
Pada mesin pendingin (refrigerator) memang arus bahang mengalir dari reservoir dengan suhu yang lebih rendah ke reservoir yang suhunya lebih tinggi, tetapi arus bahang ini tidak sama besar. Disamping itu arus bahang bukanlah satu-satunya hasil dalam proses tersebut, sebab masih ada uasaha yang dilakukan pada mesin.
Pernyataan Kelvin-Planck tentang hukum kedua termodinamika adalah sebagia berikut:
“Suatu proses siklik tidak mungkin terjadi bila satu-satunya hasil adalah arus panas Q yang mengalir keluar dari suatu reservoir pada suhu tertentu dan seluruhnya dapat diubah menjadi usaha mekanik.”
Proses semacam ini andaikata dapat berlangsung tidak bertentangan dengan hukum pertama termodinamika, namun akan kenyataan bertentangan dengan hukum kedua termodinamika. Pada gambar 6, dilukiskan proses tersebut jika dapat berlangsung.
Gambar 6. Arus panas yang mengalir keluar
Reservoir mengalami perubahan entropi sebesar dan tak ada kompensasi kenaikan entropi pada sistem lain. Oleh karena itu proses tersebut tidak mungkin terjadi. Pada mesin pemanas besar kerja itu tidak sama dengan seluruh arus bahang, disamping itu ada sejumlah bahang yang masuk kedalam sistem (reservoir) kedua.
Pernyataan Clausius tentang hukum kedua termodinamika menunjukkan bahwa efisiensi termal sesuatu mesin pemanas atau koefisien penampilan mesin pendingin mempunyai batas atas. Pada gambar 7 (a) dilukiskan sebuah mesin bahang yang beroperasi antara dua reservoir dengan suhu T1 dan T2, (T2 > T1). Sedangkan pada gambar (b) dilukiskan sebuah refrigerator yang juga beroperasi antara T1 dan T2.
Ruas kanan pada persamaan diatas adalah efisiensi termal mesin Carnot. Karena itu dapat disimpulkan bahwa efisiensi termal maksimum suatu mesin yang beroperasi antara dua reservoir sama dengan efisiensi termal mesin Carnot yang beroperasi antara dua reservoir yang suhu-suhunya sama.
HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
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: 246 dan 250)
Gambar dibawah ini memperlihatkan dua sistem yang berbeda dan masing-masing dilingkupi oleh dinding adiabatik. Pada gambar (a) sebuah benda yang suhunya T1bersinggungan dengan benda lain (reservoir) yang suhunya T2. Jika suhu T2 lebih tinggi dari pada T1 maka sejumlah bahang akan mengalir dari reservoir masuk ke dalam benda pertama sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang. Dalam keadaaan seimbang ini, suhu benda pertama berubah menjadi T2 sama dengan suhu reservoir. Proses ini terjadi secara spontan. Seperti yang diketahui, reservoir adalah benda yang karena ukurannya besar atau karena sejumlah bahang mengalir keluar masuk ke dalamnya, suhunya tidak berubah.
Gambar 1. Dua sistem berbeda oleh dinding adiabatik
Pada gambar (b) dilukiskan suatu bejana yang terbagi dua oleh diafragma. Bagian kiri berisi sejumlah gas dan bagian kanan hampa. Jika diafragma dirobek, maka sejumlah molekul gas dari bagian kiri akan bergerak memasuki bagian kanan sampai akhirnya dicapai keadaan seimbang dengan kedua bagian mempunyai tekanan yang sama. Proses inipun tak dapat berlangsung ke arah sebaliknya. Dari keadaan seimbang dengan molekul-molekul gas menempati kedua bagian dengan tekanan yang sama kemudian sejumlah molekul bergerak ke kiri sampai akhirnya bagian kanan menjadi hampa. Dari varian di atas dapat disimpulkan bahwa tampaknya hukum pertama tidak sensitif terhadap arah proses.
Hukum pertama termodinamika tidak dapat menjelaskan apakah suatu proses mungkin terjadi ataukah tak 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. Ternyata orang yang menemukannya adalah Clausius dan besaran itu disebut entropi. Hukum kedua ini 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 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. Maka hukum kedua secara langsung menjadi relevan pada banyak soal praktis yang penting. 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 mengaalami 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.
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. Kedua kemustahilan ini tidak melanggar hukum pertama termodinamika. Oleh karena itu, hukum kedua termodinamika bukanlah penyimpulan dari hukum pertama, tetapi berdiri sendiri sebagai hukum alam yang terpisah. Hukum pertama 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, seseorang dapat mengabungkannya 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, 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 prosesireversibel. 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 dengan sendirinya dan bukannya terpisah. Hukum kedua termodinamika adalah sebuah pernyataan dari aspek sifat searah dari proses-proses tersebut dan banyak prosesireversibel 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.
Gambar 2. Diagram aliran energi untuk bentuk-bentuk yang ekuivalen dari hukum kedua. (a) Sebuah pendingin tanpa kerja (kiri), jika ada, dapat dikombinasikan dengan mesin kalor biasa (kanan) untuk membentuk sebuah perangkat gabungan yang berfungsi sebagai mesin dengan efisiensi 100%, mengubah panas seutuhnya menjadi kerja. (b) Sebuah mesin dengan efisiensi 100% (kiri), jika ada dapat dikombinasikan dengan pendingin biasa (kanan) untuk membentuk sebuah pendingin tanpa kerja, memindahkan panas QC dari reservoir dingin ke reservoir panas tanpa selisih masukan kerja. Karena keduanya adalah mustahil, maka yang satunya pun akan mustahil.
(Sears dan Zemansky, 2000: 561-562)
2.2 PERNYATAAN KELVIN-PLANCK DAN RUDOLF CLAUSIUS TENTANG HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
Dua formulasi dari hukum kedua termodinamika yang berguna untuk memahami konversi energi panas ke energi mekanik, yaitu formulasi yang dikemukakan oleh Kelvin-Planck dan Rudolf Clausius. Adapun hukum kedua termodinamika dapat dinyatakan sebagai berikut :
1. Formulasi Kelvin-Planck
“Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu sumber pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik.” Dengan kata lain, formulasi kelvin-planck menyatakan bahwa tidak ada cara untuk mengambil energi panas dari lautan dan menggunakan energi ini untuk menjalankan generator listrik tanpa efek lebih lanjut, misalnya pemanasan atmosfer. Oleh karena itu, pada setiap alat atau mesin memiliki nilai efisiensi tertentu. Efisiensi menyatakan nilai perbandingan dari usaha mekanik yang diperoleh dengan energi panas yang diserap dari sumber suhu tinggi.
(4-1)
Dimana W= Q1– Q2, sehingga
(4-2)
2. Formulasi Clausius
“Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas”.Dengan kata lain, seseorang tidak dapat mengambil energi dari sumber dingin (suhu rendah) dan memindahkan seluruhnya ke sumber panas (suhu tinggi) tanpa memberikan energi pada pompa untuk melakukan usaha.
(Marthen Kanginan, 2007: 249-250)
Berbeda dari hukum pertama, hukum kedua ini mempunyai berbagai perumusan. Kelvin mengetengahkan suatu permasalahan dan Planck mengetengahkan perumusan lain. Karena pada hakekatnya perumusan kedua orang ini mengenai hal yang sama maka perumusan itu digabung dan disebut perumusan Kelvin-Planck bagi hukum kedua termodinamika. Perumusan ini diungkapkan demikian :
“Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubahnya menjadi usaha”
Oleh Clausius, hukum kedua termodinamika dirumuskan dengan ungkapan :
“Tidak mungkin membuat pesawat yang kerjanya hanya menyerap kalor dari reservoir bertemperatur rendah dan memindahkan kalor ini ke reservoir yang bertemperatur tinggi, tanpa disertai perubahan lain”. Memindahkan kalor dari temperatur rendah ke temperatur tinggi kalau terus-menerus, akan membuat reservoir dingin menjadi lebih dingin lagi, dan reservoir panas menjadi lebih panas lagi. Adapun proses yang terjadi pada pesawat pendingin seperti lemari es adalah sebagai berikut :
a. Zat cair pada tekanan tinggi harus melalui saluran yang sempit, menuju ke ruang yang lapang. Proses ini disebut proses Joule-Kelvin.
b. Tiba diruang yang lapang itu (evaporator) zat cair berkurang tekanan dan temperaturnya, serta menguap pula. Untuk menguap, zat cair itu memerlukan kalor yang diserapnya dari reservoir T2. (Benda yang akan didinginkan itulah yang menjadi reservoir dingin).
c. Uap pada tekanan rendah ini masuk kompresor, dimampatkan, sehingga tekanan dan temperaturnya naik. Temperatur uap ini lebih tinggi dari pada temperatur reservoir T1 (dan T1˃T2).
d. Tiba di kondensor uap ini memberikan kalor pada reservoir T1. Selaku reservoir T1 dapat digunakan udara dalam kamar, ataupun air.
Zat yang sering digunakan pada pesawat pendingin adalah freon atau amoniak. Proses yang sebenarnya berlangsung amat rumit. Dengan mengabaikan banyak hal dapatlah dilukiskan siklus yang mirip (gambar). Siklus ini terdiri atas:
a.
Gambar 4. Siklus pesawat pendingin
Gambar 3. Bagan pesawat pendingin
proses Joule-Kelvin. Selama proses ini keadaan sistem bukanlah keadaan seimbang, karena itu tidak diketahui harga p dan V dari saat yang satu ke saat yang lain. Hanya keadaan awal (keadaan 1) dan keadaan akhir (keadaan 2) yang merupakan keadaan seimbang dengan harga p dan V yang tertentu. Karena itulah keadaan sistem selama proses itu tidak dapat dilukiskan sebenarnya. Dalam gambar 3, proses ini dinyatakan oleh titik .
b. penguapan terjadi pada tekanan dan temperature tetap, dengan penyerapan kalor sebesar Q2.
c. pemampatan secara adiabatik, sampai temperatur uap melebihi harga T1.
d. pendinginan pada tekanan tetap sampai temperatur uap mencapai harga T1, dilanjutkan dengan pengembunan pada tekanan tetap dan temperatur tetap.
Azas kerja pesawat pendingin ini tidak menentang perumusan Clausius karena pada pesawat ini harus dilakukan usaha dari luar sebesar W yang dinyatakan oleh luas bagian yang dibatasi 12341. Dari hukum pertama termodinamika diketahui,
(4-3)
Jadi, selain pemindahan kalor dari reservoir dingin (T2) ke reservoir panas (T1), terjadi pula perubahan usaha menjadi kalor yang ikut dibuang di .
(Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1983: 203-206)
Pernyataan Clausius tentang hukum kedua termodinamika adalah sebagai berikut:
“Suatu poses tidak mungkin terjadi, bila satu-satunya hasil adalah sejumlah arus bahang yang mengalir keluar dari suatu sistem dengan suhu tertentu dan semuanya masuk kedalam sistem lain pada suhu yang lebih tinggi.” Hal ini dijelaskan sebagai berikut:
T2 > T1
Andaikan proses tersebut dapat berlangsung, seperti yang dilukiskan pada gambar 7-5. Perubahan entropi sistem (reservoir) A dan B adalah
……(4-4)
Gambar 5. Proses perpindahan kalor ke suatu sistem
Kedua sistem itu bersama-sama merupakan sebuah dunia semesta. Perubahan entropi semesta ini adalah
(4-5)
Perubahan entropi total ini negatif karena T2 > T1 sehingga suku pertama yang negatif pada ruas kanan lebih besar dari pada suku kedua. Ini berarti bahwa dalam proses ini entropi menurun, sehingga menurut hukum kedua proses tersebut tidak mungkin terjadi.
Pada mesin pendingin (refrigerator) memang arus bahang mengalir dari reservoir dengan suhu yang lebih rendah ke reservoir yang suhunya lebih tinggi, tetapi arus bahang ini tidak sama besar. Disamping itu arus bahang bukanlah satu-satunya hasil dalam proses tersebut, sebab masih ada uasaha yang dilakukan pada mesin.
Pernyataan Kelvin-Planck tentang hukum kedua termodinamika adalah sebagia berikut:
“Suatu proses siklik tidak mungkin terjadi bila satu-satunya hasil adalah arus panas Q yang mengalir keluar dari suatu reservoir pada suhu tertentu dan seluruhnya dapat diubah menjadi usaha mekanik.”
Proses semacam ini andaikata dapat berlangsung tidak bertentangan dengan hukum pertama termodinamika, namun akan kenyataan bertentangan dengan hukum kedua termodinamika. Pada gambar 6, dilukiskan proses tersebut jika dapat berlangsung.
Gambar 6. Arus panas yang mengalir keluar
Reservoir mengalami perubahan entropi sebesar dan tak ada kompensasi kenaikan entropi pada sistem lain. Oleh karena itu proses tersebut tidak mungkin terjadi. Pada mesin pemanas besar kerja itu tidak sama dengan seluruh arus bahang, disamping itu ada sejumlah bahang yang masuk kedalam sistem (reservoir) kedua.
Pernyataan Clausius tentang hukum kedua termodinamika menunjukkan bahwa efisiensi termal sesuatu mesin pemanas atau koefisien penampilan mesin pendingin mempunyai batas atas. Pada gambar 7 (a) dilukiskan sebuah mesin bahang yang beroperasi antara dua reservoir dengan suhu T1 dan T2, (T2 > T1). Sedangkan pada gambar (b) dilukiskan sebuah refrigerator yang juga beroperasi antara T1 dan T2.
Ruas kanan pada persamaan diatas adalah efisiensi termal mesin Carnot. Karena itu dapat disimpulkan bahwa efisiensi termal maksimum suatu mesin yang beroperasi antara dua reservoir sama dengan efisiensi termal mesin Carnot yang beroperasi antara dua reservoir yang suhu-suhunya sama.
Kesetaraan Perumusan Kelvin-Planck dan Clausius
Gambar 8. (a) Motor bakar; (b) Pesawat pendingin
Jika ditinjau sepintas, seakan-akan kedua perumusan itu tidak kena mengena. Tetapi dapat ditunjukkan bahwa sebenarnya kedua perumusan itu setara, dalam arti kalau perumusan Clausius tidak benar, perumusan Kelvin-Planck pun tidak benar pula. Demikian juga sebaliknya. Secara simbolik, sebuah motor bakar dinyatakan seperti terlukis dalam gambar 8 (a) dan pesawat pendingin seperti gambar 8 (b).
1. Misalkan perumusan Clausius tidak benar.
Jika demikian halnya, dapatlah dibuat pesawat pendingin yang dapat memindahkan kalor dari reservoir dingin ke reservoir panas tanpa usaha dari luar yang digunakan serempak dengan motor bakar biasa. Dalam hal ini, diusahakan agar pesawat dingin itu mampu menyerap seluruh kalor yang oleh motor bakar diberikan kepada reservoir dingin sehingga diperoleh gabungan yang terlukis seperti gambar berikut ini :
Gambar 9. Gabungan antara pendingin yang menentang Clausius dengan motor-bakar biasa T1
Gambar 10. Hasil akhir gabungan
Adapun hasil gabungan ini adalah :
Reservoir T2 menerima kalor│Q2│dari motor bakar, tetapi kalor sebesar ini pula diambil oleh pesawat pendingin. Jadi netto, reservoir T2 ini mendapat maupun kehilangan kalor.Ini berarti reservoir T2 tidak diperlukan.
Gambar 11. Gabungan antara pesawat yang menentang Kelvin Planck dengan pesawat pendingin biasa.
Reservoir T1 menerima kalor sebanyak │Q2│ dari pesawat pendingin, tetapi memberikan kalor │Q1│ > │Q2│ kepada motor bakar.Jadi netto, reservoir itu kehilangan kalor sebanyak │Q1│- │Q2│. Tetapi motor bakar itupun melakukan usaha sebanyak │Q1│- │Q2│. Jadi, dapat disimpulkan bahwa reservoir T1 memberikan kalor │Q1│- │Q2│ kepada gabungan itu, dan gabungan itu melakukan usaha sebanyak W = │Q1│-│Q2│. Jika demikian halnya, gabungan ini merupakan pesawat yang menentang persamaan Kelvin-Planck. Jadi, Kalau perumusan Clausius tidak benar, maka perumusan Kelvin-Planck pun tidak benar pula.
2. Misalkan perumusan Kelvin-Planck tidak benar.
Dalam hal ini, seseorang dapat membuat pesawat yang menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah kalor itu menjadi usaha.Usaha dapat digunakan untuk menjalankan pesawat pendingin biasa (gambar 11).
Alhasil reservoir T1 itu menerima kalor sebanyak
│Q2│ + │W│-│Q1│= │Q2│+│Q1│-│Q1│=│Q2│
Sedangkan dari reservoir T2 diambil kalor sebanyak │Q2│ juga. Jadi, gabungan itu memindahkan kalor │Q2│ dari reservoir dingin (T2) ke reservoir panas (T1) tanpa perubahan lain apapun. Gabungan ini bertentangan dengan perumusan Clausius. Dengan demikian, perumusan Clausius setara dengan perumusan Kelvin-Planck.
2.4 REVERSIBEL DAN IREVERSIBEL
Proses yang tidak menyalahi hukum kedua, dapat dibagi menjadi dua macam, yaitu reversibel dan ireversibel (terbalikkan dan tak terbalikkan). Marilah kita tinjau suatu sistem terisolasi. Hukum kedua mengatakan bahwa tidaklah mungkin terjadi suatu proses yang akan mengurangi entropi. Andaikan sistem itu mengalami suatu proses dengan arah yang kita sebut saja ke depan. Jika proses itu terjadi dengan kenaikan entropi, maka andaikan terjadi proses sebaliknya (ke belakang) pastilah akan disertai penurunan entropi dan ini tak mungkin. Maka dikatakan bahwa proses yang terjadi ke arah depan itu disebut ireversibel.
Bila ada proses ke depan itu tidak terjadi perubahan entropi maka pada proses sebaliknya juga tidak akan terjadi perubahan entropi. Dengan demikian maka proses dapat berlangsung ke arah manapun tanpa menyalahi hukum kedua. Proses reversibel adalah proses yang tak menghasilkan entropi.
Kebanyakan proses yang nyata adalah ireversibel, namun banyak pula yang dapat diidealkan sebagai proses reversibel. Beberapa proses demikian misalnya adalah proses–proses berikut.
1) Untai listrik dengan kapasitor dan induktor, tanpa resistor.
2) Kotak beroda pada rel licin (tanpa gesekan) yang dihubungkan dengan satu ujung pegas, ujung lain terikat pada dinding.
3) Gas dalam bejana tertutup piston yang dapat bergerak bebas tanpa gesekan; piston dihubungkan dengan satu ujung pegas dan ujung pegas yang lain terikat pada dinding.
(Dimsiki Hadi, 1993: 192-193)
Misalkan sebuah sistem mengalami suatu proses, berubah dari keadaan A ke keadaan B. jika, sesudah proses itu selesai, sistem dan lingkungannya dapat dikembalikan ke keadaan semula, sehingga pada hasil akhirnya tiada kalor yang berpindah dan tiada usaha yang dilakukan, maka proses tersebut disebut proses reversibel. Proses yang tidak memenuhi syarat ini disebut proses ireversibel.
Tinjaulah lagi proses perpindahan kalor dari benda A (yang bertemperatur TA) ke benda B (yang bertemperatur TB < TA), bila kedua buah benda itu bersentuhan. Setelah kedua-duanya bertemperatur sama, T dapatkah masing-masing di kembalikan kekeadaan semula? Dapat! Yang diperlukan hanyalah dua buah reservoir: yang sebuah bertemperaturTA dan yang lain TB. Kemudian benda A dibiarkan bersentuhan dengan reservoir TA, benda B bersentuhan dengan reservoir TB. Maka pada akhirnya benda A bertemperatur TA dan benda B bertemperatur TB, seperti sebelum proses. Tetapi terjadi pula perubahan lain di lingkungannya: reservoir TA kehilangan kalor sebesar Q, sedang reservoir TB menerima kalor sebesar Q. Dapatkah kalor Q dipindahkan dari reservoir TB ke reservoir TA tanpa perubahan lain? Jelas tidak dapat! Karena itulah proses tersebut dikatakan ireversibel.
Agar suatu proses reversibel haruslah dalam proses itu tidak ada gesekan dan tidak ada pula ketidakseimbangan. Proses seideal itu tidak mungkin ada. Kalau proses itu quasistatik dan di dalamnya gesekan dapat diabaikan, cukuplah sudah proses itu dianggap reversibel.
(Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1983: 208)
Mesin Pendingin dan Pompa kalor
a. Mesin Pendingin
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
Refrigerant memasuki kompresor sebagai sebuah uap dan di kompres ketekanan kondensor. Refrugerant meninggalkan kompresor pada temperatur yang relatif tinggi dan kemudian didinginkan dan mengalami kondensasi di kondensor yng membuang panasnya ke lingkungan. Refrigent kemudian memasuki tabung kapilar dimana tekanan refrigerant turun drastis karena efek throttling. Refrigerant bertemperatur rendah kemudian memasuki evaporator, dimana disini refrigent menyerap panas dari ruang refrigerasi dan kemudian refriferant kembali memasuki kompresor. Efisiensi refrigerator disebut dengan istilahcoefficient of performance (COP), dinotasikan dengan COPR.
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 istilahcoefficient of performance-lebih disukai untuk menghindari kerancuan dengan istilah efisiensi, karena COP dari mesin pendingin lebih besar dari satu.
b. Pompa Kalor
Pompa kalor adalah mesin yang memindahkan panas dari satu lokasi (atau sumber) ke lokasi lainnya menggunakan kerja mekanis. Sebagian besar teknologi pompa kalor memindahkan panas dari sumber panas yang bertemperatur rendah ke lokasi bertemperatur lebih tinggi. Contoh yang paling umum adalah lemari es, freezer, pendingin ruangan, dan sebagainya. 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.
Perbandingan antara COPR dan COPHP adalah sebagai berikut :
Mesin kalor membuat energi mengalir dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin, menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin ke lokasi yang lebih panas.
Air condtioner pada dasarnya adalah sebuah mesin pendingin tetapi yang didinginkan disini bukan ruang refrigerasi melainkan sebuah ruangan/gedung atau yang lain.
Hukum Termodinamika II Pernyataan Clausius
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 clausis dapat diungkapkan sebagai berikut:
“Adalah tidak mungkin membuat sebuah alat yang beroprasi dalam sebuah siklus tanpa adanya efek dari luar untuk mentransfer panas dari media bertemperatur rendah kemedia bertemperatur tinggi.”
Telah kita ketahui bahwa panas akan berpindah dari media bertemperatur tinggi kemedia bertemperatur rendah. Pernyataan clausis tidak mengimplikasikan bahwa membuat sebuah alat siklus yang dapat memindahkan panas dari terperatur rendah ke media bertemperatur tinggi adalah tidak mungkin dibuat. Hal tersebut dapat terjadi asalkan ada efek luar yang dalam kasus tersebut dilakukan kompresor yang mendapat energi dari energi listrik.
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 pertama dan kedua termodinamika disebut dengan mesin gerak abadi (Perpetual-Motion Machines).
Gambar (Perpetual-Motion Machines)
Sebuah alat yang melanggar hukum termodinamika yang pertama disebut mesin gerak abadi tipe pertama (Perpetual-Motion Machines of the first kind) atau PMMI,sedangkan alat yang melanggar hukum termodinamika kedua disebut mesin gerak abadi tipe kedua (Perpetual-Motion Machines of the second kind)atau KMM2.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar