BAB I

PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang

Coba perhatikan secangkir kopi panas ditaruh dalam suatu ruangan, maka

akan dengan sendirinya kopi tersebut akan menjadi dingin. Dalam kasus tersebut,

hukum termodinamika pertama 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, kita tahu

bahwa hal tersebut tidak akan terjadi. Atau kita ambil contoh lain, seperti tahanan

panas memanaskan sebuah ruangan, jika dibalik, kita memberikan panas pada

ruangan, maka tidak mungkin arus akan mengalir dengan arah terbalik dan

menghasilkan energi yang sama dengan energi yang dihasilkan listrik

sebelumnya. Dari contoh diatas jelas bahwa proses berjalan dalam suatu arah

tertentu tidak sebaliknya. Suatu proses yang telah memenuhi hukum termo I,

belum tentu dapat berlangsung. Diperlukan suatu prinsip selain hukum termo I

untuk menyatakan bahwa suatu proses dapat berlangsung, yang dikenal dengan

hukum termo II. Atau dengan kata lain suatu proses dapat berlangsung jika

memenuhi hukum termo I dan termo II.

1.2. Identifikasi Masalah

Terdapat proses apakah yang terdapat pada siklus carnot?

1.3. Tujuan

1. Untuk mengetahui hukum kedua termodinamika

2. Untuk mengetahui siklus carnot

3. Untuk mengetahui efisiensi mesin carnot

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Termodinamika berasal dari dua kata yaitu thermal (yang berkenaan

dengan panas) dan dinamika (yang berkenaan dengan pergerakan).Termodinamika

adalah kajian mengenai hubungan,panas, kerja, dan energy dan secara khusus

perubahan panas menjadi kerja. Dalam termodinamika sistem akan dideskripsikan

dengan sejumlah besaran fisis yang menggambarkan keadaan sistem (disebut

sebagai besaran keadaan). Keadaan sistem yang ditinjau dalam termodinamika

adalah keadaan makroskopik yang dapat berupa keadaan rerata dari partikel-

partikel dalam sistem atau berupa keadaan kesuluruhan (total) partikel-partikel

dalam sistem. Contoh keadaan makroskopik tersebut adalah temperatur T, jumlah

partikel N, volume V , energi dalam U, tekanan p, dan lainnya.

2.1 Hukum termodinamika

a. Hukum Kenol Termodinamika

Terdapat dua benda A dan B, Benda A dirasa dingin oleh

tangan dan benda B dirasa dingin oleh tangan. Apabila kedua benda

tersebut disentuhkan, pada keduanya akan terjadi perubahan sifat.

Pada suatu saat tidak terasa lagi perubahan sifat tersebut maka A dan

B dikatakan mencapai kesetimbangan termal. Jadi apabila dua sistem

satu sama lain berada dalam kesetimbangan termal, suhu kedua sistem

tersebut adalah sama. Hukum kenol termodinamika berbunyi :

“Jika dua sistem berada dalam kesetimbangan termal dengan sistem

ketiga, ketiga sistem tersebut berada dalam kesetimbangan termal

satu sama lain.”

b. Hukum Pertama Termodinamika

Hukum ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini

menyatakan perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika

tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke

dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap system. Hukum

pertama termodinamika adalah konservasi energi. Hukum pertama

termodinamika berbunyi:

“energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat

diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain”

Persamaan dari hukum kesatu termodinamika :

Q=W +∆ U

Dimana :

Q = kalor yang diterima/dilepas (J)

W = energi/usaha (J)

∆U = perubahan energi (J)

c. Hukum Kedua Termodinamika

Terdapat dua pernyataan klasik dari hukum kedua

termodinamika yang dikenal sebagai pernyataan Clausius dan

pernyataan Kevin-Planck. Pernyataan Clausius pada dasarnya

menyatakan bahwa untuk memindahkan kalor dari tandon dingin ke

tandon kalor diperlukan kerja/usaha oleh oleh sistem. Sedangkan

pernyataan Kelvin-Planck pada daasarnya menyatakan bahwa

perubahan kalor menjadi kerja tidak dapat terjadi 100%. Jadi selalu

ada kalor yang terbuang. Hukum yang didasarkan pada dua pernyataan

ini disebut hukum kedua termodinamika.

d. Hukum Ketiga termodinamika

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol

absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem

mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan

entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga

menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada

temperatur nol absolut bernilai nol.

2.2 Hukum II termodinamika

Terdapat dua pernyataan klasik dari hukum kedua termodinamika yang

dikenal sebagai pernyataan pernyataan Kevin-Planck dan Claussius.

Pernyataan Kelvin-Plank:

“tidak mungkin seluruh kalor yang diserap oleh suatu sistem, seluruhnya diubah

menjadi usaha/kerja”

Pernyataan Kelvin-Plank pada dasarnya menyataka bahwa untuk

memindahkan kalor menjadi kerja tidak dapat terjadi 100%, jadi selalu ada kalor

yang terbuang. Hukum kedua termodinamika merupakan hukum alam. Bahwa

kerja dapat diubah menjadi kalor seluruhnya, akan tetapi kalor tidak dapat diubah

menjadi kerja secara keseluruhan

Gbr.2.3.2 kalor tidak dapat berubah menjadi kerja seluruhnya, kerja dapat diubah menjadi kalor

seluruhnya, kalor dapat diubah menjadi kerja tetapi ada kalor yg terbuang

Pernyataan Claussius:

“Tidak mungkin suatu proses dapat terjadi dengan sendirinya sehingga kalor

diangkut dari tandon kalor suhu rendah ke suhu tinggi tanpa perubahan lain”

Pernyataan Claussius pada dasarnya menyatakan bahwa untuk

memindahkan kalor dari dingin ke tandon kalor diperlukan kerja / usaha.

Sehingga tidak mungkin membangun suatu mesin yang beroperasi dalam satu

siklus dengan hanya mentransfer panas dari benda yang dingin ke benda yang

panas tanpa kerja luar.

Gbr.2.3.1 Tidak mungkin membuat mesin pendingin yang beroperasi tanpa kerja luar (W)

2.3 Proses Reversible dan Irreversible

Jika kita tidak mungkin mendapatkan mesin dengan efisiensi 100% dari

mesin kalor, berapakah efisiensi maksimum yang dapat kita peroleh ? langkah

pertama untuk menjawab pertanyaan ini adalah mendefinisikan suatu proses ideal

yang disebut proses reversible. Dan kemudian membandingkan dengan suatu

peralatan nyata yang bekerja pada keadaan nyata.

a. Menurut Hawkins :

Proses reversible terjadi bila proses dapat dibalik, benda kerja selalu berada

dalam keadaan setimbang selama proses, tidak ada transformasi energi yang

terjadi sebagai akibat dari gesekan.

b. Menurut Keenan :

Proses reversible terjadi bila sistem dan elemen-elemen sekelilingnya dapat

dikembalikan secara menyeluruh ke keadaan semula.

Proses reversible terjadi bila sistem dapat dikembalikan ke keadaan semula

tanpa menimbulkan perubahan keadaan pada sistem yang lain. Sedangkan Proses

irreversible terjadi bila keadaan mula-mula sistem tidak dapat dikembalikan

tanpa menimbulkan perubahan keadaan pada sistem lain. Hampir semua proses

nyata adalah irreversible. Proses reversible merupakan proses yang berlangsung

dengan sangat sempurna dan tak pernah terjadi.

2.4 Siklus Carnot

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.

Gbr.2.5.1 siklus carnot

Urutan proses pada siklus Carnot adalah sebagai berikut :

1-2 Ekspansi isotermal reversibel.

2-3 Ekspansi adiabatis reversible

3-4 Kompresi isotermal reversible

4-5 Kompresi adiabatis reversibel

Hukum termo 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 irreversible:

a. Efisiensi sebuah mesin kalor irreversibel selalu lebih kecil dari mesin

kalor reversibel yang beroperasi antara dua reservoir yang sama.

b. Efisiensi semua mesin kalor reversibel yang beroperasi antara dua

reservoir yang sama adalah sama.

Gbr.2.5.2 prinsip carnot

Efisiensi mesin kalor η, didefinisikan sebagai perbandingan kerja neto

selama satu siklus terhadap kalor yang diserap oleh sistem:

η = WQ¿

= Q¿−Q out

Q¿ =1-

Qout

Q¿

Dimana :

η = efisiensi mesin kalor

W = kerja (J)

Qin = kalor masuk (J)

Qout = kalor keluar (J)

Untuk menghitung efisiensi mesin Carnot, persamaan keadaan dari zat

kerja harus diketahui. Andaikan zat kerja adalah gas ideal, maka kerja yang

dilakukan pada proses 1-2 isotermal :

W12 = ∫1

2

pdv=∫1

2

nRT 1v

dv=nR T h lnv2

v1

Kerja yang dilakukan pada proses 3-4 isotermal :

W23 = nR T l lnv4

v3

Maka :

η = 1- Qout

Q¿

= 1 - nR Th ln

v2

v1

nRT l lnv4

v3

= 1 - Th

T l

BAB III

KESIMPULAN

1. Pernyataan Clausius pada dasarnya menyatakan bahwa untuk memindahkan

kalor dari tandon dingin ke tandon kalor diperlukan kerja/usaha oleh oleh

sistem. Sedangkan pernyataan Kelvin-Planck pada daasarnya menyatakan

bahwa perubahan kalor menjadi kerja tidak dapat terjadi 100%.

2. Siklus Carnot adalah sebuah siklus reversible yang terdiri dari proses

isotermal dan adiabatik.

3. Besar efisiensi dari mesin carnot adalah

η = 1- Qout

Q¿ = 1 -

Th

T l

DAFTAR PUSTAKA

Michael J. Moran, Howard N. Shapiro. 2013. Termodinamika Teknik Jilid I. Jakarta :

Erlangga.

Mulyatno. 1992. Seri Fisika Perguruan Tinggi Panas dan Termodinamika. Jakarta :

PT Intan Pariwara.

Halliday. Resnick. 2005. Fisika Dasar Edisi 7 Jilid I. Jakarta: Erlangga.

Contoh Soal :1. Sejumlah mol gas nitrogen dipergunakan pada sebuah mesin Carnot. Setelah

mengalami ekspansi isotermal volume gas mencapai 10 lt dan setelah

mengalami ekspansi adiabatik volume gas menjadi 14 lt. jika gas nitrogen

mempunyai koefisien γ=1,4 berapakah besarnya efisiensi termal mesin

tersebut?

Jawab :

Mengacu pada gambar di atas :

V 2=10<¿ ; V 3=14<¿

(V 3

V 2)

γ−1

=T2

T1

(V 2

V 3)

γ−1

=T1

T2

¿( 1014 )

1,4−1

¿0,87

Efisiensi termal mesin tersebut,

ε=1−T 1

T 2=1−0,87=0,13

atau ε=13 %

2. Suatu mesin Carnot menggunakan gas ideal mempunyai efisiensi 40%.

Tentukan besarnya :

a. Kalor yang diserap untuk menghasilkan kerja sebesar satu kilowatt/jam.

b. Perbandingan antara kalor yang diserap dan kalor yang dilepaskan.

Jawab :

a. ε=0,4= W|Q2|

b. W =1kwatt− jam

W =103 ( J det−1 ) x3600 (det )

¿3,6 x106 joule

|Q2|= W0,4

=3,6 x 106

0,4=9 x106 joule

c. ε=0,4=1−¿Q1∨¿

¿Q2∨¿¿¿

atau,

¿Q1∨¿

¿Q2∨¿=1−0,4=0,6¿¿

atau,

¿Q1∨

¿

¿Q2∨¿= 10,6

=1,67¿¿