21. Mesin Kalor Entropi Dan Hukum 2 Termodina-Mika

•TemperaturA•KalorB•Hukum Termodinamika 1C•Teori Kinetik GasD

•Mesin Kalor•Entropi E•Hukum 2 Termodina-mikaF

Mesin Kalor dan Hukum 2 Termodinamika . Pompa Kalor dan Refrigerator . Proses Reversibel dan Ireversibel Mesin Carnot, Mesin Bensin dan Diesel . Entropi. Perubahan entropi dalam Proses Ireversibel. Entropi dalam Skala Mikroskopik

Sub Topik

•TemperaturA•KalorB•Hukum Termodinamika 1C•Teori Kinetik GasD

•Mesin Kalor•Entropi E•Hukum 2 Termodina-mikaF

Menentukan faktor apakah sistem berjalan reversibel atau ireversibel.

Menjelaskan prinsip mesin kalor dan menghitung efisiensi.

Menjelaskan secara fisika cara kerja internal-combustion engine

Menjelaskan prinsip refrigerator dan pompa kalor serta menganalisa kinerja refrigerator.

Menganalisa bagaimana hukum Termodinamika 2 membatasi nilai efisiensi dan kiberja refrigerattor.

Melakukan perhitungan yang melibatkan siklus Carnot dalam mesin kalor maupun refrigerator.

Mendefinisikan arti entropi dan bagaimana menggunakannya untuk menganalisa suatu proses termodinamik.

Tujuan Instruksional Khusus

Bagaimana Hk. Kekekalan energi menerangkan fenomena ini ?

Batu dijatuhkan ke tanah•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB

•Proses Reversibel dan Ireversibel C•Mesin Carnot, Mesin Bensin dan DieselD

•Entropi.•Perubahan entropi dalam Proses IreversibelE•Entropi dalam Skala MikroskopikF

Pernahkah terjadi kejadian sebaliknya secara spontan ?

Batu dijatuhkan ke tanah

Saat batu jatuh: EP EK

Saat batu menumbuk tanah:EK dU, tanah dan batu ( molekul2 bergerak cepat dan temperatur naik )

•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Seandainya ke dua contoh kejadian di atas dibalik, Hk. Termodinamika ke-1 (Hk. Kekekalan energi) tetap saja berlaku !!!

Ada kekurangan dalam hal menerangkan kasus Reversibel !

Hukum Termodinamika ke-2

Analis

“ Secara natural panas mengalir dari obyek yang panas ke obyek yang dingin, Panas tidak mengalir secara spontan dari obyek yang dingin ke obyek yang panas ”Pernyataan Clausius (1822-1888)




Alat perubah Energi Panas ke Energi Mekanis

Mesin Panas

Merubah energi mekanis keEnergi panas Mudah

Merubah energi panas keEnergi mekanis ???

Mesin Panas




Mesin Panas

Mesin UapSteam engine

Mesin KombusiInternal Combustion Engine




Mesin Uap - Steam engine•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Mesin Kombusi - Internal Combustion Engine




Hk. Kekekalan energi

TH dan TL : temperatur operasi mesin

Efisiensi Mesin

Tranfer energi dari Mesin Panas

Jika QL rendah maka e menjadi besar.Tidak mungkin membuat QL = 0 K Tidak ada mesin

dengan e = 100%

H

L

Q

Q1e

HQ

W

LH QWQ




Conceptual Checkpoint•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Membandingkan EfisiensiAnggaplah kamu memiliki sebuah mesin kalor yang dapat beroperasi pada satu mode dari dua mode berbeda yang tersedia. Pada mode 1, temperatur kedua reservoar adalah TD = 200 K dan TP = 400 K; pada mode 2, temperatur-temperatur tersebut adalah TD = 400 K dan TP = 600 K. Apakah efisiensi mode 1 (a) lebih besar dari, (b) lebih kecil dari, atau (c) sama dengan efisiensi mode 2?




Alasan dan pembahasanMula-mula, anda mungkin berfikir bahwa karena beda temperatur pada kedua mode adalah sama, efisiensi juga akan sama. Sesungguhnya tidaklah demikian, karena efisiensi tergantung pada perbandingan dua temperatur ( ) bukannya pada beda temperatur. Pada kasus ini, efisiensi mode 1 adalah dan efisiensi mode 2 adalah . Dengan demikian, walaupun mode 1 beroperasi pada temperatur yang lebih rendah, mode ini lebih efisien.

PD TTe 1212111 e

313212 e




Jawaban(a) Efisiensi mode 1 lebih besar dari efisiensi mode 2.

Contoh Aktif•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Carilah Temperatur

Suatu mesin kalor dengan efisiensi 24,0% melakukan kerja 1250 J. Jika mesin ini dioperasikan dengan efisiensi maksimum, dan reservoar dinginnya bertemperatur 295 K, berapakah temperatur reservoar panas mesin ini?




Solusi (uji pemahaman anda dengan mengerjakan perhitungan seperti yang diindikasikan pada setiap langkah)

1. Tulislah efisiensi, e, dalam peubah temperatur panas dan dingin:

2. Selesaikan untuk memperolah TP:

3. Substitusikan nilai numerik TD dan e untuk memperoleh TP:

PD TTe 1

K388PT

eTT DP 1




InsightWalaupun efisiensi 24% mungkin tampak kecil, nilai ini adalah karakteristik kebanyakan mesin yang sebenarnya.




Giliran AndaBerapakah efisiensi mesin kalor ini jika TP dinaikkan sebesar 20 K? Berapakah efisiesi mesin jika TD diturunkan sebesar 20 K?

Hukum 2 Termodinamika

“Tidak ada alat yang dapat merubah panas seluruhnya menjadi kerja” Pernyataan Kelvin-Planck




Mesin Carnot

|QH|

|QL|

H

L

H

L

TT

1Q

Q1e ideal




Siklik Carnot adalah Siklik Reversibel Setiap Siklik Carnot yang beroperasi pada TH dan TL

yang sama e sama Efisiensi Mesin Carnot tidak bergantung dari

substansi yang digunakan Semua Mesin Irreversibel mempunyai efisiensi lebih

rendah dari Mesin Carnot

Mesin Carnot•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB






Carilah Kerja

Anggaplah sebuah mesih kalor reversibel beroperasi di antara dua reservoar kalor seperti terlihat pada gambar. Carilah jumlah kerja yang dilakukan mesin ini ketika 1050 J kalor diambil dari reservoar panas.




Solusi (uji pemahaman anda dengan mengerjakan perhitungan seperti yang diindikasikan pada setiap langkah)

1. Hitunglah efisiensi mesin:

2. Kalikanlah efisiensi dengan QP untuk memperoleh kerja yang dilakukan:

470,01 PD TTe

494J PeQW




InsightKarena mesin ini reversibel, perubahan entropi total mesin harus nol. Pengurangan entropi reservoar panas –(1050J)/576K=-1,82 J/K. Reservoar dingin harus mendapat tambahan entropi dengan besar yang sama. Jumlah kalor yang mengalir ke reservoar dingin, QC, adalah QH – W = 1050 J – 494 J= 556 J. Kalor ini menyebabkan penambahan entropi sama dengan 556J/305K=+1,82 J/K, seperti yang diharapkan. Dengan demikian, alasan mengapa mesin membuang kalor QD adalah untuk menghasilkan perubahan entropi bersih nol. Jika mesin ini tak reversibel, mesin ini akan membuang kalor lebih besar dari 556 J, dan hal ini akan membuat sebuah peningkatan entropi bersih dan penurunan jumlah kerja yang dilakukan. Jadi, jelaslah bahwa mesin reversible menghasilkan jumlah kerja maksimum.




Giliran AndaMisalkan mesin ini tidak dapat balik (tak reversibel), dan hanya 455 J kerja yang dilakukan ketika 1050 J kalor diambil dari reservoar panas. Berapakah kenaikan entropi jagad raya pada kasus ini?

Jika CV = 0 maka akan sama dengan Siklus Carnot. Karena CV > 0 maka

eStirling < eCarnot

Mesin Stirling

R ( TH – TL ) ln ( V2 / V1 )e ideal gas =

R TH ln ( V2 / V1 ) + CV ( TH – TL )




Mesin Diesel•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Mesin Otto•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Mesin Brayton•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



1. compressor2. icebox3. thin metal vanes4. expansion valve5. tube terminating6. .7. electrical switch8. polyurethane foam

Refrigerator, AC & Pompa Panas•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Refrigerator, AC & Pompa Panas•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Refrigerator, AC & Pompa PanasSkema Transfer Energi

Mesin Panas Refrigerator / AC•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Refrigerator, AC & Pompa PanasSkema Transfer Energi

Refrigerator / AC

Performan Koefisien (CP):W

QCP L




Refrigerator & Air Conditioner

LH

L

LH

LL

TT

T

QQ

Q

W

QCP







Temperatur RuangAnda tak punya waktu untuk memasang AC barumu di jendela, jadi sebagai sebuah langkah sementara anda memutuskan untuk meletakkan AC ini di ruang makan dan menyalakannya untuk sedikit mendinginkan ruangan. Sebagai akibatnya, apakah udara di ruang makan (a) menjadi lebih pana, (b) menjadi lebih dingin, atau (c) tetap pada temperatur yang sama?




Alasan dan pembahasanAnda mungkin berfikir temperatur ruangan akan tetap sama, karena AC mengambil kalor dari ruangan sebagai mana biasa, kemudian membuang kalor kembali ke ruangan, biasanya kalor ini dibuang ke luar rumah. Tetapi motor AC melakukan kerja untuk mengambil kalor dari ruangan, dan kalor yang biasanya dibuang ke luar sama dengan kalor yang diambil dari ruangan ditambah kerja yang dilakukan motor: QP =QD + W. Dengan demikian, efek keseluruhan adalah motor AC terus-menerus menambahkan kalor ke ruangan menyebabkan ruangan bertambah panas.




Jawaban(a) Udara di ruang makan bertambah panas.

Pompa Panas

W

QCP H




Hk. 2 Termodinamika dari pernyataan Clausius dan Kelvin-Planck adalah agak khusus (hanya untuk proses tertentu )

Banyak proses-proses reversibel lain yang memenuhi Hk. 1 Termodinamika, tetapi belum dapat diterangkan dengan baik.

Pernyataan yang lebih umum dari Hk. 2 Termodinamika

Entropy•Mesin Kalor dan Hukum 2 TermodinamikaA•Pompa Kalor dan RefrigeratorB



Siklus Carnot

Jika harga mutlak dihilangkan

Setiap siklus reversibel dapat didekati dengan sederet siklus Carnot

Entropy

L

L

H

H

T

Q

T

Q

L

L

H

H

TQ

TQ

0TQ




Setiap proses reversibel dapat didekati dengan banyak infinit siklus Carnot

Berlaku untuk semua proses reversibel

Entropy

0TdQ




Jika proses siklusnya dari a ke b ke a

III

TdQ

TdQ

dQ/T tidak tergantung langkah/ arah proses




Entropy

Siklus reversibel

TdQ

dS

b

a

b

a

ab TdQ

dSSSSΔ

0dS







Perubahan EntropiAnda meletakkan sebaskom air di dalam mesin pembeku di dapur, dan beberapa saat kemudian air ini telah menjadi es. Apakah entropi jagad raya (universe) telah (a) bertambah, (b) berkurang, atau (c) tetap sama?




Alasan dan pembahasanTampaknya entropi jagad raya telah berkurang. Bagaimanapun juga, panas diambil dari air untuk membekukan air tersebut, dan, seperti kita ketahui, mengambil kalor dari suatu objek menurunkan entropi objek tersebut. Pada bagian lain, kita juga tahu bahwa, mesin pembeku melakukan kerja untuk mengambil kalor dari air; sehingga, mesin ini membuang lebih banyak kalor ke dapur daripada menyerap kalor dari air. Perhitungan yang seksama memperlihatkan entropi udara yang dipanaskan di dapur bertambah dengan jumlah lebih dari pengurangan entropi air, jadi entropi jagad raya bertambah, sebagaimana galibnya pada setiap proses riel.




Jawaban(a) Entropi jagad raya bertambah.

21. Mesin Kalor Entropi Dan Hukum 2 Termodina-Mika

Documents

Transcript of 21. Mesin Kalor Entropi Dan Hukum 2 Termodina-Mika