RESPONSI 2 HUKUM KEDUA dan KETIGA TERMODINAMIKA + ENTROPI

1. RESPONSI 2HUKUM KEDUA dan KETIGATERMODINAMIKA + ENTROPI Dosen: Dr. Ir. Adi Surjosatyo, M.Eng. Asisten: HafifDafiqurrohman Sumber: http://termodinamika2.files.wordpress.com/2008/02/termo2uapideal.ppt

2. Arah Proses Termodinamik • Proses termodinamik yang berlanggsung secara alami seluruhnya disebut proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlanggsung secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Contohnya kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah. • Proses reversibel adalah proses termodinamik yang dapat berlanggsung secara bolak-balik. Sebuah sistem yang mengalami idealisasi proses reversibel selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dan lingkungannya. Proses reversibel merupakan proses seperti-kesetimbangan(quasi equilibrium process).

3. Tiga pernyataan bagi Hukum Kedua Termodinamika • Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas (sebaliknya: dapat spontan?) • Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh (sebaliknya: dapat spontan?) • Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak (sistem terbuka: dapat menumbuhkan keteraturan?)

4. Kalor tidak akan mengalir spontan dari benda dingin ke benda panas[Rudolf Clausius (1822 – 1888)] • Pada taraf molekular: • Molekul yang bergerak lebih cepat, akan menyebarkan energinya kepada lingkungannya • Pada taraf makroskopik: • Perlu pasokan energi / usaha, untuk mendinginkan sebuah benda

5. Anda tidak dapat membuat mesin yang sekedar mengubah kalor menjadi usaha sepenuhnya[Kelvin (1824 – 1907) & Planck (1858 – 1947)] • Efisiensi mesin tidak dapat 100% • Diperlukan tandon panas dan tandon dingin • Tandon panas menjadi sumber energi • Perlu membuang kalor pada suhu yang lebih rendah, ke tandon dingin • Biasanya tandon suhu terendah = atmosfer

6. Hukum II Termodinamika • Jikatidakadakerjadariluar, panastidakdapatmerambatsecaraspontandarisuhurendahkesuhutinggi (Clausius) • Proses perubahankerjamenjadipanasmerupakan proses irreversible jikatidakterjadi proses lainnya (Thomson-Kelvin-Planck) • Suatumesintidakmungkinbekerjadenganhanyamengambilenergidarisuatusumbersuhutinggikemudianmembuangnyakesumberpanastersebutuntukmenghasilkankerjaabadi (Ketidakmungkinanmesinabadi) • Mesin Carnot adalahsalahsatumesin reversible yang menghasilkandaya paling ideal. Mesin ideal memilikiefisiensimaksimum yang mungkindicapaisecarateoritis

7. MESIN KALOR • Sebuahmesinkaloradalahsesuatualat yang menggunakankalor/panasuntukmelakukanusaha/kerja. • Mesinkalormemilikitigaciriutama: • Kalordikirimkankemesinpadatemperaturyang relatiftinggidarisuatutempat yang disebutreservoarpanas. • Sebagiandarikalor input digunakanuntukmelakukankerjaolehworking substancedarimesin, yaitu material dalammesin yang secaraaktualmelakukankerja (e.g., campuranbensin-udaradalammesinmobil). • Sisadarikalor input heat dibuangpadatemperatur yang lebihrendahdaritemperatur input kesuatutempat yang disebutreservoardingin.

8. Skema Mesin Kalor Gambar ini melukiskan skema mesin kalor. QH menyatakan besarnya inputkalor, dan subscript H menyatakan hot reservoir. QC menyatakan besarnya kalor yang dibuang, dan subscript C merepresentasikan cold reservoir. W merepresentasikan kerja yang dilakukan.

9. Ketika sebuah sistem melakukan proses siklus maka tidak terjadi perubahan energi dalam pada sistem. Dari hukum I termodinamika:

10. Mesin Kalor …. • Untukmenghasilkanefisiensi yang tinggi, sebuahmesinkalorharusmenghasilkanjumlahkerja yang besardankalor input yang kecil. Karenanya, efisiensi, e, darisuatumesinkalordidefinisikansebagaiperbandinganantarakerja yang dilakukanolehmesinWdengankalor input QH: (1) • Jikakalor input semuanyadikonversikanmenjadikerja, makamesinakanmempunyaiefisiensi 1.00, karenaW = QH; dikatakanmesininimemilikiefisiensi 100%, idealnyademikian.Tetapihaltersebuttidakmungkin QCtidaksamadengannol

11. Mesin Kalor • Sebuah mesin, harus mengikuti prinsip konservasi energi. Sebagian dari kalor input QH diubah menjadi kerja W, dan sisanya QC dibuang ke cold reservoir. Jika tidak ada lagi kehilangan energi dalam mesin, maka prinsip konservasi energi: QH = W + QC

12. Contoh 1: An Automobile Engine • Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22.0% dan menghasilkan kerja sebesar 2510 J. Hitung jumlah kalor yang dibuang oleh mesin itu. • Solusi

13. Proses mesin bakar

14. REFRIGERATOR TH QH W QC TC Pendingin (refrigerator): sebuah mesin kalor yang beroperasi secara terbalik. Refrigerator menarik panas dari tempat dingin (di dalam pendingin) dan melepaskan panas ke tempat yang lebih hangat.

15. REFRIGERATOR TH QH W QC TC Persamaan di atas merupakan hubungan nilai-mutlak yang berlaku untuk mesin kalor dan pendingin Siklus pendingin terbaik adalah yang memindahkan Kalor QC terbanyak dari dalam pendingin dengan Kerja mekanik W sedikit mungkin Semakin besar rasio ini maka semakin baik pendinginnya Rasio ini disebut koefisien kinerja (coeficient of performance)

16. Prinsip Carnot dan Mesin Carnot • Bagaimanamembuatmesinkalorberoperasidenganefisiensimaksimum? • InsinyurPrancisSadi Carnot (1796–1832) mengusulkanbahwasebuahmesinkalorakanmemilikiefisiensimaksimumjika proses-proses dalammesinadalahreversibel (dapatbalik). • Suatu proses reversibeladalahsuatukeadaandimanakeduasistemdanlingkungannyadapatkembalikekeadaansemula, samapersissepertisebelumterjadinya proses. • Tujuandarimesinkaloradalahperubahanpanasmenjadikerjadenganefisiensisebesarmungkin. • Selamaperpindahanpanasdalammesincarnottidakbolehadaperbedaansuhu yang cukupbesar.

17. Prinsip Carnot dan Mesin Carnot… Prinsip Carnot: Sebuah alternatif penyataan Hukum II Termodinamika Tidak ada mesin ireversibel yang beroperasi antara dua reservoir pada suhu konstan dapat mempunyai efisiensi yang lebih besar dari sebuah mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama. Selanjutnya, semua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama memiliki efisiensi yang sama.

18. Prinsip Carnot dan Mesin Carnot… • Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwa semua kalor input QH berasal dari suatu hot reservoir pada satu temperatur tunggalTH dan semua kalor yang dibuang QC pergi menuju suatu cold reservoir pada satu temperatur tunggalTC. Tidak ada mesin nyata yang beroperasi secara reversibel. Akan tetapi, ide mesin reversibel memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin Carnot, yang secara khusus berguna sebagai model ideal.

19. Ciri-ciri siklus carnot • Setiap proses yang melibatkan perpindahan panas haruslah isotermal baik pada TH maupun pada TC. • Setiap proses yang mengalami perubahan suhu tidak terjadi perpindahan panas (proses adiabatik) • Siklus carnot terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel

20. Application of 2nd law to energy conversion systems isothermal expansion Carnot Engine TA QH W12 adiabatic compression adiabatic expansion a-b b-c d-a W41 W23 c-d isothermal compression W34 QC TB

21. Application of 2nd law to energy conversion systems Carnot Cycle T TA 1 2 engine TB reversible heat engine 4 3 V T TA 1 2 reversible heat pump TB 4 3 V

22. Untuk gas ideal energi dalam hanya bergantung pada suhumaka pada proses isotermal perubahan energi dalam sama dengan nol Dari proses adiabatik Subtitusikan persamaan 1 dengan persmaan 2 Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TC dan TH

23. Pendingin carnot Karena masing-masing langkah dalam siklus carnot adalah reversibel, maka seluruh siklus dapat dibalik, hal ini mengubah mesin menjadi pendingin Semakin besar perbedaan suhu TH –TC semakin kecil harga K dan semakin besar kerja yang diperlukan untuk memindahkan jumlah panas yang dibutuhkan

24. Prinsip Carnot dan Mesin Carnot… • Untukmesin Carnot, perbandinganantarakalor yang dibuangQCdengankalor input QHdapadinyatakandenganpersamaanberikut: denganTCdanTHdalam kelvins (K). • Efisiensimesin Carnotdapatdituliskansebgaiberikut: Hubunganinimemberikannilaiefisiensimaksimum yang mungkindarisuatumesinkalor yang beroperasiantaraTCdanTH

25. Siklus Kompresi Uap Ideal QH Condenser Expansion Valve Win Compressor Evaporator QL Environment Refrigerated Space (A Simple Vapor-Compression Refrigeration Cycle) Mempunyai 4 komponen dan 4 proses. • Compressor: mengkompresi uap menjadi uap bertekanan tinggi • Condenser: mengembunkan uap tekanan tinggi menjadi cairan tekanan tinggi • 3. Katup ekspansi (Expansion Valve) : menurunkan tekanan cairan menjadi bertekanan rendah • 4. Evaporator: menerima kalor dari medium bersuhu rendah  terjadi penguapan

26. T QH QH 3 1 2 4 4 4 2 3 2 1 3 1 Win Win Win QH Condenser Condenser QL s QL QL Expansion Valve Expansion Valve Environment Environment Evaporator Evaporator Compressor Refrigerated Space Refrigerated Space 4 – Proses Pada Siklus Kompresi Uap Ideal Process 1-2Isentropic Compression Process, s=const.: Compressor, sat.vap  superheatvapor Process 2-3P = const. Heat Rejection Process: Condenser,superheatvapor sat.liquid Process 3-4Throttling Process, h=const.: Expansion Valve,sat. liquid mixture Process 4-1P = const. Heat Addition Process : Evaporator,Mixture  sat. vapor Sketsa Alat T-s Diagram P2 P1 Compressor

27. P-h Diagram T P 1 2 3 1 2 4 4 3 P2 P-h Diagram Win QH QH P1 QL P2 h s Win P1 h1 h2 h4=h3 QL T-s Diagram

28. 40 oC QH 50 oC Condenser 80 oC Heating at 20 oC Expansion Valve QH 30 oC Condenser 80 oC Compressor 15 oC Evaporator Win Win 10 oC Expansion Valve QL Compressor 0 oC Air Conditioned, 25oC Environment Evaporator -20 oC QL -10 oC Out dooe space Pendinginan rumah dengan AC (air-conditioner) Pemanasan Rumah dengan Heat Pump

29. KOMPONEN DARI MESIN REFRIGERASI CONDENSER • Merupakansebuahalatpenukarkalordimanarefrijerenmelepaskalorke medium pendinginseperti air atauudara. • Refrijerenyang beradapadakeadaanuapsuperpanasmelepaskalorsehinggaberubahmenjadicair (liquid refrigerant)

30. KOMPONEN DARI MESIN REFRIGERASI EXPANSION VALVE • Refrijerenberekspansisehinggatekanannyaturun. • KeadaanRefrijerenberubahdari liquid menjadicampurancairjenuhdanuap (a saturated liquid-vapor mixture)

31. KOMPONEN DARI MESIN REFRIGERASI EVAPORATOR • Merupakansebuahalatpenukarkalordimanarefrijerenmenyerapkalordaribenda yang didinginkan (ruangpendingin). • Refrijerenyang beradapadakeadaancampurancairjenuh & uapmenyerapkalorsehinggaberubahmenjadiuap

32. KOMPONEN DARI MESIN REFRIGERASI COMPRESSOR • Merupakansebuahalatuntukmenaikkantekanandantemperaturrefrijerendaritekanandantemperaturrendahmenjaditekanandantemperaturtinggi. • TemperaturRefrijerenmenjadilebihtinggidaritemperatur medium pendingin (lingkungan) sehinggakalor yang diserap di evaporator dapatdibuang

33. Analisis Mesin Refrigerasi Clossed System Hukum I termodinamika : ??? cyclic process QH - QL = Win Q - W = U +  KE +  PE Q - W = 0

34. Analisis Mesin Refrigerasi Open System Hukum I termodinamika : ??? 0

35. Analisis Mesin Refrigerasi Open System Hukum I termodinamika : ??? 0

36. Analisis Mesin Refrigerasi Open System Hukum I termodinamika : ??? 0 0

37. Analisis Mesin Refrigerasi Open System Hukum I termodinamika : ??? 0

38. CONTOH • Sebuah refrigerator menggunakan fluida kerja R-134a dan beroperasi dengan siklus kompresi uap ideal antara • 0,14 MPa dan 0,8 MPa. Laju aliran massa refrigerant 0,05 kg/s. • a. Gambarkan siklusnya dalam diagram T-s dan P-h. • b. Hitung laju perpindahan kalor dari ruang pendingin • c. Hitung daya kompresor • d. Hitung kalor yang dibuang ke lingkungan • e. Hitung COP – nya.

39. T QH 4 3 1 2 Condenser 2 3 P2 Expansion Valve Compressor Win 4 Win 1 QH Evaporator P1 QL s QL Environment Refrigerated Space PENYELESAIAN T-s Diagram 0.8 MPa 0.14 MPa mdot = 0.05 kg/s R-134a Property Table State 1 sat. vap. @ P1 = 0.14 MPa → h1 = hg@0,14 MPa = 236,04 kJ/kg, s1 = sg@0,14 MPa = 0.9322 kJ/kg-K State 2 P2 = 0.8 MPa and s2 = s1 = 0.9322 kJ/kg-K, h2 = 272,05 kJ/kg (interpolasi) State 3 sat.liq. @P3 = P2= 0.8 MPa, h3 = hf@P3 = 93,42 kJ/kg State 4 h4 = h3 = 93,42 kJ/kg (Throttling Process)

40. PENYELESAIAN Compressor 2 QH 2 3 Condenser 1 Win 4 1 Evaporator QL

41. Cara lain dengan diagram P-h 1 2 3 4 QH Win QL h2 h1 h4=h3 P-h Diagram P P2 P1 h

42. 1 2 3 4 h4 = h3 h1 h2

43. Entropy and the 2nd Law By analyzing many experiments and processes involving transfer of heat, Clausius (ca 1850) uncovers a new thermodynamic property, which he names entropy - related to the heat exchanged between system and surroundings - not related to work - places 2nd law in quantitative form Clausius: “It is impossible to convert heat completely to work” Kelvin – Planck: “It is impossible for any any engine to transfer heat from a cold source to a hot source without work being done” Qualitative statements:

44. Entropi dan Ketidakteraturan • Redistribusi partikel gas dalam wadah terjadi tanpa perubahan energi dalam total sistem, semua susunan ekivalen • Jumlah cara komponen sistem dapat disusun tanpa merubah energi sistem terkait erat dengan kuantitas entropi (S) • Entropi adalah ukuran ketidakteraturan sistem • Sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya sedikit seperti kristal padat memiliki ketidakteraturan yang kecil atau entropi rendah • Sistem dengan cara tersusun ekivalen komponennya banyak seperti gas memiliki ketidakteraturan besar atau entropi tinggi

45. Jika entropi sistem meningkat, komponen sistem menjadi semakin tidak teratur, random dan energi sistem lebih terdistribusi pada range lebih besar Sdisorder > Sorder • Seperti halnya energi dalam atau entalpi, entropi juga fungsi keadaan yaitu hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir tidak pada bagaimana proses terjadinya Ssis = Sfinal – Sinitial • Jika entropi meningkat maka Ssis akan positif, sebaliknya jika entropi turun, maka Ssis akan negatif

46. Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika • Apa yang menentukanarahperubahanspontan? • Sistemalamicenderungkearahtidakteratur, random, distribusipartikelkurangteratur • Beberapasistemcenderunglebihtidakteratur (esmeleleh) tetapiadajuga yang lebihteratur (air membeku) secaraspontan • Denganmeninjausistemdanlingkunganterlihatsemua proses yang berlangsungdalamarahspontanakanmeningkatkanentropi total alamsemesta (sistemdanlingkungan). Ini yang disebutdenganhukumkeduatermodinamika • Hukuminitidakmemberikanbatasanperubahanentropisistemataulingkungan, tetapiuntukperubahanspontanentropi total sistemdanlingkunganharuspositif Suniv = Ssis + Ssurr > 0

47. Application of 2nd law to energy conversion systems for a cycle no change in CV so: for a reversible process: for an irreversible process:

48. Efficiency of a Carnot engine apply 1st law for this cycle: then energy conversion efficiency is: for a reversible process:

49. Efficiency of an irreversible engine for an irreversible process:

50. 2nd law - other formulations • Kelvin-Planck statement: “continuously operating 1T engine is impossible” • Clausius statement: “a zero-work heat pump is impossible”