Tag: Heat

AhmadDahlan.NET – Pada hukum I Termodinamika menjelaskan bahwa energi bersifat kekal dan tidak bisa diciptakan dan tidak dimusnahkan hanya bisa dikonversi ke dalam bentuk lain. Misalnya saja energi listrik yang dialirkan pada kipas angin diubah menjadi energi mekanik atau pada kendaraan bermotor dimana energi ikat kimia dari bahan bakar diubah menjadi energi panas yang selanjutnya menekan piston yang memutar roda-roda gigi agar motor bisa bergerak. Dari semua perubahan itu selalu menghasilkan panas seperti pada mesin motor dan kumparan yang ada pada kipas angin.

Bentuk hukum II Termodinamika

Hukum-Hukum yang menjelaskan tentang fenomena tentang energi dikaji dalam kajian Termodinamika, meninaju panas yang mengalir atau berpindah dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya. Pada kenyataannya sangat sulit melekukan perubahan bentuk energi tanpa melibatkan energi panas di dalamnnya.

Sebuah motor memiliki prinsip kerja mengubah energi kimia menjadi energi gerak melalui proses pembakaran gas yang ada di dalam piston. Hanya saja tidak semua energi kimia dari pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak. Sebagaian berubah menjadi energi panas yang tidak dapat dimanfaatkan.

Energi panas yang tidak dapat dimanfaatkan sebagai usaha selanjutnya disebut sebagai Entropi. Karena panas selalu dilibatkan dalam perubahan energi, maka nilai entropi dari suatu sistem ini akan selalu bertambah. Energi panas dalam entropi sangat mudah didapatkan bahkan hanya dengan menggosokkan ke dua telapak tangan maka kita akan mendapatkan panas yang tidak dapat dimanfaatkan menjadi usaha.

Jika sebuah sistem diisolasi maka nilai entropi dalam sistem tersebut juga akan ikut meningkat, sehingga hukum II Termodinamika dinyatakan :

“Besar Entropi yang ada pada suatu sistem terisolasi tidak akan turun, nilai Entropi ini hanya bisa bertambah atau tidak berubah”

Implikasi dari hukum ini adalah Entropi dapat diciptakan tapi tidak dapat dimusnahkan. Hukum II termodinamika adalah hukum yang dapat dinyatakan dalam banyak bentuk tergantung sisi mana kita meninjau fenomena termodinamika. Misalnya saja kesimpulan Hukum II termodinamika versi Clausius :

Kalor dapat mengalir secara spontan dari benda panas ke beda dingin secara spontan namun tidak terjadi sebaliknya. Dibutuhkan usaha untuk memindahkan panas dari benda panas ke benda dingin.

Bentuk-bentuk Hukum II termodinamika ini dinyatakan benar selama bisa ditemukan fenomenanya dan tidak melanggar hukum I termodinamika.

A. Mesin Kalor

Kajian hukum II termodinamika berkembang pesat sejak mesin uap ditemukan pada tahun 1700 sekaligus menandai revolusi industri 1.0. Mesin uap ini membuka pemahaman manusia bahwa panas dapat dimanfaatkanmenjadi usaha dengan mesin, namun tidak semua energi panas yang dihasilkan dapat dimanfaatkan.

Prinsip kerja mesin uap adalah memanaskan sejumlah besar air dalam sebuah ruang tertutup yang salah satu ujungnya dapat bergerak. Ujung yang bergerak ini kemudian dihubungkan dengan tuas panjang yang dapat mengerakkan roda gerigi sehingga menghasilkan energi mekanis. Mesin ini upa selanjutnya dijadikan dasar pada kajian mesin kalor atau mesin yang bekerja dengan prinsip energi panas.

Pada mesin kalor, sejumlah kalor dimanfaatkan untuk mengerakkan sifat-sifat makrokopis dari partikel yang ada pada udara di dalam sistem sehingga sebagian dari gerak ini dimanfaatkan menjadi usaha mekanis. Proses ini terjadi transfer kalor mengalir dari tempat bersuhu tinggi ke suhu rendah. Sebagian Kalor yang dari suhu panas dirubah oleh mesin menjadi usaha seperti pada bagan mesin kalor di bawah ini.

Mesin kalor berkerja dengan siklus berulang dan kontinu. Dalam keadaan ideal, Setiap siklus yang tidak terjadi perubahan energi dalam atau ΔU=0 karena sistem kembali ke keadaan awal. Sebagian Kalor masuk Q_H pada temperatur tinggi T_H diubah menjadi Usaha W dan sisanya berubah menjadi panas Q_L yang terbuang pada suhu rendah T_L. Berdasarkan hukum konservasi energi maka :

Q_H = W + Q_L

Besar suhu yang ada pada daerah tinggi rendah disebut sebagai temperature operasi mesin.

Efisiensi Mesin Kalor

Karena tidak semua Energi panas diubah menjadi usaha oleh karena efisiensi dari energi yang digunakan akan selalu lebih kecil dari 100 %. Efesiensi yang dihasilkan dapat dihitung dari perbandingan usaha yang dihasilkan dan energi panas pada daerah termperatur tinggi atau

e = W / Q_H

Persamaan energi pada mesin panas selanjtunya dapat ditulis W = Q_H – Q_L, maka efisiensi mesin panas dapat ditulis :

e= \frac{W}{Q_H}=\frac{Q_H-Q_L}{Q_H}

e=1-\frac{Q_L}{Q_H}

Dari persamaan di atas dapat disimpulkan bahwa akan selalu energi panas yang terbuang.

B. Mesin Carnot

Mesin Carnot adalah gagasan dari ilmuwan perancis Sadi Carnot (1796-1832) yang membuat mesin ideal secara teoretik. Tujuannya untuk menciptkan mesin yang ideal untuk mengkorvesi panas menjadi usaha namun mesin ini tidak nyata atau mesin carnot tidak akan bisa diciptakan namun mesin ini digunakan untuk mengkaji fenomena perubahan kalor ideal pada kajian termodinamika.

Satu siklus pad amesin Carnot ideal terdiri dari empat proses yakni dua proses Adiabatik (Q= 0) dan dua proses isotermal (ΔT=0). Untuk lebih jelasnya adapada diagram di bawah ini!

Proses dari A ke B terjadi ekspansi isotermal atau pemuaian yang terjadi di dalam ruangan mendorong piston dan menghasilkan energi mekanik. Proses ini idelanya terjadi secara lambat sehingga kejadian ini dianggap sederet keadaan seimbang dimana semua proses terjadi berlawanan arah tanpa merubah magnitude usaha dari kalor yang dipertukarkan. Proses selanjutnya terjadi sebaliknya dengan proses terbalik sehingga kembali ke posis awal.

Faktanya, proses pembakaran yang terjadi di dalam ruang pembakaran terjadi sangat cepat sehingga terjadi turbelensi di dalam ruang. Turbelensi ini memicu banyak hal diluar keadaan ideal seperti gesekan udara di dalamanya. Hasilnya proses ini terjadi tidak reversible sesuai teori Carnot, namun mari kita kaji kejadian mesin Carnot secara teoretik.

Efisiensi Mesin Carnot

Proses-Proses Isotermal dalam mesin Carnot, Kalor Q_H yang dipindahkan ke Q_L terjadi pada temperatur konstan di T_H dan T_L. Perpindahan kalor dari Q_H ke Q_L tidak menyebabkan perubahan suhu baik di T_H dan di T_L. Dalam hal ini Teori Carnot menunjukkan jika mesin reversible yang idela Q_H dan Q_L sebanding dengan T_H dan T_L, oleh karena itu efisiensi mesin carnot dapat dihitung dengan persamaan :

e=\frac{T_H-T_L}{T_H}

e=1 - \frac{T_L}{T_H}

Efisiensi mesin maksimal dimiliki sebuah mesin dibatasi oleh mesin Carnot, jika ada mesin yang memiliki efisiensi lebih tinggi dari mesin Carnot, maka mesin tersebut sudah melanggar hukum Termodinamika karena efisiensi sebuah selalu lebih rendah dari efisiensi mesin Carnot akibat dari energi yang terbukan akbitan dari gaya gesek dan sejenisnya. Mesin-mesin yang ada di dunia pada umumnya hanya memiliki efisiensi sekitar 40 sampai 80 % dari efisiensi mesin Carnot.

C. Refrigerator

Pada dasarnya ketika kita menyentuhkan dua buah benda yang berbeda suhu, maka akan terjadi trnasfer panas secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu renda sampai suhu ke dua benda tersebut sama. Karena hal tersebut terjadi spontan, implikasinya Panas tidak mungkin berpindah dari daerah bersuhu rendah sampai ke benda bersuhu tinggi secara spontan. Akan selalu dibutuhkan usaha untuk memiksakan panas dari bersuhu rendah ke daerah bersuhu tinggi.

Mesin yang digunakan untuk memindahkan panas dari daerah bersuhu rendah ke daerah bersuhu tinggi disebut Reffrigeratir. Mesin ini mengkonsumsi energi listrik yang diubah menjadi usaha yang memindakan panas. Mesin-mesin ini diimplementasikan pada Kulkas dan Air Conditioner.

“Calor berpindah secara spontan dari daerah bersuhu panas ke daerah bersuhu dingin dan tidak mungkin terjadi sebaliknya. Dibutuhkan kerja tambahan untuk memindahkan kalor dari daerah bersuhu rendah ke daerah bersuhu dingin”

Clausius – Black

Refrigerator

Refrigerator (mesin pendingin) bekerja dengan prinsip yang terbalik dengan mesin Kalor, dimana Usaha W digunakan untuk memindahkan kalor Q_L dari daerah Tempertature rendah T_L ke daerah suhu panas T_H.

Refrigerator bekerja untuk memindahkan panas yang ada pada daerah dalam kulkas yang temperaturenya lebih dingin ke daerah luar yang yang temperaturenya lebih rendah. Panas dipindahkan tanpa melibatkan perpindahan partikel.

Evaporator dalam kulkas memiliki suhu yang rendah sehingga oanas dari dalam kulkas secara spontan masuk ke dalam evaporator. Panas ini kemudian dibawa oleh zat di dalam evaporator yang disebut Freon. Freon ini kemudin berpindah kearah bawah karena tekana di daerah dekat Valpe bertekanan rendah akibat di pompoa oleh mesin kompresor. Kompresor ini kemudian menekan udar ke arah conderser sehingga udara di daerah tersebut lebih tinggi. Tekanan ini secara otomatis mendorong udara ke arah atas yang tekanan lebih rendah ke daerah Katup pemuaian.

Selama perjalanan menuju katup Pemuaian, udara melewati selang panjang yang terbuat dari logam dengan tingkat penghantar panas yang baik. Panas kemudian keluar kelingkungan secara spontan ke melalui raditor. Radiator kemudian memindahkan panas secara konveksi dan konduksi ke udara luar sehingga suhu cairan yang sampai di katup pemuaian lebih dingin. Udara dingin kemudian masuk ke dalam kulkas dan terjadi satu siklus.

Usaha dalam kasus ini dilakukan oleh mesin compresor yang mengambil daya dari listrik

Kerja dari mesin ini digambarkan pada bagan berikut :

Refrigerator sempurna harusnya tidak membutuhkan usaha untuk memidahkan kalor Q_L dari daerah berterampur rendah T_L ke daerah bertemperatur tinggi T_H, namun hal ini tidak mungkin terjadi. Clasius menjelaskan bahwa :

Tidak ada mesin yang dapat memindahkan kalor dari satu sistem pada temperatur rendah ke temperature tinggi. Untuk mengalirkan kalor tersebut dibutuhkan usaha.

Koefisien kinerja (COP) dari Refrigerator adalah kebalikan dari mesin kalor sesuai dengan prinsip kerjanya.

COP = Q_L/W

Energi yang mengalir bersifat konservatif seperti pada hukum Termodinamika Pertama sehingga Q_L + W = Q_H atau W = Q_H – Q_L.dengan demikian :

COP = \frac{Q_L}{Q_H-Q_L}