Penerapan hukum 2 termodinamika

21,313 views
20,946 views

Published on

Penerapan Hukum Termodinamika II

Published in: Education
4 Comments
5 Likes
Statistics
Notes
No Downloads
Views
Total views
21,313
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
1,077
Actions
Shares
0
Downloads
636
Comments
4
Likes
5
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Penerapan hukum 2 termodinamika

  1. 1. PENERAPAN HUKUM 2 TERMODINAMIKA Oleh La Tahang
  2. 2. Contoh penerapan hukum I termodinamika Kopi panas memberikan energi ke lingkungan, tetapi kopi tak bisa menjadi panas pada lingkungan yang dingin. Bola lampu menyala, dll.Proses hanya dapat berlangsung dalam satu arah → hukum I tak menjelaskan arah. Hukum II termodinamika: Hukum ke-II → menjelaskan bahwa energi mempunyai kualitas disamping kuantitas. Hukum ke-II → digunakan pada penentuan batas teoritis untuk performansi suatu mesin (sistem keteknikan) dan memprediksikan degree of completion dari reaksi kimia.
  3. 3. Proses dapat terjadi pada arah yang jelas dan tidak dapat terjadi pada arah kebalikannnya. Proses harus memenuhi hukum 1 dan hukum 2 termodinamika untuk dapat berlangsung. KETAKSAMAAN CLAUSIUSHukum II termodinamika berhubungan dengan ketaksamaan Ketaksamaan Clausius (R.J.E Clausius / 1822-1888). dQ  = integral yang dilakukan pada siklus. 0 T  Ketaksamaan ini absah untuk setiap siklus, reversibel maupun irreversibel.  Setiap perpindahan panas ke atau dari sistem dapat dipandang sebagai perubahan dari perpindahan panas tersebut.
  4. 4. VALIDITAS KETAKSAMAAN CLAUSIUS WC QR dEC WC Wrev Wsys Pada kasus mesin reversibel : Q QR Q WC TR dEC T TR T Q WC TR → dEC T Jika tak ada irreversibilitas di dalam sistem (alat siklus reversibel) → sistem menjadi reversibel internal (WC, int rev = 0) : Q 0 T int,rev
  5. 5. ENTROPI Berdasarkan ketaksamaan Clausius → sifat baru : entropi. dQ Clausius [1865] memilih istilah dS T entropi dan menandakan int,rev (kJ/K) dengan huruf S yang S S2 S1 didefinisikan 2 dQ 1 T int ,rev Entropi → sifat ekstensif (kadang2 dihubungkan dengan entropi total). Entropi → sifat zat yang mengukur derajat keacakan mikroskopis.
  6. 6. CONTOHSebuah bejana kaku berisi 173 mol udara pada 15 oC, 100kPa. Sejumlah panas dipindahkan dari sumber luar kedalam bejana yang menaikkan temperatur udara menjadi 40oC. Jika proses reversibel internal dan udara sebagai gasideal, hitunglah perubahan entropi selama proses ini !(M = 28,9 g/mol, cv = 0,717 kJ/kg.K)Solusi : Q W U Q U Qint,rev mcv dT 2 dQ 2 mcv dT T2 S mcv ln 1 T int,rev 1 T T1 S 0,3 kJ/K
  7. 7. KASUS KHUSUS PROSES PERPAN ISOTERMAL INT-REV 2 Q 2 Q 1 2 S Q int,rev 1 T int,rev 1 To int,rev To 1 Q S (kJ/kg) To Dimana : To = temperatur mutlak sistem (konstan) Q = perpindahan panas untuk proses reversibel internal Perubahan entropi suatu sistem selama proses internal reversibel dapat posisitif atau negatif (bergantung arah Q, masuk atau keluar).
  8. 8. PRODUKSI ENTROPI Setiap entropi yang dibangkitkan atau yang diciptakan selama proses irreversibel, dan pembangkitan ini karena kehadiran irreversibilitas disebut dengan produksi entropi Sgen. 2 Q S 2 S1 S gen 1 T Entropi dari suatu sistem yang diisolasi selalu bertambah, atau untuk kasus reversibel dapat dipertahankan konstan. Untuk sistem tertutup entropi tidak pernah berkurang (salah satu dari prinsip produksi entropi).
  9. 9. PRODUKSI ENTROPI Sebuah sistem dan lingkungannya dapat dipandang sebagai dua sub sistem dari suatu sistem terisolasi, dan produksi entropi dari sistem terisolasi ini adalah jumlah dari entropi dari sistem dan lingkungannya. Hal ini disebut sebagai produksi entropi total Stotal atau entropi yang dibangkitkan Sgen Sisolated 0 S gen Stotal S sys S surr 0 Perubahan entropi dari suatu sistem dapat bernilai negatif, tetapi Ssys + Ssurr tidak. Prinsip pertambahan entropi : 0 proses irreversib el S gen Stotal 0 proses reversibel 0 proses imposibel
  10. 10. HUBUNGAN T-dSBentuk diferensial persamaan kekekalan energiuntuk sistem tertutup yang berisi substansikompresibel : Qint,rev Wint,rev dU Persamaan Gibbs (dapat diterapkan pada sistemT .dS P.dV dU terbuka / tertutup)T .dS dU P.dVT .ds du P.dv du P.dv ds h u P.v T T dh v.dP dh du P.dv v.dP ds T T
  11. 11. PERUBAHAN ENTROPI PADAT & CAIR Substansi inkompresibel (padat & cairan), dv = 0 , cp = c v = c du = c.dt : T2 s2 s1 cavg ln T1 Isentropik tak ada perubahan entropi selama proses reveribel internal dan adibatik (s2 = s1) : T2 s2 s1 cavg ln 0 T1 T2 T1
  12. 12. CONTOH1. Metana cairan digunakan secara umum untuk sistem cryogenik. Hitunglah perubahan entropi metana sewaktu mengalami proses dari 110 K, 1 MPa menjadi 120 K, 5 MPa, jika metana diasumsi sebagai fluida inkompresibel ! (cavg = 3.4785 kJ/kg.K)Solusi :2. Besi 50 kg, 500 K dilemparkan ke dalam danau besar yang bertempe-ratur 285 K. Besi kemudian mencapai kesetimbangan termal dengan air danau. Asumsi panas spesifik rata2 besi 0,45 kJ/kg.K, tentukan (a) perubahan entropi besi (b) perubahan entropi air danau (c) perubahan entropi total untuk proses ini !
  13. 13. CONTOHSolusi : (a) T2 285 Sbesi mcavg ln 50 x0,45 x ln 12,65 kJ/K T1 500 (b) Q W U KE PE Qbesi mc avg (T2 T1 ) 50 x0,45 x(285 500 ) 4837 ,5 kJ Qdanau Qbesi 4837,5 kJ Qdanau 4837,5 S danau 16,97 kJ/K Tdanau 285 (c) Stotal Sbesi Sdanau 12,65 16,97 4,32 kJ/K
  14. 14. PERUBAHAN ENTROPI GAS IDEAL Bentuk Umum : s2 s1 2 C v (T ) dT R ln v2 1 T v1 2 P2 dT s2 s1 C p (T ) R ln 1 T P1 T2 v2 s2 s1 cv ,avg ln R ln T1 v1 A. Panas spesifik konstan T2 P2 s2 s1 c p ,avg ln R ln T1 P1 T2 v2 s2 s1 c v,av ln Ru ln T1 v1 Basis mol : kJ/(kmol.K ) T2 P2 s2 s1 c p ,av ln Ru ln T1 P1
  15. 15. PERUBAHAN ENTROPI GAS IDEALB. Panas spesifik bervariasi Entropi pada Treferensi (0 absolut) : T 2 o dT o o dT s c p (T ) s 2 s 1 c p (T ) Cp Aktual Cp 0 T 1 T Average Cp Perubahan entropi dari T1 dan T2 : Cp,av o o P2 s2 s1 s 2 s 1 R ln P1 T1 Tav T2 T o o P2 s 2 s1 s 2 s 1 Ru ln P1
  16. 16. PROSES ISENTROPIK GAS IDEALA. Panas spesifik konstan : Kombinasi lain yang lebih kompak →
  17. 17. PROSES ISENTROPIK GAS IDEALB. Panas spesifik bervariasi :  Tekanan relatif, Pr = exp(s°/R)  Volume spesifik relatif, vr :
  18. 18. Reservoar Energi Panas:Media yang dapat menyerap/melepas panas tanpa terjadinyaperubahan temperatur yang berarti pada mediatersebut, contoh: laut, sungai, danau, udara atmosfer, tungkupembakaran pada industri. Reservoar yang menghasilkanenergi dalam bentuk panas disebut source dan yangmenyerap panas disebut sink.
  19. 19. Mesin TermalKerja dapat diubah seluruhnya secara langsung menjadi panas, tapimengubah panas menjadi kerja dibutuhkan alat khusus yang disebutmesin termal. Karakteristik mesin termal: 1. Menerima panas dari sumber bertemperatur tinggi (source) 2. Mengubah sebagian energi menjadi kerja (biasanya dalam bentuk putaran poros) 3. Membuang panas sisa ke sink 4. Bekerja dalam satu siklus
  20. 20. Mesin termal dan semua alat yang bekerja dalam siklusmemerlukan fluida untuk terjadinya perpindahan panas.Fluida ini disebut fluida kerja. Mesin termal identik denganalat yang menghasilkan kerja yang beroperasi pada satusiklus termodinamika, contoh pembangkit tenaga uap.
  21. 21. Kerja netto yang dihasilkan oleh pembangkit tenagaadalah selisih antara kerja yang dihasilkan dengan kerjayang dibutuhkan untuk mengoperasikan sistem. Wnet,out = Wout – Win [kJ] Wnet,out = Qin – Qout [kJ] Efisiensi TermalQout adalah jumlah energi yang dibuang pada siklus. Qouttidak pernah nol, sehingga kerja netto mesin termal selalulebih kecil dari jumlah panas yang masuk. Hanya sebagianpanas yang diubah jadi kerja. Fraksi panas yang masukterhadap kerja yang dihasilkan disebut efisiensi termal, ηth.
  22. 22. Pada mesin termal keluaran yangdiinginkan adalah kerja output danyang dibutuhkan adalah panasmasuk, sehingga efisiensi termal:
  23. 23. PERNYATAAN KELVIN-PLANK Pernyataan Kelvin-Plank dari Reservoir energi hukum II termodinamika : termal Tak mungkin setiap peralatan QH yang beroperasi pada siklus menerima panas dari reservoir Wnet,out = QH tunggal dan menghasilkan kerja bersih seluruhnya. MESIN KALOR Pernyataan K-P dapat juga dijelaskan sebagai mesin QL = 0 kalor yang tak dapat mempunyai efisiensi termal 100 %.
  24. 24. REFRIGERATOR Perpindahan panas yang alami terjadi dari media Ttinggi ke Trendah. Lingkungan Refrigerator : alat yang QH digunakan untuk memindahkan Kondensor panas dari media temperatur rendah ke temperatur tinggi. Katup Wnet,in ekspansi Fluida kerja dari siklus refrigerasi Kompresor disebut refrigeran. Evaporator QL Siklus yang paling umum adalah siklus refrigerasi kompresi Ruangan yang didinginkan uap, dengan 4 komponen utama.
  25. 25. REFRIGERATORLingkungan panas, TH  Efisiensi refrigerator ditampilkan dalam istilah QH koefisien prestasi (COP) : keluaran yang diharapkan QL Wnet,in COPR masukan yang dibutuhkan Wnet ,in QL 1 COPR Wnet ,in QH QL QL QH QL QH / QL 1 Efisiensi tidak pernah besarRuangan yangdidinginkan, TL dari 1 sedangkan COPR besar dari 1.
  26. 26. PERNYATAAN CLAUSIUS Pernyataan Clausius dari hukum II termodinamika : Tak mungkin membuat peralatan Lingkungan panas, TH yang beroperasi pada siklus yang memindahkan panas dari benda QH Trendah ke Ttinggi tanpa ada menghasilkan efek (W). Wnet,in=0 Pernyataan Kelvin-Plank dan Clausius adalah pernyataan negatif dan tidak QL dapat dibuktikan. Sama dengan hukum fisika yang Ruangan yang didinginkan, TL lain, hukum II termodinamika juga didasarkan pada observasi eksperimental, no experiment has been conducted.
  27. 27. MESIN KALOR CARNOT  Merupakan mesin kalor yangReservoir temperatur beroperasi dengan siklus Carnot tinggi, TH Reversibel (dibalik jadi refrigerator / pompa kalor). QH  Dengan skala temperatur Carnot HE Wnet,out termodinamik (skala yang tidak bergantung sifat-sifat zat untuk QL mengukur temperatur) yang dikemukakan Lord Kelvin : QH THReservoir temperatur Efisiensi mesin QL rev TL Carnot : 1 rendah, TL QL TL th, rev 1 QH TH 1 1 COPR dan COPHP QH QL 1 1 QL QH
  28. 28. EFISIENSI ISENTROPIK ALAT ALIRAN STEDI Proses isentropik → tak ada irreversibilitas dan diperlakukan sebagai proses ideal untuk alat adiabatik. Efisiensi isentropik (efisiensi adiabatik) → mengukur penyimpangan proses aktual dari proses ideal.  Didefinisikan berbeda → bergantung tugas.
  29. 29. EFISIENSI ISENTROPIK TURBIN Dengan mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial : Rancangan baik → turbin besar, efisiensi isentropik di atas 90%.
  30. 30. EFISIENSI ISENTROPIK KOMPRESOR & POMPA KOMPRESOR Dengan mengabaikan perubahan energi kinetik dan potensial : Rancangan baik → efisiensi isentropik kompresor : 80- 90%.
  31. 31. EFISIENSI ISENTROPIK NOSEL Dengan mengabaikan kecepatan masuk (V1 << V2) : Efisiensi isentropik nosel : 90-95%.
  32. 32. QUIS1. Udara dikompres dengan kompresor adiabatik dari 100 kPa, 12°C menjadi 800 kPa pada laju stedi 0.2 kg/s. Jika efisiensi isentropik kompresor 80%, tentukan (a) temperatur udara keluar (b) daya yang dibutuhkan kompresor. (cp = 1,005 kJ/kg.K dan k = 1,4)2. Berapakah entropi molar Ne (g) volume tetap pada temperatur 500 K, jika entropi molarnya pada temperatur 298 K adalah 146,22 J/K.mol (M = 20,18 g/mol dan cp,M = 20,786 J/K.mol)3. Hitunglah besar perubahan entropi, jika argon 25 oC, 1 atm berada dalam wadah 500 cm3 : (M = 39,95 g/mol dan cp,M = 20,786 J/K.mol) a. Dibiarkan memuai isotermal menjadi 1000 cm3. b. Setelah memuai, kemudian dipanaskan dengan volume tetap sampai 100 oC.
  33. 33. TUGAS1. Udara dikompres dengan kompresor adiabatik dari 100 kPa, 12°C menjadi 800 kPa pada laju stedi 0.2 kg/s. Jika efisiensi isentropik kompresor 80%, tentukan (a) temperatur udara keluar (b) daya yang dibutuhkan kompresor. (cp = 1,005 kJ/kg.K dan k = 1,4)2. Berapakah entropi molar Ne (g) volume tetap pada temperatur 500 K, jika entropi molarnya pada temperatur 298 K adalah 146,22 J/K.mol (M = 20,18 g/mol dan cp,M = 20,786 J/K.mol)3. Hitunglah besar perubahan entropi, jika argon 25 oC, 1 atm berada dalam wadah 500 cm3 : (M = 39,95 g/mol dan cp,M = 20,786 J/K.mol) a. Dibiarkan memuai isotermal menjadi 1000 cm3. b. Setelah memuai, kemudian dipanaskan dengan volume tetap sampai 100 oC.
  34. 34. TUGAS4. Sampel gas sempurna awalnya menempati wadah 15 liter, 250 K, 1 atm dimampatkan secara isotermal. Sampai volume berapa gas harus dimampatkan sehingga entropi berkurang sebesar 5 J/K ?5. Sampel aluminium 1,75 kg didinginkan pada tekanan konstan dari temperatur 300 K menjadi 265 K. Hitunglah jumlah energi yang harus diambil sebagai kalor dan perubahan entropi sampel tersebut ! (M = 26,98 g/mol dan c = 24,35 J/K.mol)6. Argon masuk turbin adiabatik pada 800 oC, 1,5 MPa dengan laju 80 kg/min dan keluar pada 200 kPa. Jika daya keluaran aktual turbin 370 kW, tentukan efisiensi isentropik turbin !

×