Penerapan Hukum Termodinamika II

1. PENERAPAN HUKUM 2
TERMODINAMIKA
Oleh La Tahang

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. 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 CLAUSIUS
Hukum 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. 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. 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. CONTOH
Sebuah bejana kaku berisi 173 mol udara pada 15 oC, 100
kPa. Sejumlah panas dipindahkan dari sumber luar ke
dalam bejana yang menaikkan temperatur udara menjadi 40
oC. Jika proses reversibel internal dan udara sebagai gas
ideal, 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. 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. 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. 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. HUBUNGAN T-dS
Bentuk diferensial persamaan kekekalan energi
untuk sistem tertutup yang berisi substansi
kompresibel :
Qint,rev Wint,rev dU Persamaan Gibbs
(dapat diterapkan pada sistem
T .dS P.dV dU
terbuka / tertutup)
T .dS dU P.dV
T .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. 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. CONTOH
1. 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. CONTOH
Solusi : (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. 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. PERUBAHAN ENTROPI GAS IDEAL
B. 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. PROSES ISENTROPIK GAS IDEAL
A. Panas spesifik konstan :
Kombinasi lain yang lebih kompak →

17. PROSES ISENTROPIK GAS IDEAL
B. Panas spesifik bervariasi :
 Tekanan relatif, Pr = exp(s°/R)
 Volume spesifik relatif, vr :

18. Reservoar Energi Panas:
Media yang dapat menyerap/melepas panas tanpa terjadinya
perubahan temperatur yang berarti pada media
tersebut, contoh: laut, sungai, danau, udara atmosfer, tungku
pembakaran pada industri. Reservoar yang menghasilkan
energi dalam bentuk panas disebut source dan yang
menyerap panas disebut sink.

19. Mesin Termal
Kerja dapat diubah seluruhnya secara langsung menjadi panas, tapi
mengubah panas menjadi kerja dibutuhkan alat khusus yang disebut
mesin 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. Mesin termal dan semua alat yang bekerja dalam siklus
memerlukan fluida untuk terjadinya perpindahan panas.
Fluida ini disebut fluida kerja. Mesin termal identik dengan
alat yang menghasilkan kerja yang beroperasi pada satu
siklus termodinamika, contoh pembangkit tenaga uap.

21. Kerja netto yang dihasilkan oleh pembangkit tenaga
adalah selisih antara kerja yang dihasilkan dengan kerja
yang dibutuhkan untuk mengoperasikan sistem.
Wnet,out = Wout – Win [kJ]
Wnet,out = Qin – Qout [kJ]
Efisiensi Termal
Qout adalah jumlah energi yang dibuang pada siklus. Qout
tidak pernah nol, sehingga kerja netto mesin termal selalu
lebih kecil dari jumlah panas yang masuk. Hanya sebagian
panas yang diubah jadi kerja. Fraksi panas yang masuk
terhadap kerja yang dihasilkan disebut efisiensi termal, ηth.

22. Pada mesin termal keluaran yang
diinginkan adalah kerja output dan
yang dibutuhkan adalah panas
masuk, sehingga efisiensi termal:

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. 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. REFRIGERATOR
Lingkungan
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 besar
Ruangan yang
didinginkan, TL dari 1 sedangkan COPR besar
dari 1.

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. MESIN KALOR CARNOT
 Merupakan mesin kalor yang
Reservoir 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 TH
Reservoir 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. 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. EFISIENSI ISENTROPIK TURBIN
 Dengan mengabaikan
perubahan energi kinetik dan
potensial :
 Rancangan baik → turbin
besar, efisiensi isentropik di
atas 90%.

30. EFISIENSI ISENTROPIK KOMPRESOR &
POMPA
KOMPRESOR
 Dengan mengabaikan
perubahan energi kinetik dan
potensial :
 Rancangan baik → efisiensi
isentropik kompresor : 80-
90%.

31. EFISIENSI ISENTROPIK NOSEL
 Dengan mengabaikan
kecepatan masuk (V1 << V2) :
Efisiensi isentropik nosel :
90-95%.

32. QUIS
1. 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. TUGAS
1. 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. TUGAS
4. 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 !