TERMODINAMIKA -...
Transcript of TERMODINAMIKA -...
TERMODINAMIKA TERMODINAMIKA
Hukum Termodinamika ke-0
Hukum Termodinamika ke-1
H k T di ik k 2Hukum Termodinamika ke-2
Mesin KalorMesin Kalor
Prinsip Carnot & Mesin Carnot
FI-1101: Termodinamika, Hal 1
Kesetimbangan Termal & HukumKesetimbangan Termal & HukumKesetimbangan Termal & Hukum Kesetimbangan Termal & Hukum Termodinamika keTermodinamika ke--00
Jika dua buah benda dengan suhu yang berbedaJika dua buah benda dengan suhu yang berbeda diletakkan sedemikian rupa sehingga terjadi kontak, maka lama-kelamaan kedua benda akan mempunyai suhu yang sama. Kemudian dikatakan bahwa kedua benda
l i k ti b t lmengalami kesetimbangan termal.
Hukum termodinamika ke-0; Jika dua buah sistem berada dalam keadaan kesetimbangan termal dengan sistem ke-3, maka kedua sistem itu berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain.Mi lk d 3 b h i t A B d C Jik T T dMisalkan ada 3 buah sistem A, B, dan C. Jika TA = TC danTB = TC, maka TA = TB.
FI-1101: Termodinamika, Hal 2
Hukum I TermodinamikaHukum I Termodinamika
Energi dalam sistem bersifat konservatif, perubahan energi g , p gdalam hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir.
• ΔU = Uf – Ui
• dU = Cv dTKalor adalah energi yang mengalir atau berpindah karena
perbedaan temperatur. Kalor masuk/keluar ini menyebabkan perubahan keadaan sistem (P,V, T, U, dsb.)dQ = C dT
Usaha W merupakan mekanisme transfer energi antara sistem & lingkungannya.
( )∫∫∫fff
ddddx
FI-1101: Termodinamika, Hal 3
( )∫∫∫ −=Δ====i
ifii
VVPVPPdVPAdxdWWF=PA
mg
Hukum I Termodinamika…Hukum I Termodinamika…
Hukum I Termodinamika
Energi dalam suatu sistem berubah dari nilai awal Ui to a ke suatu nilai akhir Uf karena panas Q dan kerja W:
ΔU = Uf - Ui = Q - W
Q positif ketika sistem menerima panas dan negatif jika kehilangan panas. W positif jika kerja dilakukan oleh sistemdan negatif jika kerja dilakukan pada sistem
FI-1101: Termodinamika, Hal 4
Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan)Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan)
Proses Isobarik (Tekanan Tetap) untuk sistem gas ideal
( )T
f
iif VVPPdVW
f
−== ∫ Pf
f
i
i
TP
TP
=
( )if
T
Tp
VVPdTCU
dTCQ
f
f
i
−−=Δ
=
∫
∫ a b
Vo V1
Proses Isokhorik (Volume Tetap) untuk sistem gas idealf
( )ifT
p VVPdTCUi
Δ ∫V
Vo V1
∫
∫ ==
fT
f
i
d
PdVW 0 P
P
P1 bf
f
i
i
VT
VT
=
FI-1101: Termodinamika, Hal 5
∫==ΔiT
V dTCQUV
Po a
Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)
Proses Isotermal (Temperatur Tetap) untuk sistem gas idealideal
WQdTCUfT
V =⇒==Δ ∫ 0
Pb
iTV∫
Va
Selanjutnya dari persamaan gas idealSelanjutnya dari persamaan gas ideal
==⇒==CnRTPkonsnRTPV tan 0
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛=⎟⎟
⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛==== ∫ ∫
i
f
i
ff
i
f
i VV
NkTVV
nRTdVV
nRTPdVWQ
VV
lnln
FI-1101: Termodinamika, Hal 6
⎠⎝⎠⎝ iii i
Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika (Beberapa contoh penerapan )Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)
Proses Adiabatik (tidak ada pertukaran kalor) untuk gas idealideal.
PbWUQ −=Δ⇒= 0
Τ2
VaSelanjutnya dari persamaan gas ideal Τ1
dTCdVV
nRTdVV
nRTPdVdW
dTCdU
V
V
−=⇒==
=
tanlnln konsTnRC
VTdT
nRC
VdV
VVVV +−=⇒−=
FI-1101: Termodinamika, Hal 7
Proses Adiabatik (sambungan )Proses Adiabatik (sambungan )Proses Adiabatik (sambungan …)Proses Adiabatik (sambungan …)
MengingatMengingat
( ) 1C
nRCC
V
Vp
⎟⎞
⎜⎛
=−
( ) ( )
tanln1ln
111
konsTV
nRC
nRC VV
+⎟⎟⎞
⎜⎜⎛−=
⎟⎟⎠
⎞⎜⎜⎝
⎛−
−=⇒=−γ
γ
( )tanln
tanln1
ln
1 konsCTV
konsTV
==
+⎟⎟⎠
⎜⎜⎝ −−=
−γ
γ
Dengan demikian
tt1 kCPVkCVPV − γγ
FI-1101: Termodinamika, Hal 8
tantan 11 konsCPVkonsCV
nR==⇒== γγ
Contoh Gas IdealContoh Gas Ideal
The temperature of three moles of a monatomic ideal gasis reduced from Ti = 540 K to Tf = 350 K by two different methods. In the first method 5500 J of heat flows into the gas, while in the second, 1500 J of heat flows into it. In each case find:
(a) the change in the internal energy(a) the change in the internal energy(b) the work done by the gas.
FI-1101: Termodinamika, Hal 9
Hukum II TermodinamikaHukum II Termodinamika
Pernyataan tentang aliran kalor / panas
Kalor mengalir secara spontan dari suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih tinggi ke suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih rendahbenda/zat yang berada pada temperatur yang lebih rendah dan tidak dapat mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.
FI-1101: Termodinamika, Hal 10
MESIN KALORMESIN KALORMESIN KALOR MESIN KALOR
Sebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yangSebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yang menggunakan kalor/panas untuk melakukan usaha/kerja.
Mesin kalor memiliki tiga ciri utama:g
1. Kalor dikirimkan ke mesin pada temperatur yang relatif tinggi dari suatu tempat yang disebut reservoar panas.
2. Sebagian dari kalor input digunakan untuk melakukan kerja oleh working substance dari mesin, yaitu material dalam mesin yang secara ktual melakukan kerja (e.g., campuran bensin-udara dalam mesin mobil).p )
3. Sisa dari kalor input heat dibuang pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur input ke suatu tempat yang disebut reservoar dingin.
FI-1101: Termodinamika, Hal 11
Sk M i K lSkema Mesin Kalor
Gambar ini melukiskan skema mesin kalor.
QH menyatakan besarnya inputQH menyatakan besarnya inputkalor, dan subscript H menyatakan hot reservoir.
Q menyatakan besarnya kalorQC menyatakan besarnya kalor yang dibuang, dan subscript C merepresentasikan cold reservoirreservoir.
W merepresentasikan kerja yang dilakukan.
FI-1101: Termodinamika, Hal 12
Mesin Kalor ….Mesin Kalor ….
Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi, sebuah mesin kalor harus mengasilkan jumlah kerja yang besar darikalor harus mengasilkan jumlah kerja yang besar dari sekecil mungkin kalor input. Karenanya, efisiensi, e, dari suatu mesin kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang dilakukan oleh mesin W dengan kalor j y g ginput QH:
(15. 1)QW
IdilakukanygKerjae ==
( 5 )
Jika kalor input semuanya dikonvesikan menjadi kerja, maka mesin akan mempunyai efisiensi 1 00 karena W =
HQpanasInput
maka mesin akan mempunyai efisiensi 1.00, karena W QH; dikatakan mesin ini memiliki efisiensi 100%. Apakah ini mungkin?, kita kan lihat nanti.
FI-1101: Termodinamika, Hal 13
Mesin Kalor ….Mesin Kalor ….
Sebuah mesin harus mengikuti prinsip konservasi energiSebuah 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
i h d ki b henergi menghendaki bahwa:QH = W + QC (15.2)
Selesaikan persamaan ini untuk W kemudian masukkan hasilnya ke dalam persamaan 15.1 akan menghasilkan pernyataan lain untuk efisiensi e dari sebuah mesin kalor:
(15.3)H
C
H
CH
QQQe −=
−= 1
FI-1101: Termodinamika, Hal 14
Contoh 1: Contoh 1: An Automobile EngineAn Automobile Engine
Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22 0% danSebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22.0% dan menghasilkan kerja sebesar 2510 J. Hitung jumlah kalor yang dibuang oleh mesin itu.
SolusiDari persamaan 15.1 untuk efisiensi e, diperoleh bahwa QH = W/e. Substitusikan hasil ini kedalam persamaanQH W/e. Substitusikan hasil ini kedalam persamaan 15.2, akan diketahui bahwa jumlah kalor yang dibuang adalah
W 1 ⎞⎛ JJWe
WWQQ HC 8900122.012510 =⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ −=−=−=
FI-1101: Termodinamika, Hal 15
P i i C t d M i C tP i i C t d M i C tPrinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin Carnot
Bagaimana membuat mesin kalor beroperasi denganBagaimana membuat mesin kalor beroperasi dengan efisiensi maksimum?
Insinyur Prancis Sadi Carnot (1796 1832) mengusulkanInsinyur Prancis Sadi Carnot (1796–1832) mengusulkan bahwa sebuah mesin kalor akan memiliki efisiensi maksimum jika proses-proses dalam mesin adalah reversibel (dapat balik).
Suatu proses reversibel adalah suatu keadaan dimana kedua sistem dan lingkungannya dapatdimana kedua sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan semula, sama persis seperti sebelum terjadinya proses.
FI-1101: Termodinamika, Hal 16
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot…Prinsip Carnot dan Mesin Carnot…
Prinsip Carnot : Sebuah alternatif penyataan Hukum IIPrinsip Carnot : Sebuah alternatif penyataan Hukum II Termodinamika
Tidak ada mesin non-reversibel yang beroperasi antara dua y g preservoar 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 temperatursemua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama memiliki efisiensi yang sama.
FI-1101: Termodinamika, Hal 17
Prinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin Carnot ……
Tidak ada mesin nyataTidak ada mesin nyata yang beroperasi secara reversibel. Akan tetapi, ide mesin reversibel
Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwasemua kalor input reversibel
memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar
pQH berasal dari suatu hot reservoir pada satu temperatur tunggalmesin nyata. Gambar
ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin Carnot, yang secara
p ggTH dan semua kalor yang dibuang QCpergi menuju suatu cold reservoir pada Ca ot, ya g seca a
khusus berguna sebagai model ideal.
satu temperatur tunggal TC.
FI-1101: Termodinamika, Hal 18
Prinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin CarnotPrinsip Carnot dan Mesin Carnot ……
Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang dibuang QC dengan kalor input QH dapa dinyatakan dengan g C g p H p y gpersamaan berikut:
(15.4)H
C
H
C
TT
=
dengan TC dan TH dalam kelvins (K).
HH TQ
Efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebgai berikut:
(15.5)CC TQe −=−= 11
Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang ki d i t i k l b i t T
HH TQe == 11
FI-1101: Termodinamika, Hal 19
mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TCdan TH
Contoh: A Tropical Ocean as a Heat EngineContoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine
Air dekat permukaan laut tropis mempunyaiAir dekat permukaan laut tropis mempunyai temperatur 298.2 K (25.0 °C), sementara 700 m di bawah permukaan mempunyai temperatur 280 2 K (7 0 °C) Telah diusulkan bahwa air280.2 K (7.0 C). Telah diusulkan bahwa air hangat sebagai hot reservoir dan air dingin sebagai cold reservoir dari suatu mesin kalor. Tentukan efisiensi maksimum dari mesin iniTentukan efisiensi maksimum dari mesin ini.
FI-1101: Termodinamika, Hal 20
Contoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine…Contoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine…
Solusi:Solusi:Efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor, adalah mesin Carnot yang b i T d Tberoperasi antara TC dan TH
Gunakan TH = 298.2 K danTC = 280.2 K ke H Cdalam persamaan 15.5, diperoleh:
2280 ⎞⎛ KTC %)6(06.02,2982,28011 =⎟
⎠
⎞⎜⎝
⎛−=−=
KK
TTe
H
C
FI-1101: Termodinamika, Hal 21