Termodinamika: Hukum Termodinamika, Entropi dan Siklus Carnot [Lengkap+Contoh Soal]

Termodinamika merupakan keilmuan yang mempelajari mengenai kalor. Penerapannya pada banyak industri terutama industri pembangkit listrik. Diterapkan pada konsep fluida kerja pada pembangkit listrik.

Definisi

Berdasarkan Britannica, Termodinamika merupakan cabang keilmuan fisika yang menghubungkan antara kalor, kerja, suhu dan energi. Atau secara umum termodinamika mengurusi transfer energi dari satu tempat ke tempat yang lainnya.

Batasan Sistem

  1. Sistem terbuka (control volume) yaitu terjadi perpindahan energi dan massa dengan lingkungan
  2. Sistem tertutup (control mass) yaitu hanya terjadi perpindahan massa dengan lingkungan
  3. Sistem terisolasi yaitu tidak terjadi perpindahan massa maupun energi dengan lingkungan

Hukum 0 Termodinamika

Hukum 0 (zeroth law) termodinamika menyatakan jika dua sistem mengalami kesetimbangan termal dengan sistem ketiga maka kedua sistem tersebut mengalami kesetimbangan termal. Hukum 0 ini tampak tidak penting namun, hukum ini tidak dapat didefinisikan menggunakan tiga hukum termodinamika lainnya. Penamaan 0 karena hukum ini ditemuka sekitar 50 tahun setelah penemuan hukum lainnya namun dirasa lebih mendasar dari hukum 1 termodinamika.

blank
Gambar 1 Hukum 0 Termodinamika

Hukum 1 Termodinamika

Hukum 1 termodinamika menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan dalam proses, energi hanya dapat dirubah bentuknya. Pada sistem tertutup, energi internal dari sistem setara dengan perbedaan antara kalor yang bangkit dengan kerja yang dilakukan sistem ke lingkungan. Pada hukum ini terdapat tiga hal yang utama yaitu energi internal, konservasi energi dan kerja.

\Delta U = Q - W

Dimana \Delta U merupakan energi internal, Q  merupakan kalor yang disuplai ke sistem dan W merupakan kerja yang dilakukan sistem ke lingkungan. Untuk menghitung nilai kerja sebagai berikut:

W = \int_{V_i}^{V_f} P dV

Contoh dari hukum 1 yaitu pada proses pemanasan kentang menggunakan microwave. Karena kentang tidak melakukan kerja maka energi dari microwave akan menjadi energi dalam kentang sehingga kentang bisa matang dan bagian dalamnya menjadi panas.

Hukum 2 Termodinamika

Hukum 2 termodinamika menyatakan bahwa pada seluruh pertukaran energi, jika tidak ada energi yang masuk atau keluar sistem maka energi potensialnya akan selalu kurang dari keadaan awal. Secara sederhana hukum ini menyatakan bahwa proses transfer energi hanya terjadi pada satu arah. Contohnya yaitu kopi panas dalam gelas yang berada di ruangan. Semakin lama maka kopi tersebut semakin dingin. Hal sebaliknya yaitu kopi dingin yang semakin panas tidak akan terjadi jika tidak diberi kalor dari lingkungan.

Hukum ini memberikan suatu konsep baru yaitu entropi yang akan dijelaskan pada bagian berikutnya. Selain itu, dengan transfer energi terjadi satu arah maka dapat dihasilkan fluida kerja. Fluida ini digunakan pada umumnya untuk pembangkitan listrik. Kalor ditransfer melalui fluida kerja yang kemudian akan digunakan untuk menghasilkan uap untuk menggerakkan turbin. Terdapat pernyataan Clausius yaitu tidak ada alat yang dapat melakukan transfer energi dari keadaan dingin ke hangat tanpa menghasilkan efek pada lingkungan. Terdapat pula pernyataan Kelvin-Planck yaitu tidak ada mesin kalor yang dapat menghasilkan kerja sementara hanya melakukan pertukaran kalor dengan hanya satu reservoir.

blank

Hukum 3 Termodinamika

Hukum 3 termodinamika menyatakan bahwa entropi dari suatu kristal padatan saat suhu nol mutlak adalah nol. Hukum termodinamika ini membantu untuk menghitung entropi untuk dijadikan referensi yang disebut absolute entropy.

Proses Termodinamika

Proses Isotermik

Proses ini terjadi saat suhu sistem tidak mengalami perubahan. Karena tidak mengalami perubahan, maka tidak terjadi perubahan energi dalam (\Delta U = 0). Berdasarkan hukum termodinamika 1 didapat bahwa (Q = W). Dengan menggunakan persamaan kerja, didapat bahwa:

Q = W = P_{1} V_{1} \ln \frac{V_2}{V_1} = nRT \ln \frac{V_2}{V_1}

Proses Isobarik

Proses ini terjadi saat tekanan sistem konstan sehingga kerja yang dihasilkan (W = p \Delta V).

Q = \Delta U + p \Delta V = \Delta U + \Delta (pV) = \Delta (U+pV)

Proses Isokhorik

Proses ini terjadi saat volume konstan ( \Delta V = 0). Dengan menggunakan persamaan kalor dari proses isobarik dan mendefinisikan kapasitas kalor spesifik maka:

Q = m c_v \Delta T

Proses Adiabatik

Proses ini terjadi saat tidak terjadi perpindahan massa dan perpindahan kalor (\Delta Q = 0) antara sistem dengan lingkungan.

blank
Gambar 2 Diagram P-V proses termodinamika

Entropi

Entropi merupakan suatu unit untuk mengukur keacakan atau ketidakberaturan dari suatu sistem. Unit ini dikenalkan oleh Clausius, perubahan entropi pada suatu reversibel sistem dinyatakan sebagai perubahan kalor tiap waktu.

dS = \frac{\delta Q}{T}

Siklus Carnot

Siklus ini terdiri dari empat bagian yaitu:

  1. Ekspansi isotermik reversibel
  2. Ekspansi adiabatik reversibel
  3. Kompresi isotermik reversibel
  4. Kompresi adiabatik reversibel
blank
Gambar 3 Diagram P-V siklus Carnot

Jika dilakukan analisis termodinamika pada sistem reversibel, efisiensi dari sistemnya yaitu

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

Dimana \eta merupakan efisiensi siklus carnot, T_L merupakan suhu akhir dan T_H merupakan suhu awal.

Contoh Soal

Suatu siklus Carnot beroperasi pada batas suhu 300 K dan 2000 K dengan daya yang dihasilkan sistem sebesar 400 kW. Tentukan perubahan entropi dari fluida kerja selama proses pemanasan.

Jawab:

Perlu diketahui bahwa efisiensi merupakan rasio dari daya yang dihasilkan dengan kalor yang diserap. Dengan menambahkan pada efisensi carnot maka:

\eta = \frac{\dot{W}}{\dot{Q_{net}}} = 1- \frac{T_L}{T_H}

\dot{Q_{net}} = \frac{\dot{W} T_H}{T_H -T_L}

\Delta S = \frac{\delta Q}{T_H} = \frac{\dot{W}}{T_H -T_L}

\Delta S = \frac{400 kW}{2000K -300K} = 0,235 kW/K

Video tambahan:

Referensi

Çengel, Y., Boles, M. and Kanoglu, M., 2019. Thermodynamics. 9th ed. New York: Mc-Graw Hill.

Setelah selesai membaca, yuk berikan artikel ini penilaian!

Klik berdasarkan jumlah bintang untuk menilai!

Rata-rata nilai 0 / 5. Banyaknya vote: 0

Belum ada yang menilai! Yuk jadi yang pertama kali menilai!

Baca juga:
Muhammad Guntur
Artikel Berhubungan:

Tinggalkan Balasan

Alamat email Anda tidak akan dipublikasikan. Ruas yang wajib ditandai *