Transcript Penerapan Hukum Pertama

Mesin panas dan Refrigerator
• Sejumlah proses yang membawa sistem kembali ke
keadaan semula di sebut daur atau siklus. Pada tiap
bagian proses itu dapat terjadi aliran panas masuk ke
atau keluar dari sistem
• Bila panas yang masuk ke dalam sistem lebih besar
daripada panas yang dikeluarkan dari sistem dan
kerja dilakukan oleh sistem, maka sistem itu disebut
mesin panas ( heat engine).
• Bila panas yang keluar dari sistem lebih besar dan
kerja yang dilakukan terhadap sistem maka sistem
disebut refrigerator.
• Tujuan mesin panas adalah menghasilkan kerja terusmenerus ke luar, dengan cara melakukan siklus itu
secara berulang-ulang.
• Bila panas yang masuk adalah Q2 dan panas yang
keluar adalah Q1 serta kerja yang dilakukan oleh sistem
adalah W, maka efisiensi termal mesin didefinisikan
sebagai
W

•
5.40
Q2
• Karena proses itu adalah siklik, maka  U = 0 , sehingga
• Dari hukum I termodinamika diperoleh
I W I = IQ2I – IQ1I
• Persamaan 5.40 menjadi

W

Q2  Q1
1 
Q1
5.41
• Transformasi panas menjadi kerja dapat diperoleh dari
dua mesin: yaitu: mesin bakar luar ( seperti mesin stirling
dan mesin uap), dan mesin bakar dalam ( seperti, mesin
diesel).
Q2
Q2
Q2
Mesin Stirling
• Mesin ini diciptakan oleh Robert Stirling pada tahun
1816, sebelum termodinamika sendiri berkembang.
• Mesin udara panas ini dapat mengubah sebagian dari
tenaga yang dilepaskan oleh bahan bakar yang terbakar
menjadi kerja.
• Setelah mesin uap dan mesin bakar dalam
berkembang, mesin stirling tidak lagi banyak dipakai.
• Mesin ini memiliki efisiensi yang tinggi, tetapi biaya
pembuatannya mahal.
• Mesin ini memiliki dua piston, yaitu piston untuk
ekspansi dan piston untuk kompresi.
• Siklus terdiri atas dua isotermal dan dua isometrik.
3
p
I Q 2I
4
2
I Q 1I
T2
T1
1
V
0
Gbr.5.1
• Pada proses 1  2 : proses kompresi isotermal pada
suhu T1, panas Q1 keluar dari sistem dan kerja
dilakukan terhadap sistem.
• Pada proses 2  3 proses isometrik , suhu naik dari T1
ke T2 dan tekanan juga naik dari p1 ke p2, tidak ada kerja
yang dilakukan.
• Pada proses 3  4: proses ekspansi isotermal pada
suhu T2, panas Q2 masuk ke dalam sistem, sementara
kerja dilakukan oleh sistem, akhirnya
• Pada proses 4  1: proses isometrik, suhu turun dari
T2 ke T1 dan tekanan juga turun dari p4 ke p1, tidak ada
kerja yang dilakukan.
• Pada proses 1  2 adalah proses isotermal pada
suhu T1 , sehingga tidak ada perubahan energi dalam,
karena itu Q1 = W1-2, dan apabila zat pelaku kerja itu
adalah gas sempurna, maka
v2
v2
dV
Q1   pdV  nRT1 
 nRT1 (lnV2  ln V1 )
V
v1
v1
• Pada proses dari 3  4 adalah proses isotermal pada
suhu T2 sehingga
v4
v4
dV
Q2   pdV  nRT2 
 nRT2 (lnV4  ln V3 )
V
v3
v3
 nRT2 (lnV1  ln V2 )
• Dari kedua persmaan diperoleh
Q1/Q2 = nRT1 (ln V2- ln V1)/ nRT2(lnV1 – lnV2)
= - T1/T2
5.42
Mesin Carnot
• Carnot, dalam tahun 1824,adalah orang yang pertama
kali memperkenalkan suatu proses siklik sederhana ke
dalam teori termodinamika yang sekarang dikenal
sebagai siklus Carnot.
• Carnot pada awalnya tertarik dalam meningkatkan
efisiensi mesin uap.
• Perhatian Carnot bukan hanya dicurahkan pada
masalah mekanis, tetapi lebih dicurahkan pada usaha
untuk memahami asas-asas fisis mendasar yang
menyangkut masalah efisiensi.
• Usaha Carnot merupakan landasan pengetahuan
tentang termodinamika.
• Siklus Carnot dapat dilaksanakan dengan sistem
apapun (boleh zat padat, cair atau gas, atau juga
selaput permukaan, atau zat paramagnetik).
• Siklus Carnot untuk gas sempurna adalah sebagai
berikut
a
p
b
Q2
d
Q1
0
Gbr. 5.2
T2
c
T1
v
Siklus Carnot terdiri dari empat proses
• Ekpansi isotermal dari a ke b pada suhu T1, Q2 masuk
dan kerja dilakukan oleh sistem.
• Ekspansi adiabatik dari b ke c, suhu turun menjadi T1
dan kerja dilakukan oleh sistem
• Pemampatan isotermal pada suhu T1 dari c ke d.Panas
Q1 keluar dari sistem dan kerja dilakukan terhadap
sistem.
• Pemampatan adiabatik dari d ke a, suhu naik dari T1
menjadi T2, dan kerja dilakukan terhadap siustem
Dari hukum I termodinamika
•
W = (Q2-Q1) – (U2-U1)
• Karena U2 = U1 (karena proses siklik), maka
•
W = Q2-Q1
• Diagram alir siklus Carnot adalah sebagai berikut
T2
Q2
W
T1
• Sesuai definisi efisiensi
•  = I W I/ IQ2I = (IQ2I – IQ1I) / IQ2I
•  = 1 – IQ1I) / IQ2I
5.43
• W = kerja keluaran olehmesin, yang dapat
dimanfaatkan
• Q2 = energi panas yang masuk, yang harus dibayar
• Q1= energi panas keluaran, yang tak berguna
• Andaikan zat yang digunakan adalah gas sempurna,
maka untuk proses isotermal dari a ke b, besar
kerjanya
•
Wa-b = nRT2 ln (Vb/Va)
5.44
• Proses dari b k c adalah adiabatik ,Q = 0
W = - dU = - ncv dT, bila diintegralkan diperoleh
Wb-c = ncv(T2-T1)
5.45
Proses dari c ke d adalah isotermal pada suhu T1 dan
besar kerjanya
W c-d = nRT1 ln(Vd/Vc)
Proses dari d ke a adalah adiabatik
W d-a = ncv (T1 –T2)
•
•
•
•
Q2 = (Ub-Ua) + Wa-b = Wa-b ( isotermal , U tetap)
Q1 = - Wc-d ( negatif karena Wc-d negatif )
Dengan mengingat bahwa
W da = - Wbc
•
•
Vb 
Vd 


nR{T2 ln 
 T1 ln 


V
V
W



a
c
5.45


Vb 
Q2

nRT2 ln 

V

a
T2 ln (Vb / Va)  T1 ln(Vd / Vc)

T2 ln(Vb / Va)
•
•
•
•
•
•
•
Dari kedua proses adiabatik dapat diperoleh
T2Vb-1 = T1Vc-1 dan T2Va-1 = T1Vd-1
Dari kedua persamaan yang terakhir diperoleh
Vd/Vc = Va/Vb atau ln (Vd/Vc) = ln (Va/Vb)
Atau ln (Vd/Vc) = - ln (Vb/Va)
Bila hasil terakhir dimasukkan ke dalampersamaan 5. 45
diperoleh
T2 ln (Vb / Va )  T1 ln(Vd / Vc )5.46

T2 ln(Vb / Va )
T2  T 1
 
T2
T1
1 
T2
Refrigerator
• Untuk refrigerator:
• Q1 = energi panas yang dihasilkan , yaitu energi panas yang
dikeluarkan dari zat yang didinginkan
• W = kerja dari luar, yang harus dibayar
• Q2 = energi panas yang dibuang ke reservoir dengan suhu
yang lebih tinggi
• Pada refrigerator didefinisikan koefisien unjuk kerja (coeficient
of performance) sebagai;
w
Q1
W

Q1
Q2  Q1