Rabu, 04 Mei 2011

Hukum Kedua Termodinamika: Pernyataan khusus - Pembahasan Lanjutan

Rabu, Mei 04, 2011 | Posted By Unknown | | Edit Entri
https://blogger.googleusercontent.com/img/b/R29vZ2xl/AVvXsEg4o2T3HYR9cg5bdNA509r_OzYznxzQthYPLqQ0cCY-TWLy_-GnSNPfRGNus_Cs1TFRBUkiWUs9rdLDXCV1LPiYRiq14U7s3iOmoTXNhL-Oz_Swwob8iV9eqn9gTM4nDbyPgGppW8uWVw9_/s1600/diesel-two-stroke.gifMesin Pembakaran Dalam
Mesin sepeda motor dan mesin mobil merupakan contoh mesin pembakaran dalam. Disebut mesin pembakaran dalam karena proses pembakaran terjadi di dalam silinder tertutup. Adanya mesin pembakaran dalam merupakan hasil rekayasa konsep penekanan dan pemuaian adiabatik yang sudah saya jelaskan pada pokok bahasan hukum pertama termodinamika.
http://gerobakrokok.blog.com/files/2009/05/180px-dieselmotor_vs.jpgPada kesempitan ini kita hanya meninjau mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin dan solar sebagai bahan bakar. Bensin dan solar termasuk minyak bumi, karenanya memiliki energi potensial kimia. Energi potensial kimia dalam bensin dan solar terlebih dahulu diubah menjadi kalor alias panas melalui proses pembakaran. Selanjutnya, kalor alias panas yang diperoleh melalui hasil pembakaran diubah menjadi energi mekanik. Adanya energi mekanik ini yang menyebabkan sepeda motor atau mobil bisa bergerak… Siklus pada mesin bensin disebut sebagai siklus otto, sedangkan siklus pada mesin solar disebut sebagai siklus diesel… Siklus = proses yang terjadi secara reversibel (bolak balik). Terlebih dahulu kita bahas siklus otto…
 
Siklus otto
Tataplah gambar aneh di bawah dengan penuh kelembutan…
hukum-kedua-termodinamik-4Ini adalah gambar mesin pembakaran dalam empat langkah alias empat tak… Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika piston bergerak ke atas (langkah kompresi alias penekanan). Karena ditekan secara adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan). Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah diulangi…
Perlu diketahui bahwa tujuan dari adanya langkah kompresi alias penekanan adiabatik adalah menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga…  Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika si busi memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi kurang bertenaga…
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak), sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas… Panas timbul akibat adanya gesekan…
Proses pemuaian dan penekanan secara adiabatik pada siklus otto bisa digambarkan melalui diagram di bawah… (Diagram ini menunjukkan model ideal dari proses termodinamika yang terjadi pada mesin pembakaran dalam yang menggunakan bensin).
hukum-kedua-termodinamik-5
Campuran udara dan uap bensin masuk ke dalam silinder (a). Selanjutnya campuran udara dan uap bensin ditekan secara adiabatik (a-b). Perhatikan bahwa volume silinder berkurang… Campuran udara dan uap bensin dipanaskan pada volume konstan – campuran dibakar (b-c). Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d). Pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan campuran udara + uap bensin yang baru, masuk ke silinder (d-a).

Siklus Diesel
Prinsip kerja mesin diesel mirip seperti mesin bensin. Perbedaannya terletak pada langkah awal kompresi alias penekanan adiabatik (penekanan adiabatik = penekanan yang dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor alias panas tidak sempat mengalir menuju atau keluar dari sistem. Sistem untuk kasus ini adalah silinder). Kalau dalam mesin bensin, yang ditekan adalah campuran udara dan uap bensin, maka dalam mesin diesel yang ditekan hanya udara saja… Penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat. Selanjutnya injector alias penyuntik menyemprotkan solar. Karena suhu dan tekanan udara sudah sangat tinggi maka ketika solar disemprotkan ke dalam silinder, si solar langsung terbakar… Tidak perlu pake busi lagi. Perhatikan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram di bawah… bandingkan dengan besarnya tekanan yang ditunjukkan pada diagram siklus otto… simpulkan sendiri ya ;)
hukum-kedua-termodinamik-6
Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal alias sempurna… Mula-mula udara ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan – penyuntik alias injector menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c), gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru, masuk ke silinder (d-a). Selengkapnya bisa dipelajari di dunia perteknik-otomotifan ;)Saya hanya memberimu pengetahuan dasar saja.
Dari penjelasan yang bertele-tele di atas, kita bisa menyimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin uap adalah air, zat kerja untuk mesin bensin  adalah udara dan uap bensin, zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (QL).  Karena si energi kekal, maka QH = W + QL.

Efisiensi mesin kalor
Efisiensi (e) mesin kalor merupakan perbandingan antara Usaha alias Keja (W) yang dilakukan mesin dengan masukan Kalor pada suhu tinggi (QH). Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
hukum-kedua-termodinamik-7
W merupakan keuntungan yang kita terima, sedangkan QH merupakan biaya yang kita keluarkan untuk membeli dan membakar bahan bakar. Sebagai manusia yang selalu ingin memperoleh keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya ;) , kita sangat berharap bahwa keuntungan yang kita peroleh (W) sebanding dengan biaya yang kita keluarkan (QH). Mungkinkah itu terjadi ? Nantikan hasil pengoprekannya…
Berdasarkan kekekalan energi, Kalor masukan (QH) harus sama dengan Kerja (W) yang dilakukan + Kalor yang dibuang (QL). Secara matematis bisa diobok-obok seperti ini :
hukum-kedua-termodinamik-8
Kita gantikan W pada persamaan 1 dengan W pada persamaan 2 :
hukum-kedua-termodinamik-9
Jika ingin menyatakan efisiensi mesin kalor dalam persentase, kalikan saja persamaan efisiensi dengan 100 %.
Berdasarkan persamaan efisiensi di atas, tampak bahwa semakin banyak kalor yang dibuang (QL) oleh suatu mesin kalor, semakin tidak efisien mesin kalor tersebut (merugikan kita). Kita sangat menginginkan agar  jumlah kalor yang dibuang (QL) sesedikit mungkin. Bagaimanapun kalor masukan (QH) biasanya diperoleh dengan membakar minyak, batu bara, gas dkk (bahan bakar yang kita bayar).  Karenanya setiap mesin kalor pada dasarnya dirancang untuk memiliki efisiensi sebesar mungkin. Btw, walaupun kita sangat menginginkan keuntungan yang sebesar-besarnya dari pengeluaran yang sekecil-kecilnya (prinsip ekonomi-kah ?), kenyataan menunjukkan bahwa efisiensi mesin uap biasanya sekitar 40 %, sedangkan efisiensi mesin pembakaran dalam sekitar 50 %. Hal ini menunjukkan bahwa setengah bagian kalor yang diperoleh dengan membakar bahan bakar (membakar duit kita ;) ) terbuang percuma. Hanya setengah bagian saja yang berubah menjadi energi mekanik (digunakan untuk melakukan usaha alias kerja). Biar dirimu makin paham dengan penjelasan Aing, perhatikan contoh soal di bawah…

Contoh soal 1 :
Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 2500 Joule (QL). Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Panduan jawaban :
hukum-kedua-termodinamik-10
Wah, efisiensinya kecil sekali… Mesin kalor kaya gini sebaiknya dibuang ke laut saja :)

Contoh soal 2 :
Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 2000 Joule (QL). Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Panduan jawaban :
hukum-kedua-termodinamik-11
Lumayan, tapi masih merugikan…

Contoh soal 3 :
Sebuah mesin kalor menyerap kalor sebanyak 3000 Joule (QH), melakukan usaha alias kerja (W) dan membuang kalor sebanyak 1500 Joule (QL). Berapakah efisiensi mesin kalor tersebut ?
Panduan jawaban :
hukum-kedua-termodinamik-12
Wah, cukup lumayan…

Siklus Carnot

Untuk mengetahui bagaimana menaikkan efisiensi mesin kalor, seorang ilmuwan muda belia dari negeri Perancis yang bernama om Sadi Carnot (1796-1832 = 36 tahun saja. Mati muda) meneliti suatu mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Pada waktu itu hukum pertama termodinamika belum dirumuskan (apalagi hukum kedua). Hukum pertama belum dirumuskan karena para ilmuwan belum mengetahui secara pasti kalor alias panas tuh sebenarnya apa. Setelah om Jimi Joule dan teman-temannya melakukan percobaan pada tahun 1830-an, para ilmuwan baru mengetahui secara pasti bahwa kalor merupakan energi yang berpindah akibat adanya perbedaan suhu. Jadi hukum pertama baru dirumuskan setelah tahun 1830. Om Sadi Carnot sudah meneliti mesin kalor ideal secara teoritis pada tahun 1824. Penelitian yang beliau lakukan sebenarnya untuk menaikkan efisiensi mesin uap yang pada waktu itu sudah digunakan. Kebanyakan mesin uap waktu itu kurang efisien… (Ingat lagi penjelasan urang sebelumnya).
Siklus pada mesin kalor ideal hasil oprekan om Sadi Carnot disebut sebagai siklus Carnot. Sebelum meninjau siklus Carnot, alangkah baiknya kita pahami kembali proses ireversibel. Setiap proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi yang berlangsung secara alami, biasanya terjadi secara ireversibel (tidak bisa balik). Misalnya kalau kita menggosokkan kedua telapak tangan, kedua telapak tangan kita biasanya kepanasan. Dalam hal ini, kalor alias panas dihasilkan melalui kerja yang kita lakukan. Prosesnya bersifat ireversibel. Kalor alias panas yang dihasilkan tersebut tidak bisa dengan sendirinya melakukan kerja dengan menggosok-gosok kedua telapak tangan kita ;) . Nah, tujuan dari mesin kalor adalah membalikkan sebagian proses ini, di mana kalor alias panas bisa dimanfaatkan untuk melakukan kerja dengan efisiensi sebesar mungkin. Agar mesin kalor bisa memiliki efisiensi yang maksimum maka kita harus menghindari semua proses ireversibel… Perpindahan kalor yang terjadi secara alami biasanya bersifat ireversibel, karenanya kita berupaya agar si kalor tidak boleh jalan-jalan. Pada saat mesin mengambil kalor QH pada tempat yang bersuhu tinggi (TH), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TH. Demikian juga apabila mesin membuang kalor QL pada tempat yang bersuhu rendah (TL), zat kerja dalam mesin juga harus berada pada suhu TL.  Jadi setiap proses yang melibatkan perpindahan kalor harus bersifat isotermal (suhu sama). Sebaliknya, apabila suhu zat kerja dalam mesin berada di antara TH dan TL, tidak boleh terjadi perpindahan kalor antara mesin dengan tempat yang memiliki suhu TH (penyedia kalor) dan tempat yang memiliki suhu TL (pembuangan). Agar si kalor tidak jalan-jalan maka proses harus dilakukan secara adiabatik…
Siklus Carnot sebenarnya terdiri dari dua proses isotermal reversibel dan dua proses adiabatik reversibel. Biar paham, tataplah gambar kusam di bawah dengan penuh kelembutan…
hukum-kedua-termodinamik-13

Gambar di atas merupakan siklus Carnot untuk gas ideal. Mula-mula kalor diserap selama  pemuaian isotermal (a-b). Selama pemuaian isotermal, suhu gas dalam silinder dijaga agar selalu konstan. Selanjutnya gas memuai secara adiabatik sehingga suhunya turun dari TH menjadi TL (b-c). TH = suhu tinggi (High temperatur), TL = suhu rendah (Low temperatur). Selama pemuaian adiabatik, tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari silinder. Setelah itu gas ditekan secara isotermal (c-d). Selama penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Seluruh proses pada siklus Carnot bersifat reversibel…
Selama pemuaian isotermal dan penekanan isotermal, suhu gas dijaga agar selalu konstan. Tujuannya adalah menghindari adanya perbedaan suhu. Adanya perbedaan suhu bisa menyebabkan terjadi perpindahan kalor (proses ireversibel). Agar proses isotermal bisa terjadi (suhu gas selalu konstan) maka gas harus dimuaikan atau ditekan secara perlahan-lahan. Dalam kenyataannya, pemuaian atau penekanan gas terjadi lebih cepat. Hal ini diakibatkan oleh adanya turbulensi (ingat materi fluida dinamis), gesekan, viskositas alias kekentalan dkk. Akibatnya, proses isotermal yang sempurna tidak akan pernah ada. Sebaliknya, pemuaian dan penekanan adiabatik dilakukan dengan cepat. Tujuannya adalah menjaga agar kalor tidak mengalir menuju silinder atau kabur dari silinder. Adaya gesekan, viskositas alias kekentalan dkk menyebabkan pemuaian dan penekanan adiabatik sempurna tidak akan pernah ada. Perlu diketahui bahwa mesin Carnot hanya bersifat teoritis saja. Mesin carnot tidak ada dalam kehidupan kita. Walaupun hanya bersifat teoritis saja tetapi adanya mesin Carnot sangat membantu pengembangan ilmu termodinamika. Minimal kita bisa mengetahui setiap proses ireversibel yang mungkin terjadi selama proses dan berupaya untuk meminimalkannya sehingga efisiensi mesin kalor rancangan kita bisa bernilai maksimum.
Hasil yang sangat penting dari mesin Carnot adalah bahwa untuk mesin kalor yang sempurna (semua proses reversibel), Kalor yang diserap (QH) sebanding dengan suhu TH dan Kalor yang dibuang (QL) sebanding dengan suhu TL. Dengan demikian, efisiensi mesin kalor sempurna adalah :
hukum-kedua-termodinamik-14

Contoh soal 1 :
Sebuah mesin uap bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC. Tentukan efisiensi ideal (efisiensi Carnot) dari mesin uap tersebut.
Panduan jawaban :
Suhu harus diubah ke dalam skala kelvin
TH (suhu tinggi) = 500 oC = 500 + 273 = 773 K
TL (suhu rendah) = 300 oC = 300 + 273 = 573 K
hukum-kedua-termodinamik-a
Efisiensi ideal atau efisiensi mesin kalor sempurna yang bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC adalah 26 %. Apabila mesin yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari bekerja antara suhu 500 oC dan 300 oC, efisiensi maksimum yang bisa dicapai mesin tersebut biasanya sekitar 0,7 kali efisiensi ideal (18,2 %). Hal ini dipengaruhi oleh adanya gesekan dan proses ireversibel lainnya…

Contoh soal 2 :
Sebuah mesin kalor menerima kalor (Q) sebanyak 600 Joule pada suhu 300 oC, melakukan kerja (W) 100 Joule dan membuang 500 J pada suhu 100 oC. Tentukan efisiensi sebenarnya dan efisiensi ideal (efisiensi Carnot) mesin ini…
Panduan jawaban :
Suhu harus diubah ke dalam skala Kelvin
TH (suhu tinggi) = 300 oC — 300 + 273 = 573 K
TL (suhu rendah) = 100 oC — 100 + 273 = 373 K
QH = 600 J
QL = 500 J

Efisiensi mesin :
hukum-kedua-termodinamik-b
Efisiensi ideal mesin ini :
hukum-kedua-termodinamik-c
Efisiensi ideal atau efisiensi mesin kalor sempurna yang bekerja antara suhu 300 oC dan 100 oC adalah 35 %. Efisiensi maksimum yang bisa dicapai mesin tersebut biasanya sekitar 0,7 kali efisiensi ideal  = 0,7 x 35 % = 24,5 % (24,5 % x 600 J = 147 J kalor yang bisa digunakan untuk melakukan kerja).
Efisiensi sebenarnya dari mesin ini adalah 17 % (hanya 100 J kalor yang digunakan untuk melakukan kerja). Masih sekitar 147 J – 100 J = 47 J kalor yang bisa dipakai untuk melakukan kerja… Alangkah baiknya jika efisiensi mesin ini dtingkatkan, sehingga kerugian yang kita terima diminimalkan. Prinsip ekonomi juga perlu diterapkan dalam ilmu fisika ;)

Contoh soal 3 :
Sebuah mesin menerima 1000 Joule kalor dan menghasilkan 400 Joule kerja pada setiap siklus. Mesin ini bekerja di antara suhu 500 oC dan 200 oC. Berapakah efisiensi sebenarnya dan efisiensi ideal mesin ini ?
Panduan jawaban :
TH (suhu tinggi) = 500 oC — 500 + 273 = 773 K
TL (suhu rendah) = 200 oC — 200 + 273 = 473 K
QH = 1000 J
QL = 400 J

Efisiensi mesin :
hukum-kedua-termodinamik-d
Efisiensi ideal mesin ini :
hukum-kedua-termodinamik-e
Efisiensi ideal alias efisiensi carnot = 40 %. Efisiensi mesin sebenarnya = 60 %… Mesin seperti ini tidak ada. Efisiensi mesin tidak mungkin melebihi efisiensi ideal alias efisiensi om Carnot…

Contoh soal 4 :
Agar efisiensi ideal alias efisiensi mesin Carnot mencapai 100 % (1), berapakah suhu pembuangan (TL) yang diperlukan ?
Panduan jawaban :
hukum-kedua-termodinamik-f
Agar efisiensi ideal alias efisiensi mesin kalor sempurna bisa mencapai 100 % (semua kalor masukkan bisa digunakan untuk melakukan kerja) maka suhu pembuangan (TL) harus = 0 K.
Dalam pokok bahasan Suhu dan Kalor + Teori Kinetik Gas, kita sudah menjelaskan kepadamu bahwa mencapai suhu 0 K adalah sesuatu yang mustahil alias tidak mungkin terjadi (hasil ini dikenal dengan julukan Hukum Ketiga Termodinamika. Selengkapnya akan dibahas dalam episode berikutnya). Karena 0 K tidak mungkin dicapai, maka suatu mesin kalor sempurna tidak mungkin memiliki efisiensi 100 %. Mesin kalor sempurna saja tidak bisa memiliki efisiensi 100 %, apalagi mesin kalor yang kita gunakan dalam kehidupan sehari-hari…
Karena efisiensi 100 % tidak bisa dicapai oleh mesin kalor maka kita bisa menyimpulkan bahwa tidak mungkin semua kalor masukan (QH) digunakan untuk melakukan kerja. Pasti ada kalor yang terbuang (QL). Hasil ini bisa ditulis dengan bahasa yang lebih gaul :
Tidak mungkin ada mesin kalor (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat mengubah semua kalor alias panas menjadi kerja seluruhnya (Hukum kedua termodinamika – pernyataan Kelvin-Planck).
Jangan pake hafal…  Pahami saja…
Tulisan gaul yang dicetak miring di atas merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Disebut sebagai pernyataan khusus karena hanya berlaku untuk mesin kalor saja. Karena om Kelvin dan om Planck yang merumuskannya maka disebut juga sebagai pernyataan Kelvin-Planck. Perhatikan bahwa terdapat kata siklus pada pernyataan di atas. Siklus adalah proses yang terjadi secara berulang. Jadi si mesin kalor bekerja secara terus menerus. Ditambahkan kata siklus karena dalam kenyataannya, semua kalor bisa diubah menjadi kerja seluruhnya apabila prosesnya terjadi satu kali saja. Pahami penjelasan berikut ini…
Pada pokok bahasan hukum pertama termodinamika, urang sudah menjelaskan kepadamu mengenai beberapa proses termodinamika, antara lain proses isotermal, isobarik, isokorik dan adiabatik. Nah, dalam proses isotermal, kita bisa mengubah semua kalor menjadi usaha alias kerja (Q = W). Hal ini bisa terjadi jika prosesnya hanya terjadi dalam satu tahap saja… Amati gambar di bawah :
hukum-kedua-termodinamik-g
Grafik ini menunjukkan proses isotermal (pemuaian isotermal) yang terjadi dalam satu tahap saja… Dalam proses ini, semua kalor (Q) bisa diubah menjadi kerja (W). Besarnya kerja yang dilakukan = luasan yang diarsir…
Agar bisa dimanfaatkan, mesin kalor harus bekerja secara terus menerus (prosesnya harus terjadi secara berulang, tidak bisa terjadi hanya dalam satu tahap saja). Misalnya mesin uap tipe bolak balik. Piston pada mesin uap tipe bolak balik harus bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus agar roda bisa berputar (bisa digunakan untuk menggerakkan sesuatu). Roda tidak bisa berputar kalau piston hanya bergerak ke kanan saja, setelah itu diam (proses hanya terjadi dalam satu tahap saja). Apabila proses terjadi secara berulang (piston bergerak ke kanan dan ke kiri secara terus menerus), tidak mungkin semua kalor bisa diubah menjadi kerja (pernyataan Kelvin-Planck). Misalnya kita tinjau proses isotermal yang ditunjukkan oleh grafik di atas.
hukum-kedua-termodinamik-h
Grafik di sebelah kiri menunjukkan pemuaian isotermal (panah ke bawah) dan penekanan isotermal (panah ke atas). Proses terjadi secara terus menerus secara isotermal (Tidak ada kerja yang dihasilkan). Grafik di sebelah kanan merupakan proses pemuaian isotermal (panah ke bawah), proses penekanan isobarik (panah ke kiri) dan proses isokorik (panah ke atas)… Dari kedua grafik ini, tampak bahwa untuk proses yang terjadi secara terus menerus (siklus), selalu ada kalor yang terbuang… Hal ini sesuai dengan penyataan om Kelvin-Planck sebelumnya…


MESIN PENDINGIN (Refrigerator)
Mesin pendingin pada dasarnya merupakan mesin kalor yang bekerja terbalik. Jadi si mesin kalor mengambil kalor alias panas dari tempat yang bersuhu rendah dan membuang kalor tersebut ke tempat yang bersuhu tinggi… Agar proses ini bisa terjadi maka mesin harus melakukan kerja. Bagaimanapun kalor secara alami hanya mau mengalir dari tempat bersuhu tinggi menuju tempat bersuhu rendah. Kalor tidak mungkin mengalir dengan sendirinya dari tempat bersuhu rendah menuju tempat bersuhu tinggi. Hal ini sesuai dengan penyataan om Clausius yang telah diulas sebelumnya… Untuk proses yang terjadi pada mesin pendingin, pernyataan om Clausius sebelumnya bisa ditulis dalam bahasa yang lebih gaul seperti ini :
Tidak mungkin ada mesin pendingin (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat memindahkan kalor alias panas dari tempat bersuhu rendah menuju tempat bersuhu tinggi, tanpa disertai dengan usaha alias kerja (Hukum kedua termodinamika – pernyataan om Clausius).
Tulisan yang dicetak miring ini merupakan salah satu pernyataan khusus hukum kedua termodinamika. Pernyataan ini hanya berlaku untuk mesin pendingin…
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin pendingin tampak seperti diagram di bawah…
hukum-kedua-termodinamik-i1
Amati diagram di atas… Mesin melakukan kerja (W) untuk mengambil kalor alias panas dari tempat bersuhu rendah (QL) dan membuang kalor tersebut ke tempat bersuhu tinggi (QH). Berdasarkan kekekalan energi, bisa disimpulkan bahwa QL + W = QH.
Kalau dalam mesin kalor digunakan istilah efisiensi, maka dalam mesin pendingin digunakan istilah koefisien kinerja (KK). Koefisien kinerja (KK) mesin pendingin merupakan perbandingan antara Kalor yang dipindahkan dari tempat bersuhu rendah (QL) dengan kerja (W) yang dilakukan untuk memindahkan kalor tersebut. Secara matematis bisa ditulis seperti ini :
termo-1-1

Jika ingin menyatakan koefisien kinerja mesin pendingin dalam persentase, kalikan saja persamaan ini  dengan 100 %.
Koefisien Kinerja mesin pendingin ideal (Koofisien kinerja pendingin Carnot) :
termodinamika-khusus-2

Terdapat beberapa mesin pendingin yang biasa kita gunakan, antara lain kulkas, AC (pendingin ruangan) dan pompa kalor. Alangkah baiknya jika diobok-obok satu persatu…

Kulkas
Tataplah gambar di bawah dengan penuh kelembutan. Kondensor = pengubah uap menjadi cair, kompresor = penekan. Gulungan pendingin biasanya berada di dalam kulkas, sedangkan gulungan kondensor berada di luar kulkas (di belakang kulkas).
hukum-kedua-termodinamik-l
Di dalam gulungan terdapat fluida yang berada dalam keseimbangan fase (berada dalam wujud cair dan uap). Fluida tersebut dikenal dengan julukan refrigeran. Refrigeran yang biasa digunakan pada masa lalu adalah freon. Saat ini freon tidak digunakan lagi karena pelepasan zat ini dapat merusak lapisan ozon.
Motor kompresor (digerakkan oleh listrik) menyedot refrigeran (dalam wujud uap)  dan menekannya secara adiabatik. Karena ditekan secara adiabatik maka suhu uap meningkat. Karena suhu meningkat maka tekanan uap juga meningkat… Adanya perbedaan suhu antara kompresor (suhu tinggi) dan kondensor (suhu rendah) menyebabkan uap yang bersuhu tinggi dan bertekanan tinggi berbondong-bondong mengalir melewati gulungan kondensor yang berada di belakang kulkas … Suhu refrigeran lebih tinggi daripada suhu udara sekitar,  karenanya ketika mengalir melalui gulungan kondensor, uap  melepaskan kalor alias panas ke udara sekitar. Karena dikondensasi oleh kondensor maka uap mendingin dan berubah menjadi cair… Ketika mengalir melalui katup pemuai, si refrigeran yang sudah berubah menjadi cair dimuaikan secara adiabatik. Adanya pemuaian adiabatik menyebabkan cairan menjadi semakin dingin (suhunya menurun). Cairan yang lagi kedinginan tersebut jalan-jalan di dalam gulungan yang berada di dalam kulkas. Karena cairan dalam gulungan lebih dingin daripada udara dalam kulkas maka kalor pun berbondong-bondong meluncur menuju cairan. Karena dikunjungi oleh kalor maka si refrigeran berubah wujud menjadi uap (cairan menyerap kalor alias panas dalam kulkas). Refrigeran yang sudah berubah status menjadi uap disedot oleh motor kompresor dan ditekan secara adiabatik. Dan seterusnya… (prosesnya diulangi lagi). Karena kalor alias panas yang ada di dalam kulkas melakukan pengungsian masal menuju cairan yang ada dalam gulungan maka kulkas menjadi dingin.

AC (pendingin ruangan)
Walaupun rancangan alatnya berbeda, pada dasarnya prinsip kerja pendingin ruangan mirip seperti kulkas. Untuk kasus ini, isi “kulkas”-nya adalah sebuah ruangan. Biasanya gulungan pendingin berada di dalam ruangan sedangkan gulungan kondensor berada di luar ruangan… Pada bagian belakang gulungan kondensor biasanya terdapat kipas. Tugas kipas hanya mengatur sirkulasi udara dan meniup gulungan kondensor sehingga perpindahan kalor dari gulungan kondensor dan udara sekitar bisa terjadi lebih cepat… Sebaliknya, di bagian belakang gulungan pendingin terdapat blower alias peniup. Tugasnya mirip seperti kipas.. Kalau si kipas niup gulungan kondensor yang ada di luar ruangan sehingga kalor alias panas cepat kabur menuju udara sekitar, maka si blower niup gulungan pendingin yang ada dalam ruangan sehingga udara dingin bisa menyebar dalam ruangan…
Label:

0 komentar:

Posting Komentar

Langganan: Posting Komentar (Atom)

Translate

Blog Archive

Entri Populer

Total Pengunjung

Pengikut

Blogger Template created with Artisteer.