MODUL TERMODINAMIKA 2

Kegiatan Belajar 2

HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA     

                                                                                                                                                                                                                    

Kelebihan utama dari suatu masyarakat industri adalah kesanggupannya mempergunakan sumber energi selain otot manusia dan binatang, baik untuk tujuan yang bermanfaat atau tidak. Kecuali energi air yang langsung dapat diambil tenaga mekaniknya, pada umumnya sumber-sumber energi itu berwujud bahan bakar seperti batubara atau minyak yang tersimpan sebagai energi kimia. Melalui proses pembakaran energi kimia ini dapat berubah menjadi energi kalor atau  panas, yang dapat digunakan untuk memasak atau untuk memanaskan ruangan di rumah-rumah. Namun untuk menjalankan mesin atau untuk menggerakkan kendaraan atau peluru, energi kalor harus diubah terlebih dahulu menjadi tenaga mekanik. Berbeda halnya dengan perubahan energi mekanik menjadi energi kalor yang dengan mudah dapat dilakukan, maka untuk mengubah energi kalor menjadi energi mekanik membutuhkan suatu alat atau mesin yang dinamakan mesin kalor, seperti mesin uap, motor bakar, motor diesel dan mesin Carnot. Timbul pertanyaan, proses apa yang terjadi pada sebuah mesin kalor agar mesin ini dapat mengubah sebanyak mungkin energi kalor yang tersimpan dalam suatu system dapat diubahnya menjadi energi mekanik ?

Pertanyaan di atas bisa dijawab dengan menggunakan hukum pertama termodinamika, yakni

.

Agar semua energi kalor Q dapat berubah menjadi energi mekanik W, maka (U₂ –U₁) atau perubahan energi internal U, haruslah nol. Hal ini bisa diperoleh bila proses yang terjadi merupakan proses siklus. Namun untuk membuat mesin yang dapat mengubah semua energi kalor menjadi energi mekanik seluruhnya, adalah mustahil. Kemustahilan ini merupakan hukum alam yang dikenal dengan hukum kedua termodinamika. Hal ini sesuai dengan pernyataan yang dikemukakan oleh Kelvin-Planck, dan Clausius.

Menurut Kelvin-Planck, tidak mungkin membuat mesin kalor yang bekerja  dalam suatu siklus  di mana kalor yang diterima  dari suatu reservoir  diubah seluruhnya  menjadi usaha luar .  Harus  ada suatu reservoir lagi  yang suhunya  lebih rendah dari yang pertama tadi,  sehingga  kelebihan kalor  yang dibuang sia-sia dialirkan ke situ.

Selanjutnya Clausius menyatakan bahwa tidak mungkin membuat mesin yang bekerja  dalam suatu siklus  di mana kalor yang mengalir  dari suatu reservoir  bersuhu rendah   ke  reservoir bersuhu tinggi  tanpa memerlukan usaha luar. 

A.  Mesin Kalor

Seperti telah disinggung sebelumnya, mesin kalor digunakan untuk merubah energi kalor yang tersimpan dalam suatu system menjadi energi mekanik. Agar lebih mudah dipahai, perubahan energi pada sebuah mesin kalor, dilukiskan dengan diagram alir, seperti terlihat pada Gambar 11, sedangkan mesinnya digambarkanseperti  lingkaran. Energi kalor Q₂ yang diberikan ke mesin, sebanding dengan luas penampang lintang pipa saluran yang masuk seperti terlihat pada tandon (reservoir) suhu tinggi, sedangkan luas penampang lintang untuk pipa saluran yang keluar di bagian bawah diagram, sebanding dengan energi kalor Q₁ yang dibuang sebagai sisa pembakaran. Saluran ke kanan melukiskan energi kalor ang diberikan ke mesin, yang oleh mesin diubah menjadi energi mekanik W. Zat yang bekerja secara berkala dalam mesin yang disebut zat kerja, akan kembali ke keadaan awalnya lagi, melalui suatu silus tertutup, sehingga  perubahan energi internalnya sama dengan nol,

                                  Tandon suhu tinggi T₂

                                                   Q₂

                                                                                W = Q₂ – Q₁

                                                    Q₁

                                 Tandon suhu rendah T₁

Gambar 11

Seberapa besar kerja mekanik W yang dapat dihasilkan oleh sebuah mesin kalor yang menyerap energi kalor sebesar Q₂, semakin besar efisiensi mesin tersebut, dan ini tergantung pada proses yang terjadi dalam mesin itu. Efisiesi (η) sebuah mesin kalor didefenisikan sebagai perbandingan antara energi mekanik W yang dihasilkan mesin dengan energi kalor Q₂ yang mengalir ke mesin, jadi

η = , atau  η  =                                        (3-30)

1.  Mesin Bakar

Pada umumnya, mesin atau motor bakar merupakan jenis mesin 4 –tak, karena pada setiap siklus atau lingkaran terjadi 4 proses pada udara dalam sebuah silinder pada mesin tersebut, yang secara garis besar dilukiskan pada diagram pV Gambar 12.

p                c     Q2                       adiabatik           b                                       d                         W    adiabatik                           Q1                                                a              V2                   V1     V Gambar 12

Proses dimulai dari titik a, kemudian udara yang ada dalam silinder dimampatkan secara adiabatik sampai titik b, dan dipanaskan dengan volume konstan sampai titik c, lalu dibiarkan mengembang secara adiabatik samapi titik d, dan selanjutnya mendingin pada volume konstan sampai di titik a kembali, selanjutnya siklus ini berulang kembali. Garis ab menggambarkan gerak kompressi, bc peledakan, cd gerak usaha dan da adalah gerak membuang dari motor bakar.  V1 dan V2 pada Gambar 12, memperlihatkan berturut-turut volume maksi-mum dan minimum dari udara di dalam silinder.

Perbandingan V₁/V₂ disebut perbandingan kompressi, yang haranya kira-kira sama dengan 7. Dengan menganggap udara bertingkah sebagai gas ideal, dapat dihitung efisiensi mesin bakar tersebut, yakni

η (%) = 100                                        (3-32)

Jika perbandingan kompressi sama dengan 7, dan γ = 1,4, diperoleh efisiensi mesin bakar ini kira-kira 54 %. Hal ini diperoleh tanpa memperhitungkan efek geseran, turbulensi, dan lain sebagainya.

2. Mesin Diesel

Proses-proses yang terjadi pada mesin diesel, dapat dilukiskan pada diagram pV pada Gambar 13, berikut ini

p                            Q2                 b              c                                   adiabatik                                W                  d             adiabatik                                                             Q1                                                     a                                                                V                  V2          V3                V1 Gambar 13

Siklus tertutup dimulai dari titik a, udara dimampatkan secara adiabatik sampai mencapai keadaan b, lalu dengan tekanan konstan dipanaskan sampai titik c, kemudian mengembang secara adiabatik sampai titik d, dan dengan volume konstan didinginkan lagi sampai keadaan a, dan seterusnya. Perbandingan kom-pressi bias jauh lebih besar dibandingkan dengan mesin bakar, misalnya 15, sedangkan perbandingan pengembangan boleh kira-kira 5. Dengan menggunakan γudara = 1,4, diperoleh efisiensi mesin diesel kira-kira 56 %.

3.      Mesin Carnot

Sadi  Carnot (1824)  bangsa Prancis, memperkenalkan   suatu proses siklus yang terdiri dari   2 kali proses isotermal dan 2 kali proses adiabatik  yang terjadi secara bergantian  seperti diperlihatkan diagram pV pada Gambar 14. Siklus Carnot ini  hanya memerlukan 2 buah reservoir  kalor saja, yaitu reservoir  kalor  bersuhu tinggi  (T₂) dan reservoir kalor bersuhu rendah (T₁). Kerja  total (W_total ) yang  dilakukan system terhadap lingkungan adalah sebesar 

,                                 (3-31)

sedangkan Q₂ adalah energi kalor yang diserap mesin dari  reservoir suhu tinggi T₂, melalui proses ekspansi isotermis, W adalah kerja total yang dihasilkan oleh mesin kalor, dan Q₁  adalah energi kalor yang dibuang melalui reservoir suhu rendah T₁, melalui proses kompresi isotermal. Dalam hal ini berlaku hubungan :

Q₂ – Q₁ = W

Gambar  14

Keterangan :        proses ab : ekspansi, proses bc : ekspansi adiabatik,                            proses cd : kompressi isothermal, proses da : kompressi  adiabatik

Sama halnya dengan mesin kalor yang lain, untuk menentukan  efisiensi mesin Carnot secara umum dapat digunakan persamaan (3-30), yakni

η = , atau  η  =  

Bila dikaitkan dengan suhu T₁ dan T₂, efisiensi khusus untuk mesin Carnot dapat ditentukan sebagai berikut

Selama proses ekspansi isothermal ab, berlaku ΔU_ab = 0,  sehingga Q_ab = -W_ab, atau

Q_ab = nRT₂ ln  ,                                             (3-32)

sedangkan selama proses adiabatik, baik proses kompressi, maupun proses ekspansi sama dengan nol. Pada kompressi isothermal cd, berlaku pula ΔU_cd = 0,  sehingga Q_cd = -W_cd, atau

Q_cd = -  nRT₁ ln  ,                                          (3-33)

Tanda negatif pada Q_cd, menunjukkan kalor dibuang ke reservoir suhu rendah. Q_ab dan Q_cd, berturut-turut adalah Q₂ dan Q₁ pada persamaan (3-30), sehingga efisiensi mesin Carnot adalah

η_c  = .

atau

 η_c  = ,                                      (3-34)

Selanjutnya, dengan menggunakan persamaan (3-25), untuk kedua proses adiabatik, bc dan da diperoleh hubungan

  dan

Dari kedua persamaan ini diperoleh

.                                                 (3-35)

Bila digabungkan persamaan (3-34) dengan persamaan (3-35), diperoleh efisiensi mesin Carnot, yakni

                                              (3-36)

Bila dibandingkan dengan mesin kalor yang lainnya, pada keadaan atau selang suhu yang sama, efisiensi mesin Carnot lebih besar.

Contoh soal 1

Pembangkit listrik tenaga nuklir bekerja pada 75 % dari efisiensi (Carnot) teoritis maksimumnya antara 600 ^oC dan 350 ^oC. Jika pembangkit listrik tersebut menghasilkan energi listrik rata-rata 1,3 GW, berapa besar kalor pembuangan yang harus dikeluarkan per jam ?

Solusi :

Efisiensi Carnot untuk selang suhu 600 ^oC dan 350 ^oC, dapat dihitung dengan

= 0.42

Efsiensi pembangkit listrik

  η     =  0,75 x 0,42 = 0,32

η    

0,32  ,

Diperoleh Q₁ = 4,06 GW

W = Q₁ -  Q₂

     1,3 W  =  4,06 GW – Q₂

Diperoleh Q₂ = 2,76 GW

Jadi kalor pembuangan dalam 1 jam adalah

Q₂ =  3600 s x 2,76 GW

Q₂ = 9936 GJ

B.      Mesin Pendingin

Mesin kalor adalah   merupakan suatu system  yang menyerap sejumlah kalor  (Q₂)  dari suatu reservoir bersuhu tinggi (T₂)  dan menghasilkan sejumlah  usaha luar (W), dan selalu  menyerahkan sebagian kalor  yang diserap tersebut (Q₁)    ke reservoir   bersuhu  rendah (T₂).  Sebaliknya  mesin pendingin     merupakan suatu system  yang menyerap sejumlah kalor  (Q₁)  dari suatu reservoir bersuhu rendah (T₁)  dan menyerahkan sejumlah kalor  (Q₂)    ke reservoir  bersuhu  tinggi (T₂) dengan bantuan   usaha luar (W). Prinsip ini sesuai dengan yang dikemukakan oleh Clausius seperti sudah disinggung sebelumnya. Proses ini dapat digambarkan dalam bentuk diagram alir berikut ini

                                  Tandon suhu tinggi T₂

                                                 Q₂

 

                  W                                                             

                                                  Q₁

                                 Tandon suhu rendah T₁

Gambar 15

Mesin pendingin akan berfungsi lebih baik, apabila proses yang terjadi pada mesin, akan mengeluarkan Q₁ dari reservoir bersuhu rendah sebanyak-banyaknya, dengan menggunakan kerja mekanik W yang sekecil-kecilnya. Oleh sebab itu untuk mesin pendingin, tidak digunakan istilah efisiensi, melainkan angka kerja atau koefisien performance. Angka kerja  atau koefisien performance  ( )  mesin pendingin atau refrigerator  didefinisikan sebagai perbandingan   antara  besarnya kalor yang dipindahkan  dari reservoir kalor suhu rendah (Q₁)  terhadap besarnya usaha luar (W) yang diperlukan, memenuhi persamaan :

   atau                              (3-37)

Khusus untuk mesin pendingin Carnot, koefisien performance dapat ditulis :

,

dengan T₁ dan T₂ berturut-turut adalah suhu reservoir bersuhu rendah dan tinggi.

Contoh soal 2

Sebuah almari es Carnot menyerap panas dari air pada 0 ^oC dan membuangnya ke dalam ruangan bersuhu 27 ^oC. Jika 100 kg es pada 0 ^oC diubah menjadi es pada 0 ^oC, a). Berapa kalorikah kalor yang harus dibuang ke ruangan ? b). Berapa joulekah usaha yang diperlukan untuk maksud ini ? c). Berapa angka kerja mesi pendingin ?

Solusi

a). Jumlah kalor yang dilepaskan oleh 100 kg air ketika diubah menjadi es, yakni

Q₁ = mL =  100 kg. 80 kkal/kg

      Q₁  =  8.000 kkal

Suhu reservoir suhu rendah T₁ = 273 K, sedangkan suhu reservoir suhu tinggi T₂ = 300 K. Untuk mesin Carnot, baik mesin kalor maupun mesin pendingin, berlaku

 =  atau   =

diperoleh Q₂ = 8791,21 kkal, yakni jumlah kalor yang dibuang ke ruangan 27 ^oC.

b). Usaha W yang diperlukan untuk maksud tersebut dapat ditentukan dengan persamaan

W + Q₁  = Q₂

W  +  8.000 kkal =  8791,21 kkal

W = 791,21 kkal =  3296,71.10³ J.

c). Angka kerja mesin pendingin adalah

 =   

 μ =  10,11

C.  Entropi

Dalam seluruh bidang fisika tidak ada yang lebih sukar dipahami daripada entropi, namun juga tidak adakonsep yang lebih pokok daripada entropi ini. Berbeda halnya dengan hukum pertama termodinamika yang merupakan salah satu bentuk hukum kekekalan energi, maka hukum kedua termodinamika adalah hokum mengenai entropi. Semua proses yang berlangsung di ala mini, biar bagaimanapun sifatnya, baik mekanik, kelistrikan, proses-proses  kimia, maupun biologi, semuanya tidak bias terlepas dari kedua hokum ini. Pengalaman membuktikan bahwa tdaklah begitu sukar menggunakan rumus-rumus tentang entropi, dibandingkan dengan memahami apa sebetulnya entropi tersebut.

Jika suatu system berubah dari suatu keadaan ke keadaan lain, maka berdasarkan eksperimen ternyata jumlah kalor Q yang ditambahkan dengan kerja W yang dilakukan system mempunyai harga yang sama, apapun prosesnya. Hal ini dapat kita kaitkan dengan perubahan energi internal system, yang tidak tergantug pada proses, melainkan pada keadaan akhir dan keadaan awalnya.

Entropi, atau lebih tepat perubahan entropi,dapat didefenisikan dengan cara yang sama. Jika suatu system berubah dari suatu keadan ke keadaan lain, melalui bermacam-macam proses yang digambarkan dengan litasan yang berbeda-beda., maka jumlah kalor yang ditambahkan ke system akan berbeda pula untuk setiap lintasan. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa bila jumlah kalor yang ditambahkan di setiap titik di suatu lintasan, dibagi dengan suhu mutlaknya di titik itu, kemudian dijumlahkan sepanjang lintasan tersebut, maka jumlah ini ternyata mempunyai harga yang sama untuk semua lintasan dengan titik ujung dan titik pangkal yang sama. Secara matematis dapat dinyatakan

=  konstan untuk semua lintasan di antara keadaan 1 dan 2.

Jadi sangatlah mungkin untuk memasukkan suatu fungsi yang selisihnya di antara dua keadaan, yakni keadaan 1 dan keadaan 2, yang ditentukan oleh integral di atas. Fungsi ini disebut entropi system yang disimbulkan dengan S, sehingga

S₂ – S₁ = .                                                   (3-38)

Dalam bentuk diferensial, dapat ditulis

dS = .

Berdasarkan defenisinya, maka satuan entropi adalah kalori/K, joule/K atau satuan lainnya yang sesuai.

Jika suatu system menjalani siklus tertutup, maka perubahan entropinya sama dengan nol, karena system kembali ke keadaan semula. Sebelum mengenal lebih jauh tentang pengertian entropi, kita tinjau kembali efisiensi mesin Carnot, sesuai persamaan (3-30) dan (3-36), yakni

  .

Dalam bentuk lain, persamaan ini dapat ditulis

 = ,

atau                                                             = .

Karena Q₁ adalah jumlah kalor yang mengalir keluar system, sehingga bertanda negatif, sedangkan Q₂ bertanda positif, maka persamaan di atas dapat ditulis

  +    = 0.                                      (3-38)

Dari persamaan di atas, dapat disimpulkan bahwa pada siklus Carnot, jumlah aljabar besaran   adalah nol, atau integral =  konstan

Contoh soal  3

 1 kg es pada suhu 0^oC dilebur menjadi air pada suhu 40 ^oC. tentukanlah perubahan entopinya. Gunakan kalor lebur es = 80 kkal/kg, dan kapasitas panas jenis air 1kkal/kg.K

Solusi

Pada saat melebur, suhu tetap, maka persamaan (3-38) dapat ditulis

ΔS₁ =  ,

Q adalah jumlah kalor yang dibutuhkan untuk melebur es, yakni 80 kkal, jadi

ΔS₁ =  =  0,29 kkal/K.

Untuk menaikkan suhu m kg air sebesar dT digunakan persamaan dQ = mc dT, sehingga perubahan entropi yang dialami 1 kg air ketika suhunya dinaikkan dari 0 ^oC atau 273 K, menjadi 40 ^oC atau 313 K, dapat dihitung dengan

ΔS₂ =  =  =  1 kg. 1 kkal/ kg K  ln  = 0,14 kkal/K.

Dengan demikian perubahan entropi total yang dialami selama proses ini adalah

ΔS_{1 +} ΔS₂  =  0,29 kkal/K  +  0,14 kkal/K =  0,43 kkal/K.

D.  Azas Pertambahan Entropi

Berbeda halnya dengan konsep-konsep tentang energi, momentum dan momentum putar adalah : tidak ada azas atau prinsip kekekalan entropi. Pada hakekatnya sebaliknyalah yang berlaku. Entropi dapat diciptakan sessuai kehendak dan pada semua proses di alam selalu terdapat pertambahan entropi, asal semua bagian dari system secara keseluruhan ikut ditinjau. Hal ini akan leih mudah dipahami dengan contoh berikut ini.

Satu kg air bersuhu 100 ^oC dicampur dengan 1 kg air bersuhu 0 ^oC. Dengan mudah  bisa dihitung akan diperoleh 2 kg air bersuhu 50 ^oC.  Perubahan entropi yang dialami 1kg air bersuhu 100 ^oC menjadi bersuhu 50 ^oC dapat diperoleh

ΔS₁ =  =  =  1 kg. 1 kkal/ kg K  ln  = - 0,14 kkal/K.

Perubahan entropi yang dialami 1 kg air bersuhu 0 ^oC menjadi bersuhu 50 ^oC adalah

ΔS₂ =  =  =  1 kg. 1 kkal/ kg K  ln  =  0,17 kkal/K.

Perubahan total yang dialami selama proses ini adalah

ΔS_{1 +} ΔS₂  = - 0,14  kkal/K  +  0,17 kkal/K = 0,03 kkal/K

Dari contoh di atas, dapat disimpulkan bahwa terjadi pertambahan entropi, apapun proses yang digunakan selama mencampur air dingin dan air panas. Hal ini juga berlaku ketika kita mencampur zat-zat lain yang berbeda suhunya, ternyata  bila dijumlahkan perubahan entropinya, tambahan entropi akan selalu lebih besar dari pengurangannya, atau dengan perkataan lain, mustahil ada proses yang entropinya berkurang. Inilah yang dikenal dengan azas pertambahan entropi.

Selanjutnya timbul pertanyaan,  apakah makna pertambahan entropi yang menyertai tiap-tiap proses di alam semesta ini ? Hal ini dapat dimaknai sebagai “kemunduran” kodrat alam semesta dalam proses ini. Marilah kita tinjau lagi contoh pencampuran air dingin dengan air panas. Bila air dingin dan air panas ini diibaratkan sebagai reservoir suhu rendah dan suhu tinggi dari sebuah mesin kalor, dan waktu pengamilan kalor dari air panas dan pemberian kalor ke air dingin diperoleh usaha mekanik. Namun bila air panas dan air dingin sudah dicampur dan mencapai suhu yang sama, maka hilanglah kemungkinan merubah kalo  menjadi usaha mekanik itu, karena air yang suam-suam kuku itu tidak dapat dipisahkan lagi menjadi air panas dan air dingin. Jelas dalam proses pencampuran ini tidak ada energi yang hilang, namun kesempatan memperoleh energi atau tenaga menjadi berkurang, atau kemungkinan untuk mendapatkan tenaga menjadi berkurang, artinya sejumlah panas sudah tidak tersedia lagi untuk diubah menjadi usaha mekanik. Itulah sebabnya hal ni dianggap sebagai “kemunduran”, kodrat alam semesta, karena bila entropi bertambah, ternyata energi atau tenaga berkurang.

Semua proses di alam semesta ini, misalnya pengaliran kalor, pencampuran, diffuse dan sebagainya, mempunyai kecenderungan menyama-ratakan suhu, tekanan, susunan dan sebagainya pada semua titik. Dapat dibayankan kelak di kemudian hari, alam semesta ini akan mencapai keadaan merata yang mutlak keseluruhannya, sebagai akibat  dari proses-proses di atas. Bilamana dan jika keadaan ini tercapai, semua proses fisis, kimia, dan barangkali juga proses biologis akan berhenti, meskipun perubahan tenaga di alam semesta ini tidak terjadi. Inilah akhir dari keberadaan alam semesta ini, semua mengalami “kematian”

Contoh soal 4

200 gram air bersuhu 20 ^oC, dicampurkan dengan 400 gram air bersuhu 80 ^oC. Tentukan perubahan entropi total.

Solusi

Dengan menggunakan azas Black, dapat ditentukan suhu akhir campuran, yakni

m₁ c (t_a –t₁) = m₂ c (t₂ – t_a)

200 gr. 1 kal/gr C^o ( t_a – 20)  =  400 gr. 1 kal.gr C^o (80 – t_a)

diperoleh t_a = 60 ^oC.

Perubahan entropi air dingin

ΔS₁ =  =  =  200 gr. 1 kal/ gr K  ln  = 26 kal/K.

Perubahan entropi air panas

ΔS₂ =  =  =  400 gr. 1 kal/ gr K  ln  = - 24 kal/K.

Perubahan entropi total

ΔS₁ + ΔS₂  =  26 kal/K  -  24 kal/K =  2 kal/K

E.  Latihan

1.  Berapakah efisiensi sebuah mesin kalor yang  menggunakan gas ideal beratom satu, dengan proses berikut ini

a).  mulai dengan n mol pada p_o,  V_o, dan T_o.

b).  menjadi 2 p_o, V_o pada volume  konstan

c).  menjadi  2 p_o, 2V_o, pada tekanan konstan

d). menjadi  p_o, 2V_o, pada volume  konstan

e).  menjadi  p_o, V_o, pada tekanan konstan

2.   Mesin Carnot, bekerja di antara dua reservoir panas yang bersuhu 400 K dan 273 K. a). Jika dalam tiap lingkaran, mesin menyerap kalor sejumlah 1200 kalori dari reservoir bersuhu tinggi, berapa kalorikah yang dikeluarkannya ke reservoir suhu rendah ? b). Jika efisiensi mesin dinaikkan sebesar 20 %, berapakah suhu reservoir suhu rendah harus diturunkan, jika dianggap suhu reservoir suhu tingginya tetap ? c) Berkaitan dengan soal b, berapakah suhu reservoir suhu tingg harus dinaikkan, jika dianggap suhu reservoir suhu rendahnya tetap ? d). Andaikan mesin bekerja sebaliknya, yakni sebagai lemari es, dan digunakan untuk membekukan 5 liter air, berapakah kalori yang dibuang ke reservoir suhu tinggi ? Ambil keadaan terakhir.

d).  Berapa usaha mekanik yang diperlukan untuk maksud ini ?

3.  Sebuah  silinder, volum awalnya 1 liter, berisi 0,1 mol H₂O pada 10 ^oC, lalu disuruh mengembang secara isothermal, hingga volumenya menjadi 10 liter. Berapakah perubahan entropi system ini ? Sistem kini dimampatkan secara adiabatik sampai volume awalnya. Berapakah perubahan entropi selama proses kedua ini ? Berapakah perubahan entropi total selama kedua proses ini ?

4.   Anggaplah entropi air sama dengan nol, keiaka berada dalam fase cair pada 0 ^oC dan 1 atm. a).  Berapakah entropi 500 gram air pada 80 ^oC ? Berapakah perubahan entropi yang akan terjadi bila 500 gram air pada 50 ^oC dicampur dengan 500 gram air pada 0 ^oC ?

F.  Rangkuman

1.  Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja  dalam suatu siklus  di mana kalor yang diterima  dari suatu reservoir  diubah seluruhnya  menjadi usaha luar .  Harus  ada suatu reservoir lagi  yang suhunya  lebih rendah dari yang pertama tadi,  sehingga  kelebihan kalor  yang dibuang sia-sia dialirkan ke situ (Pernyataan Kelvin Planck)

2.  Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja  dalam suatu siklus  di mana kalor yang mengalir  dari suatu reservoir  bersuhu rendah   ke  reservoir bersuhu tinggi  tanpa memerlukan usaha luar .  Seberapa besar kerja mekanik W yang dapat dihasilkan oleh sebuah mesin kalor yang menyerap energi kalor sebesar Q, semakin besar efisiensi mesin tersebut, dan ini tergantung pada proses yang terjadi dalam mesin itu. Mesin kalor yang paling besar efisiensinya adalah mesin Carnot. (Pernyataan Clausius)

3.  Efisiensi  atau daya guna mesin kalor ( )  didefinisikan  sebagai   perbandingan   usaha luar  yang dihasilkan mesin (W)  terhadap besarnya kalor yang dibutuhkan/diserap (Q₁), memenuhi persamaan :

       atau   

Khusus untuk mesin Carnot, efisiensi dapat juga ditulis sebagai berikut :

4 . Koefisien daya guna  atau koefisien performance  ( )  mesin pendingin atau refrigerator  didefinisikan sebagai perbandingan   antara  besarnya kalor yang dipindahkan  dari reservoir kalor suhu rendah (Q₂)  terhadap besarnya usaha luar (W) yang diperlukan, memenuhi persamaan :

   atau  .

Khusus untuk mesin pendingin Carnot, efisiensi dapat juga ditulis sebagai berikut .

5. Perubahan entropi yang terjadi bila suatu system menjalani suatu proses dari keadaan ke keadaan 2 adalah

S₂ – S₁ = .

6.   Entropi dapat diciptakan sessuai kehendak dan pada semua proses di alam selalu terdapat pertambahan entropi, asal semua bagian dari system secara keseluruhan ikut ditinjau.

7.  Jika 2 sistem yang berbeda suhunya dicampur, ternyata  bila dijumlahkan perubahan entropinya, tambahan entropi akan selalu lebih besar dari pengurangannya, atau dengan perkataan lain, mustahil ada proses yang entropinya berkurang. Inilah yang dikenal dengan azas pertambahan entropi.

G.  Tes Formatif

01.     Mesin mobil 100 dk bekerja dengan efisiensi 15 %. Anggap mesin bekerja dengan suhu antara 85 ^oC dan 500 ^oC. a). Hitung efisiensi relative mesin terhadap mesin Carnot. b). Perkirakan berapa besar kalor (dalam watt) yang dipakai untuk menjalankan mobil, dan berapa besar kalor yang dibuang ke udara dalam 1 jam.

02.  2 mol gas ideal mempunyai volume 10 liter dengan tekanan 4 atm (titik a) menjalani proses pada sebuah mesin kalor seperti pada gambar.  Diketahui konstanta Laplace gas adalah 1,5. a). Tentukan efisiensi mesin kalor. b) Jika tiap detik gas menjalani proses  satu siklus, berapakah daya yang dihasilkan ? c). Hitunglah perubahan entropi sepanjang lintasan abc, sepanjang adc dan sepanjang abcda.

p (atm)    8           b                             c    4           a                            d                              10                       40      V  liter

03.  10 gram uap pada 1 atm dan 100 ^oC, dimasukkan ke dalam campuran 100 gram es dan 200 gram air pada 0 ^oC. a). Berapakah suhu akhir ? b). Berapakah perubahan entropi campuran ?

H.   Kunci Tes Formatif

01.  a. 28 %, b. 7,46 x 10⁴ W,  1,52 x 10⁹ J/jam (3,6 x 10⁵ kkal/jam)

02.  a. 15 %   b. 120 lit.atm/s.  c.  0,89 lit.atm/K,  - 0, 89 lit.atm/K,  dan  0

03.  a).  0 ^oC  b).  5,9 kal/K

I.  Daftar Pustaka

1.  Giancoli, D.C., (Alih Bahasa Yuhilza Hanum),  FISIKA, Penerbit Erlangga, Jakarta

   2. Sutrisno dan Tan Ik Gie, 1979, Fisika Dasar seri Listrik Magnet dan  Termofisika,  Penerbit ITB, Bandung.