Proses Reversible dan Irreversible

22.3 Proses Reversible dan irreversible

Pada bagian berikutnya, kita akan membahas mesin kalor teoritis yang mungkin paling efisien. Untuk memahami sifatnya, kita harus terlebih dahulu meneliti makna proses reversible dan irreversible. Dalam proses reversible, sistem menlintasani proses yang dapat dikembalikan ke kondisi awal sepanjang lintasan yang sama pada diagram PV, dan setiap titik di sepanjang lintasan ini dalam keadaan setimbang. Sebuah proses yang tidak memenuhi persyaratan tersebut adalah irreversible.

Semua proses alami yang dikenal merupakan proses irreversible. Mari kita mengkaji pemuaian adiabatik bebas dari gas, yang sudah dibahas dalam Bagian 20.6, dan menunjukkan bahwa hal itu tidak dapat reversible. Pertimbangkan gas dalam wadah termal terisolasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22.7. Membran memisahkan gas dari ruang hampa. Ketika membran ditusuk, gas mengembang bebas ke vakum. Sebagai hasil dari tusukan, sistem telah berubah karena menempati volume yang lebih besar setelah pemuaian. Karena gas tidak mengerahkan gaya selama perpindahan, ia tidak melakukan usaha pada lingkungan ketika mengembang. Selain itu, tidak ada energi yang ditransfer ke atau dari gas oleh kalor karena wadah terisolasi dari lingkungannya. Oleh karena itu, dalam proses adiabatik, sistem telah berubah tapi lingkungan tidak.

Untuk proses ini menjadi reversible, kita harus mengembalikan gas ke volume dan suhu aslinya tanpa mengubah lingkungan. Bayangkan mencoba untuk membalikkan proses dengan memanpatkan gas ke volume aslinya. Untuk melakukannya, kita ganti wadah dengan piston dan menggunakan mesin untuk memaksa piston ke dalam. Selama proses ini, lingkungan berubah karena usaha yang sedang dilakukan oleh pelaku dari luar terhadap sistem. Selain itu, sistem berubah karena tekanan meningkatkan temperatur gas. Suhu gas dapat diturunkan dengan membiarkan gas kontak dengan reservoir energi eksternal. Meskipun langkah ini mengembalikan gas ke kondisi aslinya, lingkungan lagi yang terpengaruh karena energi yang ditambahkan ke lingkungan dari gas. Jika energi ini dapat digunakan untuk menggerakkan mesin yang memanpatkan gas, transfer energi total ke lingkungan akan menjadi nol. Dengan cara ini, sistem dan sekitarnya bisa dikembalikan ke kondisi awal mereka dan kita bisa mengidentifikasi sebagai proses reversible. Pernyataan Kelvin-Planck dari hukum kedua, bagaimanapun, menentukan bahwa energi dikeluarkan dari gas mengembalikan suhu ke nilai aslinya tidak dapat sepenuhnya diubah menjadi energi mekanik dalam bentuk usaha yang dilakukan oleh mesin dalam memampatkan gas. Oleh karena itu, kita harus menyimpulkan bahwa proses irreversible.

Kita juga bisa berpendapat bahwa pemuaian bebas adiabatik merupakan proses irreversible dengan mengandalkan bagian dari definisi proses reversible yang mengacu pada keadaan ekuilibrium. Sebagai contoh, selama pemuaian (pemuaian) mendadak, variasi yang signifikan dalam tekanan terjadi di seluruh gas. Oleh karena itu, tidak ada nilai yang jelas dari tekanan untuk seluruh sistem pada setiap saat antara keadaan awal dan akhir. Kenyataannya, proses bahkan tidak dapat direpresentasikan sebagai sebuah lintasan pada diagram PV. Diagram PV untuk pemuaian bebas adiabatik akan menunjukkan kondisi awal dan akhir sebagai titik, tetapi titik-titik ini tidak akan dihubungkan oleh lintasan. Oleh karena itu, karena kondisi penengah antara keadaan awal dan akhir tidak menyatakan keseimbangan, proses irreversible.

Meskipun semua proses nyata bersifat irreversible, beberapa diantaranya hampir reversible. Jika proses nyata terjadi sangat lambat sehingga sistem selalu sangat mendekati keadaan setimbang, proses dapat diperkirakan sebagai proses reversible. Misalkan gas dimampatkan secara isotermal dalam sebuah susunan piston silinder dimana gas berada dalam kontak termal dengan cadangan energi dan kita terus mentransfer energi yang cukup dari gas ke reservoir untuk menjaga suhu konstan. Sebagai contoh, bayangkan bahwa gas yang dimampatkan sangat lambat dengan menjatuhkan butiran pasir ke sebuah piston gesekan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 22.8. Ketika setiap butir tanah pada piston dan menekan gas dalam jumlah kecil, sistem menyimpang dari keadaan setimbang, namun sangat dekat dengan salah satu yang mencapai keadaan keseimbangan baru dalam interval waktu yang relatif singkat. Setiap butir yang ditambahkan merupakan perubahan ke keadaan keseimbangan baru, namun perbedaan antara keadaan sangat kecil bahwa seluruh proses dapat diperkirakan terjadi melalui keadaan keseimbangan terus menerus. Proses ini dapat dibalik dengan perlahan-lahan menghilangkan butiran dari piston.

Karakteristik umum dari proses reversible adalah bahwa tidak ada efek disipatif (seperti turbulensi atau gesekan) yang mengubah energi mekanik menjadi energi internal. Akibat dapat mungkin untuk menghilangkan sepenuhnya. Oleh karena itu, tidak mengherankan bahwa proses riil di alam merupakan proses irreversible (Serway, 2010:631-632).