Bab 22: Mesin Kalor, Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

Bab 22
Mesin Kalor, Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

22.1 Mesin Kalor dan Hukum Kedua Termodinamika
22,2 Pompa Kalor dan Lemari Es
22.3 Proses Reversible dan irreversible
22.4 Mesin Carnot
22,5 Bensin dan Mesin Diesel
22,6 Entropi
22,7 Entropi dan Hukum Kedua
22,8 Entropi pada Skala mikroskopis

Hukum pertama termodinamika, yang telah kita pelajari dalam Bab 20, adalah sebuah pernyataan kekekalan energi dan reduksi kasus khusus Persamaan 8.2. Hukum ini menyatakan bahwa perubahan energi internal dalam suatu sistem dapat terjadi sebagai akibat dari transfer energi oleh kalor, usaha, atau keduanya. Meskipun hukum pertama termodinamika sangat penting, itu tidak membuat perbedaan antara proses yang terjadi secara spontan dan yang tidak spontan. Hanya beberapa jenis konversi energi dan proses transfer energi benar-benar terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika, topik utama dalam bab ini, menetapkan proses yang dilakukan dan tidak terjadi. Berikut ini adalah contoh dari proses yang tidak melanggar hukum pertama termodinamika jika mereka melanjutkan di kedua arah, tetapi diamati dalam kenyataannya untuk melanjutkan hanya dalam satu arah:

 
• Ketika dua benda pada temperatur yang berbeda ditempatkan dalam kontak termal dengan satu sama lain, transfer energi total oleh kalor selalu dari objek hangat ke objek dingin, tidak pernah dari objek dingin ke hangat.
• Sebuah bola karet jatuh ke tanah memantul beberapa kali dan akhirnya berhenti, tapi bola tergeletak di tanah tidak pernah mengumpulkan energi internal dari tanah dan mulai memantul sendiri.
• Sebuah osilasi pendulum akhirnya datang untuk beristirahat karena tumbukan dengan molekul udara dan gesekan pada titik suspensi. Energi mekanik dari sistem diubah menjadi energi internal di udara, pendulum, dan suspensi, konversi energi tidak pernah terjadi.

Semua proses ini irreversible, yaitu, mereka adalah proses yang terjadi secara alami dalam satu arah saja. Tidak ada proses irreversible yang pernah diamati berlintasan mundur. Jika ingin melakukannya, itu akan melanggar hukum kedua termodinamika.

22.1 Mesin Kalor dan Hukum Kedua Termodinamika

Sebuah mesin kalor adalah perangkat yang mengambil energi dengan kalor dan beroperasi dalam proses siklus, mengeluarkan sebagian kecil dari energi dengan cara usaha. Misalnya, dalam suatu proses yang khas di mana pembangkit listrik menghasilkan listrik, bahan bakar seperti batu bara dibakar dan gas bersuhu tinggi yang dihasilkan digunakan untuk mengubah air menjadi uap air. Uap ini diarahkan pada bilah turbin, mengakibatkan turbin berotasi. Energi mekanik terkait dengan rotasi ini digunakan untuk menggerakkan generator listrik. Perangkat lain yang dapat dimodelkan sebagai mesin kalor yaitu mesin pembakaran internal dalam sebuah mobil. Perangkat ini menggunakan energi dari pembakaran bahan bakar untuk melakukan usaha pada piston yang menghasilkan gerakan mobil.

 Sebuah mesin kalor membawa beberapa substansi beusaha melalui proses siklik di mana (1) substansi beusaha menyerap energi dengan kalor dari tangki reservoir energi suhu tinggi, (2) usaha dilakukan oleh mesin, dan (3) energi dikeluarkan oleh kalor ke reservoir suhu rendah. Sebagai contoh, perhatikan pengoperasian mesin uap (Gambar 22.1), yang menggunakan air sebagai substansi usaha. Air di boiler menyerap energi dari pembakaran bahan bakar dan menguap menjadi uap, yang kemudian melakukan usaha dengan memperluas piston. Setelah uap mendingin dan mengembun, air cair yang dihasilkan kembali ke boiler dan siklus berulang.

 

Hal ini berguna untuk mewakili mesin kalor skematis seperti pada Gambar 22.2. Mesin menyerap sejumlah energi |Q_h| dari reservoir panas. Untuk pembahasan matematis mesin kalor, kita menggunakan nilai absolut untuk membuat semua transfer energi oleh kalor yang positif, dan arah transfer ditunjukkan dengan tanda positif atau negatif secara eksplisit. Mesin melakukan usaha W_eng (sehingga negatif usaha W = - W_eng dilakukan pada mesin) dan kemudian memberikan sebuah kuantitas energi |Q_c| ke reservoir dingin. Karena substansi usaha berlintasan melalui sebuah siklus, energi internal awal dan akhir sama: ∆E_int = 0. Oleh karena itu, dari hukum pertama termodinamika, ∆E_int = Q + W = Q - W_eng = 0, dan usaha total W_eng yang dilakukan oleh mesin kalor adalah sama dengan energi total Q_net yang ditransfer ke sana. Seperti yang Anda lihat dari Gambar 22.2, Q_net = |Q_h| - |Q_c|, karena itu,

W_eng = |Q_h| - |Q_c|                                                                                                                (22.1)
 

Efisiensi termal e dari mesin kalor didefinisikan sebagai rasio usaha total yang dilakukan oleh mesin selama satu siklus ke input energi pada temperatur yang lebih tinggi selama siklus:

   (Efisiensi Termal mesin kalor)                                   (22.2)
Anda dapat menganggap efisiensi sebagai rasio dari apa yang Anda dapatkan (usaha) terhadap apa yang Anda berikan (transfer energi pada suhu tinggi). Dalam prakteknya, semua mesin kalor membuang hanya sebagian kecil dari energi input Q_h oleh usaha mekanik, akibatnya, efisiensi mereka selalu kurang dari 100%. Sebagai contoh, mesin mobil yang baik memiliki efisiensi sekitar 20%, dan mesin diesel memiliki efisiensi berkisar antara 35% sampai 40%.

Persamaan 22.2 menunjukkan bahwa mesin kalor memiliki efisiensi 100% (e = 1) hanya jika |Q_c| = 0, yaitu jika tidak ada energi yang dikeluarkan ke reservoir dingin. Dengan kata lain, mesin kalor dengan efisiensi yang sempurna harus membuang semua energi input oleh usaha. Karena efisiensi mesin nyata berada di bawah 100%, bentuk Kelvin-Planck dari hukum kedua termodinamika menyatakan sebagai berikut:
Tidak mungkin untuk membangun sebuah mesin kalor, yang beroperasi dalam satu siklus, tidak menghasilkan efek selain masukan energi oleh kalor dari sebuah reservoir dan kinerja dari sebuah jumlah yang sama dari usaha.

 

Pernyataan hukum kedua berarti bahwa selama operasi mesin kalor, W_eng tidak pernah bisa sama dengan |Q_h| atau sebaliknya, bahwa beberapa energi |Q_c| harus dibuang ke lingkungan. Setiap mesin kalor harus memiliki beberapa knalpot energi. Gambar 22.3 adalah diagram skematik mesin kalor yang mustahil "sempurna" (Serway, 2010: 625-627).