Penerapan Hukum II Termodinamika

Penerapan Hukum II Termodinamika- Hukum I termodinamika menyatakan bahwa energi adalah kekal, tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Berdasarkan teori ini, Anda dapat mengubah energi kalor ke bentuk lain sesuka Anda asalkan memenuhi hukum kekekalan energi. Namun, kenyataannya tidak demikian. Energi tidak dapat diubah sekehendak Anda. Misalnya, Anda menjatuhkan sebuah bola besi dari suatu ketinggian tertentu. Pada saat bola besi jatuh, energi potensialnya berubah menjadi energi kinetik. Saat bola besi menumbuk tanah, sebagian besar energi kinetiknya berubah menjadi energi panas dan sebagian kecil berubah menjadi energi bunyi. Sekarang, jika prosesnya Anda balik, yaitu bola besi Anda panaskan sehingga memiliki energi panas sebesar energi panas ketika bola besi menumbuk tanah, mungkinkah energi ini akan berubah menjadi energi kinetik, dan kemudian berubah menjadi energi potensial sehingga bola besi dapat naik? Peristiwa ini tidak mungkin terjadi walau bola besi Anda panaskan sampai meleleh sekalipun. Hal ini menunjukkan proses perubahan bentuk energi di atas hanya dapat berlangsung dalam satu arah dan tidak dapat dibalik. Proses yang tidak dapat dibalik arahnya dinamakan proses irreversibel. Proses yang dapat dibalik arahnya dinamakan proses reversibel.

Peristiwa di atas mengilhami terbentuknya hukum II termidinamika. Hukum II termodinamika membatasi perubahan energi mana yang dapat terjadi dan yang tidak dapat terjadi. Pembatasan ini dapat dinyatakan dengan berbagai cara, antara lain, hukum II termodinamika dalam pernyataan aliran kalor: “Kalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”; hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor: “Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar”; hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi: “Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketika proses ireversibel terjadi”.

Hukum II Termodinamika memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan.

1. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck).
2. Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).
3. Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).

a. Pengertian Entropi

Dalam menyatakan Hukum Kedua Termodinamika ini, Clausius memperkenalkan besaran baru yang disebut entropi (S). Entropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Ketika suatu sistem menyerap sejumlah kalor Q dari reservoir yang memiliki temperatur mutlak, entropi sistem tersebut akan meningkat dan entropi reservoirnya akan menurun sehingga perubahan entropi sistem dapat dinyatakan dengan persamaan

ΔS = Q/T

tersebut berlaku pada sistem yang mengalami siklus reversibel dan besarnya perubahan entropi (ΔS) hanya bergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal sistem. Ciri proses reversibel adalah perubahan total entropi ( ΔS = 0) baik bagi sistem maupun lingkungannya. Pada proses irreversibel perubahan entropi semesta ΔS_semestea > 0 . Proses irreversibel selalu menaikkan entropi semesta.

ΔS_sistem  + ΔS_lingkungan = ΔS_seluruhnya > 0

Contoh soal

Gambar di dibawah menunjukkan bahwa 1.200 J kalor mengalir secara spontan dari reservoir panas bersuhu 600 K ke reservoir dingin bersuhu 300 K. Tentukanlah jumlah entropi dari sistem tersebut. Anggap tidak ada perubahan lain yang terjadi.

 

Jawab

Diketahui Q = 1.200 J, T₁ = 600 K, dan T₂ = 300 K.

Perubahan entropi reservoir panas:

ΔS₁ = Q₁/T₁ = -1.200J/600K = -2J/K

Perubahan entropi reservoir dingin:

ΔS₂ = Q₂/T₂ = 1.200J/300K = 4J/K

Total perubahan entropi total adalah jumlah aljabar perubahan entropi setiap reservoir:

ΔS_sistem = ΔS₁ + ΔS₂ = –2 J/K + 4 J/K = +2 J/K

b. Mesin Pendingin

Mesin yang menyerap kalor dari suhu rendah dan mengalirkannya pada suhu tinggi dinamakan mesin pendingin (refrigerator). Misalnya pendingin rungan (AC) dan almari es (kulkas). Perhatikan Gambar 9.9! Kalor diserap dari suhu rendah T2 dan kemudian diberikan pada suhu tinggi T1. Berdasarkan hukum II termodinamika, kalor yang dilepaskan ke suhu tinggi sama dengan kerja yang ditambah kalor yang diserap (Q1 = Q2 + W)

Gambar 9.9 Siklus mesin pendingin.

Hasil bagi antara kalor yang masuk (Q₁) dengan usaha yang diperlukan (W) dinamakan koefisien daya guna (performansi) yang diberi simbol K_p. Secara umum, kulkas dan pendingin ruangan memiliki koefisien daya guna dalam jangkauan 2 sampai 6. Makin tinggi nilai Kp, makin baik kerja mesin tersebut.

K_p = Q₂ /W

Untuk gas ideal berlaku:

Keterangan

K_p : koefisien daya guna

Q₁ : kalor yang diberikan pada reservoir suhu tinggi (J)

Q₂ : kalor yang diserap pada reservoir suhu rendah (J)

W : usaha yang diperlukan (J)

T₁ : suhu reservoir suhu tinggi (K)

T₂ : suhu reservoir suhu rendah (K)

Contoh Soal

Mesin pendingin ruangan memiliki daya 500 watt. Jika suhu ruang -3 ^oC dan suhu udara luar 27 ^oC, berapakah kalor maksimum yang diserap mesin pendingin selama 10 menit? (efisiensi mesin ideal).

Penyelesaian:

Diketahui: P = 600 watt (usaha 500 J tiap 1 sekon)

T₁ = 27 ^oC = 27+ 273 = 300 K

T₂ = -3 ^oC = -3 + 273 = 270 K

Ditanya: Q₂ = … ? (t = 10 sekon)

Jawab:

Kp = T₂/(T₁-T₂)

Q₂/W = T₂/(T₁-T₂)

Q₂ = T₂/(T₁-T₂)W = (270)(300-270)(500)=4.500J (tiap satu sekon)

Dalam waktu 10 menit = 600s

Q₂=4.500 x 600 = 2,7×10⁶ J