Fisika Dasar Biologi Kuliah 09 TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika

Fisika Dasar (Biologi) Kuliah 09 TERMODINAMIKA Hukum Termodinamika ke-0 Hukum Termodinamika ke-1 Hukum Termodinamika ke-2 Mesin Kalor Prinsip Carnot & Mesin Carnot

Kesetimbangan Termal & Hukum Termodinamika ke-0 • Jika dua buah benda dengan suhu yang berbeda diletakkan sedemikian rupa sehingga terjadi kontak, maka lama-kelamaan kedua benda akan mempunyai suhu yang sama. Kemudian dikatakan bahwa kedua benda mengalami kesetimbangan termal. • Hukum termodinamika ke-0; Jika dua buah sistem berada dalam keadaan kesetimbangan termal dengan sistem ke-3, maka kedua sistem itu berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Misalkan ada 3 buah sistem A, B, dan C. Jika TA = TC dan TB = TC, maka TA = TB.

Hukum I Termodinamika Energi dalam sistem bersifat konservatif, perubahan energi dalam hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir. DU = Uf – Ui d. U = Cv d. T Kalor adalah energi yang mengalir atau berpindah karena perbedaan temperatur. Kalor masuk/keluar ini menyebabkan perubahan keadaan sistem (P, V, T, U, dsb. ) d. Q = C d. T Usaha W merupakan mekanisme transfer energi antara sistem & lingkungannya. dx mg F=PA

Hukum I Termodinamika… • Hukum I Termodinamika • Energi dalam suatu sistem berubah dari nilai awal Ui to a ke suatu nilai akhir Uf karena panas Q dan kerja W: DU = Uf - Ui = Q - W • Q positif ketika sistem menerima panas dan negatif jika kehilangan panas. W positif jika kerja dilakukan oleh sistem dan negatif jika kerja dilakukan pada sistem

Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan) • Proses Isobarik (Tekanan Tetap) untuk sistem gas ideal P a b Vo V 1 V • Proses Isokhorik (Volume Tetap) untuk sistem gas ideal P P 1 b Po a V

Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan. . ) • Proses Isotermal (Temperatur Tetap) untuk sistem gas ideal. P b a Selanjutnya dari persamaan gas ideal V

Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan. . ) • Proses Adiabatik (tidak ada pertukaran kalor) untuk gas ideal. P b T 2 Selanjutnya dari persamaan gas ideal T 1 a V

Proses Adiabatik (sambungan …) • Mengingat • Dengan demikian

Contoh Gas Ideal • The temperature of three moles of a monatomic ideal gas is reduced from Ti = 540 K to Tf = 350 K by two different methods. In the first method 5500 J of heat flows into the gas, while in the second, 1500 J of heat flows into it. In each case find: (a) the change in the internal energy (b) the work done by the gas.

Hukum II Termodinamika Pernyataan tentang aliran kalor / panas Kalor mengalir secara spontan dari suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih tinggi ke suatu benda/zat yang berada pada temperatur yang lebih rendah dan tidak dapat mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya.

MESIN KALOR • Sebuah mesin kalor adalah sesuatu alat yang menggunakan kalor/panas untuk melakukan usaha/kerja. • Mesin kalor memiliki tiga ciri utama: 1. Kalor dikirimkan ke mesin pada temperatur yang relatif tinggi dari suatu tempat yang disebut reservoar panas. 2. Sebagian dari kalor input digunakan untuk melakukan kerja oleh working substance dari mesin, yaitu material dalam mesin yang secara ktual melakukan kerja (e. g. , campuran bensin-udara dalam mesin mobil). 3. Sisa dari kalor input heat dibuang pada temperatur yang lebih rendah dari temperatur input ke suatu tempat yang disebut reservoar dingin.

Skema Mesin Kalor Gambar ini melukiskan skema mesin kalor. QH menyatakan besarnya input kalor, dan subscript H menyatakan hot reservoir. QC menyatakan besarnya kalor yang dibuang, dan subscript C merepresentasikan cold reservoir. W merepresentasikan kerja yang dilakukan.

Mesin Kalor …. • Untuk menghasilkan efisiensi yang tinggi, sebuah mesin kalor harus mengasilkan jumlah kerja yang besar dari sekecil mungkin kalor input. Karenanya, efisiensi, e, dari suatu mesin kalor didefinisikan sebagai perbandingan antara kerja yang dilakukan oleh mesin W dengan kalor input QH: (15. 1) • Jika kalor input semuanya dikonvesikan menjadi kerja, maka mesin akan mempunyai efisiensi 1. 00, karena W = QH; dikatakan mesin ini memiliki efisiensi 100%. Apakah ini mungkin? , kita kan lihat nanti.

Mesin Kalor …. • Sebuah mesin, harus mengikuti prinsip konservasi energi. Sebagian dari kalor input QH diubah menjadi kerja W, dan sisanya QC dibuang ke cold reservoir. Jika tidak ada lagi kehilangan energi dalam mesin, maka prinsip konservasi energi menghendaki bahwa: QH = W + Q C (15. 2) • Selesaikan persamaan ini untuk W kemudian masukkan hasilnya ke dalam persamaan 15. 1 akan menghasilkan pernyataan lain untuk efisiensi e dari sebuah mesin kalor: (15. 3)

Contoh 1: An Automobile Engine • Sebuah mesin mobil memiliki efisiensi 22. 0% dan menghasilkan kerja sebesar 2510 J. Hitung jumlah kalor yang dibuang oleh mesin itu. • Solusi Dari persamaan 15. 1 untuk efisiensi e, diperoleh bahwa QH = W/e. Substitusikan hasil ini kedalam persamaan 15. 2, akan diketahui bahwa jumlah kalor yang dibuang adalah

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot • Bagaimana membuat mesin kalor beroperasi dengan efisiensi maksimum? • Insinyur Prancis Sadi Carnot (1796– 1832) mengusulkan bahwa sebuah mesin kalor akan memiliki efisiensi maksimum jika proses-proses dalam mesin adalah reversibel (dapat balik). • Suatu proses reversibel adalah suatu keadaan dimana kedua sistem dan lingkungannya dapat kembali ke keadaan semula, sama persis seperti sebelum terjadinya proses.

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot… Prinsip Carnot : Sebuah alternatif penyataan Hukum II Termodinamika Tidak ada mesin non-reversibel yang beroperasi antara dua reservoar pada suhu konstan dapat mempunyai efisiensi yang lebih besar dari sebuah mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama. Selanjutnya, semua mesin reversibel yang beroperasi antara temperatur yang sama memiliki efisiensi yang sama.

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot … Tidak ada mesin nyata yang beroperasi secara reversibel. Akan tetapi, ide mesin reversibel memberikan standard yang berguna untuk menilai performansi mesin nyata. Gambar ini menunjukkan sebuah mesin yang disebut, Mesin Carnot, yang secara khusus berguna sebagai model ideal. Suatu sifat penting dari mesin Carnot adalah bahwa semua kalor input QH berasal dari suatu hot reservoir pada satu temperatur tunggal TH dan semua kalor yang dibuang QC pergi menuju suatu cold reservoir pada satu temperatur tunggal TC.

Prinsip Carnot dan Mesin Carnot … • Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang dibuang QC dengan kalor input QH dapa dinyatakan dengan persamaan berikut: (15. 4) dengan TC dan TH dalam kelvins (K). • Efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebgai berikut: (15. 5) Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TC dan TH

Contoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine • Air dekat permukaan laut tropis mempunyai temperatur 298. 2 K (25. 0 °C), sementara 700 m di bawah permukaan mempunyai temperatur 280. 2 K (7. 0 °C). Telah diusulkan bahwa air hangat sebagai hot reservoir dan air dingin sebagai cold reservoir dari suatu mesin kalor. Tentukan efisiensi maksimum dari mesin ini.

Contoh: A Tropical Ocean as a Heat Engine… • Solusi: Efisiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor, adalah mesin Carnot yang beroperasi antara TC dan TH Gunakan TH = 298. 2 K dan. TC = 280. 2 K ke dalam persamaan 15. 5, diperoleh: