Hukum Termodinamika Ii Dan Siklus Carnot

HUKUM TERMODINAMIKA II & SIKLUS CARNOT

Hukum Termodinamika II

Hukum Termodinamika II • Hukum pertama membahas

mengenai konservasi energi. • Hukum kedua mengatur bagaimana kemungkinan konversi. – Semua proses aktual hanya bergerak pada satu arah – Energi panas tidak dapat dikonversi seluruhnya menjadi energi mekanik

Hukum Termodinamika II Kegunaan hukum termo II • mengidenfikasi arah dari suatu proses • mengetahui kualitas energi (hukum I berhubungan dengan kuantitas energi dan perubahan bentuk energi) • menentukan batas toeritis unjuk kerja suatu sistem • memperkirakan kelangsungan reaksi kimia (degree of completion of chemical reaction)

Mesin Kalor (heat engines) • konversi panas menjadi kerja bisa • • • • •

dilakukan tetapi diperlukan sebuah alat yang dinamakan dengan mesin kalor (heat engines) Sebuah mesin kalor dapat dikarakteristikkan sebagai berikut : Mesin kalor menerima panas dari source bertemperatur tinggi (energi matahari, furnace bahan bakar, reaktor nuklir, dll). Mesin kalor mengkonversi sebagian panas menjadi kerja (umumnya dalam dalam bentuk poros yang berputar) Mesin kalor membuang sisa panas ke sink bertemperatur rendah. Mesin kalor beroperasi dalam sebuah siklus.

Mesin Kalor (heat engines) • Adalah mustahil untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja hanya dengan mengambil panas dari Source dan menyerap seluruhnya menjadi energi

Efesiensi • Untuk semua proses cyclic, ∆U =0

• dimana W = Qh - Qc • Efesisensi termal adalah

perbandingan antara kerja yang dilakukan dengan energi panas yang diperoleh dari reservoir panas (source).

Qh − Qc W Q c = e= e = 1 − Qh Qh Q

h

Hukum Termodinamika II • Konsekwensi hukum

termodinamika II; mustahil membuat mesin dengan efesiensi 100%. – Automobile engine < 20% – Diesel engine < 40% – Turbine uap < 50 %

Refrigerators • refrigerator

adalah mesin kalor yang bekerja secara terbalik

Refrigerators

• Alat ini bekerja dalam

sebuah siklus, dimana kerja dilakukan untuk mengambil energi panas |QL| dari dari reservoir temperatur dingin • Coefficient of performance C dari refrigerator didefinisikan :

Pompa Kalor

• Pompa kalor mentransfer panas dari media temperatur rendah ke media temperatur tinggi • Coefficient of performance pompa kalor :

Proses Reversible • Proses reversible adalah proses yang

dapat dibalik tanpa meninggalkan jejak pada lingkungannya • Proses irreversible adalah kebalikan dari proses reversible • Proses reversible memiliki efesiensi maksimum yang mungkin dari suatu mesin kalor.

The Carnot Cycle and Ideal Heat Engines :

• Siklus carnot adalah siklus reversible yang • •

dikemukakan pertama kali oleh sadi carnot tahun 1824 Mesin yang menggunakan siklus karnot disebut mesin carnot Kenyataannya tidak ada mesin kalor yang beroperasi diantara dua reservoir panas yang efesiensinya melebihi efesiensi mesin carnot

The Carnot Cycle • Idealisasi siklus thermodinamik yang terdiri dari empat proses reversible :  Reversible isothermal expansion (1-2, TH=constant)  Reversible adiabatic expansion (2-3, Q=0, THTL)  Reversible isothermal compression (3-4, TL=constant)  Reversible adiabatic compression (4-1, Q=0, TLTH)

1-2

2-3

3-4

4-1

The Carnot Cycle Kerja dilakukan oleh gas = ∫PdV, daerah dibawah kurva proses 1-2-3. dV>0 dari 1-2-3 1 ∫PdV>0 2 3

Kerja dilakukan padagas = ∫PdV, daerah dibawah kurva proses 3-4-1 subtract 1

Net work 2 4

3

1

sejak dV<0 ∫PdV<0 2

3

The Carnot Principles • The efficiency of an irreversible heat engine is always less than the efficiency of a reversible one operating between the same two reservoirs. ηth, irrev < ηth, rev • The efficiencies of all reversible heat engines operating between the same two reservoirs are the same. (ηth, rev)A= (ηth, rev)B • Both Can be demonstrated using the second law (K-P statement and C-statement). Therefore, the Carnot heat engine defines the maximum efficiency any practical heat engine can reach up to.

Efficiency of a Carnot Engine

The Carnot Principles • Thermal efficiency ηth=Wnet/QH=1-(QL/QH)=f(TL,TH) and it can be shown that ηth=1-(QL/QH)=1-(TL/TH). This is called the Carnot efficiency.

• For a typical steam power plant operating

between TH=800 K (boiler) and TL=300 K(cooling tower), the maximum achievable efficiency is 62.5%.

Efficiency of a Carnot Engine

Let us analyze an ideal gas undergoing a Carnot cycle between two temperatures TH and TL.  1 to 2, isothermal expansion, DU12 = 0 QH = Q12 = W12 = ∫PdV = mRTHln(V2/V1)  2 to 3, adiabatic expansion, Q23 = 0 (TL/TH) = (V2/V3)k-1  (1)  3 to 4, isothermal compression, DU34 = 0 QL = Q34 = W34 = - mRTLln(V4/V3) 4 to 1, adiabatic compression, Q41 = 0 (TL/TH) = (V1/V4)k-1  (2)

From (1) & (2), (V2/V3) = (V1/V4) and (V2/V1) = (V3/V4) ηth = 1-(QL/QH )= 1-(TL/TH) since ln(V2/V1) = ln(V4/V3) It has been proven that η = 1-(Q /Q )= 1-(T /T ) for all Carnot

Efficiency of a Carnot Engine Qc W e= = 1− Qh Qh

Karena siklus carnot bekerja pada dua daerah isothermal dan adiabatis maka Qc Tc = Qh Th Ideal, Carnot efficiency:

eCarnot

Tc = 1− Th

Carnot Efficiency A Carnot heat engine operating between a hightemperature source at 900 K and reject heat to a low-temperature reservoir at 300 K. (b) Determine the thermal efficiency of the engine. (c) If the temperature of the high-temperature source is decreased incrementally, how is the thermal efficiency changes with the temperature.

Carnot Efficiency 1

th

T 300 = 1− = 0.667 = 66.7% T 900 L

H

Fixed T = 300( K ) and lowering T L

η (T ) = 1 − th

H

Efficiency

η =1−

0.8 Th( T )

Lower TH

0.6 0.4

H

0.2

300 T

0

200

H

600

800

1000

T Temperature (TH)

The higher the temperature, the higher the "quality" of the energy: More work can be done

400

1

Fixed T = 900( K ) and increasing T H

L

T η (T ) = 1 − 900 L

th

H

Efficiency

0.8 TH( TL )

0.6 0.4 0.2 0

200

400

600

800

TL Temperature (TL)

1000

Carnot Efficiency • Similarly, the higher the temperature of the lowtemperature sink, the more difficult for a heat engine to transfer heat into it, thus, lower thermal efficiency also. That is why low-temperature reservoirs such as rivers and lakes are popular for this reason.

Carnot Efficiency • To increase the thermal efficiency of a gas power turbine, one would like to increase the temperature of the combustion chamber. However, that sometimes conflict with other design requirements. Example: turbine blades can not withstand the high temperature gas, thus leads to early fatigue. Solutions: better material research and/or innovative cooling design.

Carnot Efficiency • Work is in general more valuable compared to heat since the work can convert to heat almost 100% but not the other way around. Heat becomes useless when it is transferred to a low-temperature source because the thermal efficiency will be very low according to hth=1-(TL/TH). This is why there is little incentive to extract the massive thermal energy stored in the oceans and lakes.

Refrigerator dan Pompa kalor Carnot

COP Refrigerasi Dan Pompa Kalor Carnot

Kesimpulan Hukum I dan II Termodinamika • Hukum Pertama mengatakan : ∆U = W

+ q ; Anda tidak dapat memperoleh lebih banyak energi dari sistem melebihi yang telah anda berikan pada sistem (you can’t win) • Hukum kedua mengatakan :efesiensi<100%; anda tidak dapat memperoleh energi sebanyak yang telah anda berikan pada sistem (you can’t break even)