Mesin Kalor

FI-1101: Kuliah 14
TERMODINAMIKA
Hukum Termodinamika ke-0
Hukum Termodinamika ke-1
Hukum Termodinamika ke-2
Mesin Kalor
Prinsip Carnot & Mesin Carnot
FI-1101: Termodinamika, Hal 1
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 2
Hukum I Termodinamika
Energi dalam sistem bersifat konservatif, perubahan energi
dalam hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan
akhir.
 DU = Uf – Ui

dU = Cv dT
Kalor adalah energi yang mengalir atau berpindah karena
perbedaan temperatur. Kalor masuk/keluar ini
menyebabkan perubahan keadaan sistem (P,V, T, U, dsb.)
dQ = C dT
Usaha W merupakan mekanisme transfer energi antara
sistem & lingkungannya.
W   dW   PAdx   PdV  PDV  PV f  Vi 
f
i
f
i
dx
f
i
mg
F=PA
FI-1101: Termodinamika, Hal 3
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
FI-1101: Termodinamika, Hal 4
Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan)

Proses Isobarik (Tekanan Tetap) untuk sistem gas ideal
W   PdV  PV f  Vi 
f
P
i
Pi Pf

Ti T f
Tf
Q   C p dT
Ti
a
b
Vo
V1
Tf
DU   C p dT  PV f  Vi 
V
Ti

Proses Isokhorik (Volume Tetap) untuk sistem gas ideal
f
W 
P
 PdV  0
i
P1
b
Po
a
Tf
DU  Q 
C
Ti
V
dT
Ti T f

Vi V f
V
FI-1101: Termodinamika, Hal 5
Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)

Proses Isotermal (Temperatur Tetap) untuk sistem gas
ideal
Tf
P
DU   CV dT  0  Q  W
Ti
b
a
V
Selanjutnya dari persamaan gas ideal
nRT C 0

V
V
f
f
Vf
nRT
Q  W   PdV  
dV  nRT ln 
V
 Vi
i
i
PV  nRT  kons tan  P 

V 
  NkT ln  f 

 Vi 
FI-1101: Termodinamika, Hal 6
Hukum I Termodinamika…(Beberapa contoh penerapan..)

Proses Adiabatik (tidak ada pertukaran kalor) untuk gas
ideal.
Q  0  DU  W
P
b
T2
Selanjutnya dari persamaan gas ideal
T1
a
V
dU  CV dT
nRT
nRT
dV 
dV  CV dT
V
V
C dT
C
dV
 V
 ln V   V ln T  kons tan
V
nR T
nR
dW  PdV 
FI-1101: Termodinamika, Hal 7
Proses Adiabatik (sambungan …)

Mengingat
C p  CV  nR
CV
 1 

CV   1  nR 
 
nR
   1 
 1 
 ln T  kons tan
ln V  
   1 
ln TV  1  C  kons tan

Dengan demikian
PV  1
V
 C  kons tan  PV   C1  kons tan
nR
FI-1101: Termodinamika, Hal 8
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 9
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 10
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 11
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 12
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:
Kerja yg dilakukan W
e

(15. 1)
Input panas
QH

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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 13
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:
QH  QC
QC
e
 1
QH
QH
(15.3)
FI-1101: Termodinamika, Hal 14
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
W
 1

QC  QH  W   W  2510 J 
 1  8900 J
e
 0.22 
FI-1101: Termodinamika, Hal 15
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 16
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 17
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 18
Prinsip Carnot dan Mesin Carnot …

Untuk mesin Carnot, perbandingan antara kalor yang
dibuang QC dengan kalor input QH dapa dinyatakan dengan
persamaan berikut:
QC TC

QH TH
(15.4)
dengan TC dan TH dalam kelvins (K).

Efisiensi mesin Carnot dapat dituliskan sebgai berikut:
QC
TC
e  1
 1
QH
TH
(15.5)
Hubungan ini memberikan nilai efisiensi maksimum yang
mungkin dari suatu mesin kalor yang beroperasi antara TC
dan TH
FI-1101: Termodinamika, Hal 19
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.
FI-1101: Termodinamika, Hal 20
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 danTC = 280.2 K ke
dalam persamaan 15.5, diperoleh:
TC
 280,2 K 
e  1
 1 
  0.06(6%)
TH
 298,2 K 
FI-1101: Termodinamika, Hal 21