2nd LAW OF THERMODYNAMICS A. Agung Putu Susastriawan., ST., M.Tech

Objectives: Mahasiswa memahami dan mengerti pengertian dari hukum II Termodinamika Mahasiswa mengerti dan memahami tentang siklus carnot Mahasiswa dapat menerapkan prinsip dari siklus carnot pada heat engines  

Sesuai dengan kaidah hukum I termodinamika, yaitu panas yang dilepaskan kopi diterima oleh udara sekitarnya dengan jumlah yang sama. Namun, apakah kopi dalam cangkir tersebut dapat lebih panas dari temperature kopi mula-mula? Secara alami kopi tadi tidak akan mendapatkan panas dari udara sekitarnya yang lebih dingin.

Energy potensial beban berkurang karena elevasi beban berkurang (Paddle Wheel) Energy potensial beban berkurang karena elevasi beban berkurang internal energi fluida bertambah sesuai dengan energy conservation principle. Secara alami dengan memberikan heat/kalor yang sama ke paddle wheel tidak akan dapat menaikkan beban tersebut.

6.1. Hukum II Termodinamika Walaupun sebuah system telah memenuhi hukum I Termodinamika, belum tentu proses tersebut dapat terjadi. Proses terjadi dari sistem dengan kaulitas energi yang lebih tinggi ke sistem dengan kualitas energi yang lebih rendah. Selain quantitas, energi juga memiliki qualitas. Arah proses ditentukan oleh hukum II Termodinamika.

6.2. Thermal Energy Reservoir Reservoir adalah hypothetical body yang mempunyai kapasitas thermal yang sangat besar (mass x specific heat) untuk disupply atau diabsorb tanpa adanya perubahan temperature pada body tersebut. Energi yang disupply maupun yang diabsorb adalah dalam bentuk panas, sehingga sering pula disebut dengan Thermal Reservoir. Contoh: lautan, sungai, danau, dan udara atmosfer. Source: reservoir yang mensupply energi dalam bentuk heat Sink: reservoir yang mengabsorb energi dalam bentuk heat

Thermal energy source dan sink.

Kelvin-Planck Statement of 2nd Law of Thermodynamics: “It is impossible for any device that operates on a cycle to receive heat from a single reservoir and produce a net amount of work”. Statement ini berhubungan dengan Heat Engine Clausius Statement of 2nd Law of Thermodynamics: “It is impossible to construct a device that operates in a cycle and produces no effect other than the transfer of heat from a lower-temperature body to a higher-temperature body”. Clausius Statement berhubungan dengan Heat Pump dan Refrigerator

6.3. Heat Engine Menerima heat/panas dari source bertemperature tinggi (solar energy, furnace, fuel energy, dll) Mengubah sebagian panas ini menjadi kerja/work Melepaskan sisa panas ke sink bertemperature rendah (atmosfer, sungai, dll) Beroperasi pada suatu siklus Contoh yang paling tepat dari heat engine adalah steam power plant, namun mesin penghasil energi yang lainnya seperti internal combustion engine dan gas turbine juga sering dimasukkan ke dalam heat engine.

Thermal Efficiency Thermal efficiency (ηt) adalah fraksi dari total heat input (Qin) yang dikonversi menjadi kerja output (Wnet, out) Untuk closed system : Wnet, out = Qin – Qout (kJ)

Thermal efficiency heat engine (HE) menjadi: Atau: QL = heat transfer dari heat engine ke reservoir temperature rendah QH = heat transfer dari reservoir temperature tinggi ke heat engine Tidak ada Heat Engines yang mempunyai efisiensi thermal 100%. Tidak semua panas yang diberikan dirubah menjadi kerja, ada yang dilepaskan ke reservoir temperature rendah. Kenyataan ini sesuai dengan Kelvin-Planck Statement.

6.4. Refrigerators Refrigerator adalah alat yang mentransfer panas dari medium temperature rendah ke medium temperature yang lebih tinggi. Tujuan utama dari refrigerator adalah mendinginkan suatu medium/ruangan dengan menyerap panas dari ruangan tersebut. Working fluid dari refrigerator disebut Refrigerant. Refrigerator beroperasi pada suatu siklus, biasanya vapor-compression refrigeration cycle.

Siklus refrigerasi melibatkan 4 komponen utama, yaitu: compressor, condenser, expansion valve, dan evaporator.

Coefficient of Performance of Refrigerator (COPR) atau dimana: Wnet.in = QH - QL COPR nilainya bisa lebih besar dari 1 dan umumnya lebih besar dari 1, sehingga untuk refrigerator digunakan istilah COP bukan efisiensi.

6.5. Heat Pump Heat pump beoperasi pada siklus yang sama dengan siklus refrigerator. Hanya saja tujuan penggunaan heat pump adalah untuk memanaskan medium/ruangan. Panas dari atmosfer diserap oleh heat pump dan ditransfer ke ruangan Coefficient of Performance of Heat Pump atau

6.6. Carnot Cycle (Siklus Carnot) Siklus Carnot untuk pertama kalinya dikenalkan oleh Sardi Carnot pada tahun 1824. Theoritical heat engine yang beroperasi berdasarkan siklus Carnot disebut Carnot Heat Engine. Siklus Carnot terdiri atas 4 proses reversible (2 isothermal dan 2 adiabatic) baik dalam closed system maupun steady flow. Prinsip Siklus Carnot: Efisiensi irreversible heat engine selalu lebih rendah dari yang reversible yang beroperasi pada temperature yang sama Reversible heat engine yang beroperasi pada reservoir yang sama memiliki efisiensi yang sama.

1-2: Reversible Isothermal Expansion (TH = constant) 2-3: Reversible Adiabatic Expansion (Temperature drop dari TH ke TL) 3-4: Reversible Isothermal Compression (TL = constant) 4-1: Reversible Adiabatic Compression (Tmeperature naik dari TL ke TH)

Effisiensi siklus carnot T adalah absolute temperature (K) Diagram P-V siklus carnot

Carnot Heat Engine Hypothetical heat engine yang beroperasi dengan siklus Carnot disebut Carnot Heat Engine. Reversible Heat Engine Carnot Refrigerator: Carnot Heat Pump:

Contoh Soal Steam power plant mendapat panas dari furnace dengan laju 280 GJ/h. Panas yang hilang dari steam selama mengalir dalam pipa adalah 8 GJ/h. Jika laju pendinginan didalam cooling tower adalah 145 GJ/h, tentukan: Net power output Thermal efficiency dari steam power plant ini Mesin automotif mengkonsumsi 28 L/h bensin untuk menghasilkan daya 60 kW. Jika heating value bensin adalah 44 MJ/kg dan densitynya 0.8 g/m3, tentukan thermal efficiency dari mesin tersebut.

Total heat rejection: Net power output menjadi: Thermal efficiency

Mesin automotif mengkonsumsi 28 L/h bensin untuk menghasilkan daya 60 kW. Jika heating value bensin adalah 44 MJ/kg dan densitynya 0.8 g/m3, tentukan thermal efficiency dari mesin tersebut. Laju panas yang disupply: Thermal efficiency

Sebuah Air Conditioner mendinginkan ruangan pada laju 750 kJ/min, dengan konsumsi daya listrik 6 kW. Tentukan: COP laju panas yang dibuang ke udara luar

Coefficient of Performance dari AC Heat transfer rate

Tentukan COP dari sebuah Heat Pump yang mensupply panas dengan laju 8000 kJ/h untuk setiap 1 kW daya listrik yang dikonsumsi. Juga tentukan panas yang diserap dari lingkungan sekitarnya Room QH = 8000 kJ/h HP 1 kW Outside

Thermal Efficiency Power output

Carnot Refrigerator berada disebuah ruangan bertemperature 22 0C Carnot Refrigerator berada disebuah ruangan bertemperature 22 0C. Carnot refrigerator ini mengkonsumsi 2 kW daya listrik. Jika ruangan refrigerator harus dijaga tetap bertemperature 3 0C, maka tentukan laju panas yang harus dipindahkan dari ruang refrigerator tersebut

COP Carnot Refrigerator tergantung pada temperature Heat removal rate