Aplikasi Hukum Kedua dan Ketiga Termodinamika

Presentasi berjudul: "Aplikasi Hukum Kedua dan Ketiga Termodinamika"— Transcript presentasi:

1 Aplikasi Hukum Kedua dan Ketiga Termodinamika
Dewi Rohmatul Ilmi ( )

2 Hukum Kedua Termodinamika
“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 entropi (besaran termodinamika yang menyertai suatu perubahan setiap keadaan dari awal sampai akhir sistem dan menyatakan ketidakteraturan suatu sistem). Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketia proses irreversible terjadi. Aplikasi Hukum Kedua Termodinamika

3 1. Mesin Pendingin (Lemari es)
Sebelum ditemukannya kulkas, orang lebih banyak membawa makanan mereka ke pinggir danau yang bersalju kemudian menyimpannya disana untuk mengawetkannya dan hal ini menjadi sesuatu yang biasa dilakukan oleh masyarakat tempo dulu. Selain itu berbagai cara digunakan oleh orang-orang ketika itu untuk mengawetkan makanan baik itu melalui pengasapan, pengasinan dan pengeringan namun cara-cara tersebut masih saja terdapat banyak kekurangan. Kemudian di abad ke 11, seorang ilmuwan muslim dari Iran bernama Ibnu Sina menemukan sebuah kumparan pendingin yang mengkondensasi uap beraroma menjadi cairan. Teknologi penyulingan ini menghasilkan minyak esensial ditulis oleh Ibnu Sina dalam bukunya.

4 Mesin Pendingin (Lemari es)
Mesin pendingin merupakan peralatan yang prinsip kerjanya berkebalikan dengan mesin kalor. Pada mesin pendingin terjadi aliran kalor dari reservoir bersuhu rendah ke reservoir bersuhu tinggi dengan melakukan usaha pada sistem. Salah satu contoh mesin pendingin adalah lemari es. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungan yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah TL (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperatur tinggi Th (ruangan) Meskipun memiliki cara kerja lemari es dengan mesin kalor berlwanan, akan tetapi prinsip kerja lemari es masih berhubungan dengan hukum perpindahan kalor (membalikkan arah normal aliran energi panas). Kulkas dapat bekerja karena adanya refrigeran, yaitu zat semacam freon yang bertitik didih rendah sehingga terjadi perubahan wujud antara cair dan gas. Sebaguan cairan, refrigeran berperan dakam penyerapan energi panas dari udara dingin di dalam lemari es untuk diubah menjadi gas

5 A-B : Un-useful superheat (kenaikan temperatur yang menambah beban kompresor).
B-C : proses kompresi (gas refrigerant bertekanan dan temperatur rendah dinaikkan tekanannya ). C-D : Proses de-superheating (temperatur refrigeran mengalami pemurunan, tetapi tidak mengalami perubahan wujud, refrigeran masih dalam bentuk gas) D-E : Proses kondensasi (terjadi perubahan wujud refrigeran dari gas menjadi cair tanpa merubah temperaturnya) E-F : Proses sub-cooling di kondenser ( refrigeran yang sudah dalam bentuk cair masih membuang kalor ke udara sekitar sehingga mengalami penurunan temperatur). F-G : Proses sub-cooling di pipa liquid (Refrigeran cair masih mengalami penurunan temperatur karena temperaturnya masih diatas temperatur udara sekitar). G-H : Proses ekspansi/penurunan tekanan (Refrigeran dalam bentuk cair diturunkan tekanannya sehingga temperatur saturasinya berada dibawah temperatur ruangan yangdidinginkan) H-I : Proses evaporasi (refrigeran yang bertemperatur rendah menyerap kalor dari udara yang dilewatkan ke evaporator. Terjadi perubahan wujud refrigeran, yaitu dari cair menjadi gas.

6 Cara kerja lemari es secara umum
Dengan mengalirkan listrik pada kompresor, kompresor akan bekerja menghisap gas refrigeran yang bersuhu dan bertekanan rendah dari saluran hisap dan evaporator. Kompresor kemudian memampatkan gas refrigeran sehingga menjadi uap/gas bertekanan tinggi dan bersuhu tinggi. Gas refrigeran yang panas dan bertekanan tinggi tersebut di dalam kondensor akan didinginkan oleh udara di luar lemari es (panas berpindah dari kondensor ke lingkungan luar) sehingga suhunya turun, mencapai suhu kondensasi (pengembunan) dan wujudnya berubah menjadi cair, tapi tekanannya tetap tinggi. Refrigeran ini kemudian mengalir ke dalam penyaring (strainer dan drier), lalu masuk ke dalam pipa kapiler yang berdiameter kecil dan panjang sehingga tekanannya turun drastis dari pipa kapiler, refrigeran cair yang tekananya sudah sangat rendah ini selanjutnya memasuki ruang evaporator yang memiliki tekanan yang rendah hingga vakum, sehingga titik didihnya semakin rendah. Oleh sebab itu, refrigeran segera berubah wujud menjadi gas. Untuk dapat menguap di dalam evaporator, refrigeran memerlukan kalor. kalor diserap dari sekeliling evaporator, yaitu isi lemari es.Selanjutnya gas refrigeran memasuki akumulator untuk dipisahkan dengan refrigeran yang masih berwujud cair. Hanya refrigeran yang berwujud gas yang boleh memasuki saluran hisap, kemudian kembali lagi ke kompresor untuk dimampatkan, kemudian dipompakan lagi ke kondensor, begitu seterusnya. Selain cooling cycle, lemari es juga memiliki kerja pendukung yaitu mencairkan es (defrost). Bila defrost tidak berfungsi, maka bunga es akan semakin menumpuk di luar pipa evaporator sehingga akhirnya daya mendinginkan akan semakin berkurang. Kerja mencairkan es di evaporator dikerjakan oleh defrost heater (pemanas listrik) dengan berbagai variasi rangkaian. Namun memiliki prinsip kerja yang sama, yaitu mengatur waktu pendinginan dan pencairan es secara bergantian agar tercapai pendinginan yang optimal di dalam lemari es.

7 2. Mesin Diesel Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran yang lebih spesifik, sebuah mesin pemicu kompresi (pemberi tekanan yang tinggi ), dimana bahan bakar  dinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergilain (seperti busi). Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang menerima paten pada 23 Februari 1893. Diesel menginginkan sebuah mesin yang dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar, termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle(Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang (lihat biodiesel). Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering. 

8 Siklus Mesin Diesel A-B : Mula-mula udara ditekan secara adiabatik (penekanan secara adiabatik menyebabkan suhu dan tekanan udara meningkat). B-C : Lalu dipanaskan pada tekanan konstan. Kemudian penyuntik alias injector menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran. Pembakaran terjadi karena suhu dan tekanan udara sangat tinggi, sehingga ketika solar disemprotkan ke dalam silinder maka solar langsung terbakar dan tidak perlu pakai busi lagi. C-D : Gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik. D-A : Pendinginan pada volume konstan gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara yang baru masuk kesilinder v. Dari grafik ini, tampak bahwa untuk proses yang terjadi secara terus menerus(siklus), selalu ada kalor yang terbuang. Hal ini sesuai dengan penyataan Kelvin-Planck.

9 Dapat disimpulkan bahwa setiap mesin kalor pada dasarnya memiliki zat kerja tertentu. Zat kerja untuk mesin diesel adalah udara dan solar. Zat kerja biasanya menyerap kalor pada suhu yang tinggi (QH), melakukan usaha alias kerja (W), lalu membuang kalor sisa pada suhu yang lebih rendah (QL). Karena energi kekal, maka QH = W + QL. Karena efisiensi 100 % tidak bisa dicapai oleh mesin, maka kita bisa menyimpulkan bahwa tidak mungkin semua kalor masukan (QH) digunakan untuk melakukan kerja. Pasti adakalor yang terbuang (QL). Berbeda dengan mesin bensin (Otto), pembakaran gas dilakukan dengan memberikan kompresi hingga tekanannya tinggi. Untuk perbandingan tekanan yang sama , mesin Otto mempunyai efisiensi yang lebih besar dibandingkan dengan mesin Diesel. Hal ini dikarenakan mesin diesel bekerja pada perbandingan tekanan yang tinggi untuk mencapai efisiensi yang tinggi.

10 Tidak mungkin ada mesin kalor (yang bekerja dalam suatu siklus) yang dapat mengubahsemua kalor alias panas menjadi kerja seluruhnya  (Hukum kedua termodinamika–pernyataan Kelvin-Planck ). Aplikasi mesin diesel terdapat pada mesin genset, kendaraan bermotor seperti bus, mobil serta alat transportasi lainnya. Mesin diesel juga dipakai untuk pembangkit listrik yang menghasilkan tegangan dalam jumlah besar. Mesin kalor berbeda dengan pompa kalor. Perbedaannya, terletak hanya pada proses kerjanya. Mesin kalor adalah alat yang berfungsi untuk mengubah energi panas menjadi energi mekanik. Misalnya pada mesin mobil, energi panas hasil pembakaran bahan bakar diubah menjadi energi gerak mobil. Tetapi, dalam semua mesin kalor kita ketahui bahwa pengubahan energi panas ke energi mekanik selalu disertai pengeluaran gas buang, yang membawa sejumlah energi panas. Dengan demikian, hanya sebagian energi panas hasil pembakaran bahan bakar yang Mesin kalor membuat energi mengalir dari lokasi yang lebih panas ke lokasi yang lebih dingin, menghasilkan fraksi dari proses tersebut sebagai kerja. Kebalikannya, pompa kalor membutuhkan kerja untuk memindahkan energi termal dari lokasi yang lebih dingin kelokasi yang lebih panas.

11 Hukum Ketiga Termodinamika
"Suatu sistem yang mencapai temperatur nol absolut, semua prosesnya akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum." Entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Sehingga setiap kristal sempurna adalah nol pada suhu nol absolut atau nol derajat Kelvin (K). Pada keadaan ini setiap atom pada posisi yang pasti dan memiliki energi dalam terendah. Aplikasi Hukum Ketiga Termodinamika

12 Superkonduktor Superkonduktor adalah suatu material yang mengalami fenomena tidak memiliki hambatan listrik atau tanpa adanya sumber tergangan, namun memiliki arus yang mengalir dengan energinya tetap ada. Karakteristik dari bahan Superkonduktor adalah medan magnet dalam superkonduktor bernilai nol dan mengalami efek meissner; menghilangkan garis medan magnet dari interior superkonduktor karena transisi pada batas superkonduktor tersebut. Oleh karenanya terjadinya efek ini menunjukkan bahwa superkonduktivitas yang tidak dapat dipahami hanya sebagai idealisasi konduktivitas sempurna dalam fisika klasik.

13 Dalam superkonduktor, perlawanan turun tiba-tiba menjadi nol ketika material didinginkan di bawah temperatur kritis. Arus listrik yang mengalir dalam loop kawat superkonduktor dapat bertahan tanpa batas waktu tanpa sumber listrik. Superkonduktor membutuhkan suhu yang sangat dingin, pada urutan 39 kelvin (minus 234 C, dikurangi 389 F) untuk superkonduktor konvensional.

14 Bahan superkonduktor adalah suatu bahan yang dapat mengalirkan arus listrik tanpa tahanan listrik sedikitpun bahan ini terdiri dari campuran unsur-unsur tertentu yang dapat mengalirkan arus listrik tanpa tahanan pada suhu yang sangat rendah. Arus yang mengalir pada rangkaian tertutup dari bahan superkonduktor akan terus mengalir selamanya. Superkonduktivitas ini disebut juga sebagai “fenomena quantum makroskopis”. Bahan Superkonduktor terjadi pada : 1.Bahan konduktor murni (Aluminium) 2.Berbagai campuran logam(alloy) 3.Bahan semikonduktor 4.Bahan isolator (keramik) Bahan Superkonduktor tidak terjadi pada : 1.Bahan emas 2. Bahan perak 3.Bahan ferromagnetik

15 Hubungan Suhu Kritis dengan Suhu Superkonduktor
Grafik diatas menunjukan hubungan antara suhu kritis dengan suhu bahan superkonduktor. Jika suhu yang diberikan pada bahan superkonduktor makin besar, maka suhu kritis bahan akan mendekati nilai nol kelvin.

16 Tipe-tipe Superkonduktor
Superkonduktor tipe I Menurut teori BCS (Bardeen, Cooper, dan Schrieffer) dijelaskan dengan menggunakan pasangan elektron (yang sering disebut pasangan Cooper). Pasangan elektron bergerak sepanjang terowongan penarik yang dibentuk ion- ion logam yang bermuatan positif. Akibat dari adanya pembentukan pasangan dan tarikan ini arus listrik akan bergerak dengan merata dan superkonduktivitas akan terjadi. Superkonduktor yang seperti ini disebut superkonduktor jenis pertama yang secara fisik ditandai dengan efek Meissner, yakni gejala penolakan medan magnet luar (asalkan kuat medannya tidak terlalu tinggi) oleh superkonduktor. Bila kuat medannya melebihi batas kritis, gejala superkonduktivitasnya akan menghilang. Maka pada superkonduktor tipe I akan terus – menerus menolak medan magnet yang diberikan hingga mencapai medan magnet kritis. Kemudian dengan tiba-tiba bahan akan berubah kembali ke keadaan normal. Bahan superkonduktor tipe 1 kebanyakan adalah unsur-unsur tunggal. Superkonduktor Tipe II Superkonduktor tipe II ini tidak dapat dijelaskan dengan teori BCS. Abrisokov berhasil memformulasikan teori baru untuk menjelaskan superkonduktor jenis II ini. Ia mendasarkan teorinya pada kerapatan pasangan elektron yang dinyatakan dalam parameter keteraturan fungsi gelombang. Abrisokov dapat menunjukkan bahwa parameter tersebut dapat mendeskripsikan pusaran (vortices) dan bagaimana medan magnet dapat memenetrasi bahan sepanjang terowongan dalam pusaran-pusaran ini. Teori ini merupakan terobosan dan masih digunakan dalam pengembangan dan analisis superkonduktor dan magnet. Superkonduktor tipe II akan menolak medan magnet yang diberikan. Namun perubahan sifat kemagnetan tidak tiba-tiba tetapi secara bertahap. Tipe II memiliki suhu kritis yang lebih tinggi dari superkonduktor tipe I. Kelompok superkonduktor tipe II, biasanya berupa kombinasi unsur molybdenum (Mo), niobium (Nb), timah (Sn), vanadium (V), germanium(Ge), indium (In) atau galium (Ga). Sebagian merupakan senyawa, sebagian lagi merupakan larutan padatan.

17 The end Terimakasih...