Hukum Kedua Termodinamika

Pada artikel ini, hukum kedua termodinamika atau hukum II termodinamika akan kita bicarakan termasuk aplikasinya dalam mesin kalor (contoh mesin Carnot), dan mesin pendingin. Tak hanya itu konsep efisiensi dan koefisien daya guna (Coeficient Of Performance) mesin juga menjadi objek kajian yang tidak terpisahkan.

Sedikit kembali ke hukum pertama termodinamika mengenai hukum kekekalan energi. Pada hukum tersebut hanya dijelaskan bahwa energi dapat berpindah dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Sayangnya, proses yang terjadi tidak menjelaskan batasan-batasan apa yang harus dipenuhi ketika perubahan energi terjadi. Pada hukum II termodinamika, kita akan mempelajari batasan apa yang harus dipenuhi ketika ada proses perubahan energi. Hukum II Termodinamika merupakan kesimpulan pengamatan yang dilakukan oleh tiga fisikawan yaitu Kelvin-Planck dan Clasius. Ketiga pernyataan fisikawan tersebut dapat dirangkum sebagai berikut:

• Menurut Kelvin-Planck, tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus, menerima kalor dari reservoir, dan mengubah kalor tersebut seluruhnya menjadi usaha. 
• Menurut Clasius, tidak mungkin membuat suatu mesin yang bekerja dalam suatu siklus, mengambil kalor dari reservoir bersuhu rendah, dan memberikannya ke reservoir suhu tinggi, tanpa memerlukan usaha dari luar. 

Aplikasi pernyataan pertama hukum II termodinamika adalah mengenai mesin kalor, sedangkan aplikasi pernyataan kedua membicarakan mengenai mesin pendingin.

Mesin Kalor: Prinsip sederhana mesin kalor adalah menyerap energi (kalor) dari reservoir suhu tinggi, kemudian sebagian energi digunakan menjadi usaha, dan sisanya dibuang ke reservoir suhu rendah dalam bentuk kalor. Contoh sebuah mesin kalor yang paling ideal adalah mesin Carnot (dibaca Carnoh). Dalam  satu siklus mesin Carnot terdiri dari empat proses yaitu pemuaian dan pemampatan adibatik, dan pemuaian serta pemampatan isotermis. Skema mesin kalor dapat dilihat seperti pada gambar di bawah ini.

Di bawah ini adalah persamaan yang menyatakan usaha dan efisiensi aktual serta efisiensi ideal sebuah mesin kalor. Dalam beberapa kasus, persamaan tersebut sangat berguna dalam menyelesaikan permasalahan yang muncul dalam mesin kalor.

η menunjukkan efisiensi mesin, Q₂ kalor yang dilepas sistem, Q₁ kalor yang diserap sistem,  T₁ menunjukkan temparature reservoir suhu tinggi, dan T₂ temperature reservoir suhu rendah, dan W adalah usaha yang dilakukan oleh mesin/sistem. Contoh mesin kalor dalam kehidupan sehari-hari adalah mesin uap, dan mesin kendaraan bermotor (mesin otto dan mesin diesel).

Kaji-1: Sebuah mesin kalor bekerja diantara suhu 800K dan 300K. Untuk setiap 400J kalor yang diserap, mesin menghasilkan kerja 200J. Tentukanlah efisiensi kerja tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.


Karena yang ditanyakan efisiensi mesin, ini menunjukkan efisiensi real bukan efisiensi maksimum.

Latih-1: Sebuah mesin kalor bekerja diantara suhu 900K dan 300K. Untuk setiap 500J kalor yang diserap, mesin menghasilkan kerja 300J. Tentukanlah efisiensi kerja tersebut!

Kaji-2: Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoir 727 derajat Celcius dan membung ke reservoir 525 derajat Celcius. Jika mesin beroperasi pada efisiensi maksimumnya, untuk setiap 2000 Joule  kalor yang diserap, tentukanlah usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Usaha yang dilakukan oleh mesin dapat dihitung dengan persamaan efisiensi maksimum.

Latih-2: Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoir 527 derajat Celcius dan membung ke reservoir 327 derajat Celcius. Jika mesin beroperasi pada efisiensi maksimumnya, untuk setiap 1000 Joule  kalor yang diserap, tentukanlah usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut!

Kaji-3: (SIMAK-UI 2010) Sebuah mesin Carnot memiliki efisiensi 40%. Jika suhu reservoir panas 127 derajat Celcius, penurunan suhu reservoir dingin meningkatkan efisiensi menjadi 60%. Tentukanlah penurunan suhu resevoir dingin tersebut!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Ketika efisiesi 40%, suhu reservoir dingin adalah

Ketika efisiensi  menjadi 60%, suhu reservoir dingin menjadi

Selisih penurunan suhu pada resevoir dingin adalah 240K-160K = 80K

Latih-3: Sebuah mesin Carnot memiliki efisiensi 40%. Jika suhu reservoir panas 227 derajat Celcius, penurunan suhu reservoir dingin meningkatkan efisiensi menjadi 50%. Tentukanlah penurunan suhu resevoir dingin tersebut!

Kaji-4: Sebuah mesin carnot yang mempunyai reservoir suhu tinggi bersuhu 800K mempunyai efisiensi sebesar 40%. Agar efisiensi naik menjadi 50%, suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan. Tentukanlah suhu reservoir suhu tinggi ketika efisiensi menjadi 50%!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Sebelum menentukan suhu resevoir panas, hitung dahulu suhu resevoir dingin untuk efisiensi awal.


Suhu reservoir panas ketika efisiensi 50% adalah

Latih-4: Sebuah mesin carnot yang mempunyai reservoir suhu tinggi bersuhu 700K mempunyai efisiensi sebesar 50%. Agar efisiensi naik menjadi 60%, suhu reservoir suhu tinggi harus dinaikkan. Tentukanlah suhu reservoir suhu tinggi ketika efisiensi menjadi 60%!

Kaji-5: (SIMAK-UI 2010) Sebuah mesin kalor yang efisiensinya 20% memiliki daya keluaran 5 kW. Mesin ini membuang kalor sebesar 8000 J/siklus. Tentukanlah energi yang diserap oleh mesin persiklusnya dan interval waktu untuk setiap siklus!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Kalor yang diserap oleh mesin dalam setiap siklus adalah

Usaha yang dilakukan oleh mesin adalah selisih kalor yang masuk dan keluar 10000J-8000J=2000J.
Waktu untuk satu siklus dapat dihitung dengan rumus daya.

Latih-5: Sebuah mesin kalor yang efisiensinya 40% memiliki daya keluaran 4 kW. Mesin ini membuang kalor sebesar 5000 J/siklus. Tentukanlah energi yang diserap oleh mesin persiklusnya dan interval waktu untuk setiap siklus!

Mesin Pendingin: Prinsip sederhana mesin pendingin adalah menyerap energi (kalor) dari reservoir suhu rendah, kemudian membuangnya ke suhu tinggi.  Tetapi perlu dipahami, mesin akan bekerja ketika diberikan usaha dari luar. Jadi faktor penentu bekerja nya sebuah mesin pendingin ketika diberikan usaha dari luar karena kalau tidak "tidak mungkin kalor akan mengalir dari suhu rendah ke tinggi dengan sendirinya". Sebagai gambaran, skema mesin pendingin dapat digambarkan sebagai berikut ini.

Dalam mesin pendingin tidak dikenal efisiensi, tetapi dikenal koefisien daya guna mesin atau Coeficient Of Performance. Semakin tinggi koefisien daya guna, semakin baik suatu mesin pendingin. Itu artinya semakin kecil mesin tersebut diberikan usaha dari luar untuk bekerja. Persamaan yang menyatakan koefisien daya guna mesin dituliskan sebagai berikut:

COP menunjukkan Coeficient Of Performance (koefisien daya guna mesin), Q₂ kalor yang diserap dari reservoir suhu rendah, Q₁ kalor yang dilepas ke reservoir suhu tinggi. Sedangkan  T₁ menunjukkan temparature reservoir suhu tinggi, dan T₂ temperature reservoir suhu rendah, serta W adalah usaha yang diberikan pada mesin pendingin. Semakin kecil nilai W maka semakin baik sebuah mesin pendingin karena memerlukan energi luar yang kecil.

Kaji-1: Sebuah mesin pendingin bekerja pada suhu -3 derajat Celcius dan 27 derajat Celcius. Mesin tersebut bekerja ketika dihubungkan dengan energi listrik sebesar 1200 Joule. Tentukanlah, a) Koefisien daya guna mesin, b) kalor yang dibuat ke resevoir suhu tinggi, c) kalor yang diserap dari reservoir suhu rendah!

Jawab:
Besaran yang diketahui.

Nilai koefisien daya guna mesin adalah


Kalor yang dibuang ke reservoir suhu rendah

Latih-1: Sebuah mesin pendingin bekerja pada suhu -5 derajat Celcius dan 20 derajat Celcius. Mesin tersebut bekerja ketika dihubungkan dengan energi listrik sebesar 1000 Joule. Tentukanlah, a) Koefisien daya guna mesin, b) kalor yang dibuat ke resevoir suhu tinggi, c) kalor yang diserap dari reservoir suhu rendah!