MENGENAL DEKAT TERMODINAMIKA

Kamis, 30 April 2015

Perubahan Suhu

Suhu dan pemuaian adalah salah satu diantara sekian banyak topik yang sering dibahas dalam kajian ilmu Fisika. Berikut ini akan kami sajikan sedikit pembahasan tentang suhu dan pemuaian.

Suhu

Kata suhu sering diartikan sebagai suatu besaran yang menyatakan derajat panas atau dinginnya suatu benda. Seperti besaran lainnya, kita dapat mengukur besaran suhu ini dengan menggunakan alat ukur yang bernama termometer, suatu alat yang dinyatakan dengan angka tertentu yang berfungsi sebagai skala pengukuran suhu. Dewasa ini, telah dikenal berbagai jenis ragam skala untuk pengukuran suhu, yaitu:

1. Skala Celcius.

Ditemukan pertama kali oleh Anders Celcius pada tahun 1742.

Titik lebur: 0 derajat

Titik didih: 100 derajat

Jumlah skala: 100

2. Skala Reaumur

Ditemukan pertama kali oleh Rene Antoine Ferchault de Reaumur pada tahun 1731.

Titik lebur: 0 derajat

Titik didih: 80 derajat

Jumlah skala: 80

3. Skala Fahrenheit

Ditemukan pertama kali oleh Daniel Gabriel Fahrenheit pada tahun 1744

Titik lebur: 32 derajat

Titik didih: 212 derajat

Jumlah skala: 180

4. Skala Kelvin

Ditemukan pertama kali oleh Lord Kelvin pada tahun 1848.

Titik lebur: 273 derajat

Titik didih: 373 derajat

Jumlah skala: 100

Perbandingan skala antara termometer Celcius, Reaumur, dan Fahrenheit adalah:

C : R : F = 5 : 4 : 9

Dengan memperhatikan titik tetap bawah dari masing-masing skala diatas, maka hubungan dari skala-skala tersebut adalah:

Konversi Skala Celcius dan skala Kelvin adalah:

Pemuaian

Pada umumnya, Sebagian besar zat akan memuai bila dipanaskan dan menyusut ketika didinginkan. Bila suatu zat dipanaskan (suhunya dinaikkan) maka molekul molekulnya akan bergetar lebih cepat dan amplitudo getaran akan bertambah besar, akibatnya jarak antara molekul benda menjadi lebih besar dan terjadilah pemuaian. Pemuaian adalah bertambahnya ukuran benda akibat kenaikan suhu zat tersebut. Pemuaian dapat terjadi pada zat padat, cair, dan gas. Besarnya pemuaian zat sangat tergantung ukuran benda semula, kenaikan suhu dan jenis zat. Efek pemuaian zat sangat bermanfaat dalam pengembangan berbagai teknologi. Berikut ini jenis-jenis pemuaian:

1. Pemuaian Panjang

Alat yang digunakan untuk menyelidiki pemuaian panjang berbagai jenis zat padat adalah musschenbroek. Pemuaian panjang suatu benda dipengaruhi oleh panjang mula-mula benda, besar kenaikan suhu, dan tergantung dari jenis benda.

Hubungan antara panjang benda, suhu, dan koefisien muai panjang dinyatakan dengan persamaan:

2. Pemuaian Luas

Jika yang dipanaskan adalah suatu lempeng atau plat tipis maka plat tersebut akan mengalami pemuaian pada panjang dan lebarnya. Dengan demikian lempeng akan mengalami pemuaian luas atau pemuaian bidang.

Hubungan antara luas benda, pertambahan luas suhu, dan koefisien muai luas suatu zat adalah:

Pemuaian luas dapat kita amati pada jendela kaca rumah. Pada saat udara dingin kaca menyusut karena koefisien muai kaca lebih besar daripada koefisien muai kayu. Jika suhu memanas maka kaca akan memuai lebih besar daripada kayu kusen sehingga kaca akan terlihat terpasang dengan sangat rapat pada kusen kayu.

3. Pemuaian Volume

Jika suatu balok mula-mula memiliki panjang P, lebar L, dan tinggi h dipanaskan hingga suhunya bertambah Δt, maka berdasarkan pada pemikiran muai panjang dan luas diperoleh harga volume balok tersebut sebesar

Kapasitas Panas

Kapasitas panas yang ada pada sebagian besar sistem tidaklah konstan, namun bergantung pada variasi kondisi dari sistem termodinamika. Kapasitas panas bergantung pada temperatur itu sendiri, dan juga tekanan dan volume dari sistem.

Berbagai cara untuk mengukur kapasitas panas dapat dilakukan, yang secara umum dilakukan pada kondisi tekanankonstan atau volume konstan. Sehingga simbol kapasitas jenisnya disesuaikan, menjadi C_p untuk kapasitas jenis pada tekanan konstan, dan C_V untuk kapasitas jenis pada volume konstan. Gas dan cairan umumnya diukur pada volume konstan. Pengukuran pada tekanan konstan akan menghasilkan nilai yang lebih besar karena nilai tekanan konstan juga mencakup energi panas yang digunakan untuk melakukan kerja untuk mengembangkan volume zat ketika temperatur ditingkatkan.

Panas jenis spesifik dari suatu zat merupakan molekul yang tidak pada kondisi konstan melainkan bergantung pada temperaturnya. Temperatur pada lingkungan pengukuran yang dibuat biasanya juga ditentukan. Conth dua cara untuk menuliskan panas jenis dari suatu zat yaitu:

Air (cair): c_p = 4.1855 [J/(g·K)] (15 °C, 101.325 kPa) atau 1 kalori/gram °C
Air (cair): C_vH = 74.539 J/(mol·K) (25 °C)

Untuk cairan dan gas, penting untuk mengetahui tekanan yang digunakan dalam menuliskan nilai kapasitas panas. Kebanyakan data yang dipublikasikan dituliskan pada kondisi tekanan standar.

Hubungan termodinamika

Energi internal dari sebuah sistem tertutup akan berubah dengan menambahkan panas ke sistem atau ketika sistem melakukan kerja.

{\ \mathrm{d}U = \delta Q + \delta W }.

Untuk kerja sebagai hasil dari perubahan volume sistem:

{\ \mathrm{d}U = \delta Q - P\mathrm{d}V }.

Jika panas ditambahan pada volume konstan:

\left(\frac{\partial U}{\partial T}\right)_V=\left(\frac{\partial Q}{\partial T}\right)_V=C_V.

Jadilah kapasitas panas pada volume konstan, C_V.

Untuk kapasitas panas pada tekanan konstan, C_P, yang diturunkan dari persamaan perubahan entalpi:

{\ H = U + PV }.

Perubahan pada entalpi dapat dirumuskan dengan:

{\ \mathrm{d}H = \delta Q + V \mathrm{d}P },

Sehingga pada tekanan konstan, didapatkan:

\left(\frac{\partial H}{\partial T}\right)_P=\left(\frac{\partial Q}{\partial T}\right)_P=C_P.

Hubungan antara kapasitas panas[sunting | sunting sumber]

Artikel utama untuk bagian ini adalah: Hubungan antara kapasitas panas

Pengukuran kapasitas panas pada volume konstan seringkali sulit dilakukan pada benda berwujud padat dan cair, karena perubahan temperatur dapat membuat volume zat mengalami pemuaian sehingga membutuhkan penampung yang memiliki kekuatan yang sangat tinggi. Lebih mudah menghitung secara tekanan konstan dan lalu menurunkannya menggunakan persamaan termodinamika dasar.

C_p - C_V = T \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_{V,N} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p,N}

Bisa juga dituliskan dengan:

C_{p} - C_{V}= V T\frac{\alpha^{2}}{\beta_{T}}\,

di mana

\alpha

adalah koefisien pemuaian

\beta_T

adalah kompresibilitas isotermal

Rasio kapasitas panas atau indeks adiabatik adalah rasio dari kapasitas panas pada tekanan konstan terhadap kapasitas panas pada volume konstan, yang dapat disebut juga sebagai faktor ekspansi isentropik.

Gas ideal[sunting | sunting sumber]

Untuk gas ideal, mengevaluasi persamaan turunan parsial di atas berdasarkan persamaan keadaan di mana R adalah konstanta gas ideal^[1]

p V = R T \;

C_p - C_V = T \left(\frac{\partial p}{\partial T}\right)_{V} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}

C_p - C_V = -T \left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_{T} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}^2

p =\frac{RT}{V }

→

\left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_{T}=\frac{-RT}{V^2 }

\frac{-p}{V }

V =\frac{RT}{p }

→

\left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}^2=\frac{R^2}{p^2}

Substitusikan

-T \left(\frac{\partial p}{\partial V}\right)_{T} \left(\frac{\partial V}{\partial T}\right)_{p}^2

-T\left(\frac{-p}{V }\right) \left(\frac{R^2}{p^2}\right)=R

Sehingga akan didapatkan persamaan Mayer jika direduksi

C_p - C_V = R

Kapasitas panas spesifik (panas jenis)

Kapasitas panas spesifik (atau panas jenis) adalah kapasitas panas per basis massa

c={\partial C \over \partial m},

di mana pada ketiadaan transisi fase zat akan didapatkan panas jenis:

c=E_ m={C \over m} = {C \over {\rho V}},

di mana

C

adalah kapasitas panas

m

adalah massa zat

V

volume zat

\rho = \frac{m}{V}

massa jenis zat

Untuk gas dan bahan lainnya yang berada pada tekanan tinggi, terdapat perbedaan nilai panas jenis pada kondisi yang berbeda. Kapasitas panas dapati didefinisikan dengan measukkan kondisi proses isobarik (tekanan konstan,

dp = 0

) danproses isokhorik (volume konstan,

dV = 0

). Hubungan panas jenisnya dapat dirumuskan dengan:

c_p = \left(\frac{\partial C}{\partial m}\right)_p,

c_V = \left(\frac{\partial C}{\partial m}\right)_V.

Sesuai dengan persamaan sebelumnya:

c_p - c_V = \frac{\alpha^2 T}{\rho \beta_T}.

Efisiensi

Efisiensi mesin panas berhubungan berapa banyak pekerjaan yang berguna adalah output untuk

jumlah tertentu masukan energi panas.

Pada operasinya, fluida kerja dari mesin kalor menyerap panas (QH) dari reservoar panas,

kemudian menghasilkan sejumlah kerja bersih (W), melepaskan panas (QC) dari reservoar dingin

dan akhirnya kembali pada kondisi awalnya.

Dengan kondisi ini, hukum I Thermodinamika menjadi :

Untuk mendapatkan efisiensi thermal 100%, QC haruslah nol. Sayangnya tidak ada

satupun mesin yang mampu mencapai kondisi ini, pasti akan selalu ada panas yang dibuang ke reservoar dingin. Hal yang menentukan limit atas efisiensi adalah derajat reversibilitas dari

operasinya. Oleh karena itu lah, mesin kalor yang beroperasi secara benar-

benar reversibel adalah mesin yang ideal dan disebut dengan mesin Carnot.

Dengan kata lain, mesin panas menyerap energi panas dari sumber panas suhu tinggi, mengubah bagian dari itu untuk pekerjaan yang berguna dan memberikan sisanya untuk heat sink suhu dingin.

Secara umum, efisiensi proses perpindahan panas yang diberikan (apakah itu kulkas, pompa panas atau mesin) didefinisikan secara informal oleh rasio "apa yang keluar" untuk "apa yang Anda meletakkan masuk"

Dalam kasus mesin, satu keinginan untuk mengekstrak dan menempatkan pekerjaan dalam transfer panas.

Efisiensi maksimum teoritis dari setiap mesin panas hanya bergantung pada suhu beroperasi antara. Efisiensi ini biasanya diturunkan menggunakan mesin panas yang ideal imajiner seperti mesin panas Carnot , meskipun mesin lain yang menggunakan siklus yang berbeda juga dapat mencapai efisiensi maksimum. Secara matematis, hal ini karena di reversibel proses, perubahan entropi dari reservoir dingin adalah negatif itu dari reservoir panas (yaitu, ), Menjaga perubahan keseluruhan entropi nol.

Dengan demikian: dimana adalah temperatur absolut dari sumber panas dan bahwa dari wastafel dingin, biasanya diukur dalam kelvin . Perhatikan bahwa adalah positif sementara adalah negatif, dalam setiap proses kerja-extracting reversibel, entropi keseluruhan tidak meningkat, melainkan dipindahkan dari suatu sistem panas (tinggi entropi) ke dingin (low-

entropi satu), mengurangi entropi dari sumber panas dan meningkat bahwa dari heat sink.

Alasan di balik ini menjadi efisiensi maksimal berjalan sebagai berikut. Hal ini pertama diasumsikan bahwa jika mesin panas lebih efisien daripada mesin Carnot adalah mungkin, maka bisa didorong secara terbalik sebagai pompa panas. Analisis matematis dapat digunakan untuk menunjukkan bahwa kombinasi diasumsikan akan menghasilkan penurunan bersih dalam entropi . Karena, dengan hukum kedua termodinamika , ini secara statistik tidak mungkin ke titik pengecualian, efisiensi Carnot adalah atas teoritis terikat pada efisiensi yang handal dari setiap proses.

Secara empiris, tidak ada mesin panas yang pernah ditunjukkan untuk dijalankan pada efisiensi yang lebih besar daripada mesin panas siklus Carnot.

Mesoscopic Engine Panas

Mesin panas mesoscopic adalah perangkat nano yang dapat melayani tujuan fluks panas pengolahan dan melakukan pekerjaan yang berguna pada skala kecil. Potensi aplikasi termasuk perangkat misalnya pendingin listrik. Dalam mesin panas mesoscopic tersebut, bekerja per siklus operasi berfluktuasi karena noise termal. Ada kesetaraan yang tepat yang berkaitan rata-

rata eksponen pekerjaan yang dilakukan oleh setiap mesin panas dan perpindahan panas dari mandi panas yang lebih panas. Hubungan ini mengubah ketidaksamaan Carnot ke dalam kesetaraan yang

tepat.

Mesin Panas Endoreversible

Efisiensi yang paling Carnot sebagai kriteria kinerja panas mesin adalah kenyataan bahwa dengan sifatnya, setiap siklus Carnot maksimal efisien harus beroperasi pada gradien suhu sangat kecil. Hal ini karena adanya transfer panas antara dua benda pada suhu yang berbeda tidak dapat diubah, dan karena ekspresi efisiensi Carnot hanya berlaku dalam batas sangat kecil. Masalah utama dengan itu adalah bahwa obyek mesin panas yang paling adalah untuk output semacam kekuasaan, dan kekuasaan sangat kecil biasanya tidak apa yang sedang dicari.

Sebuah ukuran yang berbeda efisiensi mesin panas yang ideal diberikan oleh pertimbangan termodinamika endoreversible , di mana siklus identik dengan siklus Carnot kecuali dalam bahwa dua proses perpindahan panas yang tidak reversibel (Callen 1985):

(Catatan: Unit K atau ° R )

Model ini melakukan pekerjaan yang lebih baik memprediksi seberapa baik dunia nyata mesin panas dapat lakukan (Callen 1985, lihat juga termodinamika endoreversible )

Siklus Carnot (Siklus Tenaga Uap)

Salah satu jenis mesin refrigerasi yang umum digunakan pada zaman sekarang adalah jenis kompresi uap. Mesin pendingin jenis ini bekerja secara mekanik dan perpindahan panas dilakukan dengan memanfaatkan sifat refrigeran yang berubah dari fase cair ke fase gas (uap) dan kembali ke fase cair secara berulang-ulang.

Refrigeran mendidih pada suhu yang jauh lebih rendah dibandingkan air pada tekanan yang sama. Misalnya, amonia yang sering digunakan sebagai refrigeran, pada tekanan 1 atmosfir (101.3 kPa) dapat mendidih pada suhu -33ᵒC. Suhu titik didih refrigeran dapat diubah dengan cara mengubah tekanannya, misalnya, untuk menaikkan suhu titik didih amonia menjadi 0 oC, tekanan harus dinaikkan menjadi 428.5 kPa.Keragaan suatu siklus refrigerasi umumnya dinyatakan dalam berbagai terminologi, seperti ton refrigerasi, koefisien tampilan, dan efisiensi refrigerasi. Satu ton refrigerasi didefinisikan sebagai kapasitas pendinginan yang diserap oleh satu ton es untuk menjadi cair selama 24 jam, yaitu 1357 W (200 Btu/menit) .Istilah ton refrigerasi umum digunakan untuk mesin pendingin berkapasitas besar.

Berasal dari standar yang digunakan, yaitu panas yang diserap oleh 1 ton (2000 lb) es saat mencair selama 24 jam. Karena panas laten pencairan es adalah 144 Btu/lb, maka panas yang diserap (2000 lb X 144 Btu/lb)/(24 jam X 60 menit) adalah 200 Btu/menit.

Siklus Carnot adalah siklus termodinamika ideal yang mampu balik, yang pada mulanya digunakan sebagai standar terhadap kemungkinan maksimum konversi energi panas ke energi mekanik. Dalam bentuk sebaliknya, juga digunakan sebagai standar penampilan maksimum suatu alat pendingin. Siklus Carnot tidak mungkin diterapkan karena tidak mungkin mendapatkan suatu siklus yang mutlak mampu-balik di alam nyata, tetapi dapat dianggap sebagai kriteria pembatas untuk siklus-siklus lainnya.

Siklus Carnot berlangsung dengan suatu urutan yang terdiri atas 4 proses yang mampu-balik, yaitu dua proses adiabatik dan dua proses isotermik

Jika siklus Carnot dibalik, akan diperoleh siklus yang menjadi ukuran kinerja maksimum yang mungkin diperoleh dari suatu mesin pendingin. Dalam hal ini, kerja harus diberikan pada siklus, zat kerja dikembangkan secara adiabatik dari TH ke TC, menyerap panas pada TC dengan entropi yang meningkat darisa ke sb. Selanjutnya, zat kerja dikempa secara adiabatik dari TC ke TH, melepas panas secara isotermal pada TH dengan entropi menurun dari sb ke sa. Dengan demikian, siklus Carnot dapat digunakan untuk tiga tujuan yaitu:

1. mengubah energi panas menjadi energi mekanik (sebagai mesin panas)

2. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat dan melepaskannya di tempat yang diinginkan (sebagai pompa panas)

3. menggunakan energi mekanik untuk menyerap panas dari suatu tempat yang diinginkan dan membuangnya di tempat lain (sebagai mesin pendingin)

Tujuan (2) dan (3) didasarkan pada siklus Carnot terbalik dan berbeda hanya pada hasil akhir yang diinginkan. Proses yang berlangsung pada siklus pendinginan dan siklus pompa panas pada prinsipnya sama dan hanya berbeda pada tujuan akhir proses. Pada siklus pendinginan yang menjadi tujuan adalah mendapatkan suhu yang lebih rendah dari lingkungannya, sebaliknya pada siklus pompa panas yang menjadi tujuan akhir adalah memperoleh suhu yang lebih tinggi dari lingkungannya.

Penampilan mesin pendingin dan pompa panas umumnya dinyatakan dalam koefisien penampilan (coefficient of performance, COP). Koefisien penampilan (coefficient of performance, cop) telah digunakan sebagai alat pengukur keefektifan suatu alat dan didefinisikan sebagai perbandingan antara hasil akhir yang diperoleh dengan kerja bersih yang harus diberikan.

untuk pompa panas,

dan untuk mesin panas,

Meskipun siklus Carnot sangat efisien bekerja di antara dua sumber panas tertentu dan sangat berguna sebagai kriteria bagi siklus yang bekerja secara sempurna, terdapat kelemahan yang sangat jelas jika gas digunakan sebagai refrigeran.

Kelemahan-kelemahan tersebut antara lain adalah :

1. Terjadinya tekanan yang sangat tinggi dan volume yang sangat besar karena kenaikan tekanan terjadi saat berlangsungnya kompresi isentropik serta saat proses pelepasan panas secara isotermal.

2. Proses pindah panas dengan menggunakan gas, yaitu media yang mempunyai kapasitas panas tertentu, tidak mungkin diperoleh di dalam praktek.

3. Diagram p-v siklus yang bekerja dengan menggunakan gas sangat sempit sehingga sedikit ke-tak-mampubalikan di dalam proses tertentu akan mengakibatkan peningkatan kerja yang dilakukan yang sangat besar dan merupakan bagian terbesar kerja bersih siklus tersebut.

Koefisien tampilan menyatakan keefektifan suatu sistem pendingin, yang merupakan perbandingan antara efek pendinginan bermanfaat terhadap energi bersih yang harus disediakan dari luar untuk mendapatkan efek pendinginan tersebut.

Efisiensi refrigerasi menunjukkan kedekatan sistem atau siklus pendingin tersebut dengan siklus ideal yang mampu-balik, yaitu siklus Carnot.