Pengertian HUKUM II TERMODINAMIKA

Hukum kedua termodinamika adalah ekspresi dari kecenderungan yang dari waktu ke waktu, perbedaan suhu, tekanan, dan menyeimbangkan potensi kimia dalam terisolasi sistem fisik . Dari keadaan kesetimbangan termodinamika , hukum menyimpulkan prinsip peningkatan entropi dan menjelaskan fenomena ireversibilitas di alam. Hukum kedua menyatakan ketidakmungkinan mesin yang menghasilkan energi yang dapat digunakan dari energi internal melimpah alam dengan proses yang disebut gerak abadi dari jenis yang kedua.

Hukum kedua dapat dinyatakan dengan cara tertentu, tetapi rumusan pertama adalah dikreditkan ke ilmuwan Jerman Rudolf Clausius .Hukum biasanya dinyatakan dalam bentuk fisik proses mustahil. Dalam termodinamika klasik , hukum kedua adalah dasar dalil yang berlaku untuk setiap sistem yang melibatkan terukur panas transfer, sedangkan pada termodinamika statistik , hukum kedua adalah konsekuensidari unitarity dalam teori kuantum . Dalam termodinamika klasik, hukum kedua mendefinisikan konsep termodinamika entropi , sementara di entropi mekanika statistik didefinisikan dari teori informasi , yang dikenal sebagai entropi Shannon .

Arah Proses Termodinamik

1.      Proses termodinamik yang berlanggsung secara alami seluruhnya disebut proses ireversibel (irreversibel process). Proses tersebut berlanggsung secara spontan pada satu arah tetapi tidak pada arah sebaliknya. Contohnya kalor berpindah dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah.

2.      Proses reversibel adalah proses termodinamik yang dapat berlanggsung secara bolak-balik. Sebuah sistem yang mengalami idealisasi proses reversibel selalu mendekati keadaan kesetimbangan termodinamika antara sistem itu sendiri dan lingkungannya. Proses reversibel merupakan proses seperti-kesetimbangan(quasi equilibrium process).

Tiga Pernyataan Bagi Hukum Kedua Termodinamika

1.      Kalor tidak mengalir secara spontan dari dingin ke panas. (sebaliknya: dapat spontan?)

2.      Tidak ada mesin yang dapat mengubah kalor menjadi usaha secara utuh, (sebaliknya: dapat spontan?)

3.      Setiap sistem terisolasi condong menjadi acak. (sistem terbuka: dapat menumbuhkaketeraturan?)

Kalor tidak akan mengalir spontan dari benda dingin ke benda panas
[Rudolf Clausius (1822 – 1888)]

1. Pada taraf molekular:

–        Molekul yang bergerak lebih cepat, akan menyebarkan energinya kepada lingkungannya

2. Pada taraf makroskopik:

–        Perlu pasokan energi / usaha, untuk mendinginkan sebuah benda

Anda tidak dapat membuat mesin yang sekedar mengubah kalor menjadi usaha sepenuhnya[Kelvin (1824 – 1907) & Planck (1858 – 1947)]

1. Efisiensi mesin tidak dapat 100%
2. Diperlukan tandon panas dan tandon dingin
3. Tandon panas menjadi sumber energi
4. Perlu membuang kalor pada suhu yang lebih rendah, ke tandon dingin
5. Biasanya tandon suhu terendah = atmosfer

Hukum II Termodinamika

1. Jika tidak ada kerja dari luar, panas tidak dapat merambat secara spontan dari suhu rendah ke suhu tinggi (Clausius)
2. Proses perubahan kerja menjadi panas merupakan proses irreversible jika tidak terjadi proses lainnya (Thomson-Kelvin-Planck)
3. Suatu mesin tidak mungkin bekerja dengan hanya mengambil energi dari suatu sumber suhu tinggi kemudian membuangnya ke sumber panas tersebut untuk menghasilkan kerja abadi (Ketidakmungkinan mesin abadi)
4. Mesin Carnot adalah salah satu mesin reversible yang menghasilkan daya paling ideal.  Mesin ideal memiliki efisiensi maksimum yang mungkin dicapai secara teoritis

Mesin Kalor

            Rangkaian dari beberapa proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama disebut siklus.

                                         

                                                                                              

                                     

Untuk sebuah siklus, DT = 0 oleh karena itu DU = 0. Sehingga

                                                             Q = W.

Q menyatakan selisih kalor yang masuk (Q₁) dan kalor  yang keluar (Q₂) (Q = Q₁- Q₂) dan W adalah kerja total dalam satu siklus.

Siklus Carnot

            Tahun 1824 Sadi Carnot menunjukkan bahwa mesin kalor terbalikkan adengan siklus antara dua reservoir panas adalah mesin yang paling efisien.

            Siklus Carnot terdiri dari proses isotermis dan proses adiabatis.

1.      Proses a-b : ekaspansi isotermal pada temperatur T_h (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur tinggi. Dalam proses ini gas menyerap kalor T_h dari reservoir dan melakukan usaha W_ab menggerakkan piston.

 

2.      Proses b-c : ekaspansi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas turun dari T_h ke T_c  (temperatur rendah) dan melakukan usaha W_ab.

3.      Proses c-d : kompresi isotermal pada temperatur T_c (temperatur tinggi). Gas dalam keadaan kontak dengan reservoir temperatur rendah. Dalam proses ini gas melepas kalor Q_c dari reservoir dan mendapat usaha dari luar W_cd

4.      Proses d-a : kompresi adiabatik. Tidak ada kalor yang diserap maupun keluar sistem. Selama proses temperatur gas naik dari T_c ke T_h  dan mendapat usaha W_da .

Efisiensi dari mesin kalor siklus Carnot :

                        h= W/Q_h = 1 - Q_c /Q_h

karena Q_c /Q_h = T_c /T_h (buktikan)

maka

                        h=  1 - T_c /T_h

Mesin kalor yang telah dibahas sebelumnya menyatakan :

1.      kalor diserap dari sumbernya pada temperatur tinggi (Q_h)

2.      Usaha dilakukan oleh mesin kalor (W).

3.      Kalor dilepas pada temperatur rendah (Qc).

Dari kenyataan ini menujukkan bahwa efisiensi mesin kalor tidak pernah berharga 100 %. karena Qc selalu ada dalam setiap siklus. Dari sini Kelvin-Planck menyatakan :

“Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor, yang beroperasi pada suatu siklus, hanyalah mentransformasikan ke dalam usaha semua kalor yang diserapnya dari sebuah sumber”.

Secara sederhana, kalor tidak dapat mengalir dari objek dingin ke objek panas secara spontan.

Entropi

            Konsep temperatur muncul dalam hukum ke-nol termodinamika. Konsep energi internal muncul dalam hukum pertama termodinamika. Dalam hukum kedua termodinamika muncul konsep tentang entropi.

Misal ada proses terbalikkan, quasi-statik,  jika dQ adalah kalor yang diserap atau dilepas oleh sistem selama proses dalam interval lintasan yang kecil,

                                                dS = dQ/T

1.      Entropi dari alam naik bila proses yang berlangsung alamiah

2.      Perubahan entropi dari suatu sistem hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem.

     untuk proses dalam satu siklus perubahan entropi nol DS = 0.

3.      Untuk proses adiabatik terbalikkan, tidak ada kalor yang masuk maupun keluar sistem, maka DS = 0. Proses ini disebut proses isentropik.

4.      Entropi dari alam akan tetap konstan bila proses terjadi secara terbalikkan.

Untuk proses quasi-statik, terbalikkan, berlaku hubungan : dQ = dU + dW dimana dW = pdV. Untuk gas ideal, dU = nc_v dT dan P = nRT/V, oleh karena itu

                                    dQ = dU + pdV = nc_v dT + nRT  dV/V

bila dibagi dengan T

                                    dQ/T = nc_vdT/T + nR  dV/V

                                    DS = òdQ/T = nc_v ln(T_f/T_i) + nR ln(V_f/V_i)