- 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.
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. Dalam satu siklus mesin Carnot terdiri dari empat proses yaitu pemuaian dan pemampatan adibatik, dan pemuaian serta pemampatan isotermis.
Skema mesin kalor seperti pada gambar di bawah ini.
Mesin Pendingin
Prinsip sederhana mesin pendingin adalah menyerap energi (kalor) dari reservoir suhu rendah, kemudian membuangnya ke suhu tinggi.
Perlu dipahami, mesin akan bekerja ketika diberikan usaha dari luar, karena tidak mungkin kalor mengalir dari suhu rendah ke tinggi dengan sendirinya.
Dalam mesin pendingin tidak dikenal efisiensi, tetapi dikenal koefisien daya guna mesin atau Coeficient Of Performance, Kp. semakin tinggi koefisien daya guna, semakin baik suatu mesin pendingin.
Persamaan koefisien daya guna mesin dituliskan sebagai berikut:
\[\\K_{p}=\frac{Q_{2}}{W}\\\\K_{p}=\frac{Q_{2}}{Q_{1}-Q_{2}}\\\\K_{p}=\frac{T_{2}}{T_{1}-T_{2}}\]
Kp 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 T2temperature 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.SOAL DAN PENYELESAIAN HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA
1. Sebuah mesin kalor bekerja diantara suhu 800K dan 300K. Untuk setiap 400J kalor yang diserap, mesin menghasilkan kerja 200J. Tentukanlah efisiensi kerja tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Karena yang ditanyakan efisiensi mesin, ini menunjukkan efisiensi real bukan efisiensi maksimum.
$\small \\\eta =\frac{W}{Q_{1}}\\\\ \eta =\left (\frac{200}{400} \right )\times 100\%\\\\ \eta =50\%$
2. Sebuah mesin menyerap kalor dari reservoir 727 derajat Celcius dan membung ke reservoir 527 derajat Celcius. Jika mesin beroperasi pada efisiensi maksimumnya, untuk setiap 2000 Joule kalor yang diserap, tentukanlah usaha yang dilakukan oleh mesin tersebut!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Usaha yang dilakukan oleh mesin dapat dihitung dengan persamaan efisiensi maksimum.
$\small \\\eta=\frac{W}{Q_{1}}\\ 1-\frac{T_{2}}{T_{1}}=\frac{W}{Q_{1}}\\\\ 1-\frac{800}{1000}=\frac{W}{2000}\\\\\small W=400J$
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!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Ketika efisiesi 40%, suhu reservoir dingin adalah
$\small \\\eta _{o}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{40}{100}=1-\frac{T_{2}}{400}\\\\T_{2}=240K$
Ketika efisiensi menjadi 60%, suhu reservoir dingin menjadi
$\small \\\eta =1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{60}{100}=1-\frac{T_{2}}{400}\\\\ T_{2}=160K$ Selisih penurunan suhu pada resevoir dingin adalah 240K-160K = 80K
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%!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Sebelum menentukan suhu resevoir panas, hitung dahulu suhu resevoir dingin untuk efisiensi awal.
$\small \\\eta _{o}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{40}{100}=1-\frac{T_{2}}{800}\\\\ T_{2}=480K$
Suhu reservoir panas ketika efisiensi 50% adalah
$\small \\\eta=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}\\\\ \frac{50}{100}=1-\frac{480}{T_{1}}\\\\ T_{1}=960K$
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!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Kalor yang diserap oleh mesin dalam setiap siklus adalah
$\small \\\eta =1-\frac{Q_{2}}{Q_{1}}\\\\\frac{20}{100} =1-\frac{8000}{Q_{1}}\\\\ Q_{1}=10^{4}J$
Usaha yang dilakukan oleh mesin adalah selisih kalor yang masuk dan keluar W=10000J-8000J=2000J.
Waktu untuk satu siklus dapat dihitung dengan rumus daya.
$\\P=\frac{W}{t}\\\\t=\frac{W}{P}\\\\ t=\frac{2000}{5000}=0.4s$
6. 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!
Jawaban Fisika dari Pak Dimpun:
Nilai koefisien daya guna mesin adalah
$\\K_{p}=\frac{T_{2}}{T_{1}-T_{2}}\\\\K_{p}=\frac{270}{300-270}=9$
Kalor yang dibuang ke reservoir suhu rendah
$\\Q_{1}=K_{p}.W\\\\Q_{1}=1200.9\\\\Q_{1}=10800J$Barangkali yang anda cari ada di sini:
CONTOH SOAL DAN PENYELESAIAN TERMODINAMIKA
