Siklus termodinamika dan hukum II termodinamika

1. Siklus Carnot
Berdasarkan sifatnya siklus dibagi menjadi 2 ,yaitu siklus reversible (dapat balik) dan siklus irreversible (tidak dapat balik). Siklus carnot termasuk siklus reversible.
- pada proses A-B terjadi ekspansi isotermik
- pada proses B-C terjadi ekspansi adiabatik
- pada proses C-D terjadi pemampatan isotermik
- pada proses D-A terjadi pemampatan adiabatik

Mesin kalor dan mesin pendingin menggunakan siklus energi kalor secara spontan dan tidak spontan. Jika mesin kalor kalor menyerap energi \bf{Q_1} dari benda bersuhu tinggi ~ sebab \bf secara \ spontan \ kalor \ melepaskan \ panas \ atau \ energinya \ pada \ suhu \ tinggi dan benda yang bersuhu rendah akan secara spontan menyerap energi tersebut. Benda bersuhu rendah dinyatakan mempunyai energi sebesar \bf{Q_2}.

Berdasar prinsip mesin pemanas tersebut, maka

perhitungan efisiensi mesin panas menjadi :
\eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1} x 100%


Efisiensi mesin pendingin Carnot adalah sebagai berikut :

K=Q2/Q1-Q2

karena \bf{Q_1} selalu lebih besar nilainya dari \bf{Q_2} maka hasil pembagian fungsi tersebut selalu lebih dari angka 1.


2. Siklus Otto

Siklus mesin bakar atau biasa disebut siklus Otto ..
- pada proses 1-2 terjadi pemampatan adiabatik
- pada proses 2-3 terjadi isokhorik
- pada proses 3-4 terjadi ekspansi adiabatik
- pada proses 4-1 terjadi iskhorik

Usaha yang dilakukan sistem pada siklus Otto adalah :
W= Q1 - Q2

Efisiensi siklus Otto adalah :
efisiensi= 1 - Q2/Q1



3. Siklus Diesel
- pada proses 1-3 terjadi pemampatan adiabatik
- pada proses 3-3a langkah daya pertama ekspansi isobarik
- pada proses 3a-4 terjadi ekspansi adiabatik
- pada proses 4-1 terjadi penurunan suhu


4. Siklus Rankine

Siklus mesin uap disebut juga siklus Rankine.

suhu dan energi kinetik
Dari hukum gas ideal
PV = NkBT(1)
dimana B adalah konstanta Boltzmann dan T adalah suhu absolut. Dan dari rumus diatas, dihasilkan Gagal memparse (kesalahan sintaks): PV={Nmv_{rms}^2\overset 3}
Derivat:

(2)
yang menuju ke fungsi energi kinetik dari sebuah molekul

Energi kinetik dari sistem adalah N kali lipat dari molekul
Suhunya menjadi
(3)
Persamaan 3 ini adalah salah satu hasil penting dari teori kinetik
“ Rerata energi kinetik molekuler adalah sebanding dengan suhu absolut. ”
Dari persamaan 1 dan 3 didapat:
(4)
Dengan demikian, hasil dari tekanan dan volume tiap mol sebanding dengan rerata energi kinetik molekuler. Persamaan 1 dan 4 disebut dengan hasil klasik, yang juga dapat diturunkan dari mekanika statistik[1].
Karena 3N adalah derajat kebebasan (DK) dalam sebuah sistem gas monoatomik dengan N partikel, energi kinetik tiap DK adalah:
(5)
Dalam energi kinetik tiap DK, konstanta kesetaraan suhu adalah setengah dari konstanta Boltzmann. Hasil ini berhubungan dengan teorema ekuipartisi. Seperti yang dijelaskan pada artikel kapasitas bahang, gas diatomik seharusnya mempunyai 7 derajat kebebasan, tetapi gas yang lebih ringan berlaku sebagai gas yang hanya mempunyai 5. Dengan demikian, energi kinetik tiap kelvin (gas ideal monoatomik) adalah:
• Tiap mole: 12.47 J
• Tiap molekul: 20.7 yJ = 129 μeV
Pada STP (273,15 K , 1 atm), didapat:
• Tiap mole: 3406 J
• Tiap molekul: 5.65 zJ = 35.2 meV
[sunting] Banyaknya tumbukan dengan dinding
Jumlah tumbukan atom dengan dinding wadah tiap satuan luar tiap satuan waktu dapat diketahui. Asumsikan pada gas ideal, derivasi dari [2] menghasilkan persamaan untuk jumlah seluruh tumbukan tiap satuan waktu tiap satuan luas:

Hukum pertama Termodinamika yaitu :
“Kenaikan energi internal dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah energi panas yang di tambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.”
1. Hukum ini diterapkan pada gas, khususnya gas ideal

PV = n R T
P . DV + -V . DP = n R DT
2. Energi adalah kekal, jika diperhitungkan semua bentuk energi yang timbul.
3. Usaha tidak diperoleh jika tidak diberi energi dari luar.
4. Dalam suatu sistem berlaku persamaan termodinamika I:

DQ = DU+ DW

DQ = kalor yang diserap
DU = perubanan energi dalam
DW = usaha (kerja) luar yang dilakukan
DARI PERSAMAAN TERMODINAMIKA I DAPAT DIJABARKAN:
1. Pada proses isobarik (tekanan tetap) ® DP = 0; sehingga,

DW = P . DV = P (V2 - V1) ® P. DV = n .R DT
DQ = n . Cp . DT ® maka Cp = 5/2 R (kalor jenis pada tekanan tetap)
DU-= 3/2 n . R . DT

2. Pada proses isokhorik (Volume tetap) ® DV =O; sehingga,

DW = 0 ® DQ = DU
DQ = n . Cv . DT ® maka Cv = 3/2 R (kalor jenis pada volume tetap)
AU = 3/2 n . R . DT

3. Pada proses isotermik (temperatur tetap): ® DT = 0 ;sehingga,

DU = 0 ® DQ = DW = nRT ln (V2/V1)
4. Pada proses adiabatik (tidak ada pertukaran kalor antara sistem dengan sekelilingnya) ® DQ = 0 Berlaku hubungan::

PVg = konstan ® g = Cp/Cv ,disebut konstanta Laplace

5. Cara lain untuk menghitung usaha adalah menghitung luas daerah di bawah garis proses.


6.
Usaha pada proses a ® b adalah luas abb*a*a

Perhatikan perbedaan grafik isotermik dan adiabatik ® penurunan adiabatik lebih curam dan mengikuti persamaan PVg= C.

Jadi:
1. jika DP > DV, maka grafik adiabatik.
2. jika DP = DV, maka grafik isotermik.
Catatan:
1. Jika sistem menerima panas, maka sistem akan melakukan kerja dan energi akan naik. Sehingga DQ, DW ® (+).
2. Jika sistem menerima kerja, maka sistem akan mengeluarkan panas dan energi dalam akan turun. Sehingga DQ, DW ® (-).
3. Untuk gas monoatomik (He, Ne, dll), energi dalam (U) gas adalah

U = Ek = 3/2 nRT ® g = 1,67
4. Untuk gas diatomik (H2, N2, dll), energi dalam (U) gas adalah
Suhu rendah
(T £ 100ºK)
U = Ek = 3/2 nRT ® g = 1,67 ® Cp-CV=R

Suhu sedang
U = Ek =5/2 nRT ® g = 1,67
Suhu tinggi
(T > 5000ºK)
U = Ek = 7/2 nRT ® g = 1,67

Mesin Carnot adalah mesin kalor hipotetis yang beroperasi dalam suatu siklus reversibel yang disebut siklus Carnot. Model dasar mesin ini dirancang oleh Nicolas Léonard Sadi Carnot, seorang insinyur militer Perancis pada tahun 1824. Model mesin Carnot kemudian dikembangkan secara grafis oleh Émile Clapeyron 1834, dan diuraikan secara matematis oleh Rudolf Clausius pada 1850an dan 1860an. Dari pengembangan Clausius dan Clapeyron inilah konsep dari entropi mulai muncul.
Setiap sistem termodinamika berada dalam keadaan tertentu. Sebuah siklus termodinamika terjadi ketika suatu sistem mengalami rangkaian keadaan-keadaan yang berbeda, dan akhirnya kembali ke keadaan semula. Dalam proses melalui siklus ini, sistem tersebut dapat melakukan usaha terhadap lingkungannya, sehingga disebut mesin kalor.
Sebuah mesin kalor bekerja dengan cara memindahkan energi dari daerah yang lebih panas ke daerah yang lebih dingin, dan dalam prosesnya, mengubah sebagian energi menjadi usaha mekanis. Sistem yang bekerja sebaliknya, dimana gaya eksternal yang dikerjakan pada suatu mesin kalor dapat menyebabkan proses yang memindahkan energi panas dari daerah yang lebih dingin ke energi panas disebut mesin refrigerator.

FLUIDA DINAMIS

HUKUM BERNOULLI
Hukum ini diterapkan pada zat cair yang mengalir dengan kecepatan berbeda dalam suatu pipa.
P + r g Y + 1/2 r v2 = c
P = tekanan
1/2 r v2 = Energi kinetik
r g y = Energi potensial
]� tiap satuan
waktu
CEPAT ALIRAN (DEBIT AIR)
Cepat aliran (Q) adalah volume fluida yang dipindahkan tiap satuan waktu.
Q = A . v
A1 . v1 = A2 . v2
v = kecepatan fluida (m/det)
A = luas penampang yang dilalui fluida
Untuk zat cair yang mengalir melalui sebuah lubang pada tangki, maka besar kecepatannya selalu dapat diturunkan dari Hukum Bernoulli, yaitu:
v = Ö(2gh) h = kedalaman lubang dari permukaan zat cair
Contoh:
1. Sebuah kolam air berdinding bujursangkar dengan panjang 15 m, tingginya 7,5m.Tentukanlah tekanan air 4,5 m di bawah permukaan air!
Jawab:
P = r . g . h = 103 . 10 . 4,5
P = 4,5.104 N/m2
2. Air mengalir sepanjang pipa horisontal, penampang tidak sama besar. Pada tempat dengan kecepatan air 35 cm/det tekanannya adalah 1 cmHg. Tentukanlah tekanan pada bagian pipa dimana kecepatan aliran airnya 65 cm/det.(g = 980 cm/det2) !
Jawab:
P1 = 1 cmHg = 1.13,6.980 dyne/cm2
P1 = 13328 dyne/cm2
v1 = 35 cm/det; v2 = 65 cm/det
Prinsip Bernoulli:
P1 + pgy1 + 1/2rv12 = P2 + rgy2 + 1/2rv22
Karena y1 = y2 (pipa horisontal), maka:
P1 - P2 = 1/2 r (V22 - V12)
P1 - P2 = 1/2 1 (652 352)
P1 - P2 = 1/2 3000
P1 - P2 = 1500 dyne/cm2
Jadi:
P2 = P1 - 1500
P2 = 13328 - 1500
P2 = 11828 dyne/cm
P2 = 0,87 cmHg
`

Fluida ( zat alir ) adalah zat yang dapat mengalir, misalnya zat cair dan gas.

FLUIDA STATIS
Sifat Fluida Ideal:
- tidak dapat ditekan (volume tetap karena tekanan)
- dapat berpindah tanpa mengalami gesekan
- mempunyai aliran stasioner (garis alirnya tetap bagi setiap partikel)
- kecepatan partikel-partikelnya sama pada penampang yang sama
Sifat Fluida Sejati:
• kompresibel
• berpindah dengan adanya gesekan
• aliran tidak stasioner

1. Kohesi / Kohesif
Kohesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang sama jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain tidak dapat menempel karena molekulnya saling tolak menolak.
Contoh Kohesi :
- Air di atas daun talas
- Air raksa yang dimasukkan ke dalam tabung reaksi kimia
2. Adhesi / Adhesif
Adhesi adalah gaya tarik menarik antar molekul yang berbeda jenisnya. Gaya ini menyebabkan antara zat yang satu dengan yang lain dapat menempel dengan baik karena molekulnya saling tarik menarik atau merekat.
Contoh Adhesive :
- Air di atas telapak tangan
- Susu tumpah di lantai
Tegangan permukaan adalah gaya yang diakibatkan oleh suatu benda yang bekerja pada permukaan zat cair sepanjang permukaan yang menyentuh benda itu.
Besar gaya ( F ) yang dialami pada permukaan zat cair persatuan panjang(l)
g = F / 2l

TEKANAN HIDROSTATIS
Tekanan hidrostatis ( Ph) adalah tekanan yang dilakukan zat cair pada bidang dasar tempatnya.

dengan (dalam satuan SI),
P adalah tekanan hidrostatik (dalam pascal);
ρ adalah kerapatan fluida (dalam kilogram per meter kubik);
g adalah percepatan gravitasi (dalam meter per detik kuadrat);
h adalah tinggi kolom fluida (dalam meter).

PARADOKS HIDROSTATIS
Gaya yang bekerja pada dasar sebuah bejana tidak tergantung pada bentuk bejana dan jumlah zat cair dalam bejana, tetapi tergantung pada luas dasar bejana ( A ), tinggi ( h ) dan massa jenis zat cair ( r )
dalam bejana.
Ph = r g h
Pt = Po + Ph
F = P h A = r g V r = massa jenis zat cair
h = tinggi zat cair dari permukaan
g = percepatan gravitasi
Pt = tekanan total
Po = tekanan udara luar

HUKUM PASCAL
Tekanan yang dilakukan pada zat cair akan diteruskan ke semua arah sama.
P1 = P2 F1/A1 = F2/A2

HUKUM ARCHIMEDES
Benda di dalam zat cair akan mengalami pengurangan berat sebesar berat zat cair yang dipindahkan.
Tiga keadaan benda di dalam zat cair:
a. tenggelam: W>Fa Þ rb > rz

b. melayang: W = Fa Þ rb = rz

c. terapung: W=Fa Þ rb.V=rz.V' ; rbW = berat benda
Fa = gaya ke atas = rz . V' . g
rb = massa jenis benda
rz = massa jenis fluida
V = volume benda
V' = volume benda yang berada dalam fluida
Akibat adanya gaya ke atas ( Fa ), berat benda di dalam zat cair (Wz) akan berkurang menjadi:
Wz = W - Fa
Wz = berat benda di dalam zat cair
Penerapan Hukum Archimedes
a. Kapal laut, Kapal selam, dan Galangan Kapal
b. Jembatan Ponton
c. Hidrometer
d. Balon udara

KAPILARITAS
Kapilaritas ialah gejala naik atau turunnya zat cair ( y ) dalam tabung kapiler yang dimasukkan sebagian ke dalam zat cair karena pengarah adhesi dan kohesi.
y = 2 g cos q / r g r
y = kenaikan/penurunan zat cair pada pipa (m)
g = tegangan permukaan (N/m)
q = sudut kontak (derajat)
p = massa jenis zat cair (kg / m3)
g = percepatan gravitas (m / det2)
r = jari-jari tabung kapiler (m)