mesin pemanas carnot dan mesin pendingin carnot

mesin pemanas carnot dan mesin pendingin carnot

Formulasi Kelvin-Planck atau hukum termodinamika kedua menyebutkan bahwa adalah tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas yang diperoleh dari suatu reservoir pada suhu tertentu seluruhnya menjadi usaha mekanik. Hukum kedua termodinamika mengatakan bahwa aliran kalor memiliki arah; dengan kata lain, tidak semua proses di alam semesta adalah reversible (dapat dibalikkan arahnya). Sebagai contoh jika seekor beruang kutub tertidur di atas salju, maka salju dibawah tubuh nya akan mencair karena kalor dari tubuh beruang tersebut. Akan tetapi beruang tersebut tidak dapat mengambil kalor dari salju tersebut untuk menghangatkan tubuhnya. Dengan demikian, aliran energi kalor memiliki arah, yaitu dari panas ke dingin. Satu aplikasi penting dari hukum kedua adalah studi tentang mesin kalor.mesin pemanas carnot 
HK II : Pada suatu mesin siklik tidak mungkin kalor yang diterima mesin diubah semuanya menjadi kerja. Selalu ada kalor yang dibuang oleh mesin.

mesin pendingin carnot
Merupakan kebalikan dari mesin pemanas

Teori Clausius menyatakan bahwa untuk memindahkan kalor dari tandon dingin ke tandon panas dibutuhkan usaha,sehingga takmungkin untuk memindahkan panas pada tandon dingin ke tandon yang lebih panas tanpa melakukan usaha.
Clausius menyatakan bahwa tidak mungkin untuk mengubah seluruh panas pada tandon panas menjadi usaha seperti

Hukum Termodinamika

Hukum I Termodinamika

Kerja dilakukan saat seseorang beraktivitas seperti bekerja, berjalan, berolah raga, mengangkat beban yang berat. Kerja membutuhkan energi. Energi juga dibutuhkan untuk pertumbuhan sel, untuk menggantikan sel-sel lama yang tua dan sudah rusak. Proses perubahan energi dalam mahluk hidup atau organisme diseu=but metabolisme.

ΔU = Q – W

Kerja yang dilakukan oleh tubuh manusia, umumnya ditandai dengan penurunan energi dalam tubuh juga temperatur tubuh. Untuk mencapai kesetimbangan ada energi yang perlu ditambahi atau dikurangi. Energi dalam tubuh Q tidak hanya diberikan kepada organisme, karena subu tubuh biasanya lebih tinggi maka kalor Q dari tubuh akan bergerak ke luar menuju lingkungan. Energi dalam tubuh bersumber dari makanan (energi potensial kimia).

Pada sistem tertutup, energi dalam hanya berubah dalam bentuk aliran kalor atau kerja yang dilakukan. Pada sistem terbuka, (seperti hewan) energi dalam dapat mengalir ke luar dan ke dalam sistem. Kecepatan metabolisme adalah kecepatan di mana energi dalam di ubah di dalam sistem (tubuh). Kecepatan ini dinyatakan dalam watt atau kkal/jam.

Untuk manusia dengan massa tubuh rata-rata 65 kilogram berikut tabel kecepatan metabolisme :

Kegiatan	Kecepatan metabolisme (perkiraan pendekatan)
	Kkal/jam	Watt
Tidur	60	70
Duduk tegak, bekerja di meja, bersantai	100	115
Kegiatan ringan (makan, berpakaian, pekerjaan rumah tangga)		230
Kegiatan sedang (bermain tenis, berjalan)	400	460
Berlari (15 km/jam)	1000	1150
Bersepeda (balap sepeda)	1100	1270

Contoh Kasus :

Berapa besar energi yang diubah dalam 24 jam oleh seseorang yang massanya 65 kg dengan menghabiskan waktu 8 jam untuk tidur, 1 jam melakukan pekerjaan fisik sedang, 4 jam kegiatan ringan, 11 jam bekerja di meja atau bersantai ?

Penyelesaian :

Dalam 1 jam ada 3600 detik, maka energi totalnya adalah :

Q _total = { 8 jam x 70 J/s + 1 jam x 460 J/s + 4 jam x 230 J + 11 jam x 115 J/s} x 3600 s

Q _total = 1,15 x 10⁷ joule

Karena 1 kkal = 4,19 x 10³ joule, maka 1,15 x 10⁷ joule = 2800 kkal.

Catatan : orang ini memerlukan asupan makanan dengan nilai energi total 2800 kkal atau jika orang ini ingin menurunkan massa badan harus mengurangi energi sebesar 2800 kkal dan sebaliknya jika ingin menambah berat badan.

Hukum II Termodinamika

Pernyataan RJE Clausius (1822-1888) :

Kalor mengalir secara alami dari benda yang panas menuju benda yang dingin, kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.

Pernyataan di atas kemudian dikembangkan menjadi mesin kalor yaitu alat yang mengubah energi termal menjadi kerja mekanik, seperti mesin uap dan mesin mobil.

Mesin nyata menggunakan mesin Carnot dapat mencapai efisiensi 60% – 80%.

Pernyataan Kelvin-Planck :

Tidak ada alat yang efek tunggalnya untuk mengubah sejumlah kalor menjadi kerja seluruhnya.  

(tidak ada mesin yang sempurna efisiensi 100%) = kontradiksi terjadi pada mesin kapal, jika mesin kapal tidak memerlukan reservoar temperatur rendah untuk tempat pembuangan kalor, kapal tersebut dapat berlayar melintasi samudra dengan menggunakan sumber energi dalam dari air laut.

Mesin Pendingin

Cp =

Q       = kalor yang diserap (dari tandon rendah)

W      = usaha yang dilakukan mesin pendingin

 Q_H – Q_L = W, Q_H = kalor yang dilepaskan ke tandon tinggi

W adalah kerja untuk memindahkan kalor dari tandon rendah ke tandon tinggi.

Teori Kinetik Gas

1. Pengertian 
     Di dalam teori kinetik gas terdapat suatu gas ideal. Gas ideal adalah suatu gas yang memiliki sifat-sifat sebagai berikut :

1. 
   
   Jumlah partikel gas banyak sekali tetapi tidak ada gaya tarik menarik (interaksi) antar partikel
2. 
   
   Setiap partikel gas selalu bergerak dengan arah sembarang atau bergerak secara acak
3. 
   
   Ukuran partikel gas dapat diabaikan terhadap ukuran ruangan. Atau bisa dikatakan ukuran partikel gas ideal jauh lebih kecil daripada jarak atar partikel
4. 
   
   Bila tumbukan yang terjadi sifatnya lenting sempurna
5. 
   
   Partikel gas terdistribusi merata pada seluruh ruang dengan jumlah yang banyak
6. 
   
   Berlaku hukum Newton tentang gerak

   Di dalam kenyataannya, kita tidak menemukan suatu gas yang memenuhi kriteria di atas, akan tetapi sifat itu dapat didekati oleh gas pada temperatur tinggi dan tekanan rendah atau gas pada kondisi jauh di atas titik kritis dalam diagram PT.

2. Hukum-hukum tentang gas  
    A.Hukum Boyle  
    Hasil kali tekanan(P) dan volume(V) gas pada suhu tertentu adalah tetap. Proses seperti ini disebut juga dengan isotermal (temperatur tetap).  
    *PV=konstan   
    *T2>T1   
    *Tidak berlaku pada uap jenuh  


      B.Hukum Guy Lussac  
    Hasil bagi volume(V) dengan temperatur (T) gas pada tekanan tertentu adalah tetap. Proses ini disebut juga isobarik (tekanan tetap). 
    *V/T=konstan 
    *P3>P2>P1 

      C.Hukum Charles  
    Hasil bagi tekanan (P) dengan temperatur (T) gas pada volume tertentu adalah tetap. Proses seperti ini disebut dengan isokhorik (volume tetap). 
    *P/T=konstan  
    *V3>V2>V1 

D.Hukum Boyle-Guy Lussac    
    Hukum Boyle dan Guy Lussac merupakan penggabungan dari hukum Boyle dengan hukum Guy Lussac. Biasanya di dalam soal rumus yang sering digunakan adalah rumus dari hukum ini. Sekedar trik dari saya, anda bisa menamai hukum ini dengan hukum BoLu (Boyle-Lussac). Nah, dari hukum ini kita bisa mendapatkan: 
    PV/T=konstan  

Persamaan Keadaan Gas Ideal

Fluida Dinamis

Fluida yang mengalir (bergerak) di sebut Fluida Dinamis.

1.Ciri-Ciri Umum Fuida Ideal :

a.Aliran fluida dapat merupakan aliran tunak (steady) atau tak tunak (non-steady).Jika kecepatan v di suatu titik adalah konstan terhadap waktu, aliran fluida di katakan tunak.

Contoh: arus air yang mengalir dengan tenang(kelajuan aliran rendah)

Jika kecepatan v di suatu titik tidak konstan terhadap waktu maka dikatakan alirran tak tunak.

Contoh: gelombang pasang air laut.

b.Aliran fluida dapat termampatkan (compressible) atau tak termampatkan (incompressible). Jika fluida yang mengalir tidak mengalami perubahan volum(massa jenis) maka aliran fluida tak termampatkan.

Contoh: gerak relatif udara terhadap sayap-sayap pesawat.

c.Aliran fluida dapat merupakan aliran kental(viscous)atau tak kental (non-viscous)

Contoh:pelumasan pada mesin mobil

d.Aliran fluida dapat merupakan aliran garis arus (streamline) atau aliran turbulen.

Definisi Garis Lurus

Garis Lurus adalah aliran fluida yang mengikuti suatu garis (lurus melengkung)yang jelas ujung dan pangkalnya.

Garis Arus disebut juga aliran berlapis(aliran laminar=laminar flow).Kecepatan-kecepatan partikel fluida di tiap titik pada garis arus searah dengan garis singgung di titik itu.(Gamb. 7.55.a)

Aliran Turbulen ditandai dengan adanya aliran berputar.(Gamb.7.55b)

2.Persamaan Kintinuitas

a.Pengertian Debit

adalah besaran yang menyatakan volum fluida yang mengalir melalui suatu penampang tertentu dalam satuan waktu tertentu.

Debit = Volum Fluida

             Selang waktu

Atau Q=  V

                t

keterangan: V= Volum ( m³ )

                    t = Selang waktu ( s )

                  Q = Debit ( m³/s )

V = AL

Sedangkan L = vt

Maka, debit Q = Av

b. Penurunan Persamaan Kontinuitas

Pada fluida tak termampatkan, hasil kali antara kelajuan fluida dan luas penampang selalu konstan.

A1 V1 = A2 V2 = A3 V3 .....= Konstan

Persamaan Dedit Konstan

Q1 = Q2 = Q3 =......= Konstan

Pada Fluida tak termampatkan, debit fluida di titik mana saja selalu konstan.

c.Perbandingan Kecepatan Fluida dengan lUas dan diameter penampang.

           

                                      V1  =  A2

                                      V2       A1

            Kelajuan aliran fluida tak termampatkan berbanding terbalik dengan luas penampang yang di laluinya.

v1        [ r2 ]²        [ D2 ]²

v2        [ r1 ]²         [ D1 ]²

Kelajuan aliran fluida tak termampatkan berbanding terbalik dengan kuadrat jari” panampang atau diameter penampang.

Jika jari-jari atau diameter pipa 2 kali lebih besar kelajuan fluida di titik itu menjadi ( ½ )² = ¼ kali lebih besar.

d. Daya oleh debit fluida

 

            Ep = mgh

 Daya yang di bangkitkan oleh suatu tenaga air setinggi h dan debit air Q adalah

 

            P = þQgh    Daya Oleh debit fluida dengan þ adalah massa jenis air.

Fluida statis

Suatu zat yang mempunyai kemampuan mengalir dinamakan fluida. Cairan adalah salah satu jenis fluida yang mempunyai kerapatan mendekati zat padat. Letak partikelnya lebih merenggang karena gaya interaksi antar partikelnya lemah. Gas juga merupakan fluida yang interaksi antar partikelnya sangat lemah sehingga diabaikan. Dengan demikian kerapatannya akan lebih kecil.

Karena itu, fluida dapat ditinjau sebagai sistem partikel dan kita dapat menelaah sifatnya dengan menggunakan konsep mekanika partikel. Apabila fluida mengalami gaya geser maka akan siap untuk mengalir. Jika kita mengamati fluida statik, misalnya air di tempayan. Sistem ini tidak mengalami gaya geser tetapi mempunyai tekanan pada dinding tempayan.

• Berdasarkan uraian di atas, maka pada materi ini akan dibahas dulu mengenai fluida statik. Pada kegiatan berikutnya akan dibahas secara khusus fluida dinamik. Pembahasan sering menggunakan konsep umum maupun prinsip mekanika partikel. Dengan mempelajari materi ini berarti Anda akan dapat mengkaji sifat fluida statik dan fluida dinamik dengan menggunakan mekanika partikel. Setelah Anda mempelajari materi ini, Anda dapat:
  Menjelaskan makna hukum utama hidrostatik.
  Menggunakan hukum utama hidrostatik untuk menjelaskan sifat-sifat khusus fluida statik.
  Membedakan macam-macam aliran fluida.
  Menghitung debit aliran fluida.
  Menjelaskan makna hukum Bernoulli.
  Menggunakan hukum Bernoulli untuk menjelaskan sifat-sifat aliran fluida.
  Menjelaskan masalah fluida pada kehidupan sehari-hari dengan menggunakan konsep fisika.

FLUIDA STATIKA

Pada kegiatan pertama ini dibahas mengenai fluida statik. Pada kehidupan sehari-hari, sering digunakan air sebagai contoh. Marilah kita perhatikan air tenang yang berada di tempayan.

Gambar 1. Gaya-gaya yang bekerja pada dinding tempayan

tempat fluida adalah gaya normal

Cairan yang berada dalam bejana mengalami gaya-gaya yang seimbang sehingga cairan itu tidak mengalir. Gaya dari sebelah kiri diimbangi dengan gaya dari sebelah kanan, gaya dari atas ditahan dari bawah. Cairan yang massanya M menekan dasar bejana dengan gaya sebesar Mg. Gaya ini tersebar merata pada seluruh permukaan dasar bejana sebagaimana diperhatikan oleh bagian cairan dalam kolom kecil pada gambar 2. Selama cairan itu tidak mengalir (dalam keadaan statis), pada cairan tidak ada gaya geseran sehingga hanya melakukan gaya ke bawah oleh akibat berat cairan dalam kolom tersebut:

W = m g = ρ V g (1)

di mana ρ adalah kerapatan zat cair dan V adalah volume kolom. Jika V = h ∆A, kita dapatkan:

W = ρ h ∆A g (2)

Jika berat itu ditopang oleh luasan ∆A, yang sebanding dengan luas ∆A, akibatnya gaya ini tersebar rata di permukaan dasar bejana.

Tekanan sebagai perbandingan gaya dengan luas, seperti diilustrasikan pada gambar 2.

gaya ρ h ∆A g

p = = = ρ g h (3)

luas ∆A

Di mana p adalah tekanan yang dialami dasar bejana. Dalam satuan tekanan diukur dalam N/m2, dan dinamai Pascal yang disingkat Pa.

Gambar 2. Cairan setinggi h menekan dasar bejana A

Sebagai contoh, misalnya akan kita cari tekanan dalam Pa, yang dialami dasar bejana cairan dengan ρ = 670 kg/m3 dan dalamnya 46 cm.

p = ρ g h = (670 kg/m3) (9,8 m/s2) (0,46 m)

= 3020 kg.m/s2 = 3020 n/m2 = 3020 pa

Tekanan adalah kuantitas skalar tanpa arah. Gaya yang menghasilkan tekanan yang bekerja pada permukaan adalah vektor yang arahnya selalu tegak lurus ke permukaan. Kita dapat menggunakan keadaan setimbang gaya-gaya yang bekerja pada bagian kecil cairan, seperti dilukiskan pada gambar 3.

Gambar 3. Keseimbangan gaya pada bagian kecil cairan.

Bagian kecil cairan yang tebalnya ∆A dan luas permukaan bagian atas (ada bagian bawah) A serta luas sisi lainnya A mengalami keseimbangan gaya. Dalam hal ini cairan tidak mengalami pergolakan yang mengakibatkan cairan mengalir. Tiap bagian dari cairan mestilah diam. Tekanan yang dilakukan bagian cairan lain pada bagian kecil cairan tersebut yang dilakukan oleh gaya-gaya F3 dan F4 saling meniadakan, demikian pula oleh gaya-gaya F5 dan F6. Gaya F2 mestilah cukup besar terhadap F1 agar dapat menopang bagian cairan tersebut.

Karena F3 = F4 dan F5 = F6, maka p3 (=F3/A2) = p4 (=F4/A2) dan p5 (=F5/A2) = p6 (F6/A2)

Sekarang, karena F2 > F1, maka

p2 A1 . p1 A1 = ρ g A1 ∆h

p2 . p1 = ρ g ∆h

atau

∆p = ρ g ∆h (4)

Jadi, apabila kerapatannya konstan, perubahan tekanan di antara dua titik di dalam cairan berbanding lurus dengan perbedaan kedalamannya. Pada kedalaman yang sama mempunyai tekanan yang sama. Selama variasi tekanan di dalam cairan statis hanya tergantung pada kedalamannya, maka penambahan tekanan dari luar yang dilakukan pada permukaan cairan, misalnya karena perubahan tekanan atmosfer atau tekanan piston, mestilah merupakan penambahan tekanan pada semua titik dalam cairan, seperti dikemukakan oleh Blaise Pascal (1623-1662), yang dikenal sebagai Hukum Pascal.

Tekanan yang dilakukan pada cairan dalam ruang tertutup, akan diteruskan kemana-mana sama besarnya termasuk dinding tempatnya.

Apabila kerapatan ρ (massa jenis) sangat kecil, misalnya fluida berbentuk gas, maka perbedaan tekanan pada dua titik di dalam fluida dapat diabaikan. Jadi di dalam suatu bejana yang berisi gas, tekanan gas di mana-mana adalah sama. Hal ini tentu saja bukan untuk ∆h yang sangat besar. Tekanan dari udara sangat bervariasi untuk ketinggian yang besar dalam atmosfer. Dalam kenyataan, kerapatan ρ berbeda pada ketinggian yang tidak sama dan ρ ini hendaklah kita ketahui sebagai fungsi dari h sebelum persamaan 3 di atas kita pergunakan.

Marilah kita perhatikan hal berikut ini. Andaikan ke dalam pipa berbentuk U dimasukkan dua jenis cairan yang tidak dapat bercampur secara sempurna, misalnya air dengan minyak tanah.

Gambar 4. Pipa berbentuk U berisi dua jenis cairan.

Setelah cairan yang kerapatannya ρ1 dimasukkan ke dalam pipa, cairan yang kedua dengan kerapatan ρ2 (di mana ρ1 > ρ2) dimasukkan ke salah satu pipa sehingga permukaan cairan yang pertama turun setinggi 1 di bawah cairan yang kedua itu, sedangkan permukaan lainnya naik setinggi 1 seperti dilukiskan pada gambar 4 di atas. Akan kita tentukan perbandingan kerapatan kedua jenis cairan tersebut. Pada gambar 4 titik C menyatakan keseimbangan tekanan. Tekanan di C yang dilakukan cairan di atasnya adalah

Untuk cairan pertama : p1 g 2 1

Untuk cairan kedua : p1 g 2 1

Sehingga :

ρ1 g 2 1 = ρ2 g (d + 2 1)

atau

ρ2 2 1

=

ρ1 d + 2 1

Perbandingan kerapatan suatu bahan terhadap kerapatan air dinamakan kerapatan relatif atau gravitas spesifik dari bahan tersebut.

Archimedes mendapatkan suatu prinsip sebagai berikut. Apabila suatu benda dicelupkan ke dalam cairan (seluruhnya atau sebagian), benda itu mengalami gaya ke atas sebesar berat cairan yang dipindahkannya.

Apabila sebuah benda dicelupkan ke dalam cairan, seperti ditunjukkan dalam gambar 5, total gaya ke atas atau gaya angkat, dilakukan pada benda. Akibat gaya ini terdapat perbedaan tekanan pada bagian bawah dan bagian atas benda. Selama tekanan ini tergantung pada kedalaman cairan, dengan mudah dapat kita hitung gaya ke atas untuk sederhana, antara lain untuk balok tegar di mana salah satu permukaannya horizontal.

Gambar 5. Gaya-gaya yang dialami benda di dalam cairan.

Benda yang bentuknya sembarang, agak sulit kita menentukan tekanan karena bervariasinya titik-titik permukaan benda. Untuk itu prinsip Archimedes sangat membantu. Andaikan benda dikeluarkan dari dalam cairan akan menggantikan tempat benda sebanyak tempat yang tadinya ditempati oleh benda. Jika volume tempat benda itu telah diisi oleh cairan, ini menunjukkan bahwa adanya keseimbangan gaya yang terjadi antar cairan penyelubung dengan bagian cairan yang menggantikan tempat benda tersebut. Jadi gaya netto yang arahnya ke atas adalah sama dengan m1 g, di mana m1 adalah massa cairan yang mengisi volume yang ditinggalkan oleh benda.

Sekarang kita tinggalkan pengandaian tadi dengan benda sesungguhnya yang massanya mo. Cairan mestilah melakukan kontak dengan setiap titik pada permukaan benda yang memberikan gaya-gaya sama di mana-mana. Gaya ini mestilah sama dengan gaya penopang cairan yang volumenya adalah sama. Gaya ini adalah gaya angkat (ke atas) yang besar.

Fb = mf g = ρ1 Vg (5)

Di mana m1 adalah massa cairan yang dipindahkan oleh benda yang tercelup ke dalam cairan adalah kerapatan cairan. Gaya angkat ini arahnya vertikal ke atas.

Persamaan 5 dinamakan Prinsip Archimedes yang dikemukakan oleh Archimedes pada tahun 250 SM. Jika gaya ke atas lebih kecil daripada berat benda yang dicelupkan, mala benda itu akan tenggelam. Jika berat benda lebih kecil daripada gaya ke atas, benda itu akan terapung. Seandainya ρo adalah kerapatan benda, dengan volume V, maka beratnya

W = mo g = ρo V g

Gaya ke atas dinyatakan oleh persamaan 5.

Fb = ρ1 V g (6)

Netto gaya ke atas ketika benda semuanya tercelup dalam cairan

Fnet = Fb . W =( ρf. ρo) V g (7)

Jadi benda dengan kerapatan lebih besar dari kerapatan cairan akan tenggelam, dan yang lebih kecil akan terapung.