MAKALAH

HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

Sub Bab Perubahan Entropi Dalam Proses Ireversibel, Asas Kenaikan Entropi, Pernyataan Clausius Dan Kelvin Planck Tentang Hukum Kedua

Disusun Untuk Memenuhi Tugas

Mata Kuliah Termodinamika

DOSEN PENGAMPU :

MISBAH, M. Pd

SRI HARTINI, M. Sc

DISUSUN OLEH:

JAYYID GHAFFAR IBNU MUHARRIJ

A1C411029

PROGRAM STUDI PENDIDIKAN FISIKA

JURUSAN PENDIDIKAN MATEMATIKA DAN IPA

FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN

UNIVERSITAS LAMBUNG MANGKURAT

BANJARMASIN

2015

KATA PENGANTAR

Segala puji dan syukur Penyusun panjatkan kepada Allah SWT. atas berkat rahmat dan karuniaNya sehingga Penyusun dapat menyelesaikan tugas mata kuliah Termodinamika yang membahas tentang Hukum Kedua Termodinamika Sub Bab Perubahan Entropi dalam Proses Ireversibel, Asas Kenaikan Entropi, Pernyataan Clausius dan Kelvin Planck tentang Hukum Kedua. Shalawat dan salam tidak lupa Penyusun haturkan kepada Nabi Muhammad SAW. beserta keluarga, sahabat, dan pengikut beliau hingga akhir zaman.

Dalam kesempatan ini Penyusun mengucapkan terima kasih kepada IbuMisbah, M. Pd sebagai dosenpengampuyang telah memberikan tugas kepada kami. Selain itu Penyusun juga berterima kasih kepada semua pihak yang telah memberikan bantuan dalam penyelesaian makalah ini baik bantuan secara langsung maupun tidak langsung..

Penyusun menyadari bahwa makalah ini masih jauh dari sempurna. Oleh karenanya, kritik dan saran yang bersifat membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan makalah ini. Penyusun berharap makalah ini dapat bermanfaat bagi semua pihak. Aamiin.

Banjarmasin, Juli 2015

Penyusun

DAFTAR ISI

Kata Pengantar iiDaftar Isi iiiBAB I PENDAHULUAN Latar Belakang 1Rumusan Masalah 1Tujuan 1BAB II PEMBAHASAN Perubahan Entropi dalam Proses Ireversibel2Asas Kenaikan Entropi 4Pernyataan Clausius dan Kelvin Planck tentang Hukum Kedua4BAB III PENUTUP Kesimpulan 9Daftar Pustaka 10

iii

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Perubahan entropi pada proses reversibel dirumuskan dalam persamaan . Tetapi karena entropi S adalah variabel keadaan, maka nilai perubahannya hanya ditentukan oleh keadaan awal dan keadaan akhir proses apapun. Sehingga pada proses ireversibel dapat digunakan rumus pada proses reversibel dengan syarat bahwa keadaan awal dan keadaan akhir proses adalah sama.

1.2 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah dalam makalah ini ialah sebagai berikut.

(1) Bagaimanakah perubahan entropi dalam proses ireversibel?

(2) Apakah yang dimaksud dengan asas kenaikan entropi?

(3) Bagaimanakah pernyataan Clausius dan Kelvin-Planck tentang Hukum Kedua Termodinamika?

1.3 Tujuan

Adapun tujuan penulisan makalah ini ialah sebagai berikut.

(1) Mengetahui penjelasan mengenai perubahan entropi dalam proses ireversibel.

(2) Mengetahui penjelasan asas kenaikan entropi.

(3) Mengetahui pernyataan Clausius dan Kelvin-Planck tentang hukum kedua termodinamika.

BAB 2

PEMBAHASAN

2.1 Perubahan Entropi dalam Proses Ireversibel

Meninjau proses ireversibel seperti yang terlukis pada Gambar 2.1 (a). Suhu benda pertama setelah berhubungan dengan benda kedua (reservoir) berubah dari 1 menjadi 2. Meskipun proses ini adalah ireversibel, namun juga dapat digunakan rumus pada proses reversibel jika keadaan awal dan akhirnya sama. Jika proses tersebut terjadi pada tekanan tetap dan CP juga dianggap tetap, maka

(2.1)

Karena maka arus kalor masuk ke dalam benda dan ln 2/1 positif sehingga entropi benda naik.

Gambar 2.1

Bagaimanakah perubahan entropi reservoir? Apakah entropinya naik ataukah turun? Suhu reservoir tetap 2; karena itu perubahan entropinya sama dengan perubahan entropi pada proses isotermal reversibel. Jadi

Karena arus kalor itu keluar dari reservoir, maka sesuai dengan perjanjian tanda, maka diberi tanda negatif. Jadi

(2.2)

Karena 21 maka (21)/2 positif, sehingga ruas kanan dan menjadi negatif. Perubahan entropi total

(2.3)

Selanjutnya akan dibuktikan bahwa bentuk dalam kurung pada ruas kanan selalu positif, sehingga ruas kanan seluruhnya dan selalu positif. Karena menurut hukum kedua termodinamika pada proses ireversibel entropi total atau entropi semestanya yang bersangkutan selalu bertambah. Untuk membuktikan hal ini dibuat grafik ln 2/1 dan (21)2 sebagai fungsi 2/1 lalu keduanya dijumlahkan. Perhatikan Gambar 2.2.

Jika benda mula-mula pada suhu 1 yang lebih tinggi dari 2, maka arus kalor akan mengalir dari benda ke dalam reservoir. Dengan demikian perubahan entropi benda negatif sedang perubahan entropi reservoir menjadi positif. Bagaimanakah perubahan entropi semesta apakah positif ataukah negatif? Ini dapat dilihat pada Gambar 2.2. pada titik 2/1 maka 21, disebelah kanannya adalah daerah dengan 21 dan disebelah kirinya adalah area dengan 21. Ternyata selisih kedua grafik tersebut di area manapun adalah 1 yang nilainya sama dengan 0. Jika 21, maka prosesnya reversibel. Jadi untuk proses ireversibel, maka semesta selalu positif.

Gambar 2.2 Grafik ln dan sebagai fungsi

Dalam proses yang terlukis pada Gambar 2.1 (b), tidak ada arus kalor yang mengalir dalam sistem dan juga tidak ada usaha disipatif. Tetapi karena entropi adalah persamaan keadaan, maka perubahan entropi dalam proses ireversibel sama dengan perubahan entropi dalam proses reversibel, asalkan keadaan awal kedua proses sama begitu juga keadaan akhirnya.

Keadaan akhir proses ireversibel dapat dicapai dengan ekspansi reversibel. Dalam ekspansi semacam ini kerja luar harus dilakukan. Karena energi dalam sistem tetap, maka harus ada kalor yang mengalir ke dalam sistem yang sama besarnya dengan kerja luar tersebut. Entropi gas dalam proses reversibel ini naik dan kenaikan ini sama dengan kenaikan dalan prises sebenarnya yang ireversibel, yaitu ekspansi bebas.

2.2 Asas Kenaikan Entropi

Dari pembahasan proses-proses ireversibel pada bab terdahulu, didapatkan bahwa entropi semesta (universal) selalu naik. Hal ini juga benar untuk semua proses ireversibel yang sudah dapat dianialisa. Kesimpulan ini dikenal sebagai asas kenaikan entropi dan dianggap sebagai bagian dari hukum kedua termodinamika. Bunyi asas ini ialah sebagai berikut.

Entropi semesta selalu naik pada tiap proses ireversibel.

Jika semua sistem yang berinteraksi di dalam suatu proses dilingkungi dengan bidang adiabatik yang tegar, maka semua itu membentuk sistem yang terisolasi sempurna dan membentuk dunianya sendiri. Karena itu dapat dikatakan bahwa entropi dari suatu sistem yang terisolasi sempurna selalu naik dalam setiap proses ireversibel yang terjadi dalam sistem tersebut. Sementara itu entropi tetap tidak berubah dalam sistem yang terisolasi jika sistem tersebut menjalani proses reversibel. Karena itu secara lengkap hukum kedua termodinamika dapat dirumuskan sebagai berikut.

Pada setiap proses yang terjadi di dalam sistem yang terisolasi, entropi sistem tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah.

2.3 Pernyataan Clausius dan Kelvin-Planck tentang Hukum Kedua

Dalam uraian terdahulu telah dibahas hukum kedua sebagai pernyataan yang dikaitkan dengan kemungkinan perubahan entropi pada sebarang proses. Dua pernyataan lain juga sering dipakai sebagai titik awal untuk merumuskan hukum kedua.

Pernyataan Clausius tentang hukum kedua adalah sebagai berikut.

Suatu proses tidak mungkin terjadi, jika satu-satunya hasil adalah sejumlah arus kalor yang mengalir keluar dari seuatu sistem dengan susu tertentu dan semuanya masuk ke dalam sistem lain pada suhu yang lebih tinggi.

Hal ini dapat dijelaskan sebagai berikut.

Gambar 2.3

Andaikan proses tersebut dapat berlangsung, seperti yang dilukiskan pada Gambar 2.3. Perubahan entropi sistem (reservoir) A dan B adalah

dan

Kedua sistem itu bersama-sama merupakan sebua dunia semesta. Perubahan entropi semesta ini adalah

Perubahan entropi total ini negatif karena 12, sehingga suku pertama yang negatif pada ruas kanan lebih besar dari pada suku kedua. Ini berarti bahwa dalam proses ini entropi menurun, sehingga menurut hukum kedua proses tersebut tidak mungkin terjadi.

Pada mesin pendingin (refrigerator) memang arus kalor mengalir dari reservoir dengan suhu yang lebih rendah ke reservoir yang suhunya lebih tinggi, tetapi arus kalor ini tidak sama besar. Disamping itu arus kalor bukanlah saru-satunya hasil dalam proses tersebut, karena masih ada usaha yang dilakukan pada mesin.

Pernyataan KelvinPlanck tentang hukum kedua adalah sebagai berikut.

Suatu proses siklik tidak mungkin terjadi jika satu-satunya hasil adalah arus panas Q yang mengalir keluar dari suatu reservoir pada suhu tertentu dan seluruhnya dapat diubah menjadi usaha mekanik.

Proses semacam itu andaikata dapat berlangsung tidak bertentangan dengan hukum pertama, tetapi akan bertentangan dengan hukum kedua. Pada Gambar 2.4 dilukiskan proses tersebut andaikata dapat berlangsung. Reservoir mengalami penurunan entropi sebesar dan tidak ada kompensasi kenaikan entropi pada sistem lain. Karena itu proses tersebut tidak mungkin terjadi. Pada mesin pemanas besar kerja itu tidak sama dengan seluruh arus kalor, disamping itu ada sejumlah kalor yang masuk ke dalam sistem (reservoir) kedua.

Gambar 2.4

Pernyataan Clausius tentang hukum kedua menunjukkan bahwa efisiensi termal suatu mesin pemanas atau koefisien penampilan mesin pendingin mempunyai batas atas. Pada Gambar 2.5 disebelah kiri (a) dilukiskan sebuah mesin kalor yang beroperasi antara dua reservoir dengan suhu 1 dan 2, (21). Disebelah kanan (b) dilukiskan sebuah refrigerator juga beroperas antara 1 dan 2.

Kita tinjau gambar (a), yaitu sebuah mesin kalor yang beroperasi antara sepasang reservoir dengan suhu 1 dan 2. Menurut asas entropi, maka perubahan entropi semestanya adalah

atau

atau

atau

(2.4)

Gambar 2.5 (a) Mesin Kalor; (b) Refrigerator

Ruas kanan pada persamaan (2.4) adalah efisiensi termal mesin Carnot. Karena itu dapat disimpulkan bahwa efisiensi termal maksimum suatu mesin yang beroperasi antara dua reservoir sama dengan efisiensi termal mesin Carnot yang beroperasi antara dua reservoir yang suhu-suhunya sama.

Gambar 2.5 (b) melukiskan sebuah refrigerator yang beroperasi antara dua reservoir dengan suhu 1 dan 2. Andaikan sejumah air yang suhunya 1 didinginkan agar menjadi es. Setelah menempuh sejumlah siklus sejumlah kalor 1 telah dipindahkan dari air, sejumlah kerja telah diberikan kepada refrigerator dan sejumlah kalor 21 telah dilepaskan ke dalam resevoir 2. Perubahan entropi

untuk massa air

untuk refrigeran

untuk reservoir

Jika diterapkan asas entropi

atau

atau

dapat digunakan untuk memperkirakan biaya minimum bagi refrigerator.

BAB III

PENUTUP

3.1 Kesimpulan

Perubahan entropi dalam proses ireversibel sama dengan perubahan entropi dalam proses reversibel, dengan syarat bahwa keadaan awal kedua proses sama begitu juga keadaan akhirnya pada kedua proses tersebut.

Asas kenaikan entropi berbunyi sebagai berikut.

Entropi semesta selalu naik pada tiap proses ireversibel

Secara lengkap hukum kedua termodinamika dapat berbunyi sebagai berikut.

Pada setiap proses yang terjadi di dalam sistem yang terisolasi, entropi sistem tersebut selalu naik atau tetap tidak berubah.

Pernyataan Clausius tentang hukum kedua adalah sebagai berikut.

Suatu proses tidak mungkin terjadi, jika satu-satunya hasil adalah sejumlah arus kalor yang mengalir keluar dari seuatu sistem dengan susu tertentu dan semuanya masuk ke dalam sistem lain pada suhu yang lebih tinggi.

Pernyataan KelvinPlanck tentang hukum kedua adalah sebagai berikut.

Suatu proses siklik tidak mungkin terjadi jika satu-satunya hasil adalah arus panas Q yang mengalir keluar dari suatu reservoir pada suhu tertentu dan seluruhnya dapat diubah menjadi usaha mekanik.

DAFTAR PUSTAKA

Hadi, Dimsiki. Termodinamika. Jakarta: Depdikbud