PENERAPAN HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA DALAM KEHIDUPAN SEHARI - HARI

  PENERAPAN HUKUM KE 2 TERMODINAMIKA DALAM KEHIDUPAN SEHARI - HARI

Termodinamika adalah nama yang diberikan untuk studi proses dimana energi ditransfer sebagai kalor dan sebagai kerja. Kerja dilakukan ketika energi ditransfer dari suatu benda ke benda yang lain melalui cara-cara mekanis. Kita lihat bahwa kalor merupakan transfer energi dari suatu benda kebenda yang kedua yang temperaturnya lebih rendah. Berarti kalor sangat mirip dengan kerja. Untuk membedakannya, kalor didefinisikan sebagi transfer energi yang yang disebabkan oleh perbedaan temperatur, sementara kerja ialah transfer energi yang tidak disebabkan oleh perbedaan temperatur. Dalam membahas termodinamika, akan selalu mengacu ke suatu sistem tertentu. Sistem adalah benda atau sekumpulan benda apa saja yang akan kita teliti. Benda-benda lainnya dialam semesta ini disebut dengan lingkungan.

      Konsep dasar dalam termodinamika

Pengabstrakan dasar atas termodinamika adalah pembagian dunia menjadi sistem yang dibatasi oleh kenyataan atau ideal dari batasan. System yang tidak termasuk dalam pertimbangan digolongkan sebagai lingkungan.  Dan pembagian sistem menjadi subsistem masih mungkin terjadi atau membentuk beberapa system menjadi sistem yang lebih besar. Biasanya sistem dapat diberikan keadaan yang dirinci dengan jelas yang dapat diuraikan menjadi beberapa parameter.

      Sistem Termodinamika

Sistem termodinamika adalah bagian dari jagad raya yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem dengan jagad raya disebut lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batasan sistem lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.

      Keadaan Termodinamika

Ketika sistem dalam keadaan seimbang dalam kondisi yang ditentukan, ini disebut dengan keadaan pasti (atau keadaan sistem).

Untuk keadaan termodinamika tertentu, banyak sifat dari sistem disperifikasikan. Properti yang tidak tergantung dengan jalur dimana sistem ini membentuk keadaan tersebut, disebut fungsi keadaan dari sistem.

Setiap kali kita mengendarai mobil, menyalakan pendingin ruangan , atau memakai alat-alat elektronik, kita memanfaatkan aplikasi praktis dari termodinamika, suatu ilmu yang menjelaskan hubungan antara panas , kerja mekanik, dan aspek-aspek lain dari energi dan perpindahan energi. Seperti halnya kita menyaksikan suatu demonstrasi yang menggunakan nitrogen cair, dari sini membuat kita berfikir bahwa  bagaimana gas tersebut dapat dicairkan. Salah satu metode pencairan adalah dengan mengkompresi gas sampai tekanan yang sangat tinggi sambil tetap menjaga agar suhu konstan, kemudian mengisolasinya dan membiarkannya berekspansi dan menjadi cair. Ini adalah sebuah contoh dari proses termodinamika. Begitu banyak penerapan fisika dalam kehidupan sehari-hari yang berhubungan dengan  termodinamika, Namun pada makalah ini kami khususkan pada sistem kerja Air Conditioner (AC) pada proses termodinamika.

 

     Hukum  termodinamika

¯  Hukum Kedua termodinamika

Dasar dari hukum kedua termodinamika  terletak pada perbedaan antara sifat alami energi dalam dan energi mekanik mikroskopik. Hasil percobaan menyimpulkan bahwa mustahil untuk membuat sebuah mesin kalor  yang mengubah panas seluruhnya menjadi kerja , yaitu mesin dengan efisiensi  termal 100% kemustahilan ini adalah dasar dari suatu pernyataan Hukum Kedua Termodinamika (second law of thermodynamics) sebagai berikut :

“ adalah mustahil bagi sebuah sistem manapun untuk mengalami sebuah proses diamana sistem  menyerap panas dari reservoir pada suhu tunggal dan mengubah panas seluruhnya menjadi kerja mekanik, dengan sistem berakhir pada keadaan yang sama seperti keadaan awalnya”

Pada benda yang bergerak, molekul memiliki gerakan acak , tetapi di atas semua itu terdapat  gerakan terkoordinasi dari setiap molekul  pada arah yang sesuai dengan kecepatan  benda tersebut. Energi kinetik yang berkaitan dengan gerakan makroskopik  terkoordinasi adalah apa yang kita sebut sebagi energi kinetik  pada benda bergerak. Energi kinetik dan energi potensial yang berkaitan dengan gerakan acak menghasilkan energi dalam.

 “ kalor mengalir secara alami dari benda yang panas kebenda yang dingin , kalor tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas”

Perkembangan pernyataan umum hukum kedua termodinamika sebagian didasarkan pada studi mesin kalor. Namun dalam makalah ini kami mengkhususkan penerapan fisika pada Air Conditioner atau sering disingkat dengan (AC),

B  Air Conditioner (AC)

Air Conditioner (AC) alias Pengkondision Udara merupakan seperangkat alat yang mampu mengkondisikan ruangan yang kita inginkan, terutama mengkondisikan ruangan menjadi lebih rendah suhunya dibanding suhu lingkungan sekitarnya. Filter (penyaring) tambahan digunakan untuk menghilangkan polutan dari udara. AC yang digunakan dalam sebuah gedung biasanya menggunakan AC sentral. Selain itu, jenis AC lainnya yang umum adalah AC ruangan yang terpasang di sebuah jendela. Kunci utama dari AC adalah refrigerant, yang umumnya adalah fluorocarbon, yang mengalir dalam sistem, menjadi cair dan melepaskan panas saat dipompa (diberi tekanan), dan menjadi gas dan menyerap panas ketika tekanan dikurangi. Mekanisme berubahnya refrigerant menjadi cairan lalu gas dengan memberi atau mengurangi tekanan terbagi mejadi dua area. Sebuah penyaring udara, kipas, dan cooling coil (kumparan pendingin) yang ada pada sisi ruangan dan sebuah kompresor (pompa), condenser coil (kumparan penukar panas), dan kipas pada jendela luar.

Udara panas dari ruangan melewati filter, menuju ke cooling coil yang berisi cairan refrigerant yang dingin, sehingga udara menjadi dingin, lalu melalui teralis/kisi-kisi kembali ke dalam ruangan. Pada kompresor, gas refrigerant dari cooling coil lalu dipanaskan dengan cara pengompresan. Pada condenser coil, refrigerant melepaskan panas dan menjadi cairan, yang tersirkulasi kembali ke cooling coil. Sebuah thermostat mengontrol motor kompresor untuk mengatur suhu ruangan.

B  Mekanisme AC

Sistem kerja AC terdiri dari bagian yang berfungsi untuk menaikkan dan menurunkan tekanan supaya penguapan dan penyerapan panas dapat berlangsung.Bagian-bagian AC adalah:

a.   Kompresor :Kompresor adalah power unit dari sistem sebuah AC. Ketika AC dijalankan, kompresor mengubah fluida kerja/refrigent berupa gas dari yang bertekanan rendah menjadi gas yang bertekanan tinggi. Gas bertekanan tinggi kemudian diteruskan menuju kondensor.

b.   Kondensor :adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengubah/mendinginkan gas yang bertekanan tinggi berubah menjadi cairan yang bertekanan tinggi. Cairan lalu dialirkan ke orifice tube.

c.    Orifice Tube : di mana cairan bertekanan tinggi diturunkan tekanan dan suhunya menjadi cairan dingin bertekanan rendah. Dalam beberapa sistem, selain memasang sebuah orifice tube, dipasang juga katup ekspansi.

d.   Katup ekspansi : merupakan komponen terpenting dari sistem. Ini dirancang untuk mengontrol aliran cairan pendingin melalui katup orifice yang merubah wujud cairan menjadi uap ketika zat pendingin meninggalkan katup pemuaian dan memasuki evaporator/pendingin

e.   Evaporator/pendingin : refrigent menyerap panas dalam ruangan melalui kumparan pendingin dan kipas evaporator meniupkan udara dingin ke dalam ruangan. Refrigent dalam evaporator mulai berubah kembali menjadi uap bertekanan rendah, tapi masih mengandung sedikit cairan. Campuran refrigent kemudian masuk ke akumulator / pengering. Ini juga dapat berlaku seperti mulut/orifice kedua bagi cairan yang berubah menjadi uap bertekanan rendah yang murni, sebelum melalui kompresor untuk memperoleh tekanan dan beredar dalam sistem lagi. Biasanya, evaporator dipasangi silikon yang berfungsi untuk menyerap kelembapan dari refrigent

Jadi, cara kerja sistem AC dapat diuraikan sebagai berkut :

                           (Gambar : siklus sistem kerja AC)

      Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di kondenser.

Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi kompresor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan.

        Pada kondensor tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator.

Setelah refrigent lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaposrator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun.

     Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.

Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada didalam substansi yang akan didinginkan.

       Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka entalpi, substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya enthalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan.

Dengan adanya mesin pendingin listrik ini maka untuk mendinginkan atau menurunkan temperatur suatu substansi dapat dengan mudah dilakukan.