ENTROPI DAN HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

Pengalaman sehari-hari menunjukkan bahwa sebuah kolam tidak membeku di musim panas. Jika sebuah benda panas berinteraksi dengan benda dingin, maka tak terjadi bahwa benda panas tersebut semakin panas dan benda dingin semakin dingin, meskipun proses-proses tersebut tidaklah melanggar hukum kekekalan energi yang dinyatakan sebagai hukum pertama termodinamika.

Hukum kedua termodinamika berkaitan dengan apakah proses-proses yang dianggap taat azas dengan hukum pertama, terjadi atau tidak terjadi di alam. Hukum kedua termodinamika seperti yang diungkapkan oleh Clausius mengatakan, “Untuk suatu mesin siklis maka tidak mungkin untuk menghasilkan efek lain, selain dari menyampaikan kalor secara kontinu dari sebuah benda ke benda lain pada temperatur yang lebih tinggi".

Bila ditinjau siklus Carnot, yakni siklus hipotesis yang terdiri dari empat proses terbalikkan: pemuaian isotermal dengan penambahan kalor, pemuaian adiabatik, pemampatan isotermal dengan pelepasan kalor dan pemampatan adiabatik; jika integral sebuah kuantitas mengitari setiap lintasan tertutup adalah nol, maka kuantitas tersebut yakni variabel keadaan, mempunyai sebuah nilai yang hanya merupakan ciri dari keadaan sistem tersebut, tak peduli bagaimana keadaan tersebut dicapai. Variabel keadaan dalam hal ini adalah entropi. Perubahan entropi hanya gayut keadaan awal dan keadaan akhir dan tak gayut proses yang menghubungkan keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

Hukum kedua termodinamika dalam konsep entropi mengatakan, "Sebuah proses alami yang bermula di dalam satu keadaan kesetimbangan dan berakhir di dalam satu keadaan kesetimbangan lain akan bergerak di dalam arah yang menyebabkan entropi dari sistem dan lingkungannya semakin besar".

Jika entropi diasosiasikan dengan kekacauan maka pernyataan hukum kedua termodinamika di dalam proses-proses alami cenderung bertambah ekivalen dengan menyatakan, kekacauan dari sistem dan lingkungan cenderung semakin besar.

Di dalam ekspansi bebas, molekul-molekul gas yang menempati keseluruhan ruang kotak adalah lebih kacau dibandingkan bila molekul-molekul gas tersebut menempati setengah ruang kotak. Jika dua benda yang memiliki temperatur berbeda T₁ dan T₂ berinteraksi, sehingga mencapai temperatur yang serba sama T, maka dapat dikatakan bahwa sistem tersebut menjadi lebih kacau, dalam arti, pernyataan "semua molekul dalam sistem tersebut bersesuaian dengan temperatur T adalah lebih lemah bila dibandingkan dengan pernyataan semua molekul di dalam benda A bersesuaian dengan temperatur T₁ dan benda B bersesuaian dengan temperatur T₂".

Di dalam mekanika statistik, hubungan antara entropi dan parameter kekacauan adalah, pers. (1): 
S = k log w 
dimana k adalah konstanta Boltzmann, S adalah entropi sistem, w adalah parameter kekacauan, yakni kemungkinan beradanya sistem tersebut relatif terhadap semua keadaan yang mungkin ditempati. 

Jika ditinjau perubahan entropi suatu gas ideal di dalam ekspansi isotermal, dimana banyaknya molekul dan temperatur tak berubah sedangkan volumenya semakin besar, maka kemungkinan sebuah molekul dapat ditemukan dalam suatu daerah bervolume V adalah sebanding dengan V; yakni semakin besar V maka semakin besar pula peluang untuk menemukan molekul tersebut di dalam V. Kemungkinan untuk menemukan sebuah molekul tunggal di dalam V adalah, pers. (2):

W₁ = c V 

dimana c adalah konstanta. Kemungkinan menemukan N molekul secara serempak di dalam volumeV adalah hasil kali lipat N dari w. Yakni, kemungkinan dari sebuah keadaan yang terdiri dari Nmolekul berada di dalam volume V adalah, pers.(3): 

w = w₁^N = (cV)^N. 

Jika persamaan (3) disubstitusikan ke (1), maka perbedaan entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal dimana temperatur dan banyaknya molekul tak berubah, adalah bernilai positip. Ini berarti entropi gas ideal dalam proses ekspansi isotermal tersebut bertambah besar.

Definisi statistik mengenai entropi, yakni persamaan (1), menghubungkan gambaran termodinamika dan gambaran mekanika statistik yang memungkinkan untuk meletakkan hukum kedua termodinamika pada landasan statistik. Arah dimana proses alami akan terjadi menuju entropi yang lebih tinggi ditentukan oleh hukum kemungkinan, yakni menuju sebuah keadaan yang lebih mungkin. Dalam hal ini, keadaan kesetimbangan adalah keadaan dimana entropi maksimum secara termodinamika dan keadaan yang paling mungkin secara statistik. Akan tetapi fluktuasi, misal gerak Brown, dapat terjadi di sekitar distribusi kesetimbangan. Dari sudut pandang ini, tidaklah mutlak bahwa entropi akan semakin besar di dalam tiap-tiap proses spontan. Entropi kadang-kadang dapat berkurang. Jika cukup lama ditunggu, keadaan yang paling tidak mungkin sekali pun dapat terjadi: air di dalam kolam tiba-tiba membeku pada suatu hari musim panas yang panas atau suatu vakum setempat terjadi secara tiba-tiba dalam suatu ruangan. Hukum kedua termodinamika memperlihatkan arah peristiwa-peristiwa yang paling mungkin, bukan hanya peristiwa-peristiwa yang mungkin

PROSES REVERSIBEL DAN PROSES IRREVERSIBEL

Bila   kita   meninjau   sebuah   sistem   yang   khas   dalam   kesetimbangan termodinamika dengan massa M dari suatu gas ideal yang dibatasi dalam sebuahsusunan silinder pengisap dengan volume V, tekanan P serta temperatur T. Dalam kesetimbangan  maka  variabel-veriabel  tersebut  tetap  konstan  terhadap  waktu.Dimisalkan  bahwa  silinder  tersebut  dinding-dindingnya  adalah  isolator  panas yang  ideal  dan  alasnya  adalah  penghantar  panas  yang  ideal  ditempatkan  padasebuah  reservoir  besar  yang  dipertahankan  pada  temperatur  T  sama  seperti gambar 1. Kemudian keadaan sistem tersebut diubah dengan T adalah sama tetapi volume V direduksi sebesar setengah volume awalnya.

1.   Proses Irreversibel (Proses Tak Terbalikkan)

Apabila  kita  menekan  pengisap  tersebut  dengan  sangat  cepat sampai kembali lagi ke kesetimbangan dengan reservoir, selama proses ini gasbergolak dan  tekanan  serta  temperaturnya  tidak  dapat  didefinisikan  secara  tepat sehingga grafik  proses  ini  tidak  dapat  digambarkan  sebagai  sebuah  garis kontinu  dalam diagram  P-V  karena  tidak  diketahui  berapa  nilai  tekanan  atau temperatur  yang akan diasosiasikan dengan volume yang diberikan. Proses inilahyang dinamakan proses irreversibel.

2.   Proses Reversibel (Proses Terbalikkan)

Apabila  kita  menekan  pengisap  dengan  sangat  lambat  sehingga  tekanan, volume, dan temperatur gas tersebut pada setiap waktu adalah kuantitas-kuantitas yang dapat didefinisikan secara tepat. Mula-mula sedikit butiran pasir dijatuhkan pada pengisap dimana kemudian volume sistem akan direduksi sedikit dan T akannaik  serta  terjadi  penyimpangan   terhadap   kesetimbangan   yang  sangat  kecil. Sejumlah  kecil  kalor  akan  dipindahkan  ke  reservoir  dan  dalam  waktu  singkatsistem  akan  mencapai  kesetimbangan baru dengan T adalah  sama  dengan T reservoir. Peristiwa ini diulakukan berulang-ulang sampai akhirnya kita mereduksi volume  menjadi  setengah  kali  volume  awalnya.  Selama  keseluruhan  proses  ini,sistem tersebut tidak pernah berada dalam sebuah keadaan yang berbedabanyak dari   sebuah   keadaan   kesetimbangan.   Proses   inilah   yang   dinamakan  proses reversibel. Proses reversibel adalah sebuah proses yang dengan suatuperubahan diferensial  di  dalam  lingkungannya  dapat  dibuat  menelusuri  kembali lintasan proses tersebut.

Pada   praktiknya   semua   proses   adalah   irreversibel   tetapi   kita   dapat mendekati keterbalikan (reversibel) sedekat mungkin dengan membuat perbaikan- perbaikan eksperimen yang sesuai. Proses yang betul-betul reversibel adalah suatu abstraksi sederhana yang berguna dalam hubungannya dengan proses rieladalah serupa seperti hubungan abstraksi gas ideal dengan gas riel. Pada prosesreversibel juga terjadi proses isotermal, kerena kita menganggap bahwa T gasberbeda pada setiap  waktu  hanya  sebanyak  diferensial  dT  dari  T  konstan reservoir  dimana silinder  berdiam. Dalam proses adiabatir tidak ada kalor yang masuk ataupun keluar dari sistem. Proses adiabatikr dapat merupakan proses reversibel atau irreversibel, dimana proses  reversibel kita dapat menggerakkan pengisap sangat lambat dengan cara pembebanan pasir dan proses yang irreversibel kita dapat menyodok pengisapdengan sangat cepat ke bawah. Selama  proses  kompresi  adiabatik  temperatur  gas  akan  naik  karena  dariHukum I Termodinamika bila Q = 0 maka besarnya usaha W untuk mendorong pengisap  ke  bawah  harus  muncul  sebagai  suatu  pertambahan  energi  dalamsebesar  ΔU.  W  akan  bernilai  berbeda  untuk  kecepatan  yang  berbeda  daripendorongan  pengisap  tersebut  ke  bawah  yang  diberikan  oleh  ∫PdV  yaitu  luas daerah di bawah kurva pada diagram P –V (hanya untuk proses reversibel untuk P tetap).  ΔU  dan  ΔT  tidak  akan  sama  baik  untuk  proses  reversibel  ataupunirreversible.

Tekanan Uap Campuran Non Ideal

Tidak semua campuran bersifat ideal. Campuran – campuran non ideal ini mengalami penyimpangan / deviasi  dari hukum Raoult. Terdapat dua macam penyimpangan hukum Raoult, yaitu

1. Penyimpangan positif

Penyimpangan positif hukum Raoult terjadi apabila interaksi dalam masing – masing zat lebih kuat daripada antaraksi dalam campuran zat ( A – A, B – B > A – B). Penyimpangan ini menghasilkan entalpi campuran (ΔH_mix) positif (bersifat endotermik) dan mengakibatkan terjadinya penambahan volume campuran (ΔV_mix > 0). Contoh penyimpangan positif terjadi pada campuran etanol dan n – hekasana.

Gambar 3.5. Penyimpangan positif hukum Raoult

1. Penyimpangan negatif

Penyimpangan negatif hukum Raoult terjadi apabila antaraksi dalam campuran zat lebih kuat daripada interaksi dalam masing – masing zat ( A – B > A – A, B – B). Penyimpangan ini menghasilkan entalpi campuran (ΔH_mix) negatif (bersifat eksotermik) mengakibatkan terjadinya pengurangan volume campuran (ΔV_mix < 0).. Contoh penyimpangan negatif terjadi pada campuran aseton dan air.

Gambar 3.6. Penyimpangan negatif hukum Raoult

Pada gambar 3.5 dan 3.6 terlihat bahwa masing – masing kurva memiliki tekanan uap maksimum dan minimum. Sistem yang memiliki nilai maksimum atau minimum disebut sistem azeotrop. Campuran azeotrop tidak dapat dipisahkan dengan menggunakan destilasi biasa. Pemisahan komponen 2 dan azotrop dapat dilakukan dengan destilasi bertingkat. Tetapi, komponen 1 tidak dapat diambil dari azeotrop. Komposisi azeotrop dapat dipecahkan dengan cara destilasi pada tekanan dimana campuran tidak membentuk sistem tersebut atau dengan menambahkan komponen ketiga.

Sistem dan lingkungan Termodinamika

Suatu system termodinamika adalah suatu masssa atau daerah yang dipilih untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebut sebagai lingkungan. Batas antara system dengan lingkungannya disebut batas  system ( boundary). Sifat (property ) system seperti massa , volume, energy, tekanan, dan temperatur, merupakan krakteristik mikroskopik system, di mana nilai numeriknya dapat diberikan pada suatu waktu tertentu tanpa mengetahui sejarah system itu sendiri. Keadaan ( state ) merupakan kondisi system yang dapat ditentukan oleh sifatnya. Mengingat bahwa umumnya terdapat hubungan antara sifat – sifat system, keadaan dapat ditentukan berdasarkan nilai pasangan sifatnya. Sifat – sifat yang lain dapat ditentukan berdasarkan pasangan sifatnya.

Proses dapat terjadi pada sebuah system apabila terdapat perubahan sifat sehingga terjadi perubahan keadaan dari system tersebut. Proses merupakan transformasi dari suatu keadaan ke kaadaan yang lain. Jika system menunjukan nilai sifatnya yang tetap pada dua saat yang berbeda. Maka system dapat dikatakan berada dalam keadaan yang sama. Sebuah system dikatakan dalam kondisi tunak ( steady state) jika tidak satu pun sifatnya berubah terhadap waktu. Siklus termodinamika merupakan suatu urutan proses yang berawal dan berakhir pada keadaan yang sama. Paada akhir siklus, semua sifat akan memiliki nilai yang sama dengan kondisi awal. Dengan demikian, maka dalam suatu siklus, system tidak mengalami perubahan netto. Siklus yang berulang secara periodik memegang peran penting dalam berbagai aplikasi teknik. Contohnya,  uap yang berdiskusi dalam suatu unit pembangkit tenaga listrik membentuk sebuah siklus. Pada suatu keadaan tertentu, setiap sifat memiliki nilai tertentu yang dapat ditentukan tanpa perlu mengetahui bagaimana sistem dapat mencapai keadaan tersebut.

Dengan demikian, perubahan nilai suatu sifat dapat pada saat system berpindah dari suatu keadaan ke kaadaan yang lain sangat di tentukan oleh keadaan awal dan akhir serta tidak di pengaruhi oleh langkah perubahan yang terjadi. Perubahan tidak di pengaruhi oleh sejarah dan rincian proses. Sebaliknya apabila nilai suatu besaran tidak dipengaruhi oleh proses antara dua keadaan, maka besaran tersebut merupakan perubahan sifat. Hal ini mendorong munculnya pengujiaan yang bukan saja penting namun juga memadai dalam menentukan apakah suatu besaran merupakan perubahan sebuah sifat: suatu besaran adalah sebuah sifat, jika dan hanya jika perubahan nilai diantara dua keadaan tidak dipengaruhi oleh proses. Selanjutnya,apabila nilai kuantitas tertentu bergantung pada detail proses dan tidak semata – mata tergantung pada kondisi awal dan akhir, maka besaran tersebut bukanlah sebuah sifat.

PENGERTIAN HUKUM III TERMODINAMIKA

Efek magnetokalorik di pakai untuk menurunkan temperatur senyawa paramagnetikhingga sekitar 0.001 K. Secara prinsip, temperatur yang lebih rendah lagi dapat dicapai dengan menerapkan efek magnetokalorik berulang-ulang. Jadi setelah penaikan medan magnetik semula secara isoterm, penurunan medan magnetik secara adiabat dapat dipakai untuk menyiapkan sejumlah besar bahan pada temperatur Tᶠ¹, yang dapat dipakai sebagai tandon kalor untuk menaikan tandon kalor secara isoterm ynag berikutnya dari sejumlah bahan yang lebih sedikit dari bahan semula. Penurunan medan magnetik secara adiabat yang kedua dapat menghasilkan temperatur yang lebih rendah lagi, Tᶠ², dan seterusnya. Maka akan timbul pertanyaan apakah efek magnetokalorik dapat dipakai untuk mendinginkan zat hingga mencapai nol mutlak.

Pecobaan menunjukan bahwa sifat dasar semua proses pendinginan adalah bahwa semakin rendah temperatur yang dicapai, semakin sulit menurunkannya.hal yang sama berlaku juga untuk efek magnetokalorik.dengan persyaratan demikian, penurunan medan secara adiabat yang tak trhingga banyaknya diperlukan untuk mencapai temperatur nol mutlak. Perampatan dari pengalaman dapat dinyatakan sebagai berikut :

Temperatur nol mutlak tidak dapat dicapai dengan sederetan prosesyang banyaknya terhingga.Ini dikenal sebagi ketercapaian temperatur nol mutlak atau ketaktercapaian hukum ketiga termodinamika. Pernyataan lain dari hukum ketiga termodinamika adalahhasil percobaan yang menuju ke perhitungan bahwa bagaimana ΔS_T  berlaku ketika T mendekati nol. ΔS_T ialah perubahan entropi sistem terkondensasi ketika berlangsung proses isoterm terbuktikan. Percobaansangat memperkuat bahwa ketika T menurun, ΔS_T  berkurang jika sistem itu zat cair atau zat padat. Jadi prinsip berikut dapat di terima:

Perubahan entropi yang berkaitan dengan proses-terbalikan-isotermis-suatu sistem-terkondensasi mendekati nol ketika temperaturnya mendekati nol.

Pernyataan tersebut merupakan hukum ketiga termodinamika menurut Nernst-Simon. Nernst menyatakan bahwa perubahan entropi yang menyertai tiap proses reversibel, isotermik dari suatu sistem terkondensasi mendekati nol. Perubahan yang dinyatakan di atas dapat berupa reaksi kimia, perubahan status fisik, atau secara umum tiap perubahan yang dalam prinsip dapat dilakukan secara reversibel.

Hal ini dikenal sebagai hukun Nernst, yang secara matematika dinyatakan sebagai :

Kemudian, Pada tahun 1911, Planck membuat suatu hipotesis è Pada  suhu T à 0, bukan hanya beda entropi yg = 0, tetapi entropi setiap zat padat atau cair dalam keseimbangan dakhir pada suhu nol.

Dapat ditunjukkan secara eksperimen, bahwa bila suhunya mendekati  0 K, perubahan entropi transisi S_tmenurun.

Persamaan diatas dikenal sebagai hukum ketiga termodinamika.
Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Hukum ketiga termodinamika menyatakan bahwa perubahan entropi S_t yang berkaitan dengan perubahan kimia atau perubahan fisika bahan murni pada T = 0 K bernilai nol.

Secara intuitif hukum ketiga dapat dipahami dari fakta bahwa pergerakan ionik atau molekular maupun atomik yang menentukan derajat ketidakteraturan dan dengan demikian juga besarnya entropi, sama sekali berhenti pada 0 K. Dengan mengingat hal ini, tidak akan ada perubahan derajat ketidakteraturan dalam perubahan fisika atau kimia dan oleh karena itu tidak akan ada perubahan entropi.

1. B.   APLIKASI  HUKUM KETIGA TERMODINAMIKA

Hukum ketiga termodinamika memungkinkan perhitungan perhitungan entropi absolut dari zat murni pada tiap temperatur dari panas jenis dan panaa transisi. Sebagai contoh, suatu benda padat pada temperatur T, akan memeiliki entropi yang akan dinyatakan oleh :

Suatu benda cair, sebaliknya mempunyai entropi yang dinyatakan oleh :

Penerapan yang mencakup gas menjadi :

Besaran-besaran yang diperlukan untuk evaluasi numerik entropi mencakup panas jenis. Pengukuran panas jenis zat padat di sekitar titik nol absolut menunjukan bahwa :

Karena  untuk zat padat,maka Debye dan Einstein menurunkan persamaan berikut untuk panaa jenis zat pasdat :

Dimana a adalah karakteristik yang berbeda untuk setiap zat. Bila suatu zat sederhana dipanaskan pada tekanan konstan, pertambahan entropi dinyatakan oleh :

Bila persamaan tersebut di integrasikan di antara titik nol absolutdengan temperatur T dimana s =0 hasilnya adalah :

1. C.   KONSEKUENSI SELANJUTNYA DARI HUKUM TIGA TERMODINAMIKA

Konsekuensi dari hukum ketiga termodinamika dijabarkan di bawah ini.

Untuk suatu proses temperatur konstan dekat 0ºK,perubahan entropi dinyatakan oleh :

Karena  = 0 pada T = 0 dari hukumtermodinamika ketiga, persamaan menghasilkan :

Tetapi  dari persamaan Maxwell. Jadi persamaan menjadi :

Hasil diatas sesuai dengan kenyataan eksperimental. Sebagai contoh, buffington dan Latimer menemukan bahwa koefisien ekspansi dari beberapa zat padat kristalin mendekati nol.

Konsekuensi terakhir dari hukum ketiga termodinamika adalah tidak dapat diperolehnya titik nol absolut. Ditinjau suatu bidang penelitian pada temperatur rendah, kenyataan eksperimental menunjukan bahwa temperatur yang di peroleh oleh tiap proses demagenetisasi adaibatik dari temperatur awalnya adalah setengah temperatur awal proses bersangkutan. Jadi makin rendah temperatur yang dicapai, makin kurang kemungkinannya untuk didinginkan lebih rendah.

Dengan kata lain diperlukan proses demagnetisasi adiabatik yag tak terbatas jumlahnya untuk mencapai titik nol absolut.

Aplikasi Termodinamika dalam berbagai alat - alat rumah tangga

 Hukum termodinamika telah berhasil diterapkan dalam penelitian tentang proses kimia dan fisika. Hukum pertama termodinamika didasarkan pada hukum kekekalan energi. Hukum kedua termodinamika berkenaan dengan proses alami atau proses spontan dimana fungsi yang memprediksi kespontanan reaksi ialah entropi, yang merupakan ukuran ketidakteraturan suatu sistem. Hukum kedua ini menyatakan bahwa untuk proses spontan, perubahan entropi semesta haruslah positif. Sedangkan hukum ketiga termodinamika memungkinkan untuk menentukan nilai entropi mutlak (Chang, 2002: 165).

            Berikut beberapa contoh aplikasi termodinamika yang biasa digunakan dalam kehidupan sehari-hari :

1. Air Conditioner (AC)

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

            Kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam kompresor dialirkan ke kondenser 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 kondensor relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator.

            Setelah refrigent lewat kondensor 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 evaporator 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 entalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan.

Berikut rangkaian gambar skema kerja dari AC :

2. Dispenser

Prinsip kerja pemanas air

Proses pemanasan air terjadi pada saat air masuk kedalam tabung pemanas. Tabung pemanas merupakan tabung yang terbuat dari logam yang disekitar tabung tersebut dikelilingi oleh elemen pemanas, sehingga ketika air mengalir dari tampungan menuju tabung pemanas sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memicu elemen pemanas untuk bekerja, suhu tinggi yang dihasilkan elemen pemanas diserap oleh air yang suhunya lebih rendah, setelah suhu air dalam tabung pemanas tinggi maksimal sensor suhu yang ada pada tabung pemanas akan memutuskan arus listrik pada elemen pemanas, pada saat elemen pemanas menyala lampu indikator pemanas menyala dan pada saat elemen pemanas mati lampu indikator pemanas mati.

Pada tabung dispenser dipasang Heater/pemanas serta sensor suhu atau thermostat yang berfungsi untuk membatasi kerja heater agar tidak bekerja terus-menerus yang akan menimbulkan suhu air dalam tabung dispenser berlebihan, karena apabila heater berkerja berlebih, heater akan panas dan bahkan heater tersebut akan terjadi kerusakan didalamnya. Untuk mengurangi terjadinya resiko tersebut, di heater dipasang thermostat yang berguna untuk mengatur suhu.

Ketika suhu air yang dipanaskan oleh heater mencapai suhu tertentu sehingga melebihi suhu kerja sensor/thermostat maka sensor akan bekerja dan memutuskan arus yang mengalir ke heater, dengan demikian heater akan berhenti bekerja sehingga suhu air tetap terjaga sesuai dengan kebutuhan, bisa dilihat di lampu indikator dari warna merah akan berganti warna hijau. Heater akan bekerja kembali manakala suhu air pada tabung menurun sampai suhunya berada dibawah suhu kerja sensor, sensor dipasang seri dengan heater, dengan demikian fungsi dari sensor ini mirip seperti saklar, hanya saja bekerjanya secara otomatis berdasarkan perubahan suhu.

Prinsip kerja pendingin air

            Proses pendinginan air pada dispenser pada umumnya dibedakan menjadi 2 yaitu:

1.     Pendinginan Air dengan Fan

Proses pendinginan air menggunakan fan dilakukan dengan cara menghisap suhu tinggi pada air ketika air berada pada tampungan air kedua yang letaknya berada dibawah tampungan air pertama, namun pada kenyataannya fan hanya alat bantu untuk mempercepat pembuangan panas pada air, sehingga temperatur air hanya akan turun sedikit saja. Setelah melewati tampungan air kedua air akan dikeluarkan melalui keran dan siap untuk diminum.

2.     Pendinginan Air dengan Sistem Refrigran

Pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran sama seperti sistem refrigran pada kulkas hanya saja evaporatornya dimasukkan kedalam tampungan air kedua yang berada dibawah tampungan air pertama, sehingga air disekitar evapurator akan menjadi air dingin. Hasil pendinginan air pada dispenser menggunakan sistem refrigran lebih maksimal dibandingkan pendinginan air menggunakan fan. Setelah air melalui proses pendinginan pada tampungan air kedua, air akan mengalir dan keluar memalui keran.

 Nama komponen pada dispenser:

1.      Saklar On/Off

2.      Thermostat 1

3.      Thermostat 2

4.      Saluran daya utama

5.      Elemen pemanas

6.      Saluran air panas 

7.      Saluran air normal

8.      Pipa pembuangan

3. Rice Cooker 

Pada rice cooker, energi panas ini dihasilkan dari energi listrik. Suatu cairan akan menguap bila tekanan uap gas yang berasal dari cairan adalah sama dengan tekanan dari cairan ke sekitarnya (Puap = Pcair). Jadi, titik didih suatu cairan sebenarnya bisa dimanipulasi dengan meningkatkan tekanan di luar cairan (tekanan eksternal). Pada penanak nasi biasa, air akan dididihkan dengan tekanan eksternal biasa, yaitu 101 kPa, dan mendidih pada titik didih biasa, yaitu 100°C (373 K).

            Sementara, pada penanak nasi yang memanipulasi tekanan (pressure cooker, atau electric pressure cooker) jika tutup lubang uapnya dibuka, makapressure cooker akan bekerja seperti penanak nasi biasa, karena tekanan eksternalnya sama dengan tekanan udara luar.

            Namun, jika tutup lubang uapnya (biasanya berupa katup) ditutup, akan ada perubahan pada tekanan udara di ruang dalam pressure cooker dan titik didih cairan akan berubah. Ketika katupnya ditutup, kondisi sistem berubah karena uap airnya hanya dapat berada di dalam ruang pressure cooker.

Karena ada tambahan massa (tutup katup), tekanan makin tinggi dan titik kesetimbangan antar fase (dalam hal ini, antara fase cair dan fase uap) berubah ke temperatur yang lebih tinggi, dan terbentuklah titik didih baru.

            Massa tutup katup menentukan tekanan di dalam ruang pressure cooker, karena lubang katup akan membiarkan uap air keluar ketika tekanannya telah mencapai titik tertentu. Kelebihan tekanan akan dikurangi dengan melepaskan sedikit uap melalui katup.

ANALISIS TERMODINAMIKA SISTEM TERBUKA

Dalam persoalan yang menyangkut adanya aliran massa ke/dari sistem maka sistemnya adalah sistem terbuka(control volume). Contohnya : water heater, radiator mobil, turbin, kompressor, nozle dll. Tidak ada aturan mengenai bagaimana memilih sistem, tetapi yang penting adalah pemilihan tersebut dapat memudahkan analisis. Misalkan akan dianalisis aliran udara melalui nozle, maka pemilihan sistemnya adalah di dalam nozle. Lapis batas dari control volume disebut control surface, dapat riil ataupun imajiner. Dalam kasus nozle misalnya, maka permukaan dalam dari nozle adalah lapis batas yang riil, sedangkan daerah masuk dan keluarnya aliran adalah lapis batas imajiner karena tidak ada bentuk fisik sesungguhnya. Control volume dapat tetap (bentuk dan ukurannya) maupun dapat mengandung moving boundary. Beberapa istilah  Steady : tidak berubah terhadap waktu, lawan katanya unsteady/transient. Uniform: tidak berubah terhadap tempat.

Flow work

Flow work adalah energi yang diperlukan untuk mendorong fluida masuk atau keluar dari control volume,merupakan bagian dari energi yang dibawa oleh fluida.

Kita tinjau gambar di atas. Jika tekanan fluida P , luas penampang saluran A, maka gaya yang bekerja pada elemen fluida oleh piston imajiner adalah : F = P A  Untuk memasukkan seluruh elemen fluida ke dalam control volume maka gaya akan bekerja masuk ke dalam control volume :  Wflow = F L = P A L = P V (kJ) Dalam basis massa : wflow = P v (kJ/kg)

STEADY FLOW PROCESS

Proses-proses yang dijumpai dalam sistem keteknikan sangat bervariasi, mulai dari yang sangat sederhana sampai yang rumit. Dalam beberapa hal, proses yang rumit dapat disederhanakan menjadi bagian yang sederhana(dengan pengandaian-pengandaian). Turbin, kompresor dan nozle beroperasi untuk waktu yang lama dengan kondisi yang sama. Peralatan seperti itu diklasifikasikan sebagaisteady flow devices. Proses dari peralatan steady dapat dianalisis dengan suatu idealisasi proses yang disebut “steady flow process”. Steady flow process didefinisikan sebagai suatu proses di mana fluida mengalir dalam control volume secara steady. Hal ini berarti bahwa property dapat berubah dari titik ke titik di dalam control volume tetapi pada setiap titik selalu konstan selama proses.

Karakteristik steady flow process 1. Selama proses tidak ada property yang berubah terhadap waktu. Jadi volume V, massa m dan total energi E konstan. Akibatnya boundary work nol dan total massa dan energi yang masuk control volume sama dengan total massa dan energi yang keluar control volume. Dengan kata lain selama proses kandungan enegi dan massa dari kontrol volume tetap, tidak berubah terhadap waktu. 2. Selama proses sifat fluida di inlet dan outlet tidak berubah terhadap waktu 3. Interaksi energi (berupa panas dan kerja) antara sistem control volume dengan sekelilingnya tidak berubah terhadap waktu Proses dengan perubahan sifat-sifat fluida secara periodik dapat dianalisis sebagai steady flow process.

STEADY FLOW DEVICES 1.

Nozle dan diffuser

Nozle : menambah kecepatan fluida Difuser : menaikkan tekanan fluida dengan menurunkan kecepatan. Beberapa hal yang perlu diperhatikan

·         Q ≅ 0. Laju perpindahan panas antara fluida yang mengalir di dalam nozle atau difuser dengan sekeliling biasanya sangat kecil walaupun tidak diisolasi. Hal ini karena kecepatan fluida cukup tinggi sehingga tidak cukup waktu untuk terjadi transfer panas. Oleh sebab itu jika tidak ada data mengenai transfer panas, prosesnya dianggap adiabatik

·         W ≅ 0 Kerja di dalam nozle dan difuser nol karena hanya berupa bentuk penampang saluran.

·         Δke ≠ 0. Pada waktu fluida melewati nozle aatau difuser terjadi perubahan kecepatan yang besar sehingga perubahan energi kinetik harus diperhitungkan dalam analisis.

·         Δpe = 0. Biasanya tidak terdapat perbedaan elevasi, sehingga faktor energi potensial dapat diabaikan.

Turbin dan kompresor

Di dalam steam power plants peralatan yang menggerakkan generator adalah turbin. Fluida masuk kedalam turbin dan menggerakkan sudu-sudu sehingga memutar poros. Kerja yang dihasilkan turbin adalah positif karena dilakukan oleh fluida. Kompresor adalah alat untuk menaikkan tekanan fluida, seperti juga pompa dan fan. Fan menaikkan tekanan untuk menggerakkan udara sekitar. Kompresor untuk menaikkan tekanan gas menjadi tekanan yang sangat tinggi. Pompa sama seperti kompresor tetapi untuk fluida cair. Beberapa hal yang perlu diperhatikan

·         Q ≅ 0. Laju perpindahan panas kecil dibandingkan dengan kerja poros kecuali ada pendinginan, sehingga dapat diabaikan kecuali ada pendinginan.

·         W ≅ 0. Pada persoalan ini pasti ada kerja poros. Pada turbin berupa daya output, pada pompa dan kompresor berupa daya input.

·         Δke ≅ 0. Perubahan kecepatan fluida biasanya hanya menyebabkan perubahn energi kinetik yang tidak signifikan kecuali pada turbin.

·         Δpe = 0. Perubahan energi potensial biasanya kecil sehingga dapat diabaikan.

Throttling valves

Proses throttling terjadi bila aliran fluida mengalami kehilangan tekanan sewaktu melewati hambatan. Throttling valve menyebabkan penurunan tekanan (pressure drops) di dalam fluida. Pressure drops biasanya diikuti penurunan temperatur yang besar. Pada throttling valve biasanya diasumsikan adiabatik (q ≅0) karena tidak cukup waktu dan daerah untuk terjadinya perpindahan panas. Faktor kerja juga tidak ada (w ≅ 0). Perubahan energi potensial sangat kecil sehingga bisa diabaikan (Δpe ≅ 0). Meskipun kecepatan keluar lebih besar dari kecepatan masuk tetapi dalam banyak kasus perubahan energi kinetik tidak signifikan (Δke ≅ 0).

Sehingga persamaan kekekalan energi menjadi : h2 ≅ h1 (kJ/kg) (4.20) u2 + P2 v2 = u1 + P1 v1 atau energi dalam + flow enegi = konstan Enthalpy pada inlet dan exit sama, disebut proses isenthalpic. Jika flow work naik (P2v2 > P1v1) maka energi dalam akan turun dan diikuti turunnya temperatur. Jika flow work turun (P2v2 < P1v1) maka energi dalam dan temperatur naik.

Heat exchanger

Merupakan perlatan untuk menukar kalor. Di dalam heat exchanger tidak ada interaksi kerja (w = 0) dan perubahan energi kinetik serta energi potensial diabaikan (Δke ≅ 0, Δpe ≅ 0). Perpindahan panas tergantung bagaimana memilih control volumenya. Jika seluruh bagian dipilih sebagai control volume maka tidak terjadi perpindahan panas (Q ≅ 0). Tetapi jika hanya satu fluida yang dipilih sebagai control volume maka ada perpindahan panas dari satu fluida ke fluida yang lain (Q ≠ 0).