Entropi

Q2 adalah panas yang masuk kedalam sistem dan Q1 adalah panas yang keluar sistem. Selanjutnya Q2 diberi tanda (+), dan Q1 à (-), sehingga :

Selanjutnya ditinjau suatu proses siklus reversibel sebarang berupa satu kurva tertutup,

seperti gambar berikut ini :

Gambar : Proses siklis reversibel dapat didekati dengan sejumlah besar siklus carnot

Proses ini dapat didekati sedekat-dekatnya dg sejumlah besar siklus Carnot kecil-kecil

dengan arah yang sama.

Bagian-bagian adiabatik siklus-siklus itu dijalani dua kali dengan arah yg berlawanan,

sehingga saling melenyapkan.

Hasil keseluruhan menjadi suatu garis bergerigi yang tertutup. 

Jika siklus-siklus itu dibuat lebih kecil, maka bagian-bagian adiabatik seluruhnya saling

melenyapkan. Sedangkan bagian-bagian isotermalnya tidak.

Jika suatu siklus kecil beroperasi antara suhu T2 dan T1 dg arus panas yg bersankutan

∆Q2 dan ∆Q1, à berlaku persamaan :

Jika dijumlahkan semua siklus, Indeks r proses reversibel

Dalam keadaan limit, siklus-siklus dibuat tak terhingga kecil, proses yg terbentuk seperti 

gigi gergaji, dan mendekati siklus aslinya.

Tanda Σ diganti dg integral tertutup :

Besaran Q bukan fungsi keadaan sehingga d’Q bukan diferensial eksak.

Tetapi  

 adalah diferensial eksak, diberi lambang dS.

Besaran S disebut entropi yg adalah fungsi keadaan.

Besaran S disebut entropi yg adalah fungsi keadaan, Satuan S è J.K-1 (SI, MKS) 

Entropi adalah besaran ekstensif yang bila dibagi dengan jumlah massa m atau jumlah mol 

n, entropi jenis (s).

Satuan s : J.kg-1. K-1 atau J.mol-1K-1 (SI)

Satuan s : J.kg-1. K-1 atau J.kmol-1K-1

Menghitung Perubahan Entropi dalam proses Reversibel

Dalam proses adiabatik d’Q = 0 dan dalam proses adiabatik reversibel d’Qr = 0, maka 

dalam setiap proses adiabatik reversibel dS = 0, entropi S  tetap

Proses demikian disebut proses isentropik 

d’Qr = 0 dan dS = 0

Dalam proses isotermal reversibel, suhu T tetap, sehingga perubahan entropi :

Untuk melaksanakan proses semacam ini, maka sistem dihubungkan dengan sebuah

reservoir yg suhunya berbeda.

Jika arus panas mengalir masuk ke dalam sistem, maka Qr positif, dan entropi sistem naik, 

demikian sebaliknya.

Contoh proses isotermal reversibel : perubahan fase pada tekanan tetap.

Arus panas yg masuk ke dalam sistem per satuan massa atau per mol = panas 

transformasi l, sehingga perubahan entropi jenisnya menjadi :

Dalam kebanyakan proses suatu arus panas yg masuk ke dalam sistem secara reversibel 

umumnya disertai oleh perubahan suhu.

sehingga perhitungan perubahan entropi dari persamaan (6-4) suhu T tidak boleh 

dikeluarkan dari tanda integral.

Jika proses terjadi pada volume tetap, maka d’q (aliran panas per unit massa, atau per mol) = cv.dT 

D 

Diagram T-S

Entropi adalah fungsi keadaan, nilainya pada suatu keadaan seimbang dapat dinyatakan 

dalam variabel-variabel yg menentukan keadaan sistem.

Dalam sistem pVT, entropi dapat dinyatakan sebagai fungsi p dan V, atau p dan T. Seperti 

halnya tenaga dakhil U, maka entropi S dapat pula dianggap sebagai salah satu variabel yg 

menentukan keadaan tersebut

Jika suhu T dipilih sebagai variabel lain è tiap keadaan sistem berkaitan dg sebuah titik 

dalam diagram T-S, dan tiap proses reversibel bersangkutan dg sebuah kurva pada

diagram.

Siklus Carnot mempunyai bentuk yg lebih sederhana vila dilukiskan dalam diagram T-S

Hal ini disebabkan karena siklus Carnot dibatasi oleh dua isoterm berupa garis lurus yg

Dan dua isentrop atau dua adiabat reversibel berupa garis lurus yg tegak lurus pada sumbu 

S.

Pada gambar diatas, terlihat siklus Carnot a-b-c-d-a dalam diagram T-S

Luas kawasan yg dikelilingi oleh kurva yg menyatakan siklus Carnot adalah panas total yg 

masuk atau keluar sistem.

Kenaikan Asas Entropi

Dari pembahasan proses ireversibel, kita ketahui bahwa entropi dunia (universe) selalu naik

Hal tersebut dikenal sebagai asas kenaikan entropi dan dianggap sebagai bagian dari 

hukum kedua termodinamika.

Asas ini dapat dirumuskan : Entropi dunia selau naik pada tiap proses ireversibel

Jika semua sistem yg berinteraksi di dalam suatu peoses dilingkungi dg bidang adiabatik

tegar, maka semua itu membentuk sistem yg terisolasi sempurna dan membentuk dunianya

sendiri.

Karena itu dapat dikatakan bahwa entropi dari suatu sistem yang terisolasi sempurna selalu

naik dalam tiap proses ireversibel yg terjadi dalam sistem 

Sementara itu entropi tetap tidak berubah dalam sistem yang terisolasi jika sistem itu 

menjalani proses reversibel, maka hukum kedua termodinamika dapat dirumuskan :

"Pada setiap proses yg terjadi di dalam sistem yg terisolasi, entropi sistem tsb selalu 

naik atau tetap tidak berubah".

Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)

Alat penukar panas (heat exchanger) adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan panas antara dua buah fluida atau lebih yang memiliki perbedaan temperature yaitu fluida yang bertemperatur tinggi kefluida yang bertemperatur rendah. Perpindahan panas teesebut baik secara langsung maupun secara tidak langsung. Pada kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami kontak langsung. Kontak langsung alat penukar kalor terjadi sebagai contoh pada gas kalor yang terfluidisasi dalam cairan dingin untuk meningkatkan temperatur cairan atau mendinginkan gas.

Alat penukar panas banyak digunakan pada berbagai instalasi industri, antara lain pada : boiler, kondensor, cooler, cooling tower. Sedangkan pada kendaraan kita dapat menjumpai radiator yang fungsinya pada dasarnya adalah sebagai alat penukar panas.

Tujuan perpindahan panas tersebut di dalam proses industri diantaranya adalah :

a) Memanaskan atau mendinginkan fluida hingga mencapai temperature tertentu yang dapat memenuhi persyaratan untuk proses selanjutnya, seperti pemanasan reaktan atau pendinginan produk dan lain-lain.
b) Mengubah keadaan (fase) fluida : destilasi, evaporasi, kondensassi dan lain-lain. Proses perpindahan panas tersebut dapat terjadi secara langsung maupun tidak langsung.
Maksudnya adalah :
1) Pada alat penukar kalor yang langsung, fluida yang panas akan bercampur secara langsung dengan fluida dingin (tanpa adanya pemisah) dalam suatu bejana atau ruangan tertentu. Contohnya adalah clinker cooler dimana antara clinker yang panas dengan udara pendingin berkontak langsung. Contoh yang lain adalah cooling tower untuk mendinginkan air pendingin kondenser pada instalasi mesin pendingin sentral atau PLTU, dimana antara air hangat yang didinginkan oleh udara sekitar saling berkontak seperti layaknya air mancur.
2) Pada alat penukar kalor yang tidak langsung, fluida panas tidak berhubungan langsung dengan fluida dingin. Jadi proses perpindahan panas itu mempunyai media perantara, seperti pipa, pelat atau peralatan jenis lainnnya. Untuk meningkatkan efektivitas pertukaran energi, biasanya bahan permukaan pemisah dipilih dari bahan-bahan yang memiliki konduktivitas termal yang tinggi seperti tembaga dan aluminium. Contoh dari penukar kalor seperti ini sering kita jumpai antara lain radiator mobil, evaporator AC.
Pertukaran panas secara tidak langsung terdapat dalam beberapa tipe dari penukar kalor diantaranya tipe plat, shell and tube, spiral dll. Pada kebanyakan kasus penukar kalor tipe plat mempunyai efektivitas perpindahan panas yang lebih bagus.

Klasifikasi Alat Penukar Kalor

Adapun klasifikasi dari alat penukar kalor dapat dibagi dalam beberapa kelompok yaitu :
- Berdsarkan konstruksinya
1) Tabung (tubular)
2) Plate-Type
3) Extended Surface
4) Regenerative
- Berdasarkan pengaturan aliran
1) Single Pass
2) Multi Pass
- Berdasarkan jenis aliran
1) Aliran Berlawanan Arah (Counter Flow)
2) Alira Sejajar (Parallel Flow)
3) Aliran Silang (Cross Flow)
4) Aliran Terpisah (Split Flow)
5) Aliran Bercabang (Divide Flow)
- Berdasarkan banyaknya laluan :
1) Seluruh Cross-counter flow
2) Seluruh cross-parallel flow
3) Parallel counter flow
- Berdasarkan mekanisme perpindahan panas
1) Konveksi satu fasa (dengan konveksi paksa atau alamiah)
2) Konveksi dua fasa (dengan konveksi paksa atau alamiah)
3) Kombinasi perpindahan panas
- Berdasarkan fungsinya dapat digolongkan pada beberapa nama:
1) Exchanger: Memanfaatkan perpindahan kalor diantara dua fluida proses (steam dan air pendingin tidak termasuk sebagai fluida proses, tetapi merupakan utilitas).
2). Heater: Berfungsi memanaskan fluida proses, dan sebagai bahan pemanas alat ini menggunakan steam.
3) Cooler: Berfungsi mendinginkan fluida proses, dan sebagai bahan pendingin digunakan air.
4) Condenser: Berfungsi untuk mengembunkan uap atau menyerap kalor laten penguapan
5) Boiler : Berfungsi untuk membangkitkan uap.
6) Reboiler : Berfungsi sebagai pensuplai kalor yang diperlukan bottom produk pada distilasi. Steam biasanya digunakan sebagai media pemanas.
7) Evaporator: Berfungsi memekatkan suatu larutan dengan cara menguapkan airnya.
8) Vaporizer: Berfungsi memekatkan cairan selain dari air.
Adapun bentuk dari alat penukar kalor pada industri antara lain :
1. Alat Penukar Kalor Shell dan Tube
2. Alat Penukar Kalor Coil dan Box
3. Alat Penukar Kalor Double dan Pipe
4. Alat Penukar Kalor type Plate

Klasifikasi penukar kalor berdasarkan susunan aliran fluida

Yang dimaksud dengan susunan aliran fluida di sini adalah berapa kali fluida mengalir sepanjang penukar kalor sejak saat masuk hingga meninggalkannya serta bagaimana arah aliran relatif antara kedua fluida (apakah sejajar/parallel, berlawanan arah/counter atau bersilangan/cross).

a. Pertukaran panas dengan aliran searah (co-current/parallel flow)
yaitu apabila arah aliran dari kedua fluida di dalam penukar kalor adalah sejajar. Artinya kedua fluida masuk pada sisi yang satu dan keluar dari sisi yang lain mengalir dengan arah yang sama. Karakter penukar panas jenis ini temperatur fluida yang memberikan energi akan selalu lebih tinggi dibanding yang menerima energi sejak mulai memasuki penukar kalor hingga keluar.

b. Pertukaran panas dengan aliran berlawanan arah (counter current / flow)

yaitu bila kedua fluida mengalir dengan arah yang saling berlawanan dan keluar pada sisi yang berlawanan. Pada tipe ini masih mungkin terjadi bahwa temperatur fluida yang menerima panas (temperatur fluida dingin) saat keluar penukar kalor (T4) lebih tinggi dibanding temperatur fluida yang memberikan kalor (temperatur fluida panas) saat meninggalkan penukar kalor.

c.  Pertukaran panas dengan aliran silang ( cross flow )

Artinya arah aliran kedua fluida saling bersilangan. Contoh yang sering kita lihat adalah radiator mobil dimana arah aliran air pendingin mesin yang memberikan energinya ke udara saling bersilangan. Apabila ditinjau dari efektivitas pertukaran energi, penukar kalor jenis ini berada diantara kedua jenis di atas. Dalam kasus radiator mobil, udara melewati radiator dengan temperatur rata-rata yang hampir sama dengan temperatur udara lingkungan kemudian memperoleh panas dengan laju yang berbeda di setiap posisi yang berbeda untuk kemudian bercampur lagi setelah meninggalkan radiator sehingga akan mempunyai temperatur yang hampir seragam.

Heat Exchanger Tipe Plat

Heat exchanger tipe plat adalah jenis penukar panas yang menggunakan pelat logam untuk mentransfer panas antara dua cairan. Ini memiliki keuntungan besar atas suatu penukar panas konvensional dalam bahwa cairan yang terkena luas permukaan jauh lebih besar karena cairan menyebar di plat. Ini memfasilitasi transfer panas, dan sangat meningkatkan kecepatan perubahan suhu. Plat penukar panas yang sekarang umum dan versi dibrazing sangat kecil yang digunakan dalam air panas bagian dari jutaan kombinasi boiler.

Konsep di balik penukar panas adalah penggunaan pipa atau pembuluh penahanan lain untuk panas atau dingin satu cairan dengan mentransfer panas antara itu dan cairan lain. Dalam kebanyakan kasus, penukar terdiri dari pipa melingkar berisi satu fluida yang melewati ruang berisi cairan lain. Dinding pipa biasanya terbuat dari logam, atau zat lain dengan konduktivitas panas yang tinggi, untuk memfasilitasi pertukaran, sedangkan casing luar ruang yang lebih besar adalah terbuat dari plastik atau dilapisi dengan isolasi termal, untuk mencegah panas dari melarikan diri dari exchanger.

Kontruksi Heat Exchanger Tipe Plat 

Pelat penukar panas (PHE) adalah desain khusus cocok untuk mentransfer panas antara cairan menengah dan tekanan rendah. Dilas, semi-dilas dan penukar panas dibrazing digunakan untuk pertukaran panas antara cairan bertekanan tinggi atau di mana produk yang lebih kompak diperlukan. Untuk konstruksi heat exchanger tipe plat yang dibuat, dapat ditunjukan pada gambar dibawah;

Animasi Penerapan Termodinamika

Gambar Mesin Diesel dan Grafiknya

HUKUM KONSERVASI ENERGI

Tenaga atau energi tak dapat diciptakan dan tak pula dapat dimusnahkan (neither can be created nor be destroyed), sehingga senantiasa dalam kuantitas tetap atau konstan, tapi dapat diubah dari satu bentuk energi ke satu atau lebih lain bentuk energi dalam kuantitas total selalu setara. Panas atau bahang (heat) adalah satu bentuk energi, sehingga dapat mengalami perubahan dari dan ke lain bentuk energi dalam kuatitas setara.

Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup (isolated or closed system), kuantitas energi adalah tetap. Jika ada suatu kuantitas energi dari luar sistem ditambahkan ke atau diserap oleh sistem, maka kuantitas energi ditambahkan atau diserap ini, dengan sendirinya adalah setara dengan perubahan energi internal dan kerja terjadi (work done) dalam sistem. Perubahan dimaksud adalah perubahan bersih energi (net change of energi), terlepas dari keberadaan kuantitas lain energi diluar sistem yang digunakan sehingga memungkinan proses perubahan berlangsung.

CONTOH PERPINDAHAN SECARA KONDUKSI

Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel.

Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujung A, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakan energi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut menggetarkan molekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik A. 

Sedang besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan, 

H = laju aliran kalor (J/s atau watt)

Q = kalor yang dipindahkan (joule)

t = waktu (s)

k = konduktivitas termal zat (W/mK)

A = luas penampang melintang (m2)

∆t = perubahan suhu (°C atau K)

l = tebal penghantar (m)

Tabel konduktivitas termal zat

(W/mK)

Bahan	k
Emas	300
Besi	80
Kaca	0.9
Kayu	0.1 – 0.2
Beton	0.9
Air	0.6
Udara	0.024
alumunium	240

Contoh soal:

1. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik sambungan = T. maka

[k . A ∆T/L)] besi = [k . A ∆T/L)] kuningan

k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350)/ l

T= 2600/7= 371,4ºC

KERJA DALAM TERMODINAMIKA

Kerja didefiniskan sebagai hasil kali faktor intensitas (gaya, tekanan, dan lain-lain) dengan faktor kapasitas. Macam-macam kerja yang sering dipakai dalam termodinamika adalah kerja mekanik, kerja listrik, kerja ekspansi, dan lain-lain.

Pada kerja ekspansi, jika terdapat perubahan volume Δ V dari sistem, maka kerja yang akan dilakukan oleh sistem sama dengan P . Δ V, sehingga dW= P . dV. Pada gas, usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V2 – V1)

 Terjadinya perubahan tenaga secara simultan dalam sistem dan disertai kerja terhadap sekelilingnya tersebut, akan timbul suatu sifat termodinamika yang disebut entalpi dengan notasi H. Hubungan besaran dengan kerja dan energi adalah:

    H  =  E + W   

    H  =  E + PV

    ΔH =  ΔE + Δ(PV)

Jika pada tekanan tetap, maka Δ(PV) sama dengan P.ΔV dan ini merupakan jumlah kerja yang dilakukan terhadap sekeliling oleh perubahan volume (ΔV). Jadi pada tekanan tetap

    

ΔH  =  E + P.ΔV

 atau    ΔE  =  H  - P.ΔV

Substitusi persamaan ΔE  =  q – W ke persamaan tersebut, didapat:

    

ΔH  =  q

Kenaikan entalpi sama dengan panas yang diserap oleh sistem pada P tetap. Berdasarkan hal ini H sering dinyatakan sebagai kandungan panas dari sistem. Jika panas ditambahkan ke dalam sistem pada P tetap, maka sebagian besar dari panasnya akan digunakan untuk menaikkan tenaga dalam sistem tersebut dan sisanya digunakan untuk melakukan kerja terhadap sekitarnya.

Dalam analisis termodinamika, perlu adanya suatu konsep yang disebut reversible (reaksi termodinamika reversible). Walaupun di alam tidak mungkin ada proses yang reversible, tetapi secara teoritis dan praktis artinya cukup penting. Proses reversible adalah proses dimana kerja yang terjadi dilakukan oleh gaya gerak yang hanya berbeda sangat kecil (invinitesimal) terhadap gaya yang melawannya.

Kerja yang dilakukan sistem akan semakin besar bila tekanan luar yang harus dilawannya semakin besar. Kerja maksimum akan dilakukan sistem pada saat tekanan kuar sedikit lebih kecil dari tekanan sistem (tekanan gas). Bila tekanan luar sama dengan tekanan sistem maka tidak akan terjadi pengembangan lagi, apabila tekanan luar lebih besar dari pada tekanan sistem, tentunya sistem tidak akan melakukan kerja, justru akan dikenai kerja (terjadi pemampatan). Jadi untuk proses reversible, dapat disimpulkan sebagai :

1. Proses yang menghasilkan kerja berguna secara maksimal

2. Proses yang setiap saat dapat dikembalikan ke keadaan semula hanya dengan mengadakan sedikit perubahan kondisi luar

Jelas bahwa konsep ini amat penting, proses reversible akan membatasi besar kerja maksimum yang dapat dilakukan oleh suatu sistem.

Tanda yang disetujui untuk transfer energi oleh kerja adalah:

1. Kerja diberikan oleh sistem adalah positif

2. Kerja diberikan pada sistem adalah negatif