15_Fisika Giancoli 1

Bab 15 Hukum Termodinamika ermodinamika

Daftar Isi Bab 15

•

Hukum Termodinamika Pertama

•

Proses Termodinamika dan Hukum Pertama

•

Metabolisme Manusia dan Hukum Pertama

•

Hukum Termodinamika Kedua

•

Mesin Kalor 

•

Refrigerator, Refrigerator, Pengkondisi Udara, dan Pompa Kalor 

Pendahuluan Pendahuluan

 — 

Daftar Isi Bab 15

•

Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika

•

Keteraturan Menuju Ketidakteraturan

•

Ketidaktersediaan Energi; Kematian Kalor 

•

Intrepretasi Statistik Entropi dan Hukum Kedua

•

Polusi Termal, Pemanasan Global, dan Sumber Energi

15-1 Hukum Hukum Termodinamik Termodinamika a Pertama Pertama Perubahan energi internal dari sistem tertutup sama dengan dengan ener energi gi yang yang ditamb ditambahk ahkan an padany padanyaa minus minus usaha usaha yang dilaku dilakukan kan olehnya olehnya pada sekitarn sekitarnya. ya. (15-1)

Ini adalah hukum konservasi energi , dalam bentuk yang  berguna untuk untuk sistem yang melibatkan melibatkan transfer panas.

15-2 Proses Termodinamika dan Hukum Pertama Dalam proses isotermal, temperatur tidak berubah.

15-2 Proses Termodinamika dan Hukum Pertama Agar proses isotermal berlangsung, kita berasumsi  bahwa sistem berkontak dengan reservoir kalor. Secara umum, kita berasumsi bahwa sistem tetap dalam kesetimbangan selama keseluruhan proses.

15-2 Proses Termodinamika dan Hukum Pertama Dalam proses adiabatik , tidak ada kalor yang mengalir masuk ke atau keluar dari sistem.

15-2 Proses Termodinamika dan Hukum Pertama Proses isobarik (a) muncul pada tekanan konstan;  proses isovolumetrik (b) muncul pada volume konstan.

15-2 Proses Termodinamika dan Hukum Pertama Jika tekanan konstan, usaha yang dilakukan adalah tekanan dikali perubahan volume:

Dalam proses isometrik, volume tidak berubah; sehingga usaha yang dilakukan adalah nol.

15-2 Proses Termodinamika dan Hukum Pertama Dalam proses di mana tekanan bervariasi, usaha yang dikerjakan adalah daerah di bawah kurva P -V .

15-2 Proses Termodinamika dan Hukum Pertama

15-3 Metabolisme Manusia dan Hukum Pertama Jika kita menerapkan hukum pertama termodinamika  pada tubuh manusia (15-1)

kita tahu bahwa tubuh dapat melakukan usaha. Agar energi internal tidak turun, harus ada energi yang masuk. Energi masuk ini tidak dalam bentuk kalor; tubuh kehilangan kalor ketimbang menyerapnya.  Nyatanya, energi itu adalah energi potensial kimia yang tersimpan dalam makanan.

15-3 Metabolisme Manusia dan Hukum Pertama Laju metabolik adalah laju transformasi energi internal di dalam tubuh.

15-4 Hukum Termodinamika Kedua —  Pendahuluan

Tidak adanya proses seperti yang digambarkan di atas menunjukkan bahwa konservasi energi bukanlah keseluruhan cerita. Jika demikian, film yang berjalan mundur akan terlihat normal untuk kita!

15-4 Hukum Termodinamika Kedua —  Pendahuluan Hukum kedua termodinamika adalah pernyataan tentang proses yang terjadi dan yang tidak. Ada banyak cara untuk menyatakan hukum kedua; di sini salah satunya:

Kalor dapat mengalir secara spontan dari benda panas ke benda dingin; tidak akan mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas.

15-5 Mesin Kalor Sangat mudah untuk menghasilkan energi termal melalui usaha, tapi bagaimana menghasilkan usaha dari energi termal? Ini adalah mesin kalor; energi mekanis dapat diperoleh dari energi termal hanya ketika kalor dapat mengalir dari temperatur tinggi ke temperatur yang lebih rendah.

15-5 Mesin Kalor Kita hanya membahas mesin yang berjalan dalam siklus berulang ; perubahan energi internal selama siklus itu adalah nol, karena sistem kembali ke keadaan awal. Wadah suhu tinggi mentransfer sejumlah kalor QH ke mesin, di mana sebagian diubah menjadi kerja W dan sisanya, QL, dialirkan ke wadah temperatur yang lebih rendah. Perhatikan bahwa ketiga kuantitas ini positif .

15-5 Mesin Kalor  Mesin uap adalah salah satu jenis mesin kalor.

15-5 Mesin Kalor  Mesin pembakaran internal juga adalah satu jenis mesin kalor.

15-5 Mesin Kalor Mengapa mesin kalor membutuhkan perbedaan temperatur ? Jika tidak berbeda, usaha yang dilakukan pada sistem di satu bagian dari siklus akan sama dengan usaha yang dilakukan oleh sistem di bagian lain, dan usaha neto akan menjadi nol .

15-5 Mesin Kalor  Efisiensi dari mesin kalor adalah rasio usaha yang dikerjakan terhadap kalor input: (15-4a)

Dengan konservasi energi demi mengeliminasi W , kita dapatkan: atau

(15-4b)

15-5 Mesin Kalor

Mesin Carnot dibuat untuk menguji efisiensi mesin kalor. Mesin ini ideal , karena tidak memiliki gesekan. Setiap tahap dari siklusnya bersifat reversibel .

Siklus Carnot  terdiri dari: • • • •

ekspansi isotermal ekspansi adiabatik kompresi isotermal kompresi adiabatik

Contohnya ada pada slide berikut ini.

15-5 Mesin Kalor

15-5 Mesin Kalor Untuk mesin reversibel yang ideal, efisiensi dapat ditulis dalam konteks suhu:

Dari sini kita melihat bahwa efisiensi 100% dapat dicapai hanya jika wadah dingin berada pada nol absolut , yang mana tidak mungkin. Mesin nyata memiliki beberapa kerugian gesekan; yang terbaik mampu mencapai 60-80% dari nilai efisiensi Carnot .

15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara, dan Pompa Kalor Peralatan seperti ini dapat dianggap sebagai mesin kalor yang beroperasi secara terbalik . Seiring usahanya, panas diambil dari wadah dingin dan dibawa keluar ke wadah panas.

15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara, dan Pompa Kalor

15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara, dan Pompa Kalor Kinerja refrigerator diukur dengan koefisien kinerja (COP):

Dengan mensubtitusi:

15-6 Refrigerator, Pengkondisi Udara, dan Pompa Kalor Pompa kalor menghangatkan rumah di musim dingin.

15-7 Entropi dan Hukum Kedua Termodinamika Definisi dari perubahan entropi S ketika sejumlah kalor  Q ditambahkan: (15-8)

Pernyataan lain dari hukum kedua termodinamika: Total entropi dari sistem terisolasi tidak pernah  berkurang.

15-8 Keteraturan menuju Ketidakteraturan Entropi adalah ukuran dari ketidakteraturan sistem. Ini memberi kita pernyataan lain dari hukum kedua:

Proses alami cenderung bergerak ke arah keadaan ketidakteraturan yang lebih besar. Contoh: Jika Anda memasukkan susu dan gula ke dalam kopi kemudian mengaduknya, Anda mendapatkan kopi yang rasa susu dan manisnya seragam. Tidak ada jumlah  pengadukan yang akan memisahkan lagi susu dan gula dari larutan itu.

15-8 Keteraturan menuju Ketidakteraturan Contoh lain: Ketika tornado mendera bangunan, terjadi kerusakan besar. Anda tidak pernah melihat tornado melewati tumpukan puing-puing dan membuatnya menjadi bangunan. Kesetimbangan termal adalah proses yang serupa keadaan akhir yang seragam akan memiliki lebih banyak ketidakteraturan daripada tiap temperatur pada keadaan awal.  — 

15-8 Keteraturan menuju Ketidakteraturan Pertumbuhan individu dan evolusi spesies, keduanya adalah proses peningkatan keteraturan. Apakah mereka melanggar hukum kedua termodinamika? Tidak! Mereka bukan sistem terisolasi. Energi mendatangi mereka dalam bentuk makanan, sinar matahari, dan udara; dan energi juga meninggalkan mereka. Hukum kedua termodinamika mendefinisikan panah waktu  proses akan terjadi yang tidak reversibel, sehingga film yang berjalan mundur akan terlihat konyol.  — 

15-9 Ketidaktersediaan Energi; Kematian Kalor Konsekuensi lain dari hukum kedua: Dalam setiap proses alami, sebagian energi menjadi tidak tersedia untuk melakukan usaha yang  bermanfaat. Jika kita melihat alam semesta sebagai keseluruhan, tampaknya tak terelakkan bahwa, karena semakin  banyak energi yang diubah menjadi bentuk yang tidak tersedia, kemampuan untuk melakukan usaha di mana saja secara bertahap akan lenyap. Ini disebut kematian kalor alam semesta.

15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi dan Hukum Kedua Sebuah keadaan makro dari sistem ditentukan dengan memberikan sifat makroskopiknya temperatur, tekanan, dan sebagainya. Sebuah keadaan mikro sistem menggambarkan posisi dan kecepatan dari setiap partikel.  — 

Untuk setiap keadaan makro, ada satu atau lebih keadaan mikro.

15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi dan Hukum Kedua Contoh sederhana: Melemparkan empat koin. Keadaan makro menjelaskan berapa banyak sisi kepala dan sisi ekor yang ada; keadaan mikro mendaftarkan berbagai cara untuk mencapai keadaan makro itu.

15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi dan Hukum Kedua Dengan asumsi bahwa tiap keadaan mikro sama mungkinnya untuk terjadi, probabilitas keadaan makro tergantung pada berapa banyak keadaan mikronya. Jumlah keadaan mikro akan cepat menjadi sangat besar  jika terdapat koin lebih dari 100 ketimbang 4. Tabel pada slide berikut ini mendaftarkan beberapa keadaan makro, berapa banyak keadaan mikro yang mereka miliki, dan probabilitas relatif bahwa setiap keadaan makro akan terjadi. Perhatikan bahwa probabilitas mendapatkan kurang dari 20 kepala atau ekor adalah sangat kecil.

15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi dan Hukum Kedua

15-10 Interpretasi Statistik dari Entropi dan Hukum Kedua Kini dapat kita katakan bahwa hukum kedua tidak melarang proses tertentu; tiap keadaan mikro sama mungkinnya. Tapi, beberapa memiliki probabilitas  sangat rendah untuk terjadi danau beku di musim  panas, peralatan rusak terakit-ulang dengan sendirinya; semua udara di ruangan bergerak ke satu sudut.  — 

Ingat tentang menjadi begitu rendahnya beberapa  probabilitas hanya dalam perubahan dari 4 koin ke 100  jika kita menangani dengan banyak mol dari materi, mereka dapat menjadi begitu langka sehingga  secara efektif menjadi tidak mungkin.  — 

15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global, dan Sumber Energi  Pembangkitan listrik sering kali melibatkan sejenis mesin kalor, yang didukung biomassa (a) ataupun tenaga surya (b). Menara pendingin (c) adalah fitur dari banyak  pembangkit listrik.

15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global, dan Sumber Energi Output dari mesin kalor, QL, disebut polusi termal, karena harus diserap oleh lingkungan.

15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global, dan Sumber Energi Polusi udara dipancarkan oleh pembangkit listrik, industri, dan konsumen. Sebagian besar bentuk  pembakaran juga mengakibatkan penumpukan CO2 di atmosfer, berkontribusi terhadap pemanasan global. Ini dapat diminimalkan melalui pilihan hati-hati terhadap  bahan bakar dan proses.

Bagaimanapun, polusi termal adalah konsekuensi dari hukum kedua dan tidak dapat dihindari; yang dapat dikurangi hanya dengan mengurangi jumlah energi yang kita gunakan.

15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global, dan Sumber Energi Penyelesaian soal termodinamika: 1. Tentukan apa saja bagian dari sistem dan apa bagian dari lingkungan. 2. Cermati tanda untuk usaha dan kalor saat memakai hukum pertama termodinamika. 3. Cermati satuan; pastikan bahwa Anda menggunakan satuan yang sama di keseluruhan soal.

15-11 Polusi Termal, Pemanasan Global, dan Sumber Energi 4. Ungkapkan temperatur dalam kelvin. 5. Efisiensi selalu lebih kecil daripada 1. 6. Entropi meningkat ketika kalor ditambahkan, dan menurun ketika kalor dihilangkan.

Rangkuman Bab 15

•

Hukum pertaman termodinamika:

•

Proses isotermal: temperatur bersifat konstan.

•

Proses adiabatic: tidak ada pertukaran kalor.

•

Usaha yang dikerjakan oleh gas pada tekanan konstan:

•

•

Mesin kalor mengubah kalor menjadi usaha bermanfaat; perlu  perbedaan temperatur. Efisiensi dari mesin kalor:

atau

(15-1)

(15-4a)

(15-4b)

Rangkuman Bab 15

•

•

•

Batas atas dari efisiensi:

Refrigerator dan pengkondisi udara bekerja mengekstraksi kalor dari daerah dingin dan mengirimnya ke daerah hangat:

Pompa kalor juga serupa: