Senin, 16 Maret 2015

Termodinamika dalam kehidupan sehari-hari

Termodinamika sudah sangat tidak asing didalam kehidupan sehari-hari, banyak sekali peristiwa termodinamika yang terjadi dalam kehidupan. Sebagai contohnya perubahan suhu yang terdapat pada badan kita, kemudian beberapa peralatan rumah tangga yang menggunakan konsep termodinamika dan beberapa peralatan lainnya.

Termodinamika telah merubah sistem industri didunia, dari yang mulanya menggeunakan kayu bakar untuk memasak sampai menggunakan listrik untuk memasak. Hal ini karena termodinamika merupakan hukum-hukum yang menyangkut banyak hal dalam kehidupan sehari-hari. Salah satu contoh yang paling sederhana adalah es didalam gelas yang menyebabkan terjadi pengembunan diluar gelas, padahal terpisahkan oleh medium gelas (glass) yang memisahkan permukaan luar dan permukaan dalam.

Proses timbulnya air pada permuakaan gelas itu menandakan adanya suatu sistem yang terjadi pada perstiwa ini, sistem yang terjadi adalah bahwa udara yang ada di sekeliling gelas mengandung uap air.Ketika gelas diisi es, gelas menjadi dingin. Udara yang bersentuhan dengan gelas dingin ini akan turun suhunya. Uap air yang ada di udara pun ikut mendingin. Jika suhunya sudah cukup dingin, uap air ini akan mengembun membentuk tetes-tetes air di bagian luar gelas. Hal ini merupakan peristiwa termodinamika yang sesuai dengan hukum termodinamika yang ke dua yang berbunyi Berikut “Hukum kedua termodinamika terkait dengan entropi.

Hukum ini menyatakan bahwa total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya, dari hukum ini proses yang terjadi didalam gelas merupakan proses penyerapan panas dengan kata lain udara akan berubah menjadi dingin, sementar udara mengandung kadar air yang tinggi pda kelembaban yang tinggi, sehingga ketika udara dingin akan membuatnya mengembun sehingga timbul air pada permukaan luar pada gelas.

Dari contoh es pada gelas diatas merupakan sistem pertukaran secara tertutup karena terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan menggunakan media pembatas rigid (tidak boleh mempertukarkan kerja) dengan mempertukarkan panas melalui medium gelas.

Termos Pada alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu, pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem menuju lingkungan maupun sebaliknya.2. Mesin kendaraan bermotor Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot.

Alat-alat yang menggunakan prinsip termodinamika dalam kehidupan sehari-hari:

Lemari Es (Kulkas)

Adalah suatu unit mesin pendingin di pergunakan dalam rumah tangga, untuk menyimpan bahan makanan atau minuman. Untuk menguapkan bahan pendingin di perlukan panas.

Lemari es memanfaatkan sifat ini. Bahan pendingin yang digunakan sudah menguap pada suhu -200C. panas yang diperlukan untuk penguapan ini diambil dari ruang pendingin, karena itu suhu dalam ruangan ini akan turun. Penguapan berlangsung dalam evaporator yang ditempatkan dalam ruang pendingin. Karena sirkulasi udara, ruang pendingin ini akan menjadi dingin seluruhnya.
Lemari Es merupakan kebalikan mesin kalor. Lemari Es beroperasi untuk mentransfer kalor keluar dari lingkungan yang sejuk kelingkungn yang hangat. Dengan melakukan kerja W, kalor diambil dari daerah temperatur rendah T_L (katakanlah, di dalam lemari Es), dan kalor yang jumlahnya lebih besar dikeluarkan pada temperature tinggi T_h(ruangan).

Sistem lemari Es yang khas, motor kompresor memaksa gas pada temperatur tinggi melalui penukar kalor (kondensor) di dinding luar lemari Es dimana Q_h dikeluarkan dan gas mendingin untuk menjadi cair. Cairan lewat dari daerah yang bertekanan tinggi , melalui katup, ke tabung tekanan rendah di dinding dalam lemari es, cairan tersebut menguap pada tekanan yang lebih rendah ini dan kemudian menyerap kalor (Q_L) dari bagian dalam lemari es. Fluida kembali ke kompresor dimana siklus dimulai kembali.

Lemari Es yang sempurna (yang tidak membutuhkan kerja untuk mengambil kalor dari daerah temperatur rendah ke temperatur tinggi) tidak mungkina ada. Ini merupakan pernyataan Clausius mengenai hukum Termodinamika kedua. Kalor tidak mengalir secara spontan dari benda dingin ke benda panas. Dengan demikian tidak akan ada lemari Es yang sempurna.

Cara Kerja Instalasi Mesin Kulkas

Setelah ke dalam kompresor diisi gas freon , maka gas itu dapat dikeluarkan kembali dari silinder oleh kompresor untuk diteruskan ke kondensor, setelah itu menuju saringan, setelah itu menuju ke pipa kapiler dan akan mengalami penahanan. Adanya penahanan ini akan menimbulkan suatu tekanan di dalam pipa kondensor. Sebagai akibatnya gas tersebut menjadi cairan di dalam pipa kondensor. Dari pipa kapiler cairan tersebut terus ke evaporator dan terus menguap untuk menyerap panas. Setelah menjadi gas terus dihisap lagi ke kompresor. Demilian siklus kembali terulang.

Jenis Aliran Udara Pendingin

Jenis aliran udara pada lemari es ada 2 macam :

1. Secara alamiah tanpa fan motor, di dalam lemari es udara dingin pada bagian atas dekat evaporator mempunyai berat jenis lebih besar. Dari beratnya sendiri udara dingin akan mengalir ke bagian bawah lemari es. Udara panas pada bagian bawah lemari es karena berat jenisnya lebih kecil dan di desak oleh udara dingin dari atas, akan mengalir naik ke atas menuju evaporator. Udara panas oleh evaporator didinginkan menjadi dingin dan berat lalu mengalir ke bawah lagi. Demikianlah terjadi terus menerus secara alamiah.

2. Aliran udara di dalam lemari es dengan di tiup oleh fan motor, lemari es yang memakai fan motor, dapat terjadi sirkulasi udara dingin yang kuat dan merata ke semua bagian dari lemari es. Udara panas di dalam lemari es dihisap oleh fan motor lalu dialirkan melalui evaporator. Udara menjadi dingin dan oleh fan motor di dorong melalui saluran atau cerobong udara, di bagi merata ke semua bagian dalam lemari es.

Daftar Pustaka :

http://enha-dhiyauralvy.blogspot.com/2012/06/penerapan-hukum-2-termodinamika.html

ayo baca jika anda penasaran

Perhatikan gambar berikut! Suatu sistem berupa gas dalam suatu silinder yang dilengkapi tutup sebuah piston yang bebas bergerak. Usaha yang dilakukan oleh sistem sehubungan dengan perubahan volume gas dapat dirumuskan berikut ini.

Piston yang mempunyai luas penampang A dan tekanan gas p menghasilkan gaya yang mendorong piston sebesar F = p A

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

dW = F dx

= p A dx

= p dV

Sehingga,

W = p (V₂ – V₁ )

Usaha yang dilakukan oleh gas (sistem) sering disebut usaha luar. Apabila diagram pV diketahui, usaha luar akan lebih sederhana ditentukan secara grafik yaitu dengan menentukan luas area di bawah kurva pada diagram tersebut.

Untuk tekanan p yang positif, usaha W akan positif bila gas memuai (V₂ > V₁ ) atau arah lintasan proses ke kanan. Perhatikan gambar 1.a!

Sebaliknya, usaha W akan negatif bila gas memampat (V₂ < V₁ ) atau arah lintasan proses ke arah kiri. Perhatikan gambar 1.b!

Usaha pada Berbagai Proses Termodinamika

Ada beberapa proses yang kita kenal sehubungan dengan usaha yang dilakukan oleh gas berkaitan dengan perubahan suhu, volume, tekanan, dan energi dalam gas. Proses tersebut meliputi:

1. proses isotermal

2. proses isokhorik

3. proses isobarik

4. proses adiabatik

1. Proses Isotermal

Proses isotermal adalah proses perubahan keadaan sistem pada suhu tetap.

Proses ini mengikuti hukum Boyle, yaitu: PV = konstan.

PV = n R T

P = n R T / V

Sehingga,

2. Proses Isokhorik

Proses Isokhorik adalah proses perubahan keadaan sistem pada volume tetap.

Karena gas tidak mengalami perubahan volume, maka usaha yang dilakukan oleh gas sama dengan nol.

W = P (∆V) = P (0) = 0

3. Proses Isobarik

Proses isobarik adalah proses perubahan keadaan sistem pada tekanan tetap.

Usaha yang dilakukan oleh gas adalah

W = P (∆V)

= P (V₂ – V₁ )

4. Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah proses perubahan keadaan sistem tanpa adanya kalor yang masuk ke sistem atau keluar dari sistem (gas), yaitu Q = 0. Pada proses adiabatik terjadi perubahan suhu, tekanan, dan volume. Kurva adiabatik lebih curam dibandingkan kurva isotermal.

Proses ini mengikuti rumus Poisson sebagai berikut.

PV^γ = tetap atau P₁ V₁^γ = P₂ V₂^γ

TV⁽^γ^-1) = tetap atau T₁ V₁⁽^γ^-1) = T₂ V₂⁽^γ^-1)

dengan γ > 1 yang merupakan perbandingan kapasitas kalor gas pada tekanan tetap C_pdan kapasitas kalor gas pada volume tetap C_v . Besaran γ disebut konstanta Laplace.

γ = C_p / C_V

Besarnya usaha pada proses adiabatik yaitu

Isentropic Head

by ayahmuthia

Didalam kurva performance gas compressor dapat kita jumpai “Isentropic Head” pada sumbu-Y dan “inlet volume flow” pada sumbu-X. Kurva ““compressor performance” ini juga saya temui pada layar pemantau gas compressor yang berada di control room.

Apa itu Isentropic Head ?

Tentu saja ini istilah Thermodinamika dan terkesan berbau teoritis, mungkin juga tidak begitu menarik bagi operator lapangan maupun crew maintenance. Namun mengapa istilah ini berikut kurvanya ada di layar monitor control room yang notabene ditunggui oleh operator ? Pastilah ada sisi praktis dan kegunaannya.
Namun sayangnya saya belum menemukan sisi praktisnya :-) (karena kekurangan experience di bidang ini). Bila ada pembaca yang tahu, dengan senang hati mohon saya diberi pencerahan.

Disini saya akan membahas aspek teoritis-nya saja dahulu.

Disini ada 2 kata kunci : Isentropic dan Head.

Dari Thermodinamika kita mengenal “Entropy”. Entropy adalah ukuran kehilangan energi (energy lost) pada suatu sistem. Dalam suatu proses kompresi yang ideal tidak ada energy lost , 100 % efisient, atau entropy-nya constant (Isentropic).

Isentropic merupakan proses yang reversible, dan tentu saja proses ini hanyalah pendekatan dan untuk estimasi. Dalam realitanya, proses yang terjadi adalah irreversible karena adanya berbagai lost baik aerodynamics, internal losses maupun gesekan.

Sedangkan Head adalah jumlah energy yang ditambahkan kedalam gas yang dikompres oleh gas compressor.

Isentropic Head adalah penambahan energy (yang ditandai dengan naiknya enthalpy) suatu proses kompresi yang isentropic atau proses ideal.

Kenaikan energy/enthalpy ini dipengaruhi oleh property gas yang dikompres, Temperatur pada suction, dan pressure ration antara discharge-suction.

Kondisi sesungguhnya adalah terjadi penambahan entropy. Semakin bagus suatu gas compressor, ia akan semakin mendekati isentropic.Jumlah Penambahan entropy ini tergantung dari efisiensi gas compressor tersebut.

Quasi-static processes

Consider the special case of an interaction of the system

with its surroundings which is carried out so slowly that

remains arbitrarily close to equilibrium at all times. Such a process is said to be quasi-static for the system

. In practice, a quasi-static process must be carried out on a time-scale which is much longer than the relaxation time of the system. Recall that the relaxation time is the typical time-scale for the system to return to equilibrium after being suddenly disturbed (see Sect. 3.5).A finite quasi-static change can be built up out of many infinitesimal changes. The infinitesimal heat $\,{\mathchar'26\mskip-12mud}Q$ absorbed by the system when infinitesimal work $\,{\mathchar'26\mskip-12mud}W$ is done on its environment and its average energy changes by $d \bar{E}$ is given by

$\begin{displaymath} {\mathchar'26\mskip-12mud}Q \equiv d\bar{E} + {\mathchar'26\mskip-12mud}W. \end{displaymath}$

(124)

The special symbols $\,{\mathchar'26\mskip-12mud}W$ and $\,{\mathchar'26\mskip-12mud}Q$ are introduced to emphasize that the work done and heat absorbed are infinitesimal quantities which do not correspond to the difference between two works or two heats. Instead, the work done and heat absorbed depend on the interaction process itself. Thus, it makes no sense to talk about the work in the system before and after the process, or the difference between these.If the external parameters of the system have the values

, $\cdots, x_n$ then the energy of the system in a definite microstate

can be written

$\begin{displaymath} E_r = E_r(x_1,\cdots, x_n). \end{displaymath}$

(125)

Hence, if the external parameters are changed by infinitesimal amounts, so that $x_\alpha \rightarrow x_\alpha + dx_\alpha$ for $\alpha$ in the range 1 to

, then the corresponding change in the energy of the microstate is

$\begin{displaymath} d E_r = \sum_{\alpha =1}^n \frac{\partial E_r}{\partial x_\alpha}\,dx_\alpha. \end{displaymath}$

(126)

The work $\,{\mathchar'26\mskip-12mud}W$ done by the system when it remains in this particular state

$\begin{displaymath} {\mathchar'26\mskip-12mud}W_r = - d E_r = \sum_{\alpha=1}^n X_{\alpha\,r}\,dx_\alpha, \end{displaymath}$

(127)

where

$\begin{displaymath} X_{\alpha\,r} \equiv -\frac{\partial E_r}{\partial x_\alpha} \end{displaymath}$

(128)

is termed the generalized force (conjugate to the external parameter $x_\alpha$ ) in the state

. Note that if $x_\alpha$ is a displacement then $X_{\alpha\,r}$ is an ordinary force.Consider now an ensemble of systems. Provided that the external parameters of the system are changed quasi-statically, the generalized forces $X_{\alpha\,r}$ have well defined mean values which are calculable from the distribution of systems in the ensemble characteristic of the instantaneous macrostate. The macroscopic work $\,{\mathchar'26\mskip-12mud}W$ resulting from an infinitesimal quasi-static change of the external parameters is obtained by calculating the decrease in the mean energy resulting from the parameter change. Thus,

$\begin{displaymath} {\mathchar'26\mskip-12mud}W = \sum_{\alpha =1}^n \bar{X}_\alpha\, dx_\alpha, \end{displaymath}$

(129)

where

$\begin{displaymath} \bar{X}_\alpha \equiv -\overline{ \frac{\partial E_r}{\partial x_\alpha}} \end{displaymath}$

(130)

is the mean generalized force conjugate to $x_\alpha$ . The mean value is calculated from the equilibrium distribution of systems in the ensemble corresponding to the external parameter values $x_\alpha$ . The macroscopic work

resulting from a finite quasi-static change of external parameters can be obtained by integrating Eq. (129).The most well-known example of quasi-static work in thermodynamics is that done by pressure when the volume changes. For simplicity, suppose that the volume

is the only external parameter of any consequence. The work done in changing the volume from

is simply the product of the force and the displacement (along the line of action of the force). By definition, the mean equilibrium pressure $\bar{p}$ of a given macrostate is equal to the normal force per unit area acting on any surface element. Thus, the normal force acting on a surface element $d{\bf S}_i$ is $\bar{p}\,\,d{\bf S}_i$ . Suppose that the surface element is subject to a displacement $d{\bf x}_i$ . The work done by the element is $\bar{p}\,\,d{\bf S}_i \!\cdot\! d{\bf x}_i$ . The total work done by the system is obtained by summing over all of the surface elements. Thus,

$\begin{displaymath} {\mathchar'26\mskip-12mud}W = \bar{p}\, \,dV, \end{displaymath}$

(131)

where

$\begin{displaymath} dV = \sum_i d{\bf S}_i\!\cdot\! d{\bf x}_i \end{displaymath}$

(132)

is the infinitesimal volume change due to the displacement of the surface. It follows from (130) that

$\begin{displaymath} \bar{p} = - \frac{ \partial\bar{E} }{\partial V}, \end{displaymath}$

(133)

so the mean pressure is the generalized force conjugate to the volume

.Suppose that a quasi-static process is carried out in which the volume is changed from

. In general, the mean pressure is a function of the volume, so $\bar{p} = \bar{p}(V)$ . It follows that the macroscopic work done by the system is given by

$\begin{displaymath} W_{if} = \int_{V_i}^{V_f} {\mathchar'26\mskip-12mud}W = \int_{V_i}^{V_f} \bar{p}(V)\, dV. \end{displaymath}$

(134)

This quantity is just the ``area under the curve'' in a plot of $\bar{p}(V)$ versus

It is important to distinguish between reversible and quasistatic processes. Reversible processes are always quasistatic, but the converse is not always true. For example, an infinitesimal compression of a gas in a cylinder where there exists friction between the piston and the cylinder is a quasistatic process, but not reversible process. Although the system has been driven from its equilibrium state by only an infinitesimal amount, heat has been irreversibly lost due to friction, and cannot be recovered by simply moving the piston infinitesimally in the opposite direction."

See this video link for further details.

Link

Are isobaric, isochoric, and isothermal processes quasistatic by definition?

up vote1down vote favorite

Let us start from definitions, as they are given in many sources.

A quasistatic process is an idealized processes that happen out so slowly that a system go through a sequence of states arbitrarily close to equilibrium.

An isobaric process is a process, in which the pressure remains constant.

An isochoric process is a process, in which the volume remains constant.

An isothermal process is a process, in which the temperature remains constant.

Now, I could imagine how an isochoric process could not be quasistatic, but what about isobaric and isothermal processes?

For instance, for the following specific example (from Count Iblis answer):

Suppose we put a mixture of hydrogen gas and oxygen gas in a conducting cylinder that is kept at constant volume and in thermal contact with a heat bath. There is also a device in the cylinder that will produce a spark, igniting the gas.

I indeed object (as Count Iblis expected) that the process of ignition is isothermal: when we ignite the mixture chemical reaction takes place, the huge amount of heat is liberated, and besides, a complicated movement of the gas mixture occurs. Thus, it does not make a lot of sense to speak about keeping the temperature of the system constant, since the temperature is different even in different regions of the system. This should not surprise us, since right after the ignition and for some time then the system is clearly not in equilibrium, and thus, the notion of the temperature of the system is not even defined.

So, if we adopt this definition then, an isothermal process imply a quasistatic one, since it does not make sense to talk about constant temperature in a process that is not quasistatic, since temperature is not even well-defined in intermediate non-equilibrium states of such process.

In other words, the presence of the heat bath is not enough for the process described above to be isothermal: the process should also be performed slowly enough so that all heat liberated can be almostinstantaneously transferred to the surroundings. Only in such a case the temperature of the system is indeed constant during a process. Clearly, the system should be in thermal equilibrium with its surrounding all the way, and thus, I think that for the process to be isothermal, it should be quasistatic.

Am I right?

P.S. Oh, how I feel like I see where I went wrong. An isothermal process indeed must happen at such a slow rate that the thermal equilibrium is maintained, however, thermal equilibrium is not the whole story. As we know systems in thermodynamic equilibrium are always in thermal equilibrium, but the converse is not always true. So, since only thermal equilibrium is required for an isothermal process, it is not necessarily quasistatic. A quasistatic process is always arbitrarily close to thermodynamic equilibrium, while isothermal is only in thermal equilibrium.