PENDAHULUAN

Seejauh ini topik yang telah dibahas adalah analisis termodinamika dengan

mempergunakan prinsip kekekalan massa dan kekekalan energi, serta hubungan

sifat-sifat. Dalam Bab 2 sampai Bab 4 dasar-dasar ini diaplikasikan untuk situasi

yang lebih komplek. Prinsip kekekalan tidak selalu memadai, sehingga seringkali

hukum kedua termodinamika juga diperlukan dalam analisis termodinamika.

Tujuan dari bab ini adalah untuk memperkenalkan hukum kedua termodinamika.

Sejumlah deduksi, yang dapat disebut sebagai akibat yang pasti dari hukum kedua

juga dibahas. Pembahasan dalam bab ini akan menjadikan dasar untuk

pengembangan berikutnya yang berkaitan dengan hukum kedua di Bab 6 dan 7

5.1. PENGGUNAAN HUKUM KEDUA

Tujuan dari subbab ini adalah untuk memberikan motivasi akan kebutuhan

dan manfaat hukum kedua. Pembahasan yang ada akan menunujukkan

mengapa tidak hanya satu, melainkan sejumlah alternatif telah diajukan

untuk menjelaskan hukum kedua termodinamika.

5.2. PERNYATAAN HUKUM KEDUA

Diantara banyaknya pernyataan alternatif dari hukum kedua, dua pernyataan

yang sering dipergunakan dalam termodinamika teknik adalah pernyataan

Clausius dan Kelvin-Planck. Tujuan dari subbab ini adalah untuk

memperkenalkan kedua pernyataan hukum kedua ini serta menunjukkan

bahwa keduanya sepadan.

Pernyataan Clausius dipilih sebagai titik tolak dalam pembelajaran hukum

kedua beserta konsekuensinya karena sesuai dengan pengalaman sehingga

mudah diterima. Pernyataan Kelvin-Planck mempunyai kelebihan yaitu

memberikan suatu jalan yang efektif untuk memberikan turunan penting dari

hukum kedua, yang berhubungan dengan sistem yang menjalani siklus

termodinamika. Salah satu dari turunan ini adalah ketidaksamaanClausius

(Clausius inequality) (Subbab 6.1) yang mengarahkan secara langsung

kepada sifat entropi dan perumusan hukum kedua yang memudahkan analsis

terhadap sistim tertutup dan volume atur yang menjalani proses yang tidak

harus berupa sebuah siklus.

PERNYATAAN CLAUSIUS UNTUK HUKUM KEDUA

Pernyataan Clausius untuk hukum kedua menegaskan bahwa: Adalah tidak

mungkin bagi sistim apapun untuk beroperasi sedemikian rupa sehingga hasil

tunggalnya akan berupa suatu perpindahan energi dalam bentuk kalor dari

benda yang lebih dingin ke benda yang lebih panas.

Pernyataan Clausius tidak mengesampingkan adanya kemungkinan

memindahkan energi kalor dari suatu benda yang lebih dingin ke benda yang

lebih panas, dimana hal ini dapat secara tepat dilakukan menggunakan

refrijerator (mesin pendingin) dan pompa kalor. Walaupun demikian,

sebagaimana kata-kata “hasil tunggalnya” dalam pernyataan menunjukkan,

bila suatu perpindahan kalor dari suatu pengaruh lain di dalam sistim yang

menangani perpindahalan kalor, sekelilingnya, atau keduanya. Bila sistim

tersebut beroperasi menurut siklus termodinamika, keadaan awalnya akan

kembali setelah setiap akhir siklus, sehingga dengan demikian satu-satunya

tempat yang harus diperiksa untuk pengaruh lain tersebut di atas adalah

sekelilingnya. Sebagai contoh, pendinginan di dalam rumah ditangani oleh

mesin pendingin yang digerakkan oleh motor listrik yang membutuhkan

kerja dari sekelilingnya untuk dapat beroperasi. Pernyataan Clausius bisa

diartikan bahwa adalah tidak mungkin untuk membuat suatu siklus

pendinginan yang beroperasi tanpa adanya masukan berupa kerja.

PERNYATAAN KELVIN-PLANCK UNTUK HUKUM KEDUA

Sebelum membahas pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua, maka

kosnep reservoir termal (thermal reservoir) akan diperkenalkan. Suatu

rerservoir termal, atau singkatnya suatu reservoir (penampungan), adalah

suatu bentuk sistem khusus yang selalu tetap pada suatu temperatur konstan

walaupun energi ditambahkan atau dikurangi melalui perpindahan kalor.

Sebuah reservoir tentu saja merupakan suatu idealisasi, tetapi sistim

semacam itu dapar diserupakan dengan berbagai cara-sebagai atmosfer bumi,

jumlah air yang sangat besar (danau, samudera), suatu balok besar tembaga,

dan sebagainya. Contoh lainnya diberikan oleh suatu sistim yang terdiri dari

dua fasa: walaupun perbandingan massa dari kedua fasa berubah dengan

dipanaskannya atau didinginkannya sistim tersebut pada tekanan konsta,

temeperaturnya tetap akan konstan selama kedua fasa tersebut ada

bersamaan. Sifat ekstensif suatu reservoir termal seperti energi dalam dapat

berubah pada interaksi dengan sistim lainnya walaupun temperatur reservoir

tersebut tetap konstan.

Setelah diperkenalkannya konsep reservoir termal, berikut diberikan

pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua: adalah tidak mungkin sistim

apapun dapat beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan

sejumlah kerja neto ke sekelilingnya sementara menerima energi melalui

perpindahakan kalor dari suatu reservoir termal tunggal. Pernyataan Kelvin-

Planck tidak mengesampingkan suatu kemungkinan dari suatu sistim untuk

membangkitkan sejumlah kerja neto dari perpindahan kalor yang diambil

dari satu reservoir (penampungan) termal tunggal. Pernyataan ini hanya

menolak kemungkinan tersebut, apabila sistimnya menjalani sebuah siklus

termodinamika.

Pernyataan Kelvin-Planck dapat dinyatakan secara analitis. Untuk

mengembangkan hal ini, pelajarilah suatu sistim yang sedang menajalani

sebuah siklus sambil mempertukarkan energi melalui perpindahan kalor

dengan sebuah reservoir tunggal. Hukum pertama dan hukum kedua masing-

masing memberikan beberapa kendala:

Sebuah kendala diberikan hukum pertama untuk kerja neto dan

perpindahan kalor antara sistim dengan sekelilingnya. Menurut

persamaan 2.40

W Siklus = Q Siklus

Dalam kalimat, kerja neto yang dilakukan oleh sistim yang menjalani

sebuah siklus akan sama dengan perpindahan kalor dengan sekelilingnya.

Perhatikan bahwa jika W Siklus adalah negatif, maka Q Siklus adalah juga

negatif. Dengan demikian, bila sejumlah bersih energi dipindahkan

melalui kerja ke sistim selama menjalani siklus, maka kemudian energi

dalam jumlah yang sama juga dipindahkan melalui kalor dari sistim

selama berlangsungnya siklus.

Sebuah kendala diberikan oleh hukum kedua untuk arah perpindahan

energi ini. Menurut pernyataan Kelvin Planck, suatu sistim yang

menjalani sebuah suklus sambil berhubungan secara termal dengan suatu

reservoir tunggal tidak dapat memberikan sejumlah kerja neto tersebut

tidak dapat bertanda positif. Walaupun demikian, pernyataan Kelvin-

Planck tidak mengesampingkan suatu kemungkinan adanya suatu

perpindahan kerja neto berupa energi ke sistim selama menjalani siklus,

atau bahwa kerja neto tersebut adalah nol.

KESEPADANAN PERNYATAAN CLAUSIUS DAN KELVIN-PLANCK

Kesepadanan dari pernyataan Clausius dan Kelvin-Planck ditunjukkan

dengan memperlihatkan bahwa pelanggaran terhadap setiap pernyataan

memberi arti pula pelanggaran terhadap pernyataan lainnya. Pelanggaran

terhadap pernyataan Clausius yang memberi arti pula pelanggaran

terhadap pernyataan Kelvin Planck telah ditunjukkan dengan gambar 5.2,

yang memperlihatkan satu reservoir panas, satu reservoir dingin, dan sua

sistim. Sisitim disebelah kiri memindahkan energi QC dari reservoir dingin

ke reservoir panas melalui perpindahan kalor tanpa timbulnya pengaruh

lain dan berarti suatu pelanggaran terhadap pernyataan Clausius. Sistem di

sebelah kanan beroperasi dalam sebuah siklus sambil menerima QH (yang

lebih besar dari QC) dari reservoir panas, melepaskan QC ke reservoir

dingin, dan memberikan kerja W Siklus ke sekeliling. Aliran-aliran energi

yang ditandai dalam gambar 5.2 mempunyai arah sesuai dengan yang

ditunjukkan oleh tanda panah.

Perhatikan sistem gabungan yang ditunjukkan dengan garis putus-putus

dalam gambar 5.2, yang terdiri dari reservoir dingin dan kedua alat.

Distem gabungan tersebut dapat dpandang sebagai menjalankan arah

siklus kareana satu bagian menjalani satu siklus dan kedua bagian lainnya

tidak mengalami perubahan bersih dari kondisi-kondisinya. Lagi pula,

sistem gabungan tersebut menerima energi (QH-QC) melalui perpindahan

kalor dari suatu reservoir tunggal, reservoir panas, dan menghasilkan satu

jumlah kerja yang sama. Dengan begitu, sistem gabungan tersebut

melanggar terhadap pernyataan Kelvin-Planck.

5.3. MENGENALI IREVERSIBILITAS

Salah satu kegunaan penting dari hukum termodinamika kedua dalam teknik

rekayasa adalah untuk menentukan kinerja teoretis terbaik sistim. Dengan

membandingkan kinerja aktual dengan kinerja teoretis terbaik, maka

wawasan untuk mendapatkan potensi perbaikan menjadi lebih terbuka.

Seperti yang dapat diperkirakan, kierneja terbaik dievaluasi sebagai fungsi

dari proses yang diidealisasikan. Dalam subbab ini, proses-proses yang

diidealisasikan semacam itu diperkenalkan dan dibedakan dari proses aktual

yang melibatkan ireversibilitas (sifat tak mampu bali).

5.3.1. PROSES IREVERSIBILITAS

Suatu proses dikatakan sebagai ireversibilitas jika sistem dan semua

bagian dari sekelilingnya tidak dapat kembali tepat pada keadaan awalnya

setelah proses berlangsung. Sutau proses dikatakan ireversibilitas jika

keduanya yaitu sistem dan sekelilingnya dapat kembali kepada keadaan-

keadaan awalny. Proses-proses ireversibilitas (tak mampu balik) adalah

pokok bahasan subbab ini. Proses reversibel (mampu balik) akan dibahas

dalan Subbab 5.3.2.

Suatu sistem yang telah menjalani sebuah proses ireversibilitas tidak harus

selalu berarti tidak mampu kembali kepada keadaan awalnya. Akan tetapi,

meskipun sistemnya kembali kepada keadaan awalnya, akan tidak

mungkin untuk mengemabalikan sekelilingnya kepada keadaan awalnya.

Seperti yang digambarkan di bawah ini, hukum kedua dapat digunakan

untuk menentukan apakah keduanya, sistem sekelilingnya, dapat

dikembalikan kepada keadaan awalnya setelah suatu proses terjadi.

Dengan demikian, hukum kedua dapat digunakan untuk menentukan

apakah satu proses tertentu adalah reversibel ataupun ireversibel.

IREVERSIBILITAS

Dari pembahasan terdahulu mengenai pernyataan Clausius untuk hukum

kedua, tampak jelas bahwa proses apapun yang melibatkan perpindahan

kalor spontan dari badan yang lebih panas ke satu badan yang lebih dingin

adalah ireversibel. Jika tidak, maka akan mungkin untuk mengembalikan

energi tersebut dari badan yang lebih dingin ke badan yang lebih panas

tanpa pengaruh apapun diantara kedua badan ini, atau dengan

sekelilingnya. Lagipula, kemungkinan terjadinya hal semacam ini

bertentangan dengan pernyataan Clausius. Sebagai tambahan untuk

perpindahan kalor spontan, proses yang melibatkan hal-hal lain yang

bersifat spontan adalah ireversibel, seperti halnya pada proses ekspansi gas

atau cairan tanpa hambatan. Terdapat juga banyak pengaruh lain yang

muncul selama suatu proses berlangsung sehingga menyebabkan

ireversibilitas. Gesekan, tahanan listrik, histerisis dan deformasi tak elastis

adalah contoh-contoh penting. Sebagai kesimpulannya, proses ireversibel

biasanya akan melibatkan satu atau lebih ireversibilitas berikut ini:

1) Peripindahan kalor melalui perbedaan temperatur yang terbatas kecil

(finite).

2) Ekspansi gas atau cairan tanpa hambatan ke suatu tekanan yang lebih

rendah.

3) Rekasi kimia spontan.

4) Pencampuran spontan antara unsur-unsur dengan komposisi atau

tingkat keadaan yang berbeda.

5) Gesekan-gesekan luncur, demikian pula gesekan pada aliran fluida.

6) Aliran arus listrik melewati suatu tahanan.

7) Magnetisasi atau polarisasi dengan histerisis.

8) Deformasi tidak elastis.

CONTOH IREVERSIBILITAS

Dimanapun suatu ireversibilitas ada selama berlangsungnya suatu proses,

proses tersebut sudah seharusnya menjadi ireversibel. Walaupun demikian,

ireversibilitas dari sutau proses dapat ditunjukkan menggunakan

pernyataan Kelvin-Planck untuk hukum kedua, dengan prosedur berikut:

1) Asumsikan bawha ada cara untuk mengembalikan sistem dan

sekelilingnnya kepada keadaan awalnya.

2) Tunjukkan sebagai konsekuensi dari asumsi tersebut adalah bahwa

mungkin untuk membentuk satu siklus yang menghasilkan kerja

sementara tidak ada pengaruh lain yang timbul selain dari pada suatu

perpindahan kalor dari sebuah reservoir tunggal. Karena keberadaan

siklus semacam ini ditolah oleh pernyataan Kelvin-Planck, maka

berarti bahwa asumsi awalnya adala tidak tepat dan kemudian berarti

bahwa prosesnya adalah ireversibel.

Sebagai contoh ……….. pergunakan pernyataan Kelvin-Planck untuk

memperlihatkan ireversibilitas suatu proses yang melibatkan gesekan.

Pikirkan sebuah sistem yang terdiri dari satu balok massa m dan satu

bidang miring. Pada awalnya balok tersebut terletak diam di puncak dari

bidang miring tersebut. Balok tersebut kemudian meluncur turun pada

bidang miring itu, sampai akhirnya diam kembali pada letak ketinggian

yang lebih rendah. Tidak ada perpindahan kalor yang berarti antara sistem

dengan sekelilingnya selama proses berlangsung.

Dengan mengaplikasikan neraca energi pada sistem tertutup.

(Uf – Ui) + mg (zf – zi) + (EKf – EKi)o = Qo – Wo atau

Uf –Ui = mg (zi – zf)

Dimana U menunjukkan energi dalam dari sistem balok –bidang miring

dan z adalah ketinggian elevasi dari balok. Jadi, gesekan antara balok

dengan bidang miring selam proses berlangsung, menyebabkan penurunan

energi potensial balok menjadi energi dalam keseluruhan sistem. Karena

tidak ada kerja ataupun interaksi panas yang tejadi antara sistem dengan

sekelilingnya, maka kondisi sekeliling tetap tidak berubah selama proses

berlangsung. Hal ini mengarahkan perhatian menjadi terpusat kepada

sistem saja, yang menunjukkan bahwa proses tersebut adalah ireversibel.

5.4. APLIKASI HUKUM KEDUA PADA SIKLUS TERMODINAMIKA

Subbab ini akan membahas berbagai aplikasi penting dari hukum kedua

termodinamika yang berhubungan dengan siklus gaya, siklus refrijerasi, dam

pompa kalor. Aplikasi semacam ini akan memperluas pemahaman dari

implikasi hukum kedua dan memberikan dasar terhadap dedukasi penting

dari hukum kedua yang akan dibahas pada subbab berikutnya. Pemahaman

terhadap siklus termodinamika sangatlah diperlukan dan untuk itu

direkomendasikan agar subbab 2.6 dikaji ulang dimana siklus dibahas

berdasarkan prespektif atau sudut pandang hukum pertama dan

diperkenalkannya efisiensi termal siklus gaya dan koefisien keinerja untuk

siklus refrijerasi dan pompa kalor.

5.4.1. INTERPRETASI PERNYATAAN KELVIN-PLANCK

Bentuk analitik pernyataan Kelvin-Planck dari hukum kedua seperti pada

persamaan 5.1. bertujuan untuk menunjukkan bahwa tanda “lebih kecil dari”

dan “sama dengan” terkait dengan terdapat atau tidaknya ireversibilitas

internal.

Seperti tampak pada gambar 5.4. Perhatikanlah sebuah sistem yang

mengalami siklus sambil memindahkan energi melalui perpindahan kalor

dengan sebuah reservoir tunggal. Kerja diberikan ke, atau diterima dari,

sistem puli pemberat yang berlokasi didaerah sekitarnya. Sebuah flywheel,

pegas, atau berbagai peralatan lain dapat juga melakukan fungsi yang sama.

Dalam aplikasi selanjutnya dari persamaan 5.1. sifat ireversibilitas yang

menjadi perhatian utama adalah irerversibilitas internal. Untuk

menghilangkan faktor-faktor eksternal dalam aplikasi semacam itu maka,

asumsikanlah bahwa hal tersebut merupakan satu-satunya ireversibilitas yang

ada. Jadi, sistem puli – pemberat , flywheel dan peralatan lain kemana kinerja

diberikan atau dari mana diterima telah diidealisasikan sebagai tanpa

ireversibilitas.

Untuk menunjukkan hubungan antara tanda “sama dengan” dari persamaan

5.1. tanpa adanya ireversibilitas pertimbangkanlah sebuah siklus yang

beroperasi seperti terlihat Gambar 5.4. dimana terjadi kesepadanan sebagai

kesimpulan dari sebuah siklus:

Sistem akan kembali ke keadaan awalnya.

Karena Wsiklus = 0, maka tidak terjadi perubahan neto dari ketinggian

massa untuk menyimpan energi di daerah sekitarnya.

Karena W siklus = Qsiklus, maka Q siklus = 0 dengan demikian tidak terdapat

perubahan neto di kondisi reservoir.

Jadi sistem dan seluruh elemen di sekitarnya akan kembali seutuhnya ke

kondisi awal masing-masing. Sesuai dengan definisi siklus semacam ini

bersifat reversibel. Dengan demikian, tidak terdapat ireversibilitas di dalam

sistem maupun di daerah sekitarnya. Untuk memeperlihatkan kondisi

sebaliknya akan ditinggalkan sebagai latihan: jika siklus terjadi secara

reversibel maka tanda ketidaksamaan menunjukkan adanya ireversibilitas dan

ketidaksamaan berlaku kapan saja terjadi ireversibilitas.

5.4.2. INTERAKSI SIKLUS DAYA DENGAN DUA RESERVOIR

Sebuah batasan pada kinerja sistem yang menjalani siklus daya dapat

dijelaskan dengan menggunakan pernyataan Kelvin-Planck tentang hukum

kedua. Perhatikan gambar 5.5. yang memperlihatkan sebuah sistem yang

menjalani sebuah siklus yang pada saat bersamaan berinteraksi secara termal

dengan dua reservoir dingin serta menghasilkan kerja neto Wsiklus. Efisiensi

termal dari siklus ini adalah

n = = 1 -

Dengan QH adalah jumlah energi yang diterima sistem dari reservoir panas

melalui perpindahan panas dan QC adalah jumlah energi yang dilepaskan dari

sistem ke reservoir dingin melalui perpindahan kalor. Perpindahan seperti

ditandai pada gambar 5.5. adalah sesuai dengan arah yang diberikan tanda

panah.

Jika nilai QC = 0, sistem pada gambar 5.5. akan mengambil energi QH dari

reservoir panas dan menghasilkan sejumlah kerja yang sama, sementara

mengalami sebuah siklus efisiensi termal untuk siklus semacam ini

mempunyai nilai sama dengan satu (100%). Namun demikian, metode

operasi semacam ini akan bertentangan dengan pernyataan Kelvin-Planck,

jadi tidak dimungkinkan. Hal ini berarti bahwa siklus apapun yang

melakukan sebuah siklus daya dan beroperasi diantara dua reservoir hanya

sebagian fraksi perpindahan kalor QH dapat diperoleh sebagai kerja, dan

sisanya QC harus dilepaskan melalui perpindahan kalor di reservoir dingin.

Jadi, efisiensi termal harus lebih kecil dari 100%. Untuk mencapai

kesimpulan ini tidaklah harus untuk

1) Mengidentifikasi sifat dari zat yang terdapat dalam sistem.

2) Menetukan secara tepat proses yang menyusun siklus tersebut. Atau

3) Menentukan apakah proses merupakan aktual atau didealisasikan.

Kesimpulan bahwa efisiensi termal harus lebih kecil dari 100% berlaku

untuk semua siklus daya apapun detail operasinya. Hal ini dikenal sebagai

efek (corrolary) hukum kedua.

5.5. DEFINISI SKALA TEMPERATUR KELVIN

Hasil dari subbab 5.4 meletakkan batas atas teoretis untuk kinerja siklus daya

refrijerator dan pompa kalor yang berinteraksi secara termal dengan dua

reservoir. Pernyataan tentang efisiensi termal teoretis maksimum dari siklus

daya dan koefisien kinerja teoretis maksimum untuk siklus refrijerasi dan

pompa kalor dibahas dalan subbab 5.6. menggunakan skala temperatur

Kelvin yang didefinisikan pada subbab ini.

Dari efek Carnot kedua diketahui bahwa semua siklus daya reversibel yang

beroperasi diantara dua reservoir yang akan mempunyai efisiensi termal yang

sama tanpa mempertimbangkan sifat zat yang terdapat dalam sistem saat

menjalani siklus atau serangkaian proses. Mengingat efisiensi tidak

dipengaruhi oleh faktor-faktor ini, nilainya dapat dihubungkan dengan sifat

reservoirmasing-masing. Perlu dicatat bahwa perbedaan temperatur antar dua

reservoir lah yang memberikan dorongan untuk terjadinya perpindahan kalor

antara keduanya begitu pula untuk produksi kerja selama proses. Dengan

demikian, efisiensi hanya bergantung pada temperatur kedua re servoir

tersebut.

5.6. UKURAN KINERJA MAKSIMUM SIKLUS YANG BEROPERASI DI

ANTARA DUA RESERVOIR

Diskusi subbab 5.4. dilanjtukan pada subbab ini dengan penyusunan

pernyataan untuk efisiensi termal maksimum siklus daya, dan koefisien

kinerja maksimum siklus refrijerasi dan pompa kalor sebagi fungsi dari

temperatur reservoir yang dihitung pada skala Kelvin. Pernyataan semacam

ini dapat dipergunakan ebagai standar perbandingan untuk siklus daya

aktual, siklus refrijerasi, dan siklus pompa kalor.

5.6.1. SIKLUS DAYA

Penggunaan persamaan 5.6 dalam persamaan 5.2 menghasilkan sebuah

pernyataan untuk efisiensi termal siklus daya reversibel yang beroperasi di

antara reservoir termal pada temperatur TH dan TC yaitu

nmaks = 1 -

yang dikenal sebagai efisiensi Carnot. Karena perbedaan temperatur pada

skala Rankine dan skala temperatur Kelvin, dapat ditunjukkan dengan faktor

tetap 1,8 maka T pada persamaan 5.8 dapat dipergunakan untuk kedua skala

temperatur.

Sesuai dengan kedua efek Carnot, maka dapat dibuktikan bahwa efisiensi

seperti yang diberikan oleh persamaan 5.8 adalah efisiensi termal untuk

semua siklus daya reversibel yang beroperasi diantara dua reservoir termal

pada temperatur TH dan TC dan efisiensi maksimum yang dapat dicapai oleh

setiap siklus daya yang beroperasi diantara dua reservoir termal. Sesuai

pengamatan nilai efisiensi Carnot meningkat sesuai peningkatan TH dan/ atau

penurunan TC .

Persamaan 5.8 digambarkan dalam bentuk grafik pada gambar 5.9.

Temperatur TC digunakan untuk membuat grafik ini adalah 298 K,

mengingat siklus daya aktual melepaskan energi melalui perpindahan kalor

ke temperatur atmosfer setempat atau air pendingin yang diambil dari sungai

atau danau terdekat. Perlu dicatat bahwa kemungkinan untuk meningkatkan

efisiensi termal dengan menurunkan TC di bawah temperatur lingkungan

adalah tidak praktis. Untuk mempertahankan TC dibawah temperatur ambien

akan membutuhkan sebuah mesin pendingin yang membutuhkan suplai kerja

untuk beroperasi.

Gambar 5.9. memperlihatkan bahwa efisiensi termal meningkat dengan TH.

Berdasarkan potongan a-b pada kurva , dimana TH dan n relatif rendah, dapat

dilihat bahwa n meningkat dengan cepat ketika TH yang relatif kecil dapat

mempunyai pengaruh yang besar pada efisiensi. Meskipun kesimpulan ini

diambil dari Gambar 5.9. yang hanya diaplikasikan hanya untuk sistem yang

menjalani siklus reversibel, secara kualitatif kesimpulan ini juga tepat untuk

siklus daya aktual. Efisiensi termal untuk siklus aktual akan meningkat

apabila temperatur rata-rata penambahan energi melalui perpindahan kalor

diturunkan. Namun, memaksimumkan efisiensi termal siklus daya bukanlah

tujuan utama. Dalam praktik, pertimbangan lain seperti biaya yang

diperlukan dapat menjadi lebih penting.

5.6.2. SIKLUS REFRIJERASI DAN POMPA KALOR

Persamaan 5.6. dapat juga diaplikasikan untuk siklus refrijerasi dan pompa

kalor reversibel yang beroperasi diantara dua reservoir termal. QC

merupakan kalor yang ditambahkan ke dalam siklus dari reservoir dingin

pada temperatur TC dalam skala Kelvin, sedangkan QH adalah kalor yang

dibuang dari reservoir panas pada temperatur TH. Substitusi persamaan 5.6 ke

dalam persamaan 5.3. menghasilkan persamaan koefisien kinerja untuk

siklus apapun yang menjalani siklus refrijerasi reversibel dengan dua

reservoir kalor.

5.6.3. APLIKASI

Dalam subbab ini diberikan tiga buah contoh yang menggambarkan

penggunaan efek hukum kedua pada subbab 5.4.2 dan 5.4.3 bersama-sama

dengan persamaan 5.8, 5.9, dan 5. 10.

5.7. SIKLUS CARNOT

Siklus carnot yang diperkenalkan dalam subbab ini memberikan contoh

spesifik dari sebuah siklus daya yang beroperasi diantara dua reservoir

termal. Dua contoh lainnya diberikan dalam Bab 9; siklus Ericsson dan siklus

Stirling. Masing-masing siklus ini menggunakan efisiensi Carnot yang

diberikan dengan persamaan 5.8.

Dalam sebuah siklus Carnot, sistem mengalami siklus yang terdiri dari empat

proses berseri yang bersifat reversibel internal; dua proses adiabatik dan dua

proses isotermal. Gambar 5.10 menunjukkan diagram p-v dari siklus daya

Carnot dengan sistem berupa rangkaian silinder –torakberisi gas. Gambar

5.11 memberikan rincian bagaimana siklus berlangsung. Dinding silinder dan

torak bersifat non-konduksi. Perpindahan kalor terjadi pada arah sesuai tanda

panah. Perlu dicatat bahwa terdapat dua reservoir termal pada temperatur

TH dan TC dan dudukan berisolasi.

Siklus carnot tidak terbatas hanya untuk proses-proses sistem tertutup yang

berlangsung di dalam sistem sislinder torak.