Makalah Termodinamika
BAB I
PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Termodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa teknologi. Selain itu energi di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Hal ini erat hubungannya dengan hukum – hukum dasar pada termodinamika. Dalam makalah ini kami akan membahas tentang hukum 3 termodinamika dan tentang sistem tenaga uap rankine.
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 akn tibul 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.
Rankine Cycle kadang-kadang dikenal sebagai suatu Daur Carnot praktis ketika suatu turbin efisien digunakan, T diagram akan mulai untuk menyerupai Daur Carnot. Perbedaan yang utama adalah bahwa suatu pompa digunakan untuk memberi tekanan cairan sebagai penganti gas. Ini memerlukan sekitar 100 kali lebih sedikit energy dibanding yang memampatkan suatu gas di dalam suatu penekan ( seperti di Daur Carnot)
2
B. Rumusan Masalah
Maka dirumuskan permasalahan sebagai berikut :
3 Apa pengertian dan aplikasi hukum ketiga termodinamika ?
4 Apa dan bagaimana proses siklus Rankine terjadi?
5 C. Tujuan
Penulisan Makalah ini diharapkan mampu memberikan manfaat sebagai berikut :
6 Memberikan tambahan pengetahuan kepada pembaca tentang Hukum 3 Termodinamika.
7 Memberikan penjelasan tentang hal – hal dasar yang sering dilupakan dalam Thermodinamika.
8 Memberikan pengetahuan kepada pembaca tentang siklus Rankine.
BAB II
PEMBAHASAN
A. 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 ΔST berlaku ketika T mendekati nol. ΔST ialah perubahan entropi sistem terkondensasi ketika berlangsung proses isoterm terbuktikan. Percobaansangat memperkuat bahwa ketika T menurun, ΔST 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 St menurun.
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 Styang 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.
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 :
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.
D. SIKLUS RANKINE
1. PENGERTIAN SIKLUS RANKINE
Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panasmenjadi kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk mengenang ilmuwan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.
Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, danpanas matahari. Siklus Rankine kadang-kadang dikenal sebagai suatu Daur Carnot praktis ketika suatu turbin efisien digunakan, T diagram akan mulai untuk menyerupai Daur Carnot. Perbedaan yang utama adalah bahwa suatu pompa digunakan untuk memberi tekanan cairan sebagai penganti gas. Ini memerlukan sekitar 100 kali lebih sedikit energy dibanding yang memampatkan suatu gas di dalam suatu penekan ( seperti di Daur Carnot). suatu siklus thermodynamic mengkonversi panas ke dalam pekerjaan. Panas disediakan secara eksternal bagi suatu pengulangan tertutup, yang pada umumnya menggunakan air sebagai cairan. Siklus ini menghasilkan sekitar 80% dari semua tenaga listrik yang digunakan.
Fluida pada Siklus Rankine mengikuti aliran tertutup dan digunakan secara konstan. Berbagai jenis fluida dapat digunakan pada siklus ini, namun air dipilih karena berbagai karakteristik fisika dan kimia, seperti tidak beracun, terdapat dalam jumlah besar, dan murah.
Dalam siklus Rankine ideal, pompa dan turbin adalah isentropic, yang berarti pompa dan turbin tidak menghasilkan entropi dan memaksimalkan output kerja. Dalam siklus Rankine yang sebenarnya, kompresi oleh pompa dan ekspansi dalam turbin tidak isentropic. Dengan kata lain, proses ini tidak bolak-balik dan entropi meningkat selama proses. Hal ini meningkatkan tenaga yang dibutuhkan oleh pompa dan mengurangi energi yang dihasilkan oleh turbin. Secara khusus, efisiensi turbin akan dibatasi oleh terbentuknya titik-titik air selama ekspansi ke turbin akibat kondensasi. Titik-titik air ini menyerang turbin, menyebabkanerosi dan korosi, mengurangi usia turbin dan efisiensi turbin. Cara termudah dalam menangani hal ini adalah dengan memanaskannya pada temperatur yang sangat tinggi.
Efisiensi termodinamika bisa didapatkan dengan meningkatkan temperatur input dari siklus. Terdapat beberapa cara dalam meningkatkan efisiensi siklus Rankine.
Siklus Rankine dengan pemanasan ulang. Dalam siklus ini, dua turbin bekerja secara bergantian. Yang pertama menerima uap dari boiler pada tekanan tinggi. Setelah uap melalui turbin pertama, uap akan masuk ke boiler dan dipanaskan ulang sebelum memasuki turbin kedua, yang bertekanan lebih rendah. Manfaat yang bisa didapatkan diantaranya mencegah uap berkondensasi selama ekspansi yang bisa mengakibatkan kerusakan turbin, dan meningkatkan efisiensi turbin.
Siklus Rankine regeneratif
Konsepnya hampir sama seperti konsep pemanasan ulang. Yang membedakannya adalah uap yang telah melewati turbin kedua dan kondenser akan bercampur dengan sebagian uap yang belum melewati turbin kedua. Pencampuran terjadi dalam tekanan yang sama dan mengakibatkan pencampuran temperatur. Hal ini akan mengefisiensikan pemanasan primer.
2. PROSES SIKLUS RANKINE
Siklus Rankine adalah suatu mesin kalori dengan uap air menggerakkan siklus. Cairan Aktip yang umum adalah air. Siklus terdiri dari empat proses, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).
• Proses 1: Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.
• Proses 2: Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.
• Proses 3: Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikit kondensasi juga terjadi.
• Proses 4: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.
Pekerjaan Keluaran siklus ( Turbin uap), W1 dan masukan pekerjaan kepada siklus (Pompa), W2 adalah:
W1 = m (h1-h2)
W2 = m (h4-h3)
di mana m adalah aliran massa siklus . Panas menyediakan kepada siklus ( ketel uap), Q1 Dan Panas menolak dari siklus ( pemadat), Q2 adalah:
Q1 = m (h1-h4)
Q2 = m (h2-h3)
kerja keluaran siklus adalah:
W = W1 - W2
Turbine:
- Energi dalam pada tekanan uap tinggi bekerja
- Tekanan menurunkan Pboiler ke Pcondenser
Condensor:
-memadatkan uap air.
-Tekananya tetap.
- Ciptakan ruang hampa atau tekanan rendah pada Pcondenser
- Cairan keluar sebagai SATURATED LIQUID
Pompa ( Feedwater Pompa):
- Tekanan uap air meningkat dari Pcondenser ke Pboiler
- Konsumsi tenaga.
Ketel uap (boiler)
- energi Masuk ke tekanan tinggi memberi air untuk uap air
- tekanan konstat pada tekanan tinggi, Pboiler
Efisiensi yang yang digunakan untuk panas suatu Daur Rankine adalah:
BAB II
PENUTUP
A. Kesimpulan
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.
Aplikasi: Kebanyakan logam bisa menjadi superkonduktor pada suhu sangat rendah, karena tidak banyak keacakan gerakan kinetik dalam skala molekular yang menggangu aliran elektron.
Siklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panasmenjadi kerja.
Terdapat 4 proses dalam siklus Rankine, setiap siklus mengubah keadaan fluida (tekanan dan/atau wujud).
Proses 1: Fluida dipompa dari bertekanan rendah ke tekanan tinggi dalam bentuk cair. Proses ini membutuhkan sedikit input energi.
Proses 2: Fluida cair bertekanan tinggi masuk ke boiler di mana fluida dipanaskan hingga menjad uap pada tekanan konstan menjadi uap jenuh.
Proses 3: Uap jenuh bergerak menuju turbin, menghasilkan energi listrik. Hal ini mengurangi temperatur dan tekanan uap, dan mungkin sedikitkondensasi juga terjadi.
Proses 4: Uap basah memasuki kondenser di mana uap diembunkan dalam tekanan dan temperatur tetap hingga menjadi cairan jenuh.
16 B. Saran
Penulis dapat menambahkan lagi materi (menambahkan rumusan masalah)
agar pengetahuan pembaca menjadi lebih luas
Penulis juga dapat memperbanyak lagi sumber / referensi, agar makalah yang akan dibuat lebih lengkap lagi.
