Hukum II Termodinamika dan Contoh Soal -

GuruOnlinee.com – Halo sobat cerdas, dalam artikel ini kita akan membahas tentang Hukum II Termodinamika. Apa sih itu Hukum II Termodinamika? Bagaimana cara menjawab soal-soal Fisika terkait Hukum II Termodinamika? Untuk mengetahuinya, yuk simak penjelasan berikut!

Daftar Isi

Termodinamika merupakan salah satu cabang ilmu fisika yang membahas tentang hubungan antara energi dan kerja dari suatu sistem. Secara spesifik, cabang ini menjelaskan tentang panas, usaha, suhu, dan perilaku statistik dari sistem yang terdiri dari banyak partikel.

Hukum II Termodinamika

Berikut bunyi Hukum II Termodinamika:

“Kalor mengalir secara alami dari benda yang bersuhu tinggi ke benda yang bersuhu rendah, dan tidak dapat mengalir secara alami pada arah yang sebaliknya”
Hukum II Termodinamika

Hukum II Termodinamika menjelaskan bahwa kalor mengalir secara alamiah dari benda panas ke benda dingin, dan kalor tidak dapat mengalir dari benda dingin ke benda panas kecuali pada kedua benda tersebut diberi pemaksaan dari luar.

Misalkan sebuah kubus es dicelupkan kedalam cangkir yang berisi teh panas, kalor akan mengalir dari teh panas ke kubus es sampai suhu keduanya sama. Dalam prinsip hukum kekekalan energi pada Hukum I Termodinamika tidak menjelaskan arah kalor mengalir sehingga tidak bertentangan jika kita mengatakan bahwa kalor mengalir dari kubus es ke teh panas. Namun pada Hukum II Termodinamika menyatakakan bahwa hal tersebut tidak dapat terjadi secara alami, pernyataan tersebut merupakan Formulasi Clausius.

Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata memindahkan energi panas dari suatu benda dingin ke benda panas.
Formulasi Clausius

Hukum II Termodinamika juga menjelaskan bahwa mesin kalor tidak dapat mengubah kalor yang diserap menjadi usaha mekanik secara sempurna, atau dengan kata lain tidak mungkin untuk menemukan mesin kalor yang memiliki efisiensi 100%. Pernyataan tersebut merupakan formulasi Kelvin-Planck.

Tidak mungkin untuk membuat sebuah mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata mengubah energi panas seluruhnya menjadi usaha mekanik.
Kelvin-Planck

Sebagai contoh, pada sebuah

Misalkan sebuah mesin menyerap energi dari sumbernya untuk menggerakkan kendaraan secara mekanik, energi yang diserap tersebut tidak seluruhnya terpakai menjadi energi mekanik untuk menggerakkan mobil, melainkan sebagian energinya terbuang menjadi energi panas, energi bunyi dan sebagainya.

Pernyataan Hukum II Termodinamika

Hukum II Termodinamika memberikan batasan-batasan terhadap perubahan energi yang mungkin terjadi dengan beberapa perumusan.

Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam satu siklus, menerima kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi energi atau usaha luas (Kelvin Planck).
Tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus mengambil kalor dari sebuah reservoir rendah dan memberikan pada reservoir bersuhu tinggi tanpa memerlukan usaha dari luar (Clausius).
Pada proses reversibel, total entropi semesta tidak berubah dan akan bertambah ketika terjadi proses irreversibel (Clausius).

Rumus Efisiensi dan Daya Guna Mesin Kalor

Ukuran kinerja mesin pendingin yang dinyatakan dengan koefisien daya guna merupakan hasil bagi kalor yang dipindahkan dari reservoir bersuhu rendah Q_L terhadap usaha yang dibutuhkan W.

$K_p=\frac{Q_L}{W}=\frac{Q_L}{Q_H-Q_L}=\frac{T_L}{T_H-T_L}$

Sementara efisiensi mesin kalor dirumuskan dengan perbandingan antara panas yang berubah menjadi usaha dengan panas yang diserap, atau secara sederhana efisiensi adalah hasil bagi antara usaha yang dilakukan dengan kalor yang diserap. Secara matematis dapat ditulis dengan:

$\eta=\frac{W}{Q_H}\times 100\%$

atau

$\eta=\frac{Q_H-Q_L}{Q_H} \times 100\%$

atau

$\eta=\frac{T_H-T_L}{T_H}\times 100\%$

Keterangan:

K_p : Koefisien daya guna mesin kalor

η : Efisiensi mesin kalor (%)

W : Usaha yang diperlukan (J)

Q_L : Kalor yang diberikan pada reservoir bersuhu tinggi (J)

Q_H : Kalor yang diserap pada reservoir bersuhu rendah (J)

T_L : Suhu pada reservoir bersuhu rendah (K)

T_H : Suhu pada reservoir bersuhu tinggi (K)

Aplikasi Hukum II Termodinamika

1. Mesin pendingin

Mesin pendingin merupakan salah satu aplikasi Hukum II Termodinamika, seperti mesin pendingin ruangan AC (Air Conditioner) dan lemari es (Reffrigerator). Kedua mesin tersebut merupakan peralatan yang prinsip kerjanya berkebalikan dengan mesin kalor. Kedua mesin pendingin tersebut mengalirkan kalor dari reservoir bersuhu rendah ke reservoir bersuhu tinggi dengan melakukan usaha pada sistem. Berikut gambar bagan mesin pendingin:

bagan proses penyerapan kalor pada mesin pendingin Hukum II Termodinamika

2. Mesin Pemanas

Mesin pemanas merupakan salah satu aplikasi Hukum II Termodinamika, seperti mesin pemanas ruangan (Heater) dan mesin pemasak nasik (Rice Cooker). Kedua mesin tersebut merupakan peralatan yang prinsip kerjanya sama dengan mesin kalor. Kedua mesin pemanas tersebut mengalirkan kalor dari reservoir bersuhu tinggi ke reservoir bersuhu rendah dan menghasilkan usaha. Berikut gambar bagan proses mengalirnya kalor pada mesin pemanas: