1. Bab ini membahas Hukum Termodinamika Kedua dan korolari-korolari yang berkaitan dengan arah proses, prestasi maksimum siklus, dan skala temperatur independen. 2. Hukum Termodinamika Kedua dapat digunakan untuk memprediksi arah proses, menentukan kondisi kesetimbangan, dan menentukan prestasi teoritis maksimum siklus. 3. Korolari Carnot menyatakan bahwa efisiensi siklus terbalik

1. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.1
BAB 5. HUKUM TERMODINAMIKA KEDUA
Yang akan dipelajari: Hukum Termodinamika 2, dan Korolari (Dampak Wajar)
Hukum Termo 2.
ARAH PROSES
Beberapa proses yang terjadi secara spontan:
a. Balok dari temperatur tinggi ke temperatur sekeliling.
U sistem turun, U sekeliling naik.
Sebaliknya tidak akan pernah terjadi secara spontan walau Hk I terpenuhi.
b. Tangki dilepas dari tekanan tinggi ke tekanan sekeliling ketika katup dibuka.
c. Benda dilepaskan akan jatuh ke bawah.
PE ⇒ KE ⇒ U naik ⇒ U kesetimbangan
Seluruh proses di atas tidak dapat dibalikkan secara spontan walau Hk Termo I
dipenuhi. Pada ketiga kasus di atas dapat dibuat agar kerja dapat diperoleh selama
proses berlangsung. Perlu dianalisis:
• Berapa maksimum kerja secara teoritik yang dapat diperoleh?
• Faktor apa saja yang diperlukan agar kerja maksimum tercapai?

2. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.2
Hukum Termodinamika I tidak dapat:
1. Memperkirakan apakah suatu proses dapat terjadi atau tidak.
2. Menyatakan ke mana proses akan berlangsung.
Hukum Termodinamika 2 dapat digunakan untuk:
1. Memperkirakan arah proses.
2. Menentukan kondisi kesetimbangan.
3. Menentukan prestasi teoritik maksimum siklus.
4. Menentukan faktor yang menyatakan maksimum prestasi.
5. Menentukan skala temperatur independen terhadap sifat termometrik zat.
6. Menyatakan sifat u dan h dari sifat-sifat yang dapat diukur dari eksperimen
7. dll. (ekonomi, politik, philosophi, dll.)
PERNYATAAN HUKUM TERMODINAMIKA 2:
Tidak ada satu pernyataan untuk Hukum Termo 2. Dasarnya adalah kenyataan
eksperimental.
1. PERNYATAAN CLAUSIUS:
Tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja
sedemikian rupa sehingga hasil satu-satunya adalah
perpindahan energi sebagai panas dari sistem yang
lebih dingin ke sistem yang lebih panas.
(Sistem refrigerasi/pompa panas? Mungkin bila Win
ada)
2. PERNYATAAN KELVIN-PLANCK:
Tidak mungkin suatu sistem beroperasi dalam siklus
termodinamika dan memberikan sejumlah netto kerja
ke sekeliling sambil menerima energi panas dari satu
reservoir termal.
(Bila bukan siklus bisa: sistem torak dan silinder)
Secara analitik: Untuk satu reservoir: Wsiklus ≤ 0
(dan Qsiklus ≤ 0).
PERSAMAAN PERNYATAAN CLAUSIUS DAN KELVIN PLANCK
Pernyataan sama bila pelanggaran suatu pernyataan menyebabkan pelanggaran
terhadap pernyataan lainnya.
Bukti pelanggaran Pernyatakan Clausius melanggar Pernyataan Kelvin Planck:
A: Qc dari dingin ke panas, melanggar
Clausius
B B: Sebuah siklus: tidak melanggar
A
C: Siklus dengan satu reservoir:
melanggar Kelvin Planck
C Jadi, kedua pernyataan di atas sama.

3. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.3
Sebaliknya: Soal no. 5.3.
MENGIDENTIFIKASI KETAKTERBALIKKAN (IRREVERSIBILITIES)
Hukum Termo 2 dapat digunakan untuk menentukan prestasi teoritik terbaik dari
sistem. Dengan membandingkannya terhadap prestasi sebenarnya, maka potensi
perbaikan dapat diidentifikasi dengan menentukan ketakterbalikan sistem.
• PROSES TAK TERBALIKKAN:
Suatu proses dimana sistem dan seluruh sekeliling tidak dapat kembali ke
tingkat keadaan awal. (Sistem mungkin dapat kembali ke t.k. awal, tapi
sekeliling tidak). Semua proses nyata adalah proses tak terbalikkan.
Ketakterbalikkan: - dalam (dalam sistem)
- luar (dalam sekeliling yang terdekat)
Ketakterbalikkan dapat didemonstrasikan dengan Pernyataan Kelvin Planck
(lihat Gambar 5.3):
a. Asumsi ada cara untuk sistem dan sekeliling kembali ke t.k. awal.
b. Perhatikan bahwa akibat asumsi ini mungkin diperoleh siklus yang
menyebabkan adanya kerja dari satu sistem reservoir termal.
c. Karena siklus ini tidak mungkin ada, maka asumsi a adalah salah dan sistem
tidak mungkin kembali ke t.k. awal.
• PROSES TERBALIKKAN:
• Suatu proses dimana sistem dan sekeliling dapat kembali ke
t.k. awal (suatu hipotesa).
• Proses terbalikkan sebenarnya tidak ada, hanya merupakan
proses ideal. Proses ideal diperlukan sehingga kita dapat
membandingkan proses yang sebenarnya dengan proses
idealnya.
• Proses terbalikkan dalam: bila tidak terjadi
ketidakterbalikkan dalam sistem, semua sifat intensif seragam
dalam sistem setiap saat, proses tidak boleh terjadi secara
spontan, proses quasi-equilibrium: kesetimbangan semu. Di
luar sistem (di sekeliling) mungkin terjadi ketakterbalikkan.

4. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.4
APLIKASI HUKUM TERMO 2 PADA SIKLUS TERMODINAMIKA
INTEPRETASI PERNYATAAN KELVIN PLANCK
Kelvin Planck: untuk satu reservoir: Wsiklus ≤ 0.
Untuk siklus terbalikkan:
Wsiklus = 0 = Qsiklus (Hk. Termo 1)
Untuk siklus takterbalikkan:
Wsiklus < 0 bisa! (W masuk bisa!)
Qsiklus < 0 bisa! (Q keluar bisa!)
• SIKLUS DAYA DENGAN DUA RESERVOIR TERMAL:
W siklus Q H − QC Q
Efisiensi termal: η = = = 1− C
QH QH QH
Bila Qc = 0, η = 100%
(tidak mungkin oleh
Kelvin Planck). Jadi
efisiensi harus lebih kecil
dari 100%.
(Kesimpulan ini tidak memerlukan data bahan sistem,
proses dalam siklus, atau proses merupakan ideal atau
sebenarnya)
Korolari (Dampak Wajar) Carnot:
Korolari 1: Efisiensi termal dari siklus daya tak terbalikkan selalu lebih
rendah dari efisiensi termal siklus daya terbalikkan bila keduanya
beroperasi dengan dua reservoir termal yang sama.
Korolari 2: Semua siklus daya terbalikkan antara dua reservoir termal yang
sama akan memberikan efisiensi termal yang sama.
Bukti Korolari 1:
R: siklus reversible, I: siklus irreversible
A: siklus ada 2: R dan I
B: Ganti arah energi di R (menjadi refrigerasi)
Semua sama kecuali arah QH, QC dan WR
C: Tinjau R + I dan Reservoir Panas
Bila ini harus jalan, W siklus < 0, atau: WI – WR < 0

5. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.5
Bagi dengan QH: WI/QH – WR/QH < 0
Atau: ηI < ηR .... terbukti
Bukti Korolari 2:
A: Siklus: 2 R: R1 dan R2
B: Balik arah-arah di R1
C: Tinjau sistem: R1 + R2 + Reservoir Panas
WR1
W siklus = 0 (terbalikkan)
R1 R2 WR2 Atau: WR2 – WR1 = 0
Bagi dengan QH: WR2/QH – WR1/QH = 0
Atau: ηR1 = ηR2 .... terbukti
• SIKLUS PENDINGIN DAN PENUKAR PANAS DENGAN DUA
RESERVOIR TERMAL
Hukum Termo 2 membatasi prestasi siklus daya
dan siklus
pendingin
dan
pompa
panas
sbg.:
QC QC
COP pendingin: β= =
W siklus Q H − QC
QH QH
γ = =COP−pompa panas:
W siklus Q H QC
Bila W mendekati nol (menentang pernyataan Clausius), COP di atas mendekati
infiniti (tidak mungkin diperoleh, dibatasi).
Korolari Siklus Pendingin Dan Pompa Panas:
(bandingkan dengan untuk siklus daya Carnot di atas)
Korolari 1: COP dari siklus pendingin/pompa panas tak terbalikkan selalu
lebih kecil dari COP siklus pendingin/pompa panas terbalikkan
bila keduanya bekerja pada dua reservoir termal yang sama.
Korolari 2: Semua siklus pendingin/pompa panas terbalikkan bekerja pada
temperatur yang sama akan memberikan COP yang sama pula.
Bukti Korolari 1:
A: Siklus: R dan I dengan Qc yang sama.

6. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.6
B: Balik arah-arah di R.
C: Tinjau sistem: R + I + Reservoir Dingin
W siklus < 0 (takterbalikkan)
Atau: WR – WI < 0
Bagi dengan Qc: WR/Qc – W1/Qc < 0.
Atau: βR > βI .... terbukti
Bukti Korolari 2: Silahkan coba sendiri. Begitu pula yang untuk Pompa Panas.

7. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.7
SKALA TEMPERATUR KELVIN
Korolari Carnot kedua menyatakan efisiensi semua siklus daya terbalikkan dengan
dua reservoir termal adalah sama tanpa melihat bahan dan lain-lain. Oleh karena
itu, efisiensi bergantung pada sifat reservoir termal, yaitu temperatur.
Untuk siklus yang berkerja pada dua reservoir termal bertemperatur: θH dan θC
maka: Q
η = η (θ C , θ H ) = 1 − c
QH
Atau:  QC  T

Q 
 siklus = 1 − η (θ C ,θ H ) = ϕ (θ C ,θ H ) = C (dipilih)
 H  terbalikkan TH
Persamaan ini menyatakan skala temperatur termodinamika yang tidak tergantung
oleh bahan, yang disebut juga Skala Kelvin.
Bila diambil TH = 273,16 K sebagai titik triple air, maka:
T = 273, 16 (Q/Qtp)siklus terbalikkan
Skala Temperatur Internasional: The International Temperature Scale of 1990
(ITS-90): dibuat berdasarkan titik-titik yang dapat diduplikasi di mana saja – Lihat
Tabel 5.1)
PRESTASI MAKSIMUM UNTUK SIKLUS DENGAN DUA RESERVOIR
• Siklus Daya: η = 1- QC/QH
Berdasarkan Skala Kelvin: untuk sebuah siklus reversible (efisiensi maksimum):
ηmaks = 1- TC/TH
Skala yang harus digunakan adalah skala
absolut Kelvin, efisiensi naik bila TH naik dan
TC turun. TC umumnya digunakan sebagai T
sekeliling = 298 K.
Dengan cara yang sama, berdasarkan Skala Kelvin:
• Siklus Pendingin: βmaks = TC / (TH – TC)
• Siklus Pompa Panas: γmaks = TH / (TH – TC)

8. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.8
SIKLUS CARNOT
Contoh siklus terbalikkan yang bekerja pada dua reservoir termal:
• Siklus Daya Carnot:
(Contoh lain: Siklus Erricson dan Siklus Stirling)
Asumsi semua proses terbalikkan:
Pada Massa Atur:
Proses Siklus Daya Carnot
(Massa Atur):
1-2: kompresi adiabatik
2-3: ekspansi isotermal
3-4: ekspansi adiabatik
4-1: kompresi isotermal
Pada Volume Atur:
Diagram p-v (luas dalam kurva: kerja yang dihasilkan per satuan massa):
Satu fasa: Dua fasa (Volume Atur):
2 3
3
2
1 4
1 4
Kebalikkannya adalah:
• Siklus Refrigerasi Carnot:
Proses Siklus Pendingin Carnot:
1-2: ekspansi isotermal
2-3: kompresi adiabatik
3-4: kompresi isotermal
4-1: ekspansi adiabatik
Luas dalam kurva: kerja yang diperlukan siklus
per massa.

9. Bab 5: Hk Termo II Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 5.9
• KETIDAKSAMAAN CLAUSIUS
Merupakan korolari dari Hk Termo 2.
Berlaku untuk siklus manapun tanpa memperhatikan badan yang menerima
atau memberikan kalor.
 δQ 
∫  T b ≤ 0
 
dimana: δQ: perpindahan kalor pada batas sistem
T : temperatur absolut bagian batas tersebut
b : integral pada batas sistem yang merupakan siklus
∫ : integrasi pada seluruh bagian batas selama siklus berlangsung
• Bukti:
Dari definisi Skala Kelvin, untuk siklus:
δ Q ' Tres δ Q'  δ Q 
= atau = 
δ Qb Tb Tres  T  b
Kesetimbangan energi di sistem kombinasi:
dEC = δ Q '−δ WC dimana δ WC = δ W '+δ W
δQ 
δ WC = Tres   − dEC
 T b
δQ  δQ 
WC = ∫ Tres   − ∫ dEC =Tres ∫  
 T b  T b
Dari Kelvin-Plank: bila sistem kombinasi harus dapat berjalan, maka Wc ≤ 0. Jadi:
 δQ 
∫ T

 ≤0
b
Terbukti!
Atau dapat ditulis pula:
 δQ 
∫  T  b = −σ siklus
 
dimana: σsiklus adalah “kekuatan” ketakterbalikkan siklus
(nanti akan didefinisikan sebagai produksi entropi)
σsiklus = 0 bila terbalikkan
σsiklus > 0 bila tak terbalikkan
σsiklus < 0 tidak mungkin terjadi