Termodinamika : kerja reversibel dan irreversibel

Kerja Reversibel dan irreversibel

Pertimbangkan sistem yang sama seperti sebelumnya: sejumlah gas berada di dalam silinder dengan suhu konstan T. Kita mengekspansi gas dari keadaan T, P₁, V₁ menjadi keadaan T, V₂, P₂, dan kemudian kita kompresi gas tersebut ke keadaan semula. Gas ini telah mengalami perubahan siklik kembali dari keadaan akhir ke keadaan awal. Misalkan kita melakukan siklus ini oleh dua proses yang berbeda dan menghitung pengaruh kerja W_cy untuk setiap proses.

Proses I. Ekspansi satu tahap dengan P_op = p₂; kemudian kompresi satu tahap P_op = p₁. Kerja yang dihasilkan dari ekspansi dengan pers. (4.4)

                                                                              Wexp = P2(V2 - V1)

Ketika kerja yang dihasilkan oleh kompresi sebesar

                                                                              Wcomb = P1(V1 - V2)

Rangkaian pengaruh kerja pada siklus adalah penjumlahan dari kedua persamaan di atas

                                     Wcy = P2(V2 - V1) + P1(V1 - V2) = (P2 - P1) - (V2 - V2)

Sejak V₂ – V₁ adalah positif, dan P₂ – P₁ adalah negatif, W_cy adalah negatif. Rangkaian kerja telah hilang dalam siklus ini. Sistem telah dikembalikan ke keadaan awal, tetapi lingkungannya belum; massa akan

lebih rendah di lingkungan setelah siklus ini.

Proses II. Pembatasan ekspansi multi tahap dengan P_op = p; kemudian pembatasan kompresi multi tahap dengan P_op = p.

Dengan pers. (4.5), kerja yang dihasilkan dalam ekspansi adalah

(Perubahan tanda dalam integral kedua dipengaruhi oleh pertukaran batas integral).

Jika perubahan dilakukan dengan metode kedua, sistem dikembalikan ke
keadaan awal, dan lingkungan juga dikembalikan ke kondisi awalnya, karena tidak ada pengaruh rangkaian kerja yang dihasilkan.

Misalkan suatu sistem mengalami perubahan keadaan melalui urutan tertentu dari keadaan intermediate dan kemudian dikembalikan ke keadaan semula dengan urutan yang sama melintasi keadaan dalam urutan terbalik. Kemudian jika lingkungan juga dikembalikan ke keadaan aslinya, perubahan ke arah sebaliknya adalah reversibel. Proses berhubungan adalah proses reversibel. Jika lingkungan tidak dikembalikan ke keadaan semula setelah siklus, perubahan dan proses adalah irreversibel.

 Jelaslah bahwa proses kedua yang baru saja dijelaskan adalah proses yang reversibel, sedangkan proses yang pertama adalah irreversibel. Terdapat karakteristik penting lain dari proses reversibel dan ireversibel. Dalam proses ireversibel yang baru saja dijelaskan, satu massa ditempatkan pada piston, penahan dilepaskan, dan piston di gerakkan ke atas dan berada di posisi akhir. Pada posisi tersebut, terjadi keseimbangan internal gas, arus konveksi ditetapkan, dan suhu berubah-ubah. Sebuah rentang waktu tertentu dibutuhkan gas untuk setimbang di bawah kondisi baru. Situasi yang sama berlaku pada kompresi irreversible. Sifat ini kontras dengan ekspansi reversibel yang pada setiap tahap tekanan berlawanan hanya berbeda sangat kecil dari tekanan kesetimbangan dalam sistem, dan volume meningkat sangat kecil. Dalam proses reversibel yang keseimbangan internal gas berubah sangat kecil dan di dalam batas tidak berubah sama sekali.

Oleh karena itu, pada setiap tahap dalam perubahan reversibel, sistem tidak berawal dari kesetimbangan oleh jumlah lebih dari jumlah yang sangat kecil.

Jelaslah, kita tidak bisa benar-benar melakukan perubahan reversibel. Suatu rentang waktu tak terbatas akan diperlukan jika peningkatan volume pada setiap tahap benar-benar sangat kecil. Proses reversibel bagaimanapun juga bukanlah proses nyata, tetapi proses ideal. Proses nyata selalu ireversibel. Dengan kesabaran dan keterampilan, reversibilitas dapat didekati, tetapi tidak dapat dicapai. proses reversibel sangat penting karena pengaruh kerja terkait dengan proses tersebut yang menggambarkan nilai maksimum atau minimum. Jadi limit ditetapkan pada kemampuan perubahan tertentu untuk menghasilkan kerja, dalam kenyataannya kita akan mendapatkan lebih sedikit, dan kita tidak boleh berharap untuk mendapatkan lebih banyak kerja yang dihasilklan.

Pada siklus isoterm yang dijelaskan di atas, kerja yang dihasilkan pada siklus irreversible bernilai negatif, yaitu kerja yang telah hilang. Ini merupakan karakteristik mendasar setiap perubahan ireversibel dan juga setiap perubahan siklus isotermal yang nyata. Jika sistem dikondisikan pada suhu konstan dan mengalami perubahan siklik oleh proses ireversibel (proses nyata), sejumlah kerja dihilangkan di lingkungannya. Hal ini sebenarnya pernyataan hukum kedua termodinamika. Pengaruh kerja terbesar akan dihasilkan dalam siklus isotermal reversibel, dan ini, sebagaimana telah kita lihat, W_cy=0. Oleh karena itu kita tidak dapat berharap untuk mendapatkan jumlah positif kerja di lingkungan
dari perubahan siklus sistem yang dikondisikan pada suhu konstan.

Pemeriksaan argumen yang disajikan di atas menunjukkan bahwa kesimpulan umum yang dicapai tidak bergantung pada fakta bahwa sistem dipilih untuk ilustrasi yang terdiri dari gas, kesimpulan adalah valid terlepas dari bagaimana sistem dibentuk. Oleh karena itu untuk menghitung kerja ekspansi yang dihasilkan dalam perubahan dari sistem apapun kita menggunakan pers. (4.4), dan untuk menghitung kerja yang dihasilkan dalam perubahan reversibel, kita menetapkan P_op = p dan menggunakan pers. (4.5).

Dengan modifikasi sesuai argumen, kesimpulan umum yang bisa dicapai ditampilkan dengan benar untuk setiap jenis kerja: kerja listrik, kerja yang dilakukan terhadap medan magnet, dan sebagainya. Untuk menghitung jumlah dari jenis lain dari kerja kita tidak akan menggunakan integral dari tekanan terhadap volume, melainkan integral dari gaya yang timbul dalam perpindahan.