BAB V - Termodinamika I

Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
1
BAB I
KONSEP DASAR
PENDAHULUAN
Thermodinamika mempelajari energi dan perubahannya.
ENERGI : Kemampuan untuk melakukan kerja atau perubahan.
Hk. I. Thermodinamika : kekekalan energi
Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan, hanya dapat berubah
bentuk
Hk. II. Thermodinamika : arah proses
Suatu proses hanya berlangsung pada arah tertentu.
DIMENSI DAN SATUAN
Dimensi : kuantitas fisik ,contoh : panjang, kecepatan, percepatan, waktu, suhu,
usaha, massa, dll.
Satuan : besarnya dimensi
Dimensi
International system
British
(SI)
System
massa (m )
kg
lbm
panjang (L)
m
ft
waktu (t)
s
s
gaya
N
lbf
Konversi
1 lbm = 0,454 kg
1 ft
= 0,3048 m
1N=1kg m /s2
1lbf =32,174 lbm
ft/s2
kerja
J
Btu
1 J = 1 Nm
1 Btu = 1,055 kJ
NOTE : Dalam menjumlah/mengurangkan dimensi harus sama.
Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
2
SYSTEM
Dalam thermodinamika merupakan daerah yang dipilih untuk diamati atau
ditinjau perubahan energinya.
surrounding
Boundary (lapis batas)
Heat transfer
Work
Mass
System
Medium ( fluida kerja)
Surrounding (lingkungan) : bagian di luar system
Boundary : batas antara system dan surrounding
• Fixed boundary (tetap)
contoh : gas dalam tangki rigid
• Movable boundary (bergerak)
contoh : silinder dan torak
Medium (working fluid) : materi yang menyerap/membuang/membawa energi
selama terjadi proses.
CLOSED SYSTEM (CONTROL MASS)
• Jumlah massa di dalam sistem tetap
• Tidak ada massa yang melintasi batas sistem (boundary)
• Ada perpindahan energi
OPEN SYSTEM (CONTROL VOLUME)
• Ada perpindahan massa
• Ada perpindahan energi
• Massa dan energi melewati suatu boundary yang disebut “control surface”.
Energi
Sistem
Massa
konstan
X
X
massa
boundary
Control surface
massa
Sistem
Massa
energi
Energi
Closed system
Open system
Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
3
BENTUK-BENTUK ENERGI
Total energi (E) suatu sistem merupakan jumlah dari energi thermal, mekanis,
kinetis, potensial, elektrik, magnetik, kimia dan nuklir.
Di dalam thermodinamika yang dipelajari adalah besarnya perubahan dari satu
bentuk energi ke bentuk lainnya, bukan menghitung jumlah anergi dari suatu
sistem.
Bentuk energi dibagi menjadi dua kelompok :
1. Energi Makroskopik : berhubungan dengan gerak dan pengaruh luar seperti
gravitasi, magnetik, elektrik, tegangan permukaan.
Energi Kinetik : energi yang dimiliki sistem karena adanya gerak/kecepatan.
m v2
KE =
(kJ)
2
; ke =
v2
(kJ / kg)
2
Energi Potensial : Energi yang dimilik sistem karena kedudukkannya.
PE = m g z (kJ)
; pe = g z (kJ / kg)
Pengaruh medan magnet, elektrik, tegangan permukaan diabaikan karena
relatif kecil..
2. Energi Mikroskopik : Berhubungan dengan struktur molekul dan derajat
aktivitas molekul. Jumlah total energi mikroskopik disebut energi dalam
(internal energy) , dengan simbol U.
Energi Sensibel : berhubungan dengan energi kinetik dan gerakan (translasi,
rotasi, vibrasi) molekul sistem.
Energi Latent : berhubungan dengan fasa dari sistem, mencair, menguap dll.
Energi Kimia : berhubungan dengan ikatan atm-atom dalam sistem.
Dengan demikian energi total suatu sistem hanya dipengaruhi oleh energi kinetik,
energi potensial dan energi dalam.
m v2
E = U + PE + KE = U +
+ m g z (kJ)
2
Energi dengan basis massa
e = u + pe + ke = u +
v2
+ g z (kJ / kg)
2
Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
4
Closed sistem sering dianggap stationary system (sistem statis) jika pengaruh
perubahan energi kinetik dan energi potensial diabaikan sehingga ΔE=ΔU .
PROPERTY
Merupakan karakteristik (watak) dari sistem.
• Intensive property : tak tergantung massa/besarnya sistem mis. : suhu, tekanan.
• Extensive property : tergantung massa/ukuran sistem mis. : volume.
• Specific property : Adalah extensive property tiap satu satuan massa misal
Volume jenis.
Untuk memudahkan adalah dengan cara sistem dibagi menjadi dua, intensive
property besarnya tetap sedangkan extensive property menjadi setengahnya.
m, V, E, T, P
⇒
½ m, ½ V, ½E, T, P
½ m, ½ V, ½E, T, P
STATE DAN KESETIMBANGAN
State : Keadaan sistem yang sudah tidak berubah sehingga dapat diketahui
propertynya, merupakan kondisi sistem.
Sistem dikatakan setimbang jika sistem tidak berubah ketika diisolasi dari
lingkunganya..
Kesetimbangan thermodinamis meliputi :
• Kesetimbangan mekanis
• Kesetimbangan thermal
• Kesetimbangan fasa
• Kesetimbangan kimia
PROSES DAN SIKLUS
Proses : adalah
perubahan/perpindahan dari suatu kesetimbangan menuju ke
kesetimbangan yang lain.
Lintasan : merupakan rangkaian “state” yang dilalui oleh proses.
Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
5
Siklus : adalah suatu proses di mana “state” awal dan “state” akhirnya berimpit.
P
Proses B
2
Proses A
B
1
A
Siklus 1-2-1
A
V
Proses Quasi Statik / Quasi Equilibrium
• Proses dianggap selalu dalam keadaan setimbang pada tiap titik di dalam
lintasan.
• Proses berjalan sangat lambat.
• merupakan idealisasi dari suatu proses untuk memudahkan analisis, yang
diperlukan hanya state awal (initial state) dan state akhir (final state).
Dalil Keadaan(The State Postulate)
The state of a simple, compressible system is completely specified by two
independent, intensive properties.
Keadaan dari suatu sistem sederhana yang mampu mampat dapat dinyatakan
dengan dua “intensive properties” yang tidak saling bergantungan (bebas)
TEKANAN
Tekanan merupakan besaran gaya per satuan luas. Dalam hal ini hanya
dibicarakan tekanan pada fluida (gas dan cairan).
Pada fluida diam, tekanan pada setiap titik adalah sama untuk arah horisontal.
Tekanan akan bertambah jika semakin dalam. Hal ini disebabkan adanya berat
fluida di atasnya ( efek gravitasi).
Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
6
Satuan tekanan:
=
1 N/m2
1 Psi
1 bar =
105 Pa
1 atm =
1 atm =
101325 Pa
1 Pa
=
1 lbf/in2
14,696 psi
Cara menyatakan tekanan:
• Tekanan absolut (Pabs)
• Tekanan terukur/relatif
• Tekanan pengukuran (Pgage) : untuk tekanan di atas tekanan atmosfir.
Pgage = Pabs - Patm
• Tekanan vakum (Pvac) : untuk tekanan di bawah tekanan atmosfir.
Pvac = Patm - Pabs
Skala
Tekanan
Tekanan di atas tekanan atmosfir
Pabs
Pgag
e
Tekanan atmosfir
:
Pvac
Patm
Tekanan di bawah
tekanan atmosfir
Pabs
Nol absolut
Pada alat pengukur tekanan dikalibrasi sehingga tekanan nol setara dengan
tekanan atmosfir.
Untuk perhitungan digunakan tekanan absolut.
Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
7
Manometer
Digunakan untuk mengukur selisih tekanan.
Tekanan di setiap titik dalam tangki adalah sama.
P1 = P3
A x P1 = A x P2 + W
W=m.g= ρAh.g
}
P1 = P2 + ρ g h
Δ P = P1 - P2 = ρ g h
Barometer
Digunakan untuk mengukur tekanan atmosfir.
Patm = ρ g h
Standard :
• mercury (Hg)
• ρHg = 13595 kg/m3
• g = 9,807 m/s2
• 1 atm = 760 mm Hg
TEMPERATUR
Hukum ke ‘0’ thermodinamika menyatakan bahwa jika benda A berada dalam
kesetimbangan thermal dengan benda B dan benda A berada dalam
kesetimbangan thermal dengan benda C maka benda B berada dalam
kesetimbangan thermal dengan benda C.
Yosef Agung Cahyanta : Termodinamika I
8
Jika :
C
B
TA = TB
TA = TC
maka
A
TB = TC
Hal tersebut menjadi dasar dari thermometer.
Skala suhu :
SI
British
Suhu
Celcius ( oC )
Fahrenheit ( oF )
Suhu absolut
Kelvin ( K )
Rankine ( R )
Konversi
T (oK) = T (oC) + 273,15
T (oR) = T (oF) +459,67
T (oF) = 1,8 T (oC) + 32
T (oR) = 1,8 T (oK)
o
C
K
o
F
R
100
373,15
212
671,67
0
273,15
32
491,69
Titik didih air pada
tekanan 1 atm
Triple point of water
- 273,15
0
- 459,67
0 nol absolut