BAB 1 KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

TERMODINAMIKA adalah satu sains yang
mempelajari tentang penyimpanan
(storage), pengubahan (transformation),
dan pemindahan (transfer) energi
FORMS OF ENERGY
STORED ENERGY
ENERGY IN TRANSIT
Internal Energy (U)
Heat (Q)
Kinetic Energy (EK)
Work (W)
Potential Energy (EP)
Chemical Energy
Dalam termodinamika, kita akan
menyusun persamaan matematis yang
menghubungkan transformasi dan
transfer energi dengan variabelvariabel makroskopis, seperti
temperatur, volume, dan tekanan,
yang menggambarkan sistem
termodinamis.
Hukum-hukum Termodinamika
Hukum-hukum Termodiamika:
1. Hukum ke-0
: mendefinisikan temperatur (T)
2. Hukuj ke-1
: mendefinisikan energi (U)
3. Hukum ke-2
: mendefinisikan entropy (S)
4. Hukum ke-3
: mendefinisikan nilai S pada 0 K
SISTEM TERMODINAMIS
SEKELILING
SISTEM
BOUNDARY
Sistem termodinamis
adalah bagian dari semesta
yang menjadi perhatian /
sekumpulan senyawa yang
terdiri dari partikel-partikel
atom dan molekul
SISTEM
TERISOLASI
Transfer massa
Transfer panas
dan/atau kerja
TERTUTUP
TERBUKA
TERISOLASI
Tidak ada
TERTUTUP
Tidak ada
TERBUKA
Ada
Tidak ada
Ada
Ada
CONTROL VOLUME
Control volume adalah
suatu volume di ruangan
dimana suatu material
mengalir masuk ataupun
keluar.
Permukaan yang
melingkupi
control volume
disebut
control surface
DESKRIPSI MAKROSKOPIS
Dalam Termodinamika Teknik, dipostulatkan bahwa
material yang berada dalam control volume
merupakan suatu continuum; maksudnya adalah
bahwa benda tersebut terdistribusi secara kontinyu
di seluruh daerah yang dimaksud.
Dengan adanya postulat tersebut dimungkinkan
untuk menggambarkan suatu sistem atau control
volume dengan menggunakan hanya beberapa
sifat-sifat makroskopis yang dapat diukur.
Kita tinjau satu besaran yaitu density:
Δm
  lim
ΔV  0 ΔV
m adalah massa yang
berada dalam V.
Seberapa kecil nilai 0?
Nilai “0” tersebut tidak boleh betul-betul = 0, karena
jika demikian m akan bervariasi dari satu control
volume ke control volume lainnya.
PROPERTY DAN KEADAAN SISTEM
SISTEM
HOMOGEN
 Minuman kopi
 Udara
HETEROGEN
 Air teh + es
Fasa adalah sejumlah material yang
o Memiliki komposisi seragam/homogen
o Dapat dibedakan secara fisik
o Dapat dipisahkan secara mekanik
Contoh sistem satu fasa ( = 1):
o Air murni
o Udara (N2, O2, Ar, CO2)
Contoh sistem 2 fasa:
o Es dalam air
o Susu (butiran lemak dalam larutan air)
13
Property adalah besaran yang digunakan untuk
menggambarkan suatu sistem.
State/keadaan suatu sistem adalah kondisi dari
sistem tersebut sebagaimana dinyatakan dengan
nilai dari property-nya pada suatu saat tertentu.
Property yang umum digunakan untuk menggambarkan suatu sistem adalah tekanan (P),
temperatur (T), volume (V), jumlah mol (ni),
massa (m), kecepatan (u), dan posisi.
Property memiliki nilai unik apabila suatu sistem
berada dalam keadaan tertentu, dan nilainya tidak
tergantung pada jalannya proses, hanya tergantung
pada keadaan awal dan keadaan akhir dari sistem.
Secara matematis:
2
 d  2  1
1
diferensial
eksak
Perubahan property ketika sistem
berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2
PROPERTY
EKSTENSIF
n
Vt
INTENSIF
(vol. spesifik)
Vt
V
m
(vol. molar)
Vt
V
n
KESEIMBANGAN TERMODINAMIK: PROSES
Keseimbangan adalah suatu keadaan yang statis,
tidak ada perubahan, bahkan tidak ada kecenderungan untuk berubah.
Suatu sistem berada dalam keseimbangan termodinamik apabila property-nya (T dan P) konstan dari
satu titik ke titik lainnya dan tidak ada kecenderungan untuk berubah dengan waktu.
Apabila temperatur sebagian boundary dari sistem
tiba-tiba naik, maka akan terjadi redistribusi
spontan sampai semua bagian sistem memiliki
temperatur yang sama.
Ketika suatu sistem berubah dari satu keadaan
keseimbangan ke keadaan keseimbangan lainnya,
maka lintasan yang dilalui sistem tersebut
dinamakan
proses.
Jika dalam perjalanannya dari satu keadaan ke
keadaan lainnya, sistem melewati keadaan yang
hanya sedikit sekali (infinitisimal) menyimpang dari
keseimbangan, maka dikatakan bahwa sistem
mengalami proses quasiequilibrium, dan setiap
keadaan dalam tahapan proses tersebut dapat
dianggap sebagai keadaan keseimbangan.
Proses kompresi dan ekspansi gas dalam internal
combustion engine dapat didekati dengan proses
quasiequilibrium.
19
Apakah suatu proses dapat dianggap sebagai
quasiequilibrium atau nonequilibrium ditentukan
oleh bagaimana proses tersebut dijalankan.
nonequilibrium
quasiequilibrium
20
Jika suatu sistem yang semula berada dalam keadaan
tertentu mengalami serangkaian proses quasiequilibrium dan kembali lagi ke keadaan semula,
maka dikatakan bahwa sistem tersbut mengalami
proses siklis.
Isokoris/
isometris
isotermal
isobaris
21
SATUAN
Besaran
Panjang
Massa
Waktu
Luas
Volume spesifik
Kecepatan
Percepatan
Gaya, Berat
Simbol
L
m
t
A
V
u
a
F, W
Satuan Satuan Inggris
SI
m
ft
kg
lbm
s
s
m2
ft2
m3/kg
ft3
m/s
ft/s
m/s2
ft/s2
N
lbf
Besaran
Gaya, Berat
Density
Tekanan
Kerja, Energi
Transfer panas
Panas spesifik
Enthalpy spesifik
Simbol
F, W

P
W, E, U
Q
C
H
Satuan SI Satuan Inggris
N
lbf
kg/m3
lbm/ft3
kPa
lbf/ft2
J
ft-lbf
J
Btu
kJ/(kg K) Btu/(lbm R)
kJ/(kg K) Btu/(lbm R)
JUMLAH/UKURAN
Massa
(m)
Jumlah mol
(n)
m
n
M
Volume total
(Vt)
TEKANAN
F
P
A
F = W = mg
D
P1
F = W = mg
P1 < P2
d
P2
Molecular Definition of Pressure
 From the kinetic theory of gases, a gas is composed
of a large number of molecules that are very small
relative to the distance between molecules.
 The molecules of a gas are in constant, random
motion and frequently collide with each other and
with the walls of any container.
 The molecules possess the physical properties of
mass, momentum, and energy.
 The momentum of a single molecule is the product
of its mass and velocity, while the kinetic energy is
one half the mass times the square of the velocity.
27
 As the gas molecules collide with the walls of a
container, as shown on the left of the figure, the
molecules impart momentum to the walls,
producing a force perpendicular to the wall.
 The sum of the forces of all the molecules striking
the wall divided by the area of the wall is defined
to be the pressure.
 The pressure of a gas is then a measure of the
average linear momentum of the moving molecules
of a gas.
 The pressure acts perpendicular (normal) to the
wall.
28
TEKANAN GAS DALAM SILINDER
P
F mg

A
A
TEKANAN STATIS DALAM FLUIDA
Dasar sebuah kolom mengalami
tekanan:
Volume fluida = V = Ah
Berat fluida = gV = gAh
W  gAh
Tekanan = P  
A
A
P   gh
P adalah tekanan yang disebabkan oleh berat fluida
Pudara
Jika di atas permukaan fluida ada
tekanan yang bekerja, yaitu
tekanan udara (Pudara), maka
tekanan total di dasar kolom
h
P
yang disebut juga tekanan statis
fluida adalah:
P = gh + Pudara
TEMPERATUR
 Temperature (sometimes called thermodynamic
temperature) is a measure of the average kinetic
energy of a systems particles.
 Temperature is the degree of "hotness" (or
"coldness"), a measure of the heat intensity.
 Galileo developed the first instrument to
measure temperature; it was refined and
calibrated by later scientists.
 The Fahrenheit, Celsius, and Kelvin scales are
three different systems for measuring heat
energy (temperature) based on different
references.
33
SKALA TEMPERATUR RELATIF
CELCIUS
1742
FAHRENHEIT
(1724)
Titik beku air = 0C
Titik beku air = 32F
Titik didih air = 100C
Titik didih air = 212F
5
tC  tF  32
9
9
tF  tC  32
5
34
TERMOMETER
 Dasar
: Teori Gas Ideal (Hukum Boyle)
lim PV   konstan  f t 
P 0
 Zat kerja: gas
 Property:
lim PV 
P 0
 Titik acuan:
o
Titik didih air (100C)
o
Titik beku air (0C)
 Interpretasi
: linier
35
f(t)
PV < 0
(tidak mungkin)




f(t) = 0
PV = 0
0
Temperatur
absolut terendah
= – 273,15C
100
t (C)
SKALA TEMPERATUR ABSOLUT
KELVIN
RANKINE
TK  tC  273,15
TR  tF  459,67
37
KESAMAAN TEMPERATUR
(HUKUM KE-0 TERMODINAMIKA)
Keseimbangan
termal
Hukum ke-0 Termodinamika:
Jika ada dua sistem beradan dalam keseimbangan
termal dengan sistem ketiga, maka ketiganya
berada dalam keseimbangan termal.
ENERGI
mu2

2
ENERGI KINETIK (EK)
EK
ENERGI POTENSIAL (EP)
E P  mgh
HUKUM KEKEKALAN ENERGI
E K  E P  0
KERJA/WORK (W)
W  F dl
(1)
F
Gaya yang dikenakan
oleh piston terhadap
fluida dalam silinder:
dl
F=PA
Pergeseran piston:
Vt 
dV t
dl 
 d  
A
 A
(1.a)
40
F searah dengan pergeseran
piston (dl)  menurut pers.
(1) W positif.
F
Volume gas dalam silinder
mengecil  dVt negatif.
dl
penggabungan pers. (1)
dan (1.a) menghasilkan:
Vt 
W   P A d  
 A
41
Karena A konstan maka:
W   P dV t
(2)
V2t
W    P dV t
(3)
V1t
42
PANAS (HEAT)
43
Transfer energi
44
44
Energi ditransfer dalam bentuk kerja:
tumbukan antar partikel
Secara makroskopis tak teramati
Harus ada satu besaran makroskopis yang
mewakili transfer energi dalam skala mikroskopis
TEMPERATUR
45