thermodinamika - ydhermawan

THERMODINAMIKA
Oleh:
Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan
http://ydhermawan.wordpress.com/
PROGRAM STUDI TEKNIK PERMINYAKAN
FAKULTAS TEKNOLOGI MINERAL
UPN “VETERAN” YOGYAKARTA
Thermo / I / 1
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
THERMODINAMIKA
Materi:
1. Pendahuluan
2. Konsep-Konsep Dasar Termodinamika
3. Zat Murni
4. Gas Sempurna (Perfect Gas)
5. Proses Reversible & Irreversible
Pustaka:
1. Eastop, T.D. & McConkey, M., (1982) “Applied
Thermodynamics
For
Engineering
Technologists”,
Longman, London, New York.
2. Kyle,
B.G.,
(1992),
“Chemical
and
Process
Thermodynamics”, Prentice-Hall of India, New Delhi.
Thermo / I / 2
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
TUJUAN INSTRUKSIONAL UMUM
Mahasiswa dapat mengerti/memahami bahwa termodinamika
adalah
ilmu
pengetahuan
yang
berkaitan
dengan
pembangkitan panas (heat generation), aliran panas (heat
flow), dan hubungan antara panas dan bentuk energi lainnya
(seperti energi kimia, energi mekanik, dan energi listrik).
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Thermo / I / 3
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Some application areas of thermodynamics.
Thermo / I / 4
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
I PENDAHULUAN
Tujuan Instruksional Khusus:
Mhs mampu menjelaskan tentang:
1.1. Istilah-Istilah (Terminologies) Termodinamika
1.2. Variabel-Variabel dan Kuantitas-Kuantitas Termodinamika
1.3. Keadaan Fluida Kerja (Working Fluid)
1.4. Reversibilitas (Reversibility)
Thermo / I / 5
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
1.1. Istilah-Istilah (Terminologies) Termodinamika
Sistem (System): Bagian dari
suatu benda atau ruang yang
akan dipelajari atau dianalisis.
Sistem mungkin berada dalam
batasan nyata ataupun imaginer.
Keadaan (State): menunjukkan
keberadaan kondisi sistem
Lingkungan (Surrounding):
Daerah di luar sistim
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
BAB I Pendahuluan
Thermo / I / 6
YDH – THERMODINAMIKA – 2
Sistem Tertutup (Closed System): Sistem yang TIDAK
memindahkan atau menukarkan massa ke lingkungan (massa
tetap), tapi mungkin panas dan kerja dapat melintas batas
sistem.
LINGKUNGAN
Batas
(Boundary)
SISTEM
m = tetap
Heat or Work
Exchange
NO MASS
Exchange
Sistem Terbuka (Open System) : Sistem yang DAPAT
memindahkan atau menukarkan massa, panas, dan kerja ke
lingkungan
LINGKUNGAN
MASS
Exchange
Batas
(Boundary)
SISTEM
Heat or Work
Exchange
Thermo / I / 7
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Sistim Terisolasi (Isolated System) : Sistem yang TIDAK
DAPAT memindahkan atau menukarkan massa, panas, dan
kerja ke lingkungan.
Sistem Isotermal (Isothermal System) : Jika proses yang
terjadi pada sistem (open or closed system) berlangsung pada
suhu konstan.
Sistem Adiabatis (Adiabatic System) : Jika proses yang
terjadi pada sistem (open or closed system) tanpa pertukaran
panas dengan lingkungan.
Thermo / I / 8
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
1.2. Sifat (Property) Sistem
Sifat yang dimiliki sistem; contohnya: tekanan, suhu, volume,
massa
Sifat
Ekstensif
(Extensive
Property):
Sifat
yang
TERGANTUNG pada ukuran sistem; contoh: volume, massa,
energi total.
Sifat Intensif (Intensive Property): sifat yang TIDAK
TERGANTUNG pada ukuran sistem; contoh: suhu, tekanan,
densitas atau volume spesifik.
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
BAB I Pendahuluan
Thermo / I / 9
YDH – THERMODINAMIKA – 3
Jika sistem homogen, sifat ekstensif dapat diubah menjadi sifat
intensif dengan cara
P roperti Intensif =
P roperti Ekstensif
≡ P roperti Spesifik
Kuantitas Total Sistem
Misal:
Volume
≡ Specific Volume
mass
Energy
≡ Specific Energy
mass
Thermo / I / 10
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Suhu: ukuran numerik dari derajat panas (degree of hotness)
T
( F ) − 32 = 9
T ( C)
5
O
O
⇒ T
( F ) = 1,8 T ( C ) + 32
O
O
Suhu Absolut :
Æ SI (Kelvin) : T (K) = T(oC) + 273,15
≅ T(oC) + 273
Æ British (Rankine) : T (R) = T(oF) + 459,67
≅ T(oC) + 460
Thermo / I / 11
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Comparison of
temperature scales.
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
BAB I Pendahuluan
Thermo / I / 12
YDH – THERMODINAMIKA – 4
Pressure:
Æ didefinisikan sebagai Gaya per satuan Luas.
Æ dapat diukur dengan Manometer atau Bourdon Gauge
Æ SI : N/m2 = Pascal = Pa; 1 bar = 105 Pa; 1 atm = 1.01325 bar
Æ Tekanan di bawah atmospheric Æ Tekanan Vakum
Æ Jika pipa U berisi cairan (misalnya, air atau merkuri)
1 mm H 2O =
1 mm Hg =
N
N
1
x 9806.65 2 = 9.81 2 (dimana, 1 m3 H2O beratnya 9810 N)
3
m
m
10
1
N
N
x 13.6 x 9806.65 2 = 133.4 2
103
m
m
Surrounding
Perfect
Vacuum
SYSTEM
Surrounding
Vacuum
Pressure
Manometer
Atmospheric
Pressure
Barometer
Thermo / I / 13
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Absolute, gage, and vacuum pressures.
Thermo / I / 14
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
The pressure is the same at all points on a horizontal plane in a given fluid
regardless of geometry, provided that the points are interconnected by the
same fluid.
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
BAB I Pendahuluan
Thermo / I / 15
YDH – THERMODINAMIKA – 5
Kerja (Work):
Produk dari sebuah gaya (Force) dan jarak perpindahannya
dW = F dL ⇒ W = ∫ F dL
Satuan Æ N.m = Joule = J
Dalam termodinamika teknik, kerja dapat terjadi akibat dari
ekspansi atau kontraksi fluida
Surrounding
⎛ dV ⎞
W = FdL = PA⎜
⎟ = P dV
⎝ A ⎠
Piston
System
(gas)
W = ∫ P dV
Well-insulated
P dan T sistem naik, energi intrinsik naik, karena sistem
terinsulasi dengan baik, panas tidak dapat mengalir dari atau ke
sistim. Kerja yang dilakukan oleh piston menyebabkan
naiknya energi intrinsik gas.
Thermo / I / 16
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Heat flow
Heat flow
Heat flow
System
Heat flow
Pada sistem tanpa insulasi, tidak ada kerja yang dilakukan atau
yang diberikan sistem, tapi P dan T gas naik karena sistem
menerima panas, sehingga energi intrinsik gas naik. Naiknya
energi intrinsik gas ini disebabkan oleh panas yang
ditambahkan ke sistem.
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Thermo / I / 17
Panas (Heat)
• Seperti suhu, panas (heat) adalah sesuatu yang tampaknya
sudah dikenal baik (familiar) tapi sulit untuk didefinisikan.
• Seperti kerja, panas akan mempunyai arti jika terjadi perubahan
pada sistem.
• Panas dinyatakan dengan Joule (J) atau kalori
• Jika dua sistem mempunyai suhu yang berbeda (T1>T2) saling
berkontak,
maka ke-dua sistem akan mencapai suhu yang
sama, dengan kata lain panas mengalir (berpindah) dari sistem
yang lebih panas (T1) ke sisitem yang lebih dingin (T2).
Hot milk
(T1)
Cold water
(T2)
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
BAB I Pendahuluan
Perpindahan panas dari Sistem-1
(hot milk) ke Sistem-2 (cold
water) sampai kedua sistem
mencapai suhu yang sama.
Thermo / I / 18
YDH – THERMODINAMIKA – 6
Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.
Sulfuric acid and
nitric acid are formed
when sulfur oxides
and nitric oxides
react with water
vapor and other
chemicals high in the
atmosphere in the
presence of sunlight.
Thermo / I / 19
1-10 Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
1.3. Keadaan Fluida Kerja (Working Fluid)
• Fluida: zat yang dapat mengalir/berpindah dari satu tempat ke
tempat lain, misalnya zat cair, uap atau gas Æ working fluid
• Sifat termodinamika: tekanan, suhu, volume spesifik, energi
internal, entalpi dan entropi. Namun, untuk fluida kerja
murni,
hanya
diperlukan
dua
sifat
(property)
untuk
mendefinisikan/menyatakan fluida kerja tersebut secara
lengkap Æ Diagram
Thermo / I / 20
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Contoh: fluida di dalam silinder pada P1 dan v1 (state-1 pada
diagram P vs v), jika piston berpindah, keadaan fluida juga
berubah pada P2 dan v2 (state-2). Karena keadaan (state) telah
didefinisikan, suhu (T) dapat ditemukan dan titiknya dapat diplot
seperti pada diagram P vs T dan T vs v.
P
P
1
2
T
1
1
2
2
T
v
P vs v
P vs T
v
T vs v
Diagram termodinamika penting:
P-v diagram, T-S diagram, H-S-P diagram
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
BAB I Pendahuluan
Thermo / I / 21
YDH – THERMODINAMIKA – 7
1.4. Reversibilitas (Reversibility)
Ketika sistem mengalami perubahan keadaan, titik-titik keadaan
(state points) yang dilalui oleh sistem dapat diplotkan ke dalam
diagram.
Reversibilitas (Reversibility): jika fluida mengalami proses
reversible, maka baik fluida maupun lingkungannya dapat selalu
dikembalikan ke keadaan semula.
Surrounding
Well-insulated
Piston
System
(gas)
Proses reversible antara
dua
keadaan
dapat
digambarkan
sebagai
sebuah alur/pola kontinyu
pada diagram P versus v
disamping.
P
1
2
P vs v
v
v
Thermo / I / 22
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
P
1
2
P vs v
v
v
Kenyataannya, fluida dalam sebuah proses tidak dapat dijaga
pada keadaan setimbang sehingga alur kontinyu tidak dapat
dirunut pada sebuah diagram, sehingga proses nyata ini
kemudian disebut sebagai proses irreversible. Prosess
irreversible biasanya diilustrasikan dengan garis putus-putus
yang menunjukkan bahwa kondisi tengah (intermediate) tidak
dapat ditentukan.
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
Thermo / I / 23
Kriteria-kriteria reversibility
1. Proses harus tidak ada gesekan, fluida tidak mempunyai friksi
internal (internal friction) dan tidak ada friksi mekanik
(mechanical friction); contohnya: antara silinder dan piston.
2. Perbedaan tekanan antara fluida dan lingkungannya selama
proses kecil sekali. Hal ini berarti, proses harus berlangsung
sangat lambat, karena gaya untuk mempercepat sistim mencapai
batas akhir sangat kecil.
3. Perbedaan suhu antara fluida dan lingkungannya selama proses
sangat kecil. Hal ini berarti, panas yang diberikan atau ditolak ke
atau dari fluidanya harus ditransfer dengan sangat pelan
Oleh karena itu, dari kriteria-kriteria di atas, jelas bahwa tidak ada proses dalam
kenyataan yang benar-benar reversible. Akan tetapi, dalam beberapa proses
nyata sering digunakan pendekatan proses reversible.
Dr. Eng. Y. Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY
BAB I Pendahuluan
Thermo / I / 24
YDH – THERMODINAMIKA – 8