Thermodinamika Teknik
Konsep dasar Thermodinamika
Thermodinamika dapat diartikan sebagai berikut: Thermo: panas,
Dinamika: perubahan. Jadi thermodinamika adalah ilmu tentang
energy, yang secara specific membahas tentang hubungan anatara
energy panas dan kerja atau mengenai perubahan panas.
Ilmu termodinamika mempelajari interaksi energy antara system
dengan lingkungan/sekeliling. Interaksi dapat berupa panas (heat)
dan kerja (work). Thermodinamika mempelajari hubungan antara panas,
kerja dan energy serta perubahan-perubahan yang diakibatkannya
terhadap system. Sistem kesetimbangan dalam thermodinamika
adalah:1) Kesetimbangan termal2) Kesetimbangan mekanik 3)
Kesetimbangan material
System adalah bagian dari alam semesta yg kita amati atau yang
dipelajari. System juga dapat diartikan sebagau objek yang
dianalisi. System termodinamika adalah segala sesuatu yang ingin
dipelajari dan segala masa atau daerah. Ada tiga jenis sistem
berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan
lingkungan: sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda
atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah
wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi. sistem tertutup:
terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi
pertukaran benda dengan lingkungan.Rumah hijauadalah contoh dari
sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak
terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem
terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya
dipertimbangkanh sebagai sifat pembatasnya: pembatas adiabatik:
tidak memperbolehkan pertukaran panas. pembatasrigid: tidak
memperbolehkan pertukaran kerja. sistem terbuka: terjadi pertukaran
energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah
pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut
permeabel.Samudramerupakan contoh dari sistem terbuka.
Prinsip termodinamika adalah prinsip konservasi atau kekalan
energy yang telah terjadi secara alami dalam kehidupan sehari-hari.
Bumi setiap hari menerima energi gelombang elektromagnetik dari
matahari, dan dibumi energi tersebut berubah menjadi energi panas,
energi angin, gelombang laut, proses pertumbuhan berbagai
tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam lainnya.
Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun udara merupakan
contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang
merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber perpindahan
diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa. Pabrik-pabrik
dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh mesin
pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi
panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan
mesinairconditioning, mesin pemanas, danrefrigeratorsyang
menggunakan prinsip dasar thermodinamika. Variable intesif adalah
variable termodinamika yang tidak tergantung pada jumlah materi.
Contoh: temperature, tekanan, massa jenis, titik didih, pH, indeks
bias, panas spesifik dan kekentalan.
Variable ekstensif adalah variable termodinamika yang tergantung
pada jumlah materi. Contoh: massa, volume, energy dalam, entalpi,
dan entropi.
Proses termodinamika adalah proses yang menyebabkan keadaan
system berubah. Mesiin adalah berguna untuk meringanlan atau
membantu pekerjaan manusia.
Isobaris adalah tekanan constant. Isotermis adlah tidak ada
perubahan temperature system. Tidak ada pertukaran panas dari
system dengan lingkungan.
Sifat-Sifat Zat Murni
PengertianZat murni adalah zat yang mempunyai komposisi kimia
yang tetap, misalnya: air, nitrogen, helium dan CO2. Zat murni bias
terdiri dari satu elemen kimia (N2) maupun campuran (udara).
Campuran dari beberapa fase zat murni adalah zat murni, contohnya
campuran air dan uap air. Tetap campuran dari udara cair dan gas
bukan zat murni karena susunan kimianya berubah atau berbeda.
Faze dari zat murniDiidentifikasi berdasarkan susunan
molekulnya. Solid (padat) : jarak antar molekul sangat dekat
sehingga gaya tarik antar molekul sangat kuat, maka bentuknya
tetap. Gaya tarik antara molekul-molekul cenderung untuk
mempertahankannya pada jarak yang relatif konstan.Pada temperatur
tinggi molekul melawan gaya antar molekul dan terpencar. Liquid
(cair) : Susunan molekul mirip dengan zat padat , tetapi terhadap
yang lain sudah tidak tetap lagi. Sekumpulan molekul akan
mengambang satu sama lain. Gas : Jarak antar molekul berjauhan dan
susunannya acak. Molekul bergerak secara acak.
Perubahan faza dari zat murni Semua zat murni mempunyai kelakuan
umum yang sama. Sebagai contoh air (water). State 1 : Pada state
ini disebut compressed liquid atau subcooled liquid. Pada state ini
penambahan panas hanya akan menaikkan temperatur tetapi belum
menyebabkan terjadi penguapan (not about to vaporize) State 2 :
Disebut saturated liquid (cairan jenuh). Pada state ini fluida
tepat akan berubah fasenya. Penambahan panas sedikit saja akan
menyebabkan terjadi penguapan (about to vaporize). Akan mengalami
sedikit penambahan volume. State 3 : Disebut Saturated liquid -
vapor mixture (campuran uap - cairan jenuh). Pada keadaan ini uap
dan cairan jenuh berada dalam kesetimbangan. Penambahan panas tidak
akan menaikkan temperatur tetapi hanya menambah jumlah penguapan.
State 4 : Campuran tepat berubah jadi uap seluruhnya, disebut
saturated vapor (uap jenuh). Pada keadaan ini pengurangan panas
akan menyebabkan terjadi pengembunan (about to condense). State 5 :
Disebut superheated vapor (uap panas lanjut). Penambahan panas akan
menyebabkan kenaikkan suhu dan volume.
Gambar, Pemanasan Air pada tekanan konstan.
Gambar Diagram T-v proses perubahan fase air pada tekanan
konstanProses 1-2-3-4-5 adalah pemanasan pada tekanan konstanProses
5-4-3-2-1 adalah pendinginan pada tekanan konstan
PROPERTY DIAGRAM ( DIAGRAM SIFAT)Diagram T - v Gambar . Diagram
T- v perubahan fase zat murni (air) pada berbagai variasi
tekanan.
Dari gambar dapat dilihat bahwa semakin tinggi tekanan air maka
semakin tinggi pula titik didihnya. Tsat merupakan fungsi dari Psat
,(Tsat = f Psat). Tsat = Saturation temperature , temperatur saat
zat murni berubah phase pada tekanan tertentu. Psat = Saturation
pressure, tekanan saat zat murni berubah phase pada temperatur
tertentu. Garis yang menghubungkan keadaan cair jenuh dan uap jenuh
akan semakin pendek jika tekanannya makin besar. Pada tekanan
tertentu (22,09 MPa) keadaan cair jenuh dan uap jenuh berada pada
satu titik. Titik ini disebut titik kritis (critical point). Untuk
air (water) : T cr = 374,14oC ; Pcr = 22,09 MPa. ; vcr = 0,003155
m3/kg. Jika titik-titik pada keadaan cair jenuh dihubungkan maka
diperoleh garis cair jenuh. Jika titik-titik pada keadaan uap jenuh
dihubungkan maka diperoleh garis uap jenuh. Kedua garis ini bertemu
di titik kritis.
Gambar Diagram T-v zat murni.
Di atas titik tekanan kritis proses perubahan dari cair menjadi
uap tidak lagi terlihat jelas/nyata. Terjadi perubahan secara
spontan dari cair menjadi uap.
Diagram P-v
Bentuk dari diagram P-v mirip dengan diagram T- v. Pada diagram
P-v garis temperatur konstan mempunyai trend menurun sedangkan pada
diagram T-v garis tekanan konstan mempunyai trend menaik. Diagram
P-v dan P-T fase padat, cair dan gas mengecil sewaktu membeku
Kebanyakan zat murni akan menyusut saat membeku.
Gambar Diagram P- v zat murni yang menyusut saat membeku
Mengembang sewaktu membeku
Gambar Diagram P- v zat murni yang mengembang saat membeku
(contohnya adalah air)
Campuran uap dan cairan jenuh (saturated liquid vapor
mixture)Pada proses penguapan zat cair dan uap berada pada
kesetimbangan atau zat berada pada fase cair dan fase uap secara
bersama-sama. Untuk melakukan analisa pada fase ini dimunculkan
suatu besaran yang disebut kualitas uap (fraksi uap).
Gambar Campuran cair jenuh dan uap
Sifat-sifat termodinamika suatu campuran cair jenuh dan uap
dengan kualitas X : u = u av= u f+ X ufg h = h av= h f+ X hfg s = s
av= s f+ X sfg secara umum y = y f+ X yfg
PERSAMAAN GAS IDEAL Persamaan keadaan (equation of state) :
persamaan yang menghubungkan tekanan, temperatur dan volume jenis
suatu zat. Fase uap suatu zat disebut gas jika berada di atas
temperatur kritis. Vapor (uap) adalah gas yang tidak jauh dari
keadaan kondensasi.
Pada tekanan rendah dan temperatur tinggi gas dapat dianggap
sebagai gas ideal. Tetapi yang harus diketahui bahawa uap air bukan
gas ideal. Untuk uap air jangan gunakan persamaan gas ideal. Di
sekitar garis uap jenuh kesalahan besar
FAKTOR KOMPRESIBILITAS (Z) Merupakan tolok ukur penyimpangan
terhadap sifat gas ideal
Hukum Dasar TermodinamikaTerdapat empat Hukum Dasar yang berlaku
di dalam sistem termodinamika, yaitu:1. Hukum Awal(Zeroth Law)
Termodinamikaa. Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan
setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling
setimbang satu dengan lainnya.2. Hukum PertamaTermodinamikaHukum
ini terkait dengan kekekalan energi. Hukum ini menyatakan
perubahanenergi dalamdari suatu sistem termodinamika tertutup sama
dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem
dankerjayang dilakukan terhadap sistem.a. Sistem terbukaSistem yang
mengakibatkan terjadinyapertukaran energi (panas dan kerja) dan
benda(materi)dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi
peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar
sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar.
Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin,
dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder,
dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa
maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel.
Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah
sehingga disebut juga dengancontrol volume. Perjanjian yang kita
gunakan untuk menganalisis sistem adalah1) Untuk panas (Q) bernilai
positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila
keluar dari system.2) Untuk usaha (W) bernilai positif apabila
keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk)
kedalam sistem.
b. Sistem tertutupSistem yang mengakibatkan terjadinya
pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran
zat dengan lingkungan. Sistem tertutupterdiri atas suatu jumlah
massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis
batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun
usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam
sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses
berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya
lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu
bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup
adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara
didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas
masuk kedalam masa udara didalam balon.Sebagaimana gambar sistem
tertutup dibawah ini, apabila panas diberikan kepada sistem (Qin),
maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem.
Pengembangan ini akan menyebabkan piston akan terdorong ke atas
(terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar
masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini
disebutcontrol mass.Suatu sistem dapat mengalami pertukaran panas
atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat
pembatasnya:
1) Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.2)
Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.Dikenal juga
istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan
dinding diatermik. Dinding adiabatik adalah dinding yang
mengakibatkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang
lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan
terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding
diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu
yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).
3. Hukum keduaTermodinamikaHukum kedua termodinamika terkait
dengan entropi. Tidak ada bunyi untuk hukum kedua termodinamika
yang ada hanyalah pernyataan kenyataan eksperimental yang
dikeluarkan oleh kelvin-plank dan clausius. Pernyataan clausius:
tidak mungkin suatu sistem apapun bekerja sedemikian rupa sehingga
hasil satu-satunya adalah perpindahan energi sebagai panas dari
sistem dengan temperatur tertentu ke sistem dengan temperatur yang
lebih tinggi. Pernyataan kelvin-planck: tidak mungkin suatu sistem
beroperasi dalam siklus termodinamika dan memberikan sejumlah netto
kerja kesekeliling sambil menerima energi panas dari satu reservoir
termal.(sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran
J., Shapiro N.M. - 6th ed. - 2007 - Wiley) Bab5). "total entropi
dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk
meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai
maksimumnya hal ini disebut dengan prinsip kenaikan entropi"
merupakan korolari dari kedua pernyataan diatas (analisis Hukum
kedua termodinamika untuk proses dengan menggunakan sifat
entropi)(sumber Fundamentals of engineering thermodynamics (Moran
J., Shapiro N.M. - 6th ed. - 2007 - Wiley) Bab6).
4. Hukum ketigaTermodinamikaHukum ketiga termodinamika terkait
dengantemperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat
suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan
berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini
juga menyatakan bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna
pada temperatur nol absolut bernilai nol.EntropiEntropiadalah salah
satubesaran termodinamikayang mengukur energi dalam sistem per
satuan temperatur yang tak dapat digunakan untuk melakukanusaha.
Mungkin manifestasi yang paling umum dari entropi adalah (mengikuti
hukum termodinamika), entropi dari sebuahsistemtertutup selalu naik
dan pada kondisi transferpanas, energi panas berpindah dari
komponen yang bersuhu lebih tinggi ke komponen yang bersuhu lebih
rendah. Pada suatu sistem yang panasnya terisolasi, entropi hanya
berjalan satu arah (bukan proses reversibel/bolak-balik). Entropi
suatu sistem perlu diukur untuk menentukan bahwa energi tidak dapat
dipakai untuk melakukanusahapadaproses-proses termodinamika.
Proses-proses ini hanya bisa dilakukan oleh energi yang sudah
diubah bentuknya, dan ketika energi diubah menjadi kerja/usaha,
maka secara teoritis mempunyai efisiensi maksimum tertentu. Selama
kerja/usaha tersebut, entropi akan terkumpul pada sistem, yang
laluterdisipasidalam bentukpanasbuangan.Pada termodinamika klasik,
konsep entropi didefinisikan padahukum kedua termodinamika, yang
menyatakan bahwa entropi darisistem yang terisolasiselalu bertambah
atau tetap konstan. Maka, entropi juga dapat menjadi ukuran
kecenderungan suatu proses, apakah proses tersebut cenderung akan
"terentropikan" atau akan berlangsung ke arah tertentu. Entropi
juga menunjukkan bahwaenergi panasselalu mengalir secara spontan
dari daerah yang suhunya lebih tinggi ke daerah yang suhunya lebih
rendah.Entropi termodinamika
mempunyaidimensienergidibagitemperatur, yang mempunyaiSatuan
Internasionaljouleper kelvin(J/K).
Gas IdealGas idealadalahgasteoritisyang terdiri
daripartikel-partikel titikyang bergerak secara acak dan tidak
saling berinteraksi. Konsep gas ideal sangat berguna karena
memenuhihukum gas ideal, sebuahpersamaan keadaanyang
disederhanakan, sehingga dapat dianalisis denganmekanika
statistika.Pada kondisi normal sepertitemperatur dan tekanan
standar, kebanyakangas nyataberperilaku seperti gas ideal. Banyak
gas sepertinitrogen,oksigen,hidrogen,gas muliadankarbon
dioksidadapat diperlakukan seperti gas ideal dengan perbedaan yang
masih dapat ditolerir.[1]Secara umum, gas berperilaku seperti gas
ideal padatemperaturtinggi dantekananrendah,[1]karenakerjayang
melawan gaya intermolekuler menjadi jauh lebih kecil bila
dibandingkan denganenergi kinetikpartikel, dan ukuran molekul juga
menjadi jauh lebih kecil bila dibandingkan dengan ruangan kosong
antar molekul.Model gas ideal tak dapat dipakai pada suhu rendah
atau tekanan tinggi, karena gaya intermolekuler dan ukuran
molekuler menjadi penting. Model gas ideal juga tak dapat dipakai
pada gas-gas berat sepertirefrigeranatau gas dengan gaya
intermolekuler kuat, sepertiuap air. Pada beberapa titik ketika
suhu rendah dan tekanan tinggi,gas nyataakan menjalanifase
transisimenjadiliquidatausolid. Model gas ideal tidak dapat
menjelaskan atau memperbolehkan fase transisi. Hal ini dapat
dijelaskan denganpersamaan keadaanyang lebih kompleks.Karakteristik
termodinamika gas ideal dapat dijelaskan dengan 2
persamaan:Persamaan keadaangas ideal adalahhukum gas ideal
Persamaan ini diturunkan dariHukum Boyle:(pada n dan T
konstan);Hukum Charles:(pada P dan n konstan); danHukum
Avogadro:(pada P dan T konstan). Dengan menggabungkan ketiga hukum
tersebut, maka menjadiyang artinya.Pada kondisi ideal,;
maka,.Energi dalamgas ideal dinyatakan dengan::dengan tekanan
volume jumlah substansigas dalammol konstanta gas temperatur mutlak
konstanta Hukum Boyle konstanta proporsional, sama dengan konstanta
proporsional, sama dengan energi dalamkapasitas panasspesifik pada
volume konstan, 3/2 untukgas monoatom, 5/2 untukgas diatomdan 3
untuk molekul lain yang lebih kompleks. Untuk mengubah dari besaran
makroskopik ke
kompleks. Untuk mengubah dari besaran makroskopik ke
mikroskopik, maka digunakan
dengan adalah jumlah partikel gas adalahkonstanta
Boltzmann(1.3811023JK1).Kemungkinan distribusi partikel dari
kecepatan atau energi dapat menggunakandistribusi kecepatan
Maxwell.Hukum ideal gas adalah lanjutan darihukum gasyang ditemukan
secara percobaan.Fluidanyata padadensitasrendah dantemperaturtinggi
hampir mengikuti hukum gas ideal. Namun, pada temperatur rendah
atau densitas tinggi, fluida nyata mengalami penyimpangan jauh dari
sifat gas ideal, terutama karenaterkondensasimenjadi liquid
atauterdeposisimenjadi padat. Penyimpangan ini dinyatakan
dalamfaktor kompresibilitas.Model gas ideal mengikuti asumsi
berikut ini: Molekul gas tidak dibedakan, berukuran kecil, dan
berbentuk bola Semua tabrakan antar gas bersifat elastis dan semua
gerakannya tanpa friksi (tidak ada energi hilang pada gerakan atau
tabrakan) Menggunakan hukum Newton Jarak rata-rata antar molekul
jauh lebih besar daripada ukuran molekul Molekul secara konstan
bergerak pada arah acak dengan distribusi kecepatan Tidak ada gaya
atraktif atau repulsif antara molekul atau sekitarnya.
Persamaan gas IdealPersamaan gas ideal'adalahpersamaan
keadaansuatugas ideal. Persamaan ini merupakan pendekatan yang baik
untuk karakteristik beberapagaspada kondisi tertentu. Persamaan ini
pertama kali dicetuskan olehmile Clapeyrontahun 1834 sebagai
kombinasi dariHukum BoyledanHukum Charles.Persamaan ini umum
dituliskan sebagai
di mana P adalahtekananmutlak pada gas, V adalahvolume, n adalah
jumlah partikel pada gas (dalammol), T adalahtemperaturdalam
satuankelvin, dan R adalahkonstanta gas ideal, yaitu 0,08205 L
atm/mol K.Persamaan ini juga dapat diturunkan dariteori kinetik,
yang dicetuskan secara terpisah olehAugust Krnigtahun 1856danRudolf
Clausiustahun 1857. Konstanta gas universal ditemukan dan pertama
kali diperkenalkan ke hukum gas ideal olehDmitri Mendeleevtahun
1874.Persamaan gas ideal bermanfaat terutama
dalamstoikiometrigas.