bab 2 tinajuan pustaka
DESCRIPTION
termodinamikaTRANSCRIPT
BAB 2 TINAJUAN PUSTAKA
2.1 PENGERTIAN TERMODINAMIKA
Termodinamika berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya
panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika merupakan ilmu
yang menggambarkan usaha untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang
disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya.
Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan
kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik.
Cabang ilmu fisika ini mempelajari pertukaran energi dalam bentuk kalor dan
kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan termodinamika
dapat terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas
elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.
2.1 PROSES TERMODINAMIKA
1. Proses Isotermal
Selama proses isotermal, temperatur sistem tetap konstan. Tetapi pada temperatur
rendah bentuk isotermal lebih komplek karena gas tidak algi ideal.
Gambar 2.1 proses Isotermal
1
2. Proses Isokhorik
Selama proses ini, volume sistem tidak mengalami perubahan. Proses ini terjadi
pada sistem yang mempunyai volume (wadah) yang kuat, tertutup dan tidak dapat
berubah (konstan).
Gambar 2.2 proses Isokhorik
3. Proses Isobarik
Selama proses isobarik tidak terjadi perubahan tekanan pada sistem. Proses ini
umumnya terjadi pada sistem yang mempunyai kontak langsung dengan tekanan
atmosfer bumi yang dianggap konstan.
2
Gambar 2.3 Proses Isobarik
4. Proses Adiabatik
Selama proses adiabatik tidak terjadi transfer panas yang masuk atau keluar
sistem. Proses initerjadi pada sistem terisolasi.
Gambar 2.4 Proses Adibiatik
5. Proses Siklik
Proses yang satu ini sistem kembali secara periodik ke keadaan termodinamika
yang sama. Proses ini dapat diamati jika diamati pada sistem natural dan
teknologi. Misalnya : mesin, compresor udara,osilasi gelombang suara.
3
Gambar 2.5 Proses Siklik
Proses siklik sering melibatkan proses sederhana ini :
Dan
4
2.3 SIKLUS TERMODINAMIKA
Gambar 2.5 Siklus termodinamika
Ilmu mengenai siklus termodinamika penting dalam sistem pembangkit tenaga.
Mesin-mesin ini menggunakan campuran bahan bakr udara untuk operasinya.
Siklus termodinamika dapat diklasifikasikan secara umum, yaitu :
1. Siklus Carnot
Berdasarkan sifatnya siklus dibagi menjadi dua, yaitu siklus reversible
(dapat dibalik) dan siklus irreversible (tidak dapat dibalik). Siklus carnot termasuk
siklus reversible. Siklus carnot terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses
adiabatik. Hal tersebut memungkinkan menyerap kalor dari sumber yang bersuhu
5
tinggi dan mengeluarkan kalor ke suhu yang lebih rendah. Perhatikan gambar
berikut.
Gambar 2.6 Gambar siklus carnot
Apabila siklus carnot dimulai dari a, proses-proses yang terjadi pada siklus
carnot adalah sebagai berikut.
Pada proses a – b, terjadi pemuaian isothermal pada suhu T1. Pada proses
ini sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir suhu tinggi T1 dan melakukan
usaha Wab.
Pada proses b – c, terjadi pemuaian adiabatik. Pada proses ini suhu turun
dari T1 menjadiT2 dan melakukan usaha Wbc.
Pada proses c – d, terjadi pemampatan isotermal pada suhu T2. Pada proses
ini sitem menerima usaha Wcd dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu
rendah.
Pada proses d – a, terjadi pemampatan adiabatik. Pada proses ini, suhu
sistem naik dari T2menjadi T1 akibat menerima usaha Wda.
a. Mesin Carnot
Mesin carnot adalah mesin yang memiliki efisiensi tinggi yang
berdasarkan pada siklus carnot. Mesin carnot siasumsikan sebagai mesin kalor
ideal yang bekerja secara siklus reversible (dapat dibalik) di antara dua suhu tanpa
ada energy yang hilang. Contoh mesin yang menggunakan siklus carnot adalah
mesin pemanas ruang. Skema mesin carnot dapat dilihat pada gambar berikut.
6
Gambar 2.7 skema mesin carnot
Selama proses siklus carnot, sistem menerima kalor Q1 dari reservoir suhu
tinggi T1dan melepas kalor Q2 ke reservoir suhu tendah T2.
Sehingga menurut hokum I termodinamika, usaha yang dilakukan oleh sistem
adalah.
Karena dalam siklus gas kembali ke keadaan semula, maka tidak ada
perubahan energy dalam ( ), sehingga:
Efisiensi mesin merupakan perbandingan usaha yang dilakukan terhadap
kalor yang diterima. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.
%
%
7
%
%
Dengan,
Q1 = kalor yang diterima (J)
Q2 = kalor yang dilepas (J)
T1 = suhu reservoir bersuhu tinggi (K)
T2 = suhu reservoir bersuhu rendah (K)
W = usaha yang dilakukan sistem (J)
2. Siklus Otto
Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan
dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol
Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Mesin bensin dibagi
menjadi dua, yaitu mesin dua tak dan mesin empat tak. Mesin dua tak adalah
mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk sekali
pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak digunakan pada
motor-motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran
dari oli pelumas. Mesin empat tak memerlukan empat kali gerakan piston untuk
sekali pembakaran. Pada motor-motor besar biasa menggunakan mesin empat tak.
Akan tetapi, sekarang banyak motor-motor kecil bermesin empat tak. Mesin jenis
ini sedikit menghasilkan sisa pembakaran karena bahan bakarnya hanya bensin
murni.
Gambar di atas merupakan mesin pembakaran dalam empat langkah (empat
tak). Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju
silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya
campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika
piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau penekanan). Karena ditekan secara
8
adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi
memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika
terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan
bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke
bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup
pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan).
Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut diulangi kembali.
Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah
menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran
pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang
sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses
pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga.
Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika busi
memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu
tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi
kurang bertenaga.
Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin
pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika
terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam
udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi
mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa
pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros
engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak),
sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat
adanya gesekan.
Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika
yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses
adiabatis (kalor tetap).
Proses yang terjadi adalah :
1-2 : Kompresi adiabatis
2-3 : Pembakaran isokhorik
9
3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis
4-1 : Langkah buang isokhorik
Sesuai hukum 1 termodinamika, kesetaraan panas dan gerak dapat dituliskan
sebagai persamaan energi sebagai berikut:
Keterangan:
Q = panas yang keluar atau masuk sistem (joule)
ΔU = perubahan energi dalam (joule)
W= kerja yang diberikan sistem (joule)
Rancangan motor bakar diinginkan agar mampu mengubah sebanyak-
banyaknya energi panas menjadi gerak. Untuk itu diperlukan pengetahuan teori
mengenai efisiensi sistem tersebut. Dalam hal ini, efisiensi dari siklus Otto ialah:
Dengan:
Qin ialah panas yang dimasukkan ke dalam sistem.
Pada siklus di atas D U = 0, karena pada akhir siklus posisi grafik kembali ke
titik semula (atau keadaan fluida pada akhir siklus sama seperti pada awal siklus),
sehingga:
Dengan:
Qout ialah panas yang dikeluarkan dari sistem. Dengan demikian, efisiensi
siklus akan sebesar: Persamaan penambahan panas pada volume konstan pada
siklus di atas ialah, Sedang pengeluaran panas pada volume tetap ialah,
Dengan cv ialah panas spesifik udara pada volume tetap. (Notasi 1, 2, 3, dan 4
pada persamaan di atas adalah sesuai dengan titik-titik pada grafik dalam gambar
4 di atas.)
Sehingga efisiensi siklus ialah,
Proses 1-2 dan 3-4 adalah adiabatik, sehingga dan Sedangkan dari grafik terlihat
bahwa V1 = V4 dan V3 = V2, maka Dengan demikian, maka Sehingga efisiensi
siklus pada persamaan (a) akan menjadi dalam hal in r = V1/V2 adalah
10
perbandingan kompresi motor. Siklus otto sering disebut siklus mesin bakar. Pada
siklus otto berlangsung dua proses adiabatik dan dua proses isokhorik. Perhatikan
gambar siklus otto berikut.
Gambar 2.8 Siklus Otto
Jika siklus otto dimulai dari titik a, proses-proses yang terjadi pada siklus
otto tersebut adalah sebagai berikut.
Pada proses a – b, terjadi pemampatan adiabatik.
Pada proses b – c, terjadi proses isokhorik, gas menyerap kalor.
Pada proses c – d, terjadi pemuaian adiabatik.
Pada proses d –a, terjadi proses isokhorik, gas mengeluarkan kalor.
Usaha yang dilakukan sistem pada siklus otto adalah sebagai berikut.
Efisiensi siklus otto adalah sebagai berikut.
%
%
11
%
3. Siklus Diesel
Siklus diesel merupakan siklus mesin diesel. Mesin diesel biasanya digunakan
pada generator listrik, truk, bus, dan beberapa macam mobil. Pada siklus diesel
berlangsung dua proses adiabatik, satu proses isobarik, dan satu proses isokhorik.
Perhatikan gambar siklus diesel berikut.
Gambar 2.8 Siklus Diesel
Jika siklus diesel dimulai dari titik a, proses-proses yang terjadi pada siklus
diesel tersebut adalah sebagai berikut.
Proses a – b, terjadi pemuaian isobarik.
Proses b – c, terjadi pemuaian adiabatik.
12
Proses c – d, terjadi pelepasan kalor (pendinginan) W = 0, terjadi
penurunan suhu.
Proses d – a, terjadi pemampatan adiabatik.
4. Siklus RankineSiklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi
kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya
menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari
seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk
mengenang ilmuan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.
Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum
ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine
adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.
Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang
mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap
memasuki turbin pada temperatur 565 °C (batas ketahanan stainless steel) dan
kondenser bertemperatur sekitar 30°C. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara
teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik
sebesar 42%.
Perhatikan gambar siklus diesel berikut.
Gambar 2.9 Siklus Rankine
Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal (sempurna). Mula-mula udara
ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan –
13
penyuntik (injector) menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c),
gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada
volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara
yang baru, masuk ke silinder (d-a).
Asumsi yang digunakan pada siklus diesel ini sama dengan pada siklus
Otto, kecuali langkah penambahan panas. Pada siklus diesel langkah 2-3
merupakan penambahan panas pada tekanan konstan. Jika siklus rankine
dimulai dari titik a, proses-proses yang terjadi pada siklus rankine tersebut adalah
sebagai berikut.
Proses a – b, pada zat cair ditambahkan tekanan, sehingga suhu naik dari
Ta ke Tb.
Peoses b – c, terjadi penguapan tetap, suhu naik, c – mulai terjadi
penguapan.
Proses c – d, terjadi perubahan wujud dari zat cair ke uap, d – semua zat
cair sudah menjadi uap.
Proses d – e, terjadi pemuaian pada tekanan tetap, suhu naik dari Td ke Te.
Proses e – f, terjadi pemuaian adiabatik.
Proses f – a, terjadi pengembunan pada tekanan tetap.
2.4 SISTEM TERMODINAMIKA
Dalam termodinamika pembahasan sistem adalah hal yang seringkali kita
dengar. Sistem itu sendiri adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan
diteliti. Sistem juga dideskripsikan dengan jumlah besaran fisis yang
menggambarkan keadaannya. Keadaan sistem yang ditinjau adalah keadaan
makroskopik yang dapat berupa keadaan rata-rata dari partikel atau keadaan
keseluruhan dalam sistem. Contoh dari keadaan ini adalah temperatur T, jumlah
partikel N, volume V, energi dalam U,tekanan P dan lainnya. Jika berbicara
tentang sistem, tidaklah lepas dari konsep lingkungan. Lingkungan adalah hal-hal
yang ada diluar sistem.
14
Gambar 2.10 Sistem termodinamika : gas didalam balon
Diantara sistem dan lingkungan terdapat dinding pembatasnya. Dinding pembatas
inilah yang mengatur interaksi antara sistem dan lingkungan. Dalam aplikasinya
batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat
berubah posisi atau bergerak. Berikut sifat dinding pembatas :
Pembatas Adiabatik, dimana tidak adanya pertukaran kalor anatar sistem dan
lingkungan.
Pembatas Tegar, dimana tidak adanya interaksi yang baim dari sistem terhadap
lingkungan atau sebaliknya.
Ditinjau dari sifat dinding pembatas sistem dengan lingkungan sekitar, sistem
dalam termodinamika dapat dikelompokkan menjadi tiga :
15
1. Sistem Terbuka
Sistem terbuka terjadi ketika partikel dan energi dengan mudahnya keluar masuk
sistem. Ketika terjadi kesetimbangan jumlah energi yang keluar dan masuk serta
kesetimbangan jumlah partikel yang keluar masuk, maka sistem dan lingkungan
memiliki nilai temperatur T dan potensial kimia µ yang sama. Contohnya, lautan
dan tumbuh-tumbuhan.
2. Sistem Tertutup
Sistem tertutup merupakan sistem yang dindingnya hanya dapat dilewati oleh
energi panas. Partikel-partikel yang mencoba menerobos tidak akan bisa
memasuki dinding sistem ini. Sistem semacam ini mendeskripsikan nilai
partikelnya yang konstan tetapi berkebalikan dengan energi yang dapat berubah.
Sebagai gantinya, ketika terdapta kesetimbangan jumlah energi yang keluar
masuk sistem, temperatur sistem dan lingkungan memiliki nilai temperatur yang
sama. Contohnya, Green House yang didalamnya terjadi pertukaran kalor tetapi
tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.
3. Sistem Terisolasi
Sistem yang satu ini sangatlah unik. Dinding pembatasnya tidak dapat ditembus
oleh partikel maupun energi dan tidak berinteraksi dengan lingkungannya. Sistem
inilah yang sangat cocok dengan konsep termodinamika. Dimana sistem ini akan
menjaga kesetimbangan termodinamika suatu benda. Sistem semacam ini
dicirikan dengan nilai total energi E, jumlah partikel N dan volume V yang tetap.
Tetapi, sangat disayangkan, sistem ini hanyalah model, tidak ada sistem yang
sebegitu uniknya dalam realita. Pengecualian terhadap sistem yang dinding
pembatasnya sangat sulit ditembus. Peristiwa ini dapat dikelmpokkan sebagai
sistem terisolasi. Contohnya tabung gas.
16
Dalam pembelajaran termodinamika umum, hal-hal inilah yang penting diketahui.
Termodinamika juga memiliki penjelasan khusus per bidang tergantung
urgensinya atau kepentingan dalam penerapannya. Hanya saja konsep dasarnya
pastilah sama.
17