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.