Thermodinamika 1Materi perkuliahan:1. Konsep dasar termodinamika2. Sifat-sifat (Properties) dari senyawa murni3. Hukum termodinamika I (sistem tertutup)4. Hukum termodinamika I (Volume kendali / control volumes)5. Hukum termodinamika kedua 6. Entropy7. Analisis hukum kedua termodinamika atas sistem-sistem keteknikanPenilaian:1. Kehadiran 10%2. Tugas20%3. Kuis20%4. Mid exam25%5. Final exam25%Text book:Thermodynamics (an engineering approach) by Yunus A Cengel and Michael A Boles, McGraw-Hill book company.

Termodinamika dapat didefinisikan sebagai ilmu yang mempelajari tentang energy. Energy: kapasitas untuk melakukan kerja atau kemampuan untuk merubah sesuatu. Satu dari hukum2 yang penting di alam adalah hukum kekekalan energy (conservation of energy) yang menyatakan bahwa: Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk yang lainnya tetapi jumlah total energy tetap sama. Artinya bahwa energy tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan.Hukum I termodinamika: adalah tentang hukum kekekalan energyHukum II termodinamika: menyatakan bahwa suatu proses terjadi pada suatu arah tertentu dan bukan kebalikannya.Berdasarkan prinsip termodinamika dia atas maka ruang lingkup aplikasi/penerapan dari termodinamika sangat luas diantaranya: masalah listrik dan gas, system pengkondisian udara dan pemanasan (heating), TV, pemanas air, rice cooker, shower, setrika, computer, otomotif, roket, mesin jet, pembangkit tenaga listrik bahkan tubuh manusia.System tertutup dan terbukaSystem termodinamika (atau system) adalah kuantitas dari ssuatu materi atau suatu daerah dalam ruang yang dipilih untuk dipelajari. Daerah diluar system disebut lingkungan.

lingkungan

Batas (boundary)sistem

Batas (boundary) dapat tetap (fixed) atau tidak tetap/bergerak (moveable).Sebuah System dapat dibagi 2 yaitu: system tertutup atau system terbuka. System tertutup (disebut juga control massa/control mass) memiliki ciri2 mempunyai sejumlah massa yang tetap dan tidak ada massa yang keluar atau masuk ke dalam system dan volumenya dapat berubah-ubah. Tetapi energy dalam bentuk kalor atau kerja dapat melintasi/menembus batas system. Dalam kasus tertentu/khusus energy juga tidak dapat masuk atau keluar system ini disebut system terisolasi (isolated system).

Mass NoEnergy YesSystem tertutupm konstantGambar 1System terbuka (open system atau control volume) adalah: suatu daerah yang di/terpilih pad suatu ruang (space). System ini memiliki ciri2 mempunyai massa dan aliran contoh; compressor, turbin, nosel. Pada system ini baik massa dan energy dapat melintasi batas system.

Massa YesEnergy YesControl volumeControl surface

Gambar 2Persamaan2 termodinamika yang dipakai pada kedua system tersebut di atas berbeda. Oleh karena itu sangat penting untuk mengidentifikasi terlebih dahulu tipe system yang akan dianalisa sebelum memulai menganalisa. Bentuk-bentuk energyMacam-macam atau bentuk2 energy: termal, mekanik,kinetic, potensial, listrik, magnetic, kimia, nuklir, dan lain-lain. Jumlah total keseluruhan energy tersebut dinyatakan dengan E dari system (total energy).(1)Termodinamika tidak menyediakan infoemasi (atau mempelajari) tentang nilai absolute dari energy total dari suatu system. Termodinamika hanya mempelajari perubahan dari total energy suatu system. Internal energy (U): adalah penjumlahan dari 2 bentuk energy yaitu macroscopic energy and microscopic energy. Contoh Macroscopic energy: energy kinetic, potensial. Microscopic energy adalah yang berhubungan dengan struktur molekul system dan tingkat keaktifan molekul. (2) (3)(4)(5)(6)

Properties (sifat) dari suatu systemContoh properties of a system: tekanan (P), temperature (T), volume (V), massa (m), viscositas konduktifitas termal, modulus elastisitas, koefisien ekspansi termal, densitaas, tahanan listrik, kecepatan etc. (7)Specific gravity atau relative density:(8) = 1000 kg/m3Specific volume: (9)

Properties dapat dibagi atas 2 yaitu: intensive dan extensive propertiesIntensive property: tidak bergantung pada ukuran dari system seperti temperature, tekanan, densitas. Sebaliknya dengan extensive property. Contohnya: massa, volume dan total energy.Ciri2: semakin besar suatu system maka semakin besar extensive property

mVTPp m1/2m V1/2VTTPP Gambar 3Keadaan dan keseimbangan (State and equilibrium)Bayangkan suatu system tidak mengalami perubahan (temperature, tekanan, densitas etc.), keadaan-1. Pada situasi ini property dari system menggambarkan keadaan (state) dari system. Jika ada satu saja yang berubah (temperature) maka dia berubah menjadi keadaan-2.Keseimbangan ada beberapa tipe antara lain: keseimbangan termal (jika temperature pada system sama), keseimbangan mekanik (berhungan dengan tekanan), keseimbangan fase (berhubungan dengan perubahan fase dan massa), keseimbangan kimia (berhubungan dengan (komposisi kimia tidak berubah sepanjang waktu). Proses dan siklusPerubahan suatu proses dari satu keseimbangan ke keseimbangan yang lain disebut proses. Lintasan yang dilalui disebut jalan lintasan (process path).

State 1State 2Process path

Gambar 4

Ketika suatu proses berjalan begitu lambat sehingga system tetap memiliki property yang sama dari keadaan awal (keseimbangan tetap dipertahankan) maka ini disebut: proses quasi-static atau quasi-equilibrium.

Slow compressionFast compressionQuasi-equilibriumNon-quasi-equilibrium

Gambar 5Dalam kondisi actual tidak ada proses quasi-equilibrium. Namun demikian, banyak proses actual dianalisa sebagai proses quasi-euilibrium, karena 2 keuntungan: 1). Mudah dianalisa 2). Alat yang bekerja berdasarkan quasi-eulibrium mengahsilkan kerja yang paling banyak. Suatu proses akan lebih mudah untuk dianalisa bila dinyatakan dengan dalam koordinat (misalnya, P = tekanan, T = temperature, V = volume). Proses tekanan konstan isobarProses temperature konstan isothermalProses volume konstan isokorik/isometric

V2V1VP4123sistem

Gambar 6Suatu proses dikatakan mengalami siklus jika titik awal proses bertemu dengan titik akhir (contoh gambar 6).PressureDalam termodinamika masalah tekanan menyangkut zat cair dan gas.1 Pa = 1 N/m21 bar = 105 Pa = 0,1 Mpa = 100 kPa1 atm = 101 325 Pa = 1,01325 bar

PgagePabsPatmAbsoluteVacuum

PvacPatm

Patm

Pabs

Pabs = 0Absolute

VacuumGambar 7

Pgage = Pabs - Patm(untuk tekanan yang di atas Patm)Pvac = Patm - Pabs (untuk tekanan yang dibawah Patm)Contoh soal:Sebuah alat ukur vakum (vacuum gage) terhubung dengan sebuah tabung/tangki dan membaca pembacaan 5,8 psi pada lokasi dimana tekanan atmosfir 14,5 psi. tentukan tekanan absolute dalam tabung.Jawab:Pabs = Patm - Pvac = (14,5 5,8 ) psi = 8,7 psiTekanan yang dipakai/digunakan dalam termodinamika adalah tekanan absolute.ManometerSebuah alat ukur tekanan untuk mengukur perbedaan tekanan yang kecil berbentuk U dengan menggunakan fluida seperti: air raksa, air, alcohol, minyak.

h12gas

P2 = P1Gambar 8

AP1 = APatm + WDimana: W = mg = Vg = AhgSehingga: P1 = Patm + gh (kPa)W = berat fluida dalam kolom/tube = densitas fluidag = gaya gravitasiA = luas permukaan tubePeredaan tekanan (P) = P1 Patm = gh (kPa)Contoh soal:Sebuah manometer digunakan untuk mengukur tekanan dalam sebuah tangki. Fluida yang digunakan pada manometer mempunyai specific gravity sebesar 0,85 dan ketinggi kolom manometer adalah 55 cm. jika tekanan atmosfir adalah 95 kPa, hitunglah tekanan absolute di dalam tangki.Jawab:Dik: g = 9,807 m/s2 air = 1000 kg/m3Sehingga fluida = (s) x (H2O) = 0,85 x 1000 =850 kg/m3Jadi: P = Patm + gh = 96 kPa + (850 kg/m3)(9,807 m/s2)(0,55 m) (1 kPa/1000 N/m2) = 100,6 kPaIngat: N = kg m/s2BarometerAdalah alat untuk mengukur tekanan atmosfir. Mengukur tekanan atmosfir dapat dilakukan dengan mencelupkan tabung erisi air raksa ke dalam wadah yang terbuka berisi air raksa.

Patm = gh (kPa)

W=ghAAir raksaCABhh

Gambar 9 = densitas air raksa (13,595 kg/m3)g = percepatan gravitasipanjang dan luas penampang tube (cross-sectional area) tidak berpengaruh terhadap h. Tekanan atmosfer standar = 760 mmHg pada 0 oC Atau 10,3 m kolom air. Contoh soal:1. Tentukan tekanan atmosfer pada suatu lokasi dimana pembacaan barometer adalah 740 mmHg dan percepatan gravitasi adalah 9,7 m/s2. Asumsi temperature air raksa 10 0C dan densitas adalah 13,570 kg/m3Jawab:Patm = gh = (13,570 kg/m3) (9,7 m/s2) (0,74 m) (1 N / 1 kgm/s2) (1 kPa / 1000 N/m2) = 97,41 kPa2. Sebuah alat piston-silinder mengandung gas yang mempunyai massa piston adalah 60 kg dan luas penampang (cross-sectional area) 0,04 m2 . Tekanan atmosfer adalah 0,97 bar dan percepatan gravitasi adalah 9,8 m/s2. a). tentukan tekanan di dalam silinder, b). jika sejumlah kalor diberikan ke gas dan volume silinder bertambah 2 kali lipat, apakah tekanan dalam silinder akan bertambah? Jawab:a). FBD (free body diagram) nya:

W=mgPatm

a) PA = Patm A + W P = Patm + mg/A = 0,97 bar + (60 kg) (9,8 kg/m2)/0,04 m2 (1 N /1 kgm/s2) (1 bar /105 N/m2) = 1,117 barb) Perubahan volume tidak akan berpengaruh terhadap terhadap tekanan dalam silinder.

3Termodinamika 1, Teknik mesin unram