Bab 1 Konsep Dan Definisi
-
Upload
takhululum -
Category
Documents
-
view
12 -
download
3
description
Transcript of Bab 1 Konsep Dan Definisi
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.1
BAB 1. KONSEP DAN DEFINISI
Termodinamika: berasal dari bahasa Yunani:therme (panas)
dynamis (gaya)
Merupakan ilmu yang mempelajari energi dari suatu sistem dan hubungan
antara sifat-sifatnya.
SISTEM-SISTEM TERMODINAMIKA
Sistem: subyek yang dianalisis.
Sekeliling (surrounding): semua yang di luar sistem.
Batas sistem (permukaan atur): batas maya antara sistem dan
sekeliling (dapat diam atau berubah).
Jenis-jenis sistem:
Sistem Atur Energi Massa
Tertutup Massa Atur Dapat lewat
batas
Tidak dapat
lewat batas
Terbuka Volume Atur Dapat lewat
batas
Dapat lewat
batas
Terisolasi - Tidak dapat
lewat batas
Tidak dapat
lewat batas
? ? Tidak dapat
lewat batas
Dapat lewat
batas
Pandangan Termodinamika: 1. Makroskopik/Klasik: hanya meninjau efek keseluruhan,
mudah untuk dianalisis
2. Mikroskopik/Statistik: meninjau struktur bahan dengan rinci,
mengkarakteristik sifat rata-rata partikel secara statistik dan
menghubungkannya dengan sifat-sifat yang terlihat, sangat
matematis.
Beberapa Definisi:
Sifat (properties): karakteristik makroskopik sistem: massa, volume,
energi, tekanan, temperatur, warna, dll.; tidak perlu mengetahui
sejarah dari nilainya.
Bukan sifat: bergantung pada sejarahnya: laju aliran massa, kerja,
panas, dll.
Suatu besaran adalah sifat hanya bila perubahan nilainya tidak bergantung
pada sejarah nilainya.
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.2
Jenis-jenis Sifat:
a. Sifat Intensif: sifat yang tidak tergantung pada ukuran atau
massa sistem. Contoh: P (tekanan), T (temperatur), v (volume
jenis), dll. Sifat intensif bukan merupakan jumlah sifat bagian-
bagiannya. Mungkin tergantung pada lokasi dan waktu.
b. Sifat Ekstensif: sifat yang tergantung pada ukuran atau massa
sistem. Contoh: m (massa), V (volume), E (energi), dll. Sifat
ekstensif merupakan jumlah sifat bagian-bagiannya. Tidak
bergantung pada lokasi, mungkin bergantung pada waktu.
Beberapa sifat ekstensif dapat diubah menjadi sifat intensif dengan
membaginya dengan massa. Contoh:
Tingkat Keadaan (state): Kondisi sistem yang dinyatakan oleh
beberapa sifatnya
Keadaan stedi/tunak (steady): Keadaan bila sifat-sifat sistem tidak
berubah terhadap waktu
Proses: perubahan dari suatu tingkat keadaan ke tingkat keadaan
lainnya.
Siklus: tahapan proses yang mulai dan berakhir pada tingkat keadaan
yang sama dengan nilai sifat-sifat yang sama.
Fasa (phase): sejumlah zat yang homogen dalam komposisi kimia dan
struktur fisiknya. Jenis fasa yang homogen struktur fisiknya: padat,
cair dan gas. Fasa dibatasi oleh batas fasa.
Zat murni: zat yang komposisi kimianya seragam dan tidak berubah.
Dapat terdiri dari beberapa fasa, tetapi komposisi kimianya harus tetap
sama.
Contoh:
a. Campuran air dan uap air : satu zat, dua fasa
b. Campuran O2 dan N2 : dua zat, satu fasa gas
c. Campuran air dan alkohol (larut) : dua zat, satu fasa cair
d. Campuran air dan oli (tidak larut) : dua zat, dua fasa cair
m
Vv
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.3
KESETIMBANGAN
Kesetimbangan Mekanika: kesetimbangan akibat gaya dengan arah
yang berbeda dengan besaran yang sama.
Kesetimbangan Termodinamika: kesetimbangan sifat
termodinamika sistem pada dua lokasi.
Kesetimbangan Kuasi: kesetimbangan semu dengan perubahan sifat
yang relatif kecil.
Kesetimbangan termal: bila temperatur dua lokasi sama.
Kesetimbangan mekanika: bila tekanan dua lokasi sama.
Kesetimbangan fasa: bila massa setiap fasa tetap.
Kesetimbangan kimia: bila komposisi kimia tetap.
Pengecekan terhadap kesetimbangan: isolasi sistem dari sekeliling,
lalu lihat apakah terjadi perubahan pada sifat-sifatnya.
Setimbang vs. Stedi/Tunak:
a. Sistem yang setimbang dan tunak:
b. Sistem yang tidak setimbang tetapi tunak:
c. Sistem yang setimbang tetapi tidak tunak:
d. Sistem yang tidak setimbang dan tidak tunak:
SATUAN
Satuan: jumlah tertentu dibandingkan dengan jumlah lain dari jenis yang
sama.
Dalam Mekanika:
Satuan Utama/Primer:
Untuk SI (Systeme International d’Unites): panjang (L), waktu (T)
dan massa (M), atau
Untuk Satuan Rekayasa Inggris (I-P: inch-pound): panjang (L),
waktu (T), massa (M) dan gaya (F)
Satuan Kedua/Sekunder: Kecepatan, Percepatan, Daya, Luas, dll.
Dalam Satuan SI:
1 m = jarak yang dilalui oleh sinar dalam vakum selama
1/2999.792.458 dari satu detik.
1 s = 9.192.631.770 perioda radiasi akibat transisi antara dua tingkat
hyperfine dari tingkat keadaan dasar atom Cesium 133.
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.4
1 kg = massa silinder paduan platinum-iridium yang ada di Paris dan
duplikatnya ada di Amerika.
1 mol = jumlah zat dalam suatu sistem yang mempunyai jumlah
bagian kecil yang sama dengan jumlah atom dalam 0,012 kg Karbon-
12.
1 kelvin (K) = satuan temperatur termodinamika yaitu 1/273,16 dari
temperatur termodinamika titik triple air.
1 ampere (A) = adalah arus yang tetap, dimana bila dijaga pada dua
konduktor lurus dan paralel dengan panjang yang infiniti dan dengan
potongan bundar yang dapat diabaikan dan dijaga sejarak 1 m dalam
vakum, yang dapat diproduksi antara kedua konduktor ini sebuah gaya
sebesar 2 x 10-7
newton per meter panjang.
1 candela (Cd) = adalah intensitas cahaya, pada arah tertentu, dari
suatu sumber yang mengeluarkan radiasi monokromatik dengan
frekuensi 540 x 1012
hertz dan mempunyai intensitas radian pada arah
itu sebesar 1/683 watt per steradian.
Prefik: Digunakan untuk menyatakan jumlah yang sangat kecil atau
sangat besar dari satuan dasarnya.
Faktor Prefik Simbol Faktor Prefik Simbol
1024
1021
1018
1015
1012
109
106
103
102
10
Yotta
Zetta
Exa
Peta
Tera
Giga
Mega
kilo
hekto
deka
Y
Z
E
P
T
G
M
k
h
da
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
10-21
10-24
deci
senti
mili
mikro
nano
piko
femto
atto
zepto
yocto
D
c
m
n
p
f
a
z
y
Alias: Pengganti kumpulan satuan agar tidak panjang dan sulit
menuliskannya. Contoh:
Gaya : F = m.a = [kg.m/s2] = [N] = [newton]
Kerja : W = F.x = [kg.m2/s
2] = [N.m] = [J] = [joule]
Daya : W = W/t = [kg.m2/s
3] = [J/s] = [W] = [watt]
Tekanan : p = F/A = [kg/m.s2] = [N/m
2] = [Pa] = [pascal]
Massa: perhatikan bahwa satuan dasar massa adalah kg, bukan g. Gram
disingkat g, bukan gr, dimana gr dapat berarti grain (butir).
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.5
Berat: diukur berdasarkan gravitasi lokal, sedangkan massa tetap di
setiap lokasi.
Untuk benda dengan massa 1000 kg, maka beratnya adalah:
F = m.g = 1000 kg x 9,80665 m/s2 = 9806,65 kg.m/s
2 = 9806,65 N.
Dalam Satuan Rekayasa Inggris:
Dalam Mekanika, satuan dasar: M, L, T, F.
[M] = lbm (pound mass), 1 lbm = 0,45359237 kg.
[L] = ft (foot atau feet), 1 ft = 0,3048 m, 1 ft = 12 in., 1 in. = 2,54 cm.
[T] = s (second)
[F] = lbf (pound force), 1 lbf = gaya dari massa 1 lbm benda yang
ditarik oleh gravitasi bumi dengan g = 9,80665 m/s2 = 32,1740 ft/s
2.
Lb = libra (satuan berat di Roma jaman dahulu), sekarang dibaca pon
(pound).
Persamaan Newton : F = m.a
Satuan : [lbf] = (1/gc) [lbm].[ft/s2]
Dimana gc = 32,1740 (lbm.ft)/(lbf.s2) = konstanta fisik yang
menyatakan hubungan antara gaya dan perkalian massa dengan
percepatan. Bukan merupakan faktor konversi.
Contoh: Berat 1000 lbm pada g = 32,0 ft/s2 adalah: F = m.a/gc
= (1000 lbm) (32,0 ft/s2)/(32,1740 lbm.ft/lbf.s
2) = 994,59 lbf.
Satuan energi: Btu (British thermal unit) dimana 1 Btu = energi yang
diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 lbm air sebesar 1oF
pada 68oF.
Satuan energi lainnya: kalori (calorie), dimana 1 kalori adalah energi
yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar
1oC pada 15
oC.
1 Btu = 778,16 ft.lbf = 252 cal = 1055,0 J.
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.6
BEBERAPA SIFAT TERMODINAMIKA YANG DAPAT DIUKUR
A. DENSITAS dan VOLUME JENIS
Densitas untuk suatu zat kontinyu pada suatu titik adalah [kg/m3] atau
[lbm/ft3]:
dimana V’ adalah volume terkecil yang mungkin diperoleh.
Massa:
Volume jenis: v = 1/ [m3/kg] [ft
3/lbm] yang merupakan
sifat intensif, dan dapat bervariasi dari satu titik ke titik lainnya
Jumlah mol: n = m/M [kmol] [lbmol] dimana M = berat
molekul zat (lihat Tabel A-1 atau A-1E)
Volume jenis molal: [m3/kmol] [ft
3/lbmol]
Gravitasi Jenis (specific gravity): s.g = /H20, dimana H20 =1000
kg/m3 pada 4
oC.
B. TEKANAN
Tekanan adalah gaya per satuan luas.
Tekanan fluida pada suatu titik:
dimana A’ adalah luas terkecil yang mungkin terjadi.
Fluida diam: tekanan pada suatu titik adalah sama pada orientasi apapun.
Fluida bergerak: tekanan adalah gaya normal (tegak lurus) dibagi dengan
luas.
Satuan Tekanan:
SI: p = F/A (kg.m/s2)/m
2 = N/m
2 = P = pascal
IP:1 lbf/in2 = 1 psi (pound force per square inch)
psia = pound force per square inch absolute
psig =pound force per square inch gage
V
dVm .
vMv .
A
Fp normal
AA 'lim
V
m
VV 'lim
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.7
Tekanan atmosfir: berat atau gaya molekul udara di atas lokasi per
satuan luas, bergantung pada temperatur dan tekanan.
1 atm = 1,01325 x 105 N/m
2 = 14,696 lbf/in
2 = 10,34 m H2O = 760
mm Hg = 29,92 in. Hg.
1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa.
Tekanan Absolut = Tekanan Atmosfir + Tekanan Gage
pabs = patm + pgage
pgage = pabs – patm
pvakum = patm – pabs
Alat Pengukur Tekanan:
1. Barometer: alat pengukur tekanan absolut udara
2. Manometer: alat pengukur perbedaan tekanan
3. Bourdon tube gage: alat pengukur tekanan secara mekanik,
dapat mengukur tekanan gage maupun absolut (umumnya gage)
4. Piezoelektrik: alat pengukur tekanan dinamis berdasarkan arus
listrik (untuk mengukur tekanan ruang bakar, dsb.)
5. Dll.
Barometer Manometer Bourdon Tube Gage
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.8
C. TEMPERATUR
Berasal dari perasaan panas dan dingin akibat sentuhan dengan tangan,
tidak dapat diskalakan.
Kesetimbangan Termal: Dua blok tembaga disatukan. Ada sifat
yang berubah. Terjadi kesetimbangan termal: sifat temperaturnya
sama.
Perpindahan panas dapat diperlambat dengan dinding isolator.
Dinding Adiabatik: merupakan dinding dengan sifat isolasi termal
yang sempurna sehingga tidak terjadi perpindahan panas melewatinya.
Proses Adiabatik: proses dimana Q = 0.
Proses Isotermal: proses dimana temperaturnya konstan.
Adiabatik vs. Isotermal:
a. Sistem adiabatik dan isotermal:
b. Sistem adiabatik, tetapi tidak isotermal:
c. Sistem tidak adiabatik, tetapi isotermal:
d. Sistem tidak adiabatik dan tidak isotermal:
Hukum Termodinamika keNol (R. H. Fowler, 1931, sekitar 50 tahun
setelah Hukum Termo 1 dan 2): Bila dua benda disatukan dalam
kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut
akan berada dalam kesetimbangan termal (temperaturnya sama).
Hukum ini menjustifikasi fungsi alat pengukur temperatur yaitu
termometer sebagai benda ketiga yang dapat digunakan untuk mengukur
temperatur dua benda dan menyatakan bahwa kedua benda tersebut dalam
keadaan setimbang secara termal.
Sifat termometrik zat (sifat yang berubah berdasarkan temperatur) dapat
dijadikan ukuran temperatur.
Alat Pengukur Temperatur:
1. Termometer bola (cairan dalam gelas): air raksa, alkohol, air,
dsb. Sifat: pemuaian zat.
2. Termometer gas volume konstan. Sifat: tekanan gas.
3. Termokopel. Sifat ggl (emf) dari dua metal yang berbeda.
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.9
4. RTD. Sifat: tahanan metal.
5. Termistor. Sifat: tahanan bahan.
6. Pirometer (radiasi dan optikal)
7. Dll.
Skala Temperatur:
Angka yang diberikan sebagai titik tetap standar yang mudah untuk
dibuat: titik triple air, dimana air, es dan uap air berada dalam
kesetimbangan: 273,16 K (agar temperatur antara titik beku dan titik uap
tetap 100 K, sehingga sama dengan skala Celsius).
Skala Temperatur Gas:
Misal temperatur gas sebanding dengan tekanannya: T = p.
Bila tingkat keadaan diambil pada titik triple, maka = 273,16/ptp
Sehingga: T = 273,16 (p/ptp)
Gunakan massa dan jenis gas yang berbeda, ukur ptp dan p, lalu plot:
Ternyata bila ptp 0, maka akan diperoleh p/ptp yang sama, sehingga
dapat diperoleh Skala Temperatur Gas: T = 273,16 p/ptp.
Skala Kelvin:
Skala temperatur yang independen terhadap sifat zat. Memerlukan
analisis energi dan Hukum Termodinamika II. Akan dibahas di sub-bab
5.5.
Satuan Temperatur:
Derajat Fahrenheit: oF = 9/5
oC +32
Derajat Celsius: oC = 5/9 (
oF – 32) (dahulu: Centigrade)
Kelvin K = oC + 273,15 (tanpa derajat)
Derajat Rankine: oR =
oF + 459,67 (bukan Reamur!!!)
Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.10
T (K) = T (oC)
T (oR) = T (
oF)= 1,8 T (K) = 1,8 T (
oC)
Triple point air: 273,16 K = 0,01oC = 491,69
oR = 32,02
oF.
Absolut nol: 0 K = 0oR = - 273,15
oC = - 459,67
oF. Belum pernah
dicapai (pernah mencapat 2 x 10-9
K di tahun 1989).
Dasar nama skala:
G. Fahrenheit (1696-1736), dari Jerman
A. Celcius (1701-1744), dari Swedia
Lord Kelvin atau William Thomson (1824-1907), dari Inggris
William Rankine (1820-1872), dari Inggris (Universitas Glasgow)