1.1 Sistem Termodinamika

merupakan langkah penting dalam analisis rekayasa adalah untuk menggambarkan dengan tepat apa yang sedang dipelajari. Dalam mekanika, jika gerak tubuh akan ditentukan, biasanya langkah pertama adalah untuk de- denda tubuh bebas dan mengidentifikasi semua kekuatan yang diberikan di atasnya oleh badan-badan lainnya. Newton kedua hukum gerak kemudian diterapkan. Dalam termodinamika sistem istilah digunakan untuk mengidentifikasi subjek analisis. Setelah sistem didefinisikan dan interaksi yang relevan dengan sistem lain diidentifikasi, satu atau lebih hukum fisik atau hubungan yang diterapkan.

Sistem ini apapun yang kita ingin belajar. Ini mungkin yang sederhana seperti tubuh gratis atau rumit sebagai com- sebagai kilang kimia seluruh. Kita mungkin ingin mempelajari sejumlah materi yang terkandung dalam, tangki kaku berdinding tertutup, atau kita mungkin ingin mempertimbangkan sesuatu seperti pipa di mana gas alam mengalir. Komposisi materi dalam sistem dapat tetap atau dapat berubah melalui reaksi kimia atau nuklir. Bentuk atau volume sistem yang dianalisis tidak selalu konstan, seperti ketika gas dalam silinder dikompresi oleh piston atau balon yang digelembungkan.

Segala Sesutu diluar sistem dianggap bagian dari sistem lingkungan. Sistem ini dibedakan dari sekitarnya dengan batas tertentu, yang mungkin pada saat istirahat atau bergerak. Anda akan melihat bahwa interaksi antara sistem dan sekitarnya-, yang berlangsung di perbatasan, memainkan peranan penting dalam teknik termodinamika-. Hal ini penting untuk batas yang akan digambarkan dengan hati-hati sebelum melanjutkan dengan analisis termodinamika. Namun, fenomena fisik yang sama sering dapat dianalisis dalam hal pilihan alternatif dari sistem, batas, dan sekitarnya. Pemilihan batas tertentu mendefinisikan sistem tertentu diatur oleh kenyamanan memungkinkan dalam analisis selanjutnya.

1.1.1 Jenis Sistem

Dua jenis dasar dari sistem dibedakan dalam buku ini. Ini disebut, masing-masing, sebagai sistem tertutup dan volume control. Sebuah sistem tertutup mengacu pada kuantitas yang tetap materi, sedangkan volume control adalah wilayah ruang melalui mana massa dapat mengalir.

Sebuah sistem tertutup didefinisikan ketika jumlah tertentu materi adalah yang diteliti. Sebuah sistem tertutup selalu berisi hal yang sama. Tidak ada transfer massa di seluruh ary-batas nya. Jenis khusus dari sistem tertutup yang tidak berinteraksi dengan cara apapun dengan lingkungannya disebut sistem terisolasi.

Gambar 1.1 menunjukkan gas dalam perakitan piston silinder. Ketika katup tertutup, kita dapat mempertimbangkan gas menjadi sistem tertutup. Batas terletak hanya di dalam piston dan silinder dinding, seperti yang ditunjukkan oleh garis putus-putus pada gambar. Bagian dari batas antara gas dan piston bergerak dengan piston. Tidak ada massa akan melintasi ini atau bagian lain dari batas.

Dalam bagian berikutnya dari buku ini, analisis termodinamika terbuat dari perangkat seperti turbin dan pompa melalui mana massa mengalir. Analisis ini dapat dilakukan secara prinsip dengan mempelajari sejumlah tertentu materi, sistem tertutup, saat melewati perangkat. Dalam kebanyakan kasus itu adalah sederhana untuk berpikir bukan dalam hal suatu wilayah ruang di mana arus massa. Dengan pendekatan ini, sebuah wilayah dalam batas yang ditentukan dipelajari. Daerah ini disebut volume control. Massa dapat menyeberangi batas volume control.

Diagram mesin ditunjukkan pada Gambar. 1.2a. Garis putus-putus mendefinisikan volume control yang mengelilingi mesin. Mengamati bahwa udara, bahan bakar, dan gas buang lintas batas. Sebuah skema seperti pada Gambar. 1.2b sering sudah cukup untuk analisis rekayasa.

Massa kontrol jangka kadang-kadang digunakan di tempat sistem tertutup, dan sistem terbuka istilah digunakan bergantian dengan kontrol volume. Ketika istilah mengendalikan massa dan volume kendali yang digunakan, batas sistem sering disebut sebagai permukaan kontrol.

1.1.2 Pandangan Makroskopik Dan Mikroskopik Dari Termodinamika

Sistem dapat dipelajari dari makroskopik atau sudut pandang mikroskopik. Pendekatan scopic makro untuk termodinamika berkaitan dengan perilaku kotor atau keseluruhan. Ini kadang-kadang disebut termodinamika klasik. Tidak ada model struktur materi pada tingkat molekul, atom, dan subatom langsung digunakan dalam termodinamika klasik. Meskipun perilaku sistem dipengaruhi oleh struktur molekul, namics thermody- klasik memungkinkan aspek penting dari perilaku sistem yang akan dievaluasi dari pengamatan dari sistem secara keseluruhan.

Pendekatan mikroskopis untuk termodinamika, yang dikenal sebagai termodinamika statistik, berkaitan langsung dengan struktur materi. Tujuan termodinamika statistik adalah untuk mengkarakterisasi dengan cara statistik perilaku rata-rata dari partikel penyusun sistem bunga dan menghubungkan informasi ini dengan perilaku makroskopik diamati dari sistem.

Untuk aplikasi yang melibatkan laser, plasma, arus gas kecepatan tinggi, kinetika kimia, suhu yang sangat rendah (kriogenik), dan lain-lain, metode termodinamika statistik yang Essen- esensial. Selain itu, pendekatan mikroskopis adalah berperan dalam mengembangkan data tertentu, misalnya, khusus seleksi gas ideal (Sec. 3.5.1). Untuk sebagian besar aplikasi teknik, termodinamika klasik tidak hanya memberikan pendekatan jauh lebih langsung untuk analisis dan desain tetapi juga membutuhkan komplikasi matematika jauh lebih sedikit. Untuk alasan ini sudut pandang makroskopik adalah salah satu yang diadopsi dalam buku ini. Ketika itu berfungsi untuk mempromosikan pemahaman, bagaimanapun, konsep diinterpretasikan dari sudut pandang mikroskopik. Akhirnya, efek relativitas tidak signifikan untuk sistem yang dipertimbangkan dalam buku ini.

1.2 Sifat, Keadaan, Dan Proses Equilibrium

Untuk menggambarkan sistem dan memprediksi perilaku membutuhkan pengetahuan tentang sifat-sifatnya dan bagaimana sifat terkait. sifat A merupakan karakteristik makroskopik sistem sepertii massa, volume, energi, tekanan, dan suhu yang nilai numerik dapat diberikan pada waktu tertentu tanpa pengetahuan tentang perilaku sebelumnya (sejarah) dari sistem. Banyak properti lainnya dianggap selama studi teknik termodinamika kami. Termodinamika juga berhubungan dengan jumlah yang tidak sifat, seperti tingkat aliran massa dan transfer energi oleh kerja dan panas. Contoh tambahan darii jumlah yang tidak properti disediakan dalam bab-bab berikutnya. Sebuah cara untuk membedakan nonproperties dari lahan milik diberikan segera.

kata keadaan mengacu pada kondisi sistem seperti yang dijelaskan oleh sifat-sifatnya. Karena biasanya ada hubungan antara sifat-sifat suatu sistem, keadaan sering ditetapkan dengan memberikan nilai-nilai didalam properti. Semua properti lainnya dapat ditentukan dalam hal beberapa ini.

Ketika salah satu dari sifat-sifat perubahan sistem, perubahan keeadaan dan sistem dikatakan telah mengalami proses. Proses adalah sebuah transformasi dari satu keadaan ke yang lain. Akan tetapi, jika sistem menunjukkan nilai yang sama dari sifat-sifatnya pada dua waktu yang berbeda, itu adalah di kondisi yang sama di kali ini. Suatu sistem dikatakan kondisi yang bermanfaat jika tidak ada sifat-sifatnya berubah dengan waktu.

Siklus termodinamika adalah urutan proses yang dimulai dan berakhir di negara yang sama. Pada akhir siklus semua properti memiliki nilai yang sama mereka memiliki di awal. Akibatnya, lebih dari siklus sistem mengalami tidak ada perubahan keadaan. Siklus yang berulang secara periodik memainkan peran utama dalam banyak bidang aplikasi. Misalnya, uap beredar melalui pembangkit tenaga listrik mengeksekusi siklus.

Pada keadaan tertentu setiap properti memiliki nilai yang pasti yang dapat diberikan tanpa pengetahuan tentang bagaimana sistem tiba di kondisi itu. Oleh karena itu, perubahan nilai dari properti sebagai sistem diubah dari satu kondisi ke yang lain ditentukan semata-mata oleh kedua kondisi akhir dan independen dari cara tertentu perubahan keadaan terjadi. Artinya, perubahan itu digantungkan dari rincian proses. Sebaliknya, jika nilai kuantitas independen dari proses antara dua kondisi, maka kuantitas yang merupakan perubahan properti. penyediaan ini untuk menentukan apakah kuantitas adalah properti: kuantitas A adalah properti jika perubahan dalam nilai antara dua keadaan independen dari proses. Oleh karena itu jika nilai dari kuantitas tertentu tergantung pada rincian dari proses, dan bukan semata-mata pada negara akhir, kuantitas yang tidak dapat properti.

1.2.1 Sifat ekstensif Dan Intensif

Sifat termodinamika dapat ditempatkan dalam dua kelas umum: luas dan intensif. Aproperty disebut luas jika nilainya untuk sistem secara keseluruhan adalah jumlah dari nilai-nilai untuk bagian-bagian di mana sistem ini dibagi. Massa, volume, energi, dan beberapa ikatan tepat-lain diperkenalkan kemudian yang luas. Sifat ekstensif tergantung pada ukuran atau luas dari suatu sistem. Sifat ekstensif sistem dapat berubah dengan waktu, dan banyak analisis termodinamika terutama terdiri dari perhitungan yang hati-hati untuk perubahan sifat luas seperti massa dan energi sebagai suatu sistem berinteraksi dengan lingkungannya.

Sifat intensif tidak aditif dalam arti dianggap sebelumnya. Nilai-nilai mereka adalah independen dari ukuran atau tingkat sistem dan mungkin berbeda dari satu tempat ke tempat dalam sistem setiap saat. Dengan demikian, sifat intensif mungkin fungsi dari kedua posisi dan waktu, sedangkan sifat ekstensif bervariasi pada sebagian besar dengan waktu. Volume spesifik (. Sec 1.4), tekanan, dan suhu adalah properti intensif penting; beberapa properti intensif lainnya di- troduced dalam bab-bab berikutnya.

Untuk menggambarkan perbedaan antara lahan milik luas dan intensif, dengan mempertimbangkan. Massa keseluruhan adalah jumlah massa dari bagian-bagian, dan volume keseluruhan adalah jumlah dari volume bagian. Namun, suhu keseluruhan tidak jumlah dari suhu bagian; itu adalah sama untuk setiap bagian. Massa dan volume yang luas, tetapi suhu adalah intensif.

1.2.2 Fase Dan Zat Murni

Tahap merujuk kuantitas materi yang homogen di seluruh di kedua komposisi ical chem- dan struktur fisik. Homogenitas dalam struktur fisik berarti bahwa masalah ini adalah semua padat, atau semua cairan, atau semua uap (atau ekuivalen semua gas). Sebuah sistem dapat berisi satu atau lebih fase. Misalnya, sistem air dan uap air cair (uap) laser mengandung dua tahap. Bila lebih dari satu fase hadir, fase dipisahkan oleh batas-batas fase. Perhatikan bahwa gas, mengatakan oksigen dan nitrogen,

dapat dicampur dalam proporsi apapun untuk membentuk fasa gas tunggal. Cairan tertentu, seperti alkohol dan air, dapat dicampur untuk membentuk fase cair tunggal. Tapi cairan seperti minyak dan air, yang tidak larut, bentuk dua fasa cair.

Sebuah bahan murni adalah salah satu yang seragam dan tidak berubah-ubah dalam komposisi kimia. Sebuah bahan murni bisa eksis di lebih dari satu fase, tetapi komposisi kimianya harus sama di setiap tahap. Misalnya, jika air cair dan uap air membentuk sistem dengan dua fase, sistem dapat dianggap sebagai zat murni karena setiap fase memiliki suatu komposisi yang sama. Campuran seragam gas dapat dianggap sebagai zat murni asalkan tetap gas dan tidak bereaksi secara kimia. Perubahan komposisi karena reaksi kimia yang dipertimbangkan dalam Chap. 13. Sebuah sistem yang terdiri dari udara dapat dianggap sebagai zat murni selama itu adalah campuran dari gas; tetapi jika fase cair harus terbentuk pada pendinginan, cairan akan memiliki komposisi yang berbeda dari fase gas, dan sistem tidak akan lagi menjadi con- sidered zat murni.

1.2.3 Ekuilibrium

Termodinamika klasik menempatkan penekanan utama pada keadaan setimbang dan perubahan dari satu keadaan setimbang ke keadaan yang lain. Dengan demikian, konsep kesetimbangan merupakan hal yang mendasar. Dalam mekanika, kesetimbangan berarti kondisi kesetimbangan dipertahankan oleh kesetaraan gaya yang berlawanan. Dalam termodinamika, konsep ini lebih lebih jauh, termasuk tidak hanya keseimbangan kekuatan tetapi juga keseimbangan pengaruh lainnya. Setiap jenis pengaruh mengacu pada aspek tertentu termodinamika, atau lengkapnya kesetimbangan. Sesuai beberapa jenis keseimbangan harus ada secara individual untuk memenuhi kondisi ekuilibrium lengkap antara lain adalah mekanik, termal, fase, dan kesetimbangan kimia. Kriteria untuk ke empat kesetimbangan dibahas dalam diskusi berikutnya. Untuk saat ini kita mungkin berfikir pengujian untuk melihat apakah system berada dalam kesetimbangan termodinamika dengan prosedur berikut: mengisolasi system dari lingkungannya dan menonton untuk perubahan sifat yang dialami. Jika tidak ada perubahan, dapat disimpulkan bahwa system itu dalam kesetimbangan pada saat terisolasi. System tersebut dapat dikatakan dalam keadaan setimbang.

Ketika system terisolasi, tidak dapat berinteraksi dengan lingkungannya; namun, keadaan bisa berubah sebagai konsekuensi dari peristiwa spontan yang erjadi secara internal sebagai sifat intensif, seperti suhu dan tekanan, sepuluh terhadap nilai-nilai yang seragam. Ketika semua perubahan tersebut berhenti, system ini dalam kesetimbangan. Maka, untuk system yang berada dalam kesetimbangan itu harus menjadi fase tunggal atau terdiri dari sejumlah fase yang tidak memiliki kecenderungan untuk mengubah kondisi mereka ketika seluruh system terisolasi dari lingkungannya. Pada kesetimbangan, suhu seragam di seluruh system. Tekana juga dapat dianggap sebagai seragam di seluruh asalkan efek gravitasi tidak signifikan; jika variasi tekanan bisa ada, seperti dalam kolom vertikal cair.

Dalam bagain berikutnya dari buku ini jenis ideal dari proses yang disebut equasiequilibrium (quasi atau statis) proses dianggap. Proses qusiequilibrium adalah salah satu dimana keberangkatan dari termodinamika equilibrium adalah paling kecil sekali. Semua keadaan dimana system melewati proses quasiequilibrium dapat dianggap keadaan setimbang. Karena efek non equilibrium yang pasti hadir

selama proses yang sebenarnya, system bunga rekayasa dapat dilakukan pendekatan yang terbaik, tapi tidak pernah menyadari, jenis ini ideal dari proses. Kepentingan kita dalam konsep proses quasiequilibrium terutama berasal dari dua pertimbangan. Pertama, model termodinamika sederhana memberikan setidaknya informasi kualitatif tentang perilaku system yang sebenarnya kepentingan sering dapat dikembangkan dengan menggunakan konsep proses quasiequilibrium. Ini mirip dengan penggunaan idealisasi seperti gesekan mekanik katrol untuk tujuan menyederhanakan analisis. Kedua, konsep proses kesetimbangan kuasi berperan dalam menyimpulkan hubungan yang ada diantara sifat-sifat system pada kesetimbangan.

Tidak ada persyaratam bahwa system menjalani proses yang sebenarnya berada dalam kesetimbangan Selama proses tersebut. Beberapa atau semua keadaan intervensi mungkin keadaan – keadaan non-equilibrium. Untuk banyak proses seperti kita terbatas untuk mengetahui keadaan sebelum proses terjadi dan keadaan setelah proses selesai. Namun, bahkan jika keadaan – keadaan intervensi dari system yang tidak diketahui, sering mungkin untuk mengevaluasi hal tertentu atas semua efek yang terjadi selama proses. Contoh diberikan dalam bab berikutnya dalam pembahasa kerja dan panas. Biasanya, keadaan-keadaan non equilibrium menunjukkan variasi spasial dalam sifat intensif pada waktu tertentu. Juga pada posisi tertentu sifat intensif mungkin berbeda dengan waktu, kadang – kadang berantakan. Variasi spasial dan temporal dibagian seperti suhu, tekanan, dan kecepatan dapat diukur secara akurat dalam kasus tertentu. Itu juga mungkin untuk mendapatkan informasi ini dengan memecahkan persamaan deferensial, baik analitis atau dengan computer.

1.6 Metode Untuk Pemecahan Masalah Termodinamika

Langkah pertama dalam definisi analisis seni termodinamika sistem dan identifikasi interaksi yang relevan dengan lingkungan. Perhatian kemudian beralih ke hukum-hukum fisika yang bersangkutan dan hubungan yang memungkinkan perilaku sistem yang akan dijelaskan. kebanyakan menggunakan analisis, langsung atau tidak langsung, satu lagi dari tiga hukum dasar

Undang-undang ini, yang independen dari substansi tertentu atau zat yang dipertimbangkan, adalah

? konservasi prinsip massa

? konservasi energi prinsip

? hukum kedua termodinamika

Selain itu, hubungan antara sifat bahan tertentu atau zat dianggap biasanya diperlukan (bab. 3, 6, 11-14). Hukum Newton kedua gerak (bab. 1, 2, 9), hubungan seperti model konduksi Fourier (Bab. 2), dan prinsip-prinsip ekonomi rekayasa (Bab. 7) juga mungkin memainkan peran

Tujuan utama dari buku ini adalah untuk membantu Anda belajar bagaimana untuk memecahkan masalah rekayasa yang melibatkan prinsip-prinsip termodinamika. Untuk tujuan ini banyak contoh

dipecahkan dan end-of-bab masalah disediakan. Hal ini sangat penting bagi Anda untuk mempelajari contoh dan memecahkan masalah, untuk penguasaan dasar-dasar datang hanya melalui praktek.

Untuk memaksimalkan hasil usaha Anda, perlu untuk mengembangkan pendekatan yang sistematis. Anda harus berpikir hati-hati tentang solusi Anda dan menghindari godaan dari masalah mulai di tengah dengan memilih beberapa persamaan yang tampaknya tepat, mengganti dalam jumlah, dan cepat "meninju up" hasil pada kalkulator Anda. Seperti pendekatan pemecahan masalah serampangan dapat menyebabkan kesulitan sebagai masalah menjadi lebih rumit. Oleh karena itu, kami sangat menyarankan bahwa solusi masalah diselenggarakan menggunakan lima langkah di dalam kotak be- rendah, yang digunakan dalam contoh diselesaikan dari teks ini.

Format solusi masalah yang digunakan dalam teks ini dimaksudkan untuk membimbing pemikiran Anda, bukan pengganti untuk itu. Dengan demikian, Anda diperingatkan untuk menghindari penerapan hafalan dari lima langkah, untuk ini saja akan memberikan beberapa manfaat. Dalam beberapa contoh sebelumnya dan end-of-bab masalah, format solusi mungkin tampak tidak perlu atau berat. Namun, karena masalah menjadi lebih rumit Anda akan melihat bahwa itu mengurangi kesalahan, menghemat waktu, dan memberikan pemahaman yang lebih dalam masalah yang dihadapi.