Bahan Ajar Thermo

5/13/2018 Bahan Ajar Thermo - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/bahan-ajar-thermo 1/54

PANDANGAN UMUM TENTANG

THERMODINAMIKA

Thermodinamika adalah ilmu yang

membahas hubungan antara panas

dengan kerja. Hubungan ini didasarkan

pada dua hukum-hukum dasar

thermodinamika, yaitu HUKUMTHERMODINAMIKA PERTAMA dan

HUKUM THERMODINAMIKA KEDUA.



PANDANGAN UMUM TENTANG

THERMODINAMIKA

Kedua hukum dasar ini akan dibicarakan

pada bab III dan bab V berikutnya.Prinsif-prinsif dan metode-metode

thermodinamika dipakai pada perencanaan-

perencanaan motor-motor bakar (Turbin), pusat-

pusat tenaga nuklir, pesawat-pesawat pendingin,

roket (pesawat terbang), pesawat-pesawat dengantenaga listrik dan lain-lain.



SISTEM THERMODINAMIKA

Pada pelajaran (pengetahuan)

thermodinamika, benda kerja yangdimaksudkan sering disebut dengan

si st em. Hal ini dimaksudkan untuk

memisahkan benda kerja dengan

sekelilingnya (sekitarnya).




Adapun definisi dari sistem adalah : suatu batasan yang dipakai untuk menunjukan suatu benda (bendakerja) dalam suatu permukaan

tertutup.



Misalnya :

*) Udara dikompresi di dalam silinder.Dalam hal ini sistem adalah udara yang

dikompresikan dan permukaan tertutup

adalah permukaan yang dibatasi silinder




KOORDINAT SISTEM DAN KEADAAN SISTEM

Pada thermodinamika, volume V, temperatur T,

tekanan P, kerapatan dan lain-lain disebut sebagai

koordinat sistem. Keadaan sistem tergantung padakoordinat sistem, bila koordinat sistem berubah maka

keadaan sistem akan berubah. Sehingga koordinat

sistem sering disebut sebagai perubah (variabel)

keadaan sistem/zat. Dimana perubahan keadaan

sistem dari suatu keadaan ke keadaan lain dapatdigambarkan pada diagram V, T, P.



Dalam thermodinamika, besaran sistem dapat dibagi

menjadi dua besaran thermodinamika yaitu : besaran

Extensive dan besaran Intensive. Besaran extensivedipengaruhi oleh massa atau mole sistem, sedangkan

besaran intensive tidak dipengaruhi oleh massa atau

mole sistem sistem.

Contoh :Besaran extensive : Volume, Kapasitas Panas, Kerja (energi), entropy dll.

Besaran intensive : Tekanan, Temperatur, kerapatan dll.




Dari besaran-besaran extensive akan

diperoleh harga-harga jenis (specific Value) dan harga-

harga molar (molal specific value) dari suatu sistem,

seperti berikut :*) Haraga Jenis (specific value) adalah

perbandingan antara besaran

extensive dengan massa sistem/zat.

sistemmassa

extensive Besaran Jenisa H !arg




Contoh :

Volume jenis dari sistem:

¹¹ º

¸©©ª

¨!

lb

f t

kg

m

m

V v

33

;

V = Volume sebenarnya (m3 ; ft3)

M = massa sistem (kg ; lb)




**) Haraga jenis molar adalah perbandingan antarabesaran extensive dengan jumlah mole dari suatu

sistem/zat.

sistemmol e juml ah

extensivebesaranmol ar Jenisa H !arg

¹¹ º ¸©©

ª¨

!

mol elb f t

mol ekg m

nV v

33

;*

¹¹ º

¸©©ª

¨

!!

mol elb

lb

mol ekg

kg sistemmol ekul berat M

M

mn ;;

Contoh :

Volume Jenis Molar :

Dimana :




M m

V

v /* !

m

V M v

.* !

v M v .* !

Maka :




¹¹ º ¸©©

ª¨!! 33

;1 f t lb

mkg

vV m V

V

M v !*

Untuk kerapatan suatu sistem/zat dapat dibuat

hubungan sebagai berikut :

Sehingga didapat :




TEKANAN (PRESSURE)

Bila permukaan suatu zat (padat, cair dan gas)menerima gaya-gaya luar maka bagian permukaan zatyang menerima gaya tegak lurus akan mengalamitekanan (tertekan).

Gaya tegak lurus pada permukaan tersebut dibagi luaspermukaannya disebut T ekanan. Dengan rumus dapatditulis :

¹¹ º

¸©©ª

¨! 22 ; f t

lb

m

kg

A

F P



lbkg permukaanl urustegak gaya F ;! 22

; f t m F gayamenerima yang permukaanl uas A !

Dimana :

Dalam thermodinamika, tekanan p

umumnya dinyatakan dalam harga absolut(tekanan absolut/mutlak), maka dalam diktat ini simbol p menyatakan tekanan absolut dari sistem/zat

Tekanan absolut tergantung pada tekananpengukuran sistem, jadi:



1.Bila tekanan pengukuran (pressure gauge)sistem diatas tekanan atmosfir, maka :

Tekanan absolut = Tekanan pengukuran + Tekanan Atmosfir

Atau :

Pabs = P gauge + P atm

2.Bila tekanan pengukuran (pressure gauge)sistem di bawah tekanan atmosfir maka :

Tekanan absolut = Tekanan atmosfir ± Tekanan pengukuran

Atau :

Pabs = Patm ± Pgauge



Dalam satuan British, tekanan absolut dantekanan pengukuran masing-masingdinyatakan dalam psia (pound persquare inchabsolut) dan psig (pound persquare inch

gauge).

1 standard atmosfir = 1,01324 x 105 N/m2

= 14,7 lb/in2

= 10332 kg/m2



TEMPERATUR

HUBUNGAN ANTARA SKALA KELVIN, CELCIUS,RANKINE DAN FAHRENHEIT

Skala temperatur mutlak ada dua macam yakni :

Dalam satuan internasional

Tabs = 273 + T 0C (0K)

Dalam satuan British

Tabs = 460 + T 0F (0R)



Dimana :

T 0F = 9/5(T 0C) + 32

T 0C = 5/9(T 0F - 32)

Hubungan antara skala temperatur kelvin, celcius, rankinedan fahrenheit

0F0R 0K 0C

Ttk. didih

Ttk didih

Nol absolut

373672 212 100

0 - 460

492 32 273

0

0

- 273



PERSAMAAN KEADAAN

PERSAMAAN KEADAAN GAS IDEAL (GAS SEMPURNA)

Dalam thermodinamika, gas yangdipergunakan sebagai benda kerja umumnyasemuanya dianggap bersifat sebagai gas ideal.

Hal ini disebabkan karena sifat-sifat gas idealhanya berbeda sedikit dari sifat-sifat gas yangsebenarnya

G as ideal (sempurna) adalah gas dimana

tenaga ikat molekul-molekulnya dapatdiabaikan. Jadi setiap gas Bila tenaga ikatmolekul-molekulnya dapat diabaikan tergolongdalam gas ideal



Adapun persamaan gas ideal untuk

satuan massa adalah sebagai berikut :

P.v = RT

Dimana :

P = Tekanan absolut (N/m2) ; lb/ft2 ; kg/m2)

v = volume jenis gas (m3 /kg ; ft3 /lb)R = Konstanta gas (joule/kg-mole ; ft.lb/lb-mole)T = Temperatur absolut gas (0K ; 0R)



Untuk massa m persamaan gas ideal dapat ditulis :

P.V = m.R.T

Dimana :

V = volume gas sebenarnya (m3 ; ft3)M = massa gas (kg ; lb)

Untuk jumlah mole gas persamaan gas ideal menjadi :

Pv* = R0T



Atau :

PV = n.R0.T

Dimana :

Dengan:

R = R0 /MDimana :M = berat molekul gas (kg/kg-mole ; lb/lb-mole)

n = jumlah mole gas (kg-mole ; lb-mole)

v* = volume jenis molar (m3 /kg-mole ; ft3 /lb-mole)R0 = konstanta gas universil (joule/kg-mole.0K ; ft.lb/lb-

mole.0R)



Harga R0 adalah:

K mol ekg

Nm R

0

3

0

.10.3149,8

!

K mol ekg

mkg R

00

.

.848

!

Rmol elb

lb f t R

00.

.33,1545

!



PERUBAHAN KEADAAN GAS IDEAL

Pada gas ideal terdapat empat macam perubahankeadaan istimewa yaitu :

1. Perubahan keadaan dengan proses temperaturkonstan (Isothermal/isothermis)

P

VV1

V2

1

2 Gas dimasukan kedalam silindertorak. Keadaan gas akan dirubahdari keadaan 1 ke keadaan 2dengan menekan torak. Suhugas dijaga agar tetap konstandengan jalan mendinginkan danmemanaskan silinder

T=konstan

P±V Diagram Proses Isothermal



2. Perubahan keadaan dengan proses volumekonstan (isometric ; isochoris)

1

2P2

P1

V = konstan

V

Pkeadaan gas dirubahdari keadaan 1 kekeadaan 2 denganmemanaskan silinder,sedang torak ditahansupaya janganbergerak sehinggavolume gas dalamsilinder tetap konstan

P-V Diagram Proses Isochoris



3. Perubahan keadaan dengan proses tekanan konstan(isobaric)

1 2

P1 = P2

V1

V

P

V2

Keadaan gas dirubahdari keadaan 1 kekeadaan 2 dengan

memanaskan silinder,sedang torak dibuatbebas bergeraksehingga tekanan gasdalam silinder tetapkonstan

P-V Diagram Proses Isobaric



HUKUM THERMODINAMIKA PERTAMA

Bila kita berikan sejumlah panas kecil dQpada satu sistem, maka sistem tersebut akanberekspansi dan melakukan kerja luar yangkecil sebesar dW.




1.Pertambahan kecepatan molekul darisistem.

2.Pertambahan jarak antara molekul-molekul

sistem karena sistem berekspansi.

Tetapi disamping itu, pemanasan terhadapsistem juga akan menimbulkan hal-hal :



Energi yang diperlukan untuk hal ini disebut

pertambahan energi dalam (internal energy).Jadi panas dQ sebagian dirubah untukpertambahan energi dalam. Selain itu jugasistem mengalami pertambahan energi kinetik

dan pertambahan energi potensial luar akibatgaya-gaya konservatif luar seperti gaya gravitasidan lain-lain.





Bila kita buat :dU = Pertambahan energi dalam

dEk = Pertambahan energi kinetikdEp = Pertambahan energi potensial luar.

Maka dapatlah kita buat persamaan energi untuksistem tadi :

dQ = dW + dU + dEk + dEp



Persamaan ini menyatakan prinsip konservasienergi dari suatu sistem dan menjadi hukum

thermodinamika pertama secara matematic .Tapi dalam persoalan thermodinamika,sistem-sistem sebagian besar mengalamienergi kinetik dan energi potensial yang

konstan (pada sistem-sistem yang diisolasi)atau dEk = 0 dan dEp = 0





dQ = dU + dW

Maka hukum thermodinamika pertama menjadi :



Bila kerja negative , berarti system menerima kerja(kerja luar) dari sekelilingnya. Bila kerja positif , berarti

system melakukan kerja terhadap sekelilingnya. Untuk

menjelaskan hal ini marilah kita tinjau suatu silinder berisi gas yang dilengkapi dengan torak yang dapat bergerak

dVV

P

V1 V2

ds

1

2

P-V Diagram, Kerja Gas dlm Silinder



Kerja Pada Perubahan Keadaan

1

2

... V

V LnT RmW !

P

V

P1

P2

V2V1

Temperatur Konstan/isothermal

Sistem berubah darikeadaan 1 ke keadaan 2dengan temperaturkonstan.

T = konstanT1 = T2

1

2



W = P(V2 ± V1)

Tekanan Konstan/isobaric

P

V

P1 = P2

V2V1

1 2Sistem berubah darikeadaan 1 ke keadaan 2dengan tekanan konstan.P = konstanP1 = P2

Volume Konstan W = 0 why?



PANAS JENIS (SPESIFIC HEAT)

Bila pada suatu sistem diberikan panas dQhingga menaikan temperatur sistem sebesar dT, maka perbandingan panas dQ dengankenaikan temperatur dT disebut kapasitas

panas dari sistem.

Bila C adalah kapasitas panas dari sistem, maka :

d T

d W dU

d T

dQC

!!



Bila proses berjalan dengan volume konstan,maka kapasitas panas tersebut diatas disebutdengan kapasitas panas pada volume konstan

disimbolkan dengan Cv. Selanjutnya bilaproses berjalan dengan tekanan konstan,maka kapasitas panas tersebut disebut dengankapasitas panas pada tekanan konstan yangdisimbolkan dengan Cp.



Kapasitas panas C persatuan massa mdisebut panas jenis (specific heat) disimboldengan c, jadi panas jenis suatu sistemadalah :

d T m

dQ

m

C c

.!!



Panas yang masuk kesistem persatuan massa

untuk perubahan temperatur dT, besarnya :

dq = c.dT

Untuk proses dengan volume konstan :

dq = du = cv.dT

Untuk proses dengan tekanan konstan :

dq = cp.dT



Panas total yang masuk kesistem (untuk massa m),besarnya :

dQ = m.dq = m.cp.dT

atau :

d T cmQ

T

T p.

2

1́!



Bila cp konstan, maka :

Q = m.cp (T2 ± T1)

Untuk proses dengan volume konstan :

Q = U2 ± U1 = m cv (T2 ± T1)

Untuk semua gas dapat ditulis :

cp ± cv = R dimana : cp/cv = , maka :

cv = R / ( ± 1)

cp = .R / ( ± 1)



PENGGUNAAN HUKUM THERMODINAMIKA

PERTAMA

PROSES ADIABATIK

Perubahan keadaan disebut adiabatik bila tidakada panas yang dikeluarkan/diterima sistemdari/terhadap sekelilingnya atau dq = 0.



Hal ini dimungkinkan bila sistem diisolasi.Kejadian ini terjadi pada motor-motor bakar

jenis diesel, pada akhir kompresi temperaturudara sangat tinggi hingga sanggup

membakar bahan bakar tanpa menggunakanbunga api.

PENGGUNAAN HUKUM

THERMODINAMIKA PERTAMA



Pandang suatu silinder berisolasi berisi gas yang dilengkapidengan piston seperti terlihat pada gambar berikut :

P-V Diagram Proses Adiabatik

Hukum thermodinamika pertama

dq = du + dw

0 = du + dw

U2 ± U1 = - W

atau

U1 ± U2 = W



)(

1

12211

V P V P W

!

K

)(1

11122 V P V P W

!K

Kerja pada proses Adiabatik

Pada proses Ekspansi Adiabatik

Pada proses kompresi Adiabatik



ENTALPY

H = U + P.V

Q = H2 ± H1

H2 ± H1 = m.cp(T2 ± T1)

h2 ± h1 = cp(T2 ± T1)

Entalpy suatu sistem adalah penjumlahan dari energi dalamdengan hasil kali tekanan dan volume sistem.



4-1. Kompresi adiabatik

3-4. Kompresi isothermal

2-3. Ekspansi adiabatik

1-2 . Ekspansi isothermal

PROSES MELINGKAR CARNOT



Kerja pada proses ekspansi isothermal 1-2 :

¹

¹

º

¸

©

©

ª

¨!! ´

1

2

21....

2

1 V

V LnT Rmd V P W

v

v

Kerja pada proses ekspansi adiabatik 2-3 (dQ = 0 ; dW = - dU) :

)(.)(. 1221

3

2

2

1

2

T T cmT T cmd T cmdU W vv

T

T

v !!!! ´´

Kerja pada proses kompresi isothermal 3-4 :

¹¹ º

¸©©ª

¨!! ´

3

4

13....

4

3

V

V LnT Rmd V P W

v

v

Kerja pada proses kompresi adiabatik 4-1 :

)(. 12

1

4

4

2

1

T T cmd T cmdU W v

T

T

v !!! ´´



Pada proses ekspansi isothermal 1-2 dan proses

kompresi isothermal 3-4, energi dalam gas idealadalah konstan, maka :

W2 = Q2 ; W1 = Q1

Dengan demikian kerja netto pada proses melingkarcarnot menjadi :

W = Q2 ± Q1



Efisiensi thermis dari lingkaran carnot adalah :

2

12

2 QQQ

Q

W t

!!L

2

12

T

T T

t

!L

2

1

2

1

T T

QQ !

Dari kedua persamaan diatas didapat hubungan :



Skema diagram alir untuk mesin panas carnot



REFRIGERATOR (PENDINGIN) CARNOT

Karena proses melingkar carnot adalah prosesreversibel, maka proses dapat dibalik

Proses yang dibalik ini disebut dengan refrigerator

carnot. Jadi refrigerator carnot bekerja dengankebalikan dari mesin panas carnot. Mesin carnot disebutdengan direct cycle sedang refrigerator carnot disebutreversed cycle

Refrigerator carnot menerima kerja luar W danmenyerap panas Q1 dari reservoar dingin (heat sink)temperatur T1 serta memberikan panas Q2 ke reservoarpanas temperatur T2



Skema diagram alir Refrigerator carnot



Jadi dapat dibuat hubungan :

W = Q2 ± Q1

Koefisien of Performan :

12

1

12

11

T T

T

QQ

Q

W

Qc

!

!!

Bahan Ajar Thermo

Documents

Transcript of Bahan Ajar Thermo