Konsep dan Definisi dalam Termodinamika

Konsep dan Definisi dalam Termodinamika

Haolia Rahman PhD

Bagian 1 Termodinamika

Definisi

Kata Termodinamika (Thermodynamics) berasal dari kata Bahasa Yunani therme dan dynamic

-Therme = Panas

-Dynamic = Gerakan, kerja, daya

Tujuan awalnya untuk mempelajari konversi panas menjadi kerja/daya

Peran Termodinamika

• Termodinamika merupakan salah satu ilmu dasar bagi seorang Engieener yang berkerja dalam sistem termal

-Tetapi umumya tidak disebutkan Engineer termodinamika

Aplikasi Termodinamika

Aplikasi Termodinamika

Aplikasi Termodinamika

Aplikasi Termodinamika

Aplikasi Termodinamika

Sistem Termodinamika

• Sistem adalah objek yang dinamis.

Dapat berupa diagram benda bebas yang sederhana sampai sistem kilang minyak /gas terintegrasi

• Segala sesuatu di luar sistem dikatagorikan lingkungan (Surrounding) dari sistem

• Batas (boundary), membatasi sistem dari lingkungan

Sistem, Batas dan Lingkungan

Sistem

Lingkungan Batas

Sistem

• Sistem dapat dibedakan menjadi dua jenis:

-Massa atur / sistem tertutup (control mass / closed system) -Volume atur / sistem terbuka (control volume / open system)

Sistem Massa Atur (Control Mass)

• Sistem massa atur mempelajari zat di dalam sistem dan mempunyai massa konstan

-Selalu berisi zat penyusun yang sama

-tidak ada perpindahan massa melewati batas sistem

• Suatu sistem massa atur yang tidak “berinteraksi” sama sekali dengan lingkungan disebut sistem terisolasi (isolated system)

Volume Atur (Control Volume)

• Volume / region di dalam sistem yang menjadi fokus analisis

• Region ini disebut volume atur (control volume)

• Massa atau fluida kerja dapat masuk dan keluar

• Volume atur melalui batasnya (boundary)

Sistem 1

Massa atur

Sistem 2

Cair Gas

Q Q

Massa atur

Sistem 3

Volume atur

Sistem-4

Volume atur

Sistem-5

Volume atur

Memilih Batas Sistem

• Batas sistem harus ditentukan dengan cermat sebelum memulai anlalisa termodinamika

• Dua pertimbangan:

-Apa yang diketahui dari sistem tersebut terutama pada batasannya -Tujuan analisa

Tingkat kedaan udara masuk dan keluar kompresor diketahui dan tujuan analisa untuk

menentukan daya listrik yang diperlukan

Daya listrik diketahui dan tujuan analisa untuk menentukan waktu yang diperlukan kompresor

supaya tekanan di dalam tangki naik ke level tertentu

Sistem dan Batas (boundary)

Batas Baru

Batas baru dapat dipilih jika tujuan analisanya adalah

menghentikan perpindahan panas antara material engine dengan udara luar

Sistem Massa Atur

Massa Atur – Melakukan Suatu Proses

Sistem Volume Atur

Sistem dan Perilakunya

• Suatu sistem dapat dipelajari dari sudut pandang secara makro atau mikro

• Sudut pandang makro:

- Berhubungan dengan karakteristik secara keseluruhan atau bruto - Tidak memodelkan struktur zat penyusunnya

- Termodinamika klasik

• Sudut pandang mikro:

- Berhubungan secara lansung dengan struktur zat penyusun - Tujuan melakukan kajian karakteristik dari partikel-partikel - Termodinamika statistik

Sifat, Tingkat Keadaan dan Proses

Termodinamika

Sifat (Property)

Sifat (property) adalah karakteristik makrokopis dari suatu sistem seperti massa, volume, energy, tekanan dan temperatur, yang mempunyai nilai

tertentu pada saat tertentu tanpa harus mengetahui karakterisitik atau proses sistem sebelumnya (history)

Tingkat Keadaan (State)

Tingkat keadaan (State) mengacu pada kondisi sistem yang dideskripsikan oleh sifat-sifatnya

Proses (Process)

Proses (process) adalah transformasi dari suatu tangkat keadaan ke

tingkat keadaan lainnya

Proses Termodinamika

Proses – Kompresi

Suatu sistem dalam keadaan stedi atau tunak (steady state) jika tidak ada sifat- sifatnya yang berubah dengan

berjalannya waktu

Sifat Ekstensif dan Intensif

• Suatu sifat disebut ekstensif jika nilainya dari suatu sistem secara keseluruhan merupakan penjumlahan dari subsistem-subsistem

• Sifat intensif adalah sama untuk tiap subsistem atau sistem secara keseluruhan

- Nilai tidak tergantung ukuran sistem

- Dapat bervariasi dari satu tempat ke tempat lainya dalam satu sistem pada saat waktu tertentu

• Dengan demikian sifat intensif dapat merupakan fungsi dari lokasi dan waktu, sementara sifat ekstensif dapat bervariasi hanya terhadap

waktu saja

Verifikasi (I)

A Massa = 1 kg B

Volume = 1 m³ Tekanan = 1 bar Energi = 10 Joule Massa Jenis = 1 kg/m³

A Massa = 0.5 kg Volume = 0.5 m³ Tekanan = 1 bar

Massa Jenis = 1 kg/m³ Energi = 5 Joule

B Massa = 0.5 kg Volume = 0.5 m³

Tekanan = 1 bar

Massa Jenis = 1 kg/m³ Energi = 5 Joule

Ekstensif Intensif

Massa Tekanan

Volume Temperatur Energi Massa jenis

Kesetimbangan (eqibilibrium)

• Termodinamika klasik umumnya memperlakukan sistem dalam kondisi kesetimbangan

• Dalam mekanika, kesetimbangan berarti kondisi dimana jumlah gaya total gaya (serah dan berlawanan) sama dengan nol

• Dalam Termodinamika: keseimbangan gaya DAN ksetimbangan pengaruh (influence) lainnya

• Berapa tipe kesetimbangan harus dipenuhi untuk mencapai kesetimbangan menyeluruh - Kesetimbangan mekanik

- Kesetimbangan termal - Kesetimbangan fasa - Kesetimbangan kimia

• Mengecek kesetimbangan

- Isolasi sistem dari lingkungannya - Perhatikan perubahan sifat-sifatnya

- Jika tidak ada perubahan maka dapat dikumpulkan sistem dalam kondisi kesetimbangan saat di isolasi

Kesetimbangan Semu (Quasi-Equilibrium)

Mengukur Massa, Panjang, Waktu dan Gaya

Gaya (Force)

• Hukum Newton Kedua : Gaya net beraksi pada suatu benda proporsional dengan perkalian massa dan percepatannya

• Dalam satuan English

Contoh I

Volume Spesifik

• Volume spesifik (v)

- Kebalikan dari massa jenis (𝜌) 𝑣 = ¹

𝜌 𝜌 = lim

𝑣→𝑉 𝑚

𝑉 𝑚 = _𝑁 𝜌𝑑𝑉 -Dalam basis mol

𝑛 = ^𝑚

𝑀 𝑣 = 𝑀𝑣

Contoh: Menghitung Volume Spesifik

V = 12 m³ m = 3 kg

𝜌 =0.25 kg/m³ 𝑣 = ¹

𝜌 = 4 m³/kg

Tekanan

• Tekanan (p) pada suatu titik di definisikan sebagai : 𝑃 = 𝐹

𝐴

- Tekanan absolut (P_abs) : tekanan terhadap kondisi tekanan nol dari ruang hampa

- Tekanan relative (P_gauge): tekanan relative terhada tekanan atmosfir

Tekanan

Most wellknown pressure unit is bar (barometric), Or atm (standard atmosphere

1 bar = 10⁵ Pa = 0,1 Mpa = 100kPa

1 atm = 101325 Pa = 101.325 kPa = 1.01325 bar 1 atm = 1.03 kg/cm²

1 atm = 760 mm Hg 1 atm = 14.7 psi

1 atm = 10.3 meter of head

Unit of Pressure

Pengukuran Tekanan 1

Pengukuran Tekanan 3

Pengukuran menggunakan PG

a pressure of

20 pounds per square inch absolute

a pressure of 20 pounds per

square inch gauge

a pressure of 20 inches Mercury

Vacuum

An unconnected pressure gauge with absolute pressure scale

Absolute pressure = Gauge pressure + Atmospheric pressure.

Pengukuran menggunakan PG

An unconnected pressure gauge using gauge pressure

Gauge pressure = Absolute pressure – Atmospheric pressure

Pengukuran menggunakan PG

An unconnected pressure gauge with a vacuum pressure scale

Pengukuran menggunakan PG

Alat ukur tekanan digital

Tekanan di Bawah Zat Cair

Gaya Apung

• Ketika suatu objek terendam seluruhnya atau sebagian di dalam suatu cairan, gaya tekanan yang dihasilkan disebut gaya apung (buoyant

force)

• Karena tekanan meningkat dengan kedalaman suatu objek terhadap permukaan cairan, gaya tekan dari bagian bawah objek lebih tinggi dari bagian atas

-Gaya apung mengarah ke atas

• Gaya apung sama dengan berat cairan yang dipindahkan (Archimedess’ principle)

Gaya Apung

Satuan Tekanan

Temperatur

Temperature unit in SI system : 1. Kelvin [K]

2. Celcius [°C]

Temperature unit in BU system : 1. Reamure [R]

2. Fahrenheit [°F]

     

   

³²

5 9 C T

F T

9 5 32 F T

C T

 

 

 

















Konversi unit Temperatur

T(K) = T(^oC) + 273

Celsius to Fahrenheit Fahrenheit to Celsius

Kelvin to Celsius

Celsius to Reamur _T(^o_{C)) =} ⁵

4T(R)

Alat ukur temperatur 1. Thermometer

Room Thermometer Thermometer^Pipeline

Glass Thermometer

Bagaimana memonitor temperatur pada lokasi tersebunyi

Alat ukur temperatur

2. Thermocouple

Alat ukur temperatur

3. Resistance temperature detectors RTD

Alat ukur temperatur

4. Infrared

5. Thermal image camera

Alat ukur temperatur

Tugas