TERMODINAMIKA TINJAUAN TEORITIS DAN PRAKTIS

(1)

See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/370553220

TERMODINAMIKA: TINJAUAN TEORITIS DAN PRAKTIS

Book · May 2023

CITATIONS

0

READS

2,810

12 authors, including:

Lulut Alfaris

Politeknik Kelautan dan Perikanan Pangandaran 41PUBLICATIONS 65CITATIONS

SEE PROFILE

Fathan Dewadi Politeknik Negeri Jakarta 100PUBLICATIONS 546CITATIONS

SEE PROFILE

Dewi Fairuz Zulaikha Universitas Negeri Yogyakarta 11PUBLICATIONS 13CITATIONS

SEE PROFILE

I Putu Tedy Indrayana Udayana University 12PUBLICATIONS 19CITATIONS

SEE PROFILE

(2)

(3)

BOOK CHAPTER

TERMODINAMIKA

TINJAUAN TEORITIS DAN PRAKTIS

(4)

UU No 28 tahun 2014 tentang Hak Cipta Fungsi dan sifat hak cipta Pasal 4

Hak Cipta sebagaimana dimaksud dalam Pasal 3 huruf a merupakan hak eksklusif yang terdiri atas hak moral dan hak ekonomi.

Pembatasan Pelindungan Pasal 26

Ketentuan sebagaimana dimaksud dalam Pasal 23, Pasal 24, dan Pasal 25 tidak berlaku terhadap:

i. penggunaan kutipan singkat Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait untuk pelaporan peristiwa aktual yang ditujukan hanya untuk keperluan penyediaan

informasi aktual;

ii. Penggandaan Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait hanya untuk kepentingan penelitian ilmu pengetahuan;

iii. Penggandaan Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait hanya untuk keperluan pengajaran, kecuali pertunjukan dan Fonogram yang telah dilakukan Pengumuman

sebagai bahan ajar; dan

iv. penggunaan untuk kepentingan pendidikan dan pengembangan ilmu pengetahuan yang memungkinkan suatu Ciptaan dan/atau produk Hak Terkait dapat digunakan tanpa izin Pelaku Pertunjukan, Produser Fonogram, atau Lembaga Penyiaran.

Sanksi Pelanggaran Pasal 113

1. Setiap Orang yang dengan tanpa hak melakukan pelanggaran hak ekonomi sebagaimana dimaksud dalam Pasal 9 ayat (1) huruf i untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 1 (satu) tahun dan/atau

pidana denda paling banyak Rp100.000.000 (seratus juta rupiah).

2. Setiap Orang yang dengan tanpa hak dan/atau tanpa izin Pencipta atau pemegang Hak Cipta melakukan pelanggaran hak ekonomi Pencipta sebagaimana dimaksud

dalam Pasal 9 ayat (1) huruf c, huruf d, huruf f, dan/atau huruf h untuk Penggunaan Secara Komersial dipidana dengan pidana penjara paling lama 3 (tiga)

tahun dan/atau pidana denda paling banyak Rp500.000.000,00 (lima ratus juta rupiah).

(5)

TERMODINAMIKA

TINJAUAN TEORITIS DAN PRAKTIS

Lulut Alfaris, S.T., M.T.

Fathan Mubina Dewadi. ST.,MT.

Ir. Maryadi, ST., MT., IPM., ACPE., ASEAN Eng.

Eko Kurniawan, S.T. M.Sc.

Mohamad Miftakul Ulum Dewi Fairuz Zulaikha Ir. Indriyani, A.P., S.T., M.Si.

Rofiqoh Hasan Harahap Tria Puspa Sari, ST., M.S.

Ir. Ahmad Yani, S.T,. M.T., IPP.

Ir. Ari Beni Santoso S. T., M. T.

I Putu Tedy Indrayana, M.Sc.

Penerbit:

Anggota IKAPI No. 428/JBA/2022

(6)

Penulis : Lulut Alfaris, S.T., M.T.

Fathan Mubina Dewadi. ST.,MT.

Ir. Maryadi, ST., MT., IPM., ACPE., ASEAN Eng.

Eko Kurniawan, S.T. M.Sc.

Mohamad Miftakul Ulum Dewi Fairuz Zulaikha Ir. Indriyani, A.P., S.T., M.Si.

Rofiqoh Hasan Harahap Tria Puspa Sari, ST., M.S.

Ir. Ahmad Yani, S.T,. M.T., IPP.

Ir. Ari Beni Santoso S. T., M. T.

I Putu Tedy Indrayana, M.Sc.

ISBN : 978-623-99127-6-5 Editor : Rifaldo Pido, ST., MT

Tata Letak : Cecep Kurnia Sastradipraja, S.Kom., M.Kom.

Desain Sampul : Seliwati Penerbit : INDIE PRESS

Redaksi :

Jl. Antapani VI, No 1B, Ankid, Antapani, Bandung 40291 Telp/Faks: (022) 20526377

Website: www.indiepress.co.id |E-mail: [email protected] Cetakan Pertama :

Juli 2022 Ukuran : iv, 164, Uk: 15,5 x 23 cm Hak Cipta 2022, Indie Press dan Penulis

tertulis dari Penerbit.

(7)

KATA PENGANTAR

Puji syukur kami panjatkan kehadirat Tuhan Yang Maha Esa, karena berkat rahmat dan karunia-Nya sehingga buku kolaborasi dalam bentuk book chapter TERMODINAMIKA: TINJAUAN TEORITIS DAN PRAKTIS dapat dipublikasikan dan dapat sampai di hadapan pembaca. Book chapter ini disusun oleh sejumlah akademisi dan praktisi sesuai dengan kepakarannya masing-masing. Buku ini diharapkan dapat hadir memberi kontribusi positif dalam ilmu pengetahuan khususnya terkait dengan konsep Termodinamika.

Sistematika buku Termodinamika ini mengacu pada pendekatan konsep teoritis dan contoh penerapan. Buku ini terdiri atas 12 bab yang dibahas secara rinci, diantaranya: Konsep Dasar Sistem Termodinamika, Kalor Usaha Dan Hukum Pertama Termodinamika, Sifat-Sifat Termodinamis Zat Murni, Termodinamika Proses Aliran Tunak, Hukum Kedua Termodinamika, Aplikasi Termodinamika, Sifat- Sifat Uap, Proses Reversible Dan Irreversible, Siklus-Siklus Mesin Kalor, Perpindahan Kalor, Entropi Uap Dan Gas, Potensial Termodinamik.

Kami menyadari bahwa tulisan ini jauh dari kesempurnaan dan masih terdapat banyak kekurangan, sejatinya kesempurnaan itu hanya milik Yang Kuasa. Oleh sebab itu, kami tentu menerima masukan dan saran dari pembaca demi penyempurnaan lebih lanjut.

Akhirnya kami mengucapkan terima kasih yang tak terhingga kepada semua pihak yang telah mendukung dalam proses penyusunan dan penerbitan buku ini, secara khusus kepada Penerbit Indie Press sebagai inisiator book chapter ini. Semoga buku ini dapat bermanfaat bagi pembaca sekalian.

Bandung, Juli 2022

Editor

(8)

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR ... I DAFTAR ISI ...II

KONSEP DASAR SISTEM TERMODINAMIKA ... 1

1.1 PENDAHULUAN ... 1

1.2 SISTEM TERMODINAMIKA ... 2

1.2.1 Termodinamika Sistem Terbuka ... 2

1.2.2 Termodinamika Sistem Tertutup ... 2

1.2.3 Termodinamika Sistem Terisolasi... 2

1.3 HUKUM TERMODINAMIKA ... 2

1.3.1 Hukum Awal ... 2

1.3.2 Hukum Termodinamika I (Kekekalan Energi) ... 3

1.3.3 Hukum Termodinamika II (Arah Reaksi Sistem) ... 3

1.4 PROSES TERMODINAMIKA ... 5

1.4.1 Asas Black ... 7

1.4.2 Penerapan Termodinamika ... 8

KALOR USAHA DAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA ... 11

2.2 USAHA... 11

2.3 ALIRAN ENERGI ... 12

2.4 PERSAMAAN MENGHITUNG KALOR ... 12

2.5 STUDI KASUS ... 13

2.6 HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA ... 20

SIFAT-SIFAT TERMODINAMIS ZAT MURNI ... 25

3.2 SUBSTANSI MURNI ... 25

3.3 PERUBAHAN FASE SUBSTANSI MURNI ... 26

3.3.1 Cairan Terkompresi ... 26

3.3.2 Cairan Jenuh ... 27

3.3.3 Cairan Jenuh dan Uap Jenuh ... 27

3.3.4 Uap Jenuh ... 27

3.3.5 Uap Super Panas ... 28

3.4 DIAGRAM PROSES PERUBAHAN FASE ... 30

3.4.1 Diagram T-v... 30

3.4.2 Diagram P-v ... 31

3.4.3 Diagram Fase Padat ... 31

3.4.4 Diagram P-T ... 32

3.4.5 Diagram P-v-T ... 33

TERMODINAMIKA PROSES ALIRAN TUNAK ... 35

(9)

4.2 PENGERTIAN PROSES ALIRAN TUNAK ... 35

4.3 KARAKTERISTIK PROSES ALIRAN TUNAK ... 36

4.4 KESEIMBANGAN MASSA UNTUK PROSES ALIRAN TUNAK ... 37

4.5 KESEIMBANGAN ENERGI UNTUK PROSES ALIRAN TUNAK ... 38

4.6 PROSES ALIRAN TUNAK PADA PERANGKAT TEKNIK ... 39

4.7 CONTOH SOAL DAN PENYELESAIAN PROSES ALIRAN TUNAK ... 45

HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA ... 53

5.1 PENGANTAR HUKUM KEDUA ... 53

5.2 PERNYATAAN HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA ... 54

5.3 KESAMAAN PERNYATAAN CLAUSIUS DAN KEVIN-PLANCK... 57

5.4 TEOREMA CARNOT ... 59

5.5 SKALA SUHU MUTLAK TERMODINAMIS ... 62

5.6 KETIDAKSAMAAN CLAUSIUS ... 63

5.7 ENTROPI SEBAGAI FUNGSI KEADAAN ... 65

APLIKASI TERMODINAMIKA ... 69

6.1 POTENSIAL KIMIA... 69

6.2 KESETIMBANGAN FASE ... 73

6.3 SEL VOLTA REVERSIBEL... 76

6.4 RADIASI BENDA HITAM ... 78

SIFAT-SIFAT UAP ... 83

7.2 PROSES PEMBENTUKAN UAP PADA TEKANAN KONSTAN ... 83

7.3 GRAFIK TEMPERATUR VS TOTAL PANAS ... 85

7.4 ISTILAH-ISTILAH PENTING UNTUK UAP ... 87

7.5 PENGGUNAAN TABEL UAP ... 91

7.6 UAP DAN PROSES PEMBENTUKAN UAP ... 92

7.7 SIKLUS THERMODINAMIKA PEMBANGKIT UAP ... 93

7.7.1 Siklus ideal dari siklus Rankin ... 93

7.7.2 Siklus Aktual dari Siklus Rankine... 94

7.7.3 Uap (Steam) ... 94

7.8 DIAGRAM FASE UAP ... 97

7.9 PROSES PEMBENTUKAN UAP ... 98

7.10 KUALITAS STEAM ... 100

PROSES REVERSIBLE DAN IRREVERSIBLE ... 105

8.1 PROSES ... 105

8.2 PROSES REVERSIBEL... 105

8.3 PROSES IRREVERSIBEL ... 108

SIKLUS-SIKLUS MESIN KALOR ... 113

9.1 PERTIMBANGAN DASAR ... 113

9.2 ASUMSI STANDAR UDARA... 114

9.3 GERAK BOLAK-BALIK ... 115

(10)

9.4 SIKLUS OTTO DAN MESIN BENSIN IDEAL ... 115

9.5 SIKLUS DIESEL IDEAL DAN MOTOR DIESEL ... 117

9.6 SIKLUS DUAL ... 118

9.7 SIKLUS STIRLING DAN ERICSSON ... 119

9.8 SIKLUS BRAYTON IDEAL ... 120

9.9 SIKLUS DAYA UAP ... 122

9.10 SIKLUS GABUNGAN TENAGA GAS DAN UAP ... 124

PERPINDAHAN KALOR ... 127

10.1PENDAHULUAN ... 127

10.2 TEORI KONSEP PERPINDAHAN KALOR ... 129

10.2.1 Perpindahan Kalor Konduksi ... 129

10.2.2 Perpindahan Kalor Konveksi ... 129

10.2.3 Perpindahan kalor Radiasi ... 129

10.2.4 Perpindahan Kalor Menyeluruh ... 130

10.3 PEMBAHASAN KEHILANGAN KALOR KONDUKSI DAN KONVEKSI ... 131

10.4 PEMBAHASAN KEHILANGAN KALOR RADIASI ... 136

10.5 KESIMPULAN ... 138

ENTROPI UAP DAN GAS ... 141

11.2 ENTROPI ... 141

11.3 PENGERTIAN ENTROPI DAN HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA ... 142

11.4 RUMUS ENTROPIDAN CARA MENGHITUNGNYA ... 143

11.5 PADA PROSES IREVERSIBEL, ENTROPI TOTAL SISTEM DAN LINGKUNGAN SELALU BERTAMBAH... 145

11.6 ENTROPI MERUPAKAN UKURAN DARI KETIDAKTERATURAN ... 145

POTENSIAL TERMODINAMIK... 151

12.2 PRINSIP ENTROPI MAKSIMUM ... 152

12.3 ENERGI DALAM U ... 152

12.4 RELASI-RELASI FUNDAMENTAL TERMODINAMIK ... 153

12.4.1 Relasi Gibbs ... 154

12.4.2 Relasi Euler ... 154

12.4.3 Relasi Gibbs - Duhem ... 155

12.4.4 Relasi Maxwell ... 156

12.4.5 Entalpi H ... 157

12.4.6 Energi Bebas Helmholtz F ... 158

12.5 ENERGI BEBAS GIBBS G ... 160

12.6 RINGKASAN... 161

(11)

1

KONSEP DASAR SISTEM TERMODINAMIKA

Lulut Alfaris, S.T., M.T.

Politeknik Kelautan dan Perikanan Pangandaran

1.1 Pendahuluan

Pada abad 19, para ilmuwan telah menemukan konsep termodinamika yang berusaha untuk membuat suatu mesin yang memiliki kemampuan untuk merubah suatu energi. Awal dari pembuatan mesin tersebut bertujuan untuk membuat suatu perubahan dimana untuk merubah suatu energi sehingga didapatkan suatu energi yang besar secara maksimal. Para ilmuwan tersebut mampu membuat mesin yang mengubah energi kinetic menjadi energi potensial. Dengan dilandasi oleh inovasi para ilmuwan diatas, maka pada abad ke-20 berkembanglah teori-teori terkait termodinamika (rust, 2005).

Termodinamika mempelajari hubungan antara energi, panas, kerja, entropi dan proses yang spontan. Termodinamika juga berhubungan erat dengan mekanika statistika, yang merupakan dimana kedua ilmu ini berasal. Termodinamika berasal dari dua kata bahasa Yunani yakni thermos berarti panas dan dynamic mempunyai arti perubahan (Rompas, 2015). Teori termodinamika berlaku pada situasi panas maupun saat system dalam keadaan yang setimbang pada saat awal ataupun akhir. Bahwa pengembangan teori termodinamika, ditujukan bagi system makroskopik. Perumusan termodinamika meliputi tiga hukum termodinamika, dan secara konsep utama yang melandai hukum termodinamika tersebut merupakan energi dan entropi (Siregar, 2012).

Konsep dari energi dihasilkan oleh sistem, system ini terbagi menjdai sub si yang membentuk system yang lebih besar, kemuadiam system yang tidak termasuk dalam pertimbangan dikelompokkan

(12)

sebagai lingkungan . Berdasarkan sifat batas sistem, lingkungan, entropi, perpindahan kalor, maka sistem termodinamika terbagi menjadi 3; yaitu : Termodinamika Sistem Terbuka, Termodinamika Sistem Tertutup dan Termodinamika Sistem Terisolasi.

1.2 Sistem Termodinamika

1.2.1 Termodinamika Sistem Terbuka

Terjadi pertukaran massa dan energi sistem terhadap lingkungannya, contohnya lautan.

1.2.2 Termodinamika Sistem Tertutup

Selain sistem terbuka maka juga ada sistem tertutup termodinamika, yakni adanya pertukaran energi namun tidak terjadi pertukaran massa sistem terhadap lingkungannya.

Contohnya rumah kaca yang terjadi pertukaran kalor, namun tidak terjadi pertukaran kerja terhadap lingkungan. Perbedaaan sistem tertutup maupun terbuka dalam hal pertukaran energi baik panas maupun kerja semuanya tergantung pada sistem pembatas.

- Pembatas Adiabatik, tidak terjadi pertukaran kalor antara sistem dan lingkungan

- Pembatas Rigid, tidak terjadi pertukaran kerja dari sistem ke lingkungan maupun sebaliknya.

1.2.3 Termodinamika Sistem Terisolasi

Tidak terjadi pertukaran, baik pertukaran energi maupun pertukaran massa sistem dengan l lingkungan, itulah mengapa sistem ini bernama sistem terisolasi. Contohnya tabung gas yang terisolasi.

1.3 Hukum Termodinamika 1.3.1 Hukum Awal

Hukum ini menyatakan bahwa dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiganya, maka sistem ketiga tersebut dalam keadaan yang juga setimbang satu sama lain. Yang artinya apapun zat atau materi benda akan memiliki kesetimbangan termal satu sama lain, atau bisa dikatakan kesetimbangan termal berlaku secara universal.

(13)

1.3.2 Hukum Termodinamika I (Kekekalan Energi)

Hukum termodinamika 1 menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, dan hanya bisa diubah bentuk energinya saja. Oleh karena itu, dalam hukum ini didapat persamaan

Dimana :

U = perubahan energi Q = jumlah energi kalor W = kerja

1.3.3 Hukum Termodinamika II (Arah Reaksi Sistem)

Hukum kedua thermodinamika menjelaskann pembatasan perubahan energi yang alur kalor suatu objek dengan sistem memiliki sifat alami; Kalor mengalir secara alami dari benda yang bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah; dan sebaliknya kalor tidak akan mengalir secara alami benda dingin ke benda panas tanpa dilakukan suatu usaha.

Q bertanda positif (+) apabila sistem menyerap kalor Q bertanda negatif (-) apabila sistem melepas kalor W bertanda positif (+) apabila sistem melakukan kerja W bertanda negatif (-) apabila sistem diberikan kerja

bertanda positif (+) apabila sistem mengalami kenaikan temperatur

bertanda negatif (-) apabila sistem mengalami penurunan temperatur

Untuk sistem terisolasi, Q=0 dan W=0, sehingga tidak ada perubahan energi dalam ( )

Hukum kedua termodinamika menjelaskan bahwa perpindahan kalor suatu sistem terjadi pada suhu tinggi menuju suhu rendah. Kalor mengalir dari suatu suhu rendah ke suhu tinggi, maka akan ada usaha yang ditambahkan karena perpindahan ini tidak spontan.

(14)

Kapasitas kalor ngejelasin banyaknya kalor yang dibutuhin suatu fluida buat naikin suhu sebesar 1 Kelvin sehingga terbentuk persamaan kalor seperti di bawah ini.

Q = C x ΔT Keterangan:

 Q adalah kalor yang dibutuhin fluida atau kalor yang di serap (J)

 C adalah kapasitas kalor suatu fluida (J/K)

 ΔT adalah perubahan suhu yang terjadi pada fluida (K)

Terdapat dua jenis kapasitas kalor yaitu kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas kalor pada volume tetap (Cv).

Burhan bakalan jelasin dua jenis kapasitas kalor tersebut di bawah.

Kapasitas Kalor pada Tekanan Tetap (Cp)

Penjelasan pertama yang Burhan bahas adalah kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp). Kapasitas kalor pada tekanan tetap (Cp) didapatkan dari penurunan pada keadaan isobarik. Jadi buat naikin suhu suatu zat sebesar 1 Kelvin, tekanan sistem di jaga konstan dan nyebabin perubahan energi dalam, kalor, dan kerja pada sistem tidak ada yang bernilai nol.

Kapasitas Kalor pada Volume Tetap (Cv)

Kapasitas kalor pada volume tetap (Cv) ngejelasin kalo naikin suhu satu zat sebesar 1 Kelvin, volume sistem di jaga tetap sehingga kalor yang diberikan selalu konstan. Akibatnya sistem nggak bakalan ngelakuin kerja ke lingkungan sehingga kebentuk rumus di bawah ini.

Karena pada tekanan tetap atau proses isobaris, terjadi hukum dinamika I yang menyebabkan Qp = ΔU + W, sedangkan pada isokhorik Qv = ΔU. Sehingga kalo digabungin keduanya bakalan ngebentuk seperti di bawah ini.

Cp – Cv = = nR

(15)

1.4 Proses Termodinamika Proses termodinamika, yaitu

- Isobarik (Tekanan tetap atau konstan)

Proses isobarik menjelaskan suatu sistem yang mempunyai tekanan konstan, nilai usaha yang bekerja pada sistem mengikuti besaran volume benda. Apabila volume benda mengalami pemuaian maka usahabernilai positif dan jikao volume benda mengalami penyusutan, maka usaha bernilai negatif.

Gambar 1.1 Sistem isobarik - Isokhorik (Volume tetap atau konstan)

Proses isokhorik menjelaskan bahwa suatu sistem yang tidak terdapat perubahan volume atau volumenya konstan, maka nilai usahanya ialah bernilai nol, karena rumus usaha adalah perkalian antara tekanan dan perubahan volume.

W = P x ΔV

Gambar 1.2 Sistem isokhorik

(16)

- Isotermik (Suhu tetap atau konstan)

Proses isotermal menjelaskan jika sistem tidak mengalami perubahan suhu atau suhu konstan. Dikarenakan suhunya konstan sehingga volume pada sistem akan menurun secara eksponensial dari tekanan awal menuju tekanan finalnya sehingga berlaku rumus berikut ini.

W = n x R x T x ln (Vf / Vi)

Gambar 1.3 Sistem isotermik

- Adiabatik (sistem diisolasi agar tidak ada kalor yang keluar ataupun masuk)

Gambar 1.4 Sistem isobarik Contoh soal :

1. Berapakab perubahan energi, jika 2800 joule kalor ditambahkan pada suatu sistem dan kerja 1800 joule yang dilakukan oleh sistem ? Penyelesaian

Diketahui : Q = 2800 J (menyerap kalor)

(17)

W = 2800 J (menyerap kerja) Ditanya, = ?

Sehingga,

= 2800 J – 1800 J = 1000 J

1.4.1 Asas Black

Asas Black adalah suatu prinsip dalam termodinamika yang dikemukakan oleh Joseph Black. Asas ini menjabarkan: Jika dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan, benda yang panas memberi kalor pada benda yang dingin sehingga suhu akhirnya sama Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan Bunyi Asas Black adalah sebagai berikut: "Pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima zat yang suhunya lebih rendah"

Asas Black diperkenalkan oleh seorang Skotlandia yang bernama oleh Joseph Black, suatu asas yang merupakan prinsip dalam termodinamika yang berbunyi ”pada pencampuran dua zat, banyaknya kalor yang dilepas oleh zat yang suhunya lebih tinggi sama dengan banyaknya kalor yang diterima oleh zat yang suhunya lebih rendah.”

Pada asas Black berlaku:

• Apabila ada dua buah benda yang berbeda yang suhunya dicampurkan atau disatukan, maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bersuhu lebih tinggi menuju benda yang bersuhu lebih rendah. Perpindahan kalor tersebut akan berhenti sampai terjadi keseimbangan termal atau suhu dari kedua benda sama.

• Benda yang melepas kalor adalah benda yang bersuhu lebih tinggi, sedangkan benda yang menerima kalor adalah benda yang bersuhu lebih rendah.

• Jumlah kalor yang diserap benda dingin sama dengan jumlah kalor yang dilepas benda panas

(18)

• Benda yang didinginkan melepas kalor yang sama besar dengan kalor yang diserap bila dipanaskan. Secara matematis, asas Black dapat dituliskan sebagai:

Qlepas = Qterima m1c1(T1-Ta) = m2c2(Ta-T2) dengan:

m_{1}m1 = massa benda 1 dengan tingkat temperatur lebih tinggi

m_{2}m2 = massa benda 2 dengan tingkat temperatur lebih rendah

c_{1}c1 = kalor jenis benda 1 c_{2}c2 = kalor jenis benda 2

T_{a}Ta = temperatur akhir pencampuran kedua benda T_{1}T1 = temperatur benda 1

T_{2}T2 = temperatur benda 2

Namun pada kenyataannya, setiap perpindahan kalor terdapat energi yang hilang ke lingkungan sekitar sehingga kalor yang diserap dan diterima tidak seutuhnya sama.

1.4.2 Penerapan Termodinamika

Termodinamika berhubungan dengan bidang ilmu lain yaitu bidang ilmu kimia dan fisika yang membahas terkait energi, usaha, kerja, panas, entropi dan entalpi. Terdapat akativitas dalam kehidupan disekitar kita yang menerapkan prinsip termodinamika baik itu dalam bidang industry, kesehatan, transportasi dan lain sebagainya. hari yang menerapkan atau mengaplikasikan prinsip termodinamika ini baik dalam bidang kesehatan, perindustrian, pendidikan termasuk pada bidang transportasi, dimana banyak sekali kendaraan transportasi yang menggunakan prinsip termodinamika dalam pembuatannya terutama pada bagian mesin-mesinnya (Moran, 2004).

- Mesin kendaraan bermotor

Pada mesin kendaraan bermotor terdapat aplikasi termodinamika dengan sistem terbuka. Dimana ruang didalam silinder mesin merupakan sistem, kemudian campuran bahan bakar dan udara

(19)

masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot (Soekardi, 2015).

- AC

Dengan AC maka kehidupan kita sehari hari akan terasa nyaman, karena la ini berfungsi untuk mengatur temperature ruangan. Pada kompresor, gas refrigerant dari cooling coil lalu dipanaskan dengan cara pengompresan. Pada condenser coil, refrigerant melepaskan panas sehingga menjadi cairan, yang tersirkulasi kembali ke cooling coil. Sebuah thermostat mengontrol motor kompresor untuk mengatur temperatur ruangan.

(20)

DAFTAR PUSTAKA

Asraf, A., dan Kurniawan, B. 2021 Fisika Dasar untuk Sains dan Teknik:

Jilid 2 Mekanika Fluida dan Termodinamika. Jakarta: Bumi Aksara Massoud, M. 2005. Engineering Thermofluid. Springer

Moran, J & Howard, S. 2004. Termodinamika Teknik, Edisi 4. Jakarta : Erlangga

Rustam E. 2012. Fisika Statistik. Jatinangor: Unpad Press

Rompas, P.T.D. 2015. Termodinamika Teknik I. Tondano: Unima Soekardi, C. 2015. Termodinamika Dasar: Mesin Konversi Energi.

Yogyakarta: Penerbit ANDI.

Lulut Alfaris, S.T., M.T.

email : [email protected]

Penulis merupakan lulusan dari SMAN 1 Genteng Banyuwangi tahun 2005, selepas SMA diterima melalui jalur Penelusuran Minat dan Kemampuan (PMDK) di S1 Teknik Kelautan Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Surabaya. Selanjutnya kuliah di jurusan yang sama di ITS., jurusan Teknik Kelautan. Saat ini bekerja sebagai dosen di Program Studi Teknologi Kelautan, Politeknik Kelautan dan Perikanan Pangandaran, Perguruan Tinggi dibawah naungan Kementerian Kelautan dan Perikanan (KKP). Penulis mengampu mata kuliah Matematika Teknik, Oseanografi, Perancangan Struktur Bangunan Pantai dan Termodinamika.

Penulis mempunyai interest penelitian dibidang dibidang analis numerik, pemodelan tsunami. Saat ini berdomisili di Kabupaten Pangandaran, Provinsi Jawa Barat.

(21)

2

KALOR USAHA DAN HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Fathan Mubina Dewadi. ST.,MT.

Universitas Buana Perjuangan Karawang

Dalam pembahasan bab ini akan dijelaskan mengenai transfer dari energi yang cenderung melintas pada batas-batas yang ada pada suatu system. Pentingnya mempelajari kalor yang nantinya kalor tersebut akan dijadikan sebuah usaha ialah agar memahami proses sirkulasi kalor yang akan bersirkulasi dalam suatu media (Zainul, 2021).

Dengan mempelajari usaha dari sebuah kalor maka nantinya akan terhubung terhadap hukum pertama termodinamika. Ilmu termodinamika menjelaskan pengertian kalor yang artinya adalah kuantitas yang dihitung adar parameter yang nilainya belum diketahui menjadi dapat dianalisis dalam persamaan aljabar (Potter &

Somerton, 2011).

2.2 Usaha

Usaha dalam dunia sains dan teknologi memiliki arti gas-gas yang dapat disirkulasi saat terjadi pembakaran dalam sebuah mesin. Energi dari pembakaran kemudian melewati beberapa komponen-komponen pendukung sehingga terjadilah sebuah usaha untuk mendorong yang terdapat tekanan dan gaya didalamnya (Umar & Mulyawan, 2021).

Prinsip kalor juga dapat disajikan secara visual dengan tekanan dan volum dari suatu fluida. Dalam pembacaan grafik agar mempermudah visualisasi, maka dengan ini perlu adanya sumbu x dan sumbu y serta arah yang berlaku karena tekanan dan volum merupakan besaran turunan (Khairina, 2022). Termodinamika merupakan suatu cabang dari ilmu fisika yang mempelajari tentang hubungan kalor dan usaha serta kesinambungannya (Musidasari,

(22)

2020). Berikut akan dijelaskan mengenai studi kasus tentang prinsip kalor pada gambar 1.

Gambar 1. Perbandingan Tekanan dan Volum pada Kalor (Khairina, 2022)

2.3 Aliran Energi

Dengan adanya pengamatan mengenai aliran pada energi yaitu panas dan usaha yang telah dikenal dengan dua istilah terkait yaitu lingkungan dan sistem. Sistem dalam dunia termodinamika merupakan proses dari semua yang ada di sekitar benda. Dalam hal ini nilai usaha pada termodinamika merupakan hasil perkalian antara tekanan dan volum pada suatu gas (Sudarmo, 2018).

2.4 Persamaan menghitung Kalor

Berdasarkan yang telah dijelaskan pada gambar 1 didapat persamaan hitung yaitu dengan rumus W = (∆V. ∆P)/2. Dalam kasus ini dapat diketahui bahwa besaran W merupakan kalor yang diperlukan dalam satuan J atau N/m. Saat menghitung nilai W diperlukan nilai ∆V dan ∆P dengan ∆V sebagai selisih volum dan ∆P merupakan selisih tekanan. ∆P memiliki 2 parameter didalamnya yaitu P2 dan P1. ∆V juga memiliki parameter didalamnya yaitu V1 dan V2 (Zulkifli & Gunawan, 2019). Dalam kasus ini P2 harus memiliki nilai yang lebih besar daripada P1, dan berlaku untuk V2 dan V1. Nilai P2

sebesar 9 N/m² dan nilai P1 sebesar 3 N/m², sedangkan untuk volum bahwasanya nilai V2 ialah 6 m³ dan nilai V1 sebesar 2 m³(Dewadi, 2021). Berikut akan dijelaskan analisis perhitungan sesuai gambar 1.

(23)

W = (∆V. ∆P)/2

W = ((V2 - V1). (P2 - P1)/2 W = ((6- 2). (9- 3))/2 W = ((4). (6))/2 = 12 J 2.5 Studi Kasus

Nilai satu kg fluida gas yang berupa uap memiliki kualitas 25%

yang dipanaskan dengan tekanan yang diberikan sebesar 250 kPa.

Proses pemanasan ini diberlakukan hingga temperature mencapai 500

°C. Dengan parameter yang ada pada studi kasus ini, hitunglah nilai usaha yang dilakukan oleh uap tersebut ('Uyun, 2017)!

Dalam menyelesaikan persoalan kasus diatas maka perlu diketahui parameter-parameter yang diperlukan dan juga persamaan dalam analisis yang dibutuhkan. Parameter-parameter tersebut yaitu nilai massa (m) sebesar 1 kg. Dengan persentase sebesar 20% pada studi kasus tersebut, maka perlu meninjau nilai-nilai yang berkaitan dengan merujuk pada tabel C-2 (Salamah, 2015). Dalam ilmu termodinamika, tabel C-2 merupakan tabel properti-properti dari air yang jenuh terhadap tekanan. Namun untuk kasus seperti ini, nilai tekanan sebesar 0,25 MPa tidak ada di tabel C-2 sehingga perlu adanya penyetaraan dari tabel yang ada dengan melakukan interpolasi linear (Ayuningtyas, 2019). Yang diperlukan saat perlu menggunakan tabel C-2 ialah nilai vf dan vg. Berikut akan dijelaskan pada tabel 1.

Tabel 1. Properti-Properti dari H2O Jenuh-Tabel Tekanan (Potter &

Somerton, 2011)

Karena nilai tekanan pada studi kasus yang ada sebesar 0,25 MPa, namun pada nilai tabel C-2 tidak terdapat nilai P sebesar 0,25 MPa karena dalam persoalan ini perlu data vf dan vg dari tekanan 0,25.

Untuk nilai vf diasumsikan nilai x dan nilai vg diasumsikan nilai y,

(24)

kemudian gunakan metode interpolasi linear dalam menganalisis persoalan ini (M, Harto, & Kusnanto, 2022).

Dengan penjabaran yang ada pada tabel 1, maka beberapa parameter-parameter interpolasi linear adalah “a” untuk indikator bagian atas, “b” untuk indikator bagian bawah, “t” untuk indikator bagian tengah. Untuk nilai P sebesar 0,25 merupakan nilai tengah, namun mencari nilai x dan y tidak bersamaan. Mencari nilai x terlebih dahulu baru nilai y agar mempermudah pengerjaan analisis (Sapitri, 2021).

Dengan pengelompokkan untuk mencari nilai x terlebih dahulu, maka parameter-parameternya adalah a1 = 0,2, t1 = 0,25, b1 = 0,3, a2 = 0,001061, t2 = x, b2 =0,00107. Langkah selanjutnya ialah dengan memasukkan ke rumus seperti yang akan dijabarkan pada persamaan dibawah ini.

=

= =

– 2x =

-2x = - -2x =

2x = x = 0,001067

Saat nilai x sudah diketahui maka Langkah berikutnya ialah mencari nilai y dengan parameter-parameter pendukung hampir sama seperti dalam mencari nilai x. Nilai-nilai parameternya adalah a1 = 0,2, t1 = 0,25, b1 = 0,3, a2 = 0,8857, t2 = y, b2 = 0,6058. Persamaan yang digunakan ialah

(25)

=

= =

1,7714 - 2y =

-2y = -2y =

2y = y = 0,74575

Dengan diketahui nilai x sebagai vf dan y sebagai vg, maka Langkah selanjutnya ialah dengan mencari nilai v1 dengan rumus yang diperlukan adalah v1 = vf + x(vg – vf). Nilai x adalah 0,25, nilai vg adalah 0,74575 dan nilai vf adalah 0,001067 serta nilai x berdasarkan di soal adalah 0,25. Maka dengan diketahui parameter-parameter yang telah diketahui untuk selanjutnya memasukkan nilai-nilai ke persamaan hingga menjadi bentuk sebagai berikut.

v1 = vf + x(vg – vf)

= 0,001067 + 0,25. (0,74575 - 0,001067)

= 0,187 m³/kg

Langkah berikutnya saat nilai v1 sudah diketahui, maka nilai v2

dapat dicari dengan mengacu pada tabel C-3 Uap Superheat.

Parameter untuk nilai ini adalah temperatur, tekanan dan volum tiap massa. Namun untuk nilai tekanan 0,25 MPa tidak tertera di tabel uap superheat, maka harus dicari nilai saat tekanan 0,25 MPa dengan menggunakan interpolasi linear. Berikut akan dijabarkan pada tabel 2.

(26)

Tabel 2. Tabel Uap Superheat (Potter & Somerton, 2011)

Dengan nilai-nilai yang tertera pada tabel 2 mengenai tabel uap superheat, nilai v dengan satuan m³/kg atau besaran dengan istilah volum per massa merupakan nilai v2 yang nantinya nilai v2 ini akan digunakan untuk mencari nilai usaha. Sesuai yang tertera pada tabel 2 bahwasanya nilai a1 = 0,2 MPa, nilai t1 = 0,25 MPa dan nilai b1 = 0,3 MPa. Sedangkan untuk parameter kedua nilai a2 = 1,7814, nilai t2 = x dan nilai b2 = 1,1867. Berikut akan dipaparkan rumus mencari v2 pada persamaan dibawah ini.

=

= 2 =

3,5628 – 2x = 0,5947

2x = 0,5947 – 3,5628 2x = 2,9681

x = 1,48405

Nilai x yang merupakan v2 yaitu 1,48405 m³/kg, setelah itu maka nilai v2 perlu dimasukkan dalam analisis perhitungan mencari nilai kalor dengan rumus W = m.P.∆v. Dalam hal ini nilai massa (m) sebesar 1 kg, nilai tekanan (P) sebesar 250 kPa dan nilai ∆v merupakan selisih dari nilai volume tiap massa yaitu ∆v = v2 – v1 = 1,48405 – 0,187. Maka dari penjabaran tersebut diketahui bahwa nilai ∆v = 1,29705 m³/kg.

Analisis perhitungan nilai kalor dapat dijabarkan sebagai berikut.

W = m.P.∆v

(27)

W = (1). (250). (1,29705) W = 324,26 kJ

Terdapat persoalan lain dimana pada sebuah mesin yang memiliki diameter sebesar 100 mm dengan volum air (isi air) sebesar 120 cm³ pada temperatur 50 °C. Didalam mesin terdapat piston dengan massa sebesar 50 kg dan berada di atas permukaan air. Jika pada studi kasus ini ditambahkan kalor hingga suhu 200 °C. Tentukanlah nilai Usaha yang akan dihasilkan oleh mesin tersebut!

Sesuai dari apa yang telah dipaparkan bahwasanya yang telah diketahui dari parameter-parameter diatas adalah nilai massa (m) sebesar 50 kg, nilai percepatan gravitasi (g) sebesar 9,81 m/s² dalam keadaan di bumi. Rumus untuk luas permukaan ialah A = (π. d²)/4.

Dengan nilai diameter (d) sebesar 0,1 m, maka untuk nilai luas permukaan dapat dihitung menggunakan nilai π sebesar 3,14 karena diameter bukan kelipatan 7. Formula untuk mencari nilai tekanan sebelum mencari hasil akhir nilai kalor adalah.

m. g = P. A – Patm.A m. g = A. (P – Patm)

50. 9,81 = (π. ²)/4. (P – 100 000) 490,5 = 0,00785. (P – 100 000) 490,5 = 0,00785P – 785

0,00785P = 785 + 490,5 0,00785P = 1275,5

P = 1275,5/0,00785 P = 162 484 Pa

Setelah didapat nilai P, maka langkah berikutnya adalah mencari nilai V1 sesuai yang ada pada soal (studi kasus) yaitu sebesar 120 cm³

= 1,2 x 10^-4 m³. Dengan didapat nilai V1 yang memiliki satuan m³, maka langkah selanjutnya adalah mencari nilai v1 dengan interpolasi pada tabel C-2 yang berisikan data properti dari H2O jenuh terhadap tabel

(28)

tekanan. Berikut akan dilampirkan tabel C-2 pada tabel 3 tentang hubungan antara temperature dan volum per massa.

Tabel 3. Tabel C-2 Properti-properti dari H2O Jenuh-Tabel Tekanan (Potter

& Somerton, 2011)

Dengan merujuk pada tabel 3 yang tertera nilai-nilai parameter, bahwasanya nilai bagian atas, tengah dan bawah telah dipaparkan.

Nilai a1 = 49,4 °C, nilai t1 = 50 °C, nilai b1 = 52,6 °C. nilai a2 = 0,001012 m³/kg, t2 =x, b2 = 0,001013 m³/kg. Dalam mencari nilai x karena x = t2. Maka akan dipaparkan persamaan interpolasi berikut.

=

= 5,34 =

0,00540408 – 5,34x = -0,000001

– 5,34x = -0,000001-0,00540408 – 5,34x = -0,0054058

x = 0,0010122

Nilai v1 sebesar 0,0010122 m³/kg sesuai pada temperatur 50 °C.

Setelah didapat nilai v1 maka dicari nilai m dengan membagi volum dan volum tiap massa, maka hal ini akan didapat satuan massa yaitu kg. berikut akan dipaparkan persamaan mencari nilai massa (m).

m = V1/v1

m = 1,2 x 10^-4 m³/ 0,0010122 m³/kg m = 0,119 kg

(29)

Pada keadaan saat hal tersebut terdapat 2 temperatur yaitu 200 °C dan saat tekanan pada temperatur ini sebesar 0,16 MPa. Hal ini perlu interpolasi dalam mencari nilai V2 karena untuk mencari nilai V2 perlu nilai v2. Berikut interpolasi dalam mencari nilai v2 pada tabel 4.

Tabel 4. Tabel C-3 Uap Superheat (Potter & Somerton, 2011)

Berdasarkan nilai-nilai pada tabel 4 bahwa untuk nilai a1 = 0,16 MPa, nilai t1 = 0,2 MPa, dan nilai b1 = 0,3 MPa. Sedangkan untuk kondisi lain, nilai a2 = x m³/kg, nilai t2 = 1,0803 m³/kg dan nilai b2 = 0,7163 m³/kg. Sesuai dengan pemaparan pada tabel 4, dibawah ini akan dijelaskan langkah-langkah mencari nilai v2.

=

= – =

Setelah didapat nilai v2, maka perlu ditelusuri nilai V2 dengan mengkalikan nilai m dan v2. Sehingga dari nilai pada persamaan sebelumnya dapat dihitung yaitu dengan rumus V2 = m. v2.

V2 = m. v2

V2 = 0,119. 1,2259 = 0,1459 m³

Usaha dapat dihitung dengan menggunakan rumus persamaan usaha yaitu dengan mengkalikan nilai tekanan dengan selisih volum.

Selisih volum dapat dicari dengan mengurangi volum yang lebih besar dibanding volum yang lebih kecil (Sihombing, 2021).

W = P.∆V = P. (V2 – V1) = 162,5. (0,1459 – 0,00012) = 162,5. 0,14578

= 23,67 kJ

(30)

2.6 Hukum Pertama Termodinamika

Dengan adanya konversi energi dan dari suatu keadaan yang berbeda-beda terhadap keadaan lain, maka hukum pertama termodinamika dapat disebut juga sebagai hukum kekekalan energi yang menjelaskan bahwasanya energi itu tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan namun hanya dapat dikonversi (ubah) dari bentuk satu ke bentuk lainnya (Diki, Hadi, Lestari, & Nalandri, 2022).

(31)

DAFTAR PUSTAKA

Ayuningtyas, S. C. (2019). Mesin Penghasil Aquades menggunakan Siklus Kompresi Uap dengan Variasi Kecepatan Putar Kipas Sebelum Lintasan Curahan Air. Yogyakarta: Universitas Sanata Dharma.

Dewadi, F. M. (2021). Analisis Efektivitas Liquid Section Heat Exchanger dengan Tube in Tube Heat Exchanger dari Sisi Aplikatif. JTMMX, 28-36.

Diki, M., Hadi, C. F., Lestari, R. F., & Nalandri, R. (2022). Pemanfaatan TermoelektrikSebagai Sumber Energi Terbarukan. Zetroem, 23-25.

Khairina, J. (2022, April 22). roboguru.ruangguru.com. Retrieved from roboguru:

https://roboguru.ruangguru.com/question/perhatikan- gambar-berikut-sebuah-mesin-kalor-mengalami-siklus- seperti-pada-gambar-di_QU-KAUQQ5IL

M, I. F., Harto, A. W., & Kusnanto. (2022). Produksi gas Sintetis dari Batubara Peringkat Rendah Indonesia serta Optimasi dan Simulasi menggunakan Aspen Hysys. Syntax Literate: Jurnal Ilmiah Indonesia, 683-702.

Musidasari. (2020). Penerapan Metode Pembelajaran Mind Map terhadap Peningkatan Hasil Belajar Peserta Didik. Makassar:

Universitas Muhammadiyah Makassar.

Potter, M. C., & Somerton, C. W. (2011). Termodinamika Teknik.

Jakarta: Penerbit Erlangga.

Salamah, M. (2015). Structural Equation Modeling-Partial Least untuk Pemodelan Derajat Kesehatan Kabupaten/Kota di Jawa Timur (Studi Kasus Data Indeks Pembangunan Kesehatan Masyarakat Jawa Timur 2013). Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

(32)

Sapitri, P. D. (2021). PENGARUH METODE PERMAINAN Bahasa Bisik Berantai terhadap Keterampilan Menyimak Kalimat pada Siswa Kelas IV SDIT Iqra 2 Kota Bengkulu. Bengkulu: IAIN Bengkulu.

Sihombing, D. E. (2021). Analisis Debit Andalan untuk Kebutuhan Air Irigasi di Desa Menanga Tengah Kecamatan Semendawai Barat Kabupaten Ogan Komering Ulu Timur. Palembang: Universitas Sriwijaya.

Sudarmo, N. A. (2018). Analisis Kemampuan Berargumentasi Ilmiah Siswa SMAN 1 Jember pada Konsep Termodinamika. Jember:

Universitas Jember.

Umar, H., & Mulyawan, D. (2021). Rancang Bangun Alat Gasifikasi Biomassa. Jurnal Inovasi Sains dan Teknologi Kelautan, 115- 119.

'Uyun, I. Q. (2017). Produksi Bahan Bakar Cair C13) Hidrokarbon Hasil (C8 dari Limbah Plastik Polipropilina Konversi Katalitik dengan Variasi Jumlah Katalis AlMCM41. Surabaya: Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Zainul, R. (2021). Kimia Material. Solok: CV. Berkah Prima.

Zulkifli, R. S., & Gunawan, P. H. (2019). Persamaan Tunak dan Tidak Tunak 1-D Panas dengan Metode Volume Hingga. e-Proceeding of Engineering (pp. 2510-2526). Bandung: Universitas Telkom.

(33)

Fathan Mubina Dewadi.ST.,MT.

email : [email protected]

Fathan Mubina Dewadi merupakan nama lengkap penulis pada bab ini. Pria yang berusia 29 tahun ini sudah tertarik dengan bidang Pendidikan tinggi sejak tahun 2015. Sejak lulus jurusan Teknik mesin program pascasarjana Universitas Pancasila. Kini penulis sedang bekerja sebagai dosen tetap program studi Teknik mesin di Universitas Buana Perjuangan Karawang. Kini kesibukan penulis ialah lebih menghabiskan waktu untuk mengajar dan menulis. Karya-karya yang telah dibuat dimuat di media online, jurnal nasional, jurnal internasional dan jurnal nasional bereputasi. Sudah lebih dari 15 karya yang telah dibuat dan sedang proses untuk pembuatan buku dan bab buku. Penulis juga aktif dalam kegiatan prosiding, penelitian dan pengabdian kepada masyarakat. Jurnal yang telah ditulis bekerjasama dengan para pakar di luar negara dan dalam negri. Anak pertama dari 3 bersaudara ini sering melakukan penelitian kecil dan melakukan eksperimen di ruangan pribadi. Berkat hobi menulis dan membaca buku maka kadang penulis juga sering diajak untuk berkolaborasi dalam kegiatan akademik. Pernah penulis memuat tulisan di media milenial yang cukup terkenal di sosial media untuk generasi jaman sekarang. kenikmatan membuat karya tulis ilmiah ialah menumbuhkan rasa semangat saat tulisan sudah terbit dan memotivasi diri sendiri untuk selalu melakukan lebih dan tidak pernah puas dalam kegiatan riset bidang Teknik.

(34)

(35)

3

SIFAT-SIFAT TERMODINAMIS ZAT MURNI

Ir. Maryadi, ST., MT., IPM., ACPE., ASEAN Eng.

Universitas Islam As – Syafi’iyah Jakarta 3.1 Pendahuluan

Suatu zat mempunyai fase yang berbeda-beda yaitu padat, cair dan gas. Perubahan fase zat tersebut dipengaruhi oleh keadaan lingkungan disekitarnya, sehingga suatu zat dapat berubah dari fase satu ke fase yang lain. Pada zat tersebut pada setiap fase mempunyai susunan molekul yang berlainan antara satu dengan yang lain. Sebagai contoh air dapat dijumpai pada fase yang berbeda-beda yaitu sebagai air cair, uap air, dan dalam bentuk padat berupa es.

3.2 Substansi Murni

Air, nitrogen, helium dan karbon dioksida merupakan contoh dari substansi murni. Suatu zat yang murni memiliki sifat homogen. Zat tersebut dapat memiliki lebih dari satu fase, tapi setiap fase harus memiliki komposisi kimiawi yang sama. Substansi murni tidak harus merupakan elemen atau senyawa tunggal. Suatu campuran berbagai elemen atau senyawa kimia juga termasuk substansi murni sepanjang campuran itu homogen.

Gaya tarik menarik antara molekulnya sangat kuat dan mempertahankan posisi yang mantap karena mempunyai jarak antara moleku-molekulnya yang dekat. Terlihat pada Gambar 3.1. (a) di bawah bahwa molekul-molekul di dalam benda padat tersusun dalam suatu pola-pola yang teratur.

Gambar 3.1: Susunan molekul pada fase padat, cair dan gas (Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

(36)

Suhu akan mempengaruhi kecepatan pergerakan molekul-molekul tersebut. Molekul-molekul akan dapat mencapai titik di mana kelompok molekul tersebut akan pecah disebabkan oleh pengaruh suhu yang tinggi. Proses tersebut merupakan awal dari proses pelelehan.

Jarak antara molekul-molekul pada fase cair tidak jauh berbeda dengan jarak molekul-molekul pada fase padat. Pada Gambar 3.1. (b) di atas merupakan gambar dari molekul-molekul pada fase cair. Di dalam fase cair kelompok moleku-molekul saling mengambang, tapi mempertahankan tatanan yang teratur dalam setiap kelompoknya.

Untuk fase gas seperti terlihat pada Gambar 3.1. (c) di atas molekul-molekul bergerak acak dan tidak teratur. Molekul-molekul bergerak acak dan terus menerus sehingga terjadi tumbukan antara molekul dan dinding tempat gas tersebut berada. Oleh karena itu untuk mengembun atau membeku gas memerlukan energi yang cukup besar.

3.3 Perubahan Fase Substansi Murni

Substansi murni mampu eksis pada beberapa fase secara bersamaan. Air bisa eksis sebagai campuran cairan dan uap pada evaporator dan kondensor pada suatu pembangkit listrik tenaga uap.

Bahwa semua substansi murni bisa menunjukan sifat yang sama.

3.3.1 Cairan Terkompresi

Terlihat pada Gambar 3.2. di bawah ini keadaan 1 dengan peralatan silinder piston yang berisi air pada suhu 20°C dan tekanan 1 atmosfer. Pada kondisi ini air tidak siap menguap, karena berada pada fase cair atau cair terkompresi. Air sedikit mengembang akan tetapi tekanan masih 1 atmosfer dengan dipanaskan sekitar 40°C air.

Gambar 3.2: Cairan terkompresi

(Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

(37)

3.3.2 Cairan Jenuh

Cairan jenuh adalah cairan yang siap menguap. Terlihat pada Gambar 3.3. di bawah ini keadaan 2 dimana panas terus ditambahkan sehingga suhu terus meningkat hingga mencapai 100°C. Pada keadan ini cairan mulai siap menguap, sehingga proses perubahan fase dari cair menjadi uap berlangsung.

Gambar 3.3: Cairan jenuh

(Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed) 3.3.3 Cairan Jenuh dan Uap Jenuh

Terlihat pada Gambar 3.4. di bawah adalah saat mendidih pada 100°C suhu air akan berhenti naik hingga seluruh cairan habis. Cairan jenuh dan uap jenuh akan terjadi pada saat air mendidih. Pada perubahan fase ini suhu akan konstan jika tekanan dipertahankan konstan, sehingga yang berubah adalah volume yang bertambah.

Gambar 3.4: Cairan jenuh dan uap jenuh

(Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed) 3.3.4 Uap Jenuh

Uap yang siap mengembun ini dinamakan uap jenuh. Pada keadaan 4 seperti terlihat pada Gambar 3.5. di bawah ini bahwa silinder akan sepenuhnya terisi oleh uap.

(38)

Gambar 3.5: Uap jenuh

Proses pengembunan akan terjadi jika suhu turun di bawah 100°C dan tekanan 1 atmosfer, sehingga jika suhu di atas 100°C dan tekanan 1 atmosfer uap tersebut tidak akan terjadi proses pengembunan.

3.3.5 Uap Super Panas

Uap yang tidak mengembun ini dinamakan uap super panas.

Sepanjang suhunya masih di atas 100°C dan tekanan 1 atmosfer uap tidak akan mengembun. Penambahan panas lebih lanjut akan mengakibatkan meningkatnya suhu dan volume jenisnya.

Gambar 3.6: Uap super panas

Jika proses keadaan di atas di balik dengan proses mendinginkan air dengan mempertahankan tekanan pada nilai yang sama, air akan kembali ke keadaan 1 melalui lintasan yang sama dan jumlah panas yang dilepaskan akan sama dengan panas yang ditambahkan pada proses pemanasan. Proses perubahan fase pada tekanan konstan seperti di atas dapat dilukiskan dalam suatu diagram T-v pada Gambar 3.7. di bawah ini.

(39)

Semakin tinggi tekanannya semakin tinggi juga titik didih air tersebut. Proses air mendidih tergantung dari tekanannya, jadi air akan mendidih pada suhu 100°C jika tekanannya 1 atmosfer.

Gambar 3.7: Diagram T-v proses pemanasan air (Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

Contohnya jika kita memasak daging sapi dengan panci biasa, mungkin waktu yang dibutuhkan sekitar 1 jam. Akan tetapi jika kita memasaknya dengan panci tekan mungkin hanya perlu waktu 20 menit. Karena dengan tekanan tinggi, maka suhunya juga tinggi sehingga matangnya lebih cepat.

Sedangkan tekanan jenuh adalah pada suhu tertentu, tekanan di mana substansi murni mulai mendidih. Suhu jenuh adalah pada tekanan tertentu, suhu di mana substansi murni mulai mendidih.

Gambar 3.8: Kurva cair – uap jenuh untuk substansi murni (Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

(40)

3.4 Diagram Proses Perubahan Fase 3.4.1 Diagram T-v

Proses perubahan fase akan mengikuti lintasan proses pada tekanan 1. Pada saat tekanan semakin bertambah di dalam silinder mencapai 1 MPa dan panas ditambahkan terus. Akan tetapi air mendidih akan semakin jauh lebih tinggi, jika tekanan dinaikan terus garis jenuh ini akan terus memendek dan akan menjadi satu titik. Titik ini dinamakan sebagai titik kritis.

Gambar 3.9: Diagram T-v perubahan fase air (Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

Seluruh keadaan cairan terkompresi terletak di daerah sebelah kiri dari garis cair jenuh disebut daerah cair terkompresi. Daerah campuran cair uap jenuh adalah seluruh keadaan yang meliputi kedua fase tersebut terletak dibawah kubah.

Semua keadaan uap superpanas terletak di daerah sebelah kanan garis uap jenuh disebut daerah uap superpanas. Substansi aksis pada fase tunggal sebagai cairan atau uap terjadi dalam dua daerah ini.

Gambar 3.10: Diagram T-v substansi murni

(41)

3.4.2 Diagram P-v

Anggaplah silinder tadi tekanan diturunkan berlahan-lahan dan air dibiarkan melepaskan panas ke lingkungan, sehingga suhunya tetap konstan. Diagram P-v hampir mirip dengan diagram T-v pada substansi murni. Maka peristiwa tersebut bisa lukiskan diagram P-v nya seperti terlihat pada Gambar 3.11. di bawah ini.

Gambar 3.11: Diagram P-v substansi murni

(Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed) 3.4.3 Diagram Fase Padat

Diagram di bawah meliputi fase padat dan daerah campuran padat cair jenuh dan daerah campuran padat uap jenuh. Diagram pada Gambar 3.12. di bawah ini merupakan pengembangan dari diagram sebelumnya.

Gambar 3.12: Diagram P-v substansi menyusut ketika Membeku

(42)

Gambar 3.13: Diagram P-v substansi mengembang ketika membeku (Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

Tetapi air akan mengembang ketika membeku, sehingga es akan mengambang di permukaan air. Sebagian besar subtansi akan menyusut selama proses pemadatan atau pembekuan.

3.4.4 Diagram P-T

Pada Gambar 3.14. di bawah ini adalah diagram P-T merupakan diagram fase karena ketiga fase saling terpisahkan. Terdapat ketiga garis yang bertemu pada suatu titik yang disebut titik tripel, di mana ketiga fase eksis secara bersama-sama dalam keseimbangan.

Gambar 3.14: Diagram P-T substansi murni

(43)

3.4.5 Diagram P-v-T

Diagram dua dimensi seperti diagram P-v, diagram P-T dan diagram T-v merupakan suatu proyeksi dari diagram P-v-T, sesuai dengan permukaan masing-masin seperti terlihat pada Gambar 3.15.

dan Gambar 3.16 di bawah ini. Sehingga diagram P-v-T merupakan gabungan dari diagram-diagram di atas.

Gambar 3.15: Diagram P-v-T substansi menyusut (Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

Gambar 3.16: Diagram P-v-T substansi mengembang (Sumber : Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed)

(44)

DAFTAR PUSTAKA

Cengel, Y.A., and Boles, M.A. 2015. Thermodynamics An Engineering Approach, 8^thed, McGraw Hill, New York.

Cengel, Y.A., and Boles, M.A. 1995. Introduction to Thermodynamics and Heat Transfer, 2^nded, McGraw Hill, New York.

Haryanto, A, M.A. 2016. Termodinamika, edisi 2, Innosain, Yogyakarta.

Potter, M.C., dan Somerton, C.W. 2008. Termodinamika Teknik, edisi 2, Erlangga, Jakarta.

Ir. Maryadi, ST., MT., IPM., ACPE., ASEAN Eng.

email : [email protected] Menyelesaikan pendidikan Diploma Teknik Mesin Politeknik Pratama Mulia Surakarta (POLITAMA). Lulus Sarjana Teknik Mesin Universitas Islam As – Syafi’iyah Jakarta (UIA). Lulus Magister Teknik Mesin Universitas Pancasila Jakarta (UP). Lulus Program Studi Program Profesi Insinyur (PSPPI) Universitas Muslim Indonesia Makasar (UMI).

Staff Pengajar di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Sains dan Teknologi Universitas Islam As – Syafi’iyah Jakarta. Pengalaman 18 tahun di Perusahaan Konsultan Mekanikal dan Elektrikal. Mempunyai Sertifikat Insinyur Profesional Madya (IPM) dari Badan Kejuruan Mesin Persatuan Insinyur Indonesia (BKM-PII). Surat Tanda Registrasi Insinyur (STRI) dari Persatuan Insinyur Indonesia (PII). Sertifikat Kompetensi sebagai Ahli Muda Bidang Keahlian Teknik Mekanikal dari Lembaga Pengembangan Jasa Konstruksi Badan Nasional Sertifikasi Profesi (LPJK-BNSP). Sertifikat ASEAN Chartered Professional Engineer (ACPE) dari ASEAN Chartered Professional Engineer Coordinating Committee (ACPECC). Sertifikat ASEAN Engineer (ASEAN Eng) dari ASEAN Federation of Engineering Organisation (AFEO).

(45)

4

Termodinamika Proses Aliran Tunak

Eko Kurniawan, S.T. M.Sc.

Sekolah Tinggi Teknologi Texmaco Subang

Dalam bab ini, pembahasan hukum Termodinamika I akan diperluas mengenai kekekalan energi ke sistem yang melibatkan aliran massa melintasi batas-batasnya yaitu volume atur, khususnya pada proses aliran tunak (steady-flow process). Bab ini dimulai dengan pengertian dan karakteristik aliran tunak, kemudian dilanjutkan dengan hubungan keseimbangan massa dan energi pada proses aliran tunak. Penerapan hukum Termodinamika I untuk proses aliran tunak pada perangkat teknik juga dibahas dalam bab ini.

4.2 Pengertian Proses Aliran Tunak

Beberapa istilah teknik yang mendasar telah digunakan pada konsep termodinamika untuk memudahkan pemahaman dalam menganalisis dan memprediksi perilaku suatu sistem. Diantara istilah yang digunakan dalam materi ini adalah sebagai berikut:

• Keadaan (state) mengacu pada kondisi keseluruhan sistem pada waktu tertentu.

• Proses adalah perubahan kondisi pada suatu sistem.

• Tunak (steady) menyatakan tidak ada perubahan dengan waktu.

Aliran dikatakan tunak jika laju aliran fluida yang melalui suatu mesin atau peralatan dan laju perubahan energinya adalah konstan.

Suatu proses di mana suatu fluida mengalir melalui suatu volume atur dengan stabil disebut proses keadaan tunak (steady-state process).

Dengan demikian proses aliran tunak (steady-flow process) dapat didefiniskan sebagai proses di mana materi dan energi dengan keadaan tunak/stabil (steadily) mengalir melalui volume atur pada sistem terbuka.

(46)

Gambar 4.1 Contoh Aliran Tunak

Suatu sistem dikatakan tunak apabila sifat-sifat pada setiap titik dalam sistem tersebut adalah tetap dalam waktu yang berbeda, walaupun dapat bervariasi dari satu titik ke titik lainnya. Untuk lebih jelasnya perhatikan contoh aliran air yang tunak melalui pipa seperti pada gambar 1.1. Pengukuran tekanan dilakukan di sepanjang pipa pada dua waktu yang berbeda dalam sehari. Walaupun waktu pengukuran berbeda, tetapi aliran memiliki tekanan yang sama, hal ini karena alirannya tunak. Namun, dapat diamati bahwa nilai tekanan bervariasi di sepanjang pipa yang menggambarkan sifat aliran tunak yang tidak seragam pada setiap titik aliran yang diukur.

4.3 Karakteristik Proses Aliran Tunak

Aliran tunak adalah keadaan aliran yang tetap dan tidak berubah terhadap waktu. Oleh karena itu, aliran tunak memiliki karakteristik sebagai berikut:

• Karakteristik 1: Tidak ada sifat dalam volume atur yang berubah seiring waktu. Hal ini berarti, selama seluruh proses aliran tunak maka total volume, massa dan energi pada sistem adalah konstan.

Dengan demikian, total massa yang masuk kedalam volume atur harus sama dengan total massa yang keluar dari volume atur.

• Karakteristik 2: Batas sistem tetap sama, karena selama proses aliran tunak keadaan sistem tidak berubah terhadap waktu.

(47)

• Karakteristik 3: Tidak ada sifat yang berubah pada batas volume atur sistem terbuka seiring dengan waktu. Ini berarti bahwa laju aliran massa, laju aliran energi, dan sifat-sifat fluida seperti tekanan, suhu, volume spesifik, energi internal, entalpi spesifik dan kecepatan aliran di saluran masuk atau saluran keluar, tetap konstan selama aliran tunak.

• Karakteristik 4: Laju perpindahan panas dan kerja yang melintasi batas sistem adalah tetap dan tidak berubah terhadap waktu.

Terdapat dua persamaan (governing equation) untuk proses aliran tunak pada suatu sistem yaitu:

1) Persamaan keseimbangan massa (mass balance) 2) Persamaan keseimbangan energi (energy balance)

4.4 Keseimbangan Massa untuk Proses Aliran Tunak Proses aliran tunak dapat dianggap sebagai proses khusus yang dialami oleh sistem terbuka, sehingga dapat dimulai dari keseimbangan massa untuk sistem terbuka. Dimana, selama proses aliran tunak, jumlah total massa yang terkandung dalam volume atur tidak berubah terhadap waktu ( = konstan). Berdasarkan Karakteristik 1, maka total massa yang masuk kedalam volume atur harus sama dengan total massa yang keluar dari volume atur. Prinsip kekekalan massa untuk sistem aliran tunak umum dinyatakan dalam bentuk persamaan:

( ) ∑ ̇

= ∑ ̇

(kg/s) (4.1)

( ) ̇ = ̇ = (4.2) dimana subscript i menunjukkan saluran masuk (inlet) dan subscript e menunjukkan saluran keluar (exit). Khusus untuk kasus aliran inkompresibel, dengan menghilangkan densitas ( ) pada kedua sisi maka persamaan umum aliran tunak inkompresibel dapat ditulis:

( ) ∑ ̇

= ∑ ̇

(m³/s) (4.3) ( ) ̇ = ̇ = (4.4)

(48)

4.5 Keseimbangan Energi untuk Proses Aliran Tunak Berdasarkan Karakteristik 1, bahwa kandungan energi total pada sistem ( ) adalah tetap konstan selama proses, maka dari persamaan hukum Termodinamika I:

= (4.5)

Menurut Karakteristik 2, bahwa batas sistem (boundary system) adalah tetap dan tidak berubah terhadap waktu, sehingga tidak ada kerja pada batas sistem yang dilakukan selama proses aliran tunak, maka:

( ̇) = (4.6)

Selanjutnya, Karakteristik 3 menyatakan bahwa semua sifat pada saluran masuk dan saluran keluar pada sistem tetap dan tidak berubah terhadap waktu. Sehingga, h, V, dan z adalah konstan. Dengan menerapkan semua karakteristik proses aliran tunak diatas, maka diperoleh:

̇ ̇ ( ̇ ̇ ̇ ) ( ̇ ̇ ̇ ) = (4.7) Berdasarkan pengamatan Karakteristik 3 dan 4, dimana laju aliran adalah konstan, maka diperoleh prinsip kekekalan energi untuk sistem aliran tunak umum dengan beberapa saluran masuk dan saluran keluar, sebagai berikut:

̇ ̇ = ∑ ̇ ( ) ∑ ̇ ( ) (4.8)

̇ ̇ = ∑ ̇ ∑ ̇ (4.9)

dimana ̇ adalah panas yang masuk ke sistem, ̇ adalah kerja yang dihasilkan oleh sistem, Sedangkan, = = ⁄ . Dengan demikian, keseimbangan energi yaitu hukum Termodinamika I yang diterapkan pada proses aliran tunak dengan satu saluran masuk dan satu saluran keluar adalah,

̇ ̇ = ̇ [

( )] (4.10)

(49)

Selanjutnya, Pers. dibagi dengan ̇, maka diperoleh keseimbangan energi berdasarkan satuan massa yaitu:

=

( ) (4.11)

dimana, = ̇ ̇⁄ dan = ̇ ̇⁄ masing-masing adalah perpindahan panas dan kerja yang dilakukan per satuan massa fluida kerja.

4.6 Proses Aliran Tunak pada Perangkat Teknik

Sejumlah besar perangkat teknik (engineering device) seperti nozel, diffuser, turbin dan kompresor, beroperasi di bawah kondisi yang stabil/tidak berubah dan dalam jangka waktu yang lama, dapat dimodelkan atau diklasifikasikan sebagai perangkat aliran tunak.

Asumsi yang dapat digunakan untuk menganalisis aliran tunak suatu sistem diantaranya adalah:

• Aliran massa melalui sistem tetap konstan ( ̇ = ̇ ).

• Fluida memiliki komposisi yang seragam.

• Satu-satunya interaksi antara sistem dan lingkungannya adalah usaha ( ̇) dan panas ( ̇). Karena volume atur terisolasi dengan baik (dianggap adiabatik), maka tidak ada perpindahan panas ( ̇ = ). Dan karena volume atur adala