Bab 1 Konsep Dan Definisi

Bab 1: Konsep & Definisi Dr. Ir. T. A. Fauzi Soelaiman hal.: 1.1

BAB 1. KONSEP DAN DEFINISI

Termodinamika: berasal dari bahasa Yunani:therme (panas)dynamis (gaya)

Merupakan ilmu yang mempelajari energi dari suatu sistem dan hubungan antara sifat-sifatnya.

Kata “termodinamika” pertama kali digunakan di publikasi Lord Kelvin pada tahun 1849. Buku teks termodinamika pertama kali ditulis oleh William Rankine, profesor di University of Glassgow, di tahun 1859.

SISTEM-SISTEM TERMODINAMIKA

Sistem: subyek yang dianalisis. Sekeliling (surrounding): semua yang di luar sistem. Batas sistem (permukaan atur): batas maya antara sistem dan

sekeliling (dapat diam atau berubah).

Jenis-jenis sistem:Sistem Atur Energi Massa

Tertutup Massa Atur Dapat lewat batas

Tidak dapat lewat batas

Terbuka Volume Atur Dapat lewat batas

Dapat lewat batas

Terisolasi - Tidak dapat lewat batas

Tidak dapat lewat batas

? ? Tidak dapat lewat batas

Dapat lewat batas

Pandangan Termodinamika:1. Makroskopik/Klasik: hanya meninjau efek keseluruhan,

mudah untuk dianalisis2. Mikroskopik/Statistik: meninjau struktur bahan dengan rinci,

mengkarakteristik sifat rata-rata partikel secara statistik dan menghubungkannya dengan sifat-sifat yang terlihat, sangat matematis.

Beberapa Definisi: Sifat (properties): karakteristik makroskopik sistem: massa, volume,

energi, tekanan, temperatur, warna, dll.; tidak perlu mengetahui sejarah dari nilainya.


Bukan sifat: bergantung pada sejarahnya: laju aliran massa, kerja, panas, dll.

Suatu besaran adalah sifat hanya bila perubahan nilainya tidak bergantung pada sejarah nilainya.

Jenis-jenis Sifat:a. Sifat Intensif: sifat yang tidak tergantung pada ukuran atau

massa sistem. Contoh: P (tekanan), T (temperatur), v (volume jenis), dll. Sifat intensif bukan merupakan jumlah sifat bagian-bagiannya. Mungkin tergantung pada lokasi dan waktu.

b. Sifat Ekstensif: sifat yang tergantung pada ukuran atau massa sistem. Contoh: m (massa), V (volume), E (energi), dll. Sifat ekstensif merupakan jumlah sifat bagian-bagiannya. Tidak bergantung pada lokasi, mungkin bergantung pada waktu.

Beberapa sifat ekstensif dapat diubah menjadi sifat intensif dengan membaginya dengan massa. Contoh:

Tingkat Keadaan (state): Kondisi sistem yang dinyatakan oleh beberapa sifatnya

Keadaan stedi/tunak (steady): Keadaan bila sifat-sifat sistem tidak berubah terhadap waktu

Proses: perubahan dari suatu tingkat keadaan ke tingkat keadaan lainnya.

Siklus: tahapan proses yang mulai dan berakhir pada tingkat keadaan yang sama dengan nilai sifat-sifat yang sama.

Fasa (phase): sejumlah zat yang homogen dalam komposisi kimia dan struktur fisiknya. Jenis fasa yang homogen struktur fisiknya: padat, cair dan gas. Fasa dibatasi oleh batas fasa.

Zat murni: zat yang komposisi kimianya seragam dan tidak berubah. Dapat terdiri dari beberapa fasa, tetapi komposisi kimianya harus tetap sama.

Contoh:a. Campuran air dan uap air : satu zat, dua fasab. Campuran O2 dan N2 : dua zat, satu fasa gas


c. Campuran air dan alkohol (larut) : dua zat, satu fasa caird. Campuran air dan oli (tidak larut) : dua zat, dua fasa cair

KESETIMBANGAN

Kesetimbangan Mekanika: kesetimbangan akibat gaya dengan arah yang berbeda dengan besaran yang sama.

Kesetimbangan Termodinamika: kesetimbangan sifat termodinamika sistem pada dua lokasi.

Kesetimbangan Kuasi: kesetimbangan semu dengan perubahan sifat yang relatif kecil.

Kesetimbangan termal: bila temperatur dua lokasi sama. Kesetimbangan mekanika: bila tekanan dua lokasi sama. Kesetimbangan fasa: bila massa setiap fasa tetap. Kesetimbangan kimia: bila komposisi kimia tetap.

Pengecekan terhadap kesetimbangan: isolasi sistem dari sekeliling, lalu lihat apakah terjadi perubahan pada sifat-sifatnya.

Setimbang vs. Stedi/Tunak:a. Sistem yang setimbang dan tunak:b. Sistem yang tidak setimbang tetapi tunak:c. Sistem yang setimbang tetapi tidak tunak:d. Sistem yang tidak setimbang dan tidak tunak:

SATUAN

Satuan: jumlah tertentu dibandingkan dengan jumlah lain dari jenis yang sama.

Dalam Mekanika: Satuan Utama/Primer:

Untuk SI (Systeme International d’Unites): panjang (L), waktu (T) dan massa (M), atau

Untuk Satuan Rekayasa Inggris (I-P: inch-pound): panjang (L), waktu (T), massa (M) dan gaya (F)

Satuan Kedua/Sekunder: Kecepatan, Percepatan, Daya, Luas, dll.

Dalam Satuan SI: 1 m = jarak yang dilalui oleh sinar dalam vakum selama

1/2999.792.458 dari satu detik.


1 s = 9.192.631.770 perioda radiasi akibat transisi antara dua tingkat hyperfine dari tingkat keadaan dasar atom Cesium 133.

1 kg = massa silinder paduan platinum-iridium yang ada di Paris dan duplikatnya ada di Amerika.

1 mol = jumlah zat dalam suatu sistem yang mempunyai jumlah bagian kecil yang sama dengan jumlah atom dalam 0,012 kg Karbon-12.

1 kelvin (K) = satuan temperatur termodinamika yaitu 1/273,16 dari temperatur termodinamika titik triple air.

1 ampere (A) = adalah arus yang tetap, dimana bila dijaga pada dua konduktor lurus dan paralel dengan panjang yang infiniti dan dengan potongan bundar yang dapat diabaikan dan dijaga sejarak 1 m dalam vakum, yang dapat diproduksi antara kedua konduktor ini sebuah gaya sebesar 2 x 10-7 newton per meter panjang.

1 candela (Cd) = adalah intensitas cahaya, pada arah tertentu, dari suatu sumber yang mengeluarkan radiasi monokromatik dengan frekuensi 540 x 1012 hertz dan mempunyai intensitas radian pada arah itu sebesar 1/683 watt per steradian.

Prefik: Digunakan untuk menyatakan jumlah yang sangat kecil atau sangat besar dari satuan dasarnya.

Faktor Prefik Simbol Faktor Prefik Simbol1024

1021

1018

1015

1012

109

106

103

102

10

YottaZettaExaPetaTeraGigaMegakilohektodeka

YZEPTGMkhda

10-1

10-2

10-3

10-6

10-9

10-12

10-15

10-18

10-21

10-24

decisentimilimikronanopikofemtoattozeptoyocto

dcmnpfazy

Alias: Pengganti kumpulan satuan agar tidak panjang dan sulit menuliskannya. Contoh: Gaya : F = m.a = [kg.m/s2] = [N] = [newton] Kerja : W = F.x = [kg.m2/s2] = [N.m] = [J] = [joule] Daya : = W/t = [kg.m2/s3] = [J/s] = [W] = [watt] Tekanan : p = F/A = [kg/m.s2] = [N/m2] = [Pa] = [pascal]

Massa: perhatikan bahwa satuan dasar massa adalah kg, bukan g. Gram disingkat g, bukan gr, dimana gr dapat berarti grain (butir).


Berat: diukur berdasarkan gravitasi lokal, sedangkan massa tetap di setiap lokasi.

Untuk benda dengan massa 1000 kg, maka beratnya adalah: F = m.g = 1000 kg x 9,80665 m/s2 = 9806,65 kg.m/s2 = 9806,65 N.

Dalam Satuan Rekayasa Inggris:Dalam Mekanika, satuan dasar: M, L, T, F. [M] = lbm (pound mass), 1 lbm = 0,45359237 kg. [L] = ft (foot atau feet), 1 ft = 0,3048 m, 1 ft = 12 in., 1 in. = 2,54 cm. [T] = s (second) [F] = lbf (pound force), 1 lbf = gaya dari massa 1 lbm benda yang

ditarik oleh gravitasi bumi dengan g = 9,80665 m/s2 = 32,1740 ft/s2. Lb = libra (satuan berat di Roma jaman dahulu), sekarang dibaca pon (pound).

Persamaan Newton : F = m.aSatuan : [lbf] = (1/gc) [lbm].[ft/s2]

Dimana gc = 32,1740 (lbm.ft)/(lbf.s2) = konstanta fisik yang menyatakan hubungan antara gaya dan perkalian massa dengan percepatan. Bukan merupakan faktor konversi.

Contoh: Berat 1000 lbm pada g = 32,0 ft/s2 adalah: F = m.a/gc = (1000 lbm) (32,0 ft/s2)/(32,1740 lbm.ft/lbf.s2) = 994,59 lbf.

Satuan energi: Btu (British thermal unit) dimana 1 Btu = energi yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 lbm air sebesar 1oF pada 68oF.

Satuan energi lainnya: kalori (calorie), dimana 1 kalori adalah energi yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram air sebesar 1oC pada 15oC.

1 Btu = 778,16 ft.lbf = 252 cal = 1055,0 J.


BEBERAPA SIFAT TERMODINAMIKA YANG DAPAT DIUKUR

A. DENSITAS dan VOLUME JENIS

Densitas untuk suatu zat kontinyu pada suatu titik adalah [kg/m3] atau [lbm/ft3]:

dimana V’ adalah volume terkecil yang mungkin diperoleh.

Massa:

Volume jenis: v = 1/ [m3/kg] [ft3/lbm] yang merupakan sifat intensif, dan dapat bervariasi dari satu titik ke titik lainnya

Jumlah mol: n = m/M [kmol] [lbmol] dimana M = berat molekul zat (lihat Tabel A-1 atau A-1E)

Volume jenis molal: [m3/kmol] [ft3/lbmol]

Gravitasi Jenis (specific gravity): s.g = /H20, dimana H20 =1000 kg/m3 pada 4oC.

B. TEKANAN

Tekanan adalah gaya per satuan luas.

Tekanan fluida pada suatu titik:

dimana A’ adalah luas terkecil yang mungkin terjadi.

Fluida diam: tekanan pada suatu titik adalah sama pada orientasi apapun.Fluida bergerak: tekanan adalah gaya normal (tegak lurus) dibagi dengan luas.

Satuan Tekanan: SI: p = F/A (kg.m/s2)/m2 = N/m2 = P = pascal IP:1 lbf/in2 = 1 psi (pound force per square inch)

psia = pound force per square inch absolute psig =pound force per square inch gage


Tekanan atmosfir: berat atau gaya molekul udara di atas lokasi per satuan luas, bergantung pada temperatur dan tekanan. 1 atm = 1,01325 x 105 N/m2 = 14,696 lbf/in2 = 10,34 m H2O = 760 mm

Hg = 29,92 in. Hg. 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa.

Tekanan Absolut = Tekanan Atmosfir + Tekanan Gage pabs = patm + pgage

pgage = pabs – patm

pvakum = patm – pabs

Alat Pengukur Tekanan:1. Barometer: alat pengukur tekanan absolut udara2. Manometer: alat pengukur perbedaan tekanan3. Bourdon tube gage: alat pengukur tekanan secara mekanik,

dapat mengukur tekanan gage maupun absolut (umumnya gage)4. Piezoelektrik: alat pengukur tekanan dinamis berdasarkan arus

listrik (untuk mengukur tekanan ruang bakar, dsb.)5. Dll.

Barometer Manometer Bourdon Tube Gage


C. TEMPERATUR

Berasal dari perasaan panas dan dingin akibat sentuhan dengan tangan, tidak dapat diskalakan.

Kesetimbangan Termal: Dua blok tembaga disatukan. Ada sifat yang berubah. Terjadi kesetimbangan termal: sifat temperaturnya sama.

Perpindahan panas dapat diperlambat dengan dinding isolator.

Dinding Adiabatik: merupakan dinding dengan sifat isolasi termal yang sempurna sehingga tidak terjadi perpindahan panas melewatinya.

Proses Adiabatik: proses dimana Q = 0.

Proses Isotermal: proses dimana temperaturnya konstan.

Adiabatik vs. Isotermal:a. Sistem adiabatik dan isotermal:b. Sistem adiabatik, tetapi tidak isotermal:c. Sistem tidak adiabatik, tetapi isotermal:d. Sistem tidak adiabatik dan tidak isotermal:

Hukum Termodinamika keNol (R. H. Fowler, 1931, sekitar 50 tahun setelah Hukum Termo 1 dan 2): Bila dua benda disatukan dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka ketiga benda tersebut akan berada dalam kesetimbangan termal (temperaturnya sama).

Hukum ini menjustifikasi fungsi alat pengukur temperatur yaitu termometer sebagai benda ketiga yang dapat digunakan untuk mengukur temperatur dua benda dan menyatakan bahwa kedua benda tersebut dalam keadaan setimbang secara termal.

Sifat termometrik zat (sifat yang berubah berdasarkan temperatur) dapat dijadikan ukuran temperatur.

Alat Pengukur Temperatur:1. Termometer bola (cairan dalam gelas): air raksa, alkohol, air,

dsb. Sifat: pemuaian zat.2. Termometer gas volume konstan. Sifat: tekanan gas.3. Termokopel. Sifat ggl (emf) dari dua metal yang berbeda.4. RTD. Sifat: tahanan metal.


5. Termistor. Sifat: tahanan bahan.6. Pirometer (radiasi dan optikal)7. Dll.

Skala Temperatur:Angka yang diberikan sebagai titik tetap standar yang mudah untuk dibuat: titik triple air, dimana air, es dan uap air berada dalam kesetimbangan: 273,16 K (agar temperatur antara titik beku dan titik uap tetap 100 K, sehingga sama dengan skala Celsius).Temperatur standar kini menggunakan The International Temperature Scale of 1990 (ITS-90) dengan menggunakan beberapa kondisi zat untuk mengkalibrasi alat ukur.

Skala Temperatur Gas:Misal temperatur gas sebanding dengan tekanannya: T = p.Bila tingkat keadaan diambil pada titik triple, maka = 273,16/ptp

Sehingga: T = 273,16 (p/ptp)

Gunakan massa dan jenis gas yang berbeda, ukur ptp dan p, lalu plot:

Ternyata bila ptp 0, maka akan diperoleh p/ptp yang sama, sehingga dapat diperoleh Skala Temperatur Gas: T = 273,16 p/ptp.

Skala Kelvin:Skala temperatur yang independen terhadap sifat zat. Memerlukan analisis energi dan Hukum Termodinamika II. Akan dibahas di sub-bab 5.5.

Satuan Temperatur:Derajat Fahrenheit: oF = 9/5 oC +32Derajat Celsius: oC = 5/9 (oF – 32) (dahulu: Centigrade)Kelvin K = oC + 273,15 (tanpa derajat)Derajat Rankine: oR = oF + 459,67 (bukan Reamur!!!)


T (K) = T (oC)T (oR) = T (oF)= 1,8 T (K) = 1,8 T (oC)

Triple point air: 273,16 K = 0,01oC = 491,69oR = 32,02oF.Absolut nol: 0 K = 0oR = - 273,15oC = - 459,67oF. Belum pernah dicapai (pernah mencapat 2 x 10-9 K di tahun 1989).

Dasar nama skala: G. Fahrenheit (1686-1736), dari Jerman A. Celcius (1702-1744), dari Swedia Lord Kelvin atau William Thomson (1824-1907), dari Inggris William Rankine (1820-1872), dari Inggris (Universitas Glasgow)

Documents

Bab 1 Konsep Dan Definisi