TERMODINAMIKA TEKNIK FTG 2 C 3 Disusun oleh

TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) Disusun oleh : Mukhammad Ramdlan Kirom, MSi Edy Wibowo, MSc Prodi S 1 Teknik Fisika Fakultas Teknik Elektro Universitas Telkom 1

Bab I : Pengantar Termodinamika Tujuan Instruksional Khusus Mahasiswa dapat : 1. Memahami defenisi dan aplikasi yang berdasarkan termodinamika 2. Memahami sistem, lingkungan, dan interaksi antara sistem dan lingkungan 3. Memahami besaran termodinamika seperti volume spesifik, tekanan, dan temperatur, beserta metode pengukurannya TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 2

Bab I : Pengantar Termodinamika Sub Pokok Bahasan : 1. 2. 3. 4. Defenisi dan Aplikasi Termodinamika Defenisi Sistem Sifat dan Keadaan Sistem Pengukuran volume spesifik, tekanan, dan temperatur TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 3

Pengantar Termodinamika Pengertian termodinamika berasal dari bahasa Yunani, “therme” yang berarti panas dan “dynamis” yang berarti gaya/gerak. Berbagai aspek dari termodinamika telah dipelajari sejak dahulu, sedangkan pelajaran formal termodinamika dimulai awal abad ke sembilan belas yang membahas mengenai energi panas. Namun saat ini ruang lingkupnya lebih luas membahas mengenai energi dan transformasi energi yang berkaitan dengan perubahan variabel P, V, dan T. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 4

1. Defenisi dan Aplikasi Termodinamika merupakan cabang dari fisika dan ilmu teknik. Ilmuwan tertarik pada kelakuan fisis dan kimiawi dari material dan menggunakan prinsip termodinamika untuk memahami sifat-sifat dari material. Sedangkan seorang teknisi umumnya tertarik untuk mempelajari sistem dan bagaimana berinteraksi dengan lingkungannya. Beberapa aplikasi termodinamika teknik Pompa kompresor Sistem pembakaran Sistem kreogenik Sistem air conditioning, ventilasi, pemanasan Kompresi gas dan absorpsi Pompa panas Pendinginan komponen elektronik Sistem energi alternatif Fuel cell Alat termolistrik sistem geotermal Mesin kendaraan Turbin TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 5

2. Defenisi Sistem adalah apa yang kita teliti atau pelajari. Itu bisa berupa sebuah benda sederhana atau sebuah penyulingan bahan kimia yang kompleks. Kita ingin mempelajari kuantitas material dalam sebuak tangki tertutup atau sesuatu yang mengalir seperti aliran gas alam dalam sebuah pipa. Segala sesuatu di luar sistem disebut lingkungan sistem atau lingkungan. Sedangkan batas adalah pertemuan antara sistem dan lingkungan, di mana umumnya adalah akhir dari gerak sistem. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 6

Tipe sistem Sistem tertutup, atau kontrol massa, didefenisikan ketika sebuah kuantitas materi tertentu dipelajari. Sebuah sistem tertutup selalu mengandung materi yang sama. Tidak ada transfer massa melewati batas sistemnya. Tipe khusus dari sistem tertutup yang tidak berinteraksi dengan lingkungan disebut sistem terosilasi. Dalam sistem ini selain transfer massa juga transfer energi tidak terjadi. Sistem terbuka, atau kontrol volume, adalam sistem dengan satu area tertentu dari ruang yang tetap. Ini umumnya berupa alat berkaitan dengan aliran massa seperti turbin, kompresor, atau pipa semprot. Aliran melalui alat tersebut akan lebih baik dipelajari dengan memilih area tertentu dari alat sebagai kontrol volume. Baik massa dan energi dapat melewati batas sistem dari kontrol volume. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 7

Tinjauan Termodinamika Makroskopik dan Mikroskopik Pada pendekatan makroskopik, perilaku termodinamika dikaji menyeluruh, dan disebut termodinamika klasik. Dalam termodinamika klasik, model struktur materi pada skala atomik tidak secara langsung digunakan. Parameter fisis yang sering diamati adalah tekanan, volume, dan temperatur. Pendekatan mikroskopik, disebut termodinamika statistik, lebih ditujukan pada perilaku materi pada tingkat atomik dan menghubungkannya dengan perilaku makroskopik. Pada aplikasi laser, plasma, aliran gas kecepatan tinggi, kinematika kimia, kajian kriogenik, dan sebagainya, kajian termodinamika statistik sangatlah penting. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 8

3. Sifat dan Keadaan Sistem Sifat sistem seperti massa, volume, energi, tekanan, dan temperatur, merupakan karakteristik makroskopik. Sifat terbagi dua, yaitu sifat ekstensif di mana kuantitas dari sifat tersebut merupakan penjumlahan dari bagian dari sistem tersebut. Contohnya : massa, volume, energi, dll. Sifat yang kedua adalah sifat intensif di mana kuantitas sifat tersebut tidak dipengaruhi oleh ukuran sistem. Contoh : temperatur, tekanan, dll. Keadaan merupakan kondisi sistem yang dapat ditentukan oleh sifatnya. Proses adalah perubahan keadaan sistem akibat perubahan sifatnya. Siklus termodinamika adalah suatu urutan proses yang berawal dan berakhir dengan kondisi sama. Keadaan tunak adalah kondisi di mana tidak ada satupun sifat pada sistem yang berubah terhadap waktu. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 9

Fase menggambarkan sejumlah materi yang homogen dalam komposisi kimia dan struktur fisisnya. Homogenitas dalam struktur fisis dicirikan oleh seluruh materi dalam keadaan padat, cair, uap, atau gas. Keadaan kesetimbangan dalam termodinamika adalah kesetimbangan menyeluruh, baik mekanis, panas, fase, dan kimia. Zat murni adalah sesuatu yang memiliki komposisi kimia yang sama dan tetap. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 10

Pengukuran panjang, massa, waktu, dan gaya Sistem Internasional (SI) Sistem Inggris Besaran Satuan Simbol Massa kilogram kg pound massa lb Panjang meter m feet ft Waktu detik s gaya Newton N Pound gaya lbf 1 ft = 0, 3048 m 12 inchi = 1 ft TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 1 lbf = 32, 1740 lb. ft/s 2 11

4. Pengukuran volume spesifik, tekanan, dan temperatur Sifat terukur/intensif : Volume spesifik, tekanan dan temperatur. Volume spesifik didefinisikan sebagai kebalikan densitas, yaitu volume persatuan massa. Satuan dalam sistem SI dinyatakan oleh m 3/kg. Sedangkan dalam sistem Inggris dinyatakan oleh ft 3/lb. Pada aplikasi tertentu, penulisan volume spesifik lebih mudah dinyatakan dalam bentuk volume per kilo mol m 3/kmol. Dengan M adalah berat molekul dalam kg/kmol. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 12

Soal Sistem silinder torak bervolume 1 L berisi gas dengan tekanan awal p 1 = 1 bar. Kemudian torak ditekan hingga mencapai tekanan akhir p 2 = 4 bar. a. Jika hubungan tekanan dan volume selama proses kompresi mengikuti p. V = tetap, tentukan volume dalam L pada tekanan 3 bar. Gambarkan pula hubungan tekanan – volume selama proses b. Ulangi pertanyaan untuk suatu hubungan linier antara tekanan – volume pada akhir yang sama. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 13

Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas. Satuan tekanan bergantung pada satuan gaya dan luas. Pada sistem SI, satuan tekanan yang digunakan adalah N/m 2 atau Pascal. 1 bar = 105 N/m 2 1 atm = 1, 01325 105 N/m 2 1 atm = 14, 696 lbf/ft 2 Tekanan yang terukur pada alat ukur tekanan berupa tekanan gauge, yang mempunyai persamaan : Tekanan gauge = tekanan absolut – tekanan atmosfer TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 14

Gas h pgas = patm + gh pgas menyatakan tekanan gas patm menyatakan tekanan atmosfer menyatakan rapat massa cairan g menyatakan percepatan gravitasi h menyatakan perbedaan ketinggian permukaan cairan TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 15

Konsep temperatur berasal dari perasaan panas dan dingin yang dihasilkan indera manusia. Namun indera manusia tidak dapat mengukur kuantitas panas secara objektif, sehingga diperlukan alat pengukur berupa termometer. Prinsip pengukuran temperatur berdasarkan kesetimbangan termal antara alat ukur dan material yang diukur. Prinsip ini berdasarkan hukum termodinamika ke-nol : “Jika dua benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka benda-benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lainnya” Kesetimbangan termal terjadi akibat terjadinya aliran panas dari benda yang mempunyai temperatur lebih tinggi ke benda yang temperaturnya lebih rendah sehingga terjadi kesetimbangan. Setiap benda yang memiliki sedikitnya satu sifat yang berubah terhadap temperatur, maka dapat digunakan sebagai temperatur. Sifat demikian disebut sifat termometrik. TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 16

Skala Temperatur Skala temperatur ditunjukkan oleh nilai yang berdasarkan pada nilai standar tertentu, yaitu titik tripel air. Titik tripe air adalah titik temperatur air di mana terjadi kesetimbangan fase uap, es, dan cair dari air. Diketahui titik tripel air pada temperatur 273, 16 Kelvin. Skala Kelvin (K) merupakan skala temperatur termodinamika absolut yang menberikan suatu definisi temperatur yang kontinyu untuk seluruh daerah temperatur. Skala temperatur Celsius (o. C) merupakan skala temperatur yang sama dengan Kelvin, namun berbeda nilai titik nolnya. Nilai 0 o. C sama dengan 273, 15 K. T (K) = T (o. C) + 273, 15 Sedangkan skala temperatur lainnya adalah skala Fahrenheit dan skala Rankine. T (o. R) = 1, 8 T (o. C) T (o. F) = 1, 8 T (o. C) + 32 TERMODINAMIKA TEKNIK (FTG 2 C 3) 17