KONSEP DASAR DAN HUKUM KE NOL TERMODINAMIKA

1.1 Istilah Termodinamika Termodinamika adalah ilmu pengetahuan tentang energy, pengalihan energy (energy transfer) dan efeknya pada sifat fisik bahan. Hukum-Hukum Termodinamika merupakan hasil observasi ilmiah untuk membuka tabir hukum alam yang berkaitan dengan energy. Istilah thermodinamics berasal dari kata Yunani therme (heat) dan dynamics (power), yang secara deskriptif yaitu kemampuan merubah panas (heat) menjadi daya (power). Sekarang, Termodinamika diinterpretasikan secara lebih luas mencakup segala aspek energy dan perubahan energy, termasuk pembangkitan daya, pendinginan dan hubungan yang menyertai sifat-sifat bahan. 1.2 System Tertutup Dan Terbuka System dalam Termodinamika didefinisikan sebagai sejumlah materi atau daerah di dalam ruang yang dipilih sebagai objek, sedangkan daerah di luarnya disebut surrounding (lingkungan). Daerah yang memisahkan antara objek dan surrounding disebut Boundary (batas) yang dapat bersifat nyata dan imajiner. Boundary dapat bersifat tetap (fixed) atau bergerak (movable). Boundary mengalami kontak permukaan dengan objek dan surrounding. Secara matematis, tebal boundary adalah nol sehingga tidak bisa mempunyai massa dan volume. Sistem dapat tertutup (closed system = control mass) atau terbuka (open system = control volume) tergantung pada ketetapan massa dan volume yang ditinjau. Closed system disebut juga massa kontrol terjadi apabila jumlah massa di dalam boundary dibuat tetap, jadi tidak ada massa yang masuk maupun keluar system, kecuali energy dapat menembus system tersebut, ditunjukkan pada gbr.1-1. Sistem dibatasi dengan tanda garis putus-putus. Arti kata “kontrol” dalam pengertian diatas adalah massa tetap, sengaja ditutup supaya tidak terjadi perubahan yang mempengaruhi system. Apabila energy tidak adapat menembus boundary,disebut isolated system. Sebaliknya, pada open system terjadi aliran massa masuk dan keluar menembus boundary, misalnya pada: kompressor, turbin dan nozzle. Gbr.1-2 memperlihatkan massa dan energi dapat menembus boundary pada control volume yang disebut control surface. Gbr.1-1 Panas dan Kerja dapat menembus boundary pada closed system (control mass) , sedang Massa tidak Gbr.1-2 Massa, Panas dan Kerja dapat menembus boundary pada open system(control volume). 1.3 Property, Proses Dan Siklus Termodinamik Setiap system mempunyai ciri tertentu berupa sifat fisik yang dapat diukur misalnya: volume, temperatur, tekanan,dst. Ciri-ciri ini disebut property dari system. Perubahan property disebut perubahan keadaan termodinamik, lintasannya disebut path. Path yang lengkap menunjukkan perubahan keadaan, disebut process. Serangkaian process dari kondisi awal ke kondisi akhir dan kembali ke kondisi awal lagi disebut cycle (siklus). Property terbagi atas intensive properties dan extensive properties. Sifat yang tidak terpengaruh oleh massa disebut intensive properties contoh: temperatur, tekanan, dst. Sedangkan, Extensive properties berhubungan dengan massa, misalnya: massa, volume, total energy, dsb. Cara membedakannya: apabila property dapat dibagi misalnya: 1/3 bagian Volume atau 1/2 bagian massa, maka disebut extensive property. Temperatur dan tekanan tidak bisa hanya sebagian saja berarti termasuk intensive property. Jika massa berubah maka nilai extensive properties ikut berubah. Spesific extensive properties yaitu extensive properties per satuan massa berarti tentunya sudah menjadi intensive properties, misalnya: volume spesifik, energy spesifik, density, dsb. Perhitungan termodinamika hanya dapat dilakukan apabila telah tercapai keseimbangan keadaan termodinamik, berupa keseimbangan: mekanis, reaksi kimia dan panas. Keadaan termodinamik dalam keseimbangan disebut steady state yaitu keadaan termodinamik yang tidak berubah terhapap waktu. 1.4 Tekanan Tekanan (pressure) adalah gaya yang menekan fluida per satuan luas, sedangkan pada benda padat tekanan disebut tegangan (stress). Tekanan pada fluida meningkat seiring dengan meningkatnya kedalaman, hal ini akibat dari tindihan gaya berat fluida diatasnya. Fluida pada bagian bawah mengalami desakan gaya berat lebih besar dibanding fluida diatasnya. Tekanan bervariasi dalam arah vertikal akibat efek grafitasi. Tidak ada variasi tekanan dalam arah horizontal artinya besarnya tekanan adalah sama untuk ketinggian yang sama. Untuk hitungan praktis, tekanan di dalam tangki berisi gas dapat dianggap seragam bila gaya berat gas tersebut sangat kecil dan tidak signifikan. 1 Pa = 1 N/m2 1 bar = 100 kPa =105 Pa = 0,1 MPa 1 atm = 101325 Pa = 101,325 kPa = 1,01325 bar 1 atm = 14,7 psi (pound-force per square inch) Absolute pressure adalah tekan yang diukur mulai dari vakum mutlak (absolute vacuum), pada posisi ini Pabs=0. Semua tekanan yang diukur dari posisi ini disebut tekanan absolute contoh: tekanan atmosfir standar 760 mmHg (=1 atm), diukur dari Pabs = 0 (gbr.1-3). Gage pressure adalah tekanan diukur mulai dari tekanan atmosfir ke atas (tekanan atmosfir lokal besarnya sekitar 1 atm ini dihitungan sebagai tekanan dasar 0 atm). Misalnya pada pengukuran tekanan compressor sebelum operasi terbaca: tekanan = 0 atm (pada hal tekanan lokal berkisar 1 atm). Sehingga nantinya setelah bertekanan maka yang terbaca adalah tekanan lebih, yang menghitung keatas. Gbr 1-3. Referensi tekanan absolut, atmosfir, gage dan vakum. Sebaliknya, pada pengukuran vacuum pressure, 1 atm ini dihitung sebagai tekanan dasar 0 atm dan menghitung ke bawah, sehingga yang tebaca adalah tekanan berkurang. Saat alat vakum mulai dipasang, terbaca tekanan = 0 mm Hg (tekanan lokal sekitar 1atm.), bila dapat tercapai vakum sempurna = -760 mmHg (-14,7 inHg = 0 mmHg.abs = 0 in.Hgabs). Tanda (-) pada tekanan menunjukkan vacuum. Pgage = Pabs – Patm (untuk tekanan di atas Patm ) Pvac = Patm -Pabs (untuk tekanan di bawah Patm) 2(1 ΔP = ρgz 1.5 Skala Temperatur dan Hukum ke Nol Termodinamika Skala temperatur didasarkan pada titik beku (freezing or ice point) dan titik didih (boiling or steam point) air pada tekanan 1 atm. Untuk SI, digunakan skala Celcius (Centigrade scale), berturut-turut 0 dan 100 oC. Sedangkan satuan British, digunakan skala Fahrenheit yaitu 32 dan 212 oF. Skala temperatur termodinamik untuk SI, dipakai skala Kelvin K (bukan oK), sedangkan satuan British dipakai skala Rankine R (bukan oR). Temperatur termodinamik didasarkan pada tekanan mutlak (absolute pressure) = 0, karena pada kondisi ini (temperatur mutlak = 0) tidak ada lagi gerakan di dalam atom. K= oC + 273,15 R = oF + 459,67 R = 1,8K oF = 1,8 oC + 32 Δ K = Δ oC Δ R = Δ oF Gbr. 1-4 Perbandingan skala temperatur. Apabila dua benda beda temperaturnya didempetkan, lama kelamaan akan tercapai keseimbangan temperatur (temperaturnya sama), akibatnya perpindahan panas terhenti karena pengeraknya (beda temperatur) sudah habis , kondisi ini disebut tercapai keseimbangan termal. Hukum ke nol termodinamika menyatakan bahwa: apabila dua benda mencapai keseimbangan termal dengan benda ke tiga, maka benda tersebut masing-masing mencapai kesetimbangan termal satu sama lain, walaupun tidak bersentuhan lansung. Artinya benda tersebut mempunyai temperatur yang sama walaupun tidak terjadi kontak langsung. 1.6 Rangkuman Closed system (control mass) yaitu apabila jumlah massa di dalam boundary tidak bisa berubah, jadi tidak ada massa yang masuk maupun keluar system, kecuali energy dapat menembus system. Bila energy tidak adapat menembus boundary tersebut disebut isolated system. Pada open system, aliran massa masuk dan keluar menembus boundary. misalnya kompressor, turbin dan nozzle. Massa dan energi dapat menembus boundary pada control volume yang disebut control surface. Intensive properties tidak terpengaruh oleh massa contoh: temperatur, tekanan, dst. Sedangkan extensive properties berhubungan dengan massa misalnya: massa, volume, total energy, dsb. Jika massa berubah maka nilai extensive properties juga berubah. Extensive properties per satuan massa (spesific extensive properties) adalah menjadi intensive properties, misalnya volume spesifik, energy spesifik, density, dsb. Pgage = Pabs – Patm (untuk tekanan di atas Patm ) Pvac = Patm -Pabs (untuk tekanan di bawah Patm) ΔP = ρgz K = oC + 273,15 R = oF + 459,67 R = 1,8 K oF = 1,8 oC + 32 Δ K = Δ oC Δ R = Δ oF