1. besaran thermodinamika

Berbagi dan Menyebarkan Ilmu Pengetahuan Serta Nilai-Nilai Perusahaan 1

PT. PLN (PERSERO) PUSAT PENDIDIKAN DAN PELATIHAN BESARAN THERMODINAMIKA

1. BESARAN THERMODINAMIKA

1.1 Temperatur

Skala temperatur digunakan sebagai indikator keseimbangan panas (thermal), dimana setiap

dua benda yang bersentuhan dengan kondisi yang sama adalah dalam keseimbangan.

1.1.1 Skala Celsius OC

Ini adalah skala temperatur yang banyak digunakan, dengan temperatur nol yang cocok, yaitu

temperatur dimana air mulai membeku.

1.1.2 Skala mutlak Kelvin K

Ini adalah skala temperatur yang kenaikan skalanya sama dengan skala Celsius, tetapi dengan

skala nol temperatur yang paling rendah ketika semua molekul atau atom-atom benda berhenti

bergerak. Temperatur ini menjadi acuan temperatur nol mutlak K dan setara dengan -273,15 OC.

K = OC + 273,15

1.1.3 Satuan SI dan Inggris (I-P) untuk Temperatur

Satuan temperatur standar internasional SI adalah derajat Kelvin (K). Pada umumnya,

temperatur pada persamaan termodinamika dinyatakan dalam K. Namun beda temperatur

sebagaimana pada perhitungan perpindahan panas, bisa dinyatakan dalam OC atau K,

dikarenakan kenaikan skalanya sama.

Sedangkan satuan yang digunakan pada satuan Inggris, I-P (inch-pound) adalah derajat

Fahrenhait (OF).



Macam Satuan Temperatur dan konversinya:

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

1.1.4 Alat Ukur Temperatur

1. Termometer bola (cairan dalam gelas : air raksa, alkohol, air, dsb)

Prinsip kerja : sifat pemuaian zat.

Gambar Temperatur Bola



2. Termokopel

Prinsip kerja : sifat ggl (emf) dari dua metal yang berbeda.

Gambar Termokopel

3. RTD (Resistance Temperature Detector).

Prinsip kerja : sifat tahanan metal.

Gambar (Resistance Temperature Detector)

4. Termistor (Thermally Sensitif Resistor)

Prinsip kerja : sifat tahanan bahan.

Gambar Termistor (Thermally Sensitif Resistor)



1.2 Tekanan (Pressure)

Satuan tekanan SI adalah pascal Pa, yang didefinisikan sebagai satu newton gaya per meter

persegi (1 N/m2). Karena satuan pascal terlalu kecil, maka cenderung digunakan kPa (kilo

newton/m2) atau Mpa (mega newton/m2).

Namun yang paling umum digunakan adalah satuan metrik: atmosfer (atm) atau bar (kilogram

gaya per centimeter per segi = kg/cm2)

1 atm = 1.01325 bar

1 bar = 105 pascal = 0.1 Mpa

Satuan lainnya yang sering digunakan meliputi satuan British psi (puond per inci persegi lb/in2)

ataupun satuan tinggi kolom air H2O (mm H2O, in H2O) dan tinggi kolom air raksa Hg (mm Hg,

in Hg); pengkonversiannya dapat dilakukan dengan mesin konversi.

1.2.1 Tekanan mutlak/absolute pressure (bar.a)

Ini adalah tekanan yang diukur mulai dari acuan tekanan vakum sempurna, dimana tekanan

vakum sempurna dianggap nol bar a (o bar absolute).

1.2.2 Tekanan gauge (bar.g)

Ini adalah tekanan yang diukur mulai dari acuan tekanan udara luar atmosfer, dimana tekanan

udara luar atmosfer dianggap nol bar g (o bar gauge) - sering ditulis dengan satuan bar saja.



Walaupun tekanan udara luar tergantung pada cuaca dan ketinggian, umumnya dianggap

1.01325 bar a (1 atm) – tekanan udara luar atmosfer pada permukaan laut dengan temperatur

25 OC.

1.2.3 Beda tekanan (differential pressure)

Ini adalah beda antara dua tekanan. Ketika menentukan beda tekanan, tidak diperlukan

menentukan tekanan gauge atau absolute, asalkan kedua tekanan diukur dengan acuan yang

sama.

1.2.4 Satuan SI dan Inggris (I-P) untuk Tekanan

Satuan untuk tekanan adalah :

• SI: p = F/A → (kg.m/s2)/m2 = N/m2 = P = pascal • Inggris atau I-P : 1 lbf/in2 = 1 psi (pound force per square inch)

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

1.2.5 Alat Ukur Tekanan

Barometer: alat pengukur tekanan absolut udara

Manometer: alat pengukur perbedaan tekanan

Bourdon tube gage: alat pengukur tekanan secara mekanik, dapat mengukur tekanan gage

maupun absolut (umumnya gage)

Gambar Alat Ukur Tekanan Barometer Manometer Bourdon Tube Gage



1.3 Densiti Dan Volume Jenis (density and specific volume)

Densiti ρ suatu bahan didefinisikan sebagai massa bahan m per satu satuan volume V.

Volume jenis vg adalah volume per satuan masa, kebalikan dari densiti.

dimana: ρ = densiti kg/m3, untuk SI dan lbm/ft3, untuk satuan Inggris

m = masa kg, untuk SI dan lbm, untuk satuan Inggris

V = volume m3 untuk SI dan ft3, untuk satuan Inggris

vg = volume jenis m3/kg untuk SI dan ft3/lbm, untuk satuan Inggris

Satuan lain yang digunakan adalah berat jenis (specific gravity), yaitu perbandingan densiti

bahan tersebut ρs dengan densiti air murni ρw pada temperatur dan tekanan standar (STP).

Kondisi acuan ini ditetapkan dengan tekanan udara luar dan temperatur 0 OC.

Kadang-kadang digunakan temperatur 20 OC atau 25 OC dan jika menggunakan acuan ini

disebut acuan temperatur tekanan normal (NTP).

Densiti bahan tersebut ρs Berat jenis suatu bahan =

Densiti air murni ρw

Densiti air murni pada NTP dianggap 1000 kg/m3. Karena berat jenis adalah perbandingan dua

densiti, maka berat jenis adalah tanpa dimensi ukuran dan satuan. Berat jenis disebut juga

densiti relatif suatu bahan.

1.4 Panas, Kerja, Dan Energi (Heat, work and energy)

Energi diartikan sebagai kemampuan melakukan kerja. Pemindahan energi dengan cara gerak

mekanik disebut kerja (work). Pemindahan energi karena thermal contact, yaitu karena ada

perbedaan temperatur disebut panas (heat). Satuan SI untuk panas, kerja dan energi adalah

joule, ditetapkan sebagai 1 Nm (1 joule = 1 Newtonmeter).



Jumlah kerja mekanik yang dilakukan dapat ditentukan dengan persamaan turunan dari

mekanika Newtonian:

Kerja w = gaya F x jarak tempuh s

Dapat juga dijelaskan sebagai hasil kali dari tekanan yang diberikan dengan perubahan voluma.

Kerja w = tekanan p x perubahan voluma dV

Contoh: Suatu tekanan yang diberikan p = 1 Pa, telah merubah voluma sebesar dV = 1 m3.

Berapa kerja yang dilakukan?

Kerja yang dilakukan w = p x dV = 1 N/m2 x 1 m3 = 1 Nm = 1 joule = 1 J

Penelitian yang dilakukan oleh JP Joule menunjukkan adanya kesetaraan antara energi

mekanik (kerja/work) dengan panas (heat). Ditemukan bahwa jumlah energi yang sama

dibutuhkan untuk menghasilkan kenaikan temperatur yang sama pada masa air tertentu, tidak

peduli apakah energi diberikan sebagai panas q atau kerja w.

Energi total pada suatu sistem terdiri dari :

1. Energi Dalam

2. Energi Potensial dan

3. Energi Kinetik.

Temperatur bahan berhubungan langsung dengan energi dalam ug (internal energy). Energi

dalam berhubungan dengan gerak, interaksi dan ikatan molekul dalam bahan.

Energi luar (external energy) suatu bahan berhubungan dengan kecepatan (energi kinetik) dan

lokasinya (energi potensial).

Satuan SI untuk daya adalah Watt atau Joule per detik (1 J/s). Sedangkan satuan Inggrisnya

adalah BTU (British Thermal Unit), jumlah panas untuk menaikkan temperatur 1 lb air murni

sebesar 1 OF atau terkadang digunakan kalori (calorie), jumlah panas untuk menaikkan

temperatur 1 g air murni sebesar 1 OC. Pengkonversiannya dapat dilakukan dengan program

konversi satuan.



1.4.1 Entalpi jenis (Specific Enthalpy)

Entalpi (H) adalah jumlah energi internal dan kerja yang dilakukan oleh tekanan tersedia.

Entalpi suatu fluida ditentukan oleh temperatur dan tekanannya.. Istilah ini diberikan untuk

energi total suatu fluida (seperti air atau uap) sesuai tekanan dan temperatur pada waktu dan

kondisi tertentu.

Gambaran Entalpi

Satuan dasar ukurannya adalah joule (J). Karena ukuran satu joule terlalu kecil, biasanya

digunakan ukuran kilojoule kJ (1 kJ – 1000 J).

Entalpi jenis (h) adalah suatu ukuran energi total dari satu satuan massa, dan satuan ukurannya

biasanya adalah kJ/kg.

1.4.2 Kapasitas panas jenis (specific heat capacity)

Kapasitas panas adalah banyaknya kalor yang diserap oleh materi (cair, padat, dan gas)

untuk menaikan temperaturnya. Kapasitas panas tekanan tetap cp, adalah suatu ukuran

perubahan entalpi pada temperatur tertentu.

Energi dalam suatu fluida ditentukan oleh temperatur dan volume jenis. Kapasitas panas

volume tetap cv adalah suatu ukuran perubahan energi dalam pada temperatur tertentu dengan

volume tetap.

Untuk benda padat dan cair: cp ≈ cv. Penyederhanaan ini didasarkan pada sifat benda padat

dan cair yang tak dapat dimampatkan (incompressible), sehingga volumenya hanyalah fungsi



temperatur. Hal ini menyatakan secara tdk langsung bahwa untuk fluida incompressible, entalpi

dan kapasitas panasnya hanyalah fungsi temperatur.

Panas jenis menyatakan jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg

benda sebesar 1 OC, dan dapat dianggap sebagai kemampuan benda untuk menyerap panas.

Satuan kapasitas panas jenis dalam SI adalah kJ/kg.K (kJ/kg.OC). Air memiliki kapasitas panas

jenis yang besar dibanding cairan lain, yaitu 4,19 kJ/kg.OC (1 kkal/kg.OC), sehingga air dan uap

dianggap sebagai pembawa panas yang baik.

Jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur suatu substansi dapat

ditentukan dengan persamaan berikut:

Q = m. cp.∆T

dimana: Q = jumlah energi panas (kJ)

m = masa substansi (kg)

cp = kapasitas panas jenis substansi (kJ/kg.OC)

∆T = kenaikan temperatur substansi (OC)

Persamaan ini menunjukkan bahwa untuk masa substansi tertentu, kenaikan temperaturnya

adalah sebanding lurus dengan jumlah panas yang tersedia, dengan anggapan kapasitas

panas jenisnya tetap selama perubahan temperatur.

Contoh

Air sebanyak 2 liter dinaikkan temperaturnya dari 20 OC ke 70 OC. Pada tekanan udara luar,

berat jenis air adalah 1000 kg/m3 (1 kg/ltr). Kapasitas panas jenis air 4.19 kJ/kg.OC pada

rentang temperatur rendah.

Oleh karena itu : Q = 2 kg x 4.19 kJ/kg.OC x (70 OC - 20 OC) = 419 kJ

Jika kemudian air tersebut didinginkan kembali ke temperatur awalnya 20 OC, maka air itu akan

melepas panas sebesar 419 kJ tersebut ke pendingin.

1.4.3 Entropi, S

Entropi, S adalah ukuran tingkat ketidak-teraturan dalam suatu sistem. Semakin besar tingkat

ketidak-teraturan, semakin tinggi entropi. Satuan Si entropi adalah kJ/kg.K (kJ/kg.OC).



Dalam benda padat, molekul benda tersusun dengan struktur yang teratur. Ketika benda

berubah dari padat menjadi cair, atau dari cair menjadi gas, susunan molekul menjadi lebih

tidak teratur, karena akan bergerak lebih bebas. Untuk setiap benda, entropinya pada fasa gas

akan lebih besar dari pada fasa cair, dan entropinya pada fasa cair akan lebih besar dari pada

fasa padat.

Gambaran Entropi dari Suatu Materi

Satu sifat proses spontan atau alami adalah bahwa proses akan terus berlangsung menuju

keseimbangan. Hal ini dapat dilihat pada hukum kedua termodinamika yang menyatakan bahwa

energi panas tidak dapat mengalir dari temperatur rendah ke temperatur yang lebih tinggi.

Perubahan entropi suatu sistem disebabkan oleh perubahan kandungan panasnya, dimana

perubahan entropi adalah sama perubahan panasnya dibagi dengan temperatur mutlak

(absolute) rata-ratanya, sesuai persamaan berikut.

Perubahan entalpi (∆H) Perubahan entropi (∆S) =

Temperatur mutlak rata-rata (∆T)

Ketika melakukan hitungan satuan masa, simbol untuk entropi dan entalpi ditulis dengan huruf

kecil, sebagai berikut:

Perubahan entalpi jenis (∆h) Perubahan entropi jenis (∆s) =




Untuk memahami lebih rinci, perhatikan contoh berikut.

Contoh: Suatu proses menaikkan temperatur 1 kg air dari 0 hingga 100 OC (dari 273 K ke 373

K) ada kondisi udara luar.

Entalpi jenis pada 0 OC (hf) = 0 kJ/kg (dari tabel uap)

Entalpi jenis pada 100 OC (hf) = 419 kJ/kg (dari tabel uap)

Hitunglah perubahan entropi jenisnya.

Karena hal ini adalah perubahan entropi jenis air, simbol s menjadi sf

Perubahan entalpi jenis (∆h) Perubahan entropi jenis (∆sf) =


Contoh

Suatu proses mengubah 1 kg air temperatur 100 OC (373 K) menjadi uap jenuh 100 OC (373 K)

pada kondisi udara luar.

Hitung perubahan entropi jenis evaporasi.

Karena ini merupakan perubahan keadaan, simbol s menjadi sfg.

Entalpi jenis evaporasi hfg uap pada 100 OC (373 K) = 2.258 kJ/kg (dari tabel uap)

Entalpi jenis evaporasi hfg air pada 100 OC (373 K) = 0 kJ/kg (dari tabel uap)

Perubahan entalpi jenis (∆h) Perubahan pada entropi jenis (∆sfg) =




Sehingga:

Perubahan total entropi jenis dari air 0OC menjadi uap jenuh 100OC adalah jumlah perubahan

entropi jenis air dan perubahan entropi jenis untuk uap, dengan simbol g menyebabkan

perubahan entropi totalnya sg. Sehingga:

Perubahan entropi jenis (∆sg) = ∆sf + ∆sfg

∆sg = (1,297 + 6,054) kJ/kg.K (dari contoh diatas)

= 7,351 kJ/kg.K

Contoh

Suatu proses pemanasan lanjut 1 kg uap jenuh bertekanan udara luar menjadi 150 OC (423 K);

tentuken perubahan entropinya.

Entalpi total jenis uap jenuh hg bertekanan udara luar dan bertemperatur 100 OC (373 K)

adalah:

hg = 2.675 kJ/kg (dari tabel uap)

Entalpi total jenis uap jenuh hg bertekanan udara luar dan bertemperatur 150 OC (423 K)

adalah:

hg = 2.777 kJ/kg (dari tabel uap)

Perubahan entalpi jenis (∆h) = (2.777 – 2.675) kJ/kg

∆h = 102 kJ/kg

Temperatur mutlak rata-rata ∆T = (373 + 423)/2 = 398 K



Perubahan entropi jenis ∆s = ∆h /∆T

= (102/398) kJ/kg.K

= 0,256 kJ/kg.K

Perubahan total entropi jenis ∆s = ∆sg + entropi tambahan karena pemanasan lanjut ∆s

∆s = (7,351 + 0,256) kJ/kg.K

= 7,607 kJ/kg.K

Karena entropi air jenuh diukur dari acuan 0,01 OC, entropi air pada 0 OC untuk praktisnya dapat

dianggap 0. Perubahan total entropi jenis pada contoh ini didasarkan pada temperatur awal 0 OC, sehingga hasil akhir yang diperoleh sangat mendekati entropi jenis pada tabel uap.

1. besaran thermodinamika

Documents