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 Suhu (Temperature)

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 Celcius OC

Merupakan skala suhu yang banyak digunakan, dimana suhu nol sesuai untuk kondisi air yang mulai membeku.

1.1.2 Skala mutlak Kelvin K

Merupakan skala suhu yang kenaikan skalanya sama dengan skala Celsius, tetapi dengan skala suhu nol yang paling rendah, yaitu ketika semua molekul atau atom-atom benda berhenti bergerak. Suhu ini menjadi acuan suhu nol mutlak K dan setara dengan -273,15 OC.

K = OC + 273,15

Satuan suhu standar internasional SI adalah derajat Kelvin K, yang ditetapkan sebagai 1 ÷ 273,15 suhu termodinamika air murni pada triple pointnya (0,01 oC). Pada umumnya, suhu pada persamaan termodinamika dinyatakan dalam K. Namun beda suhu sebagaimana pada perhitungan perpindahan panas, bisa dinyatakan dalam oC atau K. Karena kenaikan skalanya sama, maka beda suhu dalam oC sama dengan beda suhu dalam K.



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 (pound per inchi persegi lb/in2) ataupun satuan tinggi kolom air H2O (mmH2O, inH2O) dan tinggi kolom air raksa Hg (mmHg, inHg).

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 (0 bar absolute).



1.2.2 Tekanan gauge, bar (bar g)

Ini adalah tekanan yang diukur mulai dari acuan tekanan udara luar atmosfer, dimana tekanan udara luar atmosfer dianggap nol barg (0 bar gauge) - sering ditulis dengan satuan bar saja. Walaupun tekanan udara luar tergantung pada cuaca dan ketinggian, namun pada umumnya dianggap 1.01325 bara (1 atm), yakni tekanan udara atmosfer pada permukaan laut dengan suhu 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.

1.3 Density Dan Volume Jenis (density and specific volume)

Density ρ suatu bahan didefinisikan sebagai masa bahan m per satu satuan volume V. Volume jenis vg adalah volume pr satuan masa, kebalikan dari density.

dimana: ρ = density (kg/m3) m = masa (kg) V = volume (m3) vg = volume jenis (m3/kg)

Satuan lain yang digunakan adalah berat jenis (specific gravity), yaitu perbandingan density bahan tersebut ρs dengan density air murni ρw pada suhu dan tekanan standar (STP). Kondisi acuan ini ditetapkan dengan tekanan udara luar dan suhu 0 oC. Kadang-kadang dengan suhu 20 oC atau 25 oC yang disebut acuan suhu tekanan normal (NTP).

Density bahan tersebut ρs Berat jenis suatu bahan =

Density air murni ρw



Density air murni pada NTP dianggap 1000 kg/m3. Karena berat jenis adalah perbandingan dua density, maka berat jenis adalah tanpa dimensi ukuran dan satuan. Berat jenis disebut juga density relatif suatu bahan.

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

Energi diartikan sebagai kemampuan melakukan kerja. Pemindahan energi dengan cara gerak mekanik disebut kerja. Satuan SI untuk kerja dan energi adalah joule, ditetapkan sebagai 1 Nm (1 joule = 1 Newton meter).

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 volume.

Kerja W = tekanan P x perubahan volume dV

Contoh: Suatu tekanan yang diberikan p = 1 Pa, telah merubah volume 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 J P Joule menunjukkan adanya kesetaraan antara energi mekanik (kerja/work) dengan panas (heat). Ditemukannya, bahwa jumlah energi yang sama dibutuhkan untuk menghasilkan kenaikan suhu yang sama pada masa air tertentu, tidak masalah apakah energi diberikan sebagai panas Q atau kerja W.

Energi total pada suatu sistem adalah terdiri dari energi dalam, potensial dan kinetik. Suhu material 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 dan lokasinya, dan jumlah energi potensial dan kinetiknya.

Perpindahan energi karena perbedaan suhu berhubungan dengan aliran panas (heat flow). Satuan SI untuk daya 1 Watt didefinisikan sebagai aliran aliran panas 1 joule per detik (1 J/s).



Satuan lain untuk jumlah energi panas adalah BTU (British Thermal Unit, yaitu jumlah panas untuk menaikkan suhu 1 lb air murni sebesar 1 oF) dan kalori (calorie, yaitu jumlah panas untuk menaikkan suhu 1 g air murni sebesar 1 oC).

1.4.1 Entalpi Jenis (Specific Enthalpy)

Istilah ini diberikan untuk energi total suatu fluida (seperti air atau uap) sesuai tekanan dan suhu pada waktu dan kondisi tertentu. Lebih jelasnya lagi, entalpi jenis adalah jumlah energi internal dan kerja yang dilakukan oleh tekanan yang tersedia.

Satuan dasar ukurannya adalah joule (J). Karena ukuran satu joule terlalu kecil, biasanya digunakan ukuran kilojoule kJ (1 kJ = 1000 J).

Entalpi jenis adalah suatu ukuran energi total dari satu satuan masa, dan satuan ukurannya biasanya adalah kJ/kg.

1.4.2 Kapasitas Panas Jenis (Specific Heat Capacity)

Entalpi suatu fluida merupakan fungsi dari suhu dan tekanan. Suhu ketergantungan entalpi dapat ditentukan dengan cara mengukur kenaikan suhu yang disebabkan aliran panas pada tekanan tetap. Kapasitas panas tekanan tetap (cp) adalah suatu ukuran perubahan entalpi pada suhu tertentu dengan tekanan konstan.

Energi dalam adalah fungsi dari suhu dan volume jenis. Kapasitas panas volume tetap (cv) adalah suatu ukuran perubahan energi dalam pada suhu tertentu dengan volume konstan.

Karena pada umunya volume jenis benda padat dan cair bernilai kecil, kecuali kalau tekanan sangat tinggi, kerja yang dilakukan oleh tekanan dapat diabaikan. Sehingga entalpi dapat digambarkan dengan komponen energi dalam saja dan kapasitas panas volume tetap dan tekanan tetap dapat dikatakan sama.

Sehingga, untuk benda padat dan cair: cp ≈ cv

Penyederhanaan lain untuk benda padat dan cair adalah dengan menganggapnya tidak dapat dimampatkan (incompressible), sehingga volumenya hanya merupakan fungsi suhu. Hal ini



menyatakan secara tdk langsung bahwa untuk fluida incompressible, entalpi dan kapasitas panasnya hanya merupakan fungsi suhu.

Panas jenis menyatakan jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 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 relatif 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 suhu 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 suhu substansi (OC)

Persamaan ini menunjukkan bahwa untuk masa substansi tertentu, kenaikan suhunya adalah sebanding lurus dengan jumlah panas yang tersedia, dengan anggapan kapasitas panas jenisnya tetap selama perubahan suhu.

Contoh

Air sebanyak 2 liter dinaikkan suhunya 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 suhu 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 suhu awalnya 20 OC, maka air itu akan melepas panas sebesar 419 kJ tersebut ke pendingin.

1.4.3 Entropi S

Entropi 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.

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 suhu rendah ke suhu yang lebih tinggi.

Perubahan enetropi suatu sistem disebabkan oleh perubahan kandungan panasnya, dimana perubahan entropi adalah sama perubahan panasnya dibagi dengan suhu mutlak (absolute) rata-ratanya, sesuai persamaan berikut.

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

Suhu mutlak rata-rata (∆T)

Ketika melakukan hitungan satuan massa, 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 soal berikut.

Contoh: Suatu proses menaikkan suhu 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 dalam 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 suhu 100 OC (373 K) menjadi uap jenuh 100 OC (373 K) pada kondisi udara luar.

Hitung perubahan entropi jenis evaporasi !

Karena ini merupakan perubahan fase, 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:

+

−=∆

2373373

0258.2fgs

373258.2

=∆ fgs

kJ/kg.K054.6=∆ fgs



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); tentukan perubahan entropinya.

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

hg = 2.675 kJ/kg (dari tabel uap)

Entalpi total jenis uap jenuh hg bertekanan udara luar dan bersuhu 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

Suhu 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 suhu awal 0 OC, sehingga hasil akhir yang diperoleh sangat mendekati entropi jenis pada tabel uap.

1. besaran thermodinamika

Documents