thermodinamika - · pdf filehukum thermodinamika i 3. zat murni 4. gas sempurna ... •...

THERMODINAMIKAOleh:

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawanhttp://ydhermawan.wordpress.com/

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 1

PROGRAM STUDI TEKNIK PERMINYAKAN

FAKULTAS TEKNOLOGI MINERAL

UPN “VETERAN” YOGYAKARTA

THERMODINAMIKAMateri:

1. Pendahuluan

2. Hukum Thermodinamika I

3. Zat Murni

4. Gas Sempurna (Perfect Gas)

5. Proses-Proses Reversible

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 2

1. Eastop, T.D. & McConkey, M., (1982) “AppliedThermodynamics For Engineering Technologists”, Longman,London, New York.

2. Kyle, B.G., (1992), “Chemical and ProcessThermodynamics”, Prentice-Hall of India, New Delhi.

Pustaka:

TUJUAN INSTRUKSIONAL UMUM

Mahasiswa mampu menjelaskan konsep dasar thermodinamika

dan penerapannya dalam industri minyak dan gas.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 3

Some application areas of thermodynamics.

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 4

I PENDAHULUAN

Tujuan Instruksional Khusus:

1.1. Istilah-Istilah (Terminologies) Termodinamika

1.2. Variabel-Variabel dan Kuantitas-Kuantitas Termodinamika

1.3. Keadaan Fluida Kerja (Working Fluid)

1.4. Reversibilitas (Reversibility)

Mhs mampu menjelaskan tentang:

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 5

1.1. Istilah-Istilah (Terminologies) Termodinamika

1.2. Variabel-Variabel dan Kuantitas-Kuantitas Termodinamika

1.3. Keadaan Fluida Kerja (Working Fluid)

1.4. Reversibilitas (Reversibility)

1.1. Istilah-Istilah (Terminologies) Termodinamika

Sistem (System): Bagian darisuatu benda atau ruang yangakan dipelajari atau dianalisis.Sistem mungkin berada dalambatasan nyata ataupun imaginer.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 6

Keadaan (State): menunjukkankeberadaan kondisi sistem

Lingkungan (Surrounding):Daerah di luar sistim

Sistem Tertutup (Closed System): Sistem yang TIDAKmemindahkan atau menukarkan massa ke lingkungan (massatetap), tapi mungkin panas dan kerja dapat melintas batassistem.

LINGKUNGAN

SISTEMm = tetap

Batas(Boundary)

Heat or WorkExchange

NO MASSExchange

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 7

Sistem Terbuka (Open System) : Sistem yang DAPATmemindahkan atau menukarkan massa, panas, dan kerja kelingkungan

SISTEM

Batas(Boundary)

Heat or WorkExchange

MASSExchange

LINGKUNGAN

Sistem Isotermal (Isothermal System) : Jika proses yangterjadi pada sistem (open or closed system) berlangsung padasuhu konstan.

Sistim Terisolasi (Isolated System) : Sistem yang TIDAKDAPAT memindahkan atau menukarkan massa, panas, dankerja ke lingkungan.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 8

Sistem Isotermal (Isothermal System) : Jika proses yangterjadi pada sistem (open or closed system) berlangsung padasuhu konstan.

Sistem Adiabatis (Adiabatic System) : Jika proses yangterjadi pada sistem (open or closed system) tanpa pertukaranpanas dengan lingkungan.

1.2. Sifat (Property) Sistem

Sifat yang dimiliki sistem; contohnya: tekanan, suhu, volume,massa

Sifat Ekstensif (Extensive Property): Sifat yang

TERGANTUNG pada ukuran sistem; contoh: volume, massa,

energi total.

Sifat Intensif (Intensive Property): sifat yang TIDAK

TERGANTUNG pada ukuran sistem; contoh: suhu, tekanan,

densitas atau volume spesifik.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 9

Sifat Ekstensif (Extensive Property): Sifat yang

TERGANTUNG pada ukuran sistem; contoh: volume, massa,

energi total.

Sifat Intensif (Intensive Property): sifat yang TIDAK

TERGANTUNG pada ukuran sistem; contoh: suhu, tekanan,

densitas atau volume spesifik.

Jika sistem homogen, sifat ekstensif dapat diubah menjadi sifatintensif dengan cara

SpesifikropertiPSistemTotalKuantitas

EkstensifropertiPIntensifropertiP

Misal:

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 10

VolumeSpecificmass

Volume

EnergySpecificmass

Energy

Suhu: ukuran numerik dari derajat panas (degree of hotness)

328,1

5932

CTFTCT

FT OOO

O

Suhu Absolut :

SI (Kelvin) : T (K) = T(oC) + 273,15 T(oC) + 273

British (Rankine) : T (R) = T(oF) + 459,67 T(oF) + 460

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 11

Suhu Absolut :

SI (Kelvin) : T (K) = T(oC) + 273,15 T(oC) + 273

British (Rankine) : T (R) = T(oF) + 459,67 T(oF) + 460

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Comparison oftemperature scales.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 12

Pressure: didefinisikan sebagai Gaya per satuan Luas. dapat diukur dengan Manometer atau Bourdon Gauge SI : N/m2 = Pascal = Pa; 1 bar = 105 Pa; 1 atm = 1.01325 bar

2232 81.965.98061011

mN

mNxOHmm

223 4.13365.98066.131011

mN

mNxxHgmm

Tekanan di bawah atmospheric Tekanan Vakum Jika pipa U berisi cairan (misalnya, air atau merkuri)

(dimana, 1 m3 H2O beratnya 9810 N)

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 13

VacuumPressure

SYSTEM

Surrounding

Manometer

AtmosphericPressure

SurroundingPerfectVacuum

Barometer

223 4.13365.98066.131011

mN

mNxxHgmm

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Absolute, gage, and vacuum pressures.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 14

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

The pressure is the same at all points on a horizontal plane in a given fluidregardless of geometry, provided that the points are interconnected by thesame fluid.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 15

Kerja (Work):Produk dari sebuah gaya (Force) dan jarak perpindahannya

dLFWdLFdW Satuan N.m = Joule = J

Dalam termodinamika teknik, kerja dapat terjadi akibat dariekspansi atau kontraksi fluida

System(gas)

Piston

Surrounding

Well-insulated

dVPW

dVPA

dVPAFdLW

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 16

System(gas)

Piston

Surrounding

Well-insulated

dVPW

dVPA

dVPAFdLW

P dan T sistem naik, energi intrinsik naik, karena sistemterinsulasi dengan baik, panas tidak dapat mengalir dari atau kesistem. Kerja yang dilakukan oleh piston menyebabkannaiknya energi intrinsik gas.

System

Heat flow

Heat flowH

eat flow

Heat flow

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 17

System

Heat flow

Heat flowH

eat flow

Heat flow

Pada sistem tanpa insulasi, tidak ada kerja yang dilakukan atauyang diberikan sistem, tapi P dan T gas naik karena sistemmenerima panas, sehingga energi intrinsik gas naik. Naiknyaenergi intrinsik gas ini disebabkan oleh panas yangditambahkan ke sistem.

• Seperti suhu, panas (heat) adalah sesuatu yang tampaknyasudah dikenal baik (familiar) tapi sulit untuk didefinisikan.

• Seperti kerja, panas akan mempunyai arti jika terjadi perubahanpada sistem.

• Panas dinyatakan dengan Joule (J) atau kalori• Jika dua sistem mempunyai suhu yang berbeda (T1>T2) saling

berkontak, maka ke-dua sistem akan mencapai suhu yangsama, dengan kata lain panas mengalir (berpindah) dari sistemyang lebih panas (T1) ke sisitem yang lebih dingin (T2).

Panas (Heat)

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 18

• Seperti suhu, panas (heat) adalah sesuatu yang tampaknyasudah dikenal baik (familiar) tapi sulit untuk didefinisikan.

• Seperti kerja, panas akan mempunyai arti jika terjadi perubahanpada sistem.

• Panas dinyatakan dengan Joule (J) atau kalori• Jika dua sistem mempunyai suhu yang berbeda (T1>T2) saling

berkontak, maka ke-dua sistem akan mencapai suhu yangsama, dengan kata lain panas mengalir (berpindah) dari sistemyang lebih panas (T1) ke sisitem yang lebih dingin (T2).

Hot milk(T1)

Cold water(T2)

Perpindahan panas dari Sistem-1(hot milk) ke Sistem-2 (coldwater) sampai kedua sistemmencapai suhu yang sama.

Sulfuric acid andnitric acid are formedwhen sulfur oxidesand nitric oxidesreact with watervapor and otherchemicals high in theatmosphere in thepresence of sunlight.

Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 19

Sulfuric acid andnitric acid are formedwhen sulfur oxidesand nitric oxidesreact with watervapor and otherchemicals high in theatmosphere in thepresence of sunlight.

1-10

1.3. Keadaan Fluida Kerja (Working Fluid)

• Fluida: zat yang dapat mengalir/berpindah dari satu tempat ke

tempat lain, misalnya zat cair, uap atau gas working fluid

• Sifat termodinamika: tekanan, suhu, volume spesifik, energi

internal, entalpi dan entropi. Namun, untuk fluida kerja

murni, hanya diperlukan dua sifat (property) untuk

mendefinisikan/menyatakan fluida kerja tersebut secara

lengkap Diagram

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 20

• Fluida: zat yang dapat mengalir/berpindah dari satu tempat ke

tempat lain, misalnya zat cair, uap atau gas working fluid

• Sifat termodinamika: tekanan, suhu, volume spesifik, energi

internal, entalpi dan entropi. Namun, untuk fluida kerja

murni, hanya diperlukan dua sifat (property) untuk

mendefinisikan/menyatakan fluida kerja tersebut secara

lengkap Diagram

P

v

2

1 1

2

P

T

T

v

2

1

P vs v P vs T T vs v

Contoh: fluida di dalam silinder pada P1 dan v1 (state-1 padadiagram P vs v), jika piston berpindah, keadaan fluida jugaberubah pada P2 dan v2 (state-2). Karena keadaan (state) telahdidefinisikan, suhu (T) dapat ditemukan dan titiknya dapat diplotseperti pada diagram P vs T dan T vs v.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 21

P

v

2

1 1

2

P

T

T

v

2

1

P vs v P vs T T vs v

Diagram termodinamika penting:P-v diagram, T-S diagram, H-S-P diagram

1.4. Reversibilitas (Reversibility)

Ketika sistem mengalami perubahan keadaan, titik-titik keadaan(state points) yang dilalui oleh sistem dapat diplotkan ke dalamdiagram.

Reversibilitas (Reversibility): jika fluida mengalami prosesreversible, maka baik fluida maupun lingkungannya dapat selaludikembalikan ke keadaan semula.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 22

System(gas)

Piston

Surrounding

Well-insulated

P

v

2

1

P vs vv

Proses reversible antaradua keadaan dapatdigambarkan sebagaisebuah alur/pola kontinyupada diagram P versus vdisamping.

P

v

2

1

P vs vv

Kenyataannya, fluida dalam sebuah proses tidak dapat dijagapada keadaan setimbang sehingga alur kontinyu tidak dapatdirunut pada sebuah diagram, sehingga proses nyata inikemudian disebut sebagai proses irreversible. Prosessirreversible biasanya diilustrasikan dengan garis putus-putusyang menunjukkan bahwa kondisi tengah (intermediate) tidakdapat ditentukan.

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 23

Kenyataannya, fluida dalam sebuah proses tidak dapat dijagapada keadaan setimbang sehingga alur kontinyu tidak dapatdirunut pada sebuah diagram, sehingga proses nyata inikemudian disebut sebagai proses irreversible. Prosessirreversible biasanya diilustrasikan dengan garis putus-putusyang menunjukkan bahwa kondisi tengah (intermediate) tidakdapat ditentukan.

Kriteria-kriteria reversibility

1. Proses harus tidak ada gesekan, fluida tidak mempunyai friksiinternal (internal friction) dan tidak ada friksi mekanik(mechanical friction); contohnya: antara silinder dan piston.

2. Perbedaan tekanan antara fluida dan lingkungannya selamaproses kecil sekali. Hal ini berarti, proses harus berlangsungsangat lambat, karena gaya untuk mempercepat sistim mencapaibatas akhir sangat kecil.

3. Perbedaan suhu antara fluida dan lingkungannya selama prosessangat kecil. Hal ini berarti, panas yang diberikan atau ditolak keatau dari fluidanya harus ditransfer dengan sangat pelan

Dr. Eng. Yulius Deddy Hermawan – Prodi. Tek. Perminyakan – FTM - UPNVY Thermo / I / 24

1. Proses harus tidak ada gesekan, fluida tidak mempunyai friksiinternal (internal friction) dan tidak ada friksi mekanik(mechanical friction); contohnya: antara silinder dan piston.

2. Perbedaan tekanan antara fluida dan lingkungannya selamaproses kecil sekali. Hal ini berarti, proses harus berlangsungsangat lambat, karena gaya untuk mempercepat sistim mencapaibatas akhir sangat kecil.

3. Perbedaan suhu antara fluida dan lingkungannya selama prosessangat kecil. Hal ini berarti, panas yang diberikan atau ditolak keatau dari fluidanya harus ditransfer dengan sangat pelan

Oleh karena itu, dari kriteria-kriteria di atas, jelas bahwa tidak ada proses dalamkenyataan yang benar-benar reversible. Akan tetapi, dalam beberapa prosesnyata sering digunakan pendekatan proses reversible.