BAB 1

KONSEP DASAR

TERMODINAMIKA adalah satu sains yang

mempelajari tentang penyimpanan

(storage), pengubahan (transformation),

dan pemindahan (transfer) energi

STORED ENERGY

Internal Energy (U)

Kinetic Energy (EK)

Potential Energy (EP)

Chemical Energy

FORMS OF ENERGY

Dalam termodinamika, kita akan menyusun persamaan matematis

yang menghubungkan transformasi dan transfer energi dengan variabel-

variabel makroskopis, seperti temperatur, volume, dan tekanan,

yang menggambarkan sistem termodinamis.

Hukum-hukum Termodinamika

Hukum-hukum Termodiamika:

1. Hukum ke-0 : mendefinisikan temperatur (T)

2. Hukuj ke-1 : mendefinisikan energi (U)

3. Hukum ke-2 : mendefinisikan entropy (S)

4. Hukum ke-3 : mendefinisikan nilai S pada 0 K

SISTEM TERMODINAMIS

Sistem termodinamis adalah bagian dari semesta yang menjadi perhatian /

sekumpulan senyawa yang terdiri dari partikel-partikel

atom dan molekul

SISTEM

SEKELILING

BOUNDARY

SISTEM

TERISOLASI TERTUTUP TERBUKA

TERISOLASI TERTUTUP TERBUKATransfer massa Tidak ada Tidak ada Ada

Transfer panas dan/atau kerja

Tidak ada Ada Ada

CONTROL VOLUME

Control volume adalah suatu volume di ruangan dimana suatu material mengalir masuk ataupun keluar.

Permukaan yang melingkupi control volume disebut control surface

DESKRIPSI MAKROSKOPIS

Dalam Termodinamika Teknik, dipostulatkan bahwa

material yang berada dalam control volume

merupakan suatu continuum; maksudnya adalah

bahwa benda tersebut terdistribusi secara kontinyu

di seluruh daerah yang dimaksud.

Dengan adanya postulat tersebut dimungkinkan

untuk menggambarkan suatu sistem atau control

volume dengan menggunakan hanya beberapa

sifat-sifat makroskopis yang dapat diukur.

Kita tinjau satu besaran yaitu density:

Vm

V ΔΔ

lim0Δ

m adalah massa yang berada dalam V.

Seberapa kecil nilai 0?

Nilai “0” tersebut tidak boleh betul-betul = 0, karena jika demikian m akan bervariasi dari satu control volume ke control volume lainnya.

PROPERTY DAN KEADAAN SISTEM

SISTEM

HOMOGEN HETEROGEN

Minuman kopi Udara

Air teh + es

Fasa adalah sejumlah material yang

o Memiliki komposisi seragam/homogen

o Dapat dibedakan secara fisik

o Dapat dipisahkan secara mekanik

Contoh sistem satu fasa ( = 1):

o Air murni

o Udara (N2, O2, Ar, CO2)

Contoh sistem 2 fasa:

o Es dalam air

o Susu (butiran lemak dalam larutan air)

13

Property adalah besaran yang digunakan untuk

menggambarkan suatu sistem.

State/keadaan suatu sistem adalah kondisi dari

sistem tersebut sebagaimana dinyatakan dengan

nilai dari property-nya pada suatu saat tertentu.

Property yang umum digunakan untuk meng-

gambarkan suatu sistem adalah tekanan (P),

temperatur (T), volume (V), jumlah mol (ni),

massa (m), kecepatan (u), dan posisi.

Property memiliki nilai unik apabila suatu sistem

berada dalam keadaan tertentu, dan nilainya tidak

tergantung pada jalannya proses, hanya tergantung

pada keadaan awal dan keadaan akhir dari sistem.

Secara matematis:

12

2

1

d

diferensial eksak Perubahan property ketika sistem

berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2

PROPERTY

EKSTENSIF INTENSIF

nV

Vt

mV

Vt

tV

n (vol. spesifik)

(vol. molar)

KESEIMBANGAN TERMODINAMIK: PROSES

Keseimbangan adalah suatu keadaan yang statis,

tidak ada perubahan, bahkan tidak ada

kecenderung-an untuk berubah.

Suatu sistem berada dalam keseimbangan termo-

dinamik apabila property-nya (T dan P) konstan dari

satu titik ke titik lainnya dan tidak ada kecenderung-

an untuk berubah dengan waktu.

Apabila temperatur sebagian boundary dari sistem

tiba-tiba naik, maka akan terjadi redistribusi

spontan sampai semua bagian sistem memiliki

temperatur yang sama.

Ketika suatu sistem berubah dari satu keadaan

keseimbangan ke keadaan keseimbangan lainnya,

maka lintasan yang dilalui sistem tersebut

dinamakan proses.

19

Jika dalam perjalanannya dari satu keadaan ke

keadaan lainnya, sistem melewati keadaan yang

hanya sedikit sekali (infinitisimal) menyimpang dari

keseimbangan, maka dikatakan bahwa sistem

mengalami proses quasiequilibrium, dan setiap

keadaan dalam tahapan proses tersebut dapat

dianggap sebagai keadaan keseimbangan.

Proses kompresi dan ekspansi gas dalam internal

combustion engine dapat didekati dengan proses

quasiequilibrium.

20

Apakah suatu proses dapat dianggap sebagai

quasiequilibrium atau nonequilibrium ditentukan

oleh bagaimana proses tersebut dijalankan.

quasiequilibriumnonequilibrium

21

Jika suatu sistem yang semula berada dalam keadaan

tertentu mengalami serangkaian proses quasi-

equilibrium dan kembali lagi ke keadaan semula,

maka dikatakan bahwa sistem tersbut mengalami

proses siklis.

isobaris

isotermalIsokoris/isometris

SATUANBesaran Simbol Satuan

SISatuan Inggris

Panjang L m ftMassa m kg lbm

Waktu t s sLuas A m2 ft2

Volume spesifik V m3/kg ft3

Kecepatan u m/s ft/sPercepatan a m/s2 ft/s2

Gaya, Berat F, W N lbf

Besaran Simbol Satuan SI Satuan InggrisGaya, Berat F, W N lbf

Density kg/m3 lbm/ft3

Tekanan P kPa lbf/ft2

Kerja, Energi W, E, U J ft-lbf

Transfer panas Q J BtuPanas spesifik C kJ/(kg K) Btu/(lbm R)Enthalpy spesifik H kJ/(kg K) Btu/(lbm R)

JUMLAH/UKURAN

Massa(m)

Jumlah mol(n)

Volume total(Vt)

Mm

n

TEKANAN

AF

P

F = W = mg F = W = mg

D d

P1P2

P1 < P2

27

From the kinetic theory of gases, a gas is composed of a large number of molecules that are very small relative to the distance between molecules.

The molecules of a gas are in constant, random motion and frequently collide with each other and with the walls of any container.

The molecules possess the physical properties of mass, momentum, and energy.

The momentum of a single molecule is the product of its mass and velocity, while the kinetic energy is one half the mass times the square of the velocity.

Molecular Definition of Pressure

28

As the gas molecules collide with the walls of a container, as shown on the left of the figure, the molecules impart momentum to the walls, producing a force perpendicular to the wall.

The sum of the forces of all the molecules striking the wall divided by the area of the wall is defined to be the pressure.

The pressure of a gas is then a measure of the average linear momentum of the moving molecules of a gas.

The pressure acts perpendicular (normal) to the wall.

Agm

AF

P

TEKANAN GAS DALAM SILINDER

Dasar sebuah kolom mengalami tekanan:

Volume fluida = V = Ah

Berat fluida = gV = gAh

Tekanan = AgAh

AW

P

ghP

P adalah tekanan yang disebabkan oleh berat fluida

TEKANAN STATIS DALAM FLUIDA

Pudara

P

h

Jika di atas permukaan fluida ada

tekanan yang bekerja, yaitu

tekanan udara (Pudara), maka

tekanan total di dasar kolom

yang disebut juga tekanan statis

fluida adalah:

P = gh + Pudara

TEMPERATUR

33

Temperature (sometimes called thermodynamic temperature) is a measure of the average kinetic energy of a systems particles.

Temperature is the degree of "hotness" (or "coldness"), a measure of the heat intensity.

Galileo developed the first instrument to measure temperature; it was refined and calibrated by later scientists.

The Fahrenheit, Celsius, and Kelvin scales are three different systems for measuring heat energy (temperature) based on different references.

34

SKALA TEMPERATUR RELATIF

3295

FC tt 3259

CF tt

Titik beku air = 0C

Titik didih air = 100C

CELCIUS1742

FAHRENHEIT(1724)

Titik beku air = 32F

Titik didih air = 212F

35

Dasar: Teori Gas Ideal (Hukum Boyle)

tfkonstanlim0

PVP

TERMOMETER

Zat kerja: gas

Property :

Titik acuan:

o Titik didih air (100C)

o Titik beku air (0C)

Interpretasi : linier

PVPlim

0

f(t)

t (C)0 100

f(t) = 0PV = 0

PV < 0(tidak mungkin)

Temperatur absolut terendah

= – 273,15C

3737

SKALA TEMPERATUR ABSOLUT

67,459 FR tT

KELVIN RANKINE

15,273 CK tT

KESAMAAN TEMPERATUR(HUKUM KE-0 TERMODINAMIKA)

Keseimbangan termal

Hukum ke-0 Termodinamika:

Jika ada dua sistem beradan dalam keseimbangan

termal dengan sistem ketiga, maka ketiganya

berada dalam keseimbangan termal.

ENERGI KINETIK (EK)2

2muEK

ENERGI

ENERGI POTENSIAL (EP) mghEP

HUKUM KEKEKALAN ENERGI

0 PK EE

40

KERJA/WORK (W)

dl

F

dlFW

Gaya yang dikenakan oleh piston terhadap fluida dalam silinder:

F = P A

Pergeseran piston:

AV

dA

dVdl

tt

(1.a)

(1)

41

F searah dengan pergeseran piston (dl) menurut pers. (1) W positif.

Volume gas dalam silinder mengecil dVt negatif.

penggabungan pers. (1) dan (1.a) menghasilkan:

AV

dAPWt

dl

F

42

Karena A konstan maka:

tdVPW

t

t

V

V

tdVPW2

1

(2)

(3)

434343

PANAS (HEAT)

444444

Transfer energi

45

Energi ditransfer dalam bentuk kerja: tumbukan antar partikel

Secara makroskopis tak teramati

Harus ada satu besaran makroskopis yang mewakili transfer energi dalam skala mikroskopis

TEMPERATUR