diktat termodinamika i lengkap

42
DIKTAT TERMODINAMIKA I UNTUK KALANGAN SENDIRI Disusun Oleh : IWANUDDIN (F1C 212 052) JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MATARAM 2015

Upload: iweenk

Post on 04-Sep-2015

538 views

Category:

Documents


223 download

DESCRIPTION

diktat termodinamika 1

TRANSCRIPT

  • DIKTAT TERMODINAMIKA I

    UNTUK KALANGAN SENDIRI

    Disusun Oleh :

    IWANUDDIN (F1C 212 052)

    JURUSAN TEKNIK MESIN

    FAKULTAS TEKNIK

    UNIVERSITAS MATARAM

    2015

  • KATA PENGANTAR

    Alhamdulillah, puji syukur penulis panjatkan atas kehadirat allah subhanu

    wa Taala (SWT), atas rahmat dan karunia Nya penulis dapat menyelesaikan

    DIKTAT TERMODINAMIKA I ini tepat pada waktunya walaupun masih jauh

    dari kata sempurna. Tak lupa pula sholawat serta salam penulis haturkan kepada

    baginda nabi besar Muhammad Shallallahualaihi wa sallam (SAW) nabi akhir

    zaman, penerang dikala bumi dirundung kegelapan yang menghalangi cahaya

    islam, beserta keluarga dan sahabat beliau yang senantiasa berada dalam sunnah-

    sunnah beliau.

    Diktat TERMODINAMIKA I ini dibuat atau diperuntukan untuk kalangan

    sendiri, sebagai bahan kuliah penulis yang didapatkan dari berbagai sumber.

    Diktat TERMODINAMIKA I ini terdiri dari tiga bab yaitu (bab I) membahas

    tentang pendahuluan dari termodinamika, (bab II) membahas tentang konsep

    dasar dari termodinamika, (bab iii) membahas tentang hukum-hukum dalam

    termodinamika.

    Akhir kata Penulis berharap semoga Diktat TERMODINAMIKA I

    bermanfaat untuk kita semua dan bila terdapat kekurangan dalam pembuatan

    Diktat ini penulis mohon maaf, karena penulis menyadari Diktat ini masih jauh

    dari kesempurnaan. oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan kritik serta

    saran untuk diperbaiki dikemudian hari.

    Mataram, Juli 2015

    IWANUDDIN

  • DAFTAR ISI

    HALAMAN JUDUL

    KATA PENGANTAR

    DAFTAR ISI

    BAB I : PENDAHULUAN

    1.1 Pengertian termodinamika ...................................................... 1

    1.2 Bentuk bentuk energi ........................................................... 1

    1.3 Sistem satuan dalam termodinamika ....................................... 3

    BAB II : KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

    2.1 Usaha dalam termodinamika ................................................ 11

    2.2 Sistem, proses, dan siklus termodinamika ............................. 13

    2.3 Properti zat murni dan karateristik gas ideal ......................... 24

    BAB III : HUKUM DALAM TERMODINAMIKA

    3.1 Hukum ke nol termodinamika .............................................. 29

    3.2 Hukum ke satu termodinamika ............................................. 29

    3.3 Hukum ke dua termodinamika .............................................. 37

    3.4 Hukum ke tiga termodinamika .............................................. 38

    DAFTAR PUSTAKA

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 1

    BAB I

    PENDAHULUAN

    1.1 Pengertian Termodinamika

    Termodinamika adalah cabang ilmu Fisika yang membahas tentang hubungan antara

    panas (kalor) dan usaha yang dilakukan oleh kalor tersebut. Dalam melakukan pengamatan

    mengenai aliran energi antara panas dan usaha ini dikenal dua istilah, yaitu sistem dan

    lingkungan. Apakah yang dimaksud sistem dan lingkungan dalam termodinamika? Untuk

    memahami penggunaan kedua istilah tersebut dalam termodinamika, perhatikanlah Gambar 1.

    berikut.

    Gambar 1. bola dan besi merupakan sisitem yang diamati

    Misalkan, kita mengamati aliran kalor antara bola besi panas dan air dingin. Ketika

    bola besi tersebut dimasukkan ke dalam air. Bola besi dan air disebut sistem karena kedua

    benda tersebut menjadi objek pengamatan dan perhatian Anda. Adapun, wadah air dan udara

    luar disebut lingkungan karena berada di luar sistem, tetapi dapat memengaruhi sistem

    tersebut. Dalam pembahasan termodinamika, besaran yang digunakan adalah besaran

    makroskopis suatu sistem, yaitu tekanan, suhu, volume, entropi, kalor, usaha, dan energi

    dalam.

    1.2 Bentuk-Bentuk Energi

    Energi adalah suatu besaran turunan dengan satuan N.m atau Joule. Energi dan kerja

    mempunyai satuan yang sama. Bentuk-bentuk energi yaitu berupa energi potensial, energi

    kinetik, energi mekanik, energi aliran, energi dalam dan energi panas. Berikut akan dijelaskan

    mengenai bentuk-bentuk energi tersebut.

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 2

    Energi Potensial

    Energi potensial adalah energi yang tersimpan pada benda karena kedudukannya.

    Sebagai contoh, energi potensial air adalah energi yang yang dimiliki air karena

    ketinggihannya dari permukaan.

    Ep = m.g.h

    Energi Kinetik

    Energi Kinetik ; energi suatu benda karena bergerak dengan kecepatan V, sebagai

    contoh : mobil yang bergerak, benda jatuh dan lain-lain , maka energinya dapat ditulis :

    =1

    22

    Energi Mekanik

    Energi mekanik ; adalah energi total yaitu penjumlahan antara energi kinetik dengan

    energi potesial.

    Em = Ek + Ep

    Adapun energi atau kerja mekanik pada mesin mesin panas, adalah kerja yang dihasilkan dari

    proses ekspansi atau kerja yang dibutuhkan proses kompresi. Kerja mekanik (dW) tersebut

    sebanding dengan perubahan volume (dV) pada tekanan (p) tertentu.

    W = pV

    sebagai contoh energi ini secara sederhana adalah pergerakan piston, putaran poros engkol,

    dan lain lain.

    Gambar 2. Energi atau kerja pada piston

    Energi Aliran

    Energi Aliran ; atau kerja aliran adalah kerja yang dilakukan oleh fluida yang mengalir

    untuk mendorong sejumlah massa m ke dalam atau ke luar sistem.

    Wenergi aliran = pV

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 3

    Energi Dalam

    Energi dalam (U); energi dari gas karena pergerakan pada tingkat molekul, pada gas

    ideal hanya dipengaruhi oleh temperatur saja.

    U = Q W

    Energi Panas

    Energy Panas (Q) ; energi yang ditransfer ke atau dari subtansi karena perbedaan

    temperatur. Dengan c panas jenis pada tekanan konstan atau volume konstan, energi ini

    dirumuskan :

    Q = mcT

    1.3 Sistem Satuan Dalam Termodinamika

    Hukum Gerak

    Newton telah merumuskan tiga hukum tentang gerak, dimana merupakan dasar asumsi

    untuk sebuah sistem dinamis. Ketiga hukum tentang gerak ini dikenal sebagai:

    1. Hukum pertama Newton tentang gerak.

    2. Hukum kedua Newton tentang gerak.

    3. Hukum ketiga Newton tentang gerak.

    Hukum Pertama Newton

    Menyatakan : Setiap benda akan tetap diam atau bergerak secara teratur dalam sebuah

    garis lurus, kecuali ada gaya yang bekerja padanya.

    Hukum Kedua Newton

    menyatakan: Laju perubahan momentum secara langsung berbanding lurus dengan gaya

    yang bekerja dan terjadi pada arah yang sama dengan arah gaya yang bekerja.

    Misalkan sebuah gaya bekerja pada sebuah benda yang membuat benda itu bergerak.

    Katakan:

    m = massa benda

    F = gaya yang bekerja

    u = kecepatan awal benda

    v = kecepatan akhir benda

    t = waktu benda tersebut merubah kecepatannya dari u ke v dalam detik.

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 4

    Menurut hukum kedua Newton tentang gerak:

    F = m.a

    Massa dan Berat

    a. Massa

    Adalah jumlah materi yang terkandung pada suatu benda, dan tidak berubah karena perubahan

    posisinya di permukaan bumi. Massa benda diukur dengan perbandingan langsung dengan

    massa standar dengan menggunakan timbangan.

    b. Berat

    Adalah jumlah tarikan, dari bumi terhadap suatu benda. Karena besar tarikan berubah karena

    perbedaan jarak benda terhadap pusat bumi, maka berat benda juga akan berubah karena

    perubahan posisinya di permukaan bumi. Jadi jelas bahwa berat adalah sebuah gaya.

    Besar tarikan bumi dalam satuan Metriks, pada level permukaan laut dan lintang 450

    ,

    telah diambil sebagai satu satuan gaya dan disebut satu kilogram gaya. Sayangnya satuannya

    sama dengan satuan massa.

    Berat benda diukur dengan menggunakan timbangan pegas, yang akan menunjukkan

    variasi tarikan pegas jika benda dipindahkan dari satu tempat ke tempat lain.

    Pada satuan CGS, satuan gaya adalah dyne. Satu dyne didefinisikan sebagai gaya,

    ketika bekerja pada massa satu gram, akan menghasilkan percepatan sebesar 1 cm/sec2

    pada

    arah gaya yang bekerja tersebut.

    Demikian pula dalam satuan MKS atau SI, satuan gaya disebut Newton (disingkat N).

    Satu Newton didefinisikan sebagai gaya, ketika bekerja pada massa satu kilogram, akan

    menghasilkan percepatan 1 m/sec2

    pada arah gaya yang bekerja tersebut.

    Satuan Absolut dan Gravitasi dari Gaya

    Dari penjelasan diatas, jika sebuah benda bergerak dengan percepatan 9,81 m/sec2

    , gaya

    yang bekerja pada benda tersebut adalah 9,81 N. Tetapi kita tahu bahwa massa 1 kg yang

    mengalami tarikan bumi dengan percepatan 9,81 m/sec2

    adalah 1 kg-berat. Sehingga:

    1 kg-berat = 9,81 N

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 5

    Hukum Newton Ketiga Tentang Gerak

    Menyatakan bahwa setiap aksi, selalu ada reaksi yang sama besarnya dan berlawanan

    arah.

    Kerja

    Jika sebuah gaya bekerja pada sebuah benda dan benda mengalami perpindahan,

    dikatakan bahwa telah dilakukan kerja. Contohnya, jika sebuah gaya F bekerja pada sebuah

    benda sehingga menghasilkan perpindahan x pada arah gaya, kemudian kerja yang dilakukan

    oleh gaya:

    W = F . x

    Satuan kerja bergantung pada satuan gaya dan perpindahan. Pada sistem MKS, satuan kerja

    adalah kilogram-meter (kg-m). Dalam sistem SI, satuan kerja adalah Newton-meter (N-m).

    Daya

    Adalah laju kerja atau kerja per satuan waktu. Daya adalah pengukuran kinerja suatu

    mesin, misalnya: sebuah mesin melakukan sejumlah kerja dalam satu detik akan dua kali

    lebih bertenaga dari pada mesin yang mengerjakan kerja yang sama dalam dua detik. Secara

    matematik Daya:

    Daya = Kerja yang dilakukan

    Waktu yang digunakan

    Dalam sistem Metrik, satuan daya adalah daya kuda yang sama dengan 4500 kg-m per menit

    atau 75 kg-m per detik. Dalam sistem SI, satuan daya adalah Watt, yaitu sama dengan 1 N-

    m/s atau 1 J/s. Umumnya satuan daya yang lebih besar digunakan kilowatt (kW) yaitu sama

    dengan 1000 W.

    Energi

    Energi didefinisikan sebagai kapasitas untuk melakukan kerja. Energi dijumpai dalam

    berbagai bentuk, yaitu: mekanik, listrik, kimia, panas, cahaya dsb.

    Hukum Kekekalan Energi

    Menyatakan bahwa energi tidak bisa dibuat atau dimusnahkan, namun bisa dirubah dari

    satu bentuk ke bentuk lainnya.

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 6

    Tekanan

    Tekanan didefinisikan sebagai gaya per satuan luas. Satuan tekanan bergantung pada

    satuan gaya dan luas. Pada sistem MKS, satuan tekanan yang digunakan adalah kg/cm2

    dan

    kg/m2

    . Kadang-kadang tekanan digunakan dengan satuan atmosfir dan ditulis dengan ata.

    Dimana 1 atm = 1 kg/cm2

    .

    Pada sistem SI, satuan tekanan yang digunakan adalah N/mm2

    , N/m2

    , kN/m2

    , MN/m2

    dsb.

    Tetapi kadang-kadang satuan tekanan yang lebih besar (bar) digunakan dimana:

    1 bar = 1 X 105

    N/m2

    Kadang-kadang tekanan dinyatakan dengan satuan lain yang disebut Pa (Pascal) dan kPa,

    dimana

    1 Pa = 1 N/m2

    dan 1 kPa = 1 kN/m2

    Tekanan Gauge dan Tekanan Mutlak

    Semua pengukur tekanan (pressure gauge) akan membaca perbedaan antara tekanan

    aktual pada suatu sistem dengan tekanan atmosfir. Bacaan yang diperoleh dari pengukur

    tekanan dikenal sebagai tekanan gauge, sedangkan tekanan aktual disebut tekanan absolut.

    Secara matematik:

    Tekanan absolut = Tekanan gauge + Tekanan atmosfir.

    Harga tekanan atmosfir diambil 1,033 kg/cm2

    atau 1,01 bar absolut pada permukaan laut.

    Temperatur

    Temperatur adalah istilah yang penting dan didefinisikan sebagai derjat panas atau

    tingkat intensitas panas suatu benda. Benda yang panas disebut mempunyai temperatur yang

    lebih tinggi, sedangkan benda dingin mempunyai temperatur yang lebih rendah.

    Pengukuran Temperatur

    Temperatur suatu benda diukur dengan termometer. Berikut ini adalah dua skala yang

    umum digunakan dalam mengukur temperatur suatu benda yaitu:

    1. Skala Centigrade atau Celsius; dan

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 7

    2. Skala Fahrenheit.

    Masing-masing skala ini didasarkan atas dua titik tetap yang dikenal dengan titik beku air

    atau titik es, dan titik didih air atau titik uap.

    1. Skala Centigrade

    Skala ini umumnya digunakan oleh ahli teknik dan ilmuwan. Titik beku air pada skala ini

    ditandai dengan nol, dan titik didih air ditandai dengan 100. Jarak antara titik ini dibagi

    dengan 100 sehingga tiap satu jarak/garis skala adalah satu derjat centigrade (ditulis dengan

    0

    C).

    2. Skala Fahrenheit

    Pada skala ini, titik beku air ditandai dengan 32 dan titik didih ditandai dengan 212. Jarak

    antaranya dibagi 180 dan setiap jarak/garis skala mewakili satu derjat Fahrenheit (ditulis

    dengan 0

    F).

    Temperatur Absolut

    Jika harga temperatur digunakan dalam persamaan yang berhubungan dengan hukum-

    hukum fundamental, maka harga temperatur yang digunakan sebagai rujukan adalah nol

    sebenarnya atau nol mutlak.

    Temperatur nol mutlak/absolut diambil pada harga -273 0

    C atau -460 0

    F. Temperatur

    yang diukur dari nol absolut ini disebut dengan temperatur mutlak. Skala celsius mutlak

    disebut dengan derjat Kelvin (disingkat dengan 0

    K); sehingga 0

    K = 0

    C + 273. Skala absolut

    Fahrenheit disebut derjat Rankine (disingkat dengan 0

    R); dan 0

    R = 0

    F + 460.

    Satuan Kalor

    Jumlah panas/kalor diukur berdasarkan kuantitas untuk menaikkan temperatur dari massa

    air yang diketahui sebesar temperatur tertentu. Satuan-satuan berikut ini biasanya digunakan

    untuk mengukur jumlah kalor:

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 8

    1. Calori

    Adalah jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur satu gram air sebesar 1 0

    C.

    Satuan yang lebih besar dari calori adalah kilokalori (kcal), yaitu jumlah kalor yang

    diperlukan untuk menaikkan temperatur satu kilogram air sebesar 1 0

    C.

    Catatan : 1 kilocalori (kcal) = 1000 calori

    2. Satuan kalor centigrade

    Secara singkat ditulis C.H U. (Centigrade Heat Unit), adalah jumlah kalor yang

    diperlukan untuk menaikkan temperatur satu pound air sebesar 1 0

    C. Kita tahu bahwa:

    1 pound = 453,6 gm

    sehingga : 1 C.H.U = 453,6 calori

    3. British thermal unit

    British Thermal Unit Atau disingkat dengan B.Th.U. atau B.T.U., adalah jumlah kalor

    yang diperlukan untuk menaikkan temperatur satu pound air sebesar 1 0

    F.

    Catatan : 1. Satuan calori kadang-kadang disebut gram calori (gm-cal) dan satuan kalor

    centigrade disebut pound calori.

    2. Pada sistem MKS, satuan kalor digunakan calori atau kilocalori (ditulis cal

    atau kcal). Secara matematik, kalor yang diperlukan untuk menaikkan m kg

    air sebesar T derjat kelvin jika kalor spesifik adalah c (dalam kcal/kg 0

    K):

    Q = mcT kcal

    3. Pada sistem SI, satuan kalor digunakan joule atau kilojoule (ditulis J atau kJ).

    Secara matematik, kalor yang diperlukan untuk menaikkan m kg air sebesar

    T derjat kelvin jika kalor spesifik adalah c (dalam kJ/kg 0

    K):

    Q = mcT kJ

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 9

    Ekivalen Mekanik dari kalor

    Telah dibuktikan oleh Joule bahwa kalor dan energi mekanik bisa saling berpindah. Ia

    mendapatkan dari eksperimen bahwa terdapat persamaan numerik antara satuan kalor dan

    satuan kerja. Hubungan ini dituliskan dengan J (diambil dari nama Joule) dan dikenal sebagai

    ekivalen Joule atau ekivalen mekanik kalor.

    Sesuai dengan persamaan ini:

    1 kcal = 427 kg-m (dalam satuan MKS)

    Pada sistem SI, satuan kerja adalah Joule atau kiloJoule, dan satuan kalor juga Joule atau

    kiloJoule, sehingga kita bisa secara langsung mengkonversikan satuan kalor ke satuan

    mekanikal dan sebaliknya.

    Kalor Spesifik

    Kalor spesifik suatu zat secara luas didefinisikan sebagai jumlah kalor yang diperlukan untuk

    menaikkan temperatur satu satuan massa suatu zat sebesar 10

    . Biasanya dinotasikan dengan c.

    Jika m kg suatu zat dengan kalor spesifikc diperlukan untuk menaikkan temperatur sebesar t0

    C, maka :

    Kalor yang diperlukan = m.c.t kcal

    Tabel 1 Nilai rata-rata kalor spesifik beberapa zat

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 10

    Kapasitas Kalor

    Kapasitas kalor sebuah zat bisa didefinisikan sebagai kalor yang diperlukan untuk

    menaikkan seluruh massa zat sebesar 10

    . Secara matematik:

    Kapasitas kalor = m.c kalori

    dimana, m = massa zat dalam gram

    c = kalor spesifik zat

    Ekivalensi Air

    Ekivalensi air suatu zat bisa didefinisikan sebagai jumlah air, yang memerlukan jumlah

    kalor yang sama ketika suatu zat dinaikkan temperaturnya sebesar 10

    . Secara matematik:

    Ekivalensi air suatu zat = m.s gram

    dimana, m = massa zat

    s = kalor spesifik zat

    Entalpi

    Sejumlah panas yang ditambahkan pada 1 mol gas pada tekanan konstan dengan cp panas

    jenis pada tekanan konstan.

    Entropi

    Entropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat

    diubah menjadi usaha. Ketika suatu sistem menyerap sejumlah kalor Q dari reservoir yang

    memiliki temperatur mutlak, entropi sistem tersebut akan meningkat dan entropi reservoirnya

    akan menurun sehingga perubahan entropi sistem dapat dinyatakan dengan persamaan :

    S = Q/T

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 11

    BAB II

    KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

    2.1 Usaha Dalam Termodinamika

    Usaha merupakan gaya yang diberikan kepada suatu benda sehingga benda berpindah

    posisi atau kedudukan, dari kedudukan awal menuju kedudukan akhir.

    W = F x s

    Bagaimanakah cara menghitung usaha pada gas? Tinjaulah suatu gas yang berada dalam

    tabung dengan penutup berbentuk piston yang dapat bergerak bebas, seperti terlihat pada

    Gambar 3.

    Gambar 3. perpindahan piston sejauh S ketika gas memuai

    Ketika gas tersebut dipanaskan, piston akan berpindah sejauh s karena gas di dalam tabung

    memuai dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2. Gaya yang bekerja pada piston adalah F =

    pA. Jika luas penampang piston (A) dan tekanan gas dalam tabung (P) berada dalam keadaan

    konstan, usaha yang dilakukan oleh gas dinyatakan dengan persamaan :

    W = pA s

    Oleh karena A s = V, persamaan usaha yang dilakukan gas dapat ditulis menjadi :

    W = p V atau W = p(V2 V1)

    Dengan :

    p = tekanan gas (N/m2),

    V = perubahan volume (m3), dan

    W = usaha yang dilakukan gas (joule).

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 12

    Nilai W dapat berharga positif atau negatif bergantung pada ketentuan berikut.

    a. Jika gas memuai sehingga perubahan volumenya berharga positif, gas (sistem) tersebut

    dikatakan melakukan usaha yang menyebabkan volumenya bertambah. Dengan demikian,

    usaha W sistem berharga positif.

    b. Jika gas dimampatkan atau ditekan sehingga perubahan volumenya berharga negatif, pada

    gas (sistem) diberikan usaha yang menyebabkan volume sistem berkurang. Dengan demikian,

    usaha W pada tersebut sistem ini bernilai negatif.

    Usaha yang dilakukan oleh sistem dapat ditentukan melalui metode grafik. Pada Gambar

    4a dapat dilihat bahwa proses bergerak ke arah kanan (gas memuai). Hal ini berarti V2 > V1

    atau V > 0 sehingga W bernilai positif (gas melakukan usaha terhadap lingkungan). W sama

    dengan luas daerah di bawah kurva yang diarsir (luas daerah di bawah kurva p V dengan

    batas volume awal dan volume akhir)

    Gambar 4a. gas memuai

    Selanjutnya perhatikan Gambar 4b. Jika proses bergerak ke arah kiri (gas memampat),

    V2 < V1 atau V < 0 sehingga W bernilai negatif (lingkungan melakukan usaha terhadap

    gas). W = luas daerah di bawah kurva pV yang diarsir.

    Gambar 4b. gas memampat

    Gambar 3. (a) Grafik PV suatu gas yang mengalami pemuaian (melakukan ekspansi) (b)

    Grafik PV suatu gas yang mengalami pemampatan (diberi kompresi).

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 13

    2.2 Sistem, Proses, Dan Siklus Dalam Termodinamika

    Sistem termodinamika secara luas bisa didefinisikan sebagai luas atau ruang tertentu

    dimana proses termodinamika terjadi. Atau adalah suatu daerah dimana perhatian kita

    difokuskan dalam mempelajari proses termodinamika. Sedikit observasi akan memperlihatkan

    bahwa sistem termodinamika mempunyai batas sistem, dan segala sesuatu yang ada di luar

    batas sistem disebut lingkungan. Batas sistem ini bisa saja berupa batas tetap seperti pada

    tangki yang berisi gas yang terkompresi, atau batas bergerak seperti yang dijumpai pada

    sejumlah volume cairan di dalam saluran pipa.

    Gambar 5. skema system termodinamika

    Klasifikasi Sistem Termodinamika

    Sistem termodinamika bisa diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok:

    1. Sistem terbuka;

    2. Sistem tertutup; dan

    3. Sistem terisolasi.

    1. Sistem Terbuka

    Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau masuk kedalam

    sistem melewati batas sistem. Panas dan kerja bisa juga melewati batas sistem. Gambar 6

    menunjukkan diagram sebuah kompresor udara yang menggambarkan sistem terbuka ini.

    Gambar 6. sistem termodinamika terbuka

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 14

    Zat yang melewati batas sistem adalah udara bertekanan rendah (L.P) yang memasuki

    kompresor dan udara bertekanan tinggi (H.P) yang meninggalkan kompresor. Kerja melewati

    batas sistem melalui poros penggerak dan panas ditransfer melewati batas sistem melalui

    dinding silinder. Sebagian besar mesinmesin konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem

    mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar

    dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas,

    turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah merupakan sistem thermodinamika terbuka,

    karena secara simultan ada energi dan masa keluar-masuk sistem tersebut.

    2. Sistem Tertutup

    Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis tetap dan tidak ada masa keluar

    dari sistem atau masuk kedalam sistem, tetapi volumenya bisa berubah. Yang dapat-keluar

    masuk sistem tertutup adalah energi dalam bentuk panas atau kerja. Sistem tertutup

    ditunjukkan oleh gambar 7. Gas di dalam silinder dianggap sebagai suatu sistem. Jika panas

    diberikan ke silinder dari sumber luar, temperatur gas akan naik dan piston bergerak ke atas.

    Gambar 7. sistem termodinamika tertutup

    Ketika piston naik, batas sistem bergerak. Dengan kata lain, panas dan kerja melewati

    batas sistem selama proses, tetapi tidak ada terjadi penambahan atau pengurangan massa zat.

    Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara

    didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam masa udara

    didalam balon.

    3. Sistem Terisolasi

    Adalah sebuah sistem yang sama sekali tidak dipengaruhi oleh lingkungannya. Sistem

    ini massanya tetap dan tidak ada panas atau kerja yang melewati batas sistem.

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 15

    Sifat-sifat Sistem

    Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property dari sistem, seperti

    tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain

    itu ada juga property yang disefinisikan dari property yang lainnya seperti, berat jenis,

    volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain.

    Kesetimbangan Termal

    Misalkan dua benda yang berasal dari material yang sama atau berbeda, yang satu

    panas, dan lainnya dingin. Ketika benda ini ditemukan, benda yang panas menjadi lebih

    dingin dan benda yang dingin menjadi lebih panas. Jika kedua benda ini dibiarkan

    bersinggungan untuk beberapa lama, akan tercapai keadaan dimana tidak ada perubahan yang

    bisa diamati terhadap sifat-sifat kedua benda tersebut. Keadaan ini disebut keadaan

    kesetimbangan termal, dan kedua benda akan mempunyai temperatur yang sama. Perubahan

    sistem thermodinamika dari keadaan seimbang satu menjadi keadaan seimbang lain disebut

    proses, dan rangkaian keadaan diantara keadaan awal dan akhir disebut linasan proses seperti

    terlihat pada Gambar 8

    Gambar 8. proses dari keadaan 1 ke keadaan 2

    Tergantung dari jenis prosesnya, maka keadaan 2 dapat dicapai dari keadaan 1 melalui

    berbagai lintasan yang berbeda. Proses thermodinamika biasanya digambarkan dalam sistem

    koordinat 2 dua property, yaitu P-V diagram, P-v diagram, atau T-S diagram. Proses yang

    berjalan pada satu jenis property tetap, disebut proses iso - diikuti nama property nya,

    misalnya proses isobaris (tekanan konstan), proses isochoris (volume konstan), proses

    isothermis (temperatur konstan) dan la in-lain.

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 16

    Proses Termodinamika

    Terdapat empat proses dalam bahasan termodinamika yaitu proses isotermal, isobarik,

    isokhorik, dan adiabatik.

    1. Isotermal

    Proses isotermal adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada suhu tetap. Hukum

    ini diformulasikan oleh Robert Boyle pada tahun 1662. Hukum ini berbunyi,

    Tekanan mutlak suatu massa dari gas sempurna berubah secara berbanding terbalik

    terhadap volumenya, jika temperaturnya tetap.

    Gambar 9. proses isotermal

    Menurut hukum boyle, Secara matematik dapat ditulis :

    pV = konstan atau p1V1 = p2V2

    Dalam proses ini, tekanan dan volume sistem berubah sehingga persamaan W = p V tidak

    dapat langsung digunakan. Untuk menghitung usaha sistem dalam proses isotermal ini

    digunakan cara integral. Misalkan, pada sistem terjadi perubahan yang sangat kecil sehingga

    persamaan usahanya dapat dituliskan sebagai berikut :

    dW = pdV

    Jika Persamaan diatas diintegralkan maka dapat dituliskan :

    dW = pdV

    Dari persamaan keadaan gas ideal diketahui bahwa p = nRT/V. Oleh karena itu, integral dari

    Persamaan diatas dapat dituliskan menjadi :

    dW = (nRT / V)

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 17

    Jika konstanta n R, dan besaran suhu (T) yang nilainya tetap dikeluarkan dari integral, akan

    diperoleh :

    W = nR T (lnV2 lnV1)

    W = n RT ln (V2/V1)

    atau

    W = n RT ln (p2/p1)

    2. Isobarik

    Proses isobarik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada tekanan tetap.

    Hukum ini dirumuskan oleh warga negara Perancis bernama Jacques A.C. Charles pada tahun

    1787. Hukum ini berbunyi :

    Volume suatu massa gas sempurna berubah dengan berbanding langsung dengan

    temperatur mutlak, jika tekanan mutlaknya konstan

    Gambar 10. proses isobarik

    Menurut Hukum Charles, persamaan keadaan gas pada proses isobarik dinyatakan dengan

    persamaan :

    V/T = konstan

    atau

    V1/T1 = V2/T2

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 18

    Oleh karena volume sistem berubah, sedangkan tekanannya tetap, usaha yang dilakukan oleh

    sistem dinyatakan dengan persamaan

    W = pV = p (V2 V1)

    3. Isokhorik

    Proses isokhorik adalah suatu proses perubahan keadaan gas pada volume tetap.

    Hukum ini dirumuskan oleh Gay-Lusac, Hukum ini berbunyi :

    Tekanan mutlak dari suatu massa gas sempurna berubah berbanding langsung dengan

    temperatur, jika volumenya konstan.

    Gambar 11. proses isokhorik

    Menurut Hukum Gay-Lussac proses isokhorik pada gas dapat dinyatakan dengan persamaan :

    p/T = konstan

    atau

    p1/T1 = p2/T2

    Oleh karena perubahan volume dalam proses isokhorik V = 0 maka usahanya W = 0.

    4. Adiabatik

    Proses adiabatik adalah suatu proses perubahan keadaan gas di mana tidak ada kalor (Q) yang

    masuk atau keluar dari sistem (gas). Proses ini dapat dilakukan dengan cara mengisolasi

    sistem menggunakan bahan yang tidak mudah menghantarkan kalor atau disebut juga bahan

    adiabatik. Adapun, bahan-bahan yang bersifat mudah menghantarkan kalor disebut bahan

    diatermik

    Proses adiabatik ini mengikuti persamaan Poisson sebagai berikut

    p V = konstan

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 19

    atau

    p1 V1 = p2 V2

    Oleh karena persamaan gas ideal dinyatakan sebagai pV = nRT maka Persamaan (94) dapat ditulis :

    T1V1( 1)

    = T2 V2( 1

    dengan = CP/CV = konstanta Laplace, dan CP/CV > 1. CP adalah kapasitas kalor gas pada tekanan tetap dan CV adalah kalor gas pada volume tetap. Perhatikan diagram p V pada Gambar 12.

    Gambar 12. proses adiabatik

    Dari kurva hubungan p V tersebut, Anda dapat mengetahui bahwa:

    1) Kurva proses adiabatik lebih curam daripada kurva proses isotermal.

    2) Suhu, tekanan, maupun volume pada proses adiabatik tidak tetap.

    Oleh karena sistem tidak melepaskan atau menerima kalor, pada kalor sistem proses

    adiabatik Q sama dengan nol. Dengan demikian, usaha yang dilakukan oleh sistem hanya

    mengubah energi dalam sistem tersebut. Besarnya usaha pada proses adiabatik tersebut

    dinyatakan dengan persamaan berikut.

    W= 3/2 nRTT = 3/2 (p1 V1 p2 V2)

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 20

    Persamaan Gas Umum

    Pada bagian sebelumnya, telah dibicarakan tentang hukum gas dimana memberikan kita

    hubungan antara dua variabel, ketika variabel ketiga konstan. Dalam kondisi sebenarnya,

    ketiga variabel yaitu: tekanan, volume dan temperatur, berubah secara bersamaan. Untuk

    menyatakan kondisi ini, kedua hukum Boyle dan Charles digabung, dan memberikan

    persamaan gas umum.

    Berdasarkan hukum Boyle:

    = 1

    Atau :

    = 1

    dan berdasarkan hukum Charles:

    v T

    Terlihat bahwa

    V

    MAKA : pv T

    Bentuk yang lebih berguna dari persamaan di atas adalah:

    11

    1 =

    22

    2=

    dimana notasi 1, 2 dan 3 mengacu kepada kondisi yang berbeda.

    Persamaan Karakteristik Gas

    Adalah modifikasi dari persamaan gas umum. Jika volume (v) pada persamaan gas

    umum dinyatakan dalam per 1 kg gas (disebut dengan volume spesifik, dan dilambangkan

    dengan vs) maka konstanta C (pada persamaan gas umum) bisa diwakili dengan konstanta lain

    R ( pada persamaan karakteristik gas). Sehingga persamaan gas umum bisa ditulis ulang

    sebagai:

    p.vs = RT

    disini R disebut konstanta gas karakteristik atau secara sederhana disebut konstanta gas.

    Untuk sembarang massa m kg, persamaan gas karakteristik menjadi:

    m.p.vs = mRT

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 21

    p.v = mRT (Q m.vs = v)

    Catatan:

    1. Harga konstanta gas (R) berbeda untuk gas yang berbeda. Harganya pada udara

    atmosfir diambil 29,27 kgm/kg 0

    K (atau 287 J/kg 0

    K atau 0,287 kJ/kg 0

    K).

    2. Persamaan pv = mRT bisa juga dinyatakan dalam bentuk lain, yaitu:

    =

    =

    = kerapatan gas yang bersangkutan

    Hukum Avogadro

    Hukum ini berbunyi: volume yang sama dari gas-gas, pada temperatur dan tekanan

    yang sama, mengandung jumlah molekul yang sama.

    Maka, sesuai dengan hukum Avogadro, 1 m3

    oksigen (O2) akan mempunyai jumlah

    molekul yang sama dengan 1 m3

    hidrogen (H2) jika temperatur dan tekanannya sama.

    Pembuktian menunjukkan bahwa karena berat molekul hidrogen adalah 2 dan oksigen adalah

    16, sehingga molekul oksigen mempunyai berat 32/2 = 16 kali berat molekul hidrogen.

    Karena 1 m3

    kedua gas ini mempunyai jumlah molekul yang sama, dan berat molekul oksigen

    16 kali dari berat molekul hidrogen, kerapatan (atau berat spesifik) oksigen adalah 16 kali dari

    kerapatan hidrogen. Maka, hukum Avogadro menunjukkan bahwa kerapatan dua gas

    berbanding lurus dengan berat molekulnya, jika gas berada pada temperatur dan tekanan yang

    sama.

    Berat spesifik oksigen pada Normal Temperature and Pressure (disingkat N.T.P) yaitu

    pada 00

    C dan 1,0332 kg/cm2

    absolut adalah 1,429 kg/m3

    .

    Volume spesifik oksigen (pada 1 kg) pada NTP,

    =1

    1,429 3/

    dan volume 32 kg (atau 1 kg molekul,1 kg mol) :

    =1

    1,42932 = 22,4 3

    Dengan cara yang sama bisa dibuktikan bahwa volume 1 kg mol sembarang gas pada

    NTP adalah 22,4 m3

    .

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 22

    Catatan: 1 gm mol (berat molekul dinyatakan dalam gm) dari semua gas akan menempati

    volume 22,4 liter pada NTP.

    Tabel 2 Harga berat molekul dari beberapa gas

    Konstanta Gas Universal atau Konstanta Molar

    Konstanta gas universal atau konstanta molar dari gas (biasanya dilambangkan dengan

    Ru) adalah produk konstanta gas dan berat molekul gas. Secara matematik:

    Ru = M R

    Dimana, M = berat molekul gas yang dinyatakan dengan gm (yaitu gm-mol) atau kg (yaitu

    kg-mol)*

    R = konstanta gas

    Secara umum, jika M1, M

    2, M

    3 dst, adalah berat molekul dari gas yang berbeda dan R

    1,

    R2, R

    3 dst, masing-masing adalah konstanta gas tersebut, maka:

    M1R

    1 = M

    2R

    2 = M

    3R

    3 ... = R

    u

    Catatan: 1. Harga Ru sama untuk semua gas.

    2. Harganya 848 kg-m/kg mol/K dalam MKS atau 8314 J/kg mol/K dalam SI.

    3. Persamaan karakteristik gas (yaitu: pv = RT) bisa ditulis dalam bentuk berat

    molekul yaitu:

    pv = MRT

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 23

    Rasio Kalor Spesifik

    Rasio dua kalor spesifik (yaitu =Cp/C

    v) dari gas adalah konstanta penting di dalam

    termodinamika dan dilambangkan dengan . Rasio ini dikenal juga dengan indeks adiabatis. Karena C

    p selalu lebih besar dari C

    v , harga selalu lebih besar dari satu.

    Dalam satuan SI ditulis:

    = 1 +

    Atau :

    =

    1

    = konstanta laplace

    Untuk gas monoatomik: cv = 3/2 nR , cp = 5/2 nR

    Untuk gas diatomik: cv = 5/2 nR , cp = 7/2 nR

    Tabel 3 Harga Cv dan C

    p untuk beberapa gas pada temperatur antara 15

    0

    sampai 200

    diberikan

    oleh tabel berikut:

    Siklus Termodinamika

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 24

    Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut menjalani

    rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem kembali ke keadaan awalnya. Pada

    Gambar 13 (a) terlihat suatu siklus terdiri dari 2 jenis proses, dan Gambar 13 (b) siklus lain

    dengan 4 jenis proses.

    Gambar 13. diagram siklus termodinamika

    2.3 Property Zat Murni Dan Karateristik Gas Ideal

    2.3.1 Zat Murni

    Zat murni adalah zat yang mempunyai komposisi kimia yang tetap pada semua

    bagiannya. Contoh zat murni misalnya, air, nitrogin, helium, CO2, udara, dan lain -lain.

    Persyaratan sebagai zat murni tidak perlu hanya satu jenis saja, tetapi dapat berupa campuran

    zat asal campurannya homogin pada seluruh bagiannya. Udara merupakan campuran dari

    beberapa jenis zat tetapi masih bersifat zat murni, tetapi campuran antara minyak dengan air

    bukan merupakan zat murni karena tidak dapat bercampur secara homogin. Zat murni dapat

    terwujud dalam fasa padat, fasa cair, atau fasa gas. Fasa padat mempunyai struktur molekul

    dengan jarak antar molekul paling kecil dan gaya ikat antar molekul paling besar, fasa cair

    mempunyai gaya ikat yang lebih kecil, dan fasa gas gaya ikat antar molekul paling kecil.

    Posisi molekul pada fasa padat relatif tetap, pada fasa cair molekul bergerak secara oscilasi,

    dan pada fasa gas molekulmolekul bergerak bebas tidak beraturan dan saling bertabrakan satu

    sama lainnya.

    2.3.2 Diagram Fasa

    Zat murni dapat mengalami perubahan fasa pada keadaan yang berbeda-beda,

    tergantung kepada kondisi property nya. Air berubah fasa menjadi gas pada temperatur sekitar

    100 oC apabila tekanannya 1 atm, tetapi pada tekanan lebih tinggi maka temperatur

    perubahan fasa nya lebih tinggi pula. Gambar 14. menunjukkan diagram perubahan fasa cair-

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 25

    gas pada suatu zat murni, dengan koordinat tekanan dan temperatur. Dari sifat tersebut diatas

    dapat digambarkan diagram perubahan fasa dari suatu zat murni secara lengkap, yaitu pada

    semua lingkup keadaan untuk zat murni tersebut. Contoh diagram perubahan fasa lengkap

    tersebut diperlihatkan pada Gambar 15 (a) dengan koordinat Tv dan Gambar 15 (b) untuk

    koordinat P-v. Garis fasa berbentuk lengkungan tajam pada bagian atasnya, garis disebelah

    kiri adalah garis liquid jenuh dan garis disebelah kanan adalah garis uap jenuh. Titik

    puncaknya merupakan titik kritis, dimana diatas titik tersebut kondisi fasa.

    Gambar 14. diagram perubahan fasa cair-gas pada zat murni

    a). Koordinat P-v b). Koordinat T v

    Gambar 15. Diagram perubahan fasa suatu zat murni

    kondisi liquid dan gas bersamaan. Keadaan titik kritis untuk zat murni air terjadi pada

    tekanan Pcr = 22,09 MPa, dan temperatur Tcr = 374,14oC. Daerah diantara garis liquid jenuh

    dengan garis uap jenuh adalah daerah terjadinya campuran antara fasa cair dan fasa gas. Garis

    putus-putus pada diagram Gambar 15 (a) menunjukkan lintasan proses penguapan zat murni

    pada tekanan konstan P1 dan P2 (dengan P2 > P1), dan terlihat bahwa lintasan proses

    penguapan pada tekanan P2 terjadi pada temperatur lebih tinggi daripada lintasan pada

    temperatur P1. Garis a-b menunjukkan pemanasan pada fasa liquid sampai mencapai titik cair

    jenuh di b. Sedang pada garis b-c terjadi proses penguapan yang terjadi pada temperatur

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 26

    konstan dan tekanan konstan, dengan fasa diantara titik b dan titik c adalah kondisi campuran

    antara liquid dan gas. Pada titik b adalah 100% liquid, sedang pada titik d adalah 100% fasa

    gas.

    Selanjutnya garis c-d menunjukkan pemanasan lanjutan dari uap, sehingga kondisi

    uapnya disebut uap panas lanjut (superheated steam). Panas yang dibutuhkan untuk

    pemanasan air pada garis a-b dan pemanasan uap pada garis c-d disebut panas sensibel,

    sedang panas yang diperlukan untuk proses penguapan pada garis b-c disebut panas laten.

    Terlihat pada Gambar 14 bahwa semakin tinggi tekanan fluida (juga temperaturnya), semakin

    pendek garis penguapan (garis b-c untuk tekanan P1) sehingga semakin kecil panas laten yang

    dibutuhkan. Garis putus-putus pada Gambar 15 (b) adalah garis isothermis pada diagram

    penguapan dengan koordinat P-v.

    2.3.3 Tabel Property

    Dalam analisis thermodinamika selalu dibutuhkan data nilai property dari suatu zat,

    pada semua lingkup keadaan untuk masingmasing zat yang diteliti. Nilai property dapat

    diprediksi dengan mengembangkan suatu persamaan matematis hubungan antar property dari

    zat yang bersangkutan. Namun biasanya bentuk hubungan antar property untuk semua zat

    sangat kompleks, srhingga sangat sulit untuk direpresentasikan dalam suatu persamaan yang

    sederhana. Karena itu data property biasanya dipresentasikan dalam bentuk Tabel

    Thermodinamika, yang berisi data property dari beberapa zat yang sering digunakan dalam

    aplikasi thermodinamika. Tabel tersebut membutuhkan data property yang sangat banyak,

    yang dikumpulkan dari hasil pengukuran yang membutuhkan waktu yang lama. Jenis

    property yang biasanya ada dalam Tabel Thermodinamika adalah tekanan, temperatur,

    volume spesifik, energy internal, panas laten, dan dua property baru yaitu enthalpy (h) dan

    entropy (s) yang akan dibahas dalam bab selan jutnya. Data property untuk keadaan fasa

    campuran tidak dapat dilihat secara langsung dalam Tabel Thermodinamika, tetapi dapat

    dihitung dengan menggunakan parameter kualitas campuran (x) yaitu:

    =g

    dimana : masa total campuran (mtotal)= masa liquid + masa uap = mf + m g

    Parameter x mempunyai nilai nol yaitu apabila mg = 0 atau pada kondisi liquid jenuh, sedang

    x = 1 apabila mf = 0 atau mg = mtotal, yaitu pada keadaan uap jenuh. Hubungan antara

    parameter x dengan nilai propertytertentu, misalnya enthalpy (h) adalah:

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 27

    h = hf + x . hfg

    dimana: h = enthapy pada kondisi campuran

    hf = enthalpy pada keadaan liquid jenuh

    hfg = pana laten

    2.3.4 Gas Ideal

    Gas ideal adalah gas teoritis terdiri dari partikel-partikel titik yang bergerak secara

    acak dan tidak saling berinteraksi. Molekul-molekul gas didalam suatu ruangan yang dibatasi

    dinding bergerak kesegala arah dengan tidak beraturan (chaotic motion ). Karena gerakan

    tidak beraturan tersebut kemungkinan sering terjadi tumbukan antar molekul, sebelum

    menabrak dinding batas ruangan. Tabrakan molekul ke dinding ruangan tersebut terjadi secara

    terusmenerus, yang menimbulkan efek tekanan gas didalam ruangan tersebut. Semakin tinggi

    temperature gas, maka semakin besar kecepatan geraknya sehingga menyebabkan momentum

    tumbukan terhadap dinding semakin besar. Akibatnya tekanan yang terjadi dida lam ruangan

    akan semakin besar pula.

    2.3.5 Persamaan Keadaan Gas

    Persamaan gas ideal cukup sederhana, namun seperti telah dibahas sebelumnya

    lingkup pemakaiannya terbatas. Banyak usaha dilakukan untuk mengembangkan persamaan

    keadaan gas, dengan lingkup pemaka ian yang lebih luas. Namun persamaan yang didapatkan

    umumnya lebih kompleks dibandingkan dengan persamaan gas ideal, seperti pada persamaan

    Van der Waals dan persamaan Beattie- Bridgeman sebagai berikut:

    1. Persamaan Van del Waals.

    Pada tahun 1873, Van der Waals mengajukan persamaan keadaan gas dengan

    tambahan dua konstanta a dan b sebagai berikut,

    ( P +

    2 ) =

    dengan nilai konstanta a dan b sebagai berikut.

    =2

    2

    64 =

    8

    Persamaan Van der Waals mempunyai ketelitian yang kurang baik, tetapi apabila konstanta a

    dan b dihitung menurut perilaku gas sebenarnya pada lingkup yang luas maka ketelitiannya

    menjadi lebih naik.

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 28

    2. Persamaan Beattie-Bridgeman

    Persamaan Beattie Bridgeman diajukan pada tahun 1928, dengan menggunakan lima

    konstanta sebagai berikut,

    =

    2 1

    3

    2

    dengan konstanta A dan B dihitung dengan persamaan sebagai berikut,

    = 0(1

    ) dan = 0(1

    )

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 29

    BAB III

    HUKUM DALAM TERMODINAMIKA

    3.1 Hukum Ke-nol Termodinamika

    Hukum ini berbunyi: Jika dua benda berada dalam kondisi kesetimbangan termal

    dengan benda ketiga, maka benda-benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu

    sama lainnya.

    3.2 Hukum ke 1 Termodinamika

    Hubungan antara kalor yang diterima atau dilepaskan suatu sistem, usaha yang

    dilakukan pada sistem, serta perubahan energi dalam sistem yang ditimbulkan oleh kalor dan

    usaha tersebut dijelaskan dalam Hukum Pertama Termodinamika. Hukum Pertama

    Termodinamika adalah perluasan bentuk dari Hukum Kekekalan Energi dalam mekanika.

    Hukum ini menyatakan bahwa: "Jumlah kalor pada suatu sistem sama dengan perubahan

    energi dalam sistem tersebut ditambah usaha yang dilakukan oleh sistem." Dengan demikian,

    meskipun energi kalor sistem telah berubah menjadi energi mekanik (usaha) dan energi

    dalam, jumlah seluruh energi tersebut selalu tetap. Secara matematis, Hukum Pertama

    Termodinamika dituliskan sebagai berikut.

    Q = U + W

    dengan:

    Q = kalor yang diterima atau dilepaskan oleh sistem,

    U = U2 U1 = perubahan energi dalam sistem, dan

    W = usaha yang dilakukan sistem.

    Perjanjian tanda yang berlaku untuk Persamaan tersebut adalah sebagai berikut.

    1. Jika sistem melakukan kerja maka nilai W berharga positif.

    2. Jika sistem menerima kerja maka nilai W berharga negatif

    3. Jika sistem melepas kalor maka nilai Q berharga negatif

    4. Jika sistem menerima kalor maka nilai Q berharga positif

    1. Perubahan Energi Dalam

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 30

    Perubahan energi dalam U tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem

    berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut.

    Anda telah mengetahui bahwa proses-proses dalam termodinamika terbagi atas empat jenis,

    yaitu isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatik. Perubahan energi dalam terjadi pada setiap

    proses tersebut dijelaskan sebagai berikut.

    a. Proses Isotermal

    Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nRT In (V2/V1).

    Oleh karena T = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (U

    = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali

    persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan U = 3/2 nRT.

    Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini

    dapat dituliskan sebagai berikut.

    Q = U + W = 0 + W

    Q = W = nR T ln (V2/V1)

    b. Proses Isokhorik

    Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan

    volume tetap. Anda telah memahami bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W =

    pV = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses ini

    dituliskan sebagai

    Q = U + W = U + 0

    Q = U = U2 - U1

    Dari Persamaan Anda dapat menyatakan bahwa kalor yang diberikan pada sistem

    hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut. Jika persamaan energi dalam

    untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan didapatkan perumusan

    Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut.

    Q = U = 3/2 nR T

    atau

    Q = U2 - U1 = 3/2 nR (T2 T1)

    c. Proses Isobarik

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 31

    Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas berada dalam

    keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W =

    P V = p(V2 V1). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk

    proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut.

    Q = U + W

    Q = U + p(V2 V1)

    Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan dapat dituliskan sebagai :

    Q = 3/2 nR (T2 T1) + p (V2 V1)

    d. Proses adiabatik

    Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Anda telah mengetahui bahwa dalam

    proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan

    Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi

    Q = U + W

    0 = U + W

    atau

    W = - U = - (U2 - U1)

    Berdasarkan Persamaan tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa usaha yang

    dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana

    energi dalam tersebut dapat bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya.

    Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses

    adiabatik ini dituliskan sebagai :

    W = - U = - 3/2 nR (T2 T1)

    2. Kapasitas Kalor

    Kapasitas kalor gas adalah banyaknya kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu

    gas sebesar 1C, untuk volume tetap disebut CV dan untuk tekanan tetap disebut Cp. Secara

    matematis, kapasitas kalor (C) dinyatakan dengan persamaan :

    C = Q/T

    Pada gas, perubahan suhu dapat dilakukan dengan proses isobarik atau proses isokhorik.

    Dengan demikian, kapasitas kalor gas dapat dibedakan menjadi dua, yakni kapasitas kalor

    pada tekanan tetap (Cp) dan kapasitas kalor pada volume tetap (Cv). Perumusan kedua pada

    kapasitas kalor tersebut secara matematis dapat dituliskan sebagai berikut.

    Cp = QP/T dan CV = QV/T

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 32

    Jika besaran QP dan QV dimasukkan ke dalam persamaan Hukum Pertama Termodinamika,

    akan didapatkan persamaan berikut.

    a. Pada proses isokhorik

    QV = U + W

    Oleh karena dalam proses ini volume sistem tetap (V = 0) maka usaha sistem W = 0

    sehingga didapatkan persamaan :

    QV = U

    b. Pada proses isobarik

    QP = U + W

    Oleh karena dalam proses ini tekanan sistem tetap ( p + 0), usaha sistem W = p V. Dengan

    demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika dapat dituliskan

    QP = U + p V

    Dengan melakukan substitusi Persamaan ke Persamaan dapat dituliskan persamaan

    Qp = U + p V

    atau

    Qp QV = p V

    Selanjutnya, jika Persamaan disubstitusikan Persamaan akan diperoleh persamaan :

    (Cp T) (CV T) = p V

    (Cp - CV)T = p V

    Cp CV = p V / T

    Berdasarkan persamaan keadaan gas ideal pV = nRT, Persamaan dapat dituliskan menjadi

    Cp CV = nR

    Untuk gas monoatomik, energi dalam gas dinyatakan dengan persamaan :

    U = 3/2 nRT

    Dengan demikian, kapasitas kalor pada proses isokhorik (QV = U) dapat dituliskan sebagai :

    CV = 3/2 nR

    Catatan Fisika :

    Umumnya memasak melibatkan proses isobarik. Hal ini disebabkan karena tekanan udara di

    atas panci, wajan, atau dalam oven microwave tetap konstan sementara makanan dipanaskan.

    (Sumber: Fisika Universitas, 2000)

    Besar Cp dapat ditentukan dari Persamaan Cv sehingga diperoleh :

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 33

    Cp = CV + nR

    Cp = 3/2 nR + nR

    Cp = 5/2 nR

    3. Siklus Carnot dan Efisiensi Mesin

    Keadaan suatu sistem dalam termodinamika dapat berubah-ubah, berdasarkan

    percobaan besaran-besaran keadaan sistem tersebut. Namun, besaran-besaran keadaan

    tersebut hanya berarti jika sistem berada dalam keadaan setimbang. Misalnya, jika Anda

    mengamati suatu gas yang sedang memuai di dalam tabung, temperatur dan tekanan gas

    tersebut di setiap bagian tabung dapat berubah-ubah. Oleh karena itu, Anda tidak dapat

    menentukan suhu dan temperatur gas saat kedua besaran tersebut masih berubah. Agar dapat

    menentukan besaran-besaran keadaan gas, gas harus dalam keadaan reversibel. Apakah yang

    dimaksud dengan proses reversibel?

    Proses reversibel adalah suatu proses dalam sistem di mana sistem hampir selalu berada

    dalam keadaan setimbang.

    Gambar 16. Perubahan keadaan gas dalam siklus reversibel.

    Dari grafik pV tersebut, suatu gas mengalami perubahan keadaan dari A ke B.

    Diketahui bahwa pada keadaan A sistem memiliki tekanan p1 dan volume V1. Pada tekanan B,

    tekanan sistem berubah menjadi p2 dan volumenya menjadi V2. Jika gas tersebut mengalami

    proses reversibel, keadaan gas tersebut dapat dibalikkan dari keadaan B ke A dan tidak ada

    energi yang terbuang. Oleh karena itu, pada proses reversibel, kurva pV yang dibentuk oleh

    perubahan keadaan sistem dari A ke B dan dari B ke A adalah sama.

    Dalam kenyataannya, sulit untuk menemukan proses reversibel karena proses ini tidak

    memperhitungkan energi yang hilang dari dalam sistem (misalnya, gesekan). Namun, proses

    reversibel memenuhi Hukum Pertama Termodinamika. Tahukah Anda yang dimaksud dengan

    siklus termodinamika? Siklus termodinamika adalah proses yang terjadi pada sistem sehingga

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 34

    akhirnya sistem kembali pada keadaan awalnya. Prinsip siklus termodinamika ini kali pertama

    dijelaskan oleh seorang insinyur Perancis bernama Sadi Carnot dan disebut siklus Carnot.

    Siklus Carnot adalah suatu siklus ideal reversibel yang terdiri atas dua proses isotermal dan

    proses adiabatik, seperti terlihat pada Gambar 17.

    Gambar 17. Siklus Carnot.

    Siklus Carnot ini merupakan salah satu prinsip dasar siklus termodinamika yang digunakan

    untuk memahami cara kerja mesin Carnot. Perhatikanlah Gambar 18. berikut.

    Gambar 18. Siklus Carnot pada mesin Carnot.

    Pada gambar tersebut suatu gas ideal berada di dalam silinder yang terbuat dari bahan

    yang tidak mudah menghantarkan panas. Volume silinder tersebut dapat diubah dengan cara

    memindahkan posisi pistonnya. Untuk mengubah tekanan gas, diletakkan beberapa beban di

    atas piston. Pada sistem gas ini terdapat dua sumber kalor yang disebut reservoir suhu tinggi

    (memiliki suhu 300 K) gas memiliki temperatur tinggi (300 K), tekanan tinggi (4 atm), dan

    volume rendah (4 m3). Berikut urutan keempat langkah proses yang terjadi dalam siklus

    Carnot.

    a. Pada langkah, gas mengalami ekspansi isotermal. Reservoir suhu tinggi menyentuh dasar

    silinder dan jumlah beban di atas piston dikurangi. Selama proses ini berlangsung, temperatur

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 35

    sistem tidak berubah, namun volume sistem bertambah. Dari keadaan 1 ke keadaan 2,

    sejumlah kalor (Q1) dipindahkan dari reservoir suhu tinggi ke dalam gas.

    b. Pada langkah kedua, gas berubah dari keadaan 2 ke keadaan 3 dan mengalami proses

    ekspansi adiabatik. Selama proses ini berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke

    dalam sistem. Tekanan gas diturunkan dengan cara mengurangi beban yang ada di atas piston.

    Akibatnya, temperatur sistem akan turun dan volumenya bertambah.

    c. Pada langkah ketiga, keadaan gas berubah dari keadaan 3 ke keadaan 4 melalui proses

    kompresi isotermal. Pada langkah ini, reservoir suhu rendah (200 K) menyentuh dasar silinder

    dan jumlah beban di atas piston bertambah. Akibatnya tekanan sistem meningkat,

    temperaturnya konstan, dan volume sistem menurun. Dari keadaan 3 ke keadaan 4, sejumlah

    kalor (Q2) dipindahkan dari gas ke reservoir suhu rendah untuk menjaga temperatur sistem

    agar tidak berubah.

    d. Pada langkah keempat, gas mengalami proses kompresi adiabatik dan keadaannya berubah

    dari keadaan 4 ke keadaan1. Jumlah beban di atas piston bertambah. Selama proses ini

    berlangsung, tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem, tekanan sistem

    meningkat, dan volumenya berkurang.

    Menurut kurva hubungan pV dari siklus Carnot, usaha yang dilakukan oleh gas

    adalah luas daerah di dalam kurva pV siklus tersebut. Oleh karena siklus selalu kembali ke

    keadaannya semula, Usiklus = 0 sehingga persamaan usaha siklus (Wsiklus) dapat

    dituliskan menjadi

    Wsiklus = Qsiklus = (Q1 Q2)

    dengan:

    Q1 = kalor yang diserap sistem, dan

    Q2 = kalor yang dilepaskan sistem.

    Ketika mesin mengubah energi kalor menjadi energi mekanik (usaha). Perbandingan

    antara besar usaha yang dilakukan sistem (W) terhadap energi kalor yang diserapnya (Q1)

    disebut sebagai efisiensi mesin. Persamaan matematis efisiensi mesin ini dituliskan dengan

    persamaan :

    = (W/Q1) x 100 %

    dengan = efisiensi mesin.

    Oleh karena usaha dalam suatu siklus termodinamika dinyatakan dengan

    W = Q1 Q2

    maka Persamaan dapat dituliskan menjadi :

    = (Q1 - Q2 / Q1) x 100 %

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 36

    Pada mesin Carnot, besarnya kalor yang diserap oleh sistem (Q1) sama dengan

    temperatur reservoir suhu tingginya (T1). Demikian juga, besarnya kalor yang dilepaskan

    sistem (Q2) sama dengan temperatur reservoir suhu rendah mesin Carnot tersebut. Oleh

    karena itu, Persamaan dapat dituliskan menjadi :

    Dari Persamaan tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa efisiensi mesin Carnot

    dapat ditingkatkan dengan cara menaikkan temperatur reservoir suhu tinggi atau menurunkan

    temperatur reservoir suhu rendah.

    Catatan Fisika :

    Lokomotif Uap

    Gambar 19. Lokomotif Uap

    Lokomotif uap ini bekerja dengan menggunakan hukum pertama termodinamika. Saat

    panas dihasilkan oleh batubara atau kayu yang dibakar dalam mesin lokomotif, sebagian

    energi menaikkan suhu air (yang mendidih dan menghasilkan uap) dalam mesin. Sisa energi

    dipakai guna mengekspansikan uap untuk menghasilkan kerja dan menggerakkan lokomotif.

    (Sumber: Fisika Universitas, 1998)

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 37

    3.3 Hukum ke 2 Termodinamika

    1. Entropi

    Pada pembahasan mengenai siklus Carnot dan mesin Carnot, proses termodinamika

    yang terjadi selama proses tersebut mampu mengubah seluruh energi kalor menjadi usaha dan

    tidak ada energi yang hilang. Siklus termodinamika merupakan siklus ideal yang tidak pernah

    ditemui dalam kehidupan nyata. Sebagai contoh sederhana, missalkan Anda memasukkan

    sebuah bola besi panas ke dalam bejana yang berisi air dingin. Anda tentunya telah

    memahami bahwa kalor akan berpindah dari bola besi ke air sehingga suhu keduanya sama

    atau dikatakan keduanya telah berada dalam kesetimbangan termal. Namun, jika Anda

    membalik proses ini dengan cara memasukkan bola besi dingin ke dalam air panas,

    mungkinkah suhu bola besi tersebut naik dan suhu air turun dan keduanya mencapai

    kesetimbangan termal yang sama, seperti pada keadaan sebelumnya?

    Proses termodinamika yang melakukan proses aliran kalor dari benda (reservoir)

    bersuhu rendah ke benda (reservoir) bersuhu tinggi, seperti yang dimisalkan tersebut tidak

    mungkin terjadi secara spontan (tanpa ada usaha yang diberikan ke dalam sistem). Hal inilah

    yang kemudian diteliti oleh Clausius dan Kelvin-Planck sehingga menghasilkan rumusan

    Hukum Kedua Termodinamika. Berikut pernyataan Kevin-Planck dan Clausius.

    a. Menurut Clausius, kalor tidak dapat berpindah dari benda bersuhu rendah ke benda bersuhu

    tinggi tanpa adanya usaha luar yang diberikan kepada sistem.

    b. Menurut Kelvin-Planck, tidak mungkin membuat mesin yang bekerja dalam suatu siklus

    dan menghasilkan seluruh kalor yang diserapnya menjadi usaha.

    Dalam menyatakan Hukum Kedua Termodinamika ini, Clausius memperkenalkan

    besaran baru yang disebut entropi (S). Entropi adalah besaran yang menyatakan banyaknya

    energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Ketika suatu sistem menyerap

    sejumlah kalor Q dari reservoir yang memiliki temperatur mutlak, entropi sistem tersebut

    akan meningkat dan entropi reservoirnya akan menurun sehingga perubahan entropi sistem

    dapat dinyatakan dengan persamaan :

    S = Q/T

    Persamaan tersebut berlaku pada sistem yang mengalami siklus reversibel dan besarnya

    perubahan entropi (S) hanya bergantung pada keadaan akhir dan keadaan awal sistem.

    2. Mesin Pendingin (refrigerator)

    Kalor dapat dipaksa mengalir dari benda dingin ke benda panas dengan melakukan

    usaha pada sistem. Peralatan yang bekerja dengan cara seperti ini disebut mesin pendingin

  • IWANUDDIN // DIKTAT TERMODNAMIKA I Page 38

    (refrigerator). Contohnya lemari es dan pendingin ruangan (Air Conditioner). Perhatikan

    Gambar 20.

    Gambar 20. Skema kerja mesin pendingin (refrigerator).

    Dengan melakukan usaha W pada sistem (pendingin), sejumlah kalor Q2 diambil dari

    reservoir bersuhu rendah T2 (misalnya, dari dalam lemari es). Kemudian, sejumlah

    kalor Q1 dibuang ke reservoir bersuhu tinggi T1 (misalnya, lingkungan di sekitar lemari es).

    Ukuran kemampuan sebuah mesin pendingin dinyatakan sebagai koefisien daya guna

    (koefisien performansi) yang diberi lambang Kp dan dirumuskan dengan persamaan :

    Kr = Q2 / W

    Oleh karena usaha yang diberikan pada mesin pendingin tersebut dinyatakan dengan W = Q1 -

    Q2, Persamaan dapat ditulis menjadi :

    Kr = Q2 / (Q1 - Q2)

    Jika gas yang digunakan dalam sistem mesin pendingin adalah gas ideal, Persamaan dapat

    dituliskan menjadi :

    Kp = T2 / (T1 - T1)

    Lemari es dan pendingin ruangan memiliki koefisien performansi dalam jangkauan 2 sampai

    dengan 6. Semakin tinggi nilai KP, semakin baik mesin pendingin tersebut.

    3.4 Hukum ke 3 Termodinamika

    Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini

    menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses

    akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakan

    bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol

  • DAFTAR PUSTAKA

    Ir. Sudjito, Ph.D dkk. 2003. Diktat Termodinamika Dasar. Program Semi Que IV,

    Fakultas Teknik Jurusan Mesin, Universitas Brawijaya. Malang

    Daryus, asyari. 2007. Diktat kuliah termodinamika 1. Jurusan Teknik Mesin,

    Fakultas Teknik , Universitas Darma Persada. Jakarta.

    http://perpustakaancyber.blogspot.com/fisika/ Usaha dan Proses dalam

    Termodinamika, Hukum Termodinamika 1 2 dan 3.