TERMODINAMIKA 

Pengantar

1.1 DEFINISI

Termodinamika adalah ilmu yang menggambarkan dan mendefinisikan transformasi/perubahan dari suatu bentukenergi ke bentuk energi lainnya khususnya antara energi termal dan energi mekanik. Cakupan pembahasan termodinamika meliputi variable-variabel suhu, volume dan tekanan.

Energi sendiri adalah suatu besaran kapasitas atau kemampuan untuk melakukan kerja/usaha. Bentuk-bentuk energi antara lain adalah energi potensial, kinetic, termal, kimia, nuklir dll. Proses perpindahan energi melalui dua cara yaitu berupa panas maupun kerja. Panas (Q) adalah bentuk perpindahan energi dari suatu benda atau sistem kepada benda atau sistem lainnya melaui kontak termal ketika keduanya memiliki perbedaan temperatur. Kerja adalah bentuk perpindahan energi dari suatu benda atau sistem kepada benda atau sistem lainnya besarnya diukur dari perubahan pada batasan mekanis yang umum seperti tekanan, volume,.    

Titik tolak pembahasan termodinamika adalah hukum-hukum termodinamika yang menyatakan bahwa energi dapat dipertukarkan diantara beberapa system fisik sebagai panas maupun usaha/kerja.

Gambar 1 Aliran dan Konversi Energi

1.2 DIMENSI DAN SATUAN

Dimensi merupakan salah satu bentuk pernyataan atas sifat suatu benda/materi. Dimensi mempunyai dua jenis karakter yaitu dimensi extensif dan intensif. Dimensi Intensif adalah dimensi yang berubah apabila benda/materi dibagi atau dipecah, yaitu apabila suatu benda atau materi dibagi/atau dipecah menjadi beberapa bagian maka nilainya berubah. Sebagai contoh dimensi intensif adalah massa, volume, panjang, luas, energi dan lain-lain. Dimensi Ekstensif adalah dimensi yang tidak berubah walaupun benda/materi dibagi atau dipecah, yaitu apabila suatu benda atau materi dibagi/atau dipecah menjadi beberapa bagian maka nilainya tetap. Sebagai contoh dimensi ekstensif adalah berat jenis, suhu dan lain-lain

Besaran dimensi ditunjukkan dengan penyebutan satuan. Dalam dunia teknik satuan yang sering digunakan adalah SI (Sistem Internasional) dan British Unit. Simbolisasi dimensi pada dasarnya terbagi menjadi dua yaitu untuk besaran total dan besaran spesifik. Besaran total umumnya dinotasikan dengan huruf besar, sebagai contoh “V“ untuk volume (m3), “H” untuk enthalpy (J). Besaran spesifik yang menunjukkan harga suatu besaran per kg dinotasikan dengan huruf kecil, sebagai contoh “v” untuk volume spesifik (m3/kg) dan “h” untuk enthalpy spesifik (J/kg).

Berikut ini adalah beberapa dimensi dan satuan yang banyak digunakan dalam pembahasan termodinamika:

Dimensi Simbol Satuan

Massa

Panjang

Volume

Enthalpy

Entropi

m

l

V

H

S

Kg, lb, ton

m, inch, ft

m3, liter, ft3

J

J/kg-K

Energi E Wh, Btu

1.3 HUKUM TERMODINAMIKA I DAN II

Dalam pembahasan termodinamika pada dasarnya tidak dapat lepas dari dua hukum termodinamika yaitu :

Hukum pertama, dalam proses apapun dimana sistemnya tertutup, besarnya energi adalah tetap.

Hukum pertama ini merupakan pernyataan tentang prinsip konservasi energi, yang menegaskan bahwa energi dapat diubah dari satu jenis ke jenis yang lain tetapi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan. Dinyatakan juga dalam suatu formulasi bahwa perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika sebanding dengan jumlah panas yang di tambahkan ke dalam sistem dikurangi dengan kerja yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya.

Kerja dan panas yang merupakan hasil dari suatu proses, merupakan penambah dan pengurang energi, sementara energi dalam  adalah suatu bentuk tersendiri dari energi yang berhubungan dengan system. Energi dalam merupakan sifat suatu system dimana sudah tidak ada lagi kerja maupun aliran panas. Perubahan energi dalam suatu system dapat dicapai dengan kombinasi kerja dan panas.

Hukum kedua, kalor tidak dapat berpindah secara spontan dari tempat yang lebih dingin ke tempat yang lebih panas.

Hukum kedua ini merupakan sebuah hasil pengamatan atas fakta bahwa dengan berjalannya waktu, adanya perbedaan suhu, tekanan dan potensial kimia cenderung untuk menyeimbangkan suatu system yang terisolir dari lingkungan luar. Entropi merupakan parameter ukur keberlangsungan proses penyeimbangan. Entropi suatu system yang  terisolir yang belum mencapai tingkat kesetimbangan akan cenderung meningkat hingga mencapai tingkat maksimal keseimbangan.

1.4 . PROSES TERMODINAMIKA

Proses termodinamika didefinisikan sebagai perubahan bentuk energi suatu system termodinamika dari kondisi awal hingga mencapai kondisi akhir. Setiap proses termodinamika diklasifikasikan berdasarkan parameter yang mana yang dijaga konstan. Proses yang dikenal dalam pembahasan termodinamika meliputi:

·         Isobarik, proses yang terjadi pada tekanan konstan

         Isokhorik, proses yang terjadi pada volume konstan

         Isothermis, proses yang terjadi pada temperatur konstan

         Adiabatis, proses dalam suatu system tanpa perubahan energi dalam bentuk panas

         Isentropis, proses yang terjadi pada entropi konstan, merupakan bentuk revesible adiabatic

         Isenthalpic, proses yang terjadi pada enthalpi konstan

1.5 KONVERSI AIR UAP TERHADAP PANAS

T1<T2   T2=T3

T3=T4 T4=T5

Gambar 2 Perubahan materi akibat penambahan panas

Apabila suatu zat diberi panas, maka pada zat tersebut dapat terjadi:

         Perubahan suhu

         Pemuaian

         Perubahan wujud

Berdasar bentuk perubahan yang terjadi pada materi selama mengalami proses penambahan panas terdapat tiga kategori jenis panas sebagai berikut :

1.5.1     PANAS SENSIBEL

Panas sensibel adalah besarnya energi yang dilepas atau diserap oleh materi selama proses perubahan temperatur. Sebagai contoh pada air panas sensible adalah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur air sampai titik didihnya.

Temperatur titik didih air ini sangat dipengaruhi oleh tekanan lingkungan. Bila air dipanaskan pada tekanan atmosfir, maka titik didihnya 100C. Tetapi bila air dipanaskan pada tekanan di atas tekanan atmosfir, maka titik didihnya akan menjadi lebih besar dari 100C, demikian pula jika air dipanaskan pada tekanan di bawah tekanan atomosfir, maka titik didihnya akan lebih kecil dari 100C.

Tabel berikut memperlihatkan hubungan antara tekanan dengan titik didih air. Data ini diambil dari tabel uap.

Tekanan (bar) 0,25 0,5 1 5 10 50 100

Temp. Titik didih (C) 65 81 99,6 151 180 264 311

Dari tabel tersebut terlihat bahwa bila tekanan bertambah besar, maka titik didih akan bertambah tinggi, dan panas yang diperlukan untuk memanaskannya bertambah banyak pula.

1.5.2     PANAS LATEN

Panas laten adalah besarnya energi yang dilepas atau diserap oleh materi selama proses perubahan fasa. Sebagai contoh jika air yang telah mencapai titik didihnya, kemudian kita berikan terus tambahan panas, maka air akan berubah fasa menjadi uap. Selama proses perubahan fasa tersebut temperature air tidak akan mengalami perubahan, karena semua panas yang diberikan digunakan untuk merubah fasa.

1.6 PENGERTIAN ENERGI DALAM, ENTHALPY DAN ENTROPY

Perbedaan fasa pada dasarnya adalah suatu bentuk perubahan struktur molekul. Pada setiap fasa, molekul bergerak secara acak dengan tiga jenis gerakan: getaran, rotasi dan translasi. Dari sinilah energi dalam (u) didefinisikan sebagai jumlah energi kinetik molekul akibat gerakan getaran, rotasi dan translasi tersebut.

                          

         

Gambar 3 Perbedaan struktur fasa

Besarnya energi dalam sangat dipengaruhi oleh temperature dan tekanan. Dengan naiknya temperatur akan mempercepat gerakan molekul baik berupa getaran, rotasi maupun translasi, yang secara langsung meningkatkan energi dalam. Sebaliknya peningkatan tekanan menyebabkan terbatasnya gerakan molekul, sehingga secara langsung menurunkan energi dalam walaupun pengaruhnya

tidak terlalu besar. Namun pada pembahasan gas ideal dan cairan inkompresibel, pengaruh tekanan diabaikan.

Dikenal pula energi luar (Pv) yang besarnya setara dengan kerja yang diperlukan  suatu satuan massa untuk masuk masuk maupun keluar dari suatu sistem. Besarnya energi luar ini berhubungan dengan perubahan temperature, tekanan dan volume dari suatu sistem. Pada saat terjadi kenaikan temperatur sistem, apabila tekanan (P) dipertahankan dalam kondisi tetap akan berkonsekwensi pada kenaikan volume (v). Demikian juga ketika volume (v) dipertahankan konstan akan berkonsekwensi pada kenaikan tekanan (P).

Kedua properti sistem (energi dalam dan energi luar) tersebut tidak dapat berubah secara independen, dan kombinasi keduanya selalu muncul kapanpun suatu satuan massa memasuki atau keluar sistem. Penjumlahan keduanya karena menjadi dua sifat yang tak terpisahkan dari suatu sistem diringkas dala suatu property baru yang disebut enthalpy.

H = u + Pv      (kJ/kg)

Aliran panas merupakan fungsi dari perbedaan temperature. Jika besarnya panas dibagi dengan temperature absolutnya, pernyataan ini dapat dianggap sebagai suatu jenis sifat distribusi terhadap faktor intensitas panas. Properti ini  oleh Clausius disebut entropi, istilah ini digunakan secara luas dalam temodinamika karena hubungan yang erat dengan hukum kedua thermodinamika. Umumnya entropi disajikan dalam perhitungan diferensial yang menunjukkan proses perpindahan panas dalam suatu sistem.

S = S2 – S1 q/T=

Gambar 4 Formulasi entropi Gambar 5 T-S diagram

Jika kita perhatikan pada T-S diagram yang menunjukkan hubungan antara Temperatur dan Entropi akan kita jumpai kondisi sebagai berikut:

Cairan sub dingin  mempunyai entropi yang lebih rendah daripada cairan jenuh.

Cairan campuran cairan-uap jenuh mempunyai entropi yang lebih rendah daripada uap jenuh pada temperature dan tekanan yang sama, dan mempunyai entropi yang lebih tinggi daripada cairan jenuh pada temperature dan tekanan yang sama