Polimer Komposit

Makin berkembangnya industri di bidang kimia polimer, tentu sepintas kita pernah mendengar istilah komposit polimer.

Jika ditilik pengertian komposit, maka komposit itu merupakan susunan dari paling tidak terdapat dua unsur yang bekerja bersama untuk menghasilkan sifat-sifat bahan yang berbeda terhadap sifat-sifat unsur bahan penyusunnya. Dalam prakteknya komposit terdiri dari suatu bahan utama (matrik - matrix) dan suatu jenis penguatan (reinforcement) yang ditambahkan untuk meningkatkan kekuatan dan kekakuan matrik. Penguatan ini biasanya dalam bentuk serat (fibre, fiber), terkadang ada juga penambahan aditif lainnya seperti agent coupling seperti maleat anhidrat (MAH), kelompok silan dan lain-lain.
Sekarang ini , pada umumnya komposit yang dibuat manusia dapat dibagi kedalam tiga kelompok utama:

1. Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC)
2. Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC)
3. Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC)

Komposit Matrik Polimer (Polymer Matrix Composites – PMC) – Bahan ini merupakan bahan komposit yang sering digunakan disebut, Polimer Berpenguatan Serat (FRP – Fibre Reinforced Polymers or Plastics) – bahan ini menggunakan suatu polimer-berdasar resin sebagai matriknya, dan suatu jenis serat seperti kaca, karbon dan aramid (Kevlar) sebagai penguatannya.Komposit Matrik Logam (Metal Matrix Composites – MMC) – ditemukan berkembang pada industri otomotif, bahan ini menggunakan suatu logam seperti aluminium sebagai matrik dan penguatnya dengan serat seperti silikon karbida.Komposit Matrik Keramik (Ceramic Matrix Composites – CMC) – digunakan pada lingkungan bertemperatur sangat tinggi, bahan ini menggunakan keramik sebagai matrik dan diperkuat dengan serat pendek, atau serabut-serabut (whiskers) dimana terbuat dari silikon karbida atau boron nitrida

Komposit Matrik Polimer

Sistem resin seperti epoksi dan poliester mempunyai batasan penggunaan dalam manufaktur strukturnya, dikarenakan sifat-sifat mekanik tidak terlalu tinggi dibandingkan sebagai contoh sebagian besar logam. Bagaimanapun, bahan tersebut mempunyai sifat-sifat yang diinginkan, sebagian besar khususnya kemampuan untuk dibentuk dengan mudah kedalam bentuk yang rumit.

Bahan seperti kaca, aramid dan boron mempunyai kekuatan tarik dan kekuatan tekan yang luar biasa tinggi tetapi dalam ‘bentuk padat’ sifat-sifat ini tidak muncul. Hal ini berkenaan dengan kenyataan ketika ditegangkan, serabut retak permukaan setiap bahan menjadi retak dan gagal dibawah titik tegangan patah teoritisnya. Untuk mengatasi permasalahan ini, bahan diproduksi dalam bentuk serat, sehingga, meskipun dengan jumlah serabut retak yang terjadi sama, serabut retak tersebut terbatasi dalam sejumlah kecil serat dengan memperlihatkan sisa kekuatan teoritis bahan. Oleh karena itu seikat serat akan mencerminkan lebih akurat kinerja optimum bahan. Bagaimanapun juga satu serat dapat hanya memperlihatkan sifat-sifat kekuatan tarik sesuai panjang serat, seperti halnya serat dalam suatu tali.

Jika sistem resin dikombinasikan dengan serat penguat seperti kaca, karbon dan aramid, sifat-sifat yang luarbiasa dapat diperoleh. Matrik resin menyebarkan beban yang dikenakan terhadap komposit antara setiap individu serat dan juga melindungi serat dari kerusakan karena abrasi dan benturan. Kekuatan dan kekakuan yang tinggi, memudahkan pencetakan bentuk yang rumit, ketahanan terhadap lingkungan yang tinggi dengan berat jenis rendah, membuat kesimpulan komposite lebih superior terhadap logam dalam banyak aplikasi.

Bila Komposit Matrik Polimer mengabungkan sistem resin dan serat penguat, sifat-sifat yang dihasilkan bahan komposit akan memadukan beberapa hal sifat-sifat yang dimiliki oleh resin dan yang dimiliki oleh serat.

Secara umum, sifat-sifat komposit ditentukan oleh:

1. Sifat-sifat serat
2. Sifat-sifat resin
3. Rasio serat terhadap resin dalam komposit (Fraksi Volume Serat – Fibre Volume Fraction)
4. Geometri dan orientasi serat pada komposit

Bahan komposit dibentuk pada saat yang sama ketika struktur tersebut dibuat. Hal ini berarti bahwa orang yang membuat struktur menciptakan sifat-sifat bahan komposit yang dihasilkan, dan juga proses manufaktur yang digunakan biadanya merupakan bagian yang kritikal yang berperanan menentukan kinerja struktur yang dihasilkan.

Pembebanan
Terdapat empat beban langsung utama dimana setiap bahan dalam suatu struktur harus menahannya: tarik, tekan, geser/lintang dan lentur

Tarik
Gambar dibawah memperlihatkan beban tarik yang diterapkan pada suatu komposit. Reaksi komposit terhadap beban tarik sangat tergantung pada sifat kekakuan dan kekuatan tarik dari serat penguat, dimana jauh lebih tinggi dibandingkan dengan resinnya.

Tekan
Gambar dibawah ini memperlihatkan suatu komposit dibawah beban tekan. Disini sifat daya rekat dan kekakuan dari sistem resin adalah penting, sebagaimana resin menjaga serat sebagai kolom lurus dan menjaganya dari tekukan (buckling)

Geser/Lintang
Gambar dibawah ini memperlihatkan suatu komposit dikenakan beban geser. Beban ini mencoba untuk meluncurkan setiap lapisan seratnya. Dibawah beban geser resin memainkan peranan utama, memindahkan tegangan melintang komposit. Untuk membuat komposit tahan terhadap beban geser, unsur resin harus tidak hanya mempunyai sifat-sifat mekanis yang baik tetapi juga daya rekat yang tinggi terhadap serat penguat.

Lenturan
Beban lentursebetulnya merupakan kombinasi beban tarik, tekan dan geser. Ketika beban seperti diperlihatkan, bagian atas terjadi tekan, bagian bawah terjadi tarik dan bagian tengah lapisan terjadi geser.

Sistem-sistem Resin

Apapun sistem resin yang digunakan dalam bahan komposit akan memerlukan sifat-sifat berikut:

1. Sifat-sifat mekanis yang bagus
2. Sifat-sifat daya rekat yang bagus
3. Sifat-sifat ketangguhan yang bagus
4. Ketahanan terhadap degradasi lingkungan bagus

Sifat-sifat Mekanis Sistem Resin
Gambar dibawah memperlihatkan kurva tegangan/regangan untuk suatu sistem resin ideal. Kurva untuk resin menunjukkan kekuatan puncak tinggi, kekakuan tinggi (ditunjukkan dengan kemiringan awal) dan regangan tinggi terhadap kegagalan. Hal ini berarti bahwa resin pada awalnya kaku tetapi pada waktu yang sama tidak akan mengalami kegagalan getas.

Seharusnya dicatat dimana ketika suatu komposit di bebani tarik, untuk mencapai sifat-sifat mekanis yang optimal dari komponen serat, resin harus mampu berubah panjang paling tidak sama dengan serat. Gambar dibawah ini memberikan regangan terhadap kegagalan yang dimiliki untuk serat kaca-E, serat kaca-S, serat aramid, dan serat karbon berkekuatan tinggi (yaitu bukan dalam bentuk komposit). Disini terlihat, sebagai contoh, serat kaca-S dengan perpanjangan 5,3%, akan membutuhkan resin dengan perpanjangan paling tidak sama dengan nilai tersebut untuk mencapai sifat tarik yang maksimum.

Sifat-sifat Daya rekat Sistem Resin
Daya rekat yang tinggi antara resin dan serat penguat diperlukan untuk apapun jenis sistem resin. Hal ini akan menjamin bahwa beban dipindahkan secara efisiensi dan akan menjaga pecahnya atau lepasnya ikatan serat dan resin ketika ditegangkan.

Sifat Ketangguhan Sistem Resin
Ketangguhan adalah suatu ukuran dari ketahanan bahan terhadap propaganda retak, tetapi dalam komposit hal ini akan susah untuk diukur secara akurat. Bagaimanapun juga, kurva tegangan dan regangan yang dimiliki sistem resin menyediakan beberapa indikasi ketangguhan bahan. Sistem resin dengan regangan terhadap kegagalan yang rendah akan cenderung menciptakan komposit yang getas, dimana retak dapat mudah terjadi.

Sifat terhadap Lingkungan Sistem Resin
Ketahanan terhadap lingkungan, air dan substansi agresif lain yang bagus, bersama-sama dengan kemampuan untuk bertahan terhadap siklus tegangan konstan, adalah sifat yang paling esensi untuk apapun jenis sistem resin. Sifat-sifat ini secara khusus penting untuk penggunaan pada lingkungan laut.

Read More

Isothermal Transformation Diagram

Diagram TTT atau Isothermal Transformation Diagram (I-T diagram) merupakan sebuah diagram yang menghubungkan transformasi austenite terhadap waktu (dalam skala log) dan temperatur. Dalam proses laku panas pada baja, biasanya pemanasan dilakukan hingga mencapai temperature austenite, kemudian ditahan pada temperature tersebut beberapa saat lalu didinginkan dengan laju pendinginan tertentu. Struktur mikro yang terjadi setelah pendinginan akan tergantung pada laju pendinginan. Karenanya sifat mekanik dari baja setelah akhir suatu proses laku panas akan banyak ditentukan oleh laju pendinginan. Proses transformasi ini dibaca dengan diagram TTT karena kondisi tidak setimbang. Setiap baja (komposisi penyusun baja yang berlainan) akan mempunyai I-T diagram sendiri.

Gambar 1. Diagram TTT untuk Baja Eutektoid (0.8%)

            Kurva sebelah kiri menunjukkan saat mulainya transformasi isothermal dan kurva sebelah kanan menunjukkan saat selesainya transformasi isothermal. Diatas garis A₁ austenit dalam keadaan stabil (tidak terjadi transformasi walaupun waktu penahannya bertambah). Di bawah temperature kritis A₁ pada daerah di sebelah kiri kurva awal transformasi austenite tidak stabil (suatu saat ia akan bertransformasi) dan disebelah kanan kurva akhir transformasi terdapat hasil transformasi isothermal dari austenite, sedang pada daerah diantara dua kurva tersebut terdapat sisa austenite (yang belum bertransformasi) dan hasil transformasi isotermalnya. Titik paling kiri dari kurva awal transformasi disebut hidung (nose) diagram ini. transformasi austenite diatas nose akan menghasilkan perlit sedangkan di bawah nose akan menghasilkan bainit. Tetapi bila transformasi berlangsung pada temperature yang lebih rendah lagi (dibawah garis M_s = Martensite start) akan diperoleh martensit.

Mekanisme Transformasi

            Perubahan austenite menjadi perlit berlangsung dengan difusi, suatu proses yang berlangsung dengan difusi selalu temperature activated dan time dependent serta berlangsung dengan mekanisme pengintian dan pertumbuhan.

            Bila austenite dipaksa berada pada temperature di bawah temperature kritis A1 maka dorongan untuk berubah makin besar, perubahan terjadi lebih awal tetapi pertumbuhan makin lambat, sehingga perlit yang terjadi makin halus. Makin rendah temperaturnya, maka dorongan termodinamik ini berubah menjadi gaya geser (shear force) yang dapa menggeser atom besi pada posisi tertentu (agar dapat berubah dari FCC menjadi BCC).

            Sebenarnya belum ferrit BCC yang terjadi namun suatu struktur BCT (Body Centered Tetragonal) karena austenite mengandung banyak karbon ketika berada di bawah temperatur A1.  Atom karbon yang terperangkap dalam ferrit tersebut membuat BCC memanjang. Karbon yang banyak ini akan keluar melalui proses difusi membentuk sementit dan BCT akan menjadi BCC (ferrit). Sementit yang keluar dari BCT akan keluar pada arah/bidang kristallografik tertentu dari ferrit yang terbentuk ( struktur bainit). Proses ini terjadi bila austenite didinginkan cepat sampai dibawah nose dan temperature berada diatas M_s.  Bainit akan terjadi pada transformasi isothermal dari austenite pada temperature di bawah nose. Pada temperature lebih tinggi diperoleh upper bainite (bainit atas) atau feathery bainite sedangkan pada temperature lebih rendah diperoleh lower bainite (bainit bawah) atau acicular bainite. Perbedaan dari kedua bainit tersbeut terletak pada susunan lamellarnya.

            Selain itu, dari phase austenite pada suhu diantara A₁ dan dibawah nose, terbentuk pula perlit (struktur eutectoid 0.8% C yang terdiri dari phasa ferit yang diselingi dengan lapisan-lapisan Fe₃C). dekomposisi dimulai dari nucleus cementit yang nantinya membentuk nodule dari ferrit. Nodul perlit terbentuk dari plat-plat ferit yang diselingi dengan pelat-pelat cementit. Pada  suhu  dekomposisi  austenit  pada  daerah  nose  akan  menghasilkan campuran perlit dan bainit dalam periode waktu tertentu.

Ketika austenite berada dibawah Ms, maka yang terjadi adalah difusi telah terhenti (karena atom karbon sudah tidak memiliki cukup energi) dan timbul struktur baru dari atom karbon menjadi BCT yaitu martensit. Karena adanya karbon yang terperangkap maka struktur itu menjadi tegang dan kekerasannya tinggi, tetapi juga getas. Banyaknya austenite yang bertransformasi menjadi martensit hanya tergantung pada temperature (mulai Ms dan berakhir di Mf). 

Read More

Titanium Dioxide

1.      Titanium Dioxide (TiO₂)

     TiO₂ (Titanium dioxide / titania) merupakan material semikonduktor yang termasuk kedalam keluarga oksida logam. Pada umumnya TiO₂ digunakan sebagai pigmen putih pada cat, plastik, dan kertas. Selain aplikasi sebagai pigmen, karakteristik fotokatalis dan semikonduktor dari TiO₂ juga membuat material ini banyak digunakan sebagai pendekomposisi bahan organik dengan proses oksidasi, sel surya, dan juga sensor gas. Aplikasi ini dikarenakan TiO₂ mempunyai indeks bias yang tinggi (n = 2,4) dan juga tahan terhadap degradasi warna akibat sinar matahari.

Aplikasi dari TiO₂ pada umumnya dapat ditunjukkan pada gambar berikut :

Gambar 1. Aplikasi TiO₂

TiO₂ polikristalin merupakan semikonduktor yang paling banyak digunakan sebagai fotokatalis. Hal ini disebabkan karena sifatnya yaitu: stabil terhadap cahaya (tidak mudah mengalami fotodegradasi)[8], mempunyai kestabilan kimia yang tinggi, nilai celah energi yang tidak terlalu besar, pasangan electron-hole memiliki umur yang lama dan tidak beracun.

     TiO₂ yang ada di alam pada umumnya mempunyai tiga fasa yaitu rutile, anatase, dan brookite. Struktur kristal TiO₂ pada fasa rutile, anatase dan brookite seperti dalam gambar.

Gambar 2.  Struktur Kristal Fasa-Fasa Titania

Rutile dan anatase memiliki struktur tetragonal dengan tetapan kisi kristal dan sifat fisika yang berbeda, sedangkan brookite memiliki struktur ortorombik. Rutile memiliki parameter kisi a = b ≠ c, anatase memiliki parameter kisi a = b ≠ c, dan brookite memiliki parameter kisi a ≠ b ≠ c. Kedua struktur kristal rutile dan anatase dibedakan oleh distorsi setiap oktahedron dan susunan rantai oktahedralnya. Pada kedua fasa tersebut, setiap oksigen dan kation titanium yang bertetanggaan membentuk segitiga datar. Pada rutile, ketiga sudut Ti-O-Ti memiliki nilai 120º. Sedangkan pada anatase posisi atom pada kisi mengalami distorsi sehingga salah satu sudut adalah 180º dan dua lainnya mendekati 90º. 

       Rutile lebih stabil pada suhu tinggi, sedangkan rutile lebih stabil pada suhu rendah. Dalam aplikasinya pada fotokatalis, hanya dua fasa TiO₂ yang sering digunakan sebagai fotokatalis, yaitu: anatase dan rutile. Terbentuknya fasa anatase maupun fasa rutile pada struktur polikristalin TiO₂ bergantung pada transisi fasa yang kristalin TiO₂. Titania pada fasa anatase umumnya stabil pada ukuran partikel kurang dari 11 nm, fasa brookite pada ukuran partikel 11 – 35 nm, dan fasa rutile diatas 35 nm. Dalam aplikasinya pada fotokatalis, umumnya digunakan TiO₂ pada fasa anatase karena mempunyai kemampuan fotokatalitik yang tinggi. Selain itu, untuk meningkatkan kinerja sistem, struktur nanokristal dan juga luas permukaan yang tinggi dari TiO₂ adalah faktor yang penting untuk meningkatkan densitas dan transfer elektron.Karakteristik dari fasa-fasa titania ini ditunjukkan pada Tabel 1 dibawah ini.

Tabel 1 Tabel Karakteristik Fasa-Fasa Titania

TiO₂ telah diproduksi secara komersial. Salah satu merek dagang TiO₂ adalah Degussa P-25 dengan fasa kristal campuran antara rutile dan anatase. Degussa P-25 diperoleh melalui metode klorida. TiO₂ Degussa P-25 memiliki luas permukaan yang cukup besar (sekitar 50 m2g-1), ukuran rata-rata partikel 21 nm dan cacat kristal dalam jumlah yang sedikit.

2.        Fotokatalisis Pada Permukaan Lapisan TiO₂

     Fotokatalisis merupakan proses terjadinya reaksi suatu materi terhadap materi lainnya yang diperantarai oleh energi dari penyinaran ultraviolet. Penyinaran permukaan TiO₂ (bersifat semikonduktor) menghasilkan pasangan electron dan hole positif pada permukaannya juga menjadikan permukaan tersebut bersifat polar dan/atau hidrofilik (suka akan air) dan kemudian berubah lagi menjadi nonpolar dan/atau hidrofobik (tidak suka air) setelah beberapa lama tidak mendapatkan penyinaran lagi.

     Sifat hidrofilik dan hidrofobik, salah satunya, ditandai dengan ukuran sudut kontak butiran air pada permukaan lapisan tipis TiO₂ tersebut, yaitu sedikit lebih besar dari 50 derajat pada saat sebelum disinari kemudian berubah menjadi mendekati 0 derajat setelah disinari. Material dengan sudut kontak sekecil itu akan sangat hidrofilik (superhidrofilik).

Mekanisme fotokatalisis pada TiO₂ dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar 3.Ilustrasi Mekanisme Fotokatalisis pada TiO₂

Bahan semikonduktor TiO₂ memiliki selang energi yang kecil antara pita valensi dan pita konduksi. Untuk menghasilkan proses fotokatalisis, bahan semikonduktor membutuhkan serapan energi yang lebih besar dari selang energinya (Eg = 3.2 eV). Adsorpsi molekul organik pada permukaan partikel fotokatalis memperkecil aktivasi energi dari proses reaksi. Penyerapan sinar matahari (UV) oleh partikel fotokatalis akan membentuk 2 pasang electron dan hole. Electron akan bereaksi dengan oksigen dari larutan membentuk anion (O₂-) yang mana akan mengoksidasi secara kuat hydroxyl radikal (OH-). Sedangkan hole akan mengoksidasi hydroxyl yang terlarut dan membuatnya menjadi radikal dengan energi yang besar. Hydroxyl radikal yang memiliki energi yang besar akan mengubah polutan organi menjadi zat yang tidak berbahaya, sehingga TiO₂ dapat diaplikasikan untuk self-cleaning.

3.        Aplikasi fotokatalisis TiO₂ untuk disinfeksi bakteri E. Coli

                   Teknologi fotokatalisis menarik untuk dikembangkan pada proses disinfeksi mikroorganisme karena kemampuannya untuk mendegradasi mikroorganisme dalam konsentrasi yang sangat kecil tanpa menghasilkan produk samping yang berbahaya.Penelitian fotokatalisis TiO₂ dikembangkan secara luas untuk menguji kemampuannya dalam membunuh virus, bakteri, fungi, alga, dan sel kanker. Ketika diterangi dengan sinar ultraviolet-dekat, titanium oksida (TiO₂) menunjukkan aktivitas anti bakteri yang baik. Kematian sel bakteri oleh fotokatalisis disebabkan berkurangnya permeabilitas sel. Kontak pertama fotokatalis dengan sel terjadi pada dinding sel, dimana reaksi oksidasi oleh fotokatalis akan merusak dinding sel bakteri. Bakteri dengan dinding sel yang rusak masih merupakan bakteri yang sehat, namun tanpa perlindungan. Setelah menghilangkan perlindungan dinding sel, selanjutnya reaksi oksidasi terjadi di membran sitoplasma, Kerusakan oksidatif yang terjadi akan semakin meningkatkan permeabilitas sel, dan menyebabkan isi dalam sel mengalir bebas keluar sel yang menyebabkan kematian sel. Partikel TiO₂ yang bebas juga dapat mencapai membran sel yang sudah rusak, dan serangan langsung tersebut dapat mempercepat kematian sel.

4.        Aplikasi fotokatalisis TiO₂ untuk self-cleaning

            Adanya sifat hidrofilik dan hidrofobik pada fotokatalisis permukaan TiO₂ maka kotoran yang bersifat suka air pada setiap bagian permukaan akan terbawa saat air mengalir di atas permukaan tersebut. Sementara kotoran yang tidak suka air (minyak) yang berarti nonpolar atau hidrofobik akan tergelincir saat berada pada permukaan yang sangat hidrofilik[1]. Sebagai tambahan kotoran nonpolar (kebanyakan zat organik) yang tertinggal di permukaan lapisan tipis TiO₂ secara pelahan akan hancur, dipecah menjadi karbondioksida dan air akibat proses fotokatalisis. Hal inilah yang dapat diaplikasikan untuk self-cleaning pada permukaan beberapa permukaan material.

Read More

REVIEW THERMODINAMIKA Bab 1

DEFINISI
Thermodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesifik membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Kalor dan diubah dalam berbagai macam kerja seperti kerja mekanis, kerja elektrik dll.

PROPERTI DASAR
Sifat adalah karakteristik yang dapat diukur langsung atau tidak langsung ketika system dalam keseimbangan atau dekat dengan keseimbangan, misal : Volume, berat, suhu, kekentalan dll.
Sifat dapat dibedakan dalam dua jenis
sifat intensif : sifat zat/materi yang tidak tergantung pada jumlah massanya dalam batas system, contoh : Berat jenis, volume jenis, kalor jenis,tekanan.
sifat ekstensif : sifat materi yang berhubungan langsung / berbanding lurus dengan massa system, contoh : Volume, berat.
Besaran-besaran yang digunakan dalam thermodinamika:
Tekanan ( P )
Tekanan termasuk sebagai sifat intensif.Tidak dapat dibagi-bagi atau dilipatkan, tekanan adalah gaya per satuan luas.
P = F/A
F = Gaya
A = Luas
Satuan tekanan inggris= Psi
1 Atm = 1 kg / cm2 = 0.98 bar mendekati 1 bar
1 in.hg = 0.4912 psi
Satuan international (SI) = Pascal (pa)
1 pascal = 1 N/cm2
1 bar = 100000 Pa = 10 N/m2 = 1 Atm.


Besaran lain yang sejenis dengan tekanan adalah Tegangan
Tegangan ( τ ) : dalam system mekanis
GGL : δW = -εdθ : dalam system listrik
Kuat medan : δW = -K.dJ : dalam satuan magnetic

Volume ( V )
Volume termasuk sifat ekstensif, bisa dibagi ataupun dilipatkan.

Berat( W )
Berat termasuk sifat ekstensif.
W = M. g
M : massa
G : gravitasi = 32,16 ft/sec2 = 9,81 m/s2

Kerja (W)
Kerja adalah energi yang dikeluarkan untuk memindahkan partikel dalam jarak tertentu.kerja yang dihasilkan oleh gaya sebanding dengan pertambahan energi kinetik partikel tersebut. Energi kinetik adalah energi tersimpan dalam partikel yang mengalami perubahan kecepatan.
Kerja luar : kerja yang dilakukan oleh sistem kepada lingkungan
Kerja mekanik seperti penarikan / penekanan kawat
dW = – F.dL
tanda (-) untuk gaya tarik, kawat akan mengalami perlawan karena gaya tarik.
W = F. dX.cosθ
F: Gaya dX : jarak perpindahan θ : sudut antara F dan X
Ek : energi Kinetik M : Massa V : Kecepatan

W = F. dX
Tekanan (P) = F/A F=P.A A : luas penampang
W = P.A.dX, sedangkan A.dx = dV ( perubahan volume )
Maka kerja bisa dituliskan dalam formula W = P.dV. rumus ini berlaku untuk kondisi system tertutup (massa tetap).Misal; proses pada system piston motor bakar.
dV > 0 → kerja expansi (volume membesar)
dV < 0 → kerja kompresi (volume mengecil)

Suhu ( T )
Macam-macam pengukur suhu:
Thermometer air raksa (pemuaian Hg)
Termometer gas (hubungan antara P tekanan, Volume, dan suhu )
Thermometer Hambatan (hubungan tahanan (R) logam
Termokopel (hubungan antara kalor dengan GGL)

Kalor (Q)
Adalah energi yang berpindah apabila beberapa benda beda suhu dikontakan.kalor tidak tersimpan dalam benda.Dalam termodinamika perlu dipelajari:
perubahan apa yang terjadi pada sifat benda bila ia melepas / menerima kalor
apakah ada batas terendah / tertinggi suhu suatu benda
ketentuan :
kalor yang dikeluarkan oleh system yang ditinjau : bernilai minus ( – )
kalor yang diisap oleh system : bernilai plus ( + )
Satuan kalor ;
BTU (Inggris) : banyaknya kalor untuk menaikan suhu air dengan massa 1 lb senilai 1 Fahrenheit pada suhu 68 F,tekanan atkosfer standart
Calorie : banyaknya kalor untuk menaikkan suhu air 1 gram senilai 1 celcius pada suhu 15 C,tekanan atmosfer standart
1 Joule = 1 N.m = 1 watt.dt = 1 kgm2/dt2
1 KWH = 3,6 megajoule
1 e.v (electron Volt ) = 1,60219. (10)pangkat-19 Joule
1 kilo calorie = 4,2 kilo joule
1 Btu = 252 kalori = 1055 joule
Besarnya kalor yang dipindahkan tergantung lintasan perubahan lintasan
Adiabatik : apabila dalam proses, antara system dan lingkungan tidak terjadi perpindahan kalor
Panas jenis : jumlah kalor yang diperlukan untuk mengadakan perubahan kalor persatuan berat ( C ) = dq / m
Untuk air panas jenis = 1 btu / lb Fahreinhet
Panas laten : kalor yang diperlukan untuk merubah struktur fisik zat pada suhu konstan, contoh : panas penguapan, panas pencairan dll. Suatu bahan biasanya mengalami perubahan temperatur bila terjadi perpindahan kalor antara bahan dengan lingkungannya. Pada suatu situasi tertentu, aliran kalor ini tidak merubah temperaturnya. Hal ini terjadi bila bahan mengalami perubahan fasa. Misalnya padat menjadi cair (mencair), cair menjadi uap (mendidih) dan perubahan struktur kristal (zat padat). Energi yang diperlukan disebut kalor transformasi. Kalor yang diperlukan untuk merubah fasa dari bahan bermassa m adalah
Q = m L , dimana L adalah kalor laten.
Kesetaraan Mekanik dari Kalor.
Dari konsep energi mekanik diperoleh bahwa bila gesekan terjadi pada sistem mekanis, ada energi mekanis yang hilang. Dan dari eksperimen diperoleh bahwa energi yang hilang tersebut berubah menjadi energi termal.
Dari eksperimen yang dilakukan oleh Joule (aktif penelitian pada tahun 1837-1847) diperoleh kesetaraan mekanis dari kalor :
1 kal = 4,186 joule
Kapasitas Kalor Dan Kalor Jenis
Kapasitas kalor (C) : jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari suatu sampel bahan sebesar 1 Co.
Q = C T
Kapasitas panas dari beberapa benda sebanding dengan massanya, maka lebih mudah bila didefinisikan kalor jenis, c :
Kalor jenis, c : jumlah kalor yang diperlukan untuk menaikkan temperatur dari 1 gr massa bahan sebesar 1 Co.
Q = m c T

T2
Bila harga c tidak konstan : Q =  m c dT
T1

Catatan : untuk gas kalor jenis biasanya dinyatakan untuk satu mol bahan, dsb kalor jenis molar,
Q = n c T
d
Daya adalah laju perpindahan energi.Atau kata lain banyaknya pemakaian energi dalam suatu proses dari kondisi awal sampai akhir.
Energi Dalam ( U )
E = EK + EP + U
E : Energi total system EK : Energi kinetic
EP : Energi potensial U : Energi Dalam

TIPE ENERGI
Kemampuan melakukan kerja atau perubahan, tidak dapat diciptakan atau dihilangkan, hanya dapat dirubah bentuknya. Pembagian Energi adalah sbb:
1. Energi Tersimpan
- Energi kinetic
- Energi Potensial
- Energi Dalam
- Energi Kimia
2. Energi dalam perubahan
- Panas
- Kerja
MEKANISME PERPINDAHAN
Bila dua benda atau lebih terjadi kontak termal maka akan terjadi aliran kalor dari benda yang bertemperatur lebih tinggi ke benda yang bertemperatur lebih rendah, hingga tercapainya kesetimbangan termal. Proses perpindahan panas ini berlangsung dalam 3 mekanisme, yaitu : konduksi, konveksi dan radiasi.
Konduksi
Proses perpindahan kalor secara konduksi bila dilihat secara atomik merupakan pertukaran energi kinetik antar molekul (atom), dimana partikel yang energinya rendah dapat meningkat dengan menumbuk partikel dengan energi yang lebih tinggi.



Sebelum dipanaskan atom dan elektron dari logam bergetar pada posisi setimbang. Pada ujung logam mulai dipanaskan, pada bagian ini atom dan elektron bergetar dengan amplitudi yang makin membesar. Selanjutnya bertumbukan dengan atom dan elektron disekitarnya dan memindahkan sebagian energinya. Kejadian ini berlanjut hingga pada atom dan elektron di ujung logam yang satunya. Konduksi terjadi melalui getaran dan gerakan elektron bebas.
Konduksi : H = - k A (T1 - T2 ) / L , k adalah kondutivitas termal.


Konveksi
Apabila kalor berpindah dengan cara gerakan partikel yang telah dipanaskan dikatakan perpindahan kalor secara konveksi. Bila perpindahannya dikarenakan perbedaan kerapatan disebut konveksi alami (natural convection) dan bila didorong, misal dengan fan atau pompa disebut konveksi paksa (forced convection).
Besarnya konveksi tergantung pada :
a. Luas permukaan benda yang bersinggungan dengan fluida (A).
b. Perbedaan suhu antara permukaan benda dengan fluida (T).
c. koefisien konveksi (h), yang tergantung pada :
# viscositas fluida
# kecepatan fluida
# perbedaan temperatur antara permukaan dan fluida
# kapasitas panas fluida
# rapat massa fluida
# bentuk permukaan kontak

Konveksi : H = h x A x T
Radiasi
Pada proses radiasi, energi termis diubah menjadi energi radiasi. Energi ini termuat dalam gelombang elektromagnetik, khususnya daerah inframerah (700 nm - 100 m). Saat gelombang elektromagnetik tersebut berinteraksi dengan materi energi radiasi berubah menjadi energi termal.
Untuk benda hitam, radiasi termal yang dipancarkan per satuan waktu per satuan luas pada temperatur T kelvin adalah :

E = e T4.
dimana  : konstanta Boltzmann : 5,67 x 10-8 W/ m2 K4.
e : emitansi (0  e  1)

SISTEM
Sistem termodinamika adalah bagian dari lingkungan yang diperhitungkan. Sebuah batasan yang nyata atau imajinasi memisahkan sistem lingkungan. Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan pada sifat batas sistem-lingkungan dan perpindahan materi, kalor dan entropi antara sistem dan lingkungan.Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:
sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:
- pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
- pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.
Sistem termodinamika juga dapat dikategorikan dalam 2 jenis, yaitu:
Sistem homogen : komponen dan fasenya merata pada seluruh volumenya.misal : kopi manis, walau terdiri dari tiga macam material yaitu kopi,air dan gula namun bila diaduk merata diseluruh volumenya maka bisa dikatakan homogen.
Sistem heterogen : tidak homogen.contoh minyak goreng mengendap,walau satu jenis material namun fasenya tidak merata disetiap volumenya maka dikatakan system heterogen. Komposisi adalah jumlah relative (perbandingan) zat-zat yang ada dalam system. Zat murni adalah sistem yang terdiri dari satu macam zat yang homogen fasenya dan stabil secara kimia.

PROSES/SIKLUS

Isotermal = suhu yang sama atau suhu selalu konstan, isokorik = volume yang sama atau volume selalu
konstan, isobarik = tekanan yang sama atau tekanan selalu konstan.

Proses Isotermal (suhu selalu konstan)

Dalamproses Isotermal, suhu sistem dijaga agar selalu konstan. Sistem yang kita analisis secara teoritis adalahgas ideal. Suhu gas ideal berbanding lurus dengan energi dalam gas ideal (U = 3/2 nRT). Karena T tidakberubah maka U juga tidak berubah. Dengan demikian, jika diterapkan pada proses isotermal,persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :

ΔU = Q −W →ΔU = 0 (energi dalam sistem tidak berubah)
0 = Q −W
Q =W →Persamaan proses isotermal

Pada proses isotermal (suhu konstan), kalor (Q) yang ditambahkan pada sistem digunakan sistem untuk melakukan kerja (W).
Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isotermal digambarkan melalui grafik di bawah :

Mula‐mula volume sistem = V1 (volume kecil) dan tekanan sistem = P1 (tekanan besar). Agar suhu sistem selalu konstan maka setelah kalor ditambahkan pada sistem, sistem memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan. Setelah sistem melakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume sistem bertambah) dan tekanan sistem berubah menjadi P2 (tekanan sistem berkurang). Bentuk grafik melengkung karena tekanan sistem tidak berubah secara teratur selama proses. Besarnya kerja yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.

Proses Adiabatik

Dalam proses adiabatik, tidak ada kalor yang ditambahkan pada sistem atau meninggalkan sistem (Q =0). Proses adiabatik bisa terjadi pada sistem tertutup yang terisolasi dengan baik. Untuk sistem tertutup yang terisolasi dengan baik, biasanya tidak ada kalor yang dengan seenaknya mengalir ke dalam sistem atau meninggalkan sistem. Proses adiabatik juga bisa terjadi pada sistem tertutup yang tidak terisolasi.
Untuk kasus ini, proses harus dilakukan dengan sangat cepat sehingga kalor tidak sempat mengalir menuju sistem atau meninggalkan sistem.
Jika diterapkan pada proses adiabatik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk seperti ini :

ΔU = Q −W →Q = 0 (Tidak ada kalor yang masuk atau keluar sistem)
ΔU = 0 −W
ΔU = −W → Persamaan proses adiabatik

Apabila sistem ditekan dengan cepat (kerja dilakukan terhadap sistem), maka kerja bernilai negatif.
Karena W negatif, maka U bernilai positif (energi dalam sistem bertambah). Sebaliknya jika sistem berekspansi atau memuai dengan cepat (sistem melakukan kerja), maka W bernilai positif.
Karena W positif, maka U bernilai negatif (energi dalam sistem berkurang).
Energi dalam sistem (gas ideal) berbanding lurus dengan suhu (U = 3/2 nRT), karenanya jika energi dalam sistem bertambah maka suhu sistem juga bertambah. Sebaliknya, jika energi dalam sistem berkurang maka suhu sistem berkurang. Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses adiabatik digambarkan melalui grafik di bawah :

Kurva adiabatik pada grafik ini (kurva 1‐2) lebih curam daripada kurva isotermal (kurva 1‐3). Perbedaankecuraman ini menunjukkan bahwa untuk kenaikan volume yang sama, tekanan sistem berkurang lebihbanyak pada proses adiabatik dibandingkan dengan proses isotermal. Tekanan sistem berkurang lebihbanyak pada proses adiabatik karena ketika terjadi pemuaian adiabatik, suhu sistem juga berkurang.Suhu berbanding lurus dengan tekanan, karenanya apabila suhu sistem berkurang, maka tekanan sistemjuga berkurang. Sebaliknya pada proses isotermal, suhu sistem selalu konstan. Dengan demikian pada
proses isotermal suhu tidak ikut mempengaruhi penurunan tekanan.

Salah satu contoh proses yang mendekati adiabatik terjadi pada mesin pembakaran dalam, misalnyamesin diesel dan mesin motor yang pakai bensin. Pada mesin diesel, udara dimasukan ke dalam silinderdan udara yang berada di dalam silinder ditekan dengan cepat menggunakan piston (kerja dilakukanpada udara). Proses penekanan adiabatik (pengurangan volume sistem) digambarkan melalui kurva 2‐1.
Karena ditekan dengan cepat secara adiabatik maka suhu udara naik dengan cepat. Pada saat yangsama, solar disemprotkan ke dalam silinder lewat injektor dan campuran terpicu seketika (terjadi prosespembakaran). Pada mesin motor yang pakai bensin, campuran udara dan bensin dimasukkan ke dalamsilinder kemudian ditekan dengan cepat menggunakan piston. Karena ditekan dengan cepat secaraadiabatik maka suhunya naik dengan cepat. Pada saat yang sama, busi memercikan bunga api sehinggaterjadi proses pembakaran.

Proses Isokorik (volume selalu konstan)

Dalam proses Isokorik, volume sistem dijaga agar selalu konstan. Karena volume sistem selalu konstan,maka sistem tidak bisa melakukan kerja pada lingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidakbisa melakukan kerja pada sistem.Jika diterapkan pada proses isokorik, persamaan Hukum pertama termodinamika akan berubah bentuk
seperti ini :

ΔU = Q −W →W = 0 (Sistem tidak melakukan kerja terhadap lingkungan)
ΔU = Q − 0
ΔU = Q→ Persamaan proses isokorik

Pada proses isokorik (volume konstan), kalor (Q) yangditambahkan pada sistem digunakan untuk menaikkan energi dalam sistem.Perubahan tekanan dan volume sistem pada proses isokorik digambarkan melalui grafik di bawah :

Mula‐mula tekanan sistem = p1 (tekanan kecil). Adanya tambahan kalor pada sistem menyebabkanenergi dalam sistem bertambah. Karena energi dalam sistem bertambah maka suhu sistem (gas ideal)meningkat (U = 3/2 nRT). Suhu berbanding lurus dengan tekanan. Karenanya, jika suhu sistemmeningkat, maka tekanan sistem bertambah (p2). Karena volume sistem selalu konstan maka tidak adakerja yang dilakukan (tidak ada luasan yang diarsir).




Catatan :
Sebelumnya dikatakan bahwa dalam proses isokorik, sistem tidak bisa melakukan kerja terhadaplingkungan. Demikian juga sebaliknya, lingkungan tidak bisa melakukan kerja terhadap sistem. Hal inidisebabkan karena pada proses isokorik, volume sistem selalu konstan alias tidak berubah. Terdapat jenis kerja tertentu yang tidak melibatkan perubahan volume. Jadi walaupun volume sistemkonstan alias tidak berubah, kerja masih bisa dilakukan terhadap sistem. Misalnya terdapat sebuah kipas+ baterai dalam sebuah wadah tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang disumbangkanbaterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai dan udara yang berada di dalam wadah dianggap sebagai sistem.Ketika kipas berputar, kipas melakukan kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang
sama, energi kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada baterai tentu sajaberkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi dalam udara. Contoh ini
menunjukkan bahwa pada proses isokorik (volume selalu konstan), kerja masih bisa dilakukan terhadapsistem (kerja yang tidak melibatkan perubahan volume).

Proses Isobarik (tekanan selalu konstan)

Dalam proses Isobarik, tekanan sistem dijaga agar selalu konstan. Karena yang konstan adalah tekanan,maka perubahan energi dalam (delta U), kalor (Q) dan kerja (W) pada proses isobarik tidak ada yangbernilai nol. Dengan demikian, persamaan hukum pertama termodinamika tetap utuh seperti semula :

ΔU = Q –W

Perubahan tekanan dan volume gas pada proses isobarik digambarkan melalui grafik di bawah :

Mula‐mula volume sistem = V1 (volume kecil). Karena tekanan dijaga agar selalu konstan maka setelahkalor ditambahkan pada sistem, sistem memuai dan melakukan kerja terhadap lingkungan. Setelahmelakukan kerja terhadap lingkungan, volume sistem berubah menjadi V2 (volume sistem bertambah).Besarnya kerja (W) yang dilakukan sistem = luasan yang diarsir.

Read More