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.
