KONSEP  DASAR  TERMODINAMIKA  

Dr. Ismail Sulaiman Mata kuliah : Perpindahan Kalor dan Massa

THERMO  vs.  HEAT  TRANSFER  

ò  Thermodynamics  stems  from  the  Greek  words  therme  (heat)  and  dynamis  (power  or  mo3on),  which  is  most  descrip3ve  of  the  early  efforts  to  convert  heat  into  power.  Today  thermodynamics  is  broadly  interpreted  to  include  all  aspects  of  energy  and  energy  transforma3ons,  including  power  genera3on,  refrigera3on,  and  rela3onships  among  the  proper3es  of  ma@er.  

ò  Heat  transfers  the  science  that  deals  with  the  determina3on  of  the  rates  of  such  energy  transfer.  

THERMO  vs.  HEAT  TRANSFER  (cont)  

•  Thermodynamics membicarakan sistem keseimbangan (equilibrium), bisa digunakan untuk menaksir besarnya energi yang diperlukan untuk mengubah suatu sistem keseimbangan, tetapi tidak dapat dipakai untuk menaksir seberapa cepat (laju) perubahan itu terjadi karena selama proses sistem tidak berada dalam keseimbangan.

•  Heat Transfer tidak hanya menerangkan bagaimana energi itu dihantarkan, tetapi juga menaksir laju penghantaran energi. Inilah yang membedakan Heat Transfer dengan thermodinamika.

APLIKASI  

•  Tubuh manusia •  Meniup kopi panas •  Perkakas elektronik (sirip, heat sink) •  Refrigerator (AC, Kulkas) •  Mobil (siklus engine, sirip, radiator) •  Pembangkit listrik (turbin, boiler) •  Industri (penyulingan, pendinginan, pengeringan, dll).

DIMENSI  dan  SATUAN  

ò  Dimensi  (M,L,T,θ)  →  homogen  

ò  Satuan  :  SI  Units  (m,  s,  kg,  K)  

ò  Kesalahan  umum:  

 1.  Tidak  paham  

 2.  Usaha  minimal,  kurang  laNhan  

 3.  Tidak  terampil  melakukan  konversi  satuan  

ò  Trik:  perhitungan  harus  menyertakan  satuan  

Internasional adalah sistem avoirdupois

ò  1 ounce/ons/onza = 28,35 gram (bukan 100 g.)

ò  1 pound = 453 gram (bukan 500 g.)

ò  1 pound = 16 ounce (bukan 5 ons)

SECONDARY  UNITS  

ò  Secondary  units  can  be  formed  by  combinaNons  of  primary  units.  Example:  

2smkgN =•     F  =  m.a  

•     P  =  F/A   2mNPa =

2

2/.msmkgPa =

2.smkgPa =

• Termodinamika mempelajari hubungan antara panas, kerja dan energi serta perubahan-perbahan yang diakibatkannya terhadap sistem

• Sistem kesetimbangan dalam termodinamika 1. Kesetimbangan termal 2. Kesetimbangan mekanik 3. Kesetimbangan material

Istilah – istilah penting dalam termodinamika kimia : • sistem : bagian dari alam semesta yang kita amati atau yang

dipelajari • lingkungan : bagian diluar sistem yang yang masih berpengaruh

atau dipengaruhi oleh sistem • Batas (boundary) : bagian yang memisahkan sistem dengan

lingkungan.

KONSEP-KONSEP DASAR TERMODINAMIKA

SISTEM  vs.  LINGKUNGAN  

ò  A  system  is  defined  as  a  quanNty  of  maYer  or  a  region  in  space  chosen  for  study.    

ò  The  mass  or  region  outside  the  system  is  called  the  surroundings.      

ò  The  real  or  imaginary  surface  that  separates  the  system  from                                                                  its  surroundings  is  called  the  boundary  

INTERAKSI SISTEM DAN LINGKUNGAN

ò  Berdasarkan sifat interaksi antara sistem dan lingkungan, sistem dibedakan :

ò  Sistem terbuka, antara sistem dan lingkungan masih terjadi pertukaran energi dan materi ( dq ≠ 0 ; dm ≠ 0)

ò  Sistem tertutup; hanya dimungkinkan adanya perpindahan energi antara sistem dan lingkungan (dq ≠ 0 ; dm = 0)

ò  Sistem terisolasi / tersekat ; tidak dimungkin-kan adanya perubahan materi atau energi (dq = 0 ; dm = 0)

•  Variabel intensif : variabel termodinamika yg tidak tergantung pada jumlah materi.

E Contoh: Temperatur, tekanan, massa jenis, titik didih, pH, Tegangan muka, Indeks bias, kekentalan, panas spesifik

•  Variabel ekstensif : variabel termodinamika yg tergantung pada jumlah materi.

E Contoh: massa, Volume, Energi Dalam, Entalpi, entropi

Variabel Termodinamika

Proses Termodinamika

Proses termodinamika F Operasi yang menyebabkan keadaan sistem berubah

Ada beberapa jenis proses termodinamika : v Proses Isotermis , dT = 0, tidak ada perubahan temperatur sistem v Proses Adiabatik, dq = 0, tidak ada pertukaran panas antara sistem dengan

lingkungan v Proses Isobaris , dP = 0, tekanan sistem konstan v Proses Isokoris, dV = 0, tidak ada perubahan volume sistem v Proses Siklis, dU = 0, dH = 0, Sistem melakukan beberapa proses yang

berbeda tetapi akhirnya kembali pada keadaan semula v Proses reversibel (Proses dapat balik ) : suatu proses yang berlangsung

sedemikian hingga setiap bagian yang mengalami perubahan dikembalikan pada keadaan semula tanpa menyebabkan suatu perubahan lain.

v Proses irreversibel (proses tak dapat balik) : proses yang berlangsung dalam satu tahap, arahnya tak dapat dibalik kecuali dengan tambahan energi luar

• Suatu variabel termodinamika dikatakan sebagai fungsi keadaan jika hanya tergantung pada keadaan awal dan akhir saja, tidak tergantung pada jalannya proses.

Contoh : entalpi (H), energi dalam (U) • Suatu variabel termodinamika dikatakan sebagai fungsi proses

jika besarnya tergantung pada jalannya proses. contoh : kerja (w) dan Kalor (q) • Suatu variabel termodinamika dapat dibuktikan sebagai fungsi

keadaan jika differensialnya bersifat eksak. Sehingga jika differensialnya tidak eksak maka variabel tersebut merupakan fungsi proses.

Fungsi Keadaan dan Fungsi Proses

Differensial eksak • jika z = f(x,y), perubahan kecil z sebesar dx pada y konstan dinyatakan sebagai dz = (∂z/∂x)y dx • jika z = f(x,y), perubahan kecil z sebesar dy pada x konstan dinya- takan sebagai dz = (∂z/∂y)x dy Perubahan z dengan merubah secara serentak dx dan dy dinyatakan:

dz = (∂z/∂x)y dx + (∂z/∂y)x dy (1.1) Jika : (∂z/∂y)y = M(x,y) (∂z/∂y)x = N(x,y) Maka persamaan (1.1) menjadi :

dz = M(x, y) dx + N(x,y) dy (1.2) Differensial tersebut dikatakan eksak jika dipenuhi :

(∂M/∂y)x = (∂N/∂x)y atau (1.3) (∂2z/∂ydx) = (∂2z/∂x∂y) (1.4)

Persamaan (1.3) dan (1.4) ditafsirkan sebagai : variabel z sebagai fungsi x dan y jika berubah sebesar dz sebagai akibat perubahan dx dan dy akan mempunyai harga yang sama jika diubah dengan cara :

- dx dulu (pada y konstan) , kemudian dy (pada x konstan) atau - dy dulu (pada x konstan), kemudian dx (pada y konstan)

Dari persamaan (1.1): dz = (∂z/∂x)y dx + (∂z/∂y)x dy

Pada perubahan yang sangat kecil pada y konstan (dy = 0) menjadi :

dzy = (∂z/∂x)y dxy (1.5) Bila dibagi dengan dzy didapat :

1 = (∂z/∂x)y∂xy/∂zy = (∂z/∂x)y(∂x/∂z)y Sehingga :

(∂z/∂x)y = 1 / (∂x/∂z)y (1.6) Dari persamaan (1.1) pada z konstan (dz=0) diperoleh :

0 = (∂z/∂x)y dx + (∂z/∂y)x dy Bila dibagi dengan dyz didapat :

0 = (∂z/∂x)y (∂x/∂y)z + (∂z/∂y)x (1.7)

Aturan Rantai Siklis

(∂z/∂x)y (∂x/∂y)z = -(∂z/∂y)x = -1 (∂z/∂y)x = -1 / (∂y/∂z)x Atau :

(∂z/∂x)y(∂x/∂y)z (∂y/∂z)x = -1 Persamaan 1.8 disebut aturan siklis yang banyak berguna dalam penye- lesaian termodinamika :

- (∂z/∂y)x = - (∂z/∂x)y (∂x/∂y)z - (∂z/∂y)x = -(∂z/∂x)y / (∂y/∂x)z - (∂z/∂y)x = - (∂x/∂y)z (∂x/∂z)y

Koefisien Ekspansifitas (α) dan Koefisien kompresibiltas (κ)

ò  Koefisien ekspansifitas didefinisikan sebagai laju perubahan volume sistem karena pengaruh suhu pada tekanan konstan, dirumuskan:

α = 1/V (∂V/∂T)p

ò  Koefisien kompresibilitas didefinisikan sebagai laju perubahan volume sistem yang disebabkan pengaruh tekakan temperatur konstan, dirumuskan:

K = -1/V (∂V/∂p)T

ò  Hubungan antara α dan K dinyatakan:

α/K = (∂p/∂T)V (buktikan!!!)

Soal-soal 1.  Dengan menggunakan perumusan diferensial eksak

dan non eksak, tentukan apakah fungsi berikut termasuk diferensial eksak atau non eksak

Ø z = xy3 dengan z = f (x,y)

Ø z = 2y3 + 3x2 dengan z = f(x,y) Ø V = π r2h dengan V = f (r,h)

2.  Diketahui P = RT/(V-b) dengan V = f(p,T). Buktikan bahwa P, T, V merupakan fungsi keadaan

3.  Tunjukkan bahwa kerja dan kalor adalah fungsi

OPEN  vs.  CLOSSED  SYSTEMS  

ò  Closed  system  (=  control  mass):  Mass  can’t  cross  the  boundary,  but  energy  can.    

ò  Volume  of  a  closed  system  may  change.    

ò  Special  case,  if  no  energy  cross  the  boundary,  that  system  is  called  an  isolated  system.    

CLOSSED  SYSTEM  

A  closed  system  with  a  moving  boundary.  

OPEN  vs.  CLOSSED  SYSTEMS  

•  Open system (= control volume) is a properly selected region in space. It usually encloses a device that involves mass flow such as a compressor, turbine, or nozzle.

•  Both mass and energy can cross the boundary of a control volume.

•  The boundaries of a control volume are called a control surface, and they can be real or imaginary.

OPEN  SYSTEM  

OPEN  SYSTEM  

Open  system  (=  control  volume)  with  one  inlet  and  one  outlet  (exit)  and  a  real  boundary.    

SIFAT-­‐SIFAT  SISTEM  

ò  Any  characterisNc  of  a  system  is  called  a  property.    

ò  Some  familiar  properNes  are  pressure  P,  temperature  T,  volume  V,  and  mass  m.  The  list  can  be  extended  to  include  less  familiar  ones  such  as  viscosity,  thermal  conducNvity,  modulus  of  elasNcity,  thermal  expansion  coefficient,  electric  resisNvity,  and  even  velocity  and  elevaNon.    

ò  Intensive  properNes  are  those  that  are  independent  of  the  mass  of  a  system,  such  as  temperature,  pressure,  and  density.    

ò  Extensive  properNes  are  those  whose  values  depend  on  the  size—or  extent—of  the  system.    

ò  Extensive  properNes  per  unit  mass  are  called  specific  properNes  (specific  volume  (v  =  V/m),  specific  energy  (e  =  E/m).  

SIFAT  INTENSIF  vs.  EKSTENSIF  

TUGAS  (dikumpul  Senin)  :  Sebuah  apel  dibelah  dua.  Buatlah  daaar  sifat  intensif  dan  ekstensifnya  

Criterion  to  differenNate  intensive  and  extensive  properNes.  

SIFAT-­‐SIFAT  SISTEM  PENTING  

•  Densitas atau massa jenis: masa per satuan volume

•  Volume spesifik, kebalikan dari densitas: volume per satuan masa (m3/kg)

•  Densitas relatif atau specific gravity: nisbah densitas suatu substansi dengan densitas substansi standar pada suhu tertentu (biasanya air pada 4oC di mana ρ = 1000 kg/m3)

ENERGY  SISTEM  TERMODINAMIKA  

ò  BENTUK  ENERGI:  

 1.  Energi  KineNk  (KE)    à                

   

 2.  Energi  Potensial  (PE)  à  PE  =  mgh  

 3.  Energi  dakhil  atau  Internal  Energy  (U)  

ò  ENERGI  TOTAL:  

 E  =  U  +  KE  +  PE  

 e  =  u  +  ke  +  pe    (per  satuan  massa)      

 

2

21 mVKE =

POSTULAT  KEADAAN  

•  All properties (can be measured or calculated) completely describes the condition, or the state, of the system. At a given state, all the properties of a system have fixed values. If the value of even one property changes, the state will change to a different one.

•  The number of properties required to fix the state of a system is given by the state postulate: The state of a simple compressible system is completely specified by two independent, intensive properties.

PROSES dan SIKLUS

•  Any change that a system undergoes from one equilibrium state to another is called a process

•  The series of states through which a system passes during a process is called the path (lintasan) of the process.

MACAM-MACAM PROSES

ò  Proses  isotermal:  proses  pada  suhu  T  konstan.    

ò  Proses  isobaris:  proses  pada  tekanan  P  konstan.    

ò  Proses  isokhoris  (isometris):  proses  pada  volume  spesifik  ν    konstan.  

ò  Proses  adiaba:k:  proses  di  mana  Ndak  terjadi  pertukaran  kalor  dengan  lingkungan.  

ò  Proses  isentropik:  proses  pada  entropi  S  konstan.    

STEADY-­‐FLOW  PROCESS  

•  The terms steady and uniform are used frequently in engineering, and thus it is important to have a clear understanding of their meanings.

•  The term steady implies no change with time. •  The opposite of steady is unsteady, or transient. •  The term uniform, however, implies no change with

location over a specified region.

PROSES dan SIKLUS

ò  A  system  undergoes  a  cycle  if  it  returns  to  its  iniNal  state  at  the  end  of  the  process.    

Siklus dengan 2 lintasan

Siklus dengan 4 lintasan

TEKANAN  

•  Tekanan (P) : gaya (F) per satuan luas (A). •  Satuan tekanan adalah pascal (Pa) = N/m2. •  Untuk benda padat gaya per luas satuan tidak disebut

tekanan, tetapi tegangan (stress). •  Untuk fluida diam, tekanan adalah sama ke segala arah. •  Tekanan di dalam fluida meningkat sesuai dengan

kedalamannya akibat berat fluida (pengaruh gravitasi) sehingga fluida pada bagian bawah menanggung beban yang lebih besar daripada fluida di bagian atas.

•  Tetapi tekanan tidak bervariasi pada arah horisontal. •  Tekanan gas di dalam tangki dapat dianggap seragam

karena berat gas terlalu kecil dan tidak mengakibatkan pengaruh yang berarti.

TEKANAN:  UKUR,  ATM,  VAKUM  

ò  Tekanan  aktual  pada  posisi  tertentu    disebut  tekanan  absolut  dan  diukur  secara  relaNf  terhadap  tekanan  vakum,  yaitu  tekanan  nol  mutlak.    

ò  Kebanyakan  pengukur  tekanan  dikalibrasi  untuk  membaca  nol  di  atmosfer  (tekanan  atmosfer  lokal).    

ò  Perbedaan  tekanan  absolut  dan  tekanan  atmosfer  disebut  tekanan  ukur  (pressure  gage).    

ò  Tekanan  di  bawah  tekanan  atmosfer  disebut  tekanan  vakum  (vacuum  pressure)  dan  diukur  dengan  pengukur  vakum  yang  menunjukkan  perbedaan  antara  tekanan  atmosfer  dan  tekanan  absolut.  

ò  Pgage  =  Pabs  –  Patm              (untuk  P  >  Patm)    ò  Pvac  =  Patm  –  Pabs            (untuk  P  <  Patm)  

TEKANAN  UKUR,  TEKANAN  ATMOSFER,  TEKANAN  VAKUM  

PENGUKUR  TEKANAN  

 

 

 

 

 

PRESSURE  GAGE    

         MANOMETER  

                 BAROMETER  

PRINSIP  MANOMETER  

PerhaNkan  gambar:  

ò  Seimbang  àΣF  =  0  

ò  P1  =  P2  ò  A  P1  =  A  Patm  +  W  

 di  mana    W  =  m  g  =  ρ  V  g  =  ρ  A  h  g  

ò  P1  =  Patm  +  ρ  h  g    

ò  ΔP  =  P1  -­‐  Patm  =  ρ  h  g  =  Tekanan  ukur  di  dalam  tangki  

EXAMPLE  :  Manometer  

A  manometer  is  used  to  measure  the  pressure  in  a  tank.  The  fluid  used  has  a  specific  gravity  of  0.85,  and  the  manometer  column  height  is  55  cm,  as  shown  in  Figure.  If  the  local  atmospheric  pressure  is  96  kPa,  determine  the  absolute  pressure  within  the  tank.  

EXAMPLE:  SOLUTION  

EXAMPLE: MULTIFLUID MANOMETER

Water  in  a  tank  is  pressurized  by  air,  and  the  pressure  is  measured  by  a  mulNfluid  manometer  (see  Figure).  The  tank  is  located  on  a  mountain  at  an  alNtude  of  1400  m  where  the  atmospheric  pressure  is  85.6  kPa.  Determine  the  air  pressure  in  the  tank  if  h1  =  0.1  m,  h2  =  0.2  m,  and  h3  =  0.35  m.  Take  the  densiNes  of  water,  oil,  and  mercury  to  be  1000  kg/m3,  850  kg/m3,  and  13,600  kg/m3,  respecNvely.  

SOLUTION  

APLIKASI  MANOMETER  

P1  +  ρ1g(a  +  h)  -­‐  ρ2gh  -­‐  ρ1ga  =  P2  P1  -­‐  P2    =  (ρ2  -­‐  ρ1)gh  

Untuk    ρ2  >>  ρ1  :  

P1  -­‐  P2    ≈  ρ2  g  h  

 

 

Measuring  the  pressure  drop  across  a  flow  secNon  or  a  flow  device  by  a  differenNal  manometer:  

BAROMETER  Torricelli  

Patm  =  ρ  g  h  

EXAMPLE3:  BAROMETER  

ò  Determine  the  atmospheric  pressure  at  a  locaNon  where  the  barometric  reading  is  740  mm  Hg  and  the  gravitaNonal  acceleraNon  is  g    9.81  m/s2.  Assume  the  temperature  of  mercury  to  be  10oC,  at  which  its  density  is  13,570  kg/m3.  

EXAMPLE3:  SOLUTION  

TEKANAN  ATMOSFER  

ELEVASI (m)

TEKANAN (kPa)

TEKANAN (mmHg)

0 (sea level) 101.325 760.00

1000 89.88 674.15

2000 79.50 596.30

5000 54.05 405.41

10,000 26.5 198.77

20,000 5.53 41.48

Rule  of  thumb:  naik  10  m,  tekanan  atmosfer  turun  1  mmHg  

EFEK  KETINGGIAN  

TEMPERATURE  

ò  Thermodinamika  à  SUHU  MUTLAK    

ò  Satuan  kelvin  (K)  untuk  SI    

ò  Satuan  renkine  (R)  untuk  USCS  Konversi:    

T(K)  =  T(oC)  +  273.15  T(R)  =  T(oF)  +  456.67  T(oC)  =  1.8T(oC)  +  32  T(R)  =  1.8  T(K)  

CAUTION:    

ΔT(K)  =  ΔT(oC)  ΔT(R)  =  ΔT(oF)  

EXAMPLE4:  TEMPERATURE  

ò  During  a  heaNng  process,  the  temperature  of  a  system  rises  by  10°C.  Express  this  rise  in  temperature  in  K,  °F,  and  R.