3. PENDAHULUAN
KONSEP DAN DEFENISI
TUJUAN : MEMPERKENALKAN BERBAGAI KONSEP DASAR DAN DEFENISI YANG
DIPERGUNAKAN DALAM PENGKAJIAN TERMODINAMIKA TEKNIK
Thermodinamika :
IIlmu tentang energi, yang secara spesificlmu tentang energi, yang secara spesific
membahas tentang hubungan antaramembahas tentang hubungan antara
energi panas dengan kerjaenergi panas dengan kerja.
5. SISTEM
• SISTEM THERMODINAMIKA, ATAU DISEDERHANAKAN MENJADI SISTEM,
DIDEFENISKAN SEBAGAI SUATU JUMLAH ZAT ATAU DAERAH (REGION) DARI
SUATU RUANG YANG DIPILIH UNTUK DIPELAJARI ATAU DIANALISA.
• DAERAH DILUAR SISTEM DISEBUT SEKELILING (SURROUNDING). PERMUKAAN
NYATA MAUPUN IMAJINER YANG MENJADI SISTEM DARI SEKELILINGNYA
DISEBUT BATAS (BOUNDARY ). BATAS DARI SISTEM DAPAT TETAP ATAUPUN
BERGERAK
SURROUNDING
BATAS SISTEM
(BOUNDARY)
6. SISTEM TERTUTUP
SISTEM TERTUTUP (JUGA DIKENAL SEBAGAI MASSA
KONTROL) TERDIRI DARI JUMLAH MASSA YANG TETAP
DAN TIDAK ADA MASSA YANG MELEWATI BATAS
SISTEM. JADI DALAM SISTEM TERTUTUP TIDAK ADA
MASSA MASUK MAUPUN KELUAR DARI SISTEM, TETAPI
ENERGI BAIK DALAM BENTUK KERJA MAUPUN PANAS
DAPAT MELEWATI BATAS SISTEM
YESYES
ENERGIENERGI
BATAS SISTEM
(BOUNDARY)
NO
MASSA
BILA ENERGI TIDAK DAPAT MELEWATI
BATAS SISTEM, SISTEM ITU DISEBUT
SEBAGAI SISTEM TERISOLASI
NO
ENERGI
BATAS SISTEM
(BOUNDARY)
NO
MASSA
7. SISTEM TERBUKA ( VOLUME KONTROL)
• SUATAU DAERAH YANG TELAH
DITETAPKAN UNTUK DIANALISA
DIMANA MASSA DAPAT MENGALIR
MELALUI BATAS SISTEM. PERALATAN
YANG MELIBATKAN ALIRAN MASSA
SEPERTI PADA KOMPRESSOR, TURBIN,
POMPA , NOZZLE .
• ALIRAN TERSEBUT SEBAIKNYA
DIANALISA DENGAN SISTEM TERBUKA,
BAIK MASSA MAUPUN ENERGI DAPAT
MELEWATI BATAS SISTEM YAnG
DISEBUT PERMUKAAN KONTROL
( CONTROL SURFACE)
VOLUME KONTROL
( CONTROL
VOLUME)
PERMUKAAN KONTROL
( CONTROL VOLUME)
Energi YesEnergi Yes
Massa YESMassa YES
contoh
8. • Gambar menunjukan sebuah batas sistem yang dipilih jika daya
listrik masuk diketahui, tujuan analisis adalah untuk
menentukan berapa lama kompressor harus dioperasikan agar
tekanan dalam tangki meningkat hingga nilai tertentu. Karena
massa mengalir melalui batas sistem, maka sistem dikategorikan
sebagai volume atur. Volume atur hanya mencakup kompressor
dapat dipilih jika tujuan analisis adalah menentukan daya listrik
yang diperlukan .
9. DIMENSI DAN UNIT
SETIAP JUMLAH FISIK DAPAT DIGOLONGKAN DALAM DIMENSI.
PERUBAHAN BESARAN YANG DIBERIKAN PADA DIMENSI DISEBUT UNIT
DIMENSI UTAMA
DIMENSI
SEKUNDER
10.
11.
12. • Pada sistem inggris, gaya merupakan salah satu dimensi utama, ini yang menimbulkanPada sistem inggris, gaya merupakan salah satu dimensi utama, ini yang menimbulkan
banyak kesalahan dan kebingungan. Untuk menghindari hal tersebut , maka gaya dimasukanbanyak kesalahan dan kebingungan. Untuk menghindari hal tersebut , maka gaya dimasukan
dalam dimensi sekunder yang diturunkan dari hukum Newton IIdalam dimensi sekunder yang diturunkan dari hukum Newton II
GAYA = (MASSA ) . (PERCEPATAN)GAYA = (MASSA ) . (PERCEPATAN)
• PADA SISTEM SIPADA SISTEM SI, SATUAN GAYA ADALAH NEWTONNEWTON DAN DIDEFENISIKAN SEBAGAI :
Gaya Yang Diperlukan Untuk Mempercepat Massa 1 Kg Dengan Laju 1 m/s2
• PADA SISTEM INGGRISPADA SISTEM INGGRIS , SATUAN GAYA ADALAH POUND-FORCE (lbf) DIDEFENISKAN
SEBAGAI :
Gaya Yang Diperlukan Untuk Mempercepat Massa 1 slug (=32,174 lbm) dengan
1 ft/s2
Jadi : 1 N = 1 kgm/s2
1 lbf= 32,174 lbm.ft/s2
m=1kg F=1 N
a=1 m/s2
m=32,174 lbm F=1lbf
a=1 ft/s2
ilustrasi
13. BeratBerat adalah suatu gaya yang besarnya didapat dari hukum Newton II
W= m.g [N]
dimana : m = massa (kg)
g = percepatan gravitasi (g=9,807 m/s2
) atau (g=32,174 ft/s2
) pada
ketinggian permukaan laut dan garis lintang 450
Berat spesifikBerat spesifik , w adalah berat dari suatu volume sebuah substansi dengan :
w = ρ.g [ N/m3
]
dimana : m = ρ .V
Massa suatu benda akan konstan (tetap) dimanapun berada, sedangkan berat suatu
benda akan bergantung pada gravitasi. Makin tinggi letak suatu benda dari permukaan
bumi, makin kecil harga gravitasinya.
KERJA adalah bentuk energi dan dapat didefenisikan sebagai gaya x jarakgaya x jarak, sehingga
mempunyai satuan Newton. Meter ( N.m) = Joule
Jadi , 1 J = 1 N.m
Bentuk yang lebih umum dari satuan energi adalah kilojoule ( 1 kJ=10( 1 kJ=1033
J)J)
Dalam satuan inggris, satuan energi adalahDalam satuan inggris, satuan energi adalah Btu (British Thermal Unit) yangyang
didefenisikandidefenisikan sebagai energi yang diperlukan untuk menaikan temperatur 1 lbm air padasebagai energi yang diperlukan untuk menaikan temperatur 1 lbm air pada
6868 00
F .F .
1 Btu = 1,055 kJ1 Btu = 1,055 kJ
14. BENTUK BENTUK ENERGI
• ENERGI DAPAT TERWUJUD DALAM BERBAGAI BENTUK, YAITU :
ENERGI KIMIA,
ENERGI PANAS,
ENERGI MEKANIS,
ENERGI LISTRIK,
ENERGI NUKLIR,
ENERGI GELOMBANG ELEKTROMAGNETIK,
ENERGI GAYA MAGNIT, DAN LAIN-LAIN.
SUATU MEDIA PEMBAWA ENERGI DAPAT MENGANDUNG BERBAGAI BENTUK
ENERGI TERSEBUT SEKALIGUS, DAN JUMLAH ENERGINYA DISEBUT ENERGI TOTAL
(E). DALAM ANALISIS THERMODINAMIKA SERING DIGUNAKAN ENERGI TOTAL
SETIAP SATUAN MASA MEDIA (M), YANG DISEBUT SEBAGAI ENERGI PER-SATUAN
MASA (E) YAITU:
=
kg
kJ
m
E
e
15. • ENERGI MAKROSKOPIK ADALAH KEBERADAAN ENERGI DITANDAI DARI POSISINYA
TERHADAP LINGKUNGANNYA ATAU TERHADAP SUATU REFERENSI YANG
DITENTUKAN. CONTOH BENTUK ENERGI MAKROSKOPIK ADALAH:
ENERGI KINETIK (KE) DAN ENERGI POTENSIAL (PE)
• ENERGI INTERNAL MELIPUTI SEMUA JENIS ENERGI MIKROSKOPIK, YAITU AKIBAT
DARI STRUKTUR DAN AKTIVITAS MOLEKUL DALAM MASA YANG DITINJAU.
STRUKTUR MOLEKUL ADALAH JARAK ANTAR MOLEKUL DAN BESAR GAYA TARIK
ANTAR MOLEKUL, SEDANG AKTIVITAS MOLEKUL ADALAH KECEPATAN GERAK
MOLEKUL.
Dalam Thermodinamika, Bentuk Energi Yang Menjadikan Energi Total
Pada Suatu Sistem Dibagi Dalam Dua Kelompok :
1.1. ENERGI MAKROSKOPIKENERGI MAKROSKOPIK
2.2. ENERGI MIKROSKOPIKENERGI MIKROSKOPIK
17. [kJ/kg]gz
2
V
upekeue
,massaunitperatau
[kJ]mgz
2
mV
UPEKEUE
2
2
++=++=
++=++=
Jadi energi total dari sistem , E adalah :
Molekul-molekul akan bergerak random, bergetar(bervibrasi) dan berputar
(berotasi) selam pergerakanya. Akibat pergerakan tersebut, timbul energi
kinetik dari molekul-molekul. Kecepatan pergerakan molekul rata-rata dan
derajat keaktipan dari molekul berbanding lurus dengan temperatur dari suatu
gas. Jadi pada temperatur yang tinggi, molekul molekul akan memiliki energi
kinetik yang tinggi, sehingga sistem akan memiliki energi dalam yang tinggi
pula.
18. SIFAT ( PROPERTIES ) DARI SUATU SISTEM
• Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut propertyproperty 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.
Tidak semua property berdiri sendiri, sebagian property merupakan defenisi
dari lainya seperti :
Sepesifik gravity atau densitas relatif didefenisikan sebagai :
3
42
3
42
/1000:dim
]/[)/
mkgana
mkg
CpadaOH
CpadaOHs
o
o
=
=
ρ
ρρρ
Property (sifat) yang sering dipakai dalam thermodinamika adalah volume spesifik, v
yang didefenisikan
==
kg
m
m
Vv
3
1
ρ
19. Suatu sistem dapat berada pada suatu
kondisi yang tidak berubah, apabila
masing-masing jenis property sistem
tersebut dapat diukur pada semua
bagiannya dan tidak berbeda nilainya.
Kondisi tersebut disebut sebagaidisebut sebagai
keadaan (state) tertentu dari sistemkeadaan (state) tertentu dari sistem,
dimana sistem mempunyai nilai property
yang tetap. Apabila propertynya
berubah, maka keadaan sistem tersebut
disebut mengalami perubahan keadaan.
Suatu sistem dapat berada pada suatu
kondisi yang tidak berubah, apabila
masing-masing jenis property sistem
tersebut dapat diukur pada semua
bagiannya dan tidak berbeda nilainya.
Kondisi tersebut disebut sebagaidisebut sebagai
keadaan (state) tertentu dari sistemkeadaan (state) tertentu dari sistem,
dimana sistem mempunyai nilai property
yang tetap. Apabila propertynya
berubah, maka keadaan sistem tersebut
disebut mengalami perubahan keadaan.
200
C
350
C
300
C
400
C
230
C
Belum seimbang
320
C
320
C
320
C
320
C
320
C
Sesudah seimbang
KONDISI SETIMBANG (STATE AND EQUILIBERIUM)KONDISI SETIMBANG (STATE AND EQUILIBERIUM)
Suatu sistem yang tidak
mengalami perubahan keadaan
disebut sistem dalam keadaan
setimbang (equilibrium).
A= 0.04 m2
P =…?
m=2 kg
T1= 200
C
V1=1.5 m3
A= 0.04 m2
P =…?
m=2 kg
T1= 200
C
V1=2.5 m3
State 1 State 2
20. SIFAT INTENSIVE DAN EKSTENSIVE
• Sifat intensive adalah bila tidak bergantung pada ukuran/besaran/size dari sistem,
seperti temperatur, tekanan dan density
V = 12 m3
m = 3 kg
ρ = m/V =0.25 kg/m3
v=1/ρ=4kg/m3
V = 12 m3
m = 3 kg
ρ = m/V =0.25 kg/m3
v=1/ρ=4kg/m3
v = [kg/m3
]
ρ = [m3
/ kg]
e= [kJ/kg ]
u = kJ/kg ]
• Sifat ekstensive berbanding lurus dengan ukuran/besarnya/size dari sistem.
Yang termasuk sifat ini adalah : massa (m), volume (V), energi total (E) dan energi
dalam (U)
21. Proses dan Siklus
• Perubahan sistem thermodinamika dari keadaan seimbang satu menjadi
keadaan seimbang lain disebut mengalami proses, untuk menjelaskan suatu
proses, harus diketahui kondisi awal dan kondisi akhir dari proses tersebut.
Demikian juga jalan/jejak/path yang diiukuti, serta interaksi dengan
sekeliling proses diantara keadaan awal dan akhir disebut lintasan proses.
Kondisi 1
Kondisi 2
Jalan/path
proses
Suatu sistem disebut mempunyai Siklus bila
kembali kekondisi awalnya dan berulang
22. TEKANANTEKANAN
Tekanan merupakan salah satu property yang terpenting dalam
thermodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair
atau gas) pada satu satuan unit luas area. Istilah tekanan pada benda
padat disebut tegangan (stress). Satuan tekanan adalah Pa (Pascal),
yang didefenisikan :
TEKANAN ADALAH GAYA PERSATUAN LUAS
23.
24. PENGUKURAN TEKANANPENGUKURAN TEKANAN
Tekanan yang kita bicarakan diatas adalah tekanan
absolute. Pada seluruh buku ini yang dimaksud
tekanan adalah tekanan absolute jika tidak dinyatakn
secara eksplisit. Sering kali kita temui manometer
menunjuk angka 0 bila manometer membaca tekanan
udara bebas. Untuk manometer jenis ini tekanan
absolute yang terbaca harus ditambah 1 atm untuk
menentukan tekanan yang diukur, oleh karena itu
bacaan pada manometer jenis ini disebut P gage.
PPgagegage = P= Pabsoluteabsolute – P– Patmatm
Alat pengukur tekanan diatas atmosfir adalah
manometer, alat penukur tekanan vakum disebut
manometer vakum, sedang alat pengukur tekanan
atmosfir disebut barometer. Tetapi bila tekanan
atmosphere lokal (Patm) lebih besar dari tekanan
didalam sistem, istilah tekanan vakum digunakan dan
dinyatakan :
PPvakumvakum = P= Patm (absolute)atm (absolute)– P– P (abs(abs dalam sistem)dalam sistem)
26. Contoh
• Sebuah rakitan piston silinder berisi gas,dengan massa piston 60 kg,
luas 0.04 m2
. (seperti ditunjukan gambar). Tekanan atmosphere
lokal 0.97 bar dan gravitational acceleration 9.8 m/s2.
a).Tentukan tekanan didalam silinder .
Penyelesaian
A= 0.04 m2
P =…?
A=0.04 m2
P= ?
g = 9.8 m/s2
Patm = 0,97 bar
m= 60 kg
27. Penyelesaian
pistonpiston
P= ?P= ?
Piston
m= 60 kg
Patm = 0,97 bar
∑ = 0F
DBB
ANALISA
pistonpistonatmpiston WAPAP += ..
A
pistonpistonatmpiston WAPAP
:
.. +=
barP
mN
bar
smkg
N
m
s
mkg
bar
A
W
PP
piston
piston
atm
12.1
/10
1
/.1
1
)04,0(
)81.9)(60(
97.0 2522
2
=
+=+=
28. A hydraulic lift is to be used to lift a 2500 kg weight
by putting a weight of 25 kg on a piston with a diameter of
10 cm. Determine the diameter of the piston on which the
weight is to be placed.
29. TEMPERATUR
Temperatur adalah suatu sifat intensif dari suatu zat. Termometer digunakan
sebagai alat untuk mengukur derajat kepanasan “ hotness atau coldness”
suatu zat atau benda. Terdapat berbagai skala temperatur seperti : Celcius,Celcius,
Farenheit, Kelvin dan RankineFarenheit, Kelvin dan Rankine, Hubungan antar sesamanya dapat dilihat
dibawah ini.
Hubungan matematis antar skala temperatur :
T(K) = T(0
C) + 273.5
T (R) = T(0
F) + 459.67
T (R) = 1,8 T (K)
T (0
F) = 1,8 T(0
C) + 32
ΔT(K)=ΔT ( 0
C)
ΔT(R)=ΔT ( 0
F)
K C FR
273.15 0 491.67 32
100373.15 671,67 212
0 -273.15 0 -459.67
Temperatur didih air
Temperatur beku air es
Nol absolut
32. LATIHAN
• SEPERTI GBR. AIR UNTUK PIPA (HOSE)
POMPA KEBAKARAN DIAMBIL DARI
KOLAM MENGGUNAKAN MESIN
BENSIN. JIKA POMPA MESIN BENSIN
MERUPAKAN SEBUAH SISTEM,
TENTUKANLAH LOKASI BATAS SISTEM
DIMANA TERJADI INTERAKSI DENGAN
LINGKUNGAN DAN JELASKAN
PERISTIWA YANG TERJADI DLM
SISTEM. ULANGILAH PERTANYAAN
UNTuK SISTEM YANG TERBESAR DAN
MEMASUKAN HOSE DAN NOSEL
KEDALAMNYA
AIR BERSIRKULASI ANTARA TANGKI PENYIMPANAN
DENGAN KOLEKTOR SURYA. AIR PANAS DALAM TANGKI
DIPERGUNAKAN UNTUK KEBUTUHAN DOMESTIK. JIKA
KOLEKTOR SURYA MERUPKAN SEBUAH SISTEM,
TENTUKANLAH LOKASI BATAS SISTEM DIMANA TERJADI
INTERAKSI DENGAN LINGKUNGAN DAN JELASKAN
PERISTIWA YANG TERJADI DALAM SISTEM. ULANGILAH
PERTANYAAN UNTUK SISTEM YANG TERBESAR DAN
MEMASUKAN TANGKI PENYIMPANAN DAN PIPA-PIPA
PENGHUBUNG.
33. LATIHAN
P =?P =?
h=55cm
Patm = 0,97 kPa
ρs = 0.85 kg/m3
Gbr 1
Tentukan tekanan dalam tangki ?
2. Dua buah Alat ukur tekanan ( gage dan
manometer) dilekatkan ditangki berisi udara
untuk mengetahui tekanan dalam tangki
tersebut. Jika pembacaan gage 80 kPa,
tentukan jarak (h) .
a). Mercury ( ρ = 13.600 kg/m3
)
b). Air ( ρ = 1.000 kg/m3
)
2. Dua buah Alat ukur tekanan ( gage dan
manometer) dilekatkan ditangki berisi udara
untuk mengetahui tekanan dalam tangki
tersebut. Jika pembacaan gage 80 kPa,
tentukan jarak (h) .
a). Mercury ( ρ = 13.600 kg/m3
)
b). Air ( ρ = 1.000 kg/m3
)
1. Sebuah manometer digunakan untuk
mengukur tekanan dalam tangki. Fluida
digunakan dengan spesipik gravity (0.85
kg/m3
), dan tinggi coloum manoometer
55 cm (lihat gbr). Jika tekanan atmosphere
0.97 kPa.
Tentukan tekanan absolut dalam tangki
1. Sebuah manometer digunakan untuk
mengukur tekanan dalam tangki. Fluida
digunakan dengan spesipik gravity (0.85
kg/m3
), dan tinggi coloum manoometer
55 cm (lihat gbr). Jika tekanan atmosphere
0.97 kPa.
Tentukan tekanan absolut dalam tangki
34. TUGAS I
1. Tuliskan arti istilah-istilah sebagai berikut :Sistem, volume atur, sifat-sifat (properties), sifat
intensif, keadaan seimbang (equilibrium state), proses thermodinamika, phase dan proses
adiabatic
2. Tuliskan arti dari istilah-istilah sebagai berikut : sistem tertutup atau sistem massa atur,
sistem yang diisolasi, keadaan steady state, sifat ekstensif, pandangan makroskopik, zat
murni, proses kausiequilibrium, dimensi primer, dimensi sekunder dan hukum ke nol
termodinamika
3. Sebuah sistem berisi cairan air dalam keadaan equilibrium dengan campuran antara udara
dengan uap air. Ada berapa phase yang berada didalam sistem . Apakah sistem tersebut
berisi zat murni
4. Tentukan berat benda, dalam satuan Newton, dari sebuah benda yang mempunyai massa
10 kg berada pada lokasi di mana persepatan gravitasinya adalah 9.81 m/s2
5. Sebuah benda mempunyai volume 25 ft3
dan beratnya 20 lbf pada lokasi dimana percepatan
grafitasinya adalah 31,0 ft/s2
. tentukan massa benda tersebut, dalam satuan lbm, dan massa
jenisnya (lbm/ft3
) di bulan dimana grafitasnya adalah 5,57 ft/s2
