Konsep, definisi dan prinsip dasar

THERMODINAMIKA

KONSEP, DEFINISI, DAN PRINSIP DASAR

(Bagian II)

5.    Pengukuran Temperatur dan Tekanan

Beberapa jenis pengukuran suhu dan tekanan yang digunakan selama diskusi termodinamika. Operator harus mengenali berbagai jenis dan hubungan keduanya untuk memahami termodinamika.

Temperatur

Temperatur adalah ukuran dari aktivitas molekul zat. Semakin besar gerakan molekul, semakin tinggi suhu. Ini adalah ukuran relatif dari bagaimana "panas" atau "dingin" suatu zat dan dapat digunakan untuk memprediksi arah perpindahan panas. Temperatur merupakan indikasi dari energi panas yang tersimpan dalam suatu sistem termodinamika. Dalam termodinamika, temperatur didefinisikan sebagai sifat yang memiliki besar yang sama dalam sistem yang berada dalam kesetimbangan termal. Temperatur adalah sifat mikroskopis yang berhubungan dengan panas. Temperatur merupakan salah satu sifat yang paling penting dari sebuah sistem termodinamika.

Skala Temperatur

Dua skala temperatur yang biasa digunakan untuk tujuan pengukuran adalah Fahrenheit (F) dan Celcius (C) skala. skala ini didasarkan pada spesifikasi jumlah kenaikan antara titik beku dan titik didih air pada tekanan atmosfer standar. Skala Celsius memiliki 100 unit antara titik-titik ini, dan skala Fahrenheit memiliki 180 unit. Skala temperatur mutlak didefinisikan sedemikian rupa sehingga temperatur nol sesuai dengan keadaan teoritis dimana tidak ada gerakan molekul substansi. Titik beku air terpilih sebagai titik nol skala Celcius. Suhu terdingin dicapai dengan campuran es dan garam air terpilih sebagai titik nol skala Fahrenheit. Suhu di mana air mendidih ditetapkan sebesar 100 pada skala Celsius dan 212 pada skala Fahrenheit. Hubungan antara kedua skala diwakili oleh persamaan berikut.

°F = 32.0 + (9/5)°C

°C = (°F - 32.0)(5/9)

Hal ini diperlukan untuk menentukan skala suhu mutlak hanya memiliki nilai-nilai positif. Skala suhu mutlak yang sesuai dengan skala Celsius disebut skala Kelvin (K), dan skala mutlak yang sesuai dengan skala Fahrenheit disebut skala Rankine (R). Nol poin pada kedua skala mutlak mewakili keadaan fisik yang sama. negara ini di mana tidak ada gerakan molekul atom individu. Hubungan antara skala suhu mutlak dan relatif ditunjukkan dalam persamaan berikut.

°R = °F + 460

°K = °C + 273

Tekanan

Gaya normal yang diberikan pada suatu luas penampang tertentu disebut Tekanan (p) dari sistem. Tekanan dari suatu zat tidak tergantung pada massa, tekanan adalah sifat intensif.  Tekanan adalah ukuran gaya yang diberikan per satuan luas pada batas-batas zat (atau sistem). Hal ini disebabkan oleh tabrakan molekul bahan dengan batas-batas sistem. Sebagai molekul memukul dinding, mereka mengerahkan gaya yang mencoba untuk mendorong dinding ke arah luar. Gaya yang dihasilkan dari semua tabrakan ini menyebabkan tekanan yang diberikan oleh sistem di sekitarnya. Tekanan sering diukur dalam satuan lbf/in² (psi). Tekanan diukur dan merupakan salah satu sifat yang paling penting dari sebuah sistem termodinamika.

Skala Tekanan

Dua tekanan yang berbeda yang umum dalam praktek rekayasa: tekanan pengukuran dan tekanan absolut. Perbedaan antara tekanan pengukuran dan tekanan absolut harus dipahami dengan baik. Tekanan absolut (p_Abs) adalah jumlah gaya per satuan luas yang diberikan oleh sistem pada batas-batasnya.

Alat  pengukur tekanan mengukur perbedaan antara tekanan fluida yang telah tersambung dengan udara di sekitarnya. Tekanan pengukuran (p_gage) adalah nilai pengukuran dengan alat pengukur tekanan, yang menunjukkan perbedaan tekanan antara sistem dan sekeliling, biasanya atmosfer. Tekanan atmosfer (p_atm) disebabkan oleh berat udara per satuan luas horisontal dalam medan gravitasi bumi. Jadi :

p_gage  =  p_abs  -  p_atm

Satuan tekanan sering digunakan adalah inci atau mm merkuri (Hg), kPa, Mpa, bar, psi, psf, dll. Satuan termodinamika yang paling banyak digunakan untuk tekanan pada sistim satuan SI adalah kilo-pascal (kPa) atau kilo-newton per meter persegi, dan psi pada sistim satuan Inggris.

Perangkat umum untuk mengukur tekanan adalah alat ukur Bourdon (Bourdon Gage), yang ditunjukkan pada Gambar 5, dan manometer, yang ditunjukkan pada Gambar 6.

 Gambar 5. Bourdon Gage

 Gambar 6. Manometer

Sebuah manometer digunakan untuk mengukur tekanan sistem dalam sebuah wadah. Jika sistem memiliki tekanan p, cairan dalam manometer memiliki density (ρ), dan lingkungan atmosfer dengan tekanan p_atm, maka perbedaan tekanan antara sistem dan lingkungan dapat mendorong cairan dalam manometer sejauh L. ini dapat dinyatakan oleh :

p  -  p_atm  = ρ . L .  g

Tekanan mutlak selalu positif, sementara tekanan pengukur dapat bersifat positif atau negatif. Tekanan pengukur negatif mengindikasikan tekanan di bawah tekanan atmosfer. Tekanan di bawah tekanan atmosfir disebut tekanan vakum (p_vac). Dalam teks jika tekanan tidak secara eksplisit dinyatakan sebagai tekanan pengukuran atau tekanan absolut, implikasinya adalah bahwa nilai adalah tekanan absolut. Hubungan berbagai tekanan yang telah di bahas diatas adalah sbb :

          Pabs = Patm - Pvac           

Pabs = Patm + Pgauge

Gambar 7. Hubungan antara berbagai Tekanan.

6.    Energi, Kerja dan Kalor

Panas dan kerja adalah dua cara di mana energi dapat ditransfer melintasi batas sistem. Salah satu penemuan paling penting dalam termodinamika adalah bahwa kerja dapat dikonversi menjadi panas dengan jumlah yang setara dan panas juga dapat dikonversi menjadi kerja.

Energi

Energi didefinisikan sebagai kemampuan sistem untuk melakukan kerja melalui aksi potensial yang dikenal sebagi gaya mekanik. Definisi yang lebih luas dari konsep energi pada saat ini mengatakan bahwa energi adalah kemampuan untuk menghasilkan pengaruh. Dalam hal ini pengaruh tidak hanya terbatas pada kerja mekanik saja, tetapi juga pengaruh pengaruh yang dapat menggantikannya.

Energi tidak dapat dilihat dan tidak berupa zat, energi diketahui dari hasil yang dilakukannya. Berbicara secara termodinamika kita dapat mengatakan bahwa energi diperlukan untuk menghasilkan perubahan perubahan sifat termodinamis suatu zat. Dengan kata lain jika energi itu ditambahkan atau dikeluarkan dari suatu zat, maka akan ada perubahan perubahan sifat termodinamis pada zat itu.

Materi dapat menyimpan energi. Energi diadakan dalam sistem dikaitkan dengan masalah sistem. Jumlah energi dari sistem tercermin dalam sifat seperti suhu, kecepatan, atau posisi dalam medan gravitasi. Apabila jumlah energi yang tersimpan berubah, nilai sifat sistem juga akan berubah.

Selanjutnya perlu untuk mengetahui bentuk bentuk energi serta menggolong golongkannya bila bermanfaat dan kemudian menghitung banyaknya energi pada setiap bentuk. Energi dapat digolongkan pada dua golongan yaitu :

1            .      Energi tersimpan (storage energy)

2            .      Energi dalam transisi (energy in Transition)

Energi tersimpan adalah energi yang disimpan dalam massa suatu zat atau dengan perkataan lain energi yang tersimpan dalam batas sistem. Contoh energi tersimpan adalah energi potensial, energi kinetik, energi dalam, dll. Energi dalam transisi adalah energi dalam proses peralihan antara zat zat atau daerah daerah karena perbedaan potensial seperti potensial gaya, potensial temperatur dan potensial listrik. Dengan kata lain energi dalam transisi adalah energi yang melewati batas sistem. Contoh energi dalam transisi adalah kerja, kalor, listrik dll.

Energi Potensial

Energi potensial (E_p) didefinisikan sebagai energi karena posisi.

Dimana  :   E_p      = Energi potensial  (ft.lbf)

                   m      = massa (lbm)

                   z        = ketinggian (ft)

                   g       = percepatan grafitasi (ft/sec²)

                   g_c      = konstanta gravitasi = 32,17 (ft.lbm/lbf.sec²)

Energi Kinetik

Energi kinetik didefinisikan sebagai energi karena adanya gerak.

                   Dimana   : Ek     = Energi Kinetik (ft.lbf)

                          V          = kecepatan (ft/sec)

 

Energi dalam

Energi potensial dan energi kinetik adalah bentuk makroskopik energi. Keduanya  dapat divisualisasikan dalam hal posisi dan kecepatan benda. Selain bentuk-bentuk makroskopik energi, zat memiliki beberapa bentuk mikroskopis energi, sebuah sistem menyimpan energi di dalam dan di antara molekul penyusunnya hal inilah yang dinamakan dengan energi mikroskopis yang meliputi energi translasi molekul, energi rotasi molekul, energi vibrasi molekul, energi mengikat molekul, energi translasi elektron, energi rotasi elektron, dll.  Energi mikroskopis total yang disimpan ini, disebut energi dalam. Simbol U digunakan untuk mewakili energi dalam, dan u digunakan untuk mewakili energi dalam spesifik. Setiap perubahan dalam kecepatan molekul, tingkat getaran dalam obligasi dan kekuatan antara molekul, atau dalam jumlah dan jenis molekul, mengakibatkan perubahan energi dalam. Perubahan energi dalam dilambangkan dengan ΔU. energi dalam tidak langsung terukur, namun dapat dihitung berdasarkan sifat-sifat terukur lainnya. Satuan energi dalam adalah British thermal unit (Btu), yang juga merupakan satuan panas. Energi dalam spesifik (u) suatu zat adalah energi dalam per satuan massa. Ini sama dengan energi dalam total (U) dibagi dengan massa total (m).

Energi aliran (flow energi)

Selain energi dalam (U), terdapat energi bentuk lain yang penting dalam memahami sistem transfer energi. Bentuk energi disebut energi pV karena timbul dari tekanan (p) dan volume (V) dari cairan. Energi ini lebih dikenal dengan nama energi aliran. Energi aliran (δpV) adalah energi yang dibutuhkan untuk mendorong volume V dari zat yang mengalir melalui permukaan batas sistem ke dalam sistem dari lingkungan dengan tekanan p, atau untuk mendorong volume V dari zat yang mengalir melalui permukaan batas sistem keluar ke lingkungan dengan tekanan p. Energi aliran hanya terjadi ketika ada aliran massa ke dalam sistem atau keluar dari sistem. Jika tidak ada aliran massa ke dalam sistem atau keluar dari sistem, tidak ada energi aliran, sehingga δ = 1 untuk sistem terbuka, dan δ = 0 untuk sistem tertutup.

Total energi (E_tot) yang dipunyai sistem adalah jumlah dari energi potensial, energi kinetik, energi dalam dan energi aliran.

E_tot  =  E_p  +  E_k  +  U  +  δpV

Entalpi

Entalpi (H) suatu zat pada setiap titik adalah kuantifikasi kandungan energi di dalamnya, yang dapat diberikan oleh penjumlahan dari energi dalam (U) dan energi aliran (pV). Entalpi adalah sifat termodinamika yang sangat berguna untuk analisis sistem rekayasa. Entalpi adalah sifat sistem yang tidak secara langsung dapat terukur. Entalpi dan entalpi spesifik dilambangkan oleh H dan h, dan didefinisikan oleh :

H = U + pV

h = u + pv  

di mana (h)adalah Entalpi spesifik,  u adalah energi dalam spesifik (Btu/lbm),  dan v adalah volume spesifik (ft³/lbm) dari sistem.

Kerja (Work)

Energi kinetik, energi potensial, energi dalam, dan energi aliran adalah bentuk energi yang sekaligus adalah sifat dari suatu sistem. Kerja adalah suatu bentuk energi, tetapi energi dalam transisi. Kerja bukanlah milik suatu sistem. Kerja adalah proses yang dilakukan oleh atau atas sistem, tetapi sistem tidak mengandung kerja. Perbedaan antara bentuk-bentuk energi yang merupakan sifat sistem dan bentuk-bentuk energi yang ditransfer ke dan dari sistem adalah penting untuk memahami sistem transfer energi.

Untuk sistem mekanik Kerja didefinisikan sebagai aksi gaya yang dilakukan pada objek sehingga objek dapat berpindah. Ini sama dengan produk dari gaya (F) kali perpindahan (S).

Definisi kerja yang akan mencakup semua bentuk bentuk kerja, termasuk kerja mekanik dapat dinyatakan sebagai berikut : Kerja adalah energi yang dipindahkan dari sistem sewaktu operasi tertentu, dan menghasilkan pengaruh tunggal diluar sistem yang dapat dijadikan untuk menaikkan sebuah beban.

Dalam menganalisa kerja dalam kaitannya dengan sistem transfer energi, penting untuk membedakan antara kerja yang dilakukan oleh sistem pada lingkungannya dan kerja yang dilakukan pada sistem dan lingkungannya. Kerja dilakukan oleh sistem bila digunakan untuk memutar turbin dan dengan demikian menghasilkan listrik dalam turbin-generator. Kerja dilakukan pada sistem ketika pompa digunakan untuk memindahkan fluida kerja dari satu lokasi ke lokasi lain. Nilai positif untuk kerja menunjukkan bahwa kerja dilakukan oleh sistem pada lingkungannya, nilai negatif menunjukkan bahwa kerja yang dilakukan pada sistem dan lingkungannya.

Untuk menganalisa kerja pada suatu sistim dapat diandaikan sebuah silinder yang mempunyai sebuah pistonsebagai suatu sistem sperti pada gambar 8.

Gbr. 8. Silinder berpiston

Jika beban kecil yang ada diatas piston diangkat, maka piston akan bergerak naik sejauh dL. Jika jumlah gaya yang bekerja pada piston adalah p . A, dimana p adalah tekanan gas pada luas penampang piston (A), maka kerja δW adalah

δW  =  p  .  A  .  dL

A  .  dL  =  dV , yaitu perubahan volume gas, sehingga kerja yang dilakukan adalah 

δW  =  p  .  dV

 

Panas (Heat)

Panas didefiniskan sebagai bentuk energi yang dipindahkan melewati batas sistem pada temperatur tertentu ke sistem lain (lingkungan) yang mempunyai temperatur lebih rendah, karena adanya perbedaan temperatur antara sistem sistem itu. Jadi panas dipindahkan dari sistem bertempertur lebih tinggi ke sistem yang bertemperatur lebih rendah dan perpindahan tersebut hanya terjadi karena adanya beda temperatur antara kedua sistem. Aliran ini panas akan berakhir pada saat kesetimbangan termal antara dua sistem tercapai. Panas tidak pernah terkandung dalam benda. Panas adalah energi dalam transisi antara sistem dan lingkungannya, tidak terkait dengan materi. Sebuah sistem tidak memiliki panas. Panas bukanlah milik sistem. Panas hanya dapat dikenali sewaktu melewati batas sistem. Menjadi

Telah disepakati bersama, jika panas masuk ke sistem adalah positif, sebaliknya jika panas keluar sistem adalah negatif. Panas disimbolkan dengan Q.

Satuan panas didefinisikan sebagai panas yang diperlukan untuk menimbulkan suatu perubahan standart yang sudah disepakati terlebih dahulu.

Satu BTU (British Thermal Unit) adalah banyaknya energi panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur satu Pound (lb) air dari 59,5 ⁰F menjadi 60,5 ⁰F

Satu kalori (1 kal) adalah banyaknya energi panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur 1 gram air dari 14,5 ⁰C menjadi 15,5 ⁰C.