Konsep, definisi dan prinsip dasar

THERMODINAMIKA

KONSEP, DEFINISI, DAN PRINSIP DASAR

1.    Pendahuluan.

Pada awalnya Termodinamika hanya merupakan pengetahuan yang membahas hubungan antara panas dan kerja mekanik. Tetapi karena banyaknya bentuk bentuk energi yang lain sehingga ruang lingkup termodinamika berkembang menjadi lebih luas. Dewasa ini termodinamika merupakan ilmu pengetahuan yang mengkaji semua bentuk bentuk energi, transformasi energi dari suatu bentuk ke bentuk yang lainnya, maupun mengkaji hasil hasil dari transfer energi. 

Gbr 1. Propulsion Chain

Gbr 2. Pengubahan Panas menjadi Kerja berguna

Energi tersimpan adalah energi dalam (berkaitan dengan temperature), energi kinetik (disebabkan oleh gerak), energi potensial (karena ketinggian) dan energi kimia (karena komposisi kimia). Energi ini dapat berubah dari satu bentuk ke yang lain, dan energi ini ditransfer melintasi batas sistem sebagai panas atau kerja.  Termodinamika adalah cabang dari ilmu fisika yang berhubungan dengan berbagai fenomena energi dan hal yang terkait sifat materi, terutama hukum transformasi panas menjadi bentuk energi lain dan sebaliknya. Dalam termodinamika akan dikembangkan persamaan matematika yang berkaitan dengan transformasi dan transfer energi untuk sifat material seperti suhu, tekanan atau entalpi.

Termodinamika pada dasarnya memiliki hukum dan prinsip-prinsip dasar yang dapat diterapkan untuk berbagai masalah. Prinsip dasar termodinamika diwujudkan dalam dua hukum dasar termodinamika yang dikenal sebagai “Hukum Termodinamika Pertama” dan “Hukum Termodinamika Kedua”. Kedua hukum ini berkaitan dengan transformasi energi. Hukum termodinamika pertama adalah suatu pernyataan kembali dari hukum kekekalan energi sedangkan hukum termodinamika kedua memberikan pembatasan atas transformasi energi tertentu. Kedua hukum ini dan penggunaanya memainkan peranan yang sangat besar dalam bidang termodinamika.

Termodinamika dapat diklasifikasikan sebagai ‘termodinamika Klasik ' dan 'termodinamika statistik'. Termodinamika klasik adalah menganggap Zat sebagai sesuatu yang bersifat kontinu dan sifat sistem yang dapat diukur tanpa terlebih dahulu memperhatikan sifat sifat tiap molekul. Termodinamika statistik adalah mempelajari sifat zat melalui penelaahan sifat molekul secara individu. Termodinamika yang akan dibahas pada mata kuliah ini adalah termodinamika klasik.

1.    Sistem Termodinamika

Dalam termodinamika, selalu dipisahkan antara benda kerja atau suatu objek tertentu yang menjadi fokus pembicaraan dengan benda benda lain di luar objek tadi. Bagian yang menjadi fokus pembicaraan disebut sistem, sedangkan benda benda di luar sistem disebut lingkungan (surrounding). Sistem bersama sama dengan sekeliling disebut dengan keseluruhan (universe). 

                                           Gbr 3. Sistem, Lingkungan dan keseluruhan

Sistem dipisahkan dengan sekeliling oleh suatu permukaan tertutup yang disebut dengan batas sistem (boundary). Batas sistem dapat merupakan permukaan sebenarnya dan dapat juga berupa batas khayalan. 

Apabila dalam suatu sistem, massa tidak dapat melewati batas sistem, tetapi volumenya bisa berubah serta panas dan kerja dapat melewati batas sistem maka sistem tersebut dinamakan sistem tertutup (closed system). Jika batas sistem dapat dilewati oleh massa, panas dan kerja maka sistem tersebut dinamakan sistem terbuka (open system), sebaliknya jika batas sistem tidak dapat dilewati oleh massa, panas dan kerja maka sistem tersebut dinamakan sistem terisolasi (isolated system). 

Sebagian besar mesin mesin konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah merupakan sistem thermodinamika terbuka, karena secara simultan ada energi dan massa keluar-masuk sistem tersebut.

1.    Pandangan Makroskopik dan mikroskopik.

Untuk menjelaskan perilaku suatu sistem, dapat dilakukan baik dengan pandangan makroskopik maupun dengan pandangan mikroskopik.

Pandangan mikroskopik digunakan untuk menjelaskan perilaku suatu sistem dengan mempertimbangkan partikel partikel zat dari sistem tersebut. Pandangan ini menitik beratkan pada molekul molekul, atom ataom atau bahkan elektron dan nukleus.

Pandangan makroskopik adalah suatu pandangan yang menjelaskan suatu sistem dengan menggunakan beberapa sifat yang diukur. Sifat yang dapat diukur ini adalah merupakan rata rata pengamatan yang sesuai dari gejala mikroskopik.

2.    Sifat termodinamika.

Sifat termodinamika menggambarkan karakteristik terukur dari suatu sistem. Sifat sistem adalah karakteristik yang dipunyai sistem yang dapat diukur langsung maupun tidak langsung. Sifat sistem inilah yang dapat membedakan satu sistem dengan sistem yang lain.

Berat dan massa

Berat (w) dari benda adalah gaya yang diberikan oleh benda tersebut  ketika massa dipercepat dalam medan gravitasi. Massa (m) dari benda adalah jumlah material yang dalam  benda tersebut.

Hubungan berat dan massa dapat dilihat pada persamaan dibawah ini.

 Dimana :          W         = berat benda (lbf)

                         m         = massa benda (lbm)

                         g          = percepatan grafitasi  = 32,17  ft/sec²

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

Volume spesifik

Volume spesifik (ν) suatu zat adalah volume total (V) dari zat tersebut dibagi dengan massa total (m) dari zat tersebut (volume per satuan massa). Ini memiliki Satuan feet kubik  per pound-mass (ft³ / lbm).

 

 

Kerapatan (density)

Kepadatan (ρ) suatu zat adalah total massa (m) dari zat tersebut dibagi dengan total volume (V) ditempati oleh zat tersebut (massa per satuan volume). Ini memiliki Satuan pound-massa per cubic feet (lbm / ft³). Kepadatan (ρ) suatu zat adalah kebalikan volume spesifik (ν).

 

Berat Jenis (spesific gravity)

Berat jenis (S.G.) adalah ukuran kepadatan relatif dari suatu zat dibandingkan dengan densitas air pada suhu standar. Fisikawan menggunakan 39,2 ° F (4 ° C) sebagai standar, tetapi insinyur biasanya menggunakan 60 ° F. Dalam Sistem Satuan Internasional (SI Unit), kepadatan air 1,00 g cm³ pada suhu standar. Oleh karena itu, berat jenis (yang berdimensi) untuk cairan memiliki nilai numerik yang sama dengan densitas dalam satuan g/cm3. Karena kepadatan cairan bervariasi dengan suhu, berat jenis harus ditentukan dan ditetapkan pada suhu tertentu.

Kelembaban (humidity)

Kelembaban adalah jumlah kadar air (uap air) di udara. Hal ini dapat dinyatakan sebagai kelembaban absolut atau kelembaban relatif. Kelembaban mutlak adalah massa uap air dibagi oleh satuan volume udara (gram air/cm³ udara). Kelembaban relatif adalah jumlah uap air yang ada di udara dibagi dengan jumlah maksimum yang bisa dikandung udara pada suhu tertentu. kelembaban relatif dinyatakan dalam persentase. Kelembaban relatif 100% jika udara jenuh dengan uap air dan 0% jika tidak ada sama sekali uap air di udara.

Sifat intensif dan extensif

Sifat termodinamika dapat dibagi menjadi dua kelas umum, sifat intensif dan ekstensif. Sifat intensif tidak bergantung pada jumlah massa. Nilai sifat ekstensif bervariasi secara langsung dengan massa. Dengan demikian, jika jumlah materi dalam keadaan tertentu dibagi menjadi dua bagian yang sama, masing-masing bagian akan memiliki nilai yang sama dari sifat intensif seperti aslinya dan setengah nilai sifat ekstensif. Suhu, tekanan, volume spesifik, dan kepadatan adalah contoh dari sifat intensif. Massa dan volume total adalah contoh dari sifat ekstensif.

 Pustaka :

1. DOE FUNDAMENTALS HANDBOOK THERMODYNAMICS, HEAT TRANSFER, AND FLUID FLOW, 1992

2. Dasar Dasar Termodinamika Teknik, Ginting. R. U, 1989