Minggu, 12 Juni 2011

TEORI TERMODINAMIKA

BAB - 1
PENGERTIAN DASAR














1.1 PROPERTI THERMODINAMIKA
( Sifat / Kandungan)

Properti atau kandungan atau sifat yang dimaksud disini adalah besaran-besaran yang menjadi “milik” atau yang terkandung dalam suatu zat atau dalam sistem, yang nilai-nilainya menggambarkan keadaan zat atau sistem tersebut. Untuk mengetahui “keadaan” atau kondisi sesuatu, kita perlu mengetahui “ukuran-ukuran” atau nilai-nilainya. Jenis nilai atau sifat ini akan menentukan bagaimana keadaan zat atau sistem tersebut. Termasuk dalam properti adalah, apakah keadaan zat tersebut dalam bentuk padat, cair atau gas. Dengan mengetahui perubahan-perubahan properti ini kita akan mengetahui bahwa keadaannya berubah, termasuk bentuknya.
Di halaman berikut disusun tabel sebagian besaran-besaran / properti dari zat atau benda yang sering dibahas dalam thermodinamika, termasuk satuan-satuannya dalam SI (Standar Internasional) yang harus benar-benar dipahami oleh para siswa. Properti dan besaran-besaran tersebut hanya sebagian dan masih banyak properti dan satuan lain yang akan ditemui dalam pembahasan selanjuntya, misalnya energi dalam (internal energy), energi kinetik (kinetic energy) dan lain-lain, yang akan dibahas dalam bab-bab selanjutnya.





Tabel –1


Properti
Simbol
Satuan
Keterangan
SI lain2

Massa
m
Kg
lbs
Besaran materi yang nilainya konstan

Berat / Bobot G Kg lbs Massa yang menerima gravitasi (= kg.m/s2)

Gaya (Force) F Newton (N) Kg gaya Massa yang mendapat percepatan (F=m.a); satuan sebenarnya kg. m/dt2

Temperatur t 0C 0F, 0R Derajad / tinggi rendahnya panas

Temperatur Mutlak T 0K 0Rankine Suhu yang diukur dari Nol derajad mutlak

Tekanan / pressure p bar
N/m2 psi, atm, kg/cm2
Gaya terhadap suatu pernukaan/bidang

Volume V m3 ft3 Besarnya suatu benda dalam ukuran kubik

Volume Jenis v m3 / kg ft3/lbs Volume pada bobot tertentu

Usaha W Joule=Nm Kg.m Massa yang bekerja pada suatu jarak atau tekanan pada volume tertentu
Energi E Nm=J
Kwh kalori
Tenaga dalam waktu tertentu
Power/Tenaga P J/s = Watt
(kJ/s = kwatt)

kg.m/s HP Usaha per satuan waktu (s=sekon=detik)
Panas / Kalori q Joule cal. (kcal) Jumlah panas yang dikandung 1 kg zat
Jumlah panas/kalori Q Joule cal. (kcal) Jumlah panas yang dikandung suatu zat

Ketetapan Gas R J/kg0K cal/kg.0C Usaha yang dapat dilakukan zat pada setiap perubahan panas sebesar 10C (R=pV/T)
Panas Jenis c J/kg0K cal/kg.0C Jumlah panas yang dibutuhkan suatu zat
• Tekanan Tetap cp J/kg0K cal/kg.0C agar suhunya naik sebesar 10C, baik pada tekanan tetap maupun pada
• Volume Tetap cv J/kg0K cal/kg.0C volume tetap

Entalpi H / h J/kg0K cal/kg.0C Panas yang dimiliki zat pada temperatur tertentu, atau energi dalam + Usaha

Entropi
S J/kg0K cal/kg.0C Perubahan jumlah panas pada perubahan suhu tertentu sebesar 1OC.


Berikut kajian singkat beberapa properti (kandungan / sifat) yang penting dan sering digunakan dalam pembahasan selanjutnya.


1.1.1 Massa (m)

Massa adalah besaran untuk semua benda atau zat, apakah berbentuk padat, cair maupun gas. Besarnya sebanding dengan bentuk dan volumenya, mempunyai satuan gram (gr) atau kilogram (kg). Nilainya tetap, dimanapun lokasinya, termasuk di hampa udara. Nilainya hanya akan berubah jika jumlah zat tersebut bertambah atau berkurang.



1.1.2 Gaya (F) dan Berat (G)

Gaya adalah massa yang mendapat percepatan, kemanapun arahnya.

Gaya = massa x percepatan atau F = m x a
(satuan )
dimana F = gaya
m = massa dalam kilogram (kg)
a = percepatan dalam meter per sekon kuadrat ( )
Karena satuan gaya kg.m/s2 dianggap tidak praktis, maka digunakan satuan Newton, dimana 1 Newton = 1 , mengikuti nama penemu formula ini, Isaac Newton, dan disingkat N. Untuk nilai-nilai yang sangat besar atau sangat kecil digunakan nilai perkalian seperti kilo, mega, giga dll., atau pembagian seperti desi, centi, mili dll.

Berat atau bobot yang sehari-hari mempunyai satuan gram (atau kilogram), sebenarnya adalah gaya, yang arahnya menuju pusat bumi sebagai akibat dari gravitasi bumi. Jika berat adalah gaya, maka :

Berat = massa x gravitasi atau G = m x g
jadi seharusnya satuannya adalah atau N,

Akan tetapi sehari-hari hanya disebut kg (kilogram) saja. Nilai ini bisa berubah sesuai nilai gravitasi yang berbeda antara satu tempat dengan tempat lain. Karena nilai berat atau G = m x g (dalam kg) sedangkan nilai gaya F = m x a (dalam Newton), maka jika suatu benda dikatakan mempunyai berat 1 kg, berarti benda tersebut sebenarnya mendapat gaya sebesar g Newton, atau :

1 kg berat = g x Newton, dan jika g diambil 10 ,
maka 1 kg (berat) = 10 = 10 Newton


1.1.3 Tekanan

Tekanan adalah gaya yang bekerja pada suatu bidang dengan luas tertentu. Sebelumnya menggunakan satuan kg/cm2, tetapi dengan berlakunya standar internasional (SI), satuan untuk tekanan adalah N/m2 (Newton per meter kuadrat). Sebenarnya satuan untuk tekanan sangat beragam, tergantung dimana digunakan. Satuan tekanan yang paling kecil misalnya, 1 gr/cm2 (satu gram per centimeter kuadrat). Sedangkan untuk udara luar / bebas digunakan satuan atmosfir (atm), atau bar (singkatan dari barometer).

Besarnya tekanan atmosfir hampir sama dengan bar, tepatnya 1 Bar = 1 ,02 atm = 1,02 . Ini tekanan udara ambien atau atmosfir rata-rata dimuka bumi. Untuk mengukur tekanan udara ada juga yang menggunakan satuan mmHg (milimeter air raksa) atau cmHg. Ukuran ini didasarkan atas alat pengukur tekanan yang menggunakan media air raksa (Hg), dimana 1 bar = 1020 mmHg, bahkan sering dikatakan sebagai mmbar. Sedangkan yang biasa digunakan untuk mengukur tekanan dalam perhitungan yang berkaitan dengan pompa air, sering digunakan satuan mka (meter kolom air), dimana 1 bar = 10,2 mka.

Untuk membandingkan nilai atau konversinya, berikut adalah persamaannya:

1 bar = 1,02 = 760 mmHg = 10,2 mka = 98,1

Untuk mengukur tekanan udara atau zat didalam ruangan / tabung tertutup yang nilainya dibawah 1 bar, digunakan tekanan vakum. Tekanan vakum biasanya diukur dalam persen (%). Tekanan vakum 50% artinya tekanan tersebut besarnya = 50% x 1 Bar = 0,5 Bar, tetapi tekanan vakum 90%, sama dengan 0,1 Bar. Tekanan dimana sama sekali tidak ada tekanan, atau 0, dikatakan tekanan vakumnya adalah 100%.

Jenis pengukuran tekanan selanjutnya adalah yang disebut dengan tekanan manometer (gauge-pressure), yaitu tekanan yang diperoleh dari hasil pembacaan alat pengukur tekanan. Seperti diketahui, alat pengukur yang mengukur suatu ruangan tertutup biasanya menunjukkan angka nol jika tekanan didalamnya sama dengan tekanan udara luar. Jika alat pengukur tekanan menunjukkan angka 5 bar, maka tekanan sebenarnya adalah 5 bar diatas tekanan udara luar.

Tekanan udara luar itu sendiri adalah 1 bar diatas tekanan nol, atau dari sama sekali tidak ada tekanan (vakum). Dari sinilah kemudian muncul pengertian tekanan nol mutlak atau absolut. Yang dimaksud dengan tekanan nol mutlak adalah, tidak ada tekanan sama sekali atau hampa, yang berarti, menurut pengertian tekanan vakum tersebut diatas, tekanannya sama dengan 100% vakum. Jadi, yang dimaksud dengan tekanan mutlak adalah tekanan yang dihitung dari tekanan nol mutlak.

Oleh karena itu, sekarang,



Tekanan Absolut = Tekanan Manometer + Tekanan Atmosfir






Tekanan MUTLAK



Tekanan atmosfir / udara luar = 1 atm = 1 Bar



Tekanan Manometer





Tekanan vakum

Tekanan NOL mutlak

Gambar 1
Jenis-jenis Tekanan

Contoh 1.

Tekanan uap didalam Ketel sebagaimana terbaca di alat pengukur tekanan (manometer) adalah 12 Bar. Jika tekanan atmosfir = 1 Bar, maka tekanan uap absolut didalam Ketel adalah 12 + 1 bar = 13 Bar.

Dalam berbagai hitungan thermodinamika, satuan yang sering digunakan adalah kN/m2. Sesuai dengan penjelasan sebelumnya, 1 Newton = 1 kg.m/s2 dimana jika diterapkan untuk benda atau zat-zat tertentu, percepatannya sama dengan gravitasi bumi, yang disingkat dengan g, yang besarnya rata-rata 9,81 m/s2.

1 bar = 1 = 1x104 x g

Untuk menyederhanakan hitungan, jika nilai gravitasi dianggap = 10 m/s2 , maka:

1 bar = 105 = 100

Persamaan ini hanya digunakan untuk memudahkan dalam mengkonversikan beberapa jenis tekanan seperti yang diuraikan diatas, bukan untuk perhitungan yang sesungguhnya, yang nantinya akan sangat tergantung pada nilai dari masing-masing unsur yang terkait.


1.1.4 Temperatur (Suhu)

Temperatur adalah ukuran tinggi rendahnya panas, atau derajat panas suatu zat. Dalam satuan SI, yang digunakan adalah Celcius, memudahkan kita dalam penggunaannya karena sudah terbiasa. Seperti diketahui, menurut Celcius, pada tekanan udara ambien, es yang beku dan mulai mencair temperaturnya = 0, dan sewaktu mendidih dan akan berubah menjadi uap, mempunyai temperatur 100. Selanjutnya temperatur diantara kedua patokan tersebut dibagi dalam 100 tingkat atau derajat. Inilah yang kemudian dikenal dengan skala temperatur Celcius. Jadi jika suatu benda dikatakan mempunyai temperatur 400C, berarti temperaturnya sama dengan 40/100 x selisih temperatur es mencair dengan air mendidih.

Salah seorang pengguna ukuran ini, yaitu Kelvin, menemukan bahwa temperatur paling rendah yang dapat dicapai adalah 273,160 dibawah 00C, dan membuat skala sendiri, dengan kenaikan derajat sama. Oleh Kelvin, temperatur paling rendah ini, yaitu –273,160C, disebut temperatur nol absolut atau mutlak. Dan nilai temperatur Kelvin mulai dihitung dari sini, atau dari 00 Kelvin. Karenanya,

Nol derajat mutlak = Nol derajad Kelvin (0K) = – 273,160C.

Pembagian skala antara Celcius dan Kelvin tetap sama, walaupun tinggi rendahnya berbeda. Kelihatannya hal ini membingungkan, tetapi contoh berikut mungkin dapat lebih menjelaskan.

Contoh 2
Air yang mempunyai temperatur 200 C, dipanaskan hingga 400 C. Disini terjadi kenaikan suhu sebesar 200. Sebelum dipanaskan suhu air 200C yang sama dengan 20 + 273 = 2930 K, dan sesudah dipanaskan menjadi 400 + 2730 = 3130 K.
Jadi tinggi temperaturnya berbeda, tetapi selisih temperaturnya sama, yaitu :
selisih (t) antara 400 - 200 = 200 C, dan selisih (T) 2930 K - 3130 K = 20OK.

Untuk membedakan kedua jenis temperatur tersebut, selanjutnya untuk derajad celcius digunakan kode huruf t (kecil), dan untuk Kelvin kode huruf T (besar).

Jadi perhatikan,
tOC =/= TOK, tetapi tOC = TOK


1.1.5 Usaha (Work)


Usaha adalah gaya yang diberikan kepada suatu benda, sehingga benda tersebut bergerak atau berpindah dari tempat/posisi semula, dihitung sesuai besarnya gaya dikalikan jarak yang ditempuh benda yang menerima gaya.

Usaha (W) = Gaya x jarak W = F x s satuan Nm

Dimana W = usaha atau work
F = gaya dalam Newton (N)
s = jarak dalam meter (m)

Disamping gaya x jarak, Usaha juga diformulasikan bukan hanya dalam bentuk linear, tetapi juga kubik. Oleh karenanya,

Usaha = Tekanan x volume W = p x V.

Satuan yang diperoleh ternyata tetap, yaitu Newton meter (Nm).
Satuan Newton meter (Nm) untuk usaha ini disamakan dengan Joule, dengan demikian disamping Nm, satuan usaha juga disebut Joule, disingkat J.

1 Nm = 1 Joule, atau 1 kNm = 1 KJ atau 1 MNm = 1 MJ.



1.1.6 Tenaga (Power) dan Energi

Tenaga diformulasikan sebagai usaha per satuan waktu, atau jumlah usaha yang dapat dilakukan per satuan waktu tertentu, dalam hal ini adalah detik (sekon) disingkat s. Jadi :
Tenaga = Usaha per waktu P = satuan
Satuan J/s (atau kJ/s) ini juga disamakan dengan watt (atau kW), jadi,

1 watt = 1 = 1 , atau

1 kW = 1 = 1

Energi dapat diformulasikan sebagai usaha (W) yang dilakukan, dan diukur dengan satuan usaha (J), dengan istilah lain, energi adalah usaha.

Karena P = W/s, maka W = P x s, dengan demikian maka energi atau usaha mempunyai satuan lain yaitu watt-jam atau kilowatt-jam (KWH), yang berarti usaha atau energi adalah sejumlah tenaga (power) dalam kilowatt yang digunakan atau diperoleh secara terus menerus selama waktu tertentu, dalam hal ini jam, sehingga:

Energi = tenaga x waktu = kW x jam

1 kWH =103 watt x 3600 detik = 103 x 3600 s = 36x105 J = 3600 kJ = 3.6 MJ


1.2 Panas

Seperti telah dibahas sebelumnya, panas adalah salah satu bentuk energi, yang tidak dapat dilihat, tetapi dapat dirasakan keberadaannya. Dan karena panas adalah energi, maka satuannya adalah Joule, tetapi kita tidak dapat mengukur langsung besarnya panas ini, kecuali tinggi rendahnya panas tersebut, yaitu dengan thermometer. Kita memerlukan beberapa parameter lain, seperti massa dan lain-lain untuk mengetahui besarnya panas sehingga kita juga dapat menghitung berapa tenaga yang dapat dihasilkan. Untuk mendalami masalah ini, berikut pembahasan mengenai jenis-jenis dan besaran-besaran yang berkaitan dengan panas.

1.2.1 Jumlah Panas (Kalori)

Jumlah panas yang dimiliki oleh suatu zat atau benda yang dulu dikenal dengan kalori, adalah sejumlah panas yang dapat dipindahkan, baik diberikan kepada zat lain, atau sebaliknya yang diterima oleh zat itu dari zat lain. Standar kalori dibuat berdasarkan referensi hasil percobaan yang dilakukan terhadap air murni, dimana jika air 1 gram (atau 1 kilogram), temperaturnya dinaikkan sebesar 10C, yaitu dari 15,50C menjadi 16,50 C, maka dikatakan air tersebut memerlukan panas sebesar 1 (satu) kalori (atau 1 kilokalori untuk 1 kg air).
Karena untuk menaikkan temperatur 1 kg air sebesar 10C adalah 1 kkal, maka panas jenis air murni = 1 kkal/kg0C (atau 1 kal/gr0C). Ini juga berarti, air 1 kg yang mempunyai temperatur 600C dianggap memiliki kandungan panas sebesar 60 kilokalori. Kandungan panas inilah yang kemudian biasa disebut entalpi.

Disini akan timbul keraguan pengertian antara istilah kalori dengan entalpi. Keduanya berarti jumlah panas, dimana sebenarnya kalori mempunyai dua arti. Kalori bisa berarti satuan panas, juga berarti jumlah panas. Untuk memudahkan pemahaman ini, istilah kalori hanya digunakan untuk satuan panas, sedangkan jumlah panas yang dimiliki suatu zat dan bisa dipindahkan, disebut entalpi.

Masalah berikutnya adalah, dalam satuan SI, untuk panas dipakai satuan Joule (J), dan satuan kalori tidak digunakan lagi. Namun harus diketahui, bahwa walaupun satuan kalori diganti Joule, tidak berarti nilai 1 kalori = 1 Joule. Satuan Joule diperoleh dari persamaan usaha yaitu 1 Nm = 1 Joule. Sementara itu diketahui persamaan antara energi panas dengan usaha (satuan lama), yaitu :

1 kilokalori = 427 kilogram (gaya)meter
sedangkan
1 kilogram(gaya) = g Newton,

dan jika rata-rata g = gravitasi = 9,81 m/s2, maka
1 kilokalori = 9,81 x 427 = 4186 kgm/s2
seperti diketahui 1 kgm/s2 = 1 Newton, maka

1 kilokalori = 4186 Nm = 4186 Joule = 4,186 kiloJoule
(1 kcal = 4,186 kJ)

Selanjutnya, disamping jumlah panas (disingkat Q) dan entalpi (disingkat H), ada istilah lagi dalam jumlah panas ini, yaitu entropi (disingkat S), yang akan dibahas dalam bab-bab selanjutnya.

1.2.2 Panas Jenis

Sifat / kandungan lain dari panas yang sering dijumpai adalah panas jenis (specific heat). Yaitu, jumlah panas yang dibutuhkan oleh suatu zat dengan massa tertentu (1 kg) untuk menaikkan atau menurunkan suhunya sebesar satu derajat (10C). Kode untuk panas jenis adalah c (huruf kecil), satuannya adalah Joule (atau kJ) per kilogram per derajad celcius (J/kg0C atau kJ/kg0C). Dengan pengertian ini, kita dapat menyusun formula umum antara jumlah panas dengan temperatur, panas jenis dan massa zat terkait, yaitu:
Q (kJ) = m (kg) x c ( ) x T (0K)
atau



dimana T = T2 –T1 = t2 – t1 (perbedaan suhu sebelum dan sesudah perubahan).

Yang harus diperhatikan oleh semua siswa adalah, nilai panas jenis selalu berubah, disamping setiap zat memiliki panas jenis berbeda. Yang terutama, nilai panas jenis sangat tergantung pada temperatur awal dimana perubahan temperatur tersebut terjadi.

Contohnya,
• pada suhu 00C, panas jenis air adalah 4,21
• pada suhu 350C berubah turun menjadi 4,178
• dan pada suhu 1000C meningkat menjadi 4,219
Untuk memudahkan perhitungan, khusus untuk air, rentang antara suhu 00C hingga 1000C diambil nilai panas jenis rata-rata yaitu 4,2

Selain itu, panas jenis gas mempunyai karakteristik unik dimana jika temperatur dan tekanan berbeda, mempunyai panas jenisnya juga berbeda. Demikian juga pada suatu perubahan atau perpindahan panas, pada proses tekanan tetap dan pada volume tetap, nilainya berbeda. Itulah sebabnya, pada gas dibedakan antara panas jenis pada proses tekanan tetap dan pada proses volume tetap, dan diberi kode :

• cp = panas jenis pada proses tekanan tetap
• cv = panas jenis pada proses volume tetap


1.2.3 Panas Laten

Panas laten adalah panas yang diperlukan untuk mengatasi besarnya kohesi atau gaya tarik-menarik diantara molekul-molekul suatu zat dan yang menyebabkan perubahan bentuk dari padat ke cair maupun ke gas atau uap, dimana selama perubahan terjadi, temperaturnya tetap atau tidak naik atau turun. Proses perubahan keadaan zat dari padat ke cair disebut pencairan atau fusi, dan jumlah panas yang dibutuhkan untuk merubah sejumlah zat dari padat ke cair pada temperatur tetap disebut panas laten pencairan atau panas laten fusi.

Sebagai contoh, panas laten fusi untuk es adalah 335 kJ/kg pada temperatur 00C. Ini berarti bahwa 1kg es pada suhu 00C membutuhkan panas 335 kJ agar seluruhnya es berubah menjadi air 1kg. Sebaliknya, air harus kehilangan panas sebesar 335 kJ agar seluruh 1kg air membeku menjadi es pada suhu 00C.

Proses perubahan bentuk dari cair menjadi gas disebut evaporasi atau penguapan . Jumlah panas yang dibutuhkan untuk perubahan bentuk pada massa tertentu (misalnya 1 kg) ini terjadi pada suhu tetap dan disebut panas laten evaporasi atau penguapan. Panas laten penguapan air pada tekanan atmosfir adalah 2256,7 kJ/kg. Berarti, 1 kg air pada suhu 1000C membutuhkan panas 2256,7 kJ agar seluruh air berubah menjadi uap. Demikian juga sebaliknya agar seluruh uap menjadi air.


1.2.4 Entalpi

Secara umum, Entalpi (disingkat H) adalah jumlah panas yang dikandung atau dimiliki oleh suatu zat (dalam hal ini gas atau uap) dan yang bisa dipindahkan. Dalam formulasinya, entalpi adalah energi dalam (U) ditambah dengan Usaha. Kita tahu bahwa usaha adalah suatu gerak atau perpindahan zat atau sistem yang diformulasikan dengan tekanan dikalikan volume (PV). Bisa juga dikatakan bahwa entalpi adalah gabungan antara energi dalam dan usaha, jadi:

H = U + PV

Karena merupakan jumlah panas yang dapat dipindahkan, biasanya entalpi dihitung per satuan massa ( kilogram), dari suatu batas tertentu yang dijadikan patokan (datum level). Dalam hal air atau uap, entalpi dihitung dari temperatur 0OC. Sehingga, dapat dikatakan 1 kg air yang mempunyai temperatur 20OC akan memiliki entalpi sebesar 20 kkal atau sama dengan 20 x 4,186 kJ = 83,72 kJ.



1.2.5 Perubahan Panas

Seperti diketahui benda atau zat-zat dapat berbentuk padat, cair atau gas. Tidak semua, tetapi suatu zat yang berbentuk padat, dapat berubah menjadi cair dan berubah lagi menjadi gas. Perubahan ini akan terjadi jika ada “sejumlah panas” yang diberikan kepada zat tersebut, atau jika panasnya diambil atau dikeluarkan dari zat tersebut. Air dingin yang berbentuk padat atau biasa disebut es, jika kepadanya diberikan panas, maka es akan menjadi cair. Dan jika dipanaskan terus, air tersebut akan berubah menjadi gas, atau yang biasa disebut uap. Dalam perubahan ini, mulai dari es hingga menjadi uap, terjadi “perubahan panas” terhadap es dan/atau air. Selain bentuknya berubah, temperaturnya juga berubah, demikian juga volume, masa jenis, dan lain-lain.

Skema dihalaman berikut (gambar 2) menunjukkan perubahan bentuk dari es hingga menjadi uap. Es yang pada tekanan atmosfir mempunyai temperatur dibawah nol, dipanaskan hingga menjadi 0oC (A). Pada posisi ini es mulai mencair, dan jika terus dipanaskan, semua es akan mencair pada B, namun temperaturnya tetap 0o C.

Selanjutnya jika dipanaskan terus, temperatur air kembali naik hingga mencapai 100o C (titik C) dimana air mulai mendidih dan menjadi uap. Temperatur disini akan tetap hingga semua air berubah menjadi uap (D). Jika uap dipanaskan terus, uap akan menjadi uap kering atau uap panas lanjut yang mempunyai entalpi sangat tinggi.






























Gambar 2
Perubahan Bentuk Air


1.2.6 Pemuaian Panas

Suatu benda mengalami kenaikan suhu, maka volumenya akan mengembang atau memuai. Sebaliknya, jika temperaturnya turun, volumenya akan berkurang atau menyusut. Besarnya pemuaian tidak sama untuk setiap benda atau zat. Pemuaian benda tersebut akan terjadi kesemua arah (volume), tetapi dalam prakteknya banyak yang hanya memperhitungkan ke satu arah saja (panjang), atau dua arah (luas) dan kesemua arah. Pemuaian satu arah disebut Linear Expansion (pemuaian linear), pemuaian dua arah disebut superficial expansion (pemuaian permukaan) dan pemuaian ke semua atau tiga arah disebut cubical expansion (pemuaian kubik).

Pemuaian Linear (panjang), besarnya ditentukan oleh koefisien pemuaian linear. Ini adalah jumlah pertambahan panjang suatu benda setiap kenaikan satu derajat pada panjang tertentu. Koefisien ini diberi kode alpha. Jadi, jika panjang = l, dan kenaikan suhu (t2 – t1), maka:

Perpanjangannya sebesar  x l x (t2 – t1), dan
dan panjang yang baru menjadi l + .l.(t2 – t1)

Pemuaian permukaan (bidang) mengacu ke pemuaian luas permukaan, dimana koefisien pemuaiannya adalah penambahan luas per unit per derajat panas. Jadi, jika A adalah luas benda yang mendapat panas, maka:

Penambahan luasnya = koefisien pemuaian permukaan x A x (t2-t1)

Jika luas sebelumnya = 1 x 1 = 1 dan panjang dan lebar baru = 1 + 
Luas baru = (1 + )2 = 1 + 2  + 2 2.
Pertambahan luas = 1 + 2  + 2 2 + 1 = 2 + 2

Nilai  sangat kecil untuk logam (sekitar 1,2 x 10-5 untuk baja), sehingg 2 akan bertambah kecil lagi sehingga untuk perhitungan praktis diabaikan. Dengan demikian yang digunakan hanya 2 saja, sehingga

Penambahan luas = 2 x A x (t2 – t1)

Pemuaian Kubik (Volume) mengacu ke volume. Koefisien kubik atau volumetrik adalah pertambahan volume per unit volume per derajat kenaikan suhu. Jika V adalah volume awal, dan (t2 – t1) adalah kenaikan suhu, maka :

Pertambahan volume = Koefisien pemuaian kubik x V x (t2 – t1)

Panjang, lebar dan tebal akan bertambah dengan koefisien pemuaian linear).
Volume semula = 1 x 1 x 1
Volume baru = (1 + ) = 1 + 3  + 3 2 +3
Pertambahan volume = volume baru - volume awal
= 1 + 3  + 3 2 +3 - 1 = 3  + 3 2 +3

Karena nilai 2 +3 sangat kecil sehingga diabaikan, dan pertambahan volume hanya 3  saja, atau sama dengan 3 x pertambahan panjangnya. Jadi,

Pertambahan volume = 3 x V x (t2 – t1)

Pemuaian zat cair hanya berlaku pemuaian secara linear yang diterapkan untuk kubikasinya karena air tidak mempunyai bentuk tertentu. Koefisien kubik biasanya dinyatakan dengan  (beta), jadi pemuaian volume zat cair :

Pertambahan volume  x V x (t2 – t1)

Tangki atau tabung dimana minyak disimpan, juga akan ikut memuai jika dipanaskan. Karena itu akan bermanfaat jika diketahui pemuaian relatif zat cair terhadap tangkinya sehingga dapat dikoreksi dengan teliti jika terjadi perubahan temperatur. Pemuaian relatif dalam volume zat cair adalah perbedaan antara pemuaian volumetris zat cair dan pemuaian volume tangki / tabungnya. Jika keduanya mempunyai volume awal yang sama dan kenaikan suhunya terjadi secara bersamaan, maka jika L adalah cairannya dan C adalah tabungnya, maka:

Kenaikan vol. cairan yang terlihat = kenaikan vol. cairan – kenaikan vol. tabung
= L x V x (t2 – t1) - C x V x (t2 – t1)
= (L - C ) x V x (t2 – t1)

Perbedaan antara koefisien pemuaian kubik dari cairan dan tabung dapat disebut sebagai koefisien pemuaian kubik yang terlihat (apparent) zat cair.
Dalam praktek sehari-hari, ini digunakan karena adanya keterbatasan kekuatan logam, dimana logam akan mengalami regangan (strain) jika temperaturnya naik, dan bila melewati batas tertentu akan menjadi tegangan (stress).

1.2.7 Pemindahan Panas

Transfer atau pemindahan panas dapat terjadi dengan tiga cara:

a. Konduksi (conduction)
b. Konveksi (convection)
c. Radiasi (radiation)

Kecepatan waktu perpindahan panas tergantung jenis bahan atau materi zat. Disinilah timbul istilah konduktor panas, yaitu istilah untuk zat yang mudah/cepat atau sulit/lambat memindahkan panas.

Suatu zat dikatakan konduktor yang baik jika zat tersebut secara cepat mampu memindahkan panas ke seluruh benda itu sendiri dan/atau kebenda-benda lain disekitarnya. Umumnya, logam adalah konduktor panas yang baik. Udara, dan beberapa jenis bahan seperti asbes, gabus, wool gelas, adalah jenis yang sangat tidak konduktor, atau disebut isolator panas. Biasanya bahan-bahan ini digunakan untuk mengurangi kehilangan panas, misalnya untuk menyelimuti pipa pada instalasi uap agar panasnya tidak hilang. Air juga konduktor yang jelek.


1.2.7.1 Konduksi

Konduksi adalah aliran energi panas dari satu badan ke badan lain yang kontak satu dengan lainnya, akibat perbedaan temperatur. Aliran terjadi dari daerah yang temperaturnya lebih tinggi ke daerah yang temperaturnya lebih rendah.

Jumlah panas yang dikonduksikan melalui bahan pada waktu tertentu tergantung konduktifitas panas bahan, dan sebanding dengan luas permukaan yang mendapat panas dari sumbernya, dan sebanding pula dengan perbedaan suhu antara ujung-ujung terpanas dan terdingin, dan berbanding berbanding terbalik dengan jarak atau ketebalan dimana panas tersebut harus dikonduksikan, jadi:


Jumlah panas yang dikonduksikan =
Luas x waktu x perbedaan temperatur Ketebalan

Koefisien Konduktifitas panas bahan, dengan kode lambda , adalah jumlah panas yang dikonduksikan melalui suatu bidang dalam unit waktu tertentu dan perbedaan temperatur antara dua bidang yang berlawanan pada jarak tertentu.

Jika, Q = jumlah energi panas yang dikonduksikan dalam Joules (J)
A = Area yang harus dilalui aliran panas, dalam m2
t = waktu aliran energi panas yang diperlukan dalam detik (s = sekon)
T1-T2 = perbedaan temperatur antara bidang satu dan bidang dua
S = ketebalan dinding, maka :


Jumlah energi panas yang dipindahkan secara konduksi menjadi:




1.2.7.2 Konveksi

Konveksi adalah metode pemindahan panas didalam cairan akibat gerakan partikel-partikel suatu zat yang dipanaskan. Gambar 3-A dibawah ini memperlihatkan tabung air yang mempunyai pipa miring dibawahnya. Jika air didalam tabung dipanaskan melalui pipa yang miring, partikel-partikel air yang lebih ringan akan naik, dan partikel yang lebih berat akan bergerak turun dan mengambil alih posisinya sehingga terjadi arus konveksi sehingga seluruh air didalam tabung menerima panas secara merata akibat sirkulasi air yang terus menerus. Ini adalah prinsip kerja ketel pipa air.

Gambar 3-B berikutnya memperlihatkan pemindahan panas udara didalam ruangan secara konveksi, dimana api, radiator atau sumber panas lain ditempatkan dibawah ruangan tersebut. Adapun gambar 3-C memperlihatkan kamar yang didinginkan dengan konveksi, dimana pendingin (seperti pipa-pipa refirgerator) ditempatkan dekat bagian atas kamar. Contoh-contoh tersebut adalah sirkulasi natural dari suatu zat dan disebut sebagai konveksi bebas. Jika gerakan zat dihasilkan secara mekanis (paksa), seperti dengan kipas angin atau pompa, disebut konveksi paksa.











3B
3A









3C
Gambar 3
Pemindahan panas secara konveksi



1.2.7.3 Radiasi

Radiasi adalah pemindahan panas dari satu badan ke badan lainnya melalui udara dengan sinar gelombang magnit listrik. Sinar panas berjalan dalam garis-garis lurus ke semua arah dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan sinar, yaitu hampir 300,000 kilometer per detik, yang dalam tehnik praktis dianggap sekejap atau seketika. Sebagian panas radiasi akan dipantulkan berupa pantulan sinar, sebagian lagi terserap badan dan sebagian kecil lainnya menembus badan.

Permukaan gelap dan kasar baik sebagai penyerap panas radiasi, tetapi permukaan yang terang dan dipoles memantulkan sebagian besar panas dan hanya sedikit menyerap panas. Badan yang jelek penyerapan panasnya tidak baik sebagai radiator dan sebaliknya penyerap dan radiator panas yang sempurna disebut sebagai badan “hitam” sempurna. Emisivitas adalah perbandingan antara panas yang diemisikan dari badan yang menerima radiasi dengan badan hitam sempurna dari bidang permukaan dan temperatur yang sama pada rentang waktu yang sama. Emisivitas diberi kode  (epsilon), yaitu nilai radiator ideal.

Hukun Stefan Boltzmann menyatakan bahwa energi panas yang dipancarkan oleh radiator sempurna adalah sebanding dengan empat kali tenaga temperatur mutlaknya. Dengan demikian maka, jika Q = jumlah panas yang dipancarkan, A = permukaan panas radiasi, t = waktu radiasi dan T = temperatur mutlak, maka :

Q = A.t.T4 x nilai konstanta

Nilai konstanta tergantung pada unit yang digunakan, dan jika untuk unit bidang adalah m2, waktu dalam sekon, dan temperatur mutlak dalam Kelvin, maka nilai konstanta yang diberikan untuk kilo joule energi panas adalah 5,67 x 10-11 kJ/m2s0K. Dengan demikian maka jumlah energi panas yang diradiasikan dari badan yang panas dengan temperatur T1 ke sekitarnya dengan T2 menjadi:

Q = 5,67 x 10-11 x e A t (T14 – T24)



BAB 2
GAS DAN PERSAMAAN KEADAAN










2.1 Gas

Gas, termasuk udara dan uap, mempunyai peran yang sangat penting dalam pelajaran thermodinamika, dan memiliki sifat-sifat yang unik. Salah satu keunikannya adalah gas mudah sekali berubah, sehingga sifatnyapun sering berubah, itulah sebabnya dalam pelajaran ini, kita perlu “memanipulasi” gas-gas ini, yang seolah-olah mempunyai sifat yang “sempurna” atau dianggap sempurna. Istilah sempurna atau perfect ini hanya untuk menyatakan bahwa sebenarnya tidak ada gas yang sempurna. Tetapi jika gas tidak sempurna, maka semua formula tidak berlaku. Karena itu dalam setiap pelajaran fisika, semua gas yang dibahas dianggap sempurna., sepanjang ikatan molekul-molekul dari unsur-unsur pokok gas tersebut tidak berubah. Misalnya, udara, zat apapun yang terkandung didalamnya, tetapi yang terutama adalah oksigen dan nitrogen, dan zat-zat lain yang terkandung didalamnya dianggap tidak ada. Demikian juga uap, amoniak, freon, semuanya dianggap murni dan tidak tercampur dengan zat-zat lain.

Semua gas sempurna memiliki sifat yang sama, yaitu jika diketahui tekanan dan temperaturnya, maka volume jenisnya dapat dihitung, demikian juga jika diketahui volume dan tekanannya, maka temperaturnya dapat dicari. Sifat-sifat ini diketahui dari hasil penemuan Robert Boyle (1627-1691) yang dikombinasikan dengan formula yang dibuat oleh Jacques A.C. Charles (1746-1823).


2.2 Persamaan Keadaan

Seperti diketahui, Boyle menyatakan bahwa dalam sebuah ruang tertutup yang suhunya tidak berubah, jika tekanannya naik atau turun, maka volumenya akan berubah sebanding dengan perubahan tekanannya, atau dengan kata lain :

p1 . v1 = p2 . v2 atau p . v = C,
dimana,
p = tekanan; v = volume (jenis); C = constante
Sementara itu, J.A.C. Charles mengatakan bahwa jika suatu zat dipanaskan atau didinginkan tetapi tekanannya tetap, maka volume akan naik atau turun sebanding dengan tingkat naik turunnya temperatur; demikian pula jika volume dibuat tetap, maka tekanannya akan naik atau turun sebanding dengan perubahan temperaturnya. Ini dapat dinyatakan dalam bentuk persamaan :


 Pada tekanan tetap v1 : T1 = v2 : T2 atau v / T = C

 Pada volume tetap, p1 : T1 = p2 : T2 atau p / T = C

Jika kedua hukum ini (Boyle dan Charles) digabung, maka persamaan menjadi:

atau atau

C atau constante yang nilainya tetap untuk gas-gas yang menjadi bahan pembahasan dalam thermodinamika selanjutnya disebut sebagai konstanta gas dan kodenya dirubah menjad R. Dengan demikian, persamaan diatas menjadi :



Perlu diingat, v disini adalah volume untuk setiap satu satuan berat atau biasa disebut sebagai volume jenis, oleh karenanya, untuk perhitungan dimana diketahui volume dan massa atau berat keseluruhan zat tersebut, maka v (huruf kecil) dapat diganti dengan V (huruf besar), namun harus dibagi dengan massanya (m) (ingat v = Volume/massa).

Dengan demikian persamaan diatas menjadi :





Dimana : p = tekanan mutlak dalam bar, atau N/m2
V = volume dalam m3
R = ketetapan gas (boleh tanpa satuan atau Nm/kg. oK)
T = temperatur mutlak, dalam oK (kelvin) atau oC + 273
m = massa, dalam kg.


Persamaan tersebut disebut persamaan keadaan (equation of state) dan merupakan bentuk lain dari Hukum Thermodinamika Pertama. Persamaan ini berlaku untuk semua gas ideal dan dapat juga diformulasikan dalam bentuk lain seperti yang tersebut dibawah ini.

dan seterusnya

Berikut tabel yang memberikan besarnya ketetapan gas untuk beberapa jenis gas yang sering digunakan dalam thermodinamika.


Tabel 2


No.
Gas
Rumus kimia
Berat Mol (BM)
R
(J/kg.oK)


1
Udara

-
28,964
291.94
2 Dioksida arang
(Carbon dioxyde) CO2 44,011 188.78
3 Zat air
(Hidrogen) H2 2,0156 4125.66
4 Zat lemas
(Nitrogen) N2 28,016 296.75
5 Zat Asam
(Oxygen) O2 32 259.78
6 Helium
He 4,002 2079
7 Amoniak
NH3 17,031 487.98
8 Methana
CH4 16,043 518.67
9 Athylene
C2H4 28,054 296.65
10 Argon
A 39,944 208.19




2.2 Sistem

Hal-hal yang menyangkut keberadaan panas, bagaimana perubahannya serta dari mana dan kemana panas tersebut mengalir, hanya akan diketahui jika hal tersebut terjadi didalam suatu sistem. Namun, sistem itu sendiri mempunyai makna yang universal. Namun, untuk menyederhanakannya, dalam kaitan dengan pelajaran kita, sistem didefinisikan sebagai wadah yang mempunyai batas-batas tertentu (walaupun sering tidak nyata), dimana didalamnya terjadi suatu proses (atau proses-proses) yang melibatkan zat tertentu, yang berkaitan dengan panas.

Bagaimanapun, sistem adalah bagian yang tidak terpisahkan dari sistem lain yang lebih besar. Namun setiap sistem juga “memiliki” sistem-sistem lain, disebut sub-sistem, yang menjadi bagian tidak terpisahkan dari sistem itu. Jadi suatu sistem sebenarnya tidak berdiri sendiri, selalu terkait dengan sistem-sistem lain. Namun dalam setiap pembahasan, kita harus anggap bahwa sistem tersebut berdiri sendiri.

Untuk lebih jelasnya, dalam suatu sistem akan terdapat :

 Garis-garis, yang menentukan batas sistem, termasuk garis yang membatasi sistem dengan sekelilingnya, atau dengan sistem dimana sistem tersebut menjadi salah satu bagiannya.
 Zat atau zat-zat (yang ber-proses atau mengalami proses)
 Proses (dimana terjadi perubahan keadaan)
 Surrounding atau sekelilingnya, baik yang akan mempengaruhi atau yang dipengaruhi sistem tersebut



Surrounding (sekeliling)
Zat-zat yang melakukan proses

Garis batas



Gambar 4
Sistem

Jenis-jenis sistem, antara lain :

 Sistem tertutup, dimana tidak ada pengaruh atau aliran panas / energi ke maupun dari sistem tersebut ke/dari sistem lain atau sekelilingnya (surrounding).
 Sistem terbuka, searah, dimana terjadi pengaruh atau aliran panas atau energi dari sistem tersebut ke sistem / sekelilingnya, atau sebaliknya.
 Sistem terbuka, dua arah, dimana terdapat pengaruh atau aliran panas / energi dari maupun ke sistem tersebut yang terjadi dalam waktu yang sama.

Dalam prakteknya, setiap mesin adalah sistem, dimana batas-batasnya dapat ditentukan, misalnya setiap silinder merupakan sub-sistem dari sistem mesin penggerak, sedangkan mesin tersebut menjadi bagian dari sistem penggerak kapal yang terdiri dari poros propeler, blok pendorong, propeler dll. Selanjutnya, mesin penggerak adalah salah sistem dari sistem “kapal”, dan seterusnya.

BAB - 3
HUKUM THERMODINAMIKA dan ENERGI




Bab ini membahas energi-energi thermodinamika, termasuk hukum-hukum thermodinamika yang menjadi dasar pengetahuan bagaimana energi panas dapat dirubah menjadi usaha untuk menggerakkan mesin-mesin, sehingga, dengan mengetahui hal ini, para kandidat akan lebih memahami bagaimana proses-proses yang terjadi didalam mesin-mesin yang dioperasikannya, serta menjadi lebih mudah dalam pengoperasian dan perawatannya.



Seperti halnya panas, tidak mudah untuk mendefinisikan apa yang dimaksud dengan energi dalam kata-kata atau kalimat yang mudah dimengerti. Dalam pengertian umum, energi dikatakan sebagai sumber kekuatan, atau yang dapat menimbulkan suatu kekuatan untuk melakukan kerja atau usaha. Namun energi sebagai kandungan atau properti suatu zat, merupakan sumber kekuatan atau tenaga yang dapat dikeluarkan dengan cara-cara tertentu, dan hal ini akan lebih dimengerti jika diuraikan dalam bentuk rumus atau formula yang akan disampaikan disini. Namun sebelumnya perlu disampaikan dulu hal yang menjadi bahasan utama dalam buku ini, yaitu hukum-hukum Thermodinamika yang menjadi dasar dari pelajaran kita.

2.1 Hukum Thermodinamika ke – NOL

Kedengarannya agak janggal jika hukum ini disebut sebagai hukum ke-nol, dan siapa yang memulainya atau yang menamakannya tidak diketahui, namun hal ini sudah menjadi terbiasa bagi mereka yang berkecimpung didunia fisika. Pada dasarnya hukum ini menyatakan akan terjadinya suatu keseimbangan panas antara dua benda yang bersinggungan. Jika benda A bersinggungan dengan benda B yang berbeda temperaturnya, maka kedua benda tersebut akan mempunyai temperatur yang sama. Demikian juga bila ada benda C yang dihubungkan dengan benda B, maka pada akhirnya temperatur benda C juga akan sama dengan benda A.







Gambar 5
Temperatur Benda yang bersinggungan


Hukum inilah yang mendasari berbagai jenis alat-alat ukur temperatur yang dikenal sebagai THERMOMETER. Dengan mengikuti hukum ini, maka alat-alat ukur temperatur dibuat dan dikalibrasikan.


2.2 Hukum Thermodinamika Pertama

Hukum ini dapat dinyatakan dalam berbagai versi, namun pada dasarnya bahwa hukum thermodinamika pertama menyatakan panas adalah bentuk energi. Pernyataan singkat ini sebagai hasil percobaan Joule yang membuktikan adanya hubungan antara panas (Q) dan usaha (W).

Dibawah ini beberapa versi pernyataan hukum Thermodinamika pertama

a. Secara simbolik, pernyataan hukum ini dapat dikemukakan sebagai :

= Joule
(Usaha / Panas = Joule)

b. Panas (Q) dan Usaha (W) dapat saling dirubah atau panas dapat dirubah atau menghasilkan usaha, dan sebaliknya usaha juga dapat menjadi panas. Pernyataan ini sepintas dapat menyesatkan, seolah-olah semua panas dapat dirubah menjadi usaha, demikian pula sebaliknya. Padahal dalam kenyataannya tidak demikian. Bahkan tidak mungkin merubah seluruh energi panas menjadi usaha. Oleh karenanya, dalam bab-bab selanjutnya akan dibicarakan secara jelas bagaimana kaitan antara kedua hal tersebut, yaitu mengenai hukum thermodinamika kedua, dimana akan jelas bahwa tidak semua panas dapat dirubah dalam bentuk usaha, demikian pula sebaliknya.

c. Dari hasil percobaan Joule, diperoleh konversi antara panas dan usaha, yaitu seperti yang telah dikemukakan sebelumnya, bahwa :

1 kkal (Panas) = 4,186 Joule (Usaha)

d. Jika dalam suatu sistem terjadi proses yang membentuk siklus, maka jumlah aljabar panas (Q) sama dengan jumlah aljabar usaha (W), atau jika dikurangkan hasilnya sama dengan NOL. Ini dapat ditulis sebagai berikut :

Q - W = 0 atau Q = W
Dalam hal ini, ada yang harus diingat, yaitu :






e. Walaupun seperti dijelaskan diatas bahwa panas Q = Usaha/Kerja W, tidak selamanya hal ini terjadi, karena seringkali Q tidak sama dengan W. Jika sejumlah panas diberikan ke suatu sistem, tidak semua panas digunakan untuk usaha luar, dan sebagian lagi tetap tinggal di sistem tersebut. Panas yang tinggal ini akan mempengaruhi energi dalam (U) sistem tersebut, atau sistem tersebut menerima panas sejumlah U. Dengan demikian maka, persamaan akan menjadi :

Q = U + W

(lihat juga pembahasan mengenai aliran energi tertutup di Bab 2-4)

Dari pemahaman-pemahaman mengenai hukum Thermodinamika diatas, ditambah dengan pengertian mengenai panas dan gas seperti yang dibahas di bab 1, sampai disini kita sudah memiliki beberapa formula dasar yang sangat bermanfaat bagi pembahasan kita selanjutnya mengenai mesin-mesin panas. Dan untuk lebih mengingat dan memahaminya, dibawah ini adalah formula-formula dasar yang dimaksud :


Tabel 3.


Nama

No.
Formula

Jumlah Panas

1
Q = U + W
1.a Q = m.Cp. T = m.cp (T2-T1)
1.b U = m.cv.T = m.cv.(T2-T1)
1.c W = p.V = p (V2-V1)

2.a

pV = m R T atau
Persamaan Keadaan
2.b
= C atau


2.c

= = = dstnya.




2.3 Jenis-Jenis Energi

Energi adalah sumber tenaga atau kekuatan, dan kita tahu bahwa sumber-sumber energi sangat beragam. Dalam pembahasan kita, sumber energi ini adalah PANAS, namun beberapa jenis energi sangat berkaitan dengan pembahasan kita. Sementara itu dalam fisika dikenal hukum kekekalan energi yang mengatakan bahwa energi tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat “berpindah” dari satu zat ke zat lain. Hukum inilah yang kemudian menjadi dasar dari semua hukum dan formula-formula dalam thermodinamika.

Jenis-jenis energi yang akan dibahas atau yang akan sering digunakan dalam thermodinamika meliputi :

2.3.1 Energi Potensial (EP)

Jenis energi ini berkaitan dengan potensi suatu benda yang terletak di ketinggian dengan jarak relatif terhadap posisi tertentu. Misalkan suatu benda berada di ketinggian z meter dari suatu patokan batas permukaan (datum level), dan mempunyai massa m kg, maka benda tersebut mempunyai energi potensial sebesar :
EP = m.g.z (kg. . m = Nm = J)

dimana g adalah gravitasi, atau :



Contoh sederhana dari energi potensial ini adalah air terjun yang potensinya akan semakin besar jika lebih tinggi, demikian juga jika jumlah airnya semakin banyak. Benda yang jatuh dari ketinggian akan semakin besar energi potensialnya jika posisi awalnya lebih tinggi.

2.3.2 Energi Kinetik (EK)

Energi Kinetik atau kecepatan jelas berkaitan dengan kecepatan atau gerak suatu benda yang relatif terhadap suatu titik atau posisi yang tetap, biasanya dari titik pengamatan disuatu lokasi di bumi. Energi ini sangat penting bagi mesin-mesin tertentu seperti jet, turbin uap, turbin gas dan lain-lain, dimana massa suatu zat yang bergerak dengan suatu kecepatan tertentu dapat menghasilkan usaha atau tenaga yang besar. Energi kinetik dapat dihitung berdasarkan massa dan kecepatan zat yang bergerak, yaitu :

EK = ½ m.c2 Nm. ( satuan kg.m2/dt2 = Nm = Joule)
atau



Jelas disini bahwa energi kecepatan hanya tergantung dari massa (m dalam kg) dan kecepatan (c dalam m/s2) zat atau benda itu sendiri.

2.3.4 Energi Dalam (Internal Energi = U)

Energi dalam adalah energi “diam” yang dikandung oleh suatu zat sebagai akibat adanya gerakan atau pergerakan diantara molekul-molekulnya. Molekul gas selalu bergerak dengan kecepatan tertentu, dimana sebagian saling berbenturan, dan sebagian lagi diam. Karena itu untuk mendapatkan jumlah energinya, kita harus tahu tekanan dan volume dari molekul-molekul ini. Tetapi untuk menghitung jumlah energi dalam sangat sulit, karena sulit mengukur “tekanan” atau “volume” molekul-molekulnya. Namun karena tekanan dan volume ini akan selalu terpengaruh oleh temperaturnya, maka menurut Joule, energi dalam ini dapat dihitung dengan berdasarkan pada temperaturnya saja, yaitu melalui formula :
U = m cv T = mcv (T2 – T1)

dimana m adalah = massa, T = T2-T1 adalah selisih temperatur, sedangkan cv = panas jenis pada volume tetap.

Cara lain untuk memahami emergi dalam adalah sebagaimana dijelaskan di dalam hukum Thermodinamika I, dimana perubahan panas (Q) sama dengan perubahan energi dalam (U) ditambah Usaha (W) yang dilakukan atau

Q = U + W  U Q - W



2.3.5 ENERGI MEKANIK

Jenis energi ini berkaitan dengan perpindahan atau aliran zat yang nilainya tergantung dari tekanan dan volume yang dimiliki zat tersebut. Dalam aliran ini, seperti halnya zat yang mengalir, setiap massa yang mengalir akan menggantikan massa lain yang sama besarnya. Aliran atau perpindahan massa ini akan terjadi jika ada usaha, yang besarnya tergantung dari tekanan dan volumenya. Jadi, misalkan sejumlah zat masuk ke suatu sistem dengan tekanan p1 dan volume v1, maka zat tersebut akan memindahkan zat yang sebelumnya berada didalam sistem sebesar p1 x v1. Demikian juga jika zat tersebut meninggalkan sistem, akan terjadi aliran atau pemindahan yang besarnya p2 x v2. Dengan demikian maka formula energi mekanik adalah besarnya tekanan dikalikan dengan volume zat atau benda tersebut, atau

EM = p x V

Energi-energi sebagaimana dibahas diatas selalu ada dalam setiap zat atau sistem, tergantung dari posisi dan perubahan yang terjadi. Dalam suatu sistem, zat-zat akan “mengalir” didalam atau melalui sistem, atau masuk ke dalam sistem dan kemudian meninggalkan sistem tersebut. Didalam sistem ini zat yang membawa serta energi-energi tersebut mengalami proses, atau proses-proses, sehingga timbul suatu “usaha”.



2.4 ALIRAN ENERGI


Dalam suatu sistem, jika terjadi aliran atau perpindahan energi, akan selalu diikuti timbulnya sejumlah panas (Q) yang diterima atau dikeluarkan. Dan selama ada aliran zat didalam sistem, akan melibatkan Usaha Luar (W)
Perhatikan gambar yang menggambarkan adanya aliran suatu zat dalam sistem, dimana semua jenis energi terlibat didalamnya :

W

Masuk p1 v1 U1 C1




Keluar P2 v2 U2 C2




z1 Q z2

Garis patokan (Datum level)

Gambar 6
Aliran Energi

Dengan menerapkan konservasi energi, dimana:

TOTAL ENERGI MASUK = TOTAL ENERGI KELUAR

Maka untuk setiap unit massa suatu zat akan berlaku persamaan:





dimana :
g = gravitasi meter/sekon2
z = jarak atau ketinggian meter
p = tekanan Newton/meter2
v = volume (atau volume jenis) meter3 (meter3/kg)
C = kecepatan meter/sekon
U = energi dalam Newton meter atau Joule
Q = jumlah panas Newton meter atau Joule
W = Usaha Newton meter atau Joule

Persamaan ini disebut Steady Flow of Energy Equation atau persamaan energi aliran tetap atau kontinyu.

Seperti diketahui, entalpi (H) adalah jumlah antara energi dalam (U) dengan usaha (W), dimana W = pv, dengan demikian maka persamaan diatas dapat dirumuskan juga dengan:
gz1 + (U1 + p1 v1) +C12/2 + Q = gz2 + (U2 + p2 v2) + C22/2 + W

dimana h1 = U1 + p1 v1 dan h2 = U2 + p2 v2 maka:

gZ1 + h1 +C12/2 + Q = gZ2 + h2 + C22/2 + W


Contoh 2.1

Dalam sistem aliran tetap (steady-flow), suatu zat mengalir dengan jumlah 4 kg/detik, memasuki sistem dengan tekanan 620 KN/m2, kecepatan 300 m /s, perubahan energi dalam 2100 kJ.kg dan volume jenis 0,37 m3/kg. Keluar dari sistem tekanannya 130 kN/m2, kecepatan 150 m/s, energi dalam 1500 kJ/kg dan volume jenis 1,2 m3/kg. Selama mengalir melalui sistem zat tersebut kehilangan panas 30 kJ/kg yang berpindah ke sekelilingnya. Hitunglah tenaga sistem dalam kilowatt, sebutkan apakah tenaganya dihasilkan atau diberikan ke sistem. Abaikan semua kehilangan energi potensial.

Dengan mengabaikan energi potensial, persamaan aliran tetap per kg massa zat tersebut,
U1 + p1v1 + – Q = U2 + p2v2 + + W

Q ditulis negatif karena panasnya hilang (keluar) ke sekelilingnya (30 kJ/kg), maka,
W = (u2 – u1) + (p1v1 – p2v2) + – Q
= (2100 – 1500) + (620 x 0,37 – 130 x 1,2) + x103 - 30
= 600 + (229-156) + (33750)x10-3 – 30 = 676,75 kJ/kg

karena massa zat 4 kg / s, maka output tenaga yang dihasilkan (hasilnya positif)
= 676,75 x 4 = 2.707 kJ/s = 2,707 KW


Contoh 2.2

Uap memasuki turbin dengan kecepatan 16 m/s dan entalpi jenis 2990 kJ/kg. Uap meninggalkan turbin dengan kecepatan 37 m/s dengan entalpi jenis 2530 kJ/kg, dan panas yang hilang ke sekelilingnya 25 kJ/kg. Jumlah uap yang mengalir adalah 324.000 kg/jam. Hitunglah output usaha yang dihasilkan turbin dalam kilowatt.

Dari persamaan 2 diatas, dimana energi potensial diabaikan, persamaan menjadi:

h1 + ½ C12 + Q = h2 + ½ C22 + W
Jadi W = (h1 – h2 ) + - Q = (2990 – 2530) + x10-3 – 25
= 460 + (556,5)x10-3 – 25 = 434,434 kJ/kg

Jumlah uap = 324000 / 3600 = 90 kg/s, jadi:

W = 434,434 x 90 = 39099,87 kJ/s = 39100 KW = 39,1 MW

Persamaan aliran tetap sebagaimana diuraikan sebelumnya berlaku untuk sistem terbuka, atau didalam prakteknya, berlaku untuk mesin-mesin pembakaran luar (external combustion engine) seperti turbin uap dan turbin gas. Sedangkan untuk sistem yang tertutup seperti mesin-mesin pembakaran dalam (diesel, otto, dll.), persamaan diatas tidak berlaku, karena nilai-nilai g.z, pv (usaha), C (kecepatan) harus diabaikan karena mesinnya diam atau tidak bergerak.

Dengan diabaikannya energi-energi potensial dan kinetik, persamaannya menjadi:

U1 + Q = U2 + W atau Q = U2 - U1 + W atau




Persamaan ini disebut Non-Flow Energy Equation (Persamaan Energi Aliran Tertutup). Dengan kata lain, persamaan tersebut dapat dinyatakan sebagai:

Jumlah panas yang dipindahkan ke suatu sistem sama dengan perubahan energi dalam ditambah dengan usaha yang dihasilkan sistem.


Contoh 2.3
Selama langkah kompresi dari sebuah mesin, usaha yang dilakukan adalah 75 kJ/kg dan panas yang keluar dari ke sekelilingnya 42 kj/kg. Berapa perubahan energi dalam yang terjadi, dan sebutkan, apakah naik atau turun.

Jawab:
Q = U + W U = Q - W
U = (-42) – (-75) (ingat: panasnya hilang, dan usaha negatif)
U = + 33 kJ/kg berarti energi dalamnya bertambah atau naik.


2.5 HUKUM THERMODINAMIKA KEDUA

Seperti halnya dengan hukum-hukum Thermodinamika ke-nol dan pertama, hukum kedua thermodinamika ini juga hanya merupakan postulat, atau aksioma, yang berarti pernyataan ini tidak dapat dibuktikan, tetapi kebenarannya tidak dapat dipungkiri. Pengertian pertama dari hukum ini adalah, energi panas hanya dapat berpindah dari sistem yang temperaturnya lebih tinggi ke temperatur yang lebih rendah. Jadi pernyataan ini menunjukkan arah, kemana energi mengalir, dan arah ini tidak berlaku sebaliknya. Hal ini bukan berarti arahnya tidak dapat dibalik sama sekali, hanya saja, untuk membuat agar energi panas yang mempunyai temperatur yang lebih rendah dapat diarahkan ke sistem yang temperaturnya lebih tinggi, dibutuhkan energi lain, yaitu usaha luar yang harus diberikan ke sistem tersebut.

Hukum ini berasal dari pernyataan Clausius (1822-88), seorang filsuf dari Jerman yang menyatakan bahwa tidak mungkin suatu mesin, tanpa bantuan energi luar, yang dapat menyerahkan panas ke sistem yang temperaturnya lebih tinggi.

Inilah yang menjadi prinsip mesin pendingin dan pompa-pompa panas. William Thomson menyatakan, juga Lord Kelvin (1824-1907), yang mengatakan bahwa:
“kita tidak dapat merubah panas menjadi usaha dengan mendinginkan sistem yang temperaturnya sudah dibawah temperatur paling rendah dari obyek-obyek disekelilingnya”

Ini berarti, jika sistem telah mencapai suhu terrendah disekitar sistem, tidak mungkin lagi mengambil panas dan tidak ada lagi usaha yang dapat dilakukan.

Selanjutnya hukum kedua thermodinamika ini juga dapat dinyatakan dengan cara lain, yaitu jika ditinjau dari pernyataan hukum thermodinamika pertama. Walaupun panas adalah energi dan dapat dirubah menjadi usaha dan/atau tenaga, tetapi adalah kenyataan bahwa tidak semua panas dapat dirubah menjadi energi. Panas yang diberikan oleh pembakaran bahan bakar misalnya, tidak seluruhnya dapat dirubah menjadi usaha. Sebagian panas digunakan untuk menaikkan energi dalam (U) mesin itu sendiri (mesin menjadi panas dan perlu didinginkan). Disinilah kemudian dalam praktek sehari-hari, timbulnya efisiensi thermis atau panas.

Esensi lain dari hukum kedua Termodinamika ini adalah, kita tahu bahwa untuk menjalankan berbagai mesin dan alat-alat yang digunakan orang, dibutuhkan sumber energi yang diperoleh dari bahan bakar. Tanpa adanya sumber panas ini, mesin-mesin tidak dapat dijalankan. Sayangnya, bahan bakar yang ada didunia semakin lama semakin berkurang, tidak dapat diciptakan lagi, baik itu minyak, batu bara, kayu dan lain-lain. Hukum Thermodinamika Kedua secara tidak langsung juga memberi peringatan untuk selalu menghemat bahan bakar, terutama minyak, yang suatu waktu nanti, pasti habis. Atau, kita harus segera mencari bahan bakar alternatif, demi kelangsungan hidup yang semakin mudah dan nyaman dengan semakin berkembangnya tehnologi disegala bidang.


2.6 Panas dan Usaha Mekanis

Konversi antara energi panas dengan energi mekanikal telah ditemukan atau diperkenalkan oleh Dr. Joule, yang adalah salah satu ilmuwan yang menyatakan bahwa panas adalah salah satu bentuk energi, melalui hasil uji cobanya.

Dalam satuan SI, satuan panas adalah Joule, demikian juga dengan semua bentuk energi, mempunyai satuan yang sama yaitu Joule. Dan seperti diketahui, usaha yang bersifat mekanis adalah gaya (force = F) sebesar 1 Newton yang bekerja sepanjang jarak 1 meter ke arah dimana gaya tersebut diarahkan, dengan demikain maka satuan usaha adalah Newton meter (NM). Dan 1 Nm = 1 Joule. Jadi disini ada kesamaan satuan antara usaha (mekanis) dengan satuan panas, yaitu Joule. Kesamaan satuan inilah yang merupakan salah satu bukti adanya konversi antara panas dan usaha mekanis, atau:
ekivalen antara panas dan usaha = 1 = 1.
Seperti diketahui, dalam hal gesekan, untuk mengatasi gesekan tersebut diperlukan usaha, dimana energi mekanis atau usaha ini akan berubah menjadi energi panas karena setiap gesekan akan menyebabkan temperatur naik atau timbul panas.

Dalam mekanika, gaya yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan antara dua benda adalah hasil perkalian anatara koefisien gesekan () dengan gaya normal yang bekerja diantara kedua permukaan yang bergesekan, atau:

Gaya gesekan = koefisien gesekan x gaya antara 2 permukaan yang bergesekan






Contoh 2.4

Sebuah poros berputar dengan kecepatan 50 putaran/detik dalam bearing (bantalan) yang didinginkan dengan minyak pelumas, mempunyai diameter 178 mm. Gaya yang bekerja antarapermukaan poros dan bantalan = 2,67 KN dan koefisien gesekan 0,04. Hitunglah:
a. Gaya gesekan pada permukaan poros
b. Energi mekanis akibat gesekan untuk setiap putaran
c. Tenaga yang hilang akibat gesekan
d. Kenaikan temperatur minyak lumas jika volume aliran minyak 18 liter per menit, panas jenisnya = 2 KJ/kg0K dan berat jenisnya 0,9 gr/ml.

Jawab:

a. Gaya gesekan =  x F = 0,04 x 2,67 KN = 0,1068 KN = 106,8 N.

b. Energi mekanis atau usaha yang dibutuhkan untuk mengatasi gesekan per putaran = gaya gesekan x keliling poros =
Fgesekan x x d = 106,8 N x  x 0,178 m = 59,7 Nm = 59,7 J.

c. Tenaga yang dibutuhkan : W/s = Usaha/putaran x putaran/s = 59,7 x 50 = 2985 J/s
= 2985 watt = 2,985 KW.

d. Dalam volume, dengan berat jenis 0,9 gr/ml = 0,9 kg/liter
Massa minyak lumas = volume/detik x berat jenis = 18/60 x0,9 = 0,27 kg/s
Q = massa x panas jenis x T = m kg/s x c x T
2,985 KJ/s = 0,27 kg/s x 2 KJ /kg0K x T T = 2985/0,54 = 5,527 0K
Jadi kenaikan temperatur = 5,527 0K

Untuk air atau zat cair lain yang berada dalam suatu tabung atau bak, jika terjadi perubahan temperatur, akan menerima panas yang sama dengan panas yang dipindahkan dari/oleh tabungnya.

Sebagai contoh, tabung alumunium yang mempunyai massa 2 kg dengan panas jenis 0,912 KJ/kg0K, akan menerima panas sebesar Q yang sama dengan massa x panas jenis x perubahan temperatur, dimana :
o untuk air sebesar Qw = mw x cw x Tw
o untuk tabung sebesar Qa = ma x ca x Ta

panas yang diterima sama dengan panas yang diberikan, atau Qw = Qa,
maka mw x cw x Tw = ma x ca x Ta , dan perubahan temperaturnya sama, atau Tw = Ta sehingga:

mw x cw = ma x ca atau mw = ma x ca / cw

Jika panas jenis air = 4,2 KJ/kg0K, maka mw = ma x ca / cw = 2 x 0,912/4,2
Jadi, massa air mw = 0,4343 kg.

Ini berarti, 0,4343 kg air membutuhkan sejumlah panas yang sama dengan panas yang dibutuhkan oleh tabung alumunium untuk menaikkan temperaturnya dengan jumlah kenaikan suhu yang sama (Tw = Ta). Adalah perlu untuk mengetahui ekuivalen dari kalorimeter laboratorium. Jika air didalam tabung, temperatur tabung akan sama dengan air yang ada didalamnya, dan jika temperatur air berubah, maka temperatur tabung juga berubah. Itulah mengapa tambahan masa air sebanding dengan ekuivalen air tabungnya.
Jika dua zat yang berbeda suhunya dicampur, panas akan dipindahkan dari zat yang suhunya lebih tinggi ke zat yang suhunya lebih rendah, hingga keduanya mempunyai suhu sama. Kecuali dinyatakan lain, dianggap bahwa tidak ada pengaruh atau panas yang dipindahkan, baik dari luar maupun dari dalam selama proses berlangsung. Dengan demikian jumlah panas yang diserap oleh zat yang lebih rendah suhunya sama dengan panas yang hilang atau diambil dari zat yang lebih tinggi suhunya.

2.7 Uap (Steam)

Uap adalah gas atau bentuk lain dari air, yang diperoleh dengan memanaskan air hingga suhu tertentu, hingga air mendidih. Dalam keadaan sesungguhnya, setiap saat, pada temperatur berapapun, air selalu menguap. Namun hal ini hanya terjadi di permukaan, dan temperatur uap ini tetap rendah, sama dengan temperatur air itu sendiri. Adapun uap yang dimaksud disini adalah uap air, hasil dari pemanasan air hingga mendidih, dimana selanjutnya seluruh air yang dipanaskan akan menjadi uap. Ini terjadi pada “titik didih” air, pada tekanan dan temperatur tetap yang tertentu, tergantung tekanannya.

Terdapat tiga jenis uap :
o uap jenuh (saturated steam)
o uap basah (wet steam)
o uap panas lanjut (superheated steam)

Uap jenuh adalah uap yang mempunyai temperatur dan tekanan “seimbang”, atau mempunyai tekanan tertentu pada temperatur tertentu. Artinya, jika temperaturnya berubah, maka tekanannya juga akan berubah, demikian juga sebaliknya. Pengertian lain adalah, pada tekanan tertentu, air yang dipanaskan akan mendidih pada temperatur tertentu, yang terus berlangsung hingga semua air berubah menjadi uap. Sebaliknya, jika uap didinginkan pada tekanan tertentu, maka pada temperatur tertentu uap akan berubah menjadi air yang akan berlangsung terus hingga semua uap berubah menjadi air.
Uap basah adalah uap yang mengandung butiran air, yang terjadi selama proses perubahan air menjadi uap atau uap menjadi air, pada titik didih dengan tekanan seimbang. Perbandingan antara uap dan air disini disebut “derajad kekeringan” (dryness factor), dalam prosen. Jika derajad kekeringan 80%, berarti massa uap akan terdiri dari 80% uap dan 20% air.
Uap panas lanjut adalah uap jenuh yang jika dipanaskan terus temperaturnya akan naik, yang terjadi baik pada tekanan tetap maupun berubah.
Seperti telah dipahami, bahwa perubahan bentuk suatu zat akan terjadi jika zat menerima atau kehilangan panas, dan perubahan ini disebut perubahan fase. Sewaktu berbentuk padat, zat berada dalam fase padat, dan jika berubah menjadi cair, fasenya berubah menjadi fase cair, dan selanjutnya menjadi fase gas.
Untuk merubah bentuk zat-zat tersebut diperlukan sejumlah panas yang berbeda antara satu zat dengan zat lain. Demikian juga dengan jumlah panas yang dibutuhkan dalam setiap tahap perubahan sejak tahap pemanasan fase padat hingga temperatur pencairan dan penguapan.
Jumlah panas yang dibutuhkan sesuai dengan tahapnya, pada (tekanan tetap) dapat dijelaskan sebagai berikut :
a. Tahap pemanasan fase padat, jumlahnya tergantung pada massa, panas jenis dan selisih temperaturnya (m x c x T).
b. Tahap pencairan, temperatur dan tekanan tetap, jumlah panas yang harus diberikan hingga seluruh zat berubah menjadi cair disebut panas laten pencairan.
c. Tahap cair, dimana zat yang seluruhnya menjadi cair dinaikkan suhunya hingga mendidih dan mulai menjadi gas. Jumlah panas yang diperlukan tergantung massa, panas jenis dan selisih suhu. (m x c x T)
d. Tahap pembentukan gas, temperaturnya tidak naik lagi atau tetap dan zat berada dalam dua-fase, cair dan gas. Panas yang diberikan disini disebut panas laten penguapan, hingga semua cairan berubah menjadi gas.
e. Tahap terakhir adalah tahap pemanasan gas, dimana temperaturnya akan naik lagi, dan dalam kondisi ini gas disebut panas lanjut.

Peristiwa tersebut berlaku untuk hampir semua zat, termasuk air, yang pada temperatur dibawah 00C, berbentuk padat (es), dan pada temperatur diatas 1000C, pada tekanan 1 bar, berubah menjadi uap. Pada kedua temperatur tersebut, (0 dan 1000C), air berada dalam sistem dua fase, yaitu padat-cair dan cair-uap. Skema proses-proses ini dapat dilihat pada gambar 2 di halaman 12. Didalam ketel uap, air mempunyai dua bentuk, yaitu cair dan uap, termasuk gelembung-gelembung yang terjadi. Karena itu ketel juga disebut sistem dua fase karena didalamnya ada zat yang mempunyai dua fase, yaitu air dan uap.
Dari pembahasan sebelumnya diketahui bahwa air mempunyai entalpi. Disamping tergantung pada massa dan panas jenisnya, entalpi juga tergantung pada temperatur dan tekanannya. Dengan mengetahui entalpinya, kita dapat menghitung berapa panas yang dipindahkan atau berubah menjadi tenaga.
Dalam pembentukan uap, ada tiga tahap dan tiga jenis panas yang perlu dibahas:
o Tahap pertama, air dipanaskan hingga temperatur jenuh (saturation temperature) dan panas yang dibutuhkan disebut entalpi cair (liquid enthalpy). Pada tahap ini tekanan tetap, temperaturnya naik.
o Tahap kedua, air mulai berubah menjadi uap atau sehari-hari disebut mendidih, namun tekanan dan temperaturnya tidak berubah sampai semua air menjadi uap. Istilah lain, perubahan dimulai dari temperatur jenuh dan diakhiri pada temperatur jenuh uap (dry saturated steam). Panas yang dibutuhkan untuk ini disebut Entalpi penguapan (evaporation enthalpy).
o Tahap ketiga, dimulai dari uap jenuh kering hingga uap menjadi uap panas lanjut (superheat steam), dimana temperaturnya akan naik walaupun tekanannya tetap. Panas yang dibutuhkan disebut entalpi panas lanjut (superheat enthalpy).

Jadi, temperatur hanya akan naik (atau turun) terjadi pada tahap fase tunggal, sedangkan pada tahap dua-fase, temperatur tetap, hingga seluruh zat berubah menjadi fase tunggal. Sebenarnya, perubahan bentuk padat, cair dan gas adalah kegiatan molekuler, dimana terjadi tarik menarik atau pengembangan/penyusutan antara molekul-molekulnya.
Semakin tinggi “panas laten” yang dimiliki zat, pengembangan molekul semakin bebas walaupun masih terikat pada massa utamanya. Itulah sebabnya air mudah berubah bentuk, dan uap bahkan sangat cepat mengembang dan berpindah, dan volume jenisnya semakin besar.
Dari penjelasan diatas dapat diambil kesimpulan, bahwa entalpi suatu zat disamping tergantung dari massa, panas jenis dan selisih temperaturnya (atau = perubahan energi dalam - U), juga tergantung pada temperatur, tekanan serta volume zat itu sendiri. Dengan istilah lain, untuk per kg massa, :

H = U + pV atau h = u + pv

dimana H = entalpi
U = energi dalam (= m x c x T)
p = tekanan
v = volume (jenis)


2.8 Titik Tripel

Apa yang dimaksud dengan “jenuh” atau saturated adalah suatu kondisi zat dimana terjadi keseimbangan diantara tekanan dan temperaturnya. Artinya, air atau uap pada temperatur tertentu, walaupun dipanaskan, tidak terjadi lagi penguapan pada suatu tekanan tertentu.
Disini dikatakan tekanan dan temperatur seimbang, tetapi akan kembali terjadi penguapan, jika tekanannya naik atau jika dipanaskan hingga temperaturnya naik. Demikian juga pada temperatur tertsebut akan terjadi kesimbangan lagi, atau tidak terjadi lagi penguapan lagi hingga tekanan tertentu. Kondisi ini digambarkan dalam grafik dihalaman berikut. Garis yang menggambarkan keseimbangan tekanan dan temperatur ini adalah “garis jenuh”, atau keadaan dimana air dalam keadaan jenuh. Ini juga berlaku untuk uap.

375


300



250



200



150


100

50


5 10 15 20 Tekanan Mutlak (bar)
Gambar 7
Keseimbangan Tekanan dan Temperatur


Jika grafik / gambar 7 diatas diperbesar pada bagian temperatur yang rendah, akan terlihat grafik seperti gambar 8 dibawah ini.

Garis yang membatasi garis air dan uap adalah garis keseimbangan cair – gas (atau juga garis jenuh cair dan gas). Selanjutnya terdapat garis lain, yang disebut garis keseimbangan padat–cair, yaitu yang membatasi garis padat dan cair. Kedua garis ini saling bertemu di titik 3, yang disebut Titik Triple.

t
Garis keseimbangan 2
Cair – gas

Titik Triple
Garis keseimbangan padat - cair
3 1

4




p4 pifg p1 p


Gambar 8
Titik Tripel

Garis padat-cair memanjang sejajar garis tekanan karena secara fisik, pada perubahan dari padat ke cair atau titik leleh, tekanannya hanya sedikit atau bahkan tidak berubah. Seperti diketahui, perubahan tekanan pada titik beku (freezing point) air hanya sedikit berubah sampai tekanan lk. 200 MN/m2. Berbeda dengan garis keseimbangan cair-gas dimana kenaikan temperatur pada kondisi jenuh (saturation), dalam grafik tekanannya terlihat ikut naik.

Dari gambar 8 terlihat, pada tekanan p1 dan temperatur dibawah titik 1, zat berbentuk padat (es). Pada titik 1 terjadi perubahan dari padat ke cair (zat meleleh / melebur – titik lebur) dan disini disebut padat seimbang dengan cair. Pada temperatur diatas titik 1 dan dibawah titik 2, seluruh zat berbentuk cair, sedangkan pada titik 2 terjadi perubahan dari cair ke uap (gas), atau mendidih, dan disebut cair seimbang dengan gas. Pada temperatur diatas 2, semua zat berbentuk gas.

Pada titik triple, tekanannya Pifg dan temperatur dibawah titik 3, semua zat berbentuk padat. Pada titik 3, titik triple, semua bentuk zat, baik padat, cair maupun gas terjadi, atau ketiga bentuk zat terjadi secara bersamaan dalam keadaan seimbang. Diatas titik 3, semua zat berbentuk gas. Pada tekanan p4 (< pifg), pada temperatur dibawah titik 4, semua zat berbentuk padat. Pada titik 4, terjadi perubahan langsung dari padat ke gas (uap), dan pada kondisi ini disebut padat seimbang dengan gas. Perubahan langsung dari padat ke gas / uap disebut Sublimasi.

Temperatur diatas titik 4 semua zat berbentuk gas.


2.9 Entalpi dan Pembentukan Uap pada Tekanan Tetap

Seperti dijelaskan sebelumnya, entalpi adalah jumlah panas yang dimiliki oleh suatu zat, yang diformulasikan sbb.:
H = U + PV

sedangkan, Q = U + W = (U2–U1) + p(V2–V1) = (U2 + pV2) – (U1 + pV1), maka:
Q = H2 – H1 perubahan entalpi, atau
Q = h2 – h1 perubahan entalpi jenis (spesifik – per kg massa)

Nilai atau besarnya entalpi untuk uap, atau untuk gas-gas lainnya pada tekanan tetap dapat diketahui dari tabel-tabel yang sudah disusun dalam bentuk tabuler. Tabel-tabel ini disusun berdasarkan praktek / pengalaman sejak tahun 1900, dan yang terkenal dibuat oleh Callendar, Keenan dan Keyes.
Untuk air misalnya, untuk menaikkan hingga suhu tertentu, panas yang dibutuhkan disebut entalpi cair, ditulis dengan kode hf satuannya kJ/kg. Nilai entalpi air, dapat dilihat dalam tabel, jika tidak ada, dapat dicari dengan rumus:

hf = 4,1868 x tf kJ/kg, dimana tf dalam 0C (khusus untuk air).

Persamaan ini hanya mendekati tepat pada temperatur dan tekanan rendah, semakin tinggi temperatur dan tekanannya, perbedaan dengan yang terdapat dalam tabel semakin besar.
Sebagai contoh, hf pada tekanan atmosfir dan suhu 1000C adalah 417,5 kJ/kg, tetapi jika dihitung menurut formula diatas,

hf = 4,1868 x 100 =418,68 kJ/kg.

Contoh lain, pada tekanan 1 MN/m2, temperatur 179,90C, entalpinya =

hf = 4,1868 x 179,9 = 753,2 kJ/kg , padahal dalam tabel = 762,2 kJ/kg.

Untuk mendapatkan entalpi penguapan, biasa ditulis hfg, nilainya hanya dapat diperoleh dari tabel, yang kemudian ditambahkan pada nilai entalpi cair jenuh. Entalpi penguapan dulu disebut sebagai panas laten yang sekarang istilah tersebut sudah tidak digunakan. Selanjutnya adalah entalpi uap jenuh yang biasa ditulis hg. Nilai entalpi uap jenuh didapat dari jumlah entalpi cair (hf) dengan entalpi penguapan (hfg), atau:
hg = hf + hfg kJ/kg.

Entalpi uap panas lanjut (superheated vapour), atau entalpi uap yang mempunyai temperatur diatas temperatur uap jenuh, adalah entalpi uap jenuh ditambahkan pada entalpi uap jenuh dimana nilai totalnya adalah :

h = hg + entalpi panas lanjut
Entalpi panas lanjut ini juga dapat dihitung dengan formula cp (tupl – tf), dimana cp adalah panas jenis uap panas lanjut dan t = suhu uap panas lanjut. Dengan demikian maka nilai seluruh entalpi untuk uap panas lanjut adalah:

h = hg + cp (tupl – tf)

dimana nilai rata-rat cp untuk uap panas lanjut adalah 2.0934 kJ/kg0K.
Nilai h yang akurat dapat diperoleh dari tabel uap panas lanjut, sedangkan nilai yang didapat dari formula diatas hanya nilai perkiraan saja. Keadaan uap selain uap jenuh dan uap panas lanjut adalah Uap Basah. Yang dimaksud adalah keadaan dimana sebagian uap tersebut terdiri dari butir-butir air. Jumlah butir-butir air atau keadaan uap basah ini dinyatakan dalam persen (%).
Misalkan uap basah mempunyai kekeringan 90%, artinya, dari seluruh jumlah uap tersebut 90% adalah massa uap kering, dan 10% sisanya terdiri dari butir-butir air. Atau, jika dikatakan uap basah mempunyai derajat kekeringan (dryness fraction) x, maka uap tersebut mengandung (1-x) air. Nilai entalpi uap basah adalah sbb.:

h = hf + x.hfg

Contohnya, jika diketahui uap basah pada tekanan 70 kN/m2 mempunyai entalpi cair 376,8 kJ/kg dan derajat kekeringan 0,85, maka entalpi uap basahnya:
h = hf + x hfg = 376,8 + 0,85 x 2283.3 = 2321,8 kJ/kg.

2.10 Diagram Temperatur – Entalpi (T-H Diagram)

Gambar dihalaman berikut memperlihatkan kurva temperatur uap yang dikombinasikan dengan entalpi, yang terjadi pada tekanan tetap.

Disini air pada temperatur 273,150K atau 0,010C, dianggap mempunyai entalpi NOL.


K G D
Garis cair jenuh

H J



E F


B C
tf




0,01 0C A
Entalpi

Hf Hfg panas lanjut

hg
h

Gambar 9
Diagram Temperatur-Entalpi
Dari titik A pada garis temperatur, dilukiskan fase cair yang jika temperaturnya dinaikkan, akan membentuk kurva A-B. Di titik B, dimana air mendidih, entalpinya dianggap hf dengan temperatur jenuh tf. Dari sini dapat ditarik garis BC yang merupakan garis temperatur tetap hingga C dimana seluruh air telah berubah bentuk menjadi uap. Disini BC menggambarkan besarnya entalpi penguapan (evaporation enthalpy) dan jika diteruskan pemanasannya, akan terbentuk garis CD yang adalah garis uap panas lanjut.

Dengan demikian terlihat ketiga tahap atau fase dari air, yang dimulai dari padat (sebelum titik A), fase cair (AB) dan fase uap (CD) serta garis BC dimana air berada sekaligus dalam dua fase. Selain temperaturnya, juga dapat dilihat berapa entalpi air (atau uap) pada tiap-tiap keadaan atau jumlah panas yang dibutuhkan untuk mencapai keadaan yang diperlukan tersebut.

Keadaan yang tergambar menurut garis ABCD adalah garis yang terjadi pada tekanan tertentu (misalnya 1 bar). Jika tekanannya dinaikkan, garisnya akan menjadi AEFG atau AHJK. Disini garis ABEH adalah garis cair jenuh (saturation liquid line) sedangkan JKC, jika dihubungkan, akan membentuk garis uap jenuh (saturation vapour line). Selanjutnya, dapat dibuat grafik yang lebih lengkap yang menggambarkan keadaan-keadaan air, yaitu gambar 10, diagram T-S atau diagram Temperatur-Entropi, termasuk nilainya sehingga memudahkan kita untuk mencari jumlah tekanan, temperatur, entalpi dan lain-lain.

GAS
J H G F
Titik Kritis
22,12 MN/m 2
374,15 0C

A
344.8 UAP
daerah cair
318,0 B

Garis uap basah (%)
C
287.7 Daerah uap panas lanjut

Garis cair jenuh Daerah uap basah
137.9
D
Garis uap jenuh
65.9


0,01

Entropi
Gambar 10
Diagram T-S
Disamping data-data diatas, pada grafik ini juga terlihat suatu titik yang disebut TITIK KRITIS, yaitu titik pertemuan antara garis cair jenuh dengan garis uap jenuh. Pada air, titik ini terjadi pada tekanan 22,12 MN/m2 dan temperatur 374,150C. Titik ini sangat unik, dimana suatu gas yang dikompresikan tidak akan bisa berubah menjadi cair, dan sebaliknya, zat tersebut tidak akan bisa mempunyai temperatur diatas temperatur titik ini dalam bentuk cair.

Dalam praktek sehari-hari terdapat jenis diagram yang disebut diagram Mollier, sesuai dengan nama ahli tehnik yang membuatnya. Perbedaan dengan diagram diatas adalah tidak menggunakan temperatur dan entropi sebagai parameternya, tetapi menggunakan entalpi dan entropi, dan biasa disebut diagram H-S. Diagram ini sangat praktis dan banyak digunakan untuk mendapatkan jumlah-jumlah panas, terutama untuk uap, baik entalpi maupun entropinya pada suhu dan tekanan tertentu, bahkan volume jenisnya. Contoh diagram ini dalam satuan SI dilampirkan pada bagian belakang buku ini.


BAB 4
PROSES-PROSES









Sebagaimana dijelaskan dibagian depan, dialam sistem terjadi proses atau proses-proses, dimana akan terjadi perubahan didalam sistem, baik menyangkut panas, energi dalam dan usaha, termasuk tekanan, volume dan temperatur dalam sistem tersebut. Proses adalah perubahan suatu keadaan, dan tentunya untuk mengetahui ada tidaknya suatu perubahan, harus diketahui dulu keadaan awal, dan sifat atau properties apa saja yang berubah, dan apa saja yang tidak berubah. Dengan mengetahui perubahan-perubahan dalam sifat atau properties ini, kita dapat mencari seberapa besar panas dan usaha yang terlibat, atau yang diperoleh, atau yang dikeluarkan / hilang. Dengan demikian, persamaan keadaan sebagaimana yang telah dibahas pada bab sebelumnya, adalah formula yang sangat penting dan menjadi dasar dari semua perhitungan yang akan dibuat.

Seperti diketahui persamaan keadaan adalah :

PV = m R T atau PV/ T = Constan
jika berubah, maka




Berikut adalah jenis-jenis proses yang dapat terjadi :

1. Proses volume tetap atau isovolume
2. Proses Tekanan tetap atau isobar
3. Proses Temperatur tetap atau isothermis
4. Proses Adiabatis, dimana tidak ada panas yang masuk atau keluar
5. Proses Politropis (proses selain proses-proses diatas).

Sebenarnya ada jenis proses lain yang sering dibahas dalam thermodinamika, yaitu proses isentropis, singkatan dari iso – entropi atau entropi tetap, tetapi pada dasarnya ini hampir sama dengan proses adiabatis.





3.1 PROSES VOLUME TETAP

Proses atau perubahan keadaan yang terjadi jika selama proses berlangsung volumenya tetap, disebut proses volume tetap atau proses isovolume. Disini, persamaan keadaan dimana p.v = m.R.T atau pv/T = C berlaku, dan jika proses berjalan dari keadaan 1 ke keadaan 2, maka :

= dan karena v1 = v2

maka pada proses volume tetap, persamaannya menjadi :
=

Untuk membantu dan memudahkan pemahaman proses ini, kita dapat membuat diagram-diagram, yang merupakan gabungan dua dari tiga besaran p, V dan T. Untuk proses isovolum, diagramnya diperlihatkan sbb.:


P P V
P1 1 P1 1 1 2
V1 = V2



P2 2 2

V1 = V2 V T1 T2 T T1 T2 T


Diagram P-V Diagram P-T Diagram V-T

Gambar 11
Diagram Proses Isovolum

Dalam proses volume tetap, usaha (W) tidak ada atau nol karena tidak ada perubahan volume, dengan demikian maka jumlah panasnya (Q) sama dengan jumlah kenaikan energi dalam (U). Berdasakan hal ini, maka pada proses isovolum akan berlaku persamaan-persamaan berikut :

Panas Q = m. cv T = m.cv.(T2 - T1)

 Energi Dalam  U = Q = m.cv.(T2 - T1)

Usaha W = 0

Contoh Soal - 3.1.

Dari alat pengukur tekanan (manometer), diketahui tekanan botol angin yang berisi udara adalah 21 Bar dan temperaturnya 500C. Jika Ketetapan Gas udara R = 290 J/kg, hitunglah massa udara tersebut jika volume botol udara 0,45 m3. Setelah beberapa lama ternyata temperaturnya turun hingga 250C. Berapa sekarang tekanannya dan berapa panas yang hilang ke sekeliling botol udara tersebut.

Jawab:

Dianggap tekanan udara atmosfir = 1 Bar, maka:
tekanan absolut udara di botol = p = 21 + 1 Bar = 22 Bar = 22 x 100 kN/m2.
a. PV = m R T m = = 2200 x 0,45 / 0,290 x (50+273) kg
Massa udara m = 10,56 kg.
b. Volume botol udara tetap, sehingga p2 =
Tekanan menjadi p2 = 2200 x (273+25) : (273+50) = 2200 x 298/323 KN/m2
atau p2 = 2030 KN/m2 = 20,3 Bar (tekanan mutlak)
adapun manometernya akan menunjukkan tekanan (20,3 – 1) bar = 19,3 bar.

c. Panas yang hilang ke sekelilingnya Q =m x cv (T2-T1)
jika cv diambil = 0,720 KJ/kg0K, maka
Q = 10,56 x 0,720 x (50-25) = 190 KJ



3.2 PROSES TEKANAN TETAP

Proses atau perubahan keadaan berlangsung dalam kondisi tekanan tetap, dan seperti halnya dengan proses volume tetap, maka persamaan p1v1/T1= p2v2/T2 juga berlaku, dan karena p1= p2, maka persamaan tersebut menjadi :

=

Proses ini dapat diperlihatkan dalam diagram-diagram sbb.:


P P V

P1 1 2 p1 = p2 1 2 V2 2



V1 1


V1 V2 V T1 T2 T T1 T2 T

Diagram P-V Diagram P-T Diagram V-T

Gambar 12
Diagram Proses Isobar

Adapun jumlah panas, energi dalam dan Usaha dalam proses tekanan tetap, dapat ditunjukkan dengan persamaan-persamaan berikut :

Panas Q = m . cp T = m . cp . (T2 - T1)

Energi Dalam U = m . cv . (T2 - T1) atau
U = Q - W

Usaha W = p (V2-V1)

Contoh Soal – 3.2

Didalam sebuah silinder udara bertekanan 15 Bar mendorong torak kearah bawah dengan tekanan tetap dari volume semula 0,015 m3 hingga volumenya menjadi 0,040 m3. Jika temperatur udara mula-mula 350C, berapa temperatur akhirnya ?.

Hitung pula berapa usaha luar yang dihasilkan dan massa udara jika panas jenis udara pada tekanan tetap 1,02 KJ/kg0K, dan R udara = 291 J/kg0K.

Jawab:
Proses tekanan tetap, jadi = T2 =
T2 = 308 x 0,040/0,015 = 308 x 8/3 = 8210K = 548 0C

Usaha luar W = p (V2 – V1) = 1500 x (0,040 – 0,015) = 375 KNm = 375 KJoule

PV = mRT m = PV : RT = (1500 x 0,015) : (0,291 x 308) = 0,25 kg

Panas Q = m,Cp (T2-T1) = 0,25 x 1,02 x (821 – 308) = 130,8 KJ.


3.3 PROSES TEMPERATUR TETAP

Jika selama proses berlangsung dari keadaan 1 ke keadaan 2 temperaturnya tetap, seperti halnya dengan proses volume dan tekanan tetap, maka persamaan p1v1 / T1 = p2v2 / T2 juga berlaku, tetapi disini T1= T2, sehingga persamaannya menjadi :

p1v1= p2v2
(Bandingkan dengan hukum Boyle)

P P V
1 1 2
P1 P1 V2




P2 2 P2 2 V1 1


V1 V2 V T1 = T2 T T1= T2 T

Diagram P-V Diagram P-T Diagram V-T

Gambar 13
Diagram Proses Isothermis

Dalam proses ini, karena temperaturnya tetap, berarti energi dalamnya (U) juga tetap, tidak ada kenaikan atau penurunan energi dalam, atau U = 0. Karena itu, formula-formula untuk mencari jumlah panas, energi dalam dan Usaha dalam proses ini dapat ditunjukkan dengan persamaan-persamaan berikut :
Panas Q = p1.v1 ln ( )
 Energi Dalam  U = 0
Usaha W = p1 v1 ln ( )

Contoh Soal – 3.3

Pompa sepeda yang diameter silindernya 4 cm dan langkahnya 60 cm, digunakan dengan sangat pelan hingga temperaturnya tetap. Perbandingan kompresi pompa adalah 20, dan jika udara yang dihisap pompa tekanannya 1 Bar dan suhunya 300C, berapa tekanan akhirnya dan berapa massa udara yang dipompa setiap langkah toraknya. Hitung juga usaha luar yang dibutuhkan setiap langkahnya.

Jawab:

Volume langkah pompa = /4 d2 x l = 0,785 x0,0042 x 0,060 = 7,536x10-5 m3 = 753,6 cm3
V1 = 20 V2, sedangkan volume langkah torak adalah V1 – V2 = 753,6x10-6 m3
(V1 – V2) : 20 = 19/20 x V1 = vol. langkah, jadi V1 = 20/19 x 753,6x10-6 = 793,1x10-6 m3
V2 = 793,1x10-6 – 753,6x10-6 = 39,5x10-6 m3 = + 40 cm3

Jika R udara diambil 290 J/kg0K, maka m udara = PV : RT
m = (100 x79,31x10-6 ) : ( 0,29x303) = 90,25x10-6 kg atau 0,925 gram tiap langkah

Usaha luar (W) = p1V1 ln (V2/V1 ) = 100 x 793,1x10-6 x ln (1/20)
= - 237591,5 x 10-6 KNM =
= - 237,6 x 10-3 KJ = - 237,6 Joule
(catatan : nilai negatif berarti usaha diberikan dari luar)


3.4 PROSES ADIABATIS

Yang dimaksud dengan proses adiabatis adalah perubahan keadaan dari keadaan 1 ke keadaan 2, yang selama berlangsung tidak ada panas (Q) yang masuk maupun yang keluar, atau Q = 0. Walaupun demikian, persamaan p1v1/T1= p2v2/T2 tetap berlaku, tetapi karena Q = 0, maka persamaannya antara masing-masing keadaan menjadi :
p1v1= p2v2

= ( )-1 = ( )

 disini disebut sebagai indek proses adiabatis, yang nilainya sama dengan cp dibanding cv, atau
 =
Adapun persamaan Q = U + W, karena Q = 0, menjadi :

U = - W
dimana
W =
dan
U =

Diagram untuk proses adiabatis:


P P V
1 1 2
P1 P1 V2



1
P2 2 P2 2 V1


V1 V2 V T1 T2 T T1 T2 T

Diagram P-V Diagram P-T Diagram V-T

Gambar 14
Diagram Proses Adiabatis


Contoh Soal - 3.4
Pompa sepeda mempunyai diameter silinder 4 cm dan langkah 60 cm, digunakan dengan sangat cepat hingga tidak ada panas yang masuk maupun keluar. Perbandingan kompresi pompa adalah 20, dan jika udara yang dihisap pompa tekanannya 1 Bar dan suhunya 300C, berapa tekanan akhirnya dan usaha luar yang dibutuhkan setiap langkahnya.

Jawab:

Karena gerakan pompa dilakukan sangat cepat, disini terjadi proses adiabatis, atau tidak terjadi perpindahan panas dari maupun masuk pompa.

V1 = 793,1x10-6 m3 dan V2 = 39,5x10-6 m3 (lihat contoh soal 20)

Proses adiabatis. p1V1 = p2V2 p2 = p1. (V1/ V2) = 100 x 201,4 = 6629 KN/m2

Usaha luar (W) = nilai  diambil 1,4
Jadi W = = 2,5 x (79310 – 208150)x10-6
= - 322125 x 10-6 KNm = - 322 Nm = - 322 Joule

(catatan : nilai negatif berarti usaha diberikan dari luar)




3.5 PROSES POLITROPIS

Sebenarnya proses politropis adalah suatu proses sembarang dari keadaan 1 ke keadaan 2, Tidak banyak perbedaan dengan proses adiabatis, hanya jika pada proses adiabatis indek prosesnya , pada proses politropis indek prosesnya n. Persamaan p1v1/T1= p2v2/T2 tetap berlaku, tetapi untuk mendapatkan persamaan antara masing-masing properti, maka persamaan yang berlaku disini menjadi :

p1v1n= p2v2n

= ( )n-1 = ( )nn


P P V
1 1 2
P1 P1 V2


P2 2
P2 2 V1 1



V1 V2 V T1 T2 T T1 T2 T

Diagram P-V Diagram P-T Diagram V-T

Gambar 15
Diagram Proses Politropis

Selanjutnya, persamaan untuk Q, U dan W, menjadi :

Q = = cv ( ) (T2 – T1)
U = cv (T2 – T1) = ( p1v1 - p2 v2 )
W = (p1v1 - p2 v2)

Panas jenis untuk proses politropis mempunyai nilai sendiri (cn) yang besarnya:
cn = cv


Contoh soal - 3.5

Satu kilogram gas mengembang sesuai formula pV 1,3 = C dari tekanan 1 MN/m2 dan volume 0,003 m3 menjadi tekanan 0,1 MN/m2. Berapa panas yang diterima atau dibuang selama proses ini, dan berapa panas jenis politropis dari gas ini (cn)

Jawab:

Karena belum diketahui, nilai  diambil = 1,4 dan cv = 0,718 kJ.kg.0K.

p1v1n= p2v2n ------ v2 = v1n (p1 / p2)1/ n

v2 = v1 (p1 / p2)1/1-3 = 0,003 (1 / 0,1) 1/1-3 = 0,003 x 5,87 = 0,0176 kJ.kg.0K

Q = (-n / -1) W = (-n / -1) x (p1v1 - p2v2 ) / n-1
= ((1,4–1,3) / (1,4-1)) x (1x0,003 – 0,1x0,0176) / (1,4-1)
= 0,1 / 0,4 x 0,003 – 0,00176 / 0,3 = 0,00103 MJ = 1,03 KJ

cn = (-n / -1) x W = 0,718 x (1,4–1,3 / 1,4–1) = 0,718 x 0,1/0,3 = 0,239 kJ.kg.0K.



Persamaan dan Perbedaan Proses-Proses

Untuk membedakan dan memudahkan dalam membuat analisa proses-proses tersebut diatas, skema dibawah ini akan memberikan gambaran yang lebih jelas persamaan dan perbedaan yang khas dari masing-masing proses:



Proses T=C (n=1) Proses Politropis (n=n) Proses Adiabatis (n=)























Gambar 16
Proses-proses Termodinamika


Seperti dijelaskan, proses politropis adalah proses sembarang, atau proses selain dari proses-proses tekanan tetap, proses volume tetap, proses temperatur tetap dan proses adiabatis, atau, semua proses sebenarnya adalah politropis.
Yang membedakan masing-masing proses adalah indek politropisnya, yaitu nilai n, dimana pada semua proses sebenarnya berlaku pvn = C.

Keempat proses lainnya, mempunyai nilai n yang berbeda, yaitu:

• Proses Temperatur tetap T = C n = 1
• Proses adiabatis (Q = 0) n = 
• Proses Tekanan tetap p = C n = 0
• Proses Volume tetap V = C n = ~ (tak terhingga).

Dalam bab lain akan ditemukan istilah proses isentropis, atau proses iso-entropi, yang berati entropi tetap. Walaupun berbeda pengertian dan istilah, namun pada dasarnya proses ini sama dengan proses adiabatis, karena jika entropinya tetap, berarti tidak ada panas yang masuk atau yang keluar, atau jumlah panasnya tetap, berarti Q = 0.


3.6 NOSEL dan PENCEKIKAN (THROTTLING)

Nosel adalah suatu alat yang dibuat untuk menurunkan tekanan suatu gas atau uap melalui sebuah “celah” dalam saluran gas yang dibuat sempit, dan kemudian pada sisi sesudahnya dibuat lebih lebar. Gas yang bertekanan tinggi akan terhambat oleh celah ini sehingga bukan saja tekanannya turun, tetapi kecepatannya juga akan naik. Tujuan utama nosel adalah untuk memperoleh kecepatan gas/uap yang lebih tinggi agar memperoleh energi kinetik untuk menggerakkan, misalnya sudu-sudu sebuah turbin.


A B (leher) C

Area masuk Area keluar

p1, V1, T1, C1, h1 p2, V2, T2, C2, h2




Gambar ...
Nosel Divergen-Konvergen

Proses pencekikan atau throttling adalah suatu proses dimana tekanan suatu gas yang pada awalnya tinggi, diturunkan dengan tiba-tiba sehingga tekanannya menjadi rendah. Proses ini terjadi di Turbin Uap, yaitu di nosel atau di pipa pancar dan di sudu-sudunya, dengan tujuan meningkatkan kecepatan uap. Yang khas dari proses ini adalah, untuk zat berbentuk gas dan jenuh kering, yang mengalami proses throttling entalpinya tetap atau dianggap tetap. Berbeda dengan mesin pendingin (refrigerator), proses ini digunakan untuk merubah media pendingin yang sebelumnya berbentuk cair, dirubah menjadi gas, yaitu untuk mendapatkan efek pendinginan.

Gambar diatas memperlihatkan nosel jenis divergen-konvergen, dimana diketahui divergen artinya area sisi masuk lebih besar dari sisi keluar, kebalikan dengan konvergen, dimana area sisi keluarnya yang lebih besar. Disini berlaku persamaan energi aliran tetap (Steady Flow Energy Equation). Karena dalam hal ini energi potensial tidak ada, dan usaha luarpun tidak terjadi, maka berlaku:

untuk setiap massa tertentu (1 kg).

Dalam beberapa hal, karena peristiwa ini terjadi sangat cepat, maka tidak terjadi perubahan panas, atau Q = 0, atau prosesnya terjadi secara adiabatis. Maka,

atau

dan jika kecepatan masuk sangat kecil dibandingkan dengan kecepatan keluar, maka C1 dianggap nol, dan C2 ditulis hanya dengan C saja, persamaan menjadi:
atau C =

dan untuk gas akan menjadi:
h1 – h2 = cp (T1 – T2) = ............... (ingat cp = )
Dengan demikian maka,
C = = ....... ingat, pv = RT
Untuk proses adiabatis dimana pv = C maka,
C =

Disamping formula-formula diatas, disetiap titik bidang potong nosel berlaku persamaan aliran terus menerus (continuity of flow):
m v = A C

dimana, m = massa yang mengalir dalam kg/s
v = volume jenis dalam m3/kg
A = luas bidang dititik potong dalam m3.
C = kecepatan aliran keluar dalam m/s.

Untuk mencari tekanan kritis, dari formula-formula diatas akan diperoleh:


Sebagai contoh, untuk uap panas lanjut, dimana nilai adiabatisnya  = n = 1,3, sedangkan untuk uap basah, nilai n = 1,135, dan akan diperoleh nilai tekanan kritis uap basah, yaitu:
pt = 0,577 p1

Contoh soal – 3.6
Udara masuk ke nosel pada tekanan 3,5 MN/m2 dan suhu 500OC, sedangkan tekanan keluar dari nosel 0,7 MN/m2. Jika jumlah udara yang mengalir 1,3 kg/sekon dan ekspansinya dianggap adiabatis, hitunglah:
a. luas bidang leher
b. luas bidang keluar
c. angka Mach pada sisi keluar.

Jawab:
Untuk udara diambil  = 1,4 dan R = 0,287 kJ/kgOK.
a.
Tekanan kritis = pt =
(tekanan kritis di leher nosel)

Kecepatan di leher nosel:

=
Ct = (0,259 x 106) = 0,508 x 103 = 508 m/s

Selanjuntya, vt = v1 (p1/p2)1/ = 0,0634 (3,5/1,85)1/1,4 = 0,0997 m3/kg

Jadi,
b. Pada bidang keluar,
= = 820 m/s

A2 = ............ luas bidang keluar
Jumlah Mach(Mach number) = C2/C1 = 820/500 = 1,61
Contoh Soal – 3.7
Udara mengalir melalui tabung divergen disatu sisinya mempunyai temperatur 0OC, tekanan 140 kN/m2 dan kecepatan 900 m/s. Sesudah beberapa saat kecepatan nya menurun hingga 300 m/s. Jika dianggap alirannya secara adiabatis tanpa gesekan, berapa kenaikan tekanan, temperatur dan energei dalam untuk setiap kg udara ?.
Ambil cp = 1,006 kJ/kgOK, cv = 0,717 kJ/kgOK.

Jawab.

 = cp/cv = 1,006/0,717 = 1,4 dan R = cp–cv = 1,006–0,717 = 0,289 kJ/kgOK.
Untuk aliran adiabatis, sehingga,
..... (273-T2) =
Jadi T2 = 273 + = 273 + 356 = 629OK = 356OC.
Jadi, kenaikan temperatur = 356 – 0 = 356OK.
Selanjutnya,
Jadi, kenaikan tekanan 2,59 – 0,14 = 2,45 MN/m2.
Kenaikan energi dalam = U = cv (T2-T1) = 0,717 x 356 = 255 kJ/kgOK.


Contoh Soal – 3.8

Satu kelompok nosel konvergen-divergen digunakan untuk menglaiorkan uap dengan tekanan 2 MN/m2 dan 325OC. Ekspansi uap jenuh sesuai formula pV1.3 = C terjadi didalam nosel hingga tekanan keluar tinggal 0,36 MN/m2. Jumlah uap yang mengalir 7,5 kg/s. Hitung:
a. Luas bidang disisi leher dan bidang sisi keluar.
b. Derajat pendinginan pada sisi keluar.

Jawab:
a. Dari tabel, diperoleh v = 0,132 m3/kg (uap pada tekanan 2 MN/m2 dan 325OC).
P1 = P1 = 0,546 P1 = 0,546 x 2 = 1,092 MN/m2.
C1 =
=
Vt =
At = m2 = 2890 mm2. (luas bidang sisi leher)
Di sisi keluar,
C2 =
C2 = = 0,866 x 103 = 866 m/s

V2 = m3/kg.
A2 = m2 = 4280 mm2 .... luas bidang sisi keluar

b. T2 = T1 = 129OC.
Pada tekanan 0,36 MN/m2, teperatur uap jenuh = 139,9OC, dengan demikian maka derajat pendinginan pada sisi keluar adalah = 139,9 – 129 = 10,9 OK.


Contoh Soal - 3.9.
Uap memasuki sekelompok nosel konvergen-divergen dengan tekanan 2,2 MN/m2 dan temperatur 260OC. Ekspansi keseimbangan sepanjang nosel hingga tekanan keluar 0,4 MN/m2. Sampai dengan leher noselaliran dianggap tanpa gesekan. Dari leher ke sisi keluar ada efisiensi ekspansi sebesar 85%. Jumlah uap yang mengalir adalah 11 kg. Dengan menggunakan diagram HS (entalpi-entropi), carilah:
a. kecepatan di leher nosel
b. bidang di keher dan sisi keluar.

Jawab. (lihat sketsa diagram H-S disebelah)

a. Pt = 0,546 x 2,2 = 1,2 MN/m2.
Dari diagram H-S, diperoleh h1 = 2940 kJ/kg dan h2 = 2790 kJ/kg
Kecepatan di leher :
Ct = m/s
Untuk kecepatan di sisi keluar, dari diagram H-S diperoleh
ht = 27 – 90 kJ/kg dan h2’ = 2590 kJ/kg
0,85 = sehingga ht-h2 = 0,85 (ht-h2’) = 0,85(2790-2590) = 170 kJ/kg
Dengan demikian maka h2 = 2790 – 170 = 2620 kJ/kg.
H (kJ/kg)




2940



2790





2620
2590



Gambar ...
Diagram H-S untuk Uap

b. pada leher, mv = AC ........... At = dan dari diagram v1 = 0,16 m3/kg., jadi,
At = (11 x 0,16) : 548 = 0,00321 m2 = 3210 mm2. ....... luas bidang di leher
Pada sisi keluar, A2 = , dimana dari diagram v2 = 0,44 m3/kg, sehingga,
A2 = (11x0,44) : 800 = 0,00605 m2 = 6050 mm2........... luas bidang di sisi keluar






















Tabel – 2
PERSAMAAN KEADAAN


Proses

Kode
Tekanan Tetap
Volume Tetap
Temperatur Tetap
Adiabatis
Politropis

Indek Proses

n atau 
n = 0 n = ~
n = 1
n = 
n = n


Keadaan


P, V, T




PV = C

p1.v1 = p2 .v2
p1.v1 = p2 .v2 

= ( )-1 = ( )

p1.v1 n = p2 .v2 n

= ( )n-1 = ( )nn



Panas


Q

m.cp (T2 - T1)

m.cv (T2 - T1)

(p1.v1) ln


0
m.cn (T2 - T1) =
m. cv (T2 - T1)


Energi Dalam

U
m.cv (T2 - T1)

m.cv (T2 - T1)
0
p2.v2 - p1 .v1

(p2.v2 - p1 .v1)


Usaha

W
p1 (v2 - v1)
0
(p1.v1) ln

(p1.v1 - p2 .v2)

(p2.v2 - p1.v1)


Panas Jenis


c
cp
cv
~
0

cn = cv

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar