Konsep Dasar 1.1Definisi dan aplikasi termodinamikaTermodinamika(bahasaYunani:thermos='panas' dandynamic='perubahan') adalahfisikaenergi,panas, kerja,entropidan kespontanan proses.Termodinamika berhubungan dekat denganmekanika statistikdi mana banyak hubungan termodinamika berasal.Pada sistem di mana terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengankinetika reaksi(kecepatan suatu proses reaksi berlangsung). Karena alasan ini, penggunaan istilah "termodinamika" biasanya merujuk pada termodinamika setimbang.Dengan hubungan ini, konsep utama dalam termodinamika adalah proses kuasistatik, yang diidealkan, proses "super pelan". Proses termodinamika bergantung-waktu dipelajari dalamtermodinamika tak-setimbang. Karena termodinamika tidak berhubungan dengan konsep waktu, telah diusulkan bahwa termodinamika setimbang seharusnya dinamakan termostatik.Hukumtermodinamikakebenarannyasangat umum, dan hukum-hukumini tidak bergantung kepadarincian dari interaksi atausistemyangditeliti. Ini berarti merekadapat diterapkan ke sistem di mana seseorang tidak tahu apa pun kecual perimbangan transfer energi dan wujud di antara mereka dan lingkungan. Contohnya termasuk perkiraan Einstein tentang emisispontandalam abad ke-20dan riset sekarang ini tentang termodinamika benda hitam.Di dalam buku ini termodinamika didefiniasikan sebagai ilmutentang energi, yang secara khususmembahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Seperti telah diketahui bahwaenergi di dalamatomdapat terwujuddalam berbagai bentuk selainenergi panasdankerja, yaituenergi kimia, energi listrik,energinuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat gayamagnitdan lain-lain.Energi dapatberubahdari satu bentuk kebentuklain, baik secaraalami maupunhasil rekayasa teknologi.Selain ituenergidi alamsemestabersifat kekal, tidakdapatdibangkitkanatau dihilangkan yangterjadi adalahperubahanenergi dari satu bentuk menjadi bentuk lain tanpa adapengurangan atau penambahan. Prinsip ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi.Prinsip termodinamika tersebut sebenarnya telah terjadisecaraalami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap harimenerimaenergigelombang elektromagnetikdarimatahari,dandi bumi energi tersebut berubahmenjadi energi panas, energiangin, gelombanglaut, prosespertumbuhanberbagai tumbuh-tumbuhandanbanyakprosesalamlainnya. Prosesdi dalamdirimanusiajugamerupakanproses konversi energi yangkompleks,dari input energi kimiadalammakananmenjadi energi gerak berupasegalakegiatanfisik manusia, danenergi yangbernilaiyaitu energi pikiran kita.Denganberkembangnyailmupengetahuandanteknologi, maka prinsip alamiah dalamberbagai proses termodinamika direkayasa menjadi berbagai bentuk mekanisme untuk membantumanusia dalam menjalankan kegiatannya. Mesin-mesintransportasi darat,laut maupun udara merupakan contoh yangsangat kita kenal dari mesin konversi energi, yang merubah energikimia dalam bahan bakar atau sumber energi lain menjadi energimekanis dalam bentuk gerak atau perpindahan di atas permukaanbumi, bahkan sampai di luar angkasa.Pabrik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan olehmesin pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energipanasdankerja. Untuk kenyamananhidup, kitamemanfaatkanmesinair conditioning, mesin pemanas, danrefrigeratorsyang menggunakan prinsip dasar termodinamika.Aplikasi termodinamika yang begitu luas dimungkinkankarenaperkembanganilmutermodinamikasejakabad17yang dipelopori denganpenemuanmesinuapdi Inggris, dandiikutioleh para ilmuwan termodinamikaseperti Willian Rankine, RudolphClausius,dan Lord Kelvinpada abad ke 19. Pengembangan ilmutermodinamika dimulai dengan pendekatan makroskopik, yaitu sifat thermodinamisdidekati dari perilakuumumpartikel-partikelzat yang menjadi media pembawa energi, yang disebut pendekatan termodinamika klasik. Pendekatan tentang sifatthermodinamissuatuzatberdasarkanperilaku kumpulanpartikel-partikeldisebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu termodinamika modern, atau disebut termodinamika statistik.Pendekatan termodinamika statistikdimungkinkan karena perkembanganteknologi kompuler, yangsangat membantu dalammenganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.1.2 Bentuk- bentuk energiTelah disampaikan sebelumnya bahwa energi dapat terwujuddalam berbagai bentuk, yaitu energi kimia, energi panas,energi mekanis,energi listrik, energi nuklir, energi gelombangelektromagnetik, energigaya magnit, danlain-lain.Suatumedia pembawa energi dapat mengandung berbagai bentuk energi tersebut sekaligus, dan jumlah energinya disebut energi total (E). Dalam analisis termodinamika sering digunakan energi total setiapsatuan massa media (m), yang disebut sebagai energi per-satuanmassa (e) yaitu,mEe (1.1)Berbagaibentuk energidiatas dapat pula dikelompokkan menjadi dua bentuk, yaitu energi makroskopik dan energi mikroskopik. Energi makroskopik adalah keberadaan energi ditandai dari posisinya terhadap lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang ditentukan. Contoh bentuk energi makroskopik adalah energi kinetik (KE) dan energi potensial (PE). Keberadaanenergi mikroskopikditentukanolehstruktur internal dari zat pembawaenergi sendiri dantidak tergantungkepada lingkungannya, yaitustruktur dangerakanmolekul zat tersebut. Energi mikroskopik ini disebut sebagai energi internal (U).Energi makroskopik berhubungan dengan gerakan pembawa energi, dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi, pengaruh energi listrik, sifat magnit dan tegangan permukaan fluida. Energi kinetis KEadalah energi yang disebabkan oleh gerakan relatif terhadap suatu referensi, dan besarnya adalah:22mVKE (1.2.)atau dalam bentuk energi per-satuan massa:22Vke (1.3)dengan, m = satuan massa media pembawa energiV = satuan kecepatan gerakan massaEnergi potensial adalah energi yang disebabkan oleh posisii elevasinya dalam medan gravitasi, dan besarnya adalah:mgz PE (1,4) Atau dalam bentuk energi per-satuan massa,gz pe (1.5)dengan,g = gaya gravitasiz = posisi elevasi terhadap referensiEnergj internal meliputi semua jenis energi mikroskopik, yaitu akibat dari struktur dan aktivitas molekul dalammassa yang ditinjau. Struktur molekul adalahjarakantar molekul danbesar gaya tarik antar molekul, sedang aktivitas molekul adalah kecepatan gerak molekul. Energi laten adalah energi yang merubahjarak dangayatarik antar molekul, sehingga massa berubahfaseantarafasepadat ataucair menjadi gas. Energi sensibel merubahkecepatangerakmolekul yangditandai oleh perubahan temperatur dan massa yang ditinjau.Energi kimiaadalah energi internal sebagai akibat dari komposisi kimia suatu zat, yang merupakan energi yang mengikat atom dalam molekul zat tersebut. Perubahan struktur atom menyebabkanperubahanenergi pengikat atomdalammolekul, sehingga reaksinya dapat melepaskan energi (eksothermis) misalnya dalamreaksi pembakaran, atau memerlukan energi (indothermis).Bentukenergi internal lainyaadalahenergi nuklir, yang merupakan energi ikatan antara atom dengan intinya.Dalam bahasan termodinamika efek dari jenis energi makroskopik lainyaituenergi magnetik, dan tegangan per-mukaanfluidadapat diabaikan, sehinggaenergi total Edari massa pembawa energi adalah:mgzmVU PE KE U E + + + + 22(1.6)atau dalam bentuk energi per-satuan massa,gzVu pe ke u e + + + + 22. (1.7)Dalamaplikasi bidangteknikmassaatausistemtermodinamika yang ditinjau biasanya tidak bergerak selama proses berlangsung, sehingga perubahan energi potensial dan energi kinetisnya sama dengan nol.Batas sistemLingkungan1.3Sistem, proses, dan siklusSuatu sistemtermodinamika adalah suatu massa atau daerah yang dipilih, untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut disebutsebagailingkungan. Batas antara sistem denganlingkungannyadisebut batassistem(boundary), sepertii terlihat pada Gambar 1.1. Dalam aplikasinya batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau bergerak. Gambar 1.1 .Skema sistem termodinamikaDalamtermodinamikaadaduajenissistem, yaitusistem tertutupdansistemterbuka. Dalamsistemtertutupmassadari sistemyangdianalisis tetapdantidak adamassakeluar dari sistem atau masuk kedalam sistem,tetapi volumenya bisa berubah, sedangkan yang dapat-keluar masuk sistemtertutup adalah energi dalambentuk panas ataukerja. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara di dalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas masuk kedalam massa udara di dalam balon.Dalamsistemterbuka, energi dan massa dapat keluar sistem atau masuk kedalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesin-mesin konversi energi adalah sistem terbuka, Sistem mesin motor bakar adalah ruang di dalam silinder mesin, dimana campuran bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem melalui knalpot. Turbin gas, turbinuap, pesawat jet danlain-lainadalahmerupakansistem termodinamikaterbuka, karenasecarasimultanadaenergi dan massa keluar-masuk sistem tersebut.Karakteristik yangmenentukansifat dansistemdisebut propertydarisistem, sepertitekanan P, temperatur T, volume V, massa m, viskositas, konduksi panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang didefinisikan dari properfy yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis, dan lain-lain.Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabilamasing-masingjenispropertysistemtersebut dapatdiukur padasemua bagiannya dantidak berbeda nilainya. Kondisi ini disebut sebagai keadaanstatetertentudari sistem, dimana sistemmempunyai nilaipropertyyang tetap. Apabila propertynya berubah, maka keadaan sistem ini disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahankeadaandisebut sistemdalamkeadaan seimbang(equilibrium).Perubahansistem termodinamikadarikeadaanseimbang satu menjadi keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkai-ankeadaandiantarakeadaanawal danakhir disebut lintasan proses seperti terlihat pada Gambar 1.2.Gambar 1.2. Proses dari keadaan 1 ke keadaan 2Lintasan ini tergantung pada jenis prosesnya, sehingga keadaan 2 dapat dicapai dari keadaan 1melaluiberbagailintasanyang berbeda. Prosestermodinamikabiasanyadigambarkandalam sistem koordinat 2 dua propertyyaitu P-V diagram, P-v diagram, atau T-S diagram. Proses yangberjalan pada satu jenis property tetap, disebut proses iso- diikuti namapropertynya, misalnya proses isobaris (tekanan konstan), proses isochoris (volume konstan), proses isothermis (temperatur konstan) dan lain-lain.Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut menjalani rangkaianbeberapaproses, dengankeadaan akhir sistem kembalike keadaan awalnya.Pada Gambar 1.3 (a) terlihalsuatu siklus terdiridari2 jenis proses, dan pada Gambar 1.3 (b) adalah siklus lain dengan 4 jenis proses. (a), Siklus dengan 2 proses (b). Siklus dengan 4 prosesGambar 1.3. Diagram siklus termodinamika1.4Sistem satuan, tekanan, dan temperatur1.4.1Sistem satuanSuatu sistem satuan adalah sistem besaran atau unit untuk mengkuantifikasikandimensi dari suatuproperty. Sistemsatuan yang sekarang dipergunakan di seluruh dunia, termasuk Indonesia, adalahSisternSI (SistemInternasional). Sistemini menggantikan 2 sistemyang dipergunakansebelumnya, yaitu sistem British dan sistern Metris.DalamsistemSI ada 7 macamdimensi dasar, yaitu panjang (m), massa (kg), waktu (detik), temperatur (K), arus listrik (A), satuansinar(candela-c), dansatuanmolekul (mol). Satuan gaya merupakan kombinasi dari massa dan percepatan, dan mempunyai besaran N (Newton), yang didefinisikan menurut Hukum Newton,ma F (1.8)Besaran1Nadalahgayayangdiperlukanuntukmemberikan percepatan sebesar 1 m/det2pada suatu massa sebesar 1 kg sehingga2m/det kg. 1 N 1 (1.9)Ukuran berat (W) adalah gaya yang ditimbulkan oleh massa m kg, dengan percepatan sebesar medan gravitasi yang terjadi (g), sebagai berikut,W = wg(1.10)Satuan W adalah Newton, sedang besar gravitasi di bumi adalah 9,807 m/det2di permukaan laut dan semakin kecil dengan bertambahnyaelevasi. Kerja yangmerupakan salah satu bentuk energi, adalahgayakali jarakdengansatuanN.m, dandisebut pula J (Joule) yaitu,1 J = 1 N.m (1.11)SatuanJoulejugadigunakandalamdimensi energi panas, dan biasanya dalam ukuran kJ (kilojoule) alau MJ (Mega Joule).1.4.2 TekananTekananmerupakansalahsatupropertyyangterpenting dalam termodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair ataugas) padasatusatuanunit luas area. Istilah tekanan pada benda padat disebut tegangan (stress). Satuan tekanan adalah Pa (Pascal), yang didefinisikan sebagai,1 Pa = 1N/m2Karenasatuan Pascalterlalu kecil,maka dalam analisis thermo- dinamikaseringdigunakansatuankilopascal (1kPa=103Pa), atau megapascal(1 MPa = I06Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar (barometric), atau atm(standard atmosphere) sebagai berikut.1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa = 100 kPa1 atm = 101,325 Pa= 101,325 kPa = 1,01325 barPengukuran tekanan dengan menggunakan referensi tekanan nol absolut disebut tekanan absolul (ata), sedang tekanan manometer (ato) adalah tekanan relatif terhadap tekanan atmosfir. Tekanan vakum adalah tekanan di bawah 1 atm, yaitu perbedaan antara tekanan atmosfir dengan tekanan absolut, atauPabs (ata) = Pman (ato) + Patm(1.12)untuk vakum Pabs (ata) = Patm - Pman (ato) (1.13)Secara grafik dapat dilihat padaGarnbar 1.4.berikut Gambar 1.4. Hubungan pengukuran beberapa jenis tekananAlat pengukur tekanandi atasatmosfir adalahmanometer alat pengukur tekanan vakum disebut manometer vakum, sedang alat pengukur tekananatmosfir disebut barometer. Terdapat banyak jenis metodepengukuran tekanan seperti pipa U, manometer pegas, atau transduser.1.4.3 TemperaturUkuran temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanyaenergi panaspadasuatubendapadat, cair, ataugas. Metodeyangbiasadigunakanadalahmenggunakanperubahan salah satupropertysuatu material karena panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik.Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur ditempelkan pada benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan terjadi perpindahan panas ke alat ukur sampai terjadi keadaan seimbang.Dengan demikian temperatur yang tertera pada alat ukur adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Termodinamikakenol (ZerothLawofThermodynamics),yaitu apabila dua benda dalamkeadaan seimbang thermal dengan benda ketiga maka dua benda tersebut juga dalamkeadaan seimbang thermal walaupun tidak saling bersentuhan,DalamsistemSI satuan temperalur adalah Kelvin (K) tanpa derajad. Skala dari ukuran temperatur dalam derajad Celcius adalan sama dengan skala ukuran Kelvin, tetapi titik nol C sama dengan 273,15 K, Titik nol Cadalah kondisi es mencair pada keadaan standard atmosfir, sedang kondisi 0 Kadalah kondisi nol mutlak dimanasemuagerakanyangmenghasilkan energi pada semua materi berhenti.Dalam analisis termodinamika, apabila yang dimaksudkan adalahukurantemperatur makayangdigunakanadalahukuran dalam K, sedang apabila analisis berhubungan dengan perbedaan temperatur maka baik ukuran Cmaupun K dapat digunakan.Soal 1. Sebutkan contoh sistem termodinamika disekitar anda?2. Termasuk sistem apa AC di ruang kelas anda?3. Berapa derajat celcius suatu sistem bersuhu 758 K?4. Berapa ata suatu pengukuran ruang vakum sebesar3 10-7 ato?5. Berapa tekanan absolut suatu piston yang terukur sebesar 3,78 ato?6. Sebutkan jenis-jenis energi yang Anda ketahui!7. Terangkan perbedaan pandangan makroskopis dengan mikroskopis!8. Gambarkan property sistem termodinamika pada kordinat P-V, P-T, V-T!2Property Zat Murni Dan Karakteristik Gas Ideal2.1Zat murniZat murni adalahzat yangmempunyai komposisi kimia yangtetappadasemuabagiannya. Contohzat murni misalnya, air, nitrogin, helium, CO2 ,udara, dan lain-lain. Persyaratan sebagai zat murni tidakperluhanyasatujenissaja, tetapi dapat berupa campuran zat asal campurannya homogin pada seluruh bagiannya. Udaramerupakancampurandari beberapajeniszat tetapi masihbersifat zat murni, tetapi campuranantaraminyak dengan air bukan merupakan zat murni karena tidak dapat bercampur secara homogin.Zat murni dapat terwujud dalam fasa padat, fasa cair, atau fasagas. Fasapadat mempunyai strukturmolekul denganjarak antar molekulpaling kecil dangayaikat antar molekul paling besar,fasa cair mempunyaigaya ikatyang lebih kecil,dan fasa gas gaya ikat antar molekul paling kecil. Posisi molekul pada fasa padat relalif tetap, pada fasa cair molekul bergerak secara oscilasi, dan pada fasa gas molekul-molekul bergerak bebas tidak beraturan dan saling bertabrakan satu sama lainnya.2.2Diagram fasaZat murni dapat mengalami perubahan fasa pada keadaan yang berbeda-beda,tergantung kepadakandisiproperty nya. Air berubah fasa menjadi gas pada temperatur sekitar 100 0C apabila tekanannya 1 atm, tetapi pada tekanan lebih tinggi maka temperatur perubahan fasanya lebih tinggi pula. Gambar 2.1. menunjukkandiagramperubahanfasacair-gaspadasuatuzat murni, dengan koordinattekanan dan temperatur.Dari sifat tersebut di atas dapat digambarkan diagram perubahan fasa darisuatu zat murnisecara lengkap,yaitu pada semua lingkup keadaan untuk zat murni tersebut. Contoh diagram perubahan fasa lengkap tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.2 (a) dengan koordinat P-v dan Gambar 2.2 (b) untuk koordinat T-v. Garis fasaberbentuk lengkungan tajam pada bagian atasnya, garis disebelahkiri adalahgariscair (liquid) jenuhdangarisdisebelah kanan adalah garis uap jenuh. Titik puncaknya merupakan titik kritis, dimanadi atastitiktersebut kondisi fasacairdangasbersamaan. Keadaan titik kritis untuk zat murni air terjadi pada tekanan Pcr = 22,09 MPa, dan temperatur Tcr = 374,14C. Daerah diantara garis cair jenuh dengan garis uap jenuh adalah daerah terjadinya campuran antara fasa cair dan fasa gas.Gambar 2.1. Diagram perubohan fasa coir -gas pada zat murni (a). Koordinat P - v (b). Koordinat T-v Gambar 2.2. Diagram perubahan fasa suatu zat murni

Garis putus-putus pada diagram Gambar 2.2 (a) menunjuk-kan lintasan proses penguapan zatmurnipada tekanan konstan P1danP2(denganP2>P1), danterlihat bahwalintasanproses penguapan pada tekanan P2 terjadipada temperatur lebih tinggi daripadalintasanpadatemperatur P1. Garisa-bmenunjukkan pemanasan pada fasa cair sampai mencapaititik cair jenuh di b. Sedang pada garis b-c terjadi proses penguapan yang terjadi pada ternperatur kanstandantekanankonstan, denganfasadiantara titik b dan titik c adalah kondisicampuran antara liguid dan gas, Pada titik b adalah 100% liquid, sedang pada titik d adalah 100% fasa gas, Selanjutnya garis c-d menunjukkan pemanasan lanjutan dan uap, sehingga kandisi uapnya disebut uap panas lanjut (superheatedsteam). Panasyangdibutuhkanuntukpemanasan air padagarisa-bdanpemanasanuappadagarisc-ddisebut panas sensible, sedang panas yang diperlukan untuk proses penguapan pada garis b-c disebu! panas laten. Terlihat pada Gambar2.2bahwa semakin tinggi tekanan fluida (juga temperaturnya). semakin pendek garis penguapan (garis b-c untuk tekanan P1) sehingga semakin kecil panas laten yang dibutuhkan. Garisputus-putuspadaGambar 2.2(b) adalahgarisisothermis pada diagram penguapan dengan koordinat P-v.2.3 Tabel propertyDalam analisis termodinamika selalu dibutuhkan data nilai propertydari suatu zat pada semua lingkup keadaan untuk masing-masingzat yangditeliti. Nilaipropertydapat diprediksi dengan mengembangkan suatu persamaan matematis hubungan antarpropertydari zat yang bersangkutan. Namun biasanya bentuk hubungan antarpropertyuntuk semua zat sangat kompleks, sehinggasangat sulit untukdirepresentasikandalam suatu persamaan yang sederhana.Karenaitudatapropertybiasanyadipresentasikandalam bentuk Tabel Termodinamika, yang berisi datapropertydari beberapa zat yang sering digunakan dalam aplikasi termodinamika.Tabel tersebut membutuhkan data propertyyang sangat banyak, yangdikumpulkan dari hasil pengukuranyang membutuhkan waktu yang lama. Jenis property yang biasanya ada dalam Tabel Termodinamika adalah tekanan, temperatur, volume spesifik, energy internal, panas laten, dan dua property baru yaitu enthalpy (h) dan entropy (s) yang akan dibahas dalambab selanjutnya.Dataproperlyuntukkeadaanfasacampurantidakdapat dilihat secara langsung dalam Tabel Thermodinomika, tetapi dapat dihitungdenganmenggunakonparameter kualitascampuran(x) yaitu:totalgmmx (2.1)di mana :massa total campuran (mtotal)=massa liquid+massa uap = m1 +mgParameter x mempunyai nilai nolyaitu apabila mg = 0atau pada kondisi liquid jenuh, sedangx = 1 apabila m = 0 ataumg = mtotal , yaitu pada keadaan uap jenuh. Hubungan antara parameter x dengan nilai property tertentu, misalnya enthalpy (h) adalah:g fh x h h . + (2.2)dimana: h = enthalpypada kondisicampuran hf =enthalpy pada keadaanliquid jenuhhfg =panas laten2.4 GasidealMolekul-molekul gas di dalam suatu ruangan yang dibatasi dindingbergerakkesegalaarahdengantidakberaturan(chaotic motion).Karenagerakantidakberaturantersebut kemungkinan sering terjadi tumbukan antar molekul, sebelum menabrak dinding batasruangan. Tabrakanmolekul kedindingruangantersebut terjadi secara terus-menerus, yang menimbulkan efek tekanan gas di dalam ruangan tersebut. Semakin tinggi temperatur gas, maka semakin besar kecepatan geraknya sehingga menyebabkan momentum tumbukan terhadap dinding semakin besar Akibatnya tekanan yang terjadi di dalam ruangan akan semakin besar pula.Darimekanismegerakanmolekultersebut,maka dapat dibayangkan adanya suatu persamaan matematik hubungan antara variabelproperty gas di dalam ruangan, terutama tekanan (P),temperatur (T), danvolumeruangan(V). Volumeruangan juga merupakan variabel karena menentukan jarak lintasan gerak molekul sebelummenabrakdinding. Namununtukmenurunkan persamaan hubungan secara analitis mengalami kesulitan. karena kompleksitasgerakanmolekul, adanyagayatarik-menarikantar molekul dan pengaruh volume molekul sendiri. Karena itu kemudian diasumsikan adanya suatu jenis gas ideal yang mempunyai sifat ideal, sehingga dimungkinkan penurunan persamaan rnatematis hubungan antar beberapa variabel dan property gas. Sifat-sifat gas ideal yang diinginkan tersebut adalah:1. Gaya tarik-menarik antar molekul gas diabaikan.2. Total volume molekul gas diabaikan terhadap volume ruangan.Asumsi pertama memungkinkan bahwa semua energi kinetik molekul menghasilkan energi tumbukan molekul ke dinding, sedang asumsi kedua memungkinkan tidak ada pengurangan energi kinetik molekul. Karena tumbukan antar molekul diabaikan. Dengan kedua asumsi tersebut maka secara analitis dapat diturunkanpersamaanhubunganantarvariabel P, v, danTgas ideal atau sering disebut persamaan keadaan gas ideal atau persamaan Boyle- Gay Lussac, sebagai berikutPv=RT(2.3)dengan, P = tekanan absolut gasv = volume spesifik gasR = konstanta gasT = temperaturBoyle dan Gay Lussac mendapatkan persamaan tersebut melalui eksperimengaspadakondisi tekanansangat rendahsehingga persamaangasideal dapat diaplikasikanpadagassebenamya jika tekanannya sangat rendah. Dalampenelitian selanjutnya didapatkanjikagasbersuhutinggi, ataupadatekanansangat tinggi sekitar tujuh kali tekanan kritisnya, maka sifat suatu gas juga mendekati sifat gas ideal.Besarnya konstanta gas R berbeda untuk setiap jenis gas, dan dapat dihitung dengan,MRRu(2.4)dengan, Ru= konstanta gas universal M= massa setiap molekul gasBesarnya konstanta gas universal adalah sama untuk semua jenis gasyaituR=8,314kJ/(kmol.K). Massagasdi dalamruangan dapat dihitung apabila jumlah molekulnya dikelahui, andaikan jumlah molekulnya N, maka massa gas di dalam ruangan tersebut:M = MN(2.5) dan volume ruangan adalah: V= m v(2.6)Sehinggapersamaangasideal dapat dituliskandalamvariabel volume ruangan sebagai berikut,PV = mRT (2.7) PV=NRT (2.8)Dari persamaan (2.7) dapat diturunkan hubungan antara variabel gasdidalamruanganpadadua keadaan yangberbedadengan massa gas (m) tetap sebagai berikut,22 211 1TV PTV P

(2.9)dengan indeks 1 dan 2 menunjukkan bahwa gas pada keadaan 1 danpada keadaan 2.Menurut penelitian, beberapa jenis gas seperti udara, oksigen, hidrogen, helium, argon, neon, CO2dapat diperlakukan sebagai gas ideal dengan penyimpangan hasil perhitungan terhadap kondisi sebenarnya hanya sekilar 1%.Gas yang dipadatkan seperti uap di dalam ketel uap, zat refrigeran di dalam mesin pendingin tidak boleh diperlakukan sebagai gas ideal, karena penyimpangan atau kesalahan perhitungannya menjadi terlalu besar. Dataproperlynya harus dilihat dalam Tabel Themodinamika untuk gas yang bersangkutan.2.5Persamaan keadaan gasPersamaan gas ideal cukup sederhana, namun seperti telah dibahas sebelumnya lingkup pemakaiannya terbatas. Banyak usaha dilakukan untuk mengembangkan persamaan keadaan gas, denganlingkuppemakaianyanglebihluas. Namunpersamaan yang didapatkan umumnya lebih kompleks dibandingkan dengan persamaan gas ideal sepertipadapersamaanVan der Waals dan persamaan Beattie-Bridgeman sebagai berikut:1. Persamaan Van der WaalsPada tahun 1373, Van der Waals mengajukan persamaan keadaan gas dengan tambahan dua konstanta a dan b sebagai berikut.RT b vvaP + ) )( (2(2.10)dengan nilai konstanta a dan b sebagai berikut,crcrPT Ra642722dancrcrPRTb8(2.11)Persamaan Van der Waals mempunyaiketelitian yang kurang baik, tetapi apabila konstanta a dan b dihitung menurut perilaku gas sebenarnyapadalingkupyangluas makaketelitiannya menjadi lebin baik.2. Persamaan Beattie-BridgemanPersamaan Beattie-Bridgeman diajukan pada tahun 1928, dengan menggunakan lima konstanta sebagai berikut,2 3 2) )( 1 (vAB vvTcvT RPo + (2.12)dimana konstanta A dan B dihitung dengan persamaan ) 1 (vaA Ao dan) 1 (vbB Bo (2.13)Aplikasi persamaan ini adalah sampai dengan 0,8 CT , dengan cr adalah titik kritis dari densitas gas yang bersangkutan.3. Persamaan untuk sistem laina). Persamaan untuk kawat logam yang ditarik dengan tegangan pada temperatur T adalah)} ( 1 {o oT TYAL L + + (2.14)dimanaL = panjang kawat sesudah ditarikY = Young modulusA = luas penampang kawat = koeffisien linear expansionTo= Temperatur kawat mula-mulab). Hukum Curie untuk paramagnetik Jika suatu paramagnetik dalam suatu medan magnetik luar, magnetisasi M atau momen magnetik persatuan volume bahan tersebut tergantung pada intenitas magnetik H dan temperatur T, sebagai berikutTH CM.(2.15)Dimana C = konstanta karakteristik bahan tersebut. Hubungan ini disebut hukum Curie.Momen magnetik total diperoleh dengan hubunganTH V Cm. .(2.16)dimana V= volume bahan para magnetik T= temperatur bahan paramagnetik H= Intensitasc). Polarisasi suatu dielektrik dalam suatu medan listrik luar E:ETba P ). ( + (2.17)dimana dan b konstanta dielektrik tersebutT= suhu dielektrikTotal dipole moment dari dielektrik tersebut adalahE VTba P . ). ( + (2.18)V adalah volume dielektrikd). Electrolytic cell, e.m.f (electro move force) dari cell akan dipengaruhi oleh temperatur T. Hubungan e.m.f dengan temperatur T diberikan oleh rumus dalam bentuk deret kuasa.+ + 2ct bt a(2.19)dimana a, b dan c adalah konstanta dari cell.Hukum Termodinamika I Sistem Tertutup3.1PendahuluanHukum termodinamika pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Prinsip tersebui juga dikenal dengan istilahkonsenvasienergi.Hukum pertama dapat dinyatakan secara sederhana; selama interaksi antara sistem dan lingkungan, jumlah energi yang diperoleh sistemharus sama dengan energi yang dilepaskan oleh lingkungan.Enegi dapat melintasi batasdari suatu sistemtertutup dalam dua bentuk yang berbeda : panas (heat) dan kerja (work).3.2Panas(Heat) => QPanas(heat)didefinisikan sebagaibentukenergiyang dapatberpindah antaradua sistem(atau dari sistem ke lingkungan)dengansifat perbedaantemperatur. Panasadalah sebuahenergi dalamkeadaantransisi, diadi kenali jikahanya melewati batas sistemsehingga dalamtermodinamika panas (heat) sering diistilahkan dengan transfer panas (heat transfer).Suatu proses jika tidak terjadiperpindahan panas disebut dengan proses adiabatis. Ada dua cara suatu proses dapat dikatakan adiabatis. Pertama, sistem diisolasi sempurna sehingga tidakadaenergi panasyangkeluar. Kedua, antarasistemdan lingkunganberadapadatemperatur yangsamasehinggatidak terjadi aliran panas karena perbedaan temperatur. Dari pengertian di atas tidak harus disamakan pengertian proses adiabatis dengan proses isotermal.Satuanenergi panasadalahJoule, kJ(atauBtu).Heat transfer perunit massa disimbolkan dengan q :mQq (kJ/kg) (3.1)Kadang sering digunakan untuk mengelahuirate of heaf transferataujumlahheat transfer perunit waktudalaminterval tertentu, disimbolkan dengan Q,mempunyaisatuan kJ/s (kW). Ketika Q bervariasi dengan waktu, jumlahheat transferselama proses dilakukan dengan mengintegrasikanQselama rentang waktu tertentu :21ttQdt Q (kJ) (3.2)Ketika Q konstan selama proses, maka hubungan diatas menjadit Q Q (kJ) (3.3)dimana t = t2 t1Panasmempunyai jumlahdanarah. Untukmenandai arahdari panasadasuatukonvensi tanda(kesepakatantanda)sebagai berikut : Heat transfer menuju sistem bertanda positif,dan keluar sistembertanda negatif.3.3Kerja (Work) =>WKerja(work)seperti halnyapanasadalahsuatubentuk interaksi antara sistemdan lingkungan. Seperti padapenjelasan sebelumnya, dapat disimpulkanbahwajikasuatuenergi dapat melintasi batas sistemadalah bukan panas dapat dipastikan bahwabentukenergi tersebut adalahkerja. Lebihspesifikkerja dapat diartikan sebagai energi transfer yang berhubungan dengan gaya yang menempuh sebuah jarak. Kerja juga merupakan bentuk energi mempunyai satuankJ. Kerjaperunit massadinotasikan dengan w :mWw (kJ/kg) (3.4)Kerja perunitwaktu disebut power dandinotasikandengan W, mempunyai satuan kJ/s, atau kW.Seperti halnya panas, kerja juga mempunyai konvensi tanda. Kerja yang dilakukan sistem adalah positif dan jika sistem dikenai kerja maka kerja bertanda negatif.Heat transfer dan kerja adalah interaksiantara sistem dengan lingkungan dan terdapat beberapa kesamaan antara keduanya :1.Keduanya merupakan fenomena batas sistem ; hanya dikenali ketika melintasi batas sistem.2.Keduanya merupakan fenomena transient artinya sebuah sistem tidak bisa memiliki panas atau kalor,3. Keduanya selalu terkait dengan proses, bukan state,4. Keduanya merupakan "path function", differensialnya disebut differensial tidak eksak, Qdan W. (berbeda dengan propertyyang merupakanpointfunction, differensialnya disebut diffe-rensialeksak, misalnya du, dh, dT. dP dan lain-lain).(a) Sistem tertutup (b) kerja dan panas sebagai fungsi lintasanGambar 3-1. Tandaplus minus untuk W dan QMacam -macam bentuk kerja : a).Kerja listrik:We = VN(kJ) atau W =Vl (kW) (3.5)dimanaWe adalah daya listrikdan I adalah arus listrik. Pada umumnya V dan I bervariasi terhadap waktu, sehinggakerja listrik dalam interval waktu tertentu dinyatakan :21VIdt We(kJ)(3.6)Jika antara V dan I konstan dalam rentang waktu t, persamaanmenjadi We= V I t(3.7)b).Bentuk-bentuk kerja mekanik ; 21Fds W= J 1Kerja akibat pergeseran batas sistemPdV PAds Fds Wb atau 21pdV Wb (kJ)(3.8) 2 Kerja Gravitasi Gaya yang bekerja pada sebuah benda :F =mg(3.9)dimana m adalah massa dan g adalah percepatan gravitasi. Kerja yang dibutuhkan untuk menaikkan benda dari ketinggian z1 ke z2 adalah 21211 2) ( z z mg dz mg Fdz Wg (kJ) (3.10)3Kerja akibat percepatan(3.11)dtdsVatau Vdt ds Substitusikan F dan ds ke persamaan kerja, didapat:

,`

.| 2121212122 21) ( ) ( V V m VdV m VdtdtdVm Fds Wa(kJ)(3-12) 4 Kerja porosTransmisi energi dengan menggunakan sebuah poros yang berputar sangat sering dalampraktis keteknikan.Untuk sebuah Torsi tertentu konstan, kerja yang dilakukan selama putaran n ditentukan sebagai berikut ;Fr atau rF(3.13) Gaya tersebut bekerja sejauh jarak s yang jika dihubungkan dengan radius r s = (2 r)nkemudian kerja poros menjadi : . . . 2 ) . . . 2 ( n n rrFs Wsh

,`

.| (kJ) (3.14) Daya yang ditransmisikan melalui sebuah poros adalah kerjaporos perunitwaktuyang dituliskan :... . . 2 n Wsh(3.15)5 Kerja pegasJika panjang dari sebuah pegas berubah sebesar differensialdx karena pengaruh sebuah gaya F, maka kerja yang dilakukan adalahdx F Wpegas. (3.16) Untuk menentukan total kerja pegas diperlukan sebuah fungsional hubungan antara F dan x, Untuk sebuah pegas elastis, perubahan panjang x proporsional dengan gaya :x k F . (kN) (3.17)dimana k adalah konstata pegas dengan satuan kN/m, maka kerja: ) ( .2122 21x x k Wpegas (kJ)(3.18)3.4 Hukum termodinamika pertamaPersamaan umum hukum termodinamika pertama untuk sebuah siklus tertutup diekspresikan sebagai berikut:0100090000037800000002001c00000000000400000003010800050000000b0200000000050000000c0252033209040000002e0118001c000000fb021000070000000000bc02000000000102022253797374656d0003320900003cb2110072edc630f0d1d8030c02000032090000040000002d01000004000000020101001c000000fb029cff0000000000009001000000000440001254696d6573204e657720526f6d616e0000000000000000000000000000000000040000002d010100050000000902000000020d000000320a5a00000001000400000000002e09520320bf2d00040000002d010000030000000000atauE W Q (kJ)(3.19)dimana :Q= transfer panas bersih melintasi sistem (=Qin -Qout)W= kerja bersih (=Wout - Win) E = perubahan energi bersih sistem (E2 - E1 )Seperti padababsebelumnya, totol energiEdari sistem terdiri dari tigabagian: energi dalamU, energi kinetikKEdan energi potensial PE. Sehingga perubahan energi total sistem dapat ditulis sebagai berikut :PE KE U E + + (kJ)(3.20) Jika disubstitusikan perubahan energi total ke persamaan termodinamika pertama, maka :PE KE U W Q + + (kJ) (3.21) dimana :) (1 2u u m U ) (2122 21V V m KE ) (1 2z z mg PE Hampir semua sistem tertutup yang ditemui dalam praktis adalah stationer, yang umumnya tidak melibatkan perubahan kecepatan dan ketinggian selama proses.Untuk sistem tertutup yangstasionerperubahanenergi kinetikdanenergi potential dapat diabaikan, sehingga hukum termodinamika pertama dapat direduksi menjadi :U W Q (kJ)(3.22)atauu w q (kJ/kg) (3.23)ataudtdEW Q (kW)(3.24)Persamaan Hukum termodinamika pertama dapat diekspresikan dalam persamaan differensial:(kJ/kg) (kJ) de w qdE W Q (3.25)Untuk sebuah siklus dimana kondisi awal dan akhir identik, sehingga E=E2-E1=0, persamaanHukumTermodinamika pertama menjadi:Q - W = 0(kJ)(3.26)3.5 Panas jenis (spesific heats)Panasjenisdidefinisikansebagai energi yangdiperlukan untukmeningkatkantemperatur suatuzat sebesar satusatuan massa sebesar satu derajat.Pada umumnya energi akan tergantung pada bagairnana proses tersebut terjadi. Dalam termodinamika, terdapat dua macampanas jenis; panas jenis pada volume konstan Cv dan panas jenis pada tekanan konstan Cp. Panas jenis pada tekanan konstan Cp selalu lebih besar dari pada Cv, karena pada tekanan konstan, sistem mengalami ekspansi dan hal tersebut memerlukan energi.Perhatikan sebuah sistem tertutup stasioner dengan volume konstan (Wb = 0 kerja akibat pergeseran batas sistem). Hukum termodinamika pertama dapat diekspresikan dalam bentuk differensial sebagai berikut:du w qlain dimana wlainmerupakan kerjaselain akibat pergeseranbatas sistem.Padapersamaandiatas,sisikirimenunjukkan jumlahenergi yang ditransfer dalam bentuk panas dan/atau kerja. Dari definisi Cv, energi tersebut harus setara dengan Cv dT, dimana dT adalah perubahan differensial temperatur, sehingga,Cv dT = dupada volume konstan atauvvTuC

,`

.| (kJ/(kg.oC)) (3.27)Denganekspresi yangsama, panasjenistekanankonstanCp dapat diperolehdenganmemperhatikanprosestekanankonstan (Wb + u = h ), menghasilkan :PpThC

,`

.| (kJ/kg.oC)) (3.28)Padarumusdi atas, Cvdapat didefinisikansebagai perubahan energidalam spesifiksebuahzat perunit perubahantemperatur pada volume konstan dan Cpadalah perubahan enthalpisebuah zatperunit perubahan temperatur pada tekanan konstan.CvdanCpdapat jugaberbentuk dalambasismolar,sehingga mempunyai satuan J/(kmol.oC)Gambar 3.2. (a). Panas jenis pada V dan P konstan (b). Cv sebagai fungsi temperatur3.6Energi dalam, enthalpi, dan panas jenis gas idealDalambab-babsebelumnyatelahdidefinisikanbahwagas ideal adalahgasyangtemperatur, tekanandanvolumespesifik dihubungkan oleh persamaan : Pv=RTJuga telah dibuktikan secara matematis dan eksperimental (Joule, 1843) bahwauntuk gas ideal energi dalamhanyamerupakan fungsi ternperatur,) (T u u (3.29) Dengan menggunakan definisi enthalpi dan persamaan keadaan gas ideal, di dapat: RT u hRT PvPv u h + + Karena R kanstan dan u =u(T),maka enthalpi dari gas ideal jugamerupakan fungsi dan temperatur:h = h(T)(3.30) Karena u dan h tergantung hanya pada temperatur untuk gas ideal panas jenis Cv dan Cp juga tergantung hanya pada temperatur. Oleh karena itu pada temperatur tertentu u, h, Cvdan Cp dari gas ideal akan mempunyai harga yang tertentu tanpa memperhatikan volume spesifik atau tekanan. Karena hal di atas, untuk gas ideal, ekspresi bentuk differensial perubahan energi dalam dan enthalpi menjadi:dT T C duv) ( (3.31)dT T C dhp) ( (3.32)atau 211 2) ( dT T C u u uv(kJ/kg) (3.34) 211 2) ( dT T C h h hp(kJ/kg) (3.35)Padapengamatangasdenganmolekul yangkomplek (molekul denganduaatomataulebih), jikavariasi panasjenis terhadap temperatur hampir mendekati linear, harga energi dalam dan enthalpi gas ideal dapal dihitung dengan menggunakan panas jenis rafa-rata konstan, seperti:Gambar 3.3. Penerapan Panas Jenis rerata konstan.) (1 2 rerta 1 2T T C u uv (kJ/kg) (3.35) ) (1 2 rerata 1 2T T C h hp (kJ/kg)(3.36)dimanaCv rerata dan CP rerata dicari dari tabel dengan menggunakan temperatur rerata (T2-T1)/2.Dari pembahasan di atas dapat diambil kesimpulan untuk menentukan perubahan energi dalam dan enthalpi gas ideal :1. Dengan menggunakan data tabel u dan h. Metode ini paling mudah dan paling akurat jika data label telah tersedia.2.DenganmenggunakanhubunganCvdanCPsebagai fungsi temperatur danmelakukanprosesintegrasi. Metodetersebut tidak disukai untuk perhitungan manual, tetapi untuk penggunaansecarakomputerisasi lebihdisukai karenalebih akurat.3. Dengan menggunakan panas jenis rerata. Metode tersebut palingsederhanadandisukai jikadatatabel tidaktersedia. Hasil yangdidapat akanlebihakurat jikainterval temperatur tidak begitu besar.3.7 Relasi-relasi panas jenis gas idealHubungan khusus antara Cp dan Cv gas ideal dapat diper-oleh dengan mendifferensialkan h = u+ RT, yang menghasilkandh =du + R dTgantilahdhdenganCpdTdandu denganCvdTdanbagi dengan hasilnya dengan dT , didapatkan:R C Cv P+ (3.37)Hal tersebut merupakanhubunganpentingkarenakitaakan dapat menentukan harga Cv dari harga Cp dan konstanta gas R.Jika panas jenis diberikan dalam basis molar, R pada persamaan di atas harus diganti dengan konstonta gas universal Ru, sehinggaRu C Cv p+ * *(kJ/(kmol K)) (3.38)Dengan relasi-relasi di atas, kita dapat mendefinisikan properti gas ideal yang lain yang disebut dengan ratio panas jenis (spesiffic heat ratio)k atau , sebagai berikut :vpCCk (3.39)Rosio panas jenis juga bervariasi terhadap temperatur, tetapi variasinyatidakbegituekstrim. Untukgasmonoatomic, harga darikrnendekati konstan 1,667.Beberapa gasdiatomic,termasuk udara, mempunyai hargakkira-kira 1,4 pada temperatlur ruangan.3.8Energi dalam, enthalpi dan panas jenis zat padat dan cairSuatuzat yangmempunyai spesifik volume konstan (atau densitas) disebut zat tak mampu tekan (incompressible substance).Spesifikvolumezat padat dancair padadasarnya konstanketikamengalami proses. Asumsi volumekonstanpada kasus ini harus diambil jika diterapkan untuk energi yang berhubungan dengan perubahan volume, seperti kerja akibat pergeseran batas sistem, hal tersebut dapat diabaikan dibandingkan dengan bentuk energi yang lain. Sehingga CP dan Cv zat padat dan cair hanya disimbolkan dengan C.C C Cv p (3.40) dT T C dT T C duv) ( ) ( (3.41) 211 2) ( dT T C u u u (kJ/kg) (3.42)Untukinterval temperatur yangkecil, Cpadatemperatur rerata dan dianggap konstan, menghasilkan:) (1 2 1 2T T C u urerata (kJ/kg) (3.43)Perubahan enthalpi untuk zat incompressible selama proses 1-2 dapat ditentukan dari definisi enthalpi (h = u + Pv):) ( ) (1 2 1 2 1 2P P v u u h h + (3-44) atauP v u h + (kJ/kg)Karena suku kedua umumnya kecil dibandingkan dengan suku pertama, maka harga suku kedua dapat diabaikan tanpa meng-hilangkan keakuratan.Tetapi untuk ternperatur ( T = 0), energi dalam = 0, sehingga enthalpi menjadi h2 h1 = v(P2 P1)Contoh SoalHukum Termodinamika I Sistem Terbuka(Volume Atur)4.1Analisa Termodinamika Volume AturPada sebagian besar persoalan keteknikan pada umumnya akan melibatkan aliran massamasuk dankeluar sistem, oleh karena ituhalkondisiyang demikiansering dimodelkan sebagai kontrol volume. Pemanas air, radiator mobil, turbin dan kompresor semuanyamelibatkanaliranmassadanharusdianalisasebagai volume atur (sistem terbuka) sebagai pengganti massa atur pada sistem tertutup.Batas dari sebuah volume atur disebut dengan permukaan atur (control surface), danhal tersebut depat berupabatasriil maupun imajiner. Kasus pada nosel misalnya, bagian dalam nosel merupakanbatasriil sedangkanbagianmasukdankeluarnosel merupakan batas imajiner. karena pada bagian ini tidak ada batas secara fisik.Gambar 4.1. Sistem Volume AturIstilahsteadydan seragam(uniform)akan digunakan secara luas pada bab ini,oleh karena itu adalah sangatpenting untuk mengetahui pengertiannya.Steadyberarti tidak berubah terhadap waktu, kebalikannyaadalah unsteadyatau transient.Uniformmempunyai pengertian tidak berubah terhadap lokasi dalam region yang ditentukan.Pembahasan lebih lanjut mengenai prinsip konservasi massa dan energi pada volume atur akan dijelaskan di bawah ini.Prinsip Konservasi MassaUntuk sistemtertutup, prinsipkonservasi massaadalah telah jelas karena tidak ada perubahan massa dalamkasus tersebut. Tetapi untuk volume atur karena dalam kasus ini massa dapat melintasi batas sistem, jumlah massayangmasuk dan keluar sislem harus diperhitungkan.

,`

.|

,`

.|

,`

.|VAdalam massa bersih PerubahanVAkeluar massaTotal VAmasuk massaTotal atau VA k mm m m(4.1) dimana subskripm,k danVAmenunjukkanmasuk,keluar dan volume atur.Persamaan di atas dapat juga dituliskan dalam bentuk laju (rate),dengan membagi dengan satuan waktu.Kecepatan Aliran Massa dan Volume (Mass dan Volume Flow Rates)Jumlah massa yang mengalir melintasi sebuah seksi perunit waktu disebutmass flow ratedan dinotasikan dengan m.Jika zat cair atau gas mengalir masuk dan keluar sebuah volume atur melalui pipa atau saluran, massa yang masuk adalah proporsional terhadapluaspermukaanAdari pipaatausaluran, densitas dan kecepatan dari fluida. Massflow ratesmelaiui differensial dA dapat dituliskan :dA V m dn *(4.2)dimanaVnadalahkomponenkecepatannormal terhadapdA. Massa yang melalui pipa atau saluran dapat diperoleh dengan mengintegrasikan :AndA V m *(kg/dt) (4.3)Sedangkan volume flow rates: Arerata nA V dA V V*(4.4)Sehingga :vVV m** * persamaan analog dengan vVm Prinsip Konservasi EnergiPersamaan konservasi energi untuk sebuah volume atur ketika menjalani suatu proses dapat diungkapkan seperti:

,`

.|

,`

.|

,`

.|

,`

.|VA dalamenergi bersih PerubahanVA keluar yg massa darienergi TotalVA masuk yg massa darienergi Totalkerja & panas sbgbatas melintasienergi Totalatau + VA keluarE E W Q(4.5)Jika tidak ada massa yang masuk dan keluar volume atur, maka suku kedua dan ketiga akan hilang, sehingga persamaan menjadi persamaan untuk sistem tertutup.Dalamvolume atur seperti juga dalamsistemtertutup, dalaminteraksinyadimungkinkanbekerjalebihdari satubentuk kerjapadawaktuyangbersamaan.Misalnya: kerjalistrik, kerja poros untuk sebuah sistem compressibeldan lain-lain. Dan untuk sebuah volume atur yang diisolasi maka heat transfer adalah nol.Kerja Aliran (Flow Work)Energi yang diperlukan untuk mendorong fluida memasuki volume atur disebut kerja aliran (flow work atau flow energi).Untuk memperoleh hubungan kerja aliran, perhatikan elemen fluida dari sebuah volume V, seperti Gambar 4.2 di bawah. Fluida padabagianpangkal akanrnemaksaelemenfluidamemasuki volume atur; yangdisini dilakukan oleh sebuah piston imajiner.Jika tekanan fluida P dan luas permukaan elemen fluida adalah A maka gaya yang bekerja pada elemen fluidaPA F (4.6)Gambar 4.2 Kerja AliranUntuk mendorong seluruh elemen ke volume atur, gaya menempuh melalui sebuah jarak L. Sehingga kerja yang dilakukan ketika mendorong elemen fluida memasuki batas sistem adalahPV PAL FL Wflow (kJ) (4.7)atau dalam persatuan massa :Pv wflow (kJ/kg) (4.8)Energi Total AliranSeperti padapembahasansebelumnya, energi total dari sebuah sistemsederhana fluida kompresibel terdiri dari tiga bagian : energi dalam, kinetik danpotensial, yangdalamunit massa : gzVu pe ke u e + + + + 22(kJ/kg) (4.9)Dimana: Vadalah kecepatan dan z adalah ketinggian sistem relatif terhadap titik acuan.Fluidayangmemasuki dankeluar volumeatur memiliki bentuk energi tambahan (energi aliran Pv). Sehingga total energi perunit massa dan fluida yang mengalir adalah :) ( pe ke u Pv e Pv + + + + (4.10)Dan kombinasi Pv + u telah didefinisikan sebelumnya sebagai enthalpi, sehingga persamaan total energinya menjadi :gzVh pe ke h + + + + 22(kJ/kg) (4.11)Profesor J. Kestin memulai pada tahun 1966 bahwa istilah disebut dengan methalpy.4.2 Proses Aliran SteadiSejumlah peralatan-peralatan keteknikan seperti turbin, kompresor dan noseldioperasikan untuk periode yang lama dan dalamkondisi yang sama. Peralatan yang demikian disebut dengan peralatan aliran stedi.Proses aliran stedimempunyaipengertian sebuah proses dimana aliran fluida ketika melalui sebuah volume atur tidak mengalami perubahan terhadap waktu.Sebuah proses aliran steadi bisa dikarakteristikkan sebagai berikut1. Tidakada propertidalamvolume aturyang berubah terhadap waktu, seperti volume V, massa m dan tolal energi E.2.Tidak ada properti pada batas volume atur yang berubah terhadapwaktu. Artinyatidakadaperubahanterhadapwaktu properti pada inlet dan exit.3.Interaksi panas dan kerja antara sistem aliran steadi dan lingkungan tidak berubah terhadap waktu.Beberapa peralatan siklus, seperti mesin atau kompresor reciprocating, sebenarnya tidak bisa memenuhi ketentuan di atas karenaalirannyaberpulsadantidaksteadi. Tetapi hal tersebut dapat dianalisa sebagaiproses steadi denganmenggunakan nilai reratadalaminterval waktutertentupadaseluruhbatas sistem.KonservasiMassaSelama proses aliransteadi, hal yangterpentinguntuk dianalisa adalah mass flow rate *m. Persamaan konservasi massa untuk proses aliran steadi dengan multiinletdanexitdapat diekspresikan dalam bentuk rate (laju) adalah sebagai berikut :

,`

.|

,`

.|ktuperunit waVA keluarmassa Totalktuperunit waVA masukmassa Total e i m m* *(kg/det)dimana subskrip i dan e menunjukkan inlet dan exit.Untuk hampir semua peralatan keteknikan seperti noseI, difuser, turbin dan kompresor umumnyahanyamempunyai satualiran(hanyasatu saluran masuk dan keluar), sehingga umumnya hanya disimbolkan dengan subskrip 1 untuk aliran masuk dan 2 untuk aliran keluar. 2*1*m m(kg/det) (4.12) atau 2 2 2 1 1 1A V A V (4.13)atau 2 221 111 1A VvA Vv(4.14)di mana = densitas, kg/m3 v = volume spesifik, m3/kg(1/ )V = kecepatan aliran rerata, m/sA =luas penampang (normal terhadap arah aliran), m2Konservasi EnergiTelah disebutkan sebelumnya bahwa selama proses aliran steadi total energi dalam sebuah volume atur adalah konstan (E, .=konstan).Sehingga perubahan total energi selama proses adalah nol ( EcV =0).Sehingga jumlah energi yang memasuki sebuah volume atur dalam semua bentuk (panas, kerja, transfer massa) harus sama dengan energi yang keluar untuk sebuah proses aliran steadi.]]]]]]

,`

.|

,`

.|ktu perunit wamassa bersamaVA masuk total Energiktuperunit wamassa bersamaVA keluar total Energiktuperunit wakerja & panas sbgbatas i maelintsastotal Energiatau i i ee m m W Q * * * * (4-15)atau(kW) (4-16)untuk sistem aliran tunggal (satu inlet dan satu exit) persamaan di atas menjadi:

(KW) ) (21 221221 2* * *]]]

++ z z gV Vh h m W Q(4-17)jika persamaan (4.17) dibagi dengan *m, maka :

q-w = [ h+ke +pe](kW) (4-18}dimana:

**mQq (panas perunit massa, kJ/kg) **mWw (kerja perunit massa, kJ/kg) 4.3 Beberapa Peralatan Keteknikan dengan Aliran Steadi4.3.1Nozel dan DifuserNosel dan difuser pada umumnya digunakan pada mesin jet, roket, pesawat udaradanlain-lain. Nosel adalahalat untuk meningkatkan kecepatan fluida dan menurunkan tekanan. Difuser adalahkebalikandari nosel yaitusebuahalat untukmenaikkan tekanandanmenurunkankecepatanfluida. Luas penampang nosel mengecil dengan arah aliran dan sebaliknya luas penampangdifuser membesar denganarahaliranfluida. Nosel dandifuser di atasadalahuntukfluidadengankecepatansub sonik, jika untuk kecepatan super sonik maka bentuknya merupakan kebalikannya.Hal-hal penting yang berhubungan dengan persamaan energi untuk nosel dan difuser adalah sebagai berikut:Q = 0. Rate perpindahan panas antara fluida yang melalui nosel dan difuser dengan lingkungan pada umumnya sangat kecil, bahkan meskipun alat tersebut tidak diisolasi. Hal terstebut disebabkan karena kecepatan fluida yang relatif cepat.W = 0. Kerja untu k nosel dan difuser tidak ada, karena bentuknya hanya berupa saluran sehingga tidak melibatkan kerja poros ataupun kerja listrik.ke =0. KecepoIon yang terjadi dalam nisei dan difuser adalahsang at besar, sehingga perubahan energi kinetik tidak bisa diaboikan.Ape = 0. Poda umumnya perbedaan ketinggian ketika fluida mengalir melalui nosel dan difuser adalah kecil, sehinggaperubahan energi potensial dapat diabaikan.4.3.2 Turbin dan KompresorDalam pembangkit hstrik lenaga uap, gas dan air alaf yangmenggerakkan generate* listrik adalah turbin. Kelika fluido mengalir melalui lurbtn maka kerja akan melawan sudu yong lerfempel pada poros. Sebagai hasilnya, poros berputar don turbin menghasilkan kerja. Kerja yang dihasilkan iurbin adalah posit if karena dilakukan oleh fluida.Kompresor, sama seperli pompa, kipas dan Dlower adalah aJai untuk meningkalkan lekanan fluida. Kerjo harus disuplai dan sumber ekslernal melalui poros yang berpular. Karena kerja dilakukan kepada fluida, maka kerja pada kompresar adalah negalif.Untuk turbin dan kompresor hal-hal peniing yang berhubungan dengan persamoan energi :Q = 0. Perpindahan panas pada alat fersebut umumnya kedljika dibandingkan dengan kerja poros, kecuali un'uk kompresor yangmenggunakan pendinginan intensif, sehingga dapaldiabaikan,W # 0. Semua alal ini melibalkan poro^ yang berpufar. Olehkarena itu kerja di sini songatlah peniing. Untuk Iurbin W menunjukkan oulpuf power, sedangkan unluk tompresor danpompo ttmenunjukkan power input power,Ake = 0, Perubahankecepalanpadaalat-alotlersebul biasanya sangat kecil unfuk menimbulkon perubahon energi kinelik yang signifikan (kecuali unluk lurbin). Sehingga perubahan energi kinetikdianggop songat kecil, meskipun untuk tuib'n. dibandingkan dengan perubahan enthalpi yang terjadi.Ape = 0. Pada umumnya alaRilat lersebut benfuknya relalif kecil sehingga perubohan energi pofensial dapat diabaikan.Throfffing valveadalah sualu alat yang aliran fluidanya diberihalangan sehingga menimbulkan penurunan fekanan yang signifikan,(porous) don lain-lain,Alat-alat tersebut umumnya reJatif kecil, dan aliran yong melalul dianggap odiabatis fo - 0). Tldak ada kerja yong terlibat ( w =0 j.Perubahan energi kinetik sangat kecil ^ke = 0) dan perubahan energi potential juga sangot kecil (dpe z 0), moka persa moan energinya menjadi :(A- 19) alauM.-hflv^Hj + JiVi (4-20JolouEnergi daian + Energi aifcon - konstanOleh kareno iru peralotan terse but umumnyo disebut dengan otat koenthatpi. Perlu diingot bahwa untuk gos ideal, moko h - h(7J, jika en thai pi selamo proses tetop, maka do pal dipaslikan bahwa temperaturnya jugo tetop.4. 3.3. a Mixing ChamberDalam aplikasf keteknikan, percampuran dua aliran Iidakjarang lerjodi. Suotu lempat/ruang dimaria proses percampuran lerjadi dinamokan ruang pencompuran fnfVrng chamber]. Contoh sederhono odalah 7-eJbow alau Y-elbow unluk percampuran oliron pana^ dan dingin.Mixing chamber biasortya diisolosi sempurna ( q = 0 } dan tidak melibatkan kerja ( w = 0). Juga energi kinetik dan energi potensial dapot diabaikan ( Ake s 0, Ape = 0), sehinggo persamaan konservasi masso don energi adalah sebagai berikut : Persamaan konservasi massa ; = IJH,Persamaan konservasl energlrya :alau4,3.3. bPenukar PanasPenukar panas adalah sebuah alai dlmana duo aliran fluidasaling berlukar panas lanpa keduanyo bercampur. Conloh yang poling ^ederhano dari olal penukor pano^ odalah alai penukor ponos tobung gondo {tube and shett\, yong lerdiri dari duo pipa kon^entrik dengon diameter yong berbeda. Panas dilranfer dari fluida panas ke fluida dingin melatui dinding ppa yang memisahkan,Persamaan konservasi masso pada kondisi sieadi ocialah jumlah rate mas^a yong memasuki sistem so^a dengan rate massa yong keluar sfslem,Persamaon konsen/asi energi dari alai penukor panos poda umumnya tida^ metfbatkan interaksi kerja ( w = 0), energi kinelik don energi potential diabaikan ( Ake= O.Ape = OJ untuksetiap oliran fluida.pertukaran panas yang berhubungon dengan alat penukar panas lerganlung bagaimana volume otur yong dipilih (batas cistern). Pada umumnyo balas yang dipilih odalah bagian diluar sfte/f. hal tersbuT unluk mencegah perlukaran ponas Huido dengan iingkungon.Q - W =atau4.4 PROSES ALIRAN TlDAK STEADY (Unsteady flow processes)Proses tidak sledl atau proses tianslen adalah kebalikan dori prosesstedi dimonaproperti dalomvolume atur berubahdengan woklu,interafcsi panas dan kerja antara sistem aliran sleodi dan lingkungan juga berubah terhadap waktu.,Aliran tldakstedi [fine hargtogContoh yong poling tepat untuk menggomboTkon sebuoh proses aliran lidak sled! adalah bejana/tangki pembuangan/pemasukan don saluran suplai {the charging of rigid vosseJ from supply line],yang berfung^i unluk mema^ukkan alau membuang fluida dari sebuah bejana bertekanan jGb. 4-3). Carton lainnya adalah proses pemompaan ban/balon dan pressure cooker dan loin-lain Perbedaan lain dari proses aliran stedi dan tidak stedi adalah unluk proses aliran sledi umumnya Ternpat, ukuron dan bentuk yong lelap. Sedongkan untuk proses aliran tidak stedi tidak selalu demlkian, karena memungkinkan ado pergeseran bata? sistem/kerja akibat pergeseron botas sistem. Konservasi massoTidak seperti proses aliron steadi, jumlah massa dalam volume atur mengalami perubohan terhadap waktu. Besarnyo perubahan tersebul tergantung jumlah massa yang masuk dan keluar sistem. Pertiotikan contoh sebuoh bathtub, dimana massa didalam bathtub awalnyo i^ 150kg, kemudian ado massa yong masuk sebesar m> = mossa yang keluar melalui saluran drainase ms = 30 kg,sehingga massa akhir dari bathtub odoloh :m, -mf = (m, - m2)taltl,ul,SOkg - 30kg = m, -150 Aj?m3=170kg sehingga prinsip konservasi mossa adalahotouTotal massa masuk VA selamaAtV. JTotal massa keluar VA selamaAtPerub, bersih massa dalamVA sdama Al(4-21) (4-22)dimona subskrip r don e menunjukkanj'nfefdan exrf dan subskrip 1 dan 2 menunjukkan kondisi awal dan akhir volume atur. Dalom bentuk umum persatuan waktu :dla to u dalam beniuk integral:(4-23)dimono integral! dori dntfv = pdV.Konservasl EnerglPerhaTikan contoh sebuoh bothfuib, dtmano energi dalom volume atur (bathtub) awolnya adolah , - 5CO kJ, kemudian ado ponas yong keluar ke lanah sebesor Q = -150 kJ. Jiko ketinggion air dalam bathtub nolk, berorti sislem melakukon keijo, kotokon ^ebe^ar Wh =10 kJ dan energi yong masuk sislem akibat pertambahan massa katokon sebesarOne IV430, - 300 fcj dan energi yong keluar akibat masso yang terbuang meiaiui saluran drainase katakan sebesar ,. - 100 U, moko persamaan energisistem :p-JF + G, -6,. = (&-, W,.*-50kJ - lOkJ + 300kJ + IQGkJ = ^ - 500 kj- 640 kJSehingga persamaan konservasi energi unTuk $ebuah volume atur seloma pf oses tidakstedi selama interval waktuAtadalah ;Total Energy mcliniasr baiaspanas . kerja selama AtEnergy yg massa menuju VA selama At"\Tolal Energy ygdibawa massakeJuar VAPerubahanbersih energidala m VAatou-F + ie, -I04 = Arv (4-24)dimana G menunjukkan total energi ditransfer bersama massa yang masuk dan keluar volume atur. Jika persamaan dialas difuliskan dalam bentuk persatuan waktu :O-W + X& -L@=A-^- ikW) (4-25) v.'*! *},,, P-^Jatau5-SL d->r-n [5-3]Da lam peralatan-peralatan praklii se peril mesin kaloi. mesin pendingin dan pompa kalor umumnya diopetoslkon antara sebuah media berlemperaiur finggi pada iemperaiui 7)r dan sebuah mediaberlempefatur rendah pado temperatur T,. Unluk sebuah keseragaman daJam mesin kalor, mesin pendingin dan pompa kalor perlu pendefiniiian dua kuanlilas : Qtl=besar perpindahon ponas antora peralalan siklus dan mediaberlmeperalur tinggipada Ierrpperalur7'^. Qt=besarperpindahanpanas anlarapeialatan slkfus dan mediaberlmeperalur rendah pada temperatur 7] . Sehlngga eflslensl termal dapaT drtulbkan sebagal berikut:W1* = -Jf^ 15-0olaun^.MM =QM - Q!(5~5 kompresor pad a temp era fur yang relatlf linggi aon kemudfan didinglnkan dan mengolami kpndensasi dikondensor yang membuang pana^nya kelingkungan. Pefngeranf kemudian memasuki tabung kopilor dlmana tekonan refrigeronf lurun drastic koreno efek throttling. Refrjgeron^ berlemperalur reridah kemudian memasuki evaporator, dimano disinirefrigerant menyeiap panas dari ruang ref rig eras dan kemudian refrigerant kembali memasuki Kompresor.Efisiensirefiigeiator disebutdengan istiiah coefficientofperformance [COP), dino'asikan dengan COPn.COP = _H inpul ^dipcrlukan WMHlhlllatouCOPH = ^ = ! (5-7)a,-ftQi/Q,, - iPerlu dicalai bahwa harga dari COP* dapat beiharga lebih dari satu, Catena lurnlah pana^ v^f^g dl^erap dari ruong refrigefa^i dapat lebih besar dari jumlah input kerja. Hal ler^ebul konlro^ dengan efisiensi iermal yong ^elalu kurang dan salu. Salah satu alo&an penggunaan sfllah-coefficient of performance" lebih dlsukaf untuk menghindari kerancuan dengan istNah efisiensi, kaieno COP dari mesin pendingin lebih be&ar daii satu.Pompa Kalor [Heat Pumps)Pompa kalor adalah suatu alal yang menlransler pan as dari media beiiemperatur rendah ke media bertemperatur tinggl. Tujuan dari mesin pendingin adalah untuk menjaga ruong refngerasj tetap dingin dengon meyerap panas don ruang tersebut, Tufuan pompa kalor adalah menjaga ruangan 1etop bertemperatur tfnggi. Proses pemberian panas ruangan tersebut disertai Gensan menyerap panas dan surnber bertemperatur rendah.COP -inpul yg dipcrlukan WlwwlllllCOPrtl, = = (5-9)Program Semi Que IV Fakuitos Tekntk Jun&art Mesin Perbondingan anlara COPn dan COPMp adalah sebagal berlkuf :COPHP=CGPB+1 [5-10)Air condtionei pada dasarnyo adalah aebuah mesin pendingin-etapi yang dklinginkan disinl bukan ruong retrlgerasi meloinkan sebuahruangan/gedung atau yang lain.Hukum Termodinamlka Kedua : Pemyataan Clausluslerdapat dua pernyataan darl hukum termodinomika kedua pernyaiaon Kelvln-Flankr yang diperuniukkan untuk mesln kalor, dan peinyataan Clou^iu^, yang diperuntukkan ynluk mesin pendingfn/fjompa kalor. Pernyataan Clausius dapal dl ungkapkon sebagal becfhut :Adafafifidofc mungfefn membuo^ sebuafi afaJ yarra sebuah srk/us fonpo acfcrnya efefc don /uar unfufr dan medra bertemperafur rendah fce medfaTelah dikelahui bahwa panes okon beipindah dari media berlemperatijr iinggi ke media berlemperalur tendah. Pefnyotaan Clausius tidak mengimplika^ikan bahwa membua! sebuah alai ^iklus yang dapat memindahkan panas daii media beilemperalur rendah ke media beiTempetatut tlnggl adolah tidak mungkin dibuai Hal tersebut mungkin lerjadl asalkan ado efek luar yang daJam kasus terse but dilakukan/diwakili oleh kompresor yang mendapat energi darf energ[ Ifstrfk misalnyo.5.5 MESIN-GERAK-ABADIPerpetual -Motion MachinesKlto mempunyai pernyataan yang berulang-ulang, bahwa iebuah prose: lidak akan dapat berlangsung Jlka tidak memenuhi hukum termodlnamika pertama dan kedua. Sernua a lot yang melanggar bafkProgram S&ni Qtie IV 53 FaKsiltas Tekrtrk Juiusan Mestnhukum fermadfnurriiku pt?rlurno maupun fcedua disebui aengan mesin gerak abadi {Perpe/vat-Motion Machines).Sebuah alar yang melanggar hukum rermodlnamlka pertama disebut dengan mesln gerak abodi tlpe pertomo (F&petualMofion Machines of Ihe fast kind-*PMMl) don sebuah olal yong melonggar hukurn Termodrnomlka kedua disebut ctengon mesin gerak abadi tips kedua {Perpetual-Motion Machines of the second kind- >PMM2) PerhotiKan skema PMMI dan PMM2dbawoh hf[gb.S-3J.,)PMM1 ">PMM2Gambar 5-3SIKIUSCARNQTSebeium membahas siklus Carnol terlebih dohulu perlu diketohulreveisibel dan irreversibel. Sebuah proses reversibel dideflnislkan sebogai sebuoh proses yong dopot dibalik lonpa meningggal jejak pada lingkungan. Alau dengan kaTo loin, sebuoh proses yong ]iko dlbollk akan melolul lintosan yong ^omo-lngat pengerlian panas dan kerja ^ebagai iungsi lintasan. Proses irrewersibel ad a la h kebalikan darl proses reversibel.Siklus Carnol adalah ^ebuah siklu^ reversfbel yang pertomo koll dlkemukokon oleh Sadi Carnol pado tahun 1324, seorang insinyur Perancis. Mesin teorftis yang menggunakan slkius Carnol dl^ebut clengan Mesn Kolor Cornot. Siklus Carnot yang dibalk dinamakan dengan siklus Cornot terbolik don meain yang menggunokan siklus carnol terballk disebui dengan Me^in refrigerasi Carnol (Gb. 5-4).'*-^V' SC'amotGambai 5-4Jrutan proves pada siklus Car not adalah sebagai berikut : 1 , Ekspansi isotermal reversibeN2. Ekspansi adlabalis reversibel3. Kompresi isotermal rever^Jbel4. Kompresi adicbotls reversib^li.7PRINSIPCABNOTHukum teimo kedua meielakkan pembalason pada operas I ^eralotan ^Iklus ^eperli yang dlekspie^ikan oJeh Kefvin-Plank dan Clausius. ;ebuoh mesin kalar tldak dapat beropera^i dengan menukorkon ponas lonya dengon reservoir lunggal, don refrigerator tidok dopal beroperasl anpo adanya input keffo dari sebuah sumberluof .Dari pernyotoon diatas kilo dopat mengarrtiil kesimpulan yang lerhubunocin dengan etfetensi termol dot I proses rever^lbe! donineversibel[Gb.5-3J:f. EfisJensi1 setouah mesrn kotor irreversjbel seiakJ tebih kecil dad mesin kator r^versjti^ beroperasj an'ofO dua yana ^ama.2. Efr^ensisemuorevefsrbef yang beroperasjdua resejvojr /ang sama ada/aftin iii.] Tin i ' i** ' IT,K * ''.Gambur 5-4. PrinsipSemi Que IVlunisan Mezin55 5.8 MESIN KALOR CARNQTEffsiensi termal doii semua mesin kakjrrevetsfbel Qtau ineversibeldapot diluliskan sebagai beiiku!:-dimana QM a da la h ponas yang ditransler ke mesln kaloi pa da temperalutTH, dan OL adoloh ponas yang diteiansfer kemesin kaloi podaTL.Hubungandiatas adolahhubunganyangmengocupadaCamoL korena mesin kaloi Carnot adalahmesin reversibe! yang boik.Perlij dicalal bahwa TL dan TM odalah iemperalur absolut. PenggunaanC alauFakan seiing menimbulkan kesalahan.Erisiensl termal dari sualu mesin kalor aktual don reversibel yang beropera^i pada batas tempeiotur yang sama adoloh sebagai berikul G&.5-6J:< TjrfiM(mesin kalor irreveisibcl=n , mgsin kafiir rcvcuibel11/\ ikaloiHamplr semua me^in kalot mempunyai efisiensi lermol dibawah 40 per^en. Vong sebenarnya relaiif rendah Jlka dlbandingkan dengan 100 persen. Tetapi bagaimanapun, ketlko performance dor! mesin kaloi diperoteh tidak harus dibandingkan dengon 100 persen. telapi horus dibandingkan dengan efbiensi ^ebuoh mesin kalor TeverEibel yons beioperasi dianTata bafa? temperatijryang sama.Program Semi Qtte IV 561-altultJK Teknfc Jurusan MestnUniversitasrjr- jurok.' P'L"^* "' n. - -5-5. EFibiensi "farms! MtalnEfisiensi maksimum sebuoh pembongkii ienaga liElrik yang beroperasl ontata Tempeiatut TM = 750 K don TL = 300 K adolah 60 persen jika menggunakan rumus efisJensi mesin revef^ibeL lelapi aklualnya hanya sekitor 40 persen, Hal ini sebenarnyo Ifdak begilu buruk dan hal tersebut masih membuiuhkan improvisasi unluk mendekolf efisrensf mesrn reversfbelKualitas EnerglSebuah mesin kalor Caino! jiko menerimo panos dad sebuoh sumber podo temperotur 925 K don mengubohnya 67,2 persen meniodi kerja, kemudian membuang sisanya (32.8 persenl) ke sink pada 303 K, Sekotono iEko dtevaluosl bagaimano effetensi (eimol |lko wmbertemperatuf bervaHasi dengan temperatur sink difaga konstan..Ilka suplai panos dari temperalur 5umber 500 K fbondingkan dengan 925 K|, moko eRsien^i termal turun diastis menjadl datl 67,2 ke 3?.4 persen. Dan jika lemperatur syrnbw sebesar 350 K, maka fraksi pana^ yong dlkonveisi honya 13,4 persen.Horga efisiensi menunjukkan bahwa energi mempunyai kualitas somo seperti mempunyoi kunalflas. Semokin tinggi lemperatur, semakin iinggi kualilas energi.Conloh misalnycjr jumloh yang besar dciri energi matahari . jika dl^lmpon dolom sebuoh bendo [bodyj yong disebut soJor pond akan mempunyai iemperalui kurang lebih 350 K. Jika hoi ini disuplaikan ke sebuoh mesln kolor , moko efi^ien&inyo honyo kurcjng lebih 5 persen.Prcgram Semi Que IV 57 Fakullas Tekmk Junisa Universrtas BiawijayaKarena rendohnyo kuo/flas energi yang didopat dislmpan poda sebuah sumbet,maka blaya konstruksi don perowalan menjadi semokln mahal. Hal Ini menjadi tldak kompetltff meskipun lersedia dolom jumloh yang bonyak..?MESIN PENDINGIN DAN POMPA KALOR CAPNOTMesin pendingin dan pompa kalor yang beroperasi menggunokonsiktijs terbolik dlnamakon mesin pendingin Cornol.Coefficient of performance mesin pendingin aiau pompa kolor rever^ibel aiau irrever^ibef adalah :COP. =J danCOP.,,,- '- 0,/Q,,Jika meslnnyo odalah mesin reversibel moka :CQ1W =T' _ { (5-12] danCOP4T,V--1- (S-13JPerbandingan COPmesin pendingin reverEibel dan irrevetsibel adoloh sebagaibeilkut (Gb-5-5): COP.^mesin pendinginPm^Mf Sern; (?ue JV 58 Fakut&s Teknik JuiusanU jfiu p\n Hfiftil.' .[i\"-"J5-fi COPCOP mesln pendir>gln don pompa kalor menurun ketiko TL menurun. Beroiiihalini memerlukan kerjountukmenyerappanasdc] mediaberlemeprotur rendah. Ketlka tsmpefatur ruang rsfrigera^l menaSkort no(, jumtah kerja yang dlperlukan untuk mempodukii jumtah pendinglnan terteniu akan mendekoti tak terboto^ don COP-nya akan mendekdti noLProgram Semi Que IV 59 Fakultas Teknik Juru^rt Unwersitas BrawijayaKATA PENGANTARAlhamdulillahirobbil 'alamiin kami ucapkan atos berkal rahmat dan hfdayanNya sehingga kamf da pot merryelesaikan bahan ajar Termodinamika Teknik II lepal pada waktunya, Bahan ajar ini kami bual bertujuan supaya maleri yang disampaikan oleh dos&n {tenaga pengajar} tebih mudah dilerima oleh mahasiswa khususnya di lingkungan Jurusan Mesin FT Unibrow sehingga proses pembelajarannya lebih dinarnis,Bahan ajar ini sebagian besar kami ambil dori buku yang berjuduf " Fundamentals Of Engineering Thermodynamics" ofeh Michoel J. Moron & Howard N, Shapiro sehingga apabila kurang jefas bagi para pernakai/pembaca dapat mengeceknya.Dalam kesempalan ini kami mengucapkan terirna kasih ^ebanyak-banyoknya kepada segenap Pengebb Program Sernf Que IV fahap kedua yang lebh bonyak membantu pendanaan dalam pembuatan bahan ajarintSeperil pepalah yang menyatakan bahwa tiada gading yang !ak retak, begilu juga apa yang telan komi ^u^un ini banyak sekali kekurangannya unluk itu saron dan krilik yang membongun sangat kami harapkan demi sempumanya bahan ajar ini.Yogyakarta, 27 Agustus 2007Tim penyusunDAFTAR IS IBAB I.KONSEP DASAR TERMODINAMIKA ................. 11.1 Definisi don Aplikasi Thermodmaniika .........I......................... 11.2Bentufc-bentuk Energi ............. ..I............................,,,,,...,,,,,,,,, 213 Sistem, Proses, Dan Siklus Thermodinomika ...................... 4\ASislem Sakian, Tekanan dan Temperalur ............................ 11.4.1Sistem Saluan .......................................................... 11 4.2Tekanan................................................................... 814.3Tempefatur .............................................................. 9BAB II.PRQPHCTYZATMURNIDANKARAKETRISTIK GAS IDEAl ..........................^:^...... 112.1ZatMumi,,-............................................................... 1122Diagram Fasa .......,.....,............................. 1 t23 label Property.....,.,.,.....,.....,...,.,...,.,.....,...,.,...,.,...,.... 132.4Gas Ideal .................................................................. 142.5Persomaan Keadaon Gas .......................................... 17BABULHUKUMTERMODINAMIKAISISTEMTERTUTUP ................................ 193J Pendahuluan.,....,.,.,.,.,.,...,...,.,........, 1932 Panas (Heat) ............................................................. 193.3 Kerja [Work)............................................................... 203.4Hukum Termodinomika Pertamo................................. 243^ Panas Jenis (Spesjfc Heaf) ................................ .rrr..r. 253.6 Energi Dolom, Enlhalpi, dan Panas Jenis Gas Ideal .,... 263.7Relasi-relasi Pana^Jenis Gos Ideal............................... 263^Energi Datam, Enlhalpi. dan Panas JenisZat Padot dan Cair ...,...,.......................,.,.... 29BABIV. HUKUMTERMODINAMIKAISiSTEMTERBUKA (VOLUME ATUR J........ ,,,,... 314.1 Analisa rermodinamika VolurreAfur .............................. 314.2Proses AlironSledi..................,.,.,.,.,.......,... 3543Beberapa Peralotan Keleknikan dengan Aliran Sledi...... 3344Proses Ahran Tidak Sledif Unsteady How Processes) .......... 42BABV.HUKUM TERMODINAMIKA II .,^..,^,........................... 475.1 Pendahuluan .......................................................... 4752 Reservoir Energi Panas ( ThermalEn&gy Reservoirs )......... 4&53Mesin Kalor [HeatEngines) . ......,...,.,.,.,.,..........., 485^Mesin Pendingin dan Pompo Kalor( Refrigerators and Heat Pumps)................................ 515.5Mesin GerakAbadi( Perpetual-Motion -Machines ),...,.,.. 53