Besaran Thermodinamika

1.   BESARAN THERMODINAMIKA

1.1   Temperatur

Skala temperatur digunakan sebagai indikator keseimbangan panas (thermal), dimana setiap dua benda yang bersentuhan dengan kondisi yang sama adalah dalam  keseimbangan.

1.1.1   Skala Celsius ^OC

Ini adalah skala temperatur yang banyak digunakan, dengan temperatur nol yang cocok, yaitu temperatur dimana air mulai membeku.

1.1.2   Skala mutlak Kelvin K

Ini adalah skala temperatur yang kenaikan skalanya sama dengan skala Celsius, tetapi dengan skala nol temperatur yang paling rendah ketika semua molekul atau atom-atom benda berhenti bergerak. Temperatur ini menjadi acuan temperatur nol mutlak K dan setara dengan -273,15 ^OC.

1.1.3   Satuan SI dan Inggris (I-P) untuk Temperatur

Satuan temperatur standar internasional SI adalah derajat Kelvin (K). Pada umumnya, temperatur pada persamaan termodinamika dinyatakan dalam K. Namun beda temperatur sebagaimana pada perhitungan perpindahan panas, bisa dinyatakan dalam ^OC atau K, dikarenakan kenaikan skalanya sama.

Sedangkan satuan yang digunakan pada satuan Inggris, I-P (inch-pound) adalah derajat Fahrenhait (^OF).

Macam Satuan Temperatur dan konversinya:

·         Derajat Fahrenheit:  ^oF = 9/5 ^oC +32

·         Derajat Celsius:                   ^oC = 5/9 (^oF – 32)       (dahulu: Centigrade)

·         Kelvin                                   K = ^oC + 273,15          (tanpa derajat)

·           Derajat Rankine:               ^oR = ^oF + 459,67         (bukan Reamur!!!)

1.1.4   Alat Ukur Temperatur

1.         Termometer bola (cairan dalam gelas : air raksa, alkohol, air, dsb)

Prinsip kerja : sifat pemuaian zat.

                                                     Gambar Temperatur Bola

2.         Termokopel

Prinsip kerja : sifat ggl (emf) dari dua metal yang berbeda.

3.         RTD (Resistance Temperature Detector).

Prinsip kerja : sifat tahanan metal.

                                    Gambar (Resistance Temperature Detector)

4.         Termistor (Thermally Sensitif Resistor)

 Prinsip kerja : sifat tahanan bahan.

Gambar Termistor (Thermally Sensitif Resistor)

1.2   Tekanan (Pressure)

Satuan tekanan SI adalah pascal Pa, yang didefinisikan sebagai satu newton gaya per meter persegi (1 N/m²). Karena satuan pascal terlalu kecil, maka cenderung digunakan kPa (kilo newton/m²) atau Mpa (mega newton/m²).

Namun yang paling umum digunakan adalah satuan metrik: atmosfer (atm) atau bar (kilogram gaya per centimeter per segi = kg/cm²)

1 atm = 1.01325 bar 

1 bar  = 10⁵ pascal = 0.1 Mpa

Satuan lainnya yang sering digunakan meliputi satuan British psi (puond per inci persegi lb/in²) ataupun satuan tinggi kolom air H²O (mm H²O, in H²O) dan tinggi kolom air raksa Hg (mm Hg, in Hg); pengkonversiannya dapat dilakukan dengan mesin konversi. 

1.2.1   Tekanan mutlak/absolute pressure (bar.a)

Ini adalah tekanan yang diukur mulai dari acuan tekanan vakum sempurna, dimana tekanan vakum sempurna dianggap nol bar a (o bar absolute).

1.2.2   Tekanan gauge (bar.g)

Ini adalah tekanan yang diukur mulai dari acuan tekanan udara luar atmosfer, dimana tekanan udara luar atmosfer dianggap nol bar g (o bar gauge) - sering ditulis dengan satuan bar saja. Walaupun tekanan udara luar tergantung pada cuaca dan ketinggian, umumnya dianggap 1.01325 bar a (1 atm) – tekanan udara luar atmosfer pada permukaan laut dengan temperatur 25 ^OC.

1.2.3   Beda tekanan (differential pressure)

Ini adalah beda antara dua tekanan. Ketika menentukan beda tekanan, tidak diperlukan menentukan tekanan gauge atau absolute, asalkan kedua tekanan diukur dengan acuan yang sama.

1.2.4   Satuan SI dan Inggris (I-P) untuk Tekanan

Satuan untuk tekanan adalah :

·         SI: p = F/A ® (kg.m/s²)/m² = N/m² = P = pascal

·         Inggris atau I-P : 1 lbf/in² = 1 psi (pound force per square inch)

·         psia = pound force per square inch absolute

·         psig =pound force per square inch gage

1.2.5       Alat Ukur Tekanan

Barometer: alat pengukur tekanan absolut udara

Manometer: alat pengukur perbedaan tekanan

Bourdon tube gage: alat pengukur tekanan secara mekanik, dapat mengukur tekanan gage maupun absolut (umumnya gage)

                                Barometer    Manometer     Bourdon Tube Gage

1.3  Densiti Dan Volume Jenis (density and specific volume)

Densiti ρ suatu bahan didefinisikan sebagai massa bahan m per satu satuan volume V. Volume jenis v_g adalah volume per satuan masa, kebalikan dari densiti.

dimana:  ρ     =  densiti                       kg/m³, untuk SI dan lbm/ft³, untuk satuan Inggris

               m    =  masa                        kg, untuk SI dan lbm, untuk satuan Inggris

               V     =  volume                     m³ untuk SI dan ft³, untuk satuan Inggris

               v_g    =  volume jenis             m³/kg untuk SI dan ft³/lbm, untuk satuan Inggris

Satuan lain yang digunakan adalah berat jenis (specific gravity), yaitu perbandingan densiti bahan tersebut ρ_s dengan densiti  air murni ρ_w pada temperatur dan tekanan standar (STP). Kondisi acuan ini ditetapkan dengan tekanan udara luar dan temperatur 0 ^OC.

Kadang-kadang digunakan temperatur 20 ^OC atau 25 ^OC dan jika menggunakan acuan ini disebut acuan temperatur tekanan normal (NTP).

                                                            Densiti bahan tersebut ρ_s   

Berat jenis suatu bahan =

                                                                Densiti air murni ρ_w

Densiti air murni pada NTP dianggap 1000 kg/m³. Karena berat jenis adalah perbandingan dua densiti, maka berat jenis adalah tanpa dimensi ukuran dan satuan. Berat jenis disebut juga densiti relatif suatu bahan.

1.4   Panas, Kerja, Dan Energi (Heat, work and energy)

Energi diartikan sebagai kemampuan melakukan kerja. Pemindahan energi dengan cara gerak mekanik disebut kerja (work). Pemindahan energi karena thermal contact, yaitu karena ada perbedaan temperatur disebut panas (heat). Satuan SI untuk panas, kerja dan energi adalah joule, ditetapkan sebagai 1 Nm (1 joule = 1 Newtonmeter).

Jumlah kerja mekanik yang dilakukan dapat ditentukan dengan persamaan turunan dari mekanika Newtonian:

                        Kerja w = gaya F  x  jarak tempuh s

Dapat juga dijelaskan sebagai hasil kali dari tekanan yang diberikan dengan perubahan voluma.

Kerja w = tekanan p  x  perubahan voluma dV

Contoh: Suatu tekanan yang diberikan p = 1 Pa, telah merubah voluma sebesar dV = 1 m³. Berapa kerja yang dilakukan?

Kerja yang dilakukan w = p x dV = 1 N/m2  x  1 m³  = 1 Nm = 1 joule = 1 J

Penelitian yang dilakukan oleh JP Joule menunjukkan adanya kesetaraan antara energi mekanik (kerja/work) dengan panas (heat). Ditemukan bahwa jumlah energi yang sama dibutuhkan untuk menghasilkan kenaikan temperatur yang sama pada masa air tertentu, tidak peduli apakah energi diberikan sebagai panas q atau kerja w.

Energi total pada suatu sistem terdiri dari :

1. Energi Dalam
2. Energi Potensial dan
3. Energi Kinetik.

Temperatur bahan berhubungan langsung dengan energi dalam u_g (internal energy). Energi dalam berhubungan dengan gerak, interaksi dan ikatan molekul dalam bahan.

Energi luar (external energy) suatu bahan berhubungan dengan kecepatan (energi kinetik) dan lokasinya (energi potensial).

Satuan SI untuk daya adalah Watt atau Joule per detik (1 J/s). Sedangkan satuan Inggrisnya adalah BTU (British Thermal Unit), jumlah panas untuk menaikkan temperatur 1 lb air murni sebesar 1 ^OF atau terkadang digunakan kalori (calorie),  jumlah panas untuk menaikkan temperatur 1 g air murni sebesar 1 ^OC. Pengkonversiannya dapat dilakukan dengan program konversi satuan.

1.4.1   Entalpi jenis (Specific Enthalpy)

Entalpi (H) adalah jumlah energi internal dan kerja yang dilakukan oleh tekanan tersedia. Entalpi suatu fluida ditentukan oleh temperatur dan tekanannya.. Istilah ini diberikan untuk energi total suatu fluida (seperti air atau uap) sesuai tekanan dan temperatur pada waktu dan kondisi tertentu.

Gambaran Entalpi

Satuan dasar ukurannya adalah joule (J). Karena ukuran satu joule terlalu kecil, biasanya digunakan ukuran kilojoule kJ (1 kJ – 1000 J).

Entalpi jenis (h) adalah suatu ukuran energi total dari satu satuan massa, dan satuan ukurannya biasanya adalah kJ/kg.

1.4.2   Kapasitas panas jenis (specific heat capacity)

Kapasitas panas adalah banyaknya kalor yang diserap oleh materi (cair, padat, dan gas) untuk menaikan temperaturnya. Kapasitas panas tekanan tetap c_p, adalah suatu ukuran perubahan entalpi pada temperatur tertentu.

Energi dalam suatu fluida ditentukan oleh  temperatur dan volume jenis. Kapasitas panas volume tetap c_v adalah suatu ukuran perubahan energi dalam pada temperatur tertentu dengan volume tetap.

Untuk benda padat dan cair:   c_{p  ≈}  c_v. Penyederhanaan ini didasarkan pada sifat benda padat dan cair yang tak dapat dimampatkan (incompressible), sehingga volumenya hanyalah fungsi temperatur. Hal ini menyatakan secara tdk langsung bahwa untuk fluida incompressible, entalpi dan kapasitas panasnya hanyalah fungsi temperatur.

Panas jenis menyatakan jumlah panas yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur 1 kg benda sebesar 1 ^OC, dan dapat dianggap sebagai kemampuan benda untuk menyerap panas. Satuan kapasitas panas jenis dalam SI adalah kJ/kg.K (kJ/kg.^OC). Air memiliki kapasitas panas jenis yang besar dibanding cairan lain, yaitu 4,19 kJ/kg.^OC (1 kkal/kg.^OC), sehingga  air dan uap dianggap sebagai pembawa panas yang baik.

Jumlah energi panas yang diperlukan untuk menaikkan temperatur suatu substansi dapat ditentukan dengan persamaan berikut:

            Q = m. c_p.∆T

dimana:    Q   =   jumlah energi panas (kJ)

m  =   masa substansi (kg)

c_p   =   kapasitas panas jenis substansi (kJ/kg.^OC)

∆T =   kenaikan temperatur substansi (^OC)

Persamaan ini menunjukkan bahwa untuk masa substansi tertentu, kenaikan temperaturnya adalah sebanding lurus dengan jumlah panas yang tersedia, dengan anggapan kapasitas panas jenisnya tetap selama perubahan temperatur.

Contoh

Air sebanyak 2 liter dinaikkan temperaturnya dari 20 ^OC ke  70 ^OC. Pada tekanan udara luar, berat jenis  air adalah 1000 kg/m³ (1 kg/ltr). Kapasitas panas jenis air 4.19 kJ/kg.^OC pada rentang temperatur rendah.

Oleh karena itu :   Q = 2 kg x 4.19 kJ/kg.^OC x (70 ^OC - 20 ^OC) = 419 kJ

Jika kemudian air tersebut didinginkan kembali ke temperatur awalnya 20 ^OC, maka air itu akan melepas panas sebesar 419 kJ tersebut ke pendingin. 

1.4.3   Entropi, S

Entropi, S adalah ukuran tingkat ketidak-teraturan dalam suatu sistem. Semakin besar tingkat ketidak-teraturan, semakin tinggi entropi. Satuan Si entropi adalah kJ/kg.K (kJ/kg.^OC).