termodinamika teknik PDF

Preview

Summary

BUKUAJAR BUKU AJAR MATA KULIAH TERMODINAMIKA TEKNIK I file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/COVER%20BUKU%20AJAR.html (1 of 2)5/8/2007 3:52:24 PM BUKUAJAR Disusun Oleh : Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Ir. Zamanhuri, MT. Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.,MT. DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TE...

Description

BUKUAJAR

BUKU AJAR MATA KULIAH TERMODINAMIKA TEKNIK I

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/COVER%20BUKU%20AJAR.html (1 of 2)5/8/2007 3:52:24 PM

BUKUAJAR

Disusun Oleh :

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc Ir. Zamanhuri, MT. Tulus Burhanuddin Sitorus, ST.,MT.

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA 2006

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/COVER%20BUKU%20AJAR.html (2 of 2)5/8/2007 3:52:24 PM

DAFTAR ISI

DAFTAR ISI Halaman Judul Lembar Identitas dan Pengesahan Kata Pengantar Daftar Isi BAB I

BAB II

i ii

DASAR TERMODINAMIKA Defenisi 1.1. 1.2. Prinsip Termodinamika 1.3. Penerapan Termodinamika

1 1 2

1.4.

Sistem Termodinamika dan Volume Atur

1.5.

Sistem Tertutup dan Sistem Terbuka

4

1.6.

Pandangan Makroskopik dan Mikroskopik

4

1.7.

Kesetimbangan Termal

5

1.8.

Konsep Temperatur

6

1.9.

Pemuaian Zat Padat dan Zat Cair

8

1.10.

Tekanan

8

1.11.

Energi

9

1.12.

Dimensi dan Sistem Satuan

10

1.13.

Kesetimbangan Termodinamik

13

1.14.

Sifat-sifat Koordinat Termodinamika

23

1.15.

Kerja

23 HUKUM TERMODINAMIKA I DAN PENGGUNAANNYA 2.1. Defenisi 2.2. Persamaan Energi 2.3. Proses Adiabatik 2.4. Entalpi 2.5. Proses Politropik

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Daftar%20Isi.html (1 of 2)5/8/2007 3:52:25 PM

3

27 27 30 33 34

DAFTAR ISI

BAB III

BAB IV

PERUBAHAN FASE 3.1. Diagram P-V untuk zat murni 3.2. Diagram P-T untuk zat murni 3.3. Panas Laten

37 39 42

HUKUM TERMODINAMIKA II 4.1. Defenisi 4.2. Mesin Panas 4.3. Kegunaan Hukum Termodinamika II 4.4. Entropi

44 45 49 53

Daftar Pustaka Lampiran

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Daftar%20Isi.html (2 of 2)5/8/2007 3:52:25 PM

KATA PENGANTAR

KATA PENGANTAR

Buku ajar ini merupakan penuntun untuk mahasiswa yang mengambil mata kuliah termodinamika teknik I. Dan pembuatan buku ajar ini juga berkaitan dengan proyek Inherent Universitas Sumatera Utara tahun 2006. Buku ajar singkat ini berisi ringkasan materi yang disampaikan pada mata kuliah termodinamika teknik I. Diharapkan buku ajar ini dapat membantu mahasiswa dalam mengikuti dan mendalami mata kuliah termodinamika teknik I sehingga didapatkan hasil yang optimal dalam perkuliahan. Tim pelaksana juga dalam kesempatan ini mengucapkan terimakasih kepada rekan-rekan yang mendukung proses perkuliahan ini yaitu Rektor USU, Dekan Fakultas Teknik, Panitia Proyek Inherent Universitas Sumatera Utara dan para Reviewer, dan khususnya kepada Departemen Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Sumatera Utara atas fasilitas yang diberikan.

Tim Pelaksana Ketua,

Ir. Mulfi Hazwi, M.Sc

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/KATA%20PENGANTAR.html5/8/2007 3:52:25 PM

BAB I

BAB I DASAR TERMODINAMIKA

I.1. Defenisi Termodinamika merupakan suatu ilmu pengetahuan yang membahas hubungan antara panas dan kerja yang menyebabkan perubahan suatu zat. Maksudnya apabila suatu zat atau benda diberi panas (suhunya dinaikkan), maka akan timbul berbagai-bagai akibat seperti : -

Gas, cairan dan zat padat → memuai Termo-elemen membangkitkan GGL

-

Kawat-kawat mengalami perubahan daya tahannya. Dalam proses demikian, biasanya terdapat suatu pengaliran panas dan bekerjanya suatu gaya yang mengalami perpindahan (panas) yang mengakibatkan terjadinya “Usaha atau Kerja”. Tujuannya memecahkan persoalan termodinamika dengan menguasai prinsip dasar (dalil, persamaan), sistematika pemecahan soal dan defenisi dasar suatu hukum termodinamika.

I.2. Prinsip Termodinamika ● Prinsip-prinsip Termodinamika dapat dirangkum dalam 3 Hukum yaitu : > Hukum Termodinamika ke-Nol : > Hukum Termodinamika I

berkenaan dengan kesetimbangan termal atau Konsep Temperatur.

: - konsep energi dalam dan menghasilkan prinsip kekekalan energi. - menegaskan ke ekivalenan perpindahan kalor dan perpindahan kerja.

> Hukum Termodinamika II

: memperlihatkan arah perubahan alami distribusi energi dan memperkenalkan prinsip peningkatan entropi.

Hukum-hukum Termodinamika didasarkan pada penalaran logis , bukti yang file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (1 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

membenarkan penggunaan hukum-hukum ini secara menerus diperoleh dari percobaan yang menyetujui akibat-akibatnya. I.3. Penerapan Termodinamika Penerapan termodinamika secara teknik (dalam perencanaan) yaitu : - Refrigerasi dan Pengkondisian Udara -

Pembangkit Daya Listrik

-

Motor Bakar

-

Sistem pemanasan surya

-

Pesawat Terbang

-

Dan sebagainya

Ø Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Uap : Energi kimia atau energi nuklir dikonversikan menjadi energi termal

dalam ketel uap

atau reaktor nuklir. Energi ini dilepaskan ke air, yang berubah menjadi uap. Energi uap ini digunakan untuk menggerakkan turbin uap, dan energi mekanis yang dihasilkan digunakan untuk meng- gerakkan generator untuk menghasilkan daya listrik. Ø Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Air : Energi potensial air dikonversikan menjadi energi mekanis melalui penggunaan turbin air. Energi mekanis ini kemudian dikonversikan lagi Menjadi energi listrik oleh generator listrik yang disambungkan pada poros turbinnya. Ø Motor pembakaran dalam Energi kimiawi bahan bakar dikonversikan menjadi kerja mekanis. Campuran udarabahanbakar dimampatkan dan pembakaran dilakukan oleh busi. Ekspansi gas hasil pembakaran mendorong piston, yang menghasilkan putaran pada poros engkol.

I.4. Sistem Termodinamika dan Volume Atur Defenisi dari sistem termodinamika adalah memisahkan bagian ruang yang ter batas atau kumpulan file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (2 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

zat dari lingkungannya, yang dibatasi oleh suatu permukaan tertutup. Atau dapat diartikan : -

Bagian yang dipisahkan yang merupakan pusat perhatian kita disebut ”sistem”.

-

Segala sesuatu di luar sistem yang mempengaruhi kelakuan sistem secara langsung disebut ”lingkungan”.

Gambar 1.1. Sistem dan lingkungan Gambar 1.1 dapat dilihat,. bila silinder dipanaskan, suhu meningkat dan gas mengembang, pengisap dan batas sistem bergerak ke atas. Selama proses ini, panas dan kerja berinteraksi melewati batas sistem. Ø Sistem terisolasi adalah suatu sistem yang tidak dipengaruhi oleh lingkungan, ini berarti bahwa panas dan kerja tidak dapat berinteraksi dengan sistem melewati batas sistem.

Gambar 1.2. Aliran massa melewati permukaan volume atur yang memiliki pesawat (kompressor udara).

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (3 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

I.5. Sistem Tertutup & Sistem Terbuka - Sistem Terbuka : massa diperbolehkan melewati batas sistem - Sistem Tertutup : tidak ada massa yang melewati / melalui batas sistem •

Suatu sistem tertutup hanya dapat mengadakan pertukaran energi dengan lingkungannya atau sistem lain. •

Bila tidak mengadakan pertukaran energi → sistem terisolasi

• Sistem terisolasi secara termik dari lingkungannya → Sistem adiabatik, tetapi masih dapat mengadakan pertukaran kerja dengan lingkungannya.

I.6. Pandangan Makroskopik dan Mikroskopik I.6.1. Pandangan Makroskopik Uraian suatu sistem dengan menggunakan beberapa sifat yang dapat diukur sebagai koordinat makroskopik, misalnya: - Komposisi -

Volume sistem

-

Tekanan gas

-

Temperatur

Ciri Khas Koordinat Makroskopik 1. Koordinat ini tidak menyangkut pengandaian khusus mengenai struktur materi. 2. Jumlah koordinatnya sedikit 3. Koordinat ini dipilih melalui daya terima indera kita scara langsung. 4. Pada umumnya koordinat ini dapat diukur secara langsung

I.6.2. Pandangan Mikroskopik Ciri khas mikroskopik:

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (4 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

1. Terdapat pengandaian secara struktur materi, yaitu molekul dianggap ada. 2. Banyak kuantitas yang harus diperinci 3. Kuantitas yang diperinci tidak berdasarkan penerimaan indera kita 4. Kuantitas ini tidak bisa diukur. Kedua pandangan di atas terdapat hubungan, walaupun sepintas kelihatan sangat berbeda, contoh : kuantitas mikroskopik tekanan adalah perubahan momentum rata-rata yang ditimbulkan oleh tumbukan molekular pada bidang yang luasnya satu satuan. Tekanan → dirasakan oleh indera kita, dialamai, diukur. Jika molekular diubah → konsep tekanan tetap (teori).

I.7. Kesetimbangan Termal Keadaan setimbang dalam suatu sistem bergantung pada sistem lain yang ada di dekatnya dan siafat dinding yang memisahkannya. Dinding → adiabatik atau diaterm. Contoh soal : 1. Dua buah logam memiliki koordinat termodinamik yang berbeda (kuantitas), dipisahkan oleh dinding diaterm, maka kedua benda / logam akan mengalami

perubahan yang pada akhirnya akan mempunyai kuantitas yang sama → disebut kesetimbangan termal. Sistem saling berinteraksi untuk mencapai kesetimbangan melalui dinding diaterm. 2. Bila dua sistem A dan B yang dipisahkan oleh dinding adiabatik tetapi masing-masing bersentuhan dengan sistem ketiga, yaitu C melalui dinding diaterm.

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (5 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

Gambar 1.3. Keseimbangan Termal Kedua sistem mencapai kesetimbangan termal dengan sistem ketiga, dan tidak ada perubahan lagi jika dinding adiabat yang memisahkan A dan B digantikan oleh dinding diaterm. Maka sistem gabungan akan tetap dalam kesetimbangan termal, disebut sebagai Hukum Termo ke-Nol.

I.8. Konsep Temperatur Temperatur (suhu) sebagai perasaan “panas” atau “dingin” bila kita menyentuh suatu benda.

•

Temperatur sistem : suatu sifat yang menentukan apakah sistem dalam kesetimbangan termal dengan sistem lainnya. • Isoterm adalah kedudukan semua titik yang menggambarkan keadaan sistem dalam kesetimbangan termal dengan suatu keadaan dari sistem lain. → Satuan temperatur : °C ; °F & Temperatur mutlak : K ; °R I.8.1. Skala Temperatur •

Alat ukur temp → “Termometer”

•

Ada 4 macam skala temperatur dikenal yaitu :

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (6 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

Gambar 1.4. Skala beberapa jenis temperatur

Titik Triple air :

273,16 K ; 0,01 °C ; 491,69 °R ; 32.018 °F

Titik Beku air

:

273,15 K ; 0 °C

Titik Didih air

:

373,15 K ; 100 °C ; 671,67 °R ; 212 °F

; 491,67 °R ; 32 °F

1.9. Pemuaian Zat Padat dan Zat Cair Pada umumnya setiap zat (padat, cair dan gas) akan bertambah volumenya sebesar dV apabila temperaturnya naik sebesar dT . Koef. muai ruang

:

Koef. muai panjang

:

I.10. Tekanan Definisi Tekanan

:

Dimana: Fn

= Komponen gaya tegak lurus pada A A A’

= Luas bidang dalam medium yang kecil = Luas bidang yang terkecil agar medium masih dapat dianggap sebagai kontinuitas

Istilah : untuk gas cairan → tekanan untuk zat padat → tegangan

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (7 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

•

Tekanan Absolut : Tekanan yang diadakan oleh sistem pada batas sistem

•

Tekanan di atas Tekanan Atmosfir : Pabs = Prelatif + Patm

•

Tekanan di bawahTekanan.Atmosfir → Tek. Relatif (-) (vakum)

Misalnya : Tekenan Relatif = -10 kg/cm2 →

Vakum = 10 kg/cm2

Hubungan antara tekanan absolut, tekanan relatif dan tekanan vakum dapat dilihat di bawah ini.

Gambar 1.5. Hubungan antara tekanan absolut, tekanan relatif dan tekanan vakum

I. 11. Energi Didefinisikan sebagai kemampuan untuk menghasilkan, atau kapasitas untuk menghasilkan suatu pengaruh.

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (8 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

Gambar 1.6. Klasifikasi energi

I. 12. Dimensi dan Sistem Satuan Sistem satuan yang digunakan adalah sistem satuan metrik atau Sistem Internasional (SI). Di dalam satuan-satuan dasar digunakan dimensi-dimensi adalah: L = panjang (meter) M = massa (kilogram) t

= waktu (detik.menit)

T

= suhu (K, °R)

Satuan-satuan lainnya dapat ditentukan atau diturunkan dari satuan-satuan dasar ini. Tabel 1.1. Satuan-satuan Dasar (SI) dan Tambahan Besaran Panjang Massa

Satuan Dasar

Notasi

Waktu Suhu Arus listrik

Meter Kilogram Detik Kelvin Ampere

m kg det (s) K A

Intensitas Cahaya

Candela

d

Satuan Tambahan Sudut bidang Sudut ruang

Radias Steradias

rad Sr

Contoh: Penggunaan satuan, misal Hukum Newton II F α m.a file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (9 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

atau,

dimana : gc = konstanta dimensional (memberikan kesetimbangan terhadap satuan) Jadi,

satuan (SI) : British : (untuk massa 1 lbm dibutuhkan percepatan sebesar 32.174 ft/sec2).

Contoh:

Energi Kinetik (EK) = Maka digunakan suatu faktor yang disebut konstanta dimensional gc sehingga

SI sistem :

m = massa (kg) v = kecepatan (m/det) gc = 1 kgm/N.det2

Soal : file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (10 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

1. Hitunglah Energi kinematik dalam Btu 4000 lbs mobil dengan kecepatan 60 mph. Gunakan juga sistem satuan SI. Jawab: 60 mph = 88 ft/sec

= 4.8 x 105 ft lbf = 618 Btu dalam satuan SI: v m

= 60 mph = 28.62 m/det = 4000lbs = 1816 kg = 7,44 x 105 Nm = 7,44 x 105 Joule

2. Hitung tekanan atmosfir pada ketinggian 0,760 mHg. Density Hg 13,60 gr/cm3. Jawab: dimana: g = 9.80 m/det2 h = 0.76 m

= 1.013 x 105 N/m2 = 1.013 x 105 pascal British System ρ = 13.60 g/cm3 = 847 lbm/ft3 file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (11 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

g = 32.2 ft/sec2 h = 0.76 m = 2.49 ft

I. 13. Kesetimbangan Termodinamik •

Bila keadaan sistem berubah → terjadi interaksi sistem dengan lingkungan atau jika

koordinat makroskopik berubah → sistem mengalami perubahan keadaan. • Bila sistem tidak dipengaruhi oleh sekelilingnya, maka sistem terisolasi → Dalam penerapan praktis termodinamika, sistem biasanya dipengaruhi oleh lingkungannya. Kesetimbangan termodinamik tidak ada kecenderungan terjadinya perubahan keadaan baik untuk sistem maupun untuk lingkungannya.

• Sistem dalam kesetimbangan mekanis : bila sistem tidak cenderung mengalami perubahan spontan dari struktur internalnya, seperti reaksi kimia atau perpindahan materi dari satu bagian sistem ke bagian lainnya, seperti diffusi atau pelarutan. Bagaimanapun lambatnya, maka sistem dalam keadaan setimbang kimia. • Kesetimbangan termal : bila tidak terjadi perubahan spontan dalam koordinat sistem yang ada dalam kesetimbangan mekanis dan kimia, bila sistem itu dipisahkan dari lingkungannya oleh dinding diaterm. Dalam kesetimbangan termal, semua bagian sistem bertemperatur sama, dan temperatur ini sama dengantemperatur lingkungannya. Bila pernyataan ini tidak dipenuhi, perubahan keadaan akan berlangsung sampai kesetimbangan file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (12 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

termalnya tercapai. → Bila salah satu persyaratan dari tiga jenis kesetimbangan yang merupakan komponen dari kesetimbangan Termodinamik tidak dipenuhi, maka sistem dalam keadaan tak setimbang. → Jika kita pandang secara makroskopik pada salah satu dari keadaan tak setimbang, kita dapatkan tekanan satu bagian sistem berbeda dengan bagian sistem lainnya. Jadi, tidak ada satu harga tekanan yang dapat mengacu pada sistem secara keseluruhan. Demikian juga temperatur berbeda dengan lingkungannya. Dalam bagian ini kita hanya membahas sistem dalam kesetimbangan termodinamik. Untuk menyederhanakan masalah, misalkan gas dengan : Ø m = tetap, dalam bejana yang dilengkapi, sehingga p, V, dan T dengan mudah dapat diatur.

Ø Jika V ditetapkan dan T dipilih harga tertentu, maka kita tidak bisa mengubah p-nya, atau Ø V dan T dipilih, harga p pada kesetimbangan diperoleh secara alami. Diantara ketiga koordinat Termodinamik p, V dan T hanya dua yang merupakan perubah bebas, hal ini menunjukkan bahwa harus ada satu persamaan kesetimbangan yang menghubungkan koordinat Termodinamik. → Persamaan seperti itu disebut “Persamaan keadaan”. pV = mRT atau, dimana :

atau

pV = nRT

pv = RT

p = N/m2 (= Pa) V = m3

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (13 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

v = sp.volum (m3/kg) T = K, °R

I. 13.1. Perubahan Keadaan Gas Ideal Perubahan keadaan gas ideal ada 4 empat macam, yang istimewa adalah: 1. Pada tekanan konstan (p = C)

Gambar 1.7. Proses pada tekanan konstan 2. Pada volume konstan (v = C)

Gambar 1.8. Proses pada volume konstan

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (14 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

3. Pada temperatur konstan (T = C) pv = RT = konstan p1v1 = p2v2 atau

Gambar 1.9. Proses pada temperatur konstan Dari ketiga proses di atas (p,v,T, konstan), maka dapat di gambarkan pada masing-masing diagram p,v,T. •

Untuk T = C → diagram p-v

Gambar 1.10. Diagram p-v •

Untuk v = C → diagram p-T

Gambar 1.11. Diagram p-v Untuk p = C → diagram v-T

file:///D|/E-Learning/Termodinamika%20Teknik%20I/Textbook/Buku%20Ajar%20Termodinamika%20Teknik%20I.html (15 of 53)5/8/2007 3:52:27 PM

BAB I

Gambar 1.12. Diagram p-v 4. Perubahan Keadaan Pada Proses Adiabatik Pada proses adiabatik: tidak ada panas yang keluar maupun yang masuk dari/ke sistem. (akan dibicarakan dalam bab selanjutnya). I.13.2. Persamaan Keadaan pV = n RT → dimana n = banyaknya mol gas pV = mRT → untuk satu satuan massa, maka persamaan ke...