Introduction to Thermodynamics
Thermodynamics adalah ilmu tentang energi, termasuk didalamnya energi yang tersimpan
atau hanya transit.
Prinsip kekekalan energi : Energi tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan tetapi hanya bisa
dikonversi dari bentuk lain ke yang lainnya.
Tiga bentuk energi : The three forms of energy storage of greatest interest to us are
Potential Energy (PE),
Kinetic Energy (KE), and
Internal Energy (U),
The two forms of energy in transit :
Work (W) and
Heat (Q), and the interactions between these various forms of energy are defined
in terms of the First Law of Thermodynamics.
We need to master the units
conversion,...So let’s look at down
The above conversion is to convert between the USCS (English) system and
the SI (International)
Quick Quiz : Kita semua tahu (dari membaca angka speedometer)
bahwasannya 50 mph = 80 km/hr; berapa m/s untuk 9 mph ?
The forms of Energy :
1. Energi potensial
2. Energi Kinetik
3. Energi Dalam
Internal energy (U) menunjukkan energi total sistem. Energi total meliputi
energi kinetik
energi potensial gravitasi
dan bentuk energi lainnya
Berikut contoh ilustrasi di bawah ini :
Sistem Termodinamika :
Sistem tertutup
Sistem terbuka
Sistem Property
The closed system shown above can be defined by its various Properties, such as its
pressure (P), temperature (T), volume (V) and mass (m). We will introduce and define the
various properties of thermodynamic interest as needed in context. Furthermore the properties
can be either Extensive or Intensive (or Specific).
State and Equilibrium
The State of a system is defined by the values of the various intensive properties of the
system. The State Postulate states that if two independent intensive property values are defined,
then all the other intensive property values (and thus the state of the system) are also defined.
This can significantly simplify the graphical representation of a system, since only two-dimensional
plots are required. Note that pressure and temperature are not necessarily independent
properties, thus a boiling liquid will change its state from liquid to vapor at a constant
temperature and pressure.
We assume that throughout the system Equilibrium conditions prevail, thus there are
no temperature or pressure gradients or transient effects. At any instant the entire system is
under chemical and phase equilibrium
Proses dan Siklus
A Process is a change of state of a system from an initial to a final state due to
an energy interaction (work or heat) with its surroundings. For example in the following
diagram the system has undergone a compression process in the piston-cylinder device.
The Process Path defines the type of process undergone. Typical process paths
are:
Isothermal (constant temperature process)
Isochoric or Isometric (constant volume process)
Isobaric (constant pressure process)
Adiabatic (no heat flow to or from the system during the process)
We assume that all processes are Quasi-Static in that equilibrium is attained
after each incremental step of the process. A system undergoes a Cycle when it
goes through a sequence of processes that leads the system back to its original
state.
Tekanan
Contoh :
Sebuah menara tangki penampung air mempunyai bentuk mendekati
bola dengan jejari 30 ft. Jika kerapatan air 62,4 lb/ft3 dan tangki berisi
penuh,
a. Tentukannlah massa air dalam tangki [lb]
b. Berapakah berat air [lbf] jika percepatan gravitasi
setempat sebesar 32,1 ft/s2
Contoh :
Gambar dibawah menunjukkan sebuah pipa air berukuran kecil menembus
dinding dengan tebal 6 in. Diasumsikan bahwa temperatur berubah secara
linear terhadap posisi x dari dinding mulai 68 0 F ke 20 0 F. Apakah air dalam
pipa akan membeku
1. Dua buah fase dapat muncul secara simultan selama perubahan fase
seperti pada penguapan, peleburann dan sublimasi.
2. Pada daerah dua fase tekanan dan temperatur bersifat tidak bebas,
dimana salah satunya tidak dapat berubah tanpa perubahan yang
lainnya.
3. Keadaan tidak dapat ditentukan hanya dengan tekanan dan
temperatur saja namun dapat ditentukan berdasarkan pasangan
volume spesifik dengan tekanan atau temperatur.
1. Tiga buah fase dapat muncul dalam kesetimbangan disepanjang garis
yang disebut garis tripel.
2. Suatu keadaan dimana suatu perubahan fase berawal dan berakhir
disebut keadaan jenuh
Illustrasi perubahan dari cairan menjadi uap air pada tekanan konstan
A. Sistem dipanaskan pada tekanan tetap, temperatur meningkat cepat,
sedangkan volume spesifik hanya sedikit meningkat (f) disebut cair
jenuh.
B. Keadaan cair di sepanjang bagian garis 1-f disebut keadaan cair subdingin (subcooled liquid) atau disebut juga cair tekan.
C. Prose dari (f) ke (g) terjadi penambahan kalor pada tekanan tertentu
menyebabkan terbentuk uap tanpa perubahan temperatur tetapi
peningkatan volume spesifik yang berarti
D. Jika sistem terus dipanaskan sampai butir cairan terkahir menguap,
maka tercapai titik (g) atau disebut keadaan (uap jenuh).
E. Pada kondisi (f) ke (g) atau pada campuran dua fase cair-uap dapat
dibedakan dengan menggunakan suatu sifat intensif yang dikenal
sebagai kualitas (x).
F. Jika diberikan panas lanjut pada sistem pada tekanan tetap terjadi
peningkatan temperatur dan volume spesifik, keadaan seperti ini di titik
(s) disebut uap panas lanjur (superheated vapour) .
Perhatikan data diatas, berapakah v (volume spesifik) pada
Temperatur 215 0 C di tekanan P = 10 bar ?
Menentukan volume spesifik campuran
Berikut adalah persamaannya :
Sebagai Contoh.... Perhatikan sebuah sistem yang berisi campuran dua
fase cair-uap air pada 100 0 C dengan kualitas 0,9. Berdasarkan tabel.
Pada 100 0 C, vf = 1,0435 x 10-3 m3/kg dan vg = 1,673 m3/kg. Tentukan
volume spesifik campuran.
Sebagai Contoh.... Perhatikan sebuah sistem yang berisi campuran dua
fase cair-uap air pada 120 0 C dengan kualitas 0,95. Berdasarkan tabel..
Tentukan volume spesifik campuran.
Contoh.
Sebuah tangki kokoh terinsulasi mempunyai volume 10 ft3 . Tangki tersebut berisi
uap air jenuh pada temperatur 212 0F. Air diaduk dengan cepat hingga mencapai
tekanan 20 lbf/in2. Tentukanlah temperatur pada keadaan akhir, dalam 0F, dan
kerja proses, dalam Btu
Manfaat Mengetahui sifat Material
Sistem Destillasi
Pengisian Pemanas Air pada Keadaan Tunak
Sebuah alat pengisian pemanas air mempunyai dua sisi masuk dan
satu sisi keluar, beroperasi pada keadaan tunak. Pada sisi masuk 1, uap air
masuk dengan tekanan p1 = 7 bar, temperatur T1 = 200 0C dengan laju aliran
massa 40 kg/s. Pada sisi masuk 2, air dengan tekanan p2 =7 bar, temperatur
T2 = 40 0C masuk melalui suatu luasan A2 = 25 cm2 . Air keluar di titik 3 dalam
kondisi cair jenuh (saturated liquid) dengan tekanan 7 bar dan laju aliran
volumetris 0,06 m3 /s. Tentukan besarnya laju aliran massa pada sisi masuk 2
dan pada sisi keluar, dalam satuan kg/s, dan besarnya kecepatan pada sisi
masuk 2, dalam satuan m/s
Pengisian tangki dengan air
Air mengalir ke dalam sebuah tangki melalui bagian atasnya yang
terbuka. Laju aliran massa airkonstan sebesar 30 lb/s. Air keluar melalui
sebuah pipa di dekat dasar dengan laju aliran massa berbanding lurus
terhadap ketinggian dari air di dalam tangki tersebut : me = 9 L, dimana L
adalah ketinggian air sesaat dalam satuan ft. Luas bidang alas dari tangki
adalah 3 ft2 dan kerapatan air adalah 62,4 lb/ft3 . Bila tangki tersebut pada
mulanya kosong. Gambarkan grafik hubungan antara perubahan ketinggian
air terhadap waktu
Mekanisme Transfer Energi
Pada tangki yang kokoh terdapat fluida panas, dimana fluida dalam
keadaan dingin ketika diaduk oleh roda paddle. Pada awalnya energi
dalam fluida adalah 800 kJ, selama proses pendinginan fluida
kehilangan panas sebesar 500 kJ, dan roda paddle melakukan kerja
100 kJ terhadap fluida tersebut. Tentukan akhir dari energi dalam fluida.
Abaikan energi tersimpan di roda paddle