Termodinamika

Termodinamika

(Thermodynamics)

Pendahuluan

Termodinamika adalah ilmu pengetahuan yang sekaligus merupakan engineering tool yang digunakan untuk mendeskripsikan  proses – proses yang mempengaruhi perubahan temperatur, perubahan energi, dan hubungan antara heat (panas) dan work (kerja). Ini digunakan untuk mendeskripsikan performa pada sistem propulsi, power generation (pembangkitan energi), refregerasi, dan untuk  mendeskripsikan aliran fluida, combustion (pembakaran) dan fenomena lainnya.

Definisi dan Dasar dari Termodinamika

Seperti ilmu pengetahuan lain, termodinamika memodelkan dunia nyata dengan matematika.  Agar dapat dimodelkan secara matematika  dan ditarik kesimpulan, kita memerlukan definisi yang tepat terhadap konsep dasar.  Berikut beberapa konsep dasar yang wajib diketahui :

The Continuum Model

Permasalahan umumnya dideskripsikan pada level molecular (mikroskopic) menggunakan teknik statistical mechanics dan kinetic theory. Namun untuk keperluan engineering, kita ingin untuk merata – ratakan informasi (mementingkan informasi makroskopik dibandingkan mikroskopik). Terdapat 2 alasan yakni, pertama, deskripsi mikroskopik pada engineering bisa menimbulkan terlalu banyak informasi untuk diolah. Misal pada 1 mm³ udara pada temperatur dan tekanan standar mengandung 10¹⁶ molekul (VW,S & B:2.2), dan setiap molekul memiliki posisi dan kecepatan masing - masing. Akan sangat susah jika kita melakukan perhitungan dengan mempertibangkan seluruh variabel di setiap molekul ini. Alasan kedua, informasi mikroskopik tidak berguna untuk menentukan bagaimana sistem makroskopik bekerja dan bereaksi, kecuali, efek total dari informasi mikro ini terintegrasi. Ditambah lagi kita mengabaikan fakta bahwa suatu substansi sebenarnya terdiri dari molekul diskrit. Informasi yang kita miliki tentang continuum model (model dalam satu kesatuan) kita anggap sudah mewakili rata –rata  informasi mikroskopik terhadap volume.

The Concept of a “System”

Sistem termodinamika adalah jumlah persoalan pada identitas tetap  dengan batas tertentu (liat gambar 1 sebagai contoh). Batas atau boundaries bisa bersifat tetap atau dapat bergerak. Kerja atau kalor bisa ditransfer melewati batas sistem. Segalanya yang diluar boundary disebut surrounding.

Ketika berhadapan dengan peralatan seperti engine, sangat penting menentukan sistem untuk menjadi sebuah volume yang teridentifikasi dengan aliran masuk (flow in) dan aliran keluar (flow out).  Ini disebut juga control volume (gambar 1)

Suatu sistem tertutup adalah jenis khusus pada sistem dengan boundary yang tidak bisa ditembus. Sistem ini juga kadang – kadang disebut control mass   

(Gambar 1. Control Volume)

The Concept of a “State”

“Thermodynamic state” atau keadaan pada suatu sistem didefinisikan dengan menentukan nilai pada serangkaian properties (sifat) terukur untuk menentukan properties lainnya. Untuk sistem fluida, properties yang umum adalah tekanan, volume, dan temperatur. Sistem yang lebih kompleks mungkin membutuhkan nilai properties lainnya.

Properties mungkin bersifat extensive atau intensive. Extensive Property bersifat additive (tambahan). Sehingga, jika sistem dibagai menjadi beberapa sub system, nilai property dari kesuluruhan sistem adalah sama dengan jumlah dari nilai property di tiap part. Volume adalah extensive property. Intensive property tidak tergantung pada jumlah suatu persoalan yang hadir. Temperatur dan tekanan adalah intensive properties.

Spesific properties adalah extensive properties dibagi per unit massa dan dinotasikan / disimbolkan sebagai huruf kecil.

Contoh :

Spesific properties bersifat intensive karena ia tidak tergantung pada massa sistem

Properties dalam suatu sistem sederhana bersifat seragam. Namun, sering kali kita berhadapan dengan suatu sistem yang propertiesnya bervariasisi dari titik ke titik. Kita dapat menganalisa sistem secara keseluruhan dengan membagi sistem menjadi beberapa sistem sederhana yang masing masing propertiesnya bersifat seragam.

Sangat penting untuk mencatat properties hanya ketika sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium).

The Concept of “Equilibrium”

Suatu keadaan (“state”) pada sistem dimana properties sudah terdefinisi dan nilainya tidak berubah selama kondisi eksternal  berubah disebut keadaan seimbang (equiblirium state)

(Gambar 2. Equilibrium)

Sebuah sistem memenuhi kesetimbangan termodinamika jika :

•  Kesetimbangan mekanikal (tidak ada gaya yang tidak seimbang)
•  Kesetimbangan thermal (tidak ada perbedaan temperatur)
• Kesetimbangan kimia

The Concept of a “Process”

Jika suatu keadaan atau “state” pada sistem berubah, maka sistem itu sedang mengalami suatu proses. Urutan keadaan dalam suatu sistem yang berjalan didefinisikan sebagai jalur dari proses (Path of the process). Jika pada akhir proses, property kembali menjadi nilai semula, sistem merupan proses cyclic atau siklus. Namun walaupun sistem kembali ke keadaannya semula dan menyelesaikan siklus, keadaan sekitar mungkin berubah.

Quasi Enguilibrium Processes

Sering kali kita tertarik dalam menggambarkan proses termodinamika antara keadaan pada kordinat termodinamika. Namun, sesuai dengan yang sudah dibahas sebelumnya, properties hanya mendefinisikan keadaan jika sistem dalam keadaan seimbang. Jika proses memiliki unbalanced force, kita tidak bisa menanganinya. Namun sebuah idealisasi dapat dilakukan jika unbalanced force tersebut sangat kecil, sehingga proses dapat dilihat sebagai serangkaian kondisi yang quasi equilbrium (seakan akan seimbang). Agar hal ini dapat dilakukan, proses harus memiliki hubungan yang lambat terhadap variabel waktu yang dibutuh sistem untuk menuju keseimbangan internal. 

Gambar dibawah mendemostrasikan kegunakan kordinat termodinamik untuk memplot isolines (garis memiliki property konstan). Diagram diagram dibawah meliputi, garis temperatur konstan atau isotherms pada diagram p – v, garis volume konstan atau isochors pada diagram T – p, dan garis tekanan konstan atau isobars pada diagram T – v untuk gas ideal.

(Gambar 3. diagram P-v, P-T, dan T-v)

Equation of State

Fakta secara eksperimen menyatakan bahwa dua properties dibutuhkan untuk mendefinisikan suatu keadaan substansi murni pada keseimbangan atau proses yang steady atau quasi – steady.  Untuk gas kompresibel yang sederhana seperti air, berlaku :

P = P(v,T), atau v = v(P,T), atau T = T(P,v),

Dimana v adalah volume per unit massa, P adalah tekanan dan T adalah Temperatur. Hal ini juga menjelaskan bahwa jika kita mengetahui variabel v dan T, kita otomatis mengetahui nilai variabel P. Dan begitu seterusnya.

Hal diatas adalah sama dengan persamaan f(P,v,T) = 0, yang dimana dikenal sebagai equation of state atau persamaan suatu keadaan.