Pendahuluan Termodinamika

The disciplines of thermodynamics, fluid mechanics, and heat transfer

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU2

Defenisi Termodinamika

Termodinamika merupakan suatu cabang bidang ilmu yang membahas hubungan antara panas dan kerja yang menyebabkan perubahan suatu zat

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU3

Hukum – hukum Termodinamika

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU4

Hukum DalamTermodinamika

Hukum Ke-Nol (Zeroth Law)

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU5

“Bila dua sistem dalam keadaan setimbang dengan sistem ketiga, maka ketiganya dalam saling setimbang satu dengan lainnya”.

Hukum DalamTermodinamika

Hukum Pertama

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU6

Terkait dengan kekekalan energi.

Bermakna “energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan namun dapat dikonversi dari suatu bentuk ke bentuk yang lain.“

“Perubahan energi dalam dari suatu sistem termodinamika tertutup sama dengan total dari jumlah energi kalor yang disuplai ke dalam sistem dan kerja yang dilakukan terhadap sistem”.

Aplikasi Hukum Pertama

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU7

Energy cannot be created or destroyed; it can only change forms

Hukum DalamTermodinamika

Hukum Kedua Terkait dengan entropi.

“Total entropi dari suatu sistem termodinamika terisolasi cenderung untuk meningkat seiring dengan meningkatnya waktu, mendekati nilai maksimumnya”.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU8

Hukum DalamTermodinamika

Hukum Ketiga Terkait dengan

temperatur nol absolut dimana bahwa mencapai suhu nol mutlak (0 K) adalah hal yang tidak mungkin terjadi.

“Bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut, semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum”.

“Bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU9

Perbedaan Termodinamika & Heat Transfer

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU10

Beda Termodinamika & Perpindahan Panas In practice we are more concerned

about the rate of heat transfer (heat transfer per unit time) than we are with the amount of it.

For example, we can determine the amount of heat transferred from a thermos bottle as the hot coffee inside cools from 90°C to 80°C by a thermodynamic analysis alone.

But a typical user or designer of a thermos is primarily interested in how long it will be before the hot coffee inside cools to 80°C, and a thermodynamic analysis cannot answer this question.

Determining the rates of heat transfer to or from a system and thus the times of cooling or heating, as well as the variation of the temperature, is the subject of heat transfer

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU11

Beda Termodinamika & Perpindahan Panas

The first law requires that the rate of energy transfer into a system be equal to the rate of increase of the energy of that system.

The second law requires that heat be transferred in the direction of decreasing temperature.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU12

Parameter Penting Dalam Temodinamika

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU13

B e r a t

Berat dihitung dengan mengalikan massa sebuah benda dengan percepatan gravitasi di mana benda tersebut berada.

Berat sebuah benda di bumi akan berbeda dengan beratnya di bulan.

Rumus untuk berat:W = m.g

Satuan SI untuk berat adalah newton (N).

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU14

Massa Jenis

Massa jenis adalah pengukuran massa setiap satuan volume benda.

Semakin tinggi massa jenis suatu benda, maka semakin besar pula massa setiap volumenya.

Benda yang memiliki massa jenis lebih tinggi (misalnya besi) akan memiliki volume yang lebih rendah daripada benda bermassa sama yang memiliki massa jenis lebih rendah (misalnya air).

Rumus massa jenis adalah

ρ adalah massa jenis,m adalah massa,V adalah volume.

Massa jenis air murni = 1 gr/cm3 = 1000 kg/m3

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU15

Nilai Beberapa Massa Jenis Material /Zat

Material ρ dalam kg/m3

Interstellar medium 10-25 − 10-15

Atmosfer Bumi 1.2Aerogel 1 − 2Styrofoam 30 − 120Gabus 220 − 260Air 1000Plastik 850 − 1400Bumi 5515.3Tembaga 8920 − 8960Timah 11340Inti Perut Bumi ~13000Uranium 19100Iridium 22500Inti Matahari ~150000Inti Atom ~3 × 1017

Neutron star 8.4 × 1016 − 1 × 1018

Black hole 4 × 1017

Nama zat ρ dalam kg/m3

Air (40C) 1.000 kg/m3

Alkohol 800 kg/m3

Air raksa 13.600 kg/m3

Aluminium 2.700 kg/m3

Besi 7.900 kg/m3

Emas 19.300 kg/m3

Kuningan 8.400 kg/m3

Perak 10.500 kg/m3

Platina 21.450 kg/m3

Seng 7.140 kg/m3

Udara (270C) 1,2 kg/m3

Es 920 kg/m3

Sumber : Wikipedia

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU16

Rapat Massa

Rapat massa adalah suatu besaran turunan dalam fisika yang secara umum lebih dikenal massa jenis.

Penggunaan istilah rapat massa bisa lebih umum dengan melihatnya sebagai persoalan satu, dua atau tiga dimensi.

Pada kasus yang terakhir ini lebih dikenal karena sifatnya yang lebih nyata.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU17

Rapat Massa

Rapat massa Dimensi Rumus Satuan

1 kg/m

2 kg/m2

3 kg/m3

dengan l adalah panjang, a adalah luas dan v adalah volume.

Untuk berbagai kasus tertentu ada kalanya tidak diperlukan informasi massa jenis dalam tiga dimensi melainkan hanya dalam satu atau dua dimensi (suatu kawat panjang untuk kasus yang pertama dan suatu lempengan lebar untuk kasus yang kedua), di mana ukuran suatu dimensi jauh lebih besar dari dimensi yang lain.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU18

Specific Gravity

Specific gravity (SG) adalah perbandingan relatif antara massa jenis sebuah zat dengan massa jenis air murni.

02H

SG

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU19

Air murni bermassa jenis 1 g/cm³ atau 1000 kg/m³.

Hubungan Massa Jenis & Berat Jenis

Berat jenis (specific weight) dapat didefinisikan sebagai berikut :

= . g

= berat jenis (N/m3) = massa jenis (kg/m3)g = gravitasi (m/s2)

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU20

KaloriSatu kalori adalah

satuan panas untuk menaikkan suhu temperatur air 1 derajat Celcius.

Satuan ini sebesar 4,2 joule.

The caloric theory asserts that heat is a fluidlike substance called the caloric that is a massless, colorless, odorless, and tasteless substance that can be poured from one body into another

In the early nineteenth century, heat was thought to be an invisible fluid called the caloric that flowed from warmer bodies to the cooler ones

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU21

Kalor

Kalor (Q) atau Panas, bahang merupakan energi yang berpindah dari satu benda ke benda yang lain akibat perbedaan suhu

Satuan SI untuk panas adalah joule.

Panas bergerak dari daerah bersuhu tinggi ke daerah bersuhu rendah.

Jumlah panas dinotasikan sebagai Q, dan diukur dalam joule dalam satuan SI.

di manaQ = adalah banyaknya kalor (jumlah panas) dalam joule m = adalah massa benda (kg) c = kalor jenis dalam joule/kg °C, dan

adalah besarnya perubahan suhu dalam °C.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU22

Kalor SpesifikSpecific heat is the

energy required to raise the temperature of a unit mass of a substance by one degree in a specified way.

Two kinds of specific heats : specific heat at constant volume Cv and specific heat at constant pressure Cp.

Cv : energy required to raise the temperature of the unit mass of a substance by one degree as the volume is maintained constant.

Cp : energy required to raise the temperature of the unit mass of a substance by one degree as the pressure is maintained constant.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU23

Kalor SpesifikConstant volume

and constant pressure specific heats cv and cp (values given are for helium gas).

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU24

Kalor SpesifikFormal definitions of

cv and cp

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU25

Kalor SpesifikThat is, the energy

required to raise the temperature of a substance by one degree is different at different temperatures and pressures.

But this difference is usually not very large.

The specific heat of a substancechanges with temperature

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU26

Kalor Spesifik

Specific Heat Relations of Ideal Gases

At this point, we introduce another ideal-gas property called the specific heat ratio k, defined as

The cp of an ideal gas can be determined from a knowledge of cv and R

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU27

Kalor SpesifikFor example, we

need about 4.5 kJ of energy to raise the temperature of 1 kg of iron from 20 to 30°C, whereas it takes about 9 times this energy (41.8 kJ to be exact) to raise the temperature of 1 kg of liquid water by the same amount.

Therefore, it is desirable to have a property that will enable us to compare the energy storage capabilities of various substances.

This property is the specific heat.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU28

Kalor Spesifik – Zat Inkompresibel

A substance whose specific volume (or density) is constant is called an incompressible substance

The specific volumes of incompressible substances remain constant during a process.

The constant-volume and constant-pressure specific heats are identical for incompressible substances

Therefore, for solids and liquids, the subscripts on cp and cv can be dropped, and both specific heats can be represented by a single symbol c.

The cv and cp values of incompressible substancesare identical and are denoted by c.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU29

Kapasitas Kalor Spesifik

Kapasitas kalor spesifik adalah istilah lain untuk kalor jenis.

Yaitu banyaknya energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu benda setinggi 1 derajat Kelvin benda per 1 satuan massa.

Misalnya kalor jenis untuk air adalah c = 4184 J kg–1 K–1

Artinya untuk menaikkan suhu 1 kg air sebesar 1 derajat Kelvin dibutuhkan energi 4184 Joule.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU30

Temperatur & Tekanan Saturasi

The temperature at which a pure substance changes phase is called the saturation temperature.

The pressure at which a pure substance changes phase is called the saturation pressure.

At a pressure of 101.325 kPa, Tsat is 99.97°C.

Conversely, at a temperature of 99.97°C, Psat is 101.325 kPa.

(At 100.00°C, Psat is 101.42 kPa)

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU31

Titik Tripel

Titik tripel suatu zat adalah temperatur dan tekanan yang menyatakan pada suhu dan tekanan tersebut zat yang bersangkutan berada pada 3 fase yaitu cairan, padatan, dan gas.

Titik tripel air terjadi pada suhu 273.16 K (0.01oC) dan tekanan parsial gasnya 611.73 pascal atau 0.0060373057 atm.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU32

TekananTekanan (p)

menyatakan gaya (F) per satuan luas (A)

Satuan tekanan sering digunakan untuk mengukur kekuatan dari suatu cairan atau gas.

Satuan tekanan dapat dihubungkan dengan satuan volume dan suhu.

Semakin tinggi tekanan di dalam suatu tempat dengan isi yang sama, maka suhu akan semakin tinggi.

Hal ini dapat digunakan untuk menjelaskan mengapa suhu di pegunungan lebih rendah dari pada di dataran rendah, karena di dataran rendah tekanan lebih tinggi.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU33

Tekanan

The actual pressure at a given position is called the absolute pressure, and it is measured relative to absolute vacuum (i.e., absolute zero pressure).

Pressures below atmospheric pressure are called vacuum pressures and are measured by vacuum gages that indicate the difference between the atmospheric pressure and the absolute pressure.

Figure absolute, gage, and vacuum pressures.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU34

Tekanan HidrostatisTekanan hidrostatis adalah

tekanan yang terjadi di bawah air.

Tekanan ini terjadi karena adanya berat air yang membuat cairan tersebut mengeluarkan tekanan.

Tekanan sebuah cairan bergantung pada kedalaman cairan di dalam sebuah ruang dan gravitasi juga menentukan tekanan air tersebut.

Hubungan ini dirumuskan sebagai berikut :

P = ρ g hdimana : ρ = massa jenis cairan

g = (10 m/s2) gravitasi,

h = kedalaman cairan.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU35

Tekanan Atmosfer

Atmosfer adalah lapisan yang melindungi bumi.

Lapisan ini meluas hingga 1000 km ke atas bumi dan memiliki massa 4.5 x 1018 kg.

Massa atmosfer yang menekan permukaan inilah yang disebut dengan tekanan atmosferik.

Tekanan atmosferik di permukaan laut adalah 76 cmHg.

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU36

S A T U A N

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU37

Satuan Temperatur

• The absolute temperature scale in the SI is the Kelvin scale, which is related to the Celsius scale by

• In the English system, the absolute temperature scale is the Rankine scale, which is related to the Fahrenheit scale by

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU38

Satuan Newton

Newton adalah satuan SI yang merupakan satuan dari gaya, dinamai dari Sir Isaac Newton.

Satu newton adalah besarnya gaya yang diperlukan untuk membuat benda bermassa satu kilogram mengalami percepatan sebesar satu meter per detik per detik.

100 kg sama dengan 980 N

1 N = 1 kg.m.s-2

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU39

Satuan Tekanan

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU40

Satuan BeratThe relative magnitudes of the force units newton (N), kilogram-force (kgf), and pound-force (lbf).

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU41

Satuan KalorSatuan kalor adalah

kaloriSatuan kalor yang

sering digunakan, terutama untuk menyatakan nilai energi makanan adalah kilokalori (kkal).

1 kkal = 1000 kalori. 1 kkal = 1 Kalori

(huruf K besar).

Kalori bukan satuan Sistem Internasional.

Satuan Sistem Internasional untuk kalor adalah Joule (J).

Bomb calorimeter untuk mengukur nilai kalor bahan bakar / makanan

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU42

SI Unit Prefix

Tulus B.S. - Teknik Mesin USU43