BAB 1 KONSEP DASAR

TERMODINAMIKA adalah satu sains yang mempelajari tentang penyimpanan (storage), pengubahan (transformation), dan pemindahan (transfer) energi

FORMS OF ENERGY STORED ENERGY Internal Energy (U) Kinetic Energy (EK) Potential Energy (EP) Chemical Energy ENERGY IN TRANSIT Heat (Q) Work (W)

Hukum-hukum Termodinamika Dalam termodinamika, kita akan menyusun persamaan matematis yang menghubungkan transformasi dan transfer energi dengan variabel-variabel makroskopis, seperti temperatur, volume spesifik/molar, dan tekanan, yang menggambarkan sistem termodinamis. Hukum-hukum Termodinamika

Hukum-hukum Termodiamika: Hukum ke-0 : mendefinisikan temperatur (T) Hukum ke-1 : mendefinisikan energi (U) Hukum ke-2 : mendefinisikan entropy (S) Hukum ke-3 : mendefinisikan nilai S pada 0 K

KONSEP-KONSEP DASAR TEKANAN d D F = W = mg P1 < P2 F = W = mg P2 P1 6 6 6

TEKANAN GAS DALAM SILINDER 8

TEKANAN STATIS DALAM FLUIDA Dasar sebuah kolom mengalami tekanan: Volume fluida = V = Ah Berat fluida = gV = gAh Tekanan = P adalah tekanan yang disebabkan oleh berat fluida 9

Pudara Jika di atas permukaan fluida ada tekanan yang bekerja, yaitu tekanan udara (Pudara), maka tekanan total di dasar kolom yang disebut juga tekanan statis fluida adalah: P = gh + Pudara h P 10

TEMPERATUR

Galileo mengembangkan alat pertama untuk mengukur temperatur. Temperatur merupakan ukuran dari energi kinetik rata-rata dari partikel dalam sistem. Temperatur merupakan tingkat "hotness" (atau "coldness"), satu ukuran intensitas panas. Galileo mengembangkan alat pertama untuk mengukur temperatur. Skala Fahrenheit, Celsius, and Kelvin merupakan tiga sistem yang berbeda untuk pengukuran energi panas (temperatur). 12

Skala temperatur relatif CELCIUS 1742 FAHRENHEIT (1724) Titik beku air = 0C Titik didih air = 100C Titik beku air = 32F Titik didih air = 212F 13

[°F] = [°C] × 9⁄5 + 32 [K] = [°C] + 273.15 [°R] = ([°C] + 273.15) × 9⁄5 14

Skala temperatur ABSOLUT KELVIN RANKINE 15 15

Dasar : Teori Gas Ideal (Hukum Boyle) TERMOMETER Dasar : Teori Gas Ideal (Hukum Boyle) Zat kerja: gas Property : Titik acuan: Titik didih air (100C) Titik beku air (0C) Interpretasi : linier 16

Temperatur absolut terendah = – 273,15C f(t) PV < 0 (tidak mungkin)    t (C)  100 f(t) = 0 PV = 0 Temperatur absolut terendah = – 273,15C

DIAGRAM PV Dilakukan percobaan pada temperatur tetap . . . . . . P1 V1 Pn Vn

P1 • P2 • • • P Pn • Vn V V1 V2

KERJA/WORK (W) (1.1) Definisi: F Gaya yang dikenakan oleh piston terhadap fluida dalam silinder: dl F = P A Pergeseran piston: (1.2)

Volume gas dalam silinder mengecil  dVt negatif. F searah dengan pergeseran piston (dl)  menurut pers. (1.1) W positif. (1.1) Volume gas dalam silinder mengecil  dVt negatif. dl F

Penggabungan pers. (1.1) dan (1.2) menghasilkan: Karena A konstan maka: (1.3) 22

2 P Ini adalah luas di bawah kurva yang diarsir, dengan lebar - dVt dan tinggi antara P1 dan P1’. P1’ 1 P1 dVt Vt 23

Jika proses berubah dari P1 ke P2 dengan melalui serangkaian proses reversibel, maka usaha total adalah jumlah dari semua segmen-segmen luasan kecil. P2 (1.4) P P1 Vt Vt 24 24

SISTEM TERMODINAMIS SEKELILING BOUNDARY Sistem termodinamis adalah bagian dari semesta yang menjadi perhatian / sekumpulan senyawa yang terdiri dari partikel-partikel atom dan molekul

SISTEM TERISOLASI TERTUTUP TERBUKA TERISOLASI TERTUTUP TERBUKA Transfer massa Tidak ada Ada Transfer panas dan/atau kerja

Property dan Keadaan Sistem HOMOGEN HETEROGEN Minuman kopi Udara Air teh + es (satu fase) (fase > 1)

Fase adalah sejumlah material yang Memiliki komposisi seragam/homogen Dapat dibedakan secara fisik dengan fasa lainnya Dapat dipisahkan secara mekanik dari fasa lainnya Contoh sistem satu fasa ( = 1): Air murni Udara (N2, O2, Ar, CO2)

Contoh sistem 2 fasa: Es dalam air

Contoh sistem 2 fasa: Susu (butiran lemak dalam larutan air)

Property adalah besaran yang digunakan untuk menggambarkan suatu sistem pada keadaan kese- imbangan. State/keadaan suatu sistem adalah kondisi dari sistem tersebut sebagaimana dinyatakan dengan nilai dari propertynya pada suatu saat tertentu. Property yang umum digunakan untuk menggambar- kan suatu sistem adalah tekanan (P), temperatur (T), volume spesifik/molar (V), internal energy (U), enthalpy (H), entropy (S), jumlah mol (ni), massa (m), kecepatan (u), dan posisi.

Berdasarkan pengalaman, jika 2 property dari suatu zat murni homogen ditentukan, maka property lainnya tertentu, sehingga keadaan termodinamis dari sistem tersebut juga tertentu. Misal, gas nitrogen gas pada temperatur 300K dan tekanan 105 kPa (1 bar) memiliki density dan molar internal energy tertentu ( = 0,0401 mol/l; U = 6222,7 J/mol). Jika gas tersebut dipanaskan atau didinginkan, ditekan atau diekspansikan, kemudian dikembalikan ke temperatur dan tekanan semula, maka semua propertynya akan kembali seperti keadaan semula. Property tersebut tidak tergantung pada “sejarah” zat tersebut, atau bagaimana cara mencapai keadaan saat ini.

Property tersebut hanya tergantung pada keadaan saat ini. Besaran seperti itu disebut state function. Jika dua dari property/state function dari suatu zat murni tertentu, maka keadaan termodinamis dari zat tersebut sepenuhnya sudah tertentu. Hal ini berarti bahwa state function, seperti U, merupakan suatu property yang selalu memiliki satu nilai, sehingga secara matematis dapat dinyatakan sebagai fungsi dari sifat-sifat termodinamis yang lainnya, seperti tekanan, temperatur, dan volume spesifik, dan nilainya dapat diidentifikasikan dengan titik pada grafik.

Property memiliki nilai unik apabila suatu sistem berada dalam keadaan tertentu, dan nilainya tidak tergantung pada jalannya proses, hanya tergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir dari sistem. Secara matematis: diferensial eksak Perubahan property (misal internal energy) ketika sistem berubah dari keadaan 1 ke keadaan 2

PROPERTY EKSTENSIF INTENSIF (vol. spesifik) (vol. molar)

JUMLAH/UKURAN Massa (m) Jumlah mol (n) Volume total (Vt)

HUKUM KEKEKALAN ENERGI ENERGI KINETIK (EK) ENERGI POTENSIAL (EP) HUKUM KEKEKALAN ENERGI

HUKUM KEKEKALAN ENERGI Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan EP = mgh Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya EK = ½mu2 EP = 0 EP = 0 EK = ½mu2

Molekul udara bergerak lebih cepat EK bertambah 40

INTERNAL ENERGY (U) INTERNAL ENERGY ENERGI KINETIK ENERGI POTENSIAL Sebagai akibat gerakan molekul (translasi, rotasi dan vibrasi) Berhubungan dengan ikatan kimia dan juga elektron bebas pada logam 41 41

Energi kinetik akibat gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi GAS GAS MONOATOMIK GAS POLIATOMIK Energi kinetik akibat gerakan translasi linier dari atom tipe "hard sphere" Energi kinetik akibat gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi 42

CAIRAN Energi kinetik akibat adanya gerakan translasi, rotasi, dan vibrasi. Energi potensial akibat adanya gaya tarik antar molekul. 43 43 43

44

PANAS (HEAT) 45 45 45

Transfer energi 46 46 46

Energi ditransfer dalam bentuk kerja: tumbukan antar partikel Secara makroskopis tak teramati Harus ada satu besaran makroskopis yang mewakili besarnya energi dalam skala mikroskopis TEMPERATUR 47

HUKUM KE-0 TERMODINAMIKA (KESEIMBANGAN TERMAL) 48

The "zeroth law" states that if two systems are at the same time in thermal equilibrium with a third system, they are in thermal equilibrium with each other If A and C are in thermal equilibrium with B, then A is in thermal equilibrium with C. Practically this means that all three are at the same temperature, and it forms the basis for comparison of temperatures.

There are underlying ideas about heat associated with the zeroth law of thermodynamics, and one of those ideas was expressed by Maxwell as "All heat is of the same kind." If A is in thermal equilibrium with B, then every unit of internal energy that passes from A to B is balanced by the same amount of energy passing from B to A. This is true even if the atomic masses in A are different from those in B, and even if the amount of energy per unit mass in A is different because the material has a different specific heat. This implies that there is a measurable property that can be considered to be the same for A and B, a property upon which heat transfer depends. That property is called temperature.

KESEIMBANGAN TERMODINAMIK Keseimbangan adalah suatu keadaan yang statis, tidak ada perubahan, bahkan tidak ada kecenderung-an untuk berubah. Suatu sistem berada dalam keseimbangan termo-dinamik apabila propertynya (T dan P) konstan dari satu titik ke titik lainnya dan tidak ada kecenderung-an untuk berubah dengan waktu.

Apabila temperatur sebagian boundary dari sistem tiba-tiba naik, maka akan terjadi redistribusi spontan sampai semua bagian sistem memiliki temperatur yang sama. Ketika suatu sistem berubah dari satu keadaan keseimbangan ke keadaan keseimbangan lainnya, maka lintasan yang dilalui sistem tersebut dinamakan proses.

Jika dalam perjalanannya dari satu keadaan ke keadaan lainnya, sistem melewati keadaan yang hanya sedikit sekali (infinitisimal) menyimpang dari keseimbangan, maka dikatakan bahwa sistem mengalami proses quasiequilibrium, dan setiap keadaan dalam tahapan proses tersebut dapat dianggap sebagai keadaan keseimbangan. Proses kompresi dan ekspansi gas dalam internal combustion engine dapat didekati dengan proses quasiequilibrium.

PROSES REVERSIBEL Proses reversibel adalah proses yang arahnya dapat dibalik karena adanya perubahan infinitisimal (extremely small) dari kondisi eksternal.

RESUME: PROSES REVERSIBEL Tanpa friksi Perubahannya dari keadaan keseimbangan adalah kecil sekali (infinitesimal) Melewati serangkaian keadaan keseimbangan Disebabkan oleh ketidakseimbangan gaya yang besarnya infinitesimal Arahnya dapat diubah di sebarang titik oleh adanya perubahan eksternal yang besarnya infinitesimal Jika arahnya dibalik, maka akan melewati jalur semula dan akan kembali ke keadaan sistem dan sekeliling mula-mula.