Chapter 1 INTRODUCTION AND BASIC CONCEPTS Thermodynamics: An Engineering Approach Seventh Edition in SI Units Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, 2011 Chapter 1 INTRODUCTION AND BASIC CONCEPTS Yosua Heru Irawan STTNAS Yogyakarta

Objectives Identifikasi istilah yang terkait dengan termodinamika melalui definisi konsep dasar yang tepat untuk membentuk fondasi yang kuat untuk pengembangan prinsip-prinsip termodinamika. Review sistem satuan Menjelaskan konsep dasar termodinamika seperti sistem, kondisi, ekuilibrium, proses, dan siklus. Review konsep temperatur, tekanan (absolut & gage) Memperkenalkan contoh skema pemecahan masalah

THERMODYNAMICS AND ENERGY Thermodynamics: Ilmu yang mempelajari tentang energi Energy: kemampuan untuk melakukan kerja. The name thermodynamics stems from the Greek words therme (heat) and dynamis (power). Prinsip konservasi energi: Selama interaksi, energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya tetapi jumlah total energi tetap konstan. Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Hukum pertama Termodinamika: Ekspresi dari prinsip konservasi energi. Hukum pertama menegaskan bahwa energi adalah properti termodinamika.

Hukum kedua Termodinamika: Ini menegaskan bahwa energi memiliki kualitas serta kuantitas, dan proses yang sebenarnya terjadi ke arah penurunan kualitas energi. Classical thermodynamics: Suatu pendekatan makroskopik pada studi termodinamika yang tidak memerlukan pengetahuan tentang perilaku partikel individual. Statistical thermodynamics: Pendekatan mikroskopis, berdasarkan perilaku rata-rata kelompok besar partikel individu.

Application Areas of Thermodynamics Semua aktivitas di alam yang melibatkan interaksi antara energi dan materi.

IMPORTANCE OF DIMENSIONS AND UNITS Kuantitas fisik apa pun dapat dikarakterisasi oleh dimensi. Besaran yang ditetapkan untuk dimensi disebut Satuan (units). Beberapa dimensi dasar yaitu mass m, length L, time t, and temperature T disebut primary or fundamental dimensions, velocity V, energy E, and volume V disebut secondary dimensions, or derived dimensions. Metric SI system English System

Some SI and English Units Work = Force  Distance 1 J = 1 N∙m 1 cal = 4.1868 J 1 Btu = 1.0551 kJ

A body weighing 60 kgf on earth will weigh only 10 kgf on the moon. W weight m mass g gravitational acceleration

Specific weight : The weight of a unit volume of a substance.

Jumlah titik titik materi pada suatu benda (padat, cair, dan gas) Massa vs (Gaya) Berat MASSA (GAYA) BERAT Jumlah titik titik materi pada suatu benda (padat, cair, dan gas) Satuan massa Sistim SI (MKS) : kg Sistim British : slug Gaya Berat (Weight) adalah gaya yang timbul pada materi bermassa yang terkena pengaruh (percepatan) gravitasi. Besarnya gaya berat sebanding dengan besarnya massa dan gravitasi Sebuah materi dengan massa tertentu dapat mempunyai berat yang berbeda apabila berada di lingkungan yang gravitasinya berbeda. Padat/solid Cair/liquid gas Gravitasi Bumi (g), Nilai mutlak, g = 9,8 m/s2 ( = 32,2 ft/s2) Nilai relatif, g = 1 G Gravitasi Bulan (g), Nilai mutlak, g = 1,63 m/s2 ( = 5,37 ft/s2) Nilai relatif, g = 1/6 G

W = M.g Weight – Gaya Berat Weight / Gaya Berat ( berat ) Salah satu bentuk dari gaya/force Arah garis gaya selalu menuju pusat bumi Besarnya Gaya Berat (berat) dari sebuah massa yang berada di dalam pengaruh medan grafitasi adalah : Paimin mempunyai massa 55 kg, artinya setiap saat Paimin menekan bumi dengan gaya berat (berat) W = 55 kg x 1 G = 55 kgf atau W = 55 kg x 9,8 m/s2 = 539 N W = M.g

Seorang gadis, ketika ditimbang berat badannya, alat ukur timbangan menunjuk pada angka 50 kg. Berapa (gaya) berat gadis cantik itu ???? No Massa (M) Gravitasi (g) Berat ( W = Mg) 1 50 kg 9,8 m/s2 490 Kg.m/s2 ( = 490 Newton) 2 1 G 50 kg.force ( = 50 kgf ) 3 1,63 m/s2 81,5 N 4 1/6 G 8,33 kgf Dalam sistim satuan British (Inggris – Anglo Saxon) Gaya (berat) dinyatakan dalam satuan pound (disingkat lb) 1 kgf = 2,205 lbs

Catatan Dalam perkembangannya, khususnya untuk mempermudah perhitungan di lapangan, besarnya gravitasi sering dibulatkan menjadi 10 m/s2. Pada penerapan sehari-hari, satuan yang sering digunakan untuk menyatakan (gaya) berat adalah kg, sehingga menimbulkan kebingungan dengan satuan massa yang juga menggunakan kg. Sebenarnya pemakaian satuan berat dengan kg merupakan penyingkatan dari kgf. Oleh karena itu sering dijumpai (khususnya di lapangan), satuan berat menggunakan kg atau kgf. Kedua satuan itu sama, yakni menunjuk pada satuan berat untuk materi yang berada di medan gravitasi yang besarnya 1 G. Sering dijumpai penbulatan-pembulatan, misalnya 1 kgf = 10 N, gravitasi bumi (g) = 1 G = 10 m/s2 1 kg = 10 N, 1 kgf = 2,2 lbs 1 kg = 2,2 lb

Unity Conversion Ratios Dimensional homogeneity Semua persamaan yang akan diselesaikan harus homogen secara dimensi. Unity Conversion Ratios Semua unit nonprimer (unit sekunder) dapat dibentuk oleh kombinasi unit primer.

SYSTEMS AND CONTROL VOLUMES System: Sejumlah materi atau wilayah dalam ruang yang dipilih untuk dipelajari. Surroundings (lingkungan): Massa atau wilayah di luar sistem Boundary (batas): Permukaan nyata atau imajiner yang memisahkan sistem dari lingkungan The boundary of a system can be fixed or movable. Systems may be considered to be closed or open. Closed system (Control mass): Jumlah massa yang tetap, dan tidak ada massa yang dapat melintasi boundary (batas)

Open system (control volume): sebuah sistem membungkus perangkat yang melibatkan aliran massa seperti kompresor, turbin, atau nosel (massa dan energi dapat melintasi boundary) Control surface: Merupakan batas (boundaries) dari sebuah control volume (dapat berupa real boundary dan imaginary boundary)

PROPERTIES OF A SYSTEM Property: Karakteristik dari suatu sistem. Some familiar properties are pressure P, temperature T, volume V, and mass m. Intensive properties: property yang independen dari suatu massa sistem, seperti temperatur, tekanan, dan density. Extensive properties: property yang nilainya tergantung pada ukuran atau batas sistem. Specific properties: Extensive properties per satuan massa.

Continuum Fluida disusun oleh molekul-molekul yang bertabrakan satu sama lain. Namun, asumsi kontinum menganggap fluida bersifat kontinu. Dengan kata lain, properti seperti densitas, tekanan, temperatur, dan kecepatan dianggap terdefinisi pada titik-titik yang sangat kecil yang mendefinisikan REV (‘’Reference Element of Volume’’) Properti tiap titik diasumsikan berbeda dan dirata-ratakan dalam REV. Dengan cara ini, kenyataan bahwa fluida terdiri dari molekul diskrit diabaikan.

DENSITY AND SPECIFIC GRAVITY Specific gravity: Rasio density suatu zat terhadap density zat standar pada temperatur tertentu (biasanya air pada 4 ° C). Specific volume Specific weight: Berat dari sebuah unit volume suatu zat. density adalah massa per satuan volume; volume spesifik adalah volume per satuan massa

STATE AND EQUILIBRIUM Termodinamika selalu berhubungan dengan keadaan equilibrium. Equilibrium: keadaan seimbang Thermal equilibrium: Jika temperatur sama di seluruh sistem. Mechanical equilibrium: Jika tidak ada perubahan tekanan pada setiap titik sistem terhadap waktu. Phase equilibrium: Jika suatu sistem melibatkan dua fase dan ketika massa setiap fase mencapai tingkat keseimbangan yang tetap Chemical equilibrium: Jika komposisi kimia dari suatu sistem tidak berubah terhadap waktu, artinya, tidak terjadi reaksi kimia.

The State Postulate state postulate: istilah yang digunakan dalam termodinamika yang mendefinisikan jumlah properti yang diberikan ke sistem termodinamika dalam keadaan kesetimbangan. Keadaan sistem kompresibel sederhana ditentukan oleh dua intensive properties. Simple compressible system: Jika suatu sistem tidak melibatkan efek tegangan listrik, magnetik, gravitasi, gerak, dan tegangan permukaan. The state of nitrogen is fixed by two independent, intensive properties.

PROCESSES AND CYCLES Process: Setiap perubahan yang dialami suatu sistem dari satu keadaan setimbang ke keadaan lain. Path: Rangkaian keadaan yang dilewati oleh sistem selama proses berlangsung Untuk mendeskripsikan suatu proses secara lengkap, kita harus menentukan keadaan awal dan akhir, serta jalur yang diikuti, dan interaksi dengan sekitarnya. Quasistatic or quasi-equilibrium process: Ketika suatu proses berlangsung sedemikian rupa sehingga sistem tetap sangat dekat dengan keadaan kesetimbangan setiap saat.

Beberapa sifat umum yang digunakan sebagai koordinat adalah temperatur T, tekanan P, dan volume V (atau volume spesifik v). Awalan iso- sering digunakan untuk menunjuk proses yang memiliki properti tetap/konstan. Isothermal process: Proses yang berlangsung pada temperatur konstan Isobaric process: Proses yang berlangsung pada tekanan konstan Isochoric (or isometric) process: Proses yang berlangsung pada volume spesisfik konstan Cycle: Suatu proses di mana keadaan awal dan akhir nya identik.

The Steady-Flow Process steady berarti tidak ada perubahan terhadap waktu. Kebalikan dari steady adalah unsteady, or transient. Steady-flow process: Sebuah proses di mana fluida mengalir melalui control volume yang steady Contoh Steady-flow conditions dapat dilihat pada perangkat dengan operasi berkelanjutan seperti turbin, pompa, boiler, kondensor, dan penukar panas atau pembangkit listrik atau sistem pendinginan. Selama steady-flow process, sifat-sifat fluida dalam control volume dapat berubah terhadap posisi tetapi tidak terhadap waktu

TEMPERATURE AND THE ZEROTH LAW OF THERMODYNAMICS The zeroth law of thermodynamics: Jika dua benda berada dalam kesetimbangan termal dengan benda ketiga, maka kedua benda tersebut berada dalam kesetimbangan termal satu sama lain. Dengan mengganti benda ketiga dengan termometer, maka hokum ke-0 dapat diartikan : dua badan berada dalam kesetimbangan termal jika keduanya memiliki pembacaan temperatur yang sama bahkan jika mereka tidak bersentuhan.

Temperature Scales Semua skala temperatur didasarkan pada beberapa kondisi yang mudah diamati seperti titik beku, titik didih air, titik es dan titik uap (freezing, boiling points of water, the ice point, the steam point) Ice point: Campuran es dan air yang berada dalam kesetimbangan dengan udara jenuh dengan uap pada tekanan 1 atm (0°C or 32°F). Steam point: Campuran liquid water dan water vapor (tanpa udara) dalam kesetimbangan pada tekanan 1 atm (100°C or 212°F). Celsius scale: in SI unit system Fahrenheit scale: in English unit system Kelvin scale (SI) Rankine scale (E) A constant-volume gas thermometer would read -273.15°C at absolute zero pressure.

Comparison of temperature scales. Comparison of magnitudes of various temperature units. Temperatur referensi dalam skala Kelvin asli adalah, ice point, 273.15 K, yang merupakan temperatur di mana air membeku (atau es mencair).

PRESSURE 68 kg 136 kg Afeet=300cm2 0.23 kgf/cm2 0.46 kgf/cm2 P=68/300=0.23 kgf/cm2 Pressure: Gaya normal yang diberikan oleh fluida per satuan luas Gaya normal (atau "tekanan") pada kaki orang yang gemuk jauh lebih besar daripada di kaki orang yang kurus. Some basic pressure gages.

Absolute pressure: Tekanan sebenarnya pada posisi tertentu, diukur relatif terhadap absolut vaccum (yaitu, tekanan nol absolut). Gage pressure: Perbedaan antara tekanan absolut dan tekanan atmosfer lokal. Kebanyakan alat pengukur tekanan dikalibrasi untuk membaca nol di atmosfer, sehingga mereka menunjukkan tekanan pengukur (gage pressure) Vacuum pressures: Tekanan di bawah tekanan atmosfir.

Variation of Pressure with Depth

Dalam ruangan yang diisi gas, variasi tekanan dengan tinggi dapat diabaikan. Tekanan dalam fluida yg diam meningkat linear dengan jarak dari permukaan bebas.

Pascal’s law: Tekanan yang diberikan zat cair dalam ruang tertutup diteruskan ke segala arah dengan sama besar. Mengangkat beban besar dengan kekuatan kecil dengan penerapan hukum Pascal.

The Manometer biasanya digunakan untuk mengukur perbedaan tekanan kecil dan sedang. Manometer mengandung satu atau lebih cairan seperti merkuri, air, alkohol, atau minyak. The basic manometer.

The Barometer Tekanan atmosfer diukur dengan alat yang disebut barometer; Dengan demikian, tekanan atmosfir sering disebut sebagai tekanan barometrik. Satuan tekanan yang sering digunakan adalah standard atmosphere, yang didefinisikan sebagai tekanan yang dihasilkan oleh kolom merkuri pada tinggi 760 mm, temp. 0°C (Hg = 13,595 kg/m3) dibawah kecepatan gravitasi (g = 9.807 m/s2). The basic barometer.

PROBLEM-SOLVING TECHNIQUE Langkah 1: Permasalahan Langkah 2: Skema (gambar) Langkah 3: Asumsi dan Pendekatan Langkah 4: Hukum Fisika Langkah 5: Properti Langkah 6: Perhitungan Langkah 7: Penalaran, Verifikasi, dan Diskusi

A Remark on Significant Digits In engineering calculations, the information given is not known to more than a certain number of significant digits, usually three digits. Consequently, the results obtained cannot possibly be accurate to more significant digits. Reporting results in more significant digits implies greater accuracy than exists, and it should be avoided.

Jawab: