Selasa, 07 Desember 2010

TERMODINAMIKA DASAR


1.1 DEFINISI DAN APLIKASI THERMODINAMIKA
Thermodinamika adalah ilmu tentang energi, yang secara spesific
membahas tentang hubungan antara energi panas dengan kerja. Seperti
telah diketahui bahwa energi didalam alam dapat terwujud dalam
berbagai bentuk , selain energi panas dan kerja, yaitu energi kimia, energi
listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnit, energi akibat gaya
magnit, dan lain-lain. Energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk
lain, baik secara alami maupun hasil rekayasa tehnologi. Selain itu energi
di alam semesta bersifat kekal, tidak dapat dibangkitkan atau
dihilangkan, yang terjadi adalah perubahan energi dari satu bentuk
menjadi bentuk lain tanpa ada pengurangan atau penambahan. Prinsip
ini disebut sebagai prinsip konservasi atau kekekalan energi.
Prinsip thermodinamika tersebut sebenarnya telah terjadi secara
alami dalam kehidupan sehari-hari. Bumi setiap hari menerima energi
gelombang elektromagnetik dari matahari, dan dibumi energi tersebut
berubah menjadi energi panas, energi angin, gelombang laut, proses
pertumbuhan berbagai tumbuh-tumbuhan dan banyak proses alam
lainnya. Proses didalam diri manusia juga merupakan proses konversi
energi yang kompleks, dari input energi kimia dalam makanan menjadi
energi gerak berupa segala kegiatan fisik manusia, dan energi yang
sangat bernilai yaitu energi pikiran kita.
Dengan berkembangnya ilmu pengetahuan dan teknologi, maka prinsip
alamiah dalam berbagai proses thermodinamika direkayasa menjadi
berbagai bentuk mekanisme untuk membantu manusia dalam
menjalankan kegiatannya. Mesin-mesin transportasi darat, laut, maupun
udara merupakan contoh yang sangat kita kenal dari mesin konversi
energi, yang merubah energi kimia dalam bahan bakar atau sumber
energi lain menjadi energi mekanis dalam bentuk gerak atau
perpindahan diatas permukaan bumi, bahkan sampai di luar angkasa.
Pabrik-pabrik dapat memproduksi berbagai jenis barang, digerakkan oleh
mesin pembangkit energi listrik yang menggunakan prinsip konversi energi
panas dan kerja. Untuk kenyamanan hidup, kita memanfaatkan mesin air
conditioning, mesin pemanas, dan refrigerators yang menggunakan
prinsip dasar thermodinamila.
Aplikasi thermodinamika yang begitu luas dimungkinkan karena
perkembangan ilmu thermodinamika sejak abad 17 yang dipelopori
dengan penemuan mesin uap di Inggris, dan diikuti oleh para ilmuwan
thermodinamika seperti Willian Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin
pada abad ke 19. Pengembangan ilmu thermodinamika dimulai dengan
pendekatan makroskopik, yaitu sifat thermodinamis didekati dari perilaku
umum partikel-partikel zat yang menjadi media pembawa energi, yang
disebut pendekatan thermodinamika klasik. Pendekatan tentang sifat
thermodinamis suatu zat berdasarkan perilaku kumpulan partikel-partikel
disebut pendekatan mikroskopis yang merupakan perkembangan ilmu
thermodinamika modern, atau disebut thermodinamika statistik.
Pendekatan thermodinamika statistik dimungkinkan karena
perkembangan teknologi komputer, yang sangat membantu dalam
menganalisis data dalam jumlah yang sangat besar.
1.2 BENTUK-BENTUK ENERGI
Telah disampaikan sebelumnya bahwa energi dapat terwujud
dalam berbagai bentuk, yaitu energi kimia, energi panas, energi mekanis,
energi listrik, energi nuklir, energi gelombang elektromagnetik, energi
gaya magnit, dan lain- lain. Suatu media pembawa energi dapat
mengandung berbagai bentuk energi tersebut sekaligus, dan jumlah
energinya disebut energi total (E). Dalam analisis thermodinamika sering
digunakan energi total setiap satuan masa media (m), yang disebut
sebagai energi per-satuan masa (e) yaitu,
m
E
e = (1.1)
Berbagai bentuk energi diatas dapat pula dikelompokkan menjadi dua
bentuk, yaitu energi makroskopik dan energi mikroskopik. Energi
makroskopik adalah keberadaan energi ditandai dari posisinya terhadap
lingkungannya atau terhadap suatu referensi yang ditentukan. Contoh
bentuk energi makroskopik adalah energi kinetik (KE) dan energi potensial
(PE). Keberadaan energi mikroskopik ditentukan oleh struktur internal dari
zat pembawa energi sendiri dan tidak tergantung kepada
lingkungannnya, yaitu struktur dan gerakan molekul zat tersebut. Energi
mikroskopik ini disebut sebagai energi internal (U).
Energi makroskopik berhubungan dengan gerakan masa
pembawa energi, dan pengaruh luar seperti gaya gravitasi, pengaruh
energi listrik, sifat magnit, dan tegangan pemukaan fluida. Energi kinetis
KE adalah energi yang disebabkan oleh gerakan relatif terhadap suatu
referensi, dan besarnya adalah:

2
2
mV KE = (1.2.)
atau dalam bentuk energi per-satuan masa:

2
2
V ke = (1.3)
dengan, m = satuan masa media pembawa energi
V = satuan kecepatan gerakan masa.
Energi potensial adalah energi yang disebabkan oleh posisi elevasinya
dalam medan gravitasi, dan besarnya adalah:
PE = m g z (1.4)
Atau dalam bentuk energi per-satuan masa,
pe = g z (1.5)
dengan, g = gaya gravitasi
z = posisi elevasi terhadap suatu referensi.
Energi internal meliputi semua jenis energi mikroskopik, yaitu akibat dari
struktur dan aktivitas molekul dalam masa yang ditinjau. Struktur molekul
adalah jarak antar molekul dan besar gaya tarik antar molekul, sedang
aktivitas molekul adalah kecepatan gerak molekul. Energi laten adalah
energi yang merubah jarak dan gaya tarik antar molekul, sehingga masa
berubah fase antara fase padat atau cair menjadi gas. Energi sensibel
merubah kecepatan gerak molekul, yang ditandai oleh perubahan
temperatur dari masa yang ditinjau.
Energi kimia adalah energi internal sebagai akibat dari komposisi
kimia suatu zat, yang merupakan energi yang mengikat atom dalam
molekul zat tersebut. Perubahan struktur atom menyebabkan perubahan
energi pengikat atom dalam molekul, sehingga reaksinya dapat
melepaskan energi (eksothermis) misalnya dalam reaksi pembakaran,
atau memerlukan energi (indothermis). Bentuk energi internal lainnya
adalah energi nuklir, yang merupakan energi ikatan antara atom dengan
intinya.
Dalam bahasan thermodinamika efek dari jenis energi makroskopik
lain yaitu energi magetik, dan tegangan permukaan fluida dapat
daibaikan, sehingga energi total E dari masa pembawa energi tersebut
adalah:
mgz
mV U PE KE U E + + = + + =
2
2
(1.6)
atau dalam bentuk energi per-satuan masa,
gz
V
u pe ke u e + + = + + =
2
2
(1.7)
Dalam aplikasi bidang teknik masa atau sistem thermodinamika yang
ditinjau biasanya tidak bergerak selama proses berlangsung, sehingga
perubahan energi potensial dan energi kinetisnya sama dengan nol.

1.3 SISTEM, PROSES, DAN SIKLUS THERMODINAMIKA
Suatu sistem thermodinamika adalah sustu masa atau daerah
yang dipilih, untuk dijadikan obyek analisis. Daerah sekitar sistem tersebut
disebut sebagai lingkungan. Batas antara sistem dengan lingkungannya
disebut batas sistem (boundary), seperti terlihat pada Gambar 1.1. Dalam
aplikasinya batas sistem nerupakan bagian dari sistem maupun
lingkungannya, dan dapat tetap atau dapat berubah posisi atau
bergerak.

BATAS SISTEM
SISTEM
LINGKUNGAN


Gambar 1.1. Skema sistem thermodinamika
Dalam thermidinamika ada dua jenis sistem, yaitu sistem tertutup
dan sistem terbuka. Dalam sistem tertutup masa dari sistem yang dianalisis
tetap dan tidak ada masa keluar dari sistem atau masuk kedalam sistem,
tetapi volumenya bisa berubah. Yang dapat-keluar masuk sistem tertutup
adalah energi dalam bentuk panas atau kerja. Contoh sistem tertutup
adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana masa udara
didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah, dan energi panas
masuk kedalam masa udara didalam balon.
Dalam sistem terbuka, energi dan masa dapat keluar sistem atau
masuk kedalam sistem melewati batas sistem. Sebagian besar mesin-
mesin konversi energi adalah sistem terbuka. Sistem mesin motor bakar
adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan
bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem
SISTEM THERMODINAMIKA
melalui knalpot. Turbin gas, turbin uap, pesawat jet dan lain-lain adalah
merupakan sistem thermodinamika terbuka, karena secara simultan ada
energi dan masa keluar -masuk sistem tersebut.
Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property
dari sistem, seperti tekanan P, temperatur T, volume V, masa m, viskositas,
konduksi panas, dan lain-lain. Selain itu ada juga property yang
disefinisikan dari property yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik,
panas jenis, dan lain-lain.
Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak
berubah, apabila masing -masing jenis property sistem tersebut dapat
diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi
tersebut disebut sebagai keadaan ( state) tertentu dari sistem, dimana
sistem mempunyai nilai property yang tetap. Apabila property nya
berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan
keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan
disebut sistem dalam keadaan seimbnag (equilibrium).
Perubahan sistem thermodinamika dari keadaan seimbang satu
menjadi keadaan seimbang lain disebut proses, dan rangkaian keadaan
diantara keadaan awal dan akhir disebut linasan proses seperti terlihat
pada Gambar 1.2.
Keadaan 2

Lintasan proses

Keadaan 1
Gambar 1.2. Proses dari keadaan 1 ke keadaan 2

Tergantung dari jenis prosesnya, maka keadaan 2 dapat dicapai dari
keadaan 1 melalui berbagai lintasan yang berbeda.
thermidinamika biasanya digambarkan dalam sistem koordinat 2 dua
property , yaitu P-V diagram, P-v diagram, atau T -S diagram. Proses yang
berjalan pada satu jenis property tetap, disebut proses iso- diikuti nama
property nya, misalnya proses isobaris (tekanan konstan), proses isochoris
(volume konstan), proses isothermis (temperatur konstan) dan la in-lain.
Suatu sistem disebut menjalani suatu siklus, apabila sistem tersebut
menjalani rangkaian beberapa proses, dengan keadaan akhir sistem
kembali ke keadaan awalnya. Pada Gambar 1.3 (a) terlihat suatu siklus
terdiri dari 2 jenis proses, dan Gambar 1.3 (b) siklus lain dengan 4 jenis
proses.


p P
2 3


2
4
1
v v
1
(a). Siklus dengan 2 proses (b). Siklus dengan 4 proses
Gambar 1.3. Diagram siklus thermodinamika

1.4 SISTEM SATUAN, TEKANAN, DAN TEMPERATUR.
1.4.1 Sistem Satuan.
Suatu sistem satuan adalah sistem besarn atau unit untuk meng-
kuantifikasikan dimensi dari suatu property . Sistem satuan yang sekarang
dipergunakan di seluruh dunia, termasuk Indonesia, adalah Sistem SI
(Sistem Internasional. Sistem ini menggantikan 2 sistem yang dipergunakan
sebelumnya, yaitu sistem British dan sistem Metris.
Dalam sistem SI ada 7 macam dimensi dasar, yaitu panjang (m),
masa (kg), waktu (detik), temperatur (K), arus listrik (A), satuan sinar
(candela-c), dan satuan molekul (mol). Satuan gaya merupakan
kombinasi dari masa dan percepatan, dan mempunyai besaran N
(Newton), yang didefinisikan menurut Hukum Newton,
F = m a (1.8)
Dan 1 N adalah gaya yang diperlukan untuk memberikan percepatan
sebesar 1 m/det2 pada suatu masa sebesar 1 kg sehingga.
1 N = 1 kg. m/det
2
(1.9)
Ukuran berat (W) adalah gaya yang ditimbulkan oleh masa m kg, dengan
percepatan sebesar medan gravitasi yang terjadi (g), sebagai berikut.
W = m g (1.10)
Satuan W adalah Newton, sedang besar gravitasi di bumi adalah 9,807
m/det 2 di permukaan laut dan semakin kecil dengan bertambahnya
elevasi. Kerja yang merupakan salah satu bentuk energi, adalah gaya kali
jarak dengan satuan N.m, dan disebut pula J (Joule) yaitu,
1 J = 1 N.m (1.11)
Satuan Joule juga digunakan dalam dimensi energi panas, dan biasanya
ukurannya dalam kJ (kilojoule) atau MJ (Mega Joule).
1.4.2 Tekanan.
Tekanan merupakan salah satu property yang terpenting dalam
thermodinamika, dan didefinisikan sebagai gaya tekan suatu fluida (cair
atau gas) pada satu satuan unit luas area. Istilah tekanan pada benda
padat disebut tegangan ( stress ). Satuan tekanan adalah Pa (Pascal),
yang didefinisikan sebagai,
1 Pa = 1 N/m2

Karena satuan Pascal terlalu kecil, maka dalam analisis thermodinamika
seringdigunakan satua kilopascal (1 kPa = 103 Pa), atau megapascal (1
MPa = 106 Pa). Satuan tekanan yang cukup dikenal adalah satuan bar
(barometric), atau atm (standard atmosphere), sebagai berikut.
1 bar = 105
Pa = 0,1 Mpa = 100kPa
1 atm = 101. 325 Pa = 101,325 kPa = 1, 01325 bar
Pengukuran tekanan dengan menggunakan referensi tekanan nol
absolut disebut tekanan absolut (ata), sedang tekanan manometer (ato)
adalah tekanan relatif terhadap tekanan atmosfir. Tekanan vakum
adalah tekanan dibawah 1 atm, yaitu perbedaan antara tekanan
atmosfir dengan tekanan absolut, seperti ditunjukkan dalam Gambar 1.4.
sebagai berikut,

Gambar 1.4. Hubungan pengukuran beberapa jenis tekanan
Alat pengukur tekanan diatas atmosfir adalah manometer, alat pengukur
tekanan vakum disebut manometer vakum, sedang alat pengukur
tekanan atmosfir disebut barometer. Terdapat banyak jenis metode
pengukuran tekanan seperti pipa U, manometer pegas, atau transduser
elektronik.
P man
P atm
P abs
P abs
P vac
1.4.3 Temperatur
Ukuran temperatur berfungsi untuk mengindikasikan adanya energi
panas pada suatu benda padat, cair, atau gas. Metodenya biasanya
menggunakan perubahan salah satu property suatu material karena
panas, seperti pemuaian, dan sifat listrik.
Prinsip pengukurannya adalah apabila suatu alat ukur
ditempelkan pada benda yang akan diukur temperaturnya, maka akan
terjadi perpindahan panas ke alat ukur sampai terjadi keadaan
seimbang. Dengan demikian temperatur yang terterapada alat ukur
adalah sama dengan temperatur pada benda yang diukur
temperaturnya. Prinsip tersebut menghasilkan Hukum Thermodinamika
Zeroth (Zeroth Law of Thermodynamics), yaitu apabila dua benda dalam
keadaan seimbang thermal dengan benda ketiga maka dua benda
tersebut juga dalam keadaan seimbang thermal walaupuntidak saling
bersentuhan.
Dalam sistem SI satuan temperatur adalah Kelvin (K) tanpa
derajad. Skala dari ukuran temperatur dalam derajad Celcius adalah
sama dengan skala ukuran Kelvin, tetapi titik nol
oC sama dengan 273,15
K. Titik nol
oC adalah kondisi es mencair pada keadaan standard atmosfir,
sedang kondisi 0 K adalah kondisi nol mutlak dimana semua gerakan
yang menghasilkan energi pada semua materi berhenti.
Dalam analisis thermodinamika, apabila yang dimaksudkan
adalah ukuran temperatur maka yang digunakan adalah ukuran dalam
K, sedang apabila analisis berhubungan dengan perbedaan temperatur
maka baik ukuran
oC maupu K dapat digunakan.


Bab II
P PR RO OP PE ER RT TY Y Z ZA AT T M MU UR RN NI I D DA AN N K KA AR RA AK KT TE ER RI IS ST TI IK K
G GA AS S I ID DE EA AL L
2.1 ZAT MURNI
Zat murni adalah zat yang mempunyai komposisi kimia yang tetap
pada semua bagiannya. Contoh zat murni misalnya, air, nitrogin, helium,
CO2 , udara, dan lain -lain. Persyaratan sebagai zat murni tidak perlu
hanya satu jenis saja, tetapi dapat berupa campuran zat asal
campurannya homogin pada seluruh bagiannya. Udara merupakan
campuran dari beberapa jenis zat tetapi masih bersifat zat murni, tetapi
campuran antara minyak dengan air bukan merupakan zat murni karena
tidak dapat bercampur secara homogin.
Zat murni dapat terwujud dalam fasa padat, fasa cair, atau fasa
gas. Fasa padat mempunyai struktur molekul dengan jarak antar molekul
paling kecil dan gaya ikat antar molekul paling besar , fasa cair
mempunyai gaya ikat yang lebih kecil, dan fasa gas gaya ikat antar
molekul paling kecil. Posisi molekul pada fasa padat relatif tetap, pada
fasa cair molekul bergerak secara oscilasi, dan pada fasa gas molekul-
molekul bergerak bebas tidak beraturan dan saling bertabrakan satu
sama lainnya.
2.2 DIAGRAM FASA
Zat murni dapat mengalami perubahan fasa pada keadaan yang
berbeda-beda, tergantung kepada kondisi property nya. Air berubah
fasa menjadi gas pada temperatur sekitar 100oC apabila tekanannya 1
atm, tetapi pada tekanan lebih tinggi maka temperatur perubahan fasa
nya lebih tinggi pula. Gambar 2.1. menunjukkan diagram perubahan fasa
cair-gas pada suatu zat murni, dengan koordinat tekanan dan
temperatur.
Dari sifat tersebut diatas dapat digambarkan diagram perubahan
fasa dari suatu zat murni secara lengkap, yaitu pada semua lingkup
keadaan untuk zat murni tersebut. Contoh diagram perubahan fasa
lengkap tersebut diperlihatkan pada Gambar 2.2 (a) dengan koordinat T -
v dan Gambar 2.2 (b) untuk koordinat P-v. Garis fasa berbentuk
lengkungan tajam pada bagian atasnya, garis disebelah kiri adalah garis
liquid jenuh dan garis disebelah kanan adalah garis uap jenuh. Titik
puncaknya merupakan titik kritis, dimana diatas titik tersebut kondisi fasa


P



T
Gambar 2.1. Diagram perubahan fasa cair – gas pada zat
murni








Garis liquid jenuh
Garis uap jenuh
a
T2 >
T1
T1
Titik kritis
Titik kritis
P2 > P1
b
c
d
P1
P
v
v
T
(a). Koordinat P-v (b). Koordinat T – v
Gambar 2.2. Diagram perubahan fasa suatu zat murni
kondisi liquid dan gas bersamaan. Keadaan titik kritis untuk zat murni air
terjadi pada tekanan Pcr = 22,09 MPa, dan temperatur Tcr = 374,14oC.
Daerah diantara garis liquid jenuh dengan garis uap jenuh adalah
daerah terjadinya campuran antara fasa cair dan fasa gas.
Garis putus-putus pada diagram Gambar 2.2 (a) menunjukkan
lintasan proses penguapan zat murni pada tekanan konstan P1 dan P2
(dengan P2 > P1), dan terlihat bahwa lintasan proses penguapan pada
tekanan P2 terjadi pada temperatur lebih tinggi daripada lintasan pada
temperatur P1. Garis a-b menunjukkan pemanasan pada fasa liquid
sampai mencapai titik cair jenuh di b. Sedang pada garis b-c terjadi
proses penguapan yang terjadi pada temperatur konstan dan tekanan
konstan, dengan fasa diantara titik b dan titik c adalah kondisi campuran
antara liquid dan gas. Pada titik b adalah 100% liquid, sedang pada titik d
adalah 100% fasa gas. Selanjutnya garis c -d menunjukkan pemanasan
lanjutan dari uap, sehingga kondisi uapnya disebut uap panas lanjut
(superheated steam). Panas yang dibutuhkan untuk pemanasan air pada
garis a -b dan pemanasan uap pada garis c -d disebut panas sensibel,
sedang panas yang diperlukan untuk proses penguapan pada garis b-c
disebut panas laten. Terlihat pada Gambar 2.2 bahwa semakin tinggi
tekanan fluida (juga temperaturnya), semakin pendek garis penguapan
(garis b-c untuk tekanan P1) sehingga semakin kecil panas laten yang
dibutuhkan. Garis putus-putus pada Gambar 2.2 (b) adalah garis
isothermis pada diagram penguapan dengan koordinat P-v.
2.3 TABEL PROPERTY
Dalam analisis thermodinamika selalu dibutuhkan data nilai
property dari suatu zat, pada semua lingkup keadaan untuk masing -
masing zat yang diteliti. Nilai property dapat diprediksi dengan
mengembangkan suatu persamaan matematis hubungan antar property
dari zat yang bersangkutan. Namun biasanya bentuk hubungan antar
property untuk semua zat sangat kompleks, srhingga sangat sulit untuk
direpresentasikan dalam suatu persamaan yang sederhana.
Karena itu data property biasanya dipresentasikan dalam bentuk Tabel
Thermodinamika, yang berisi data property dari beberapa zat yang sering
digunakan dalam aplikasi thermodinamika. Tabel tersebut membutuhkan
data property yang sangat banyak, yang dikumpulkan dari hasil
pengukuran yang membutuhkan waktu yang lama. Jenis property yang
biasanya ada dalam Tabel Thermodinamika adalah tekanan, temperatur,
volume spesifik, energy internal, panas laten, dan dua property baru yaitu
enthalpy (h) dan entropy (s) yang akan dibahas dalam bab selanjutnya.
Data property untuk keadaan fasa campuran tidak dapat dilihat secara
langsung dalam Tabel Thermodinamika, tetapi dapat dihitung dengan
menggunakan parameter kualitas campuran (x) yaitu:

lotal
g
m
m
x = (2.1)
dimana : masa total campuran (mtotal)= masa liquid + masa uap = mf + mg
Parameter x mempunyai nilai nol yaitu apabila mg = 0 atau pada kondisi
liquid jenuh, sedang x = 1 apabila mf = 0 atau mg = mtotal, yaitu pada
keadaan uap jenuh. Hubungan antara parameter x dengan nilai property
tertentu, misalnya enthalpy (h) adalah:
h = hf + x . h fg (2.2)
dimana: h = enthapy pada kondisi campuran
hf = enthalpy pada keadaan liquid jenuh
hfg = pana laten
2.4 GAS IDEAL
Molekul-molekul gas didalam suatu ruangan yang dibatasi dinding
bergerak kesegala arah dengan tidak beraturan (chaotic motion ).
Karena gerakan tidak beraturan tersebut kemungkinan sering terjadi
tumbukan antar molekul, sebelum menabrak dinding batas ruangan.
Tabrakan molekul ke dinding ruangan tersebut terjadi secara terus -
menerus, yang menimbulkan efek tekanan gas didalam ruangan
tersebut. Semakin tinggi temperatur gas, maka semakin besar kecepatan
geraknya sehingga menyebabkan momentum tumbukan terhadap
dinding semakin besar. Akibatnya tekanan yang terjadi didalam ruangan
akan semakin besar pula.
Dari mekanisme gerakan molekul tersebut, maka dapat
dibayangkan adanya suatu persamaan matematik hubungan antar
variabel property gas didalam ruangan, terutama tekanan (P),
temperatur (T), dan volume ruangan (V). Volume ruangan juga
merupakan variabel karena menentukan jarak lintasan gerak molekul
sebelum menabrak dinding. Namun untuk menurunkan persamaan
hubungan secara analitis mengalami kesulitan, karena kompleksitas
gerakan molekul, adanya gaya tarik-menarik antar molekul, dan
pengaruh volume molekul sendiri. Karena itu kemudian diasumsikan
adanya suatu jenis gas idea yang mempunyai sifat ideal, sehingga
dimungkinkan penurunan persamaan matematis hubungan antar
beberapa variabel dari property gas. Sifat-sifat gas ideal yang diinginkan
tersebut tersebut adalah:
1. Gaya tarik-menarik antar molekul gas diabaikan.
2. Total volume molekul gas diabaikan terhadap volume ruangan.
Asumsi pertama memungkinkan bahwa semua energi kinetic molekul
menghasilkan energi tumbukan molekul ke dinding, sedang asumsi kedua
memungkinkan tidak ada pengurangan energi kinetik molekul karena
tumbukan antar molekul diabaikan. Dengan kedua asumsi tersebut,
maka secara analitis dapat diturunkan persamaan hubungan antar
variabel P, v, dan T gas ideal , atau sering disebut persamaan keadaan
gas ideal atau persamaan Boyle – Gay Lussac, sebagai berikut,
RT Pv = (2.3)
dengan, P = tekanan absolut gas
v = volume spesiifik gas
R = konstanta gas
T = temperatur absolut gas
Boyle dan Gay Lussac mendapatkan persamaan tersebut melalui
eksperimen pada kondisi gas pada tekanan sangat rendah, sehingga
persamaan gas ideal dapat diaplikasikan pada gas sebenarnya apabila
tekanannya sangat rendah. Dalam penelitian selanjutnya didapatkan
apabila pada temperatur tinggi, atau pada tekanan sangat tinggi sekitar
tujuh kali tekanan kritisnya, maka si fat suatu gas juga mendekati sifat gas
ideal.
Besarnya konstanta gas R berbeda untuk setiap jenis gas, dan dapat
dihitung dengan,

M
R
R m
= (2.4)
dengan, R? = konstanta gas universal
M = masa setiap molekul gas
Besarnya konstanta gas universal adalah sama untuk semua jenis gas
yaitu R? = 8,314 kJ/(kmol.K). Masa gas didalam ruangan dapat dihitung
apabila jumlah molekulnya diketahui, anadaikan junlah molekulnya N,
maka masa gas didalam ruangan tersbut:
M = M N (2.5)
Dan volume ruangan adalah: V = m v (2.6)
Sehingga persamaan gas ideal dapat dituliskan dalam variabel volume
ruangan sebagai berikut.
P V = m R T (2.7)
P V = N R? T (2.8)
Dari persamaan (2.7) dapat diturunkan hubungan antara variabel gas
didalam ruangan pada dua keadaan yang berbeda, dengan masa gas
(m) tetap sebagai berikut,

2
2 2
1
1 1 . .
T
V P
T
V P
= (2.9)
dengan indeks 1 dan 2 menunjukkan bahwa gas pada keadaan 1 dan
pada keadaan 2.
Menurut penelitian, beberapa jenis gas seperti udara, oksigen,
hidrogen, helium, argon, neon, CO2 dapat dperlakukan sebagai gas ideal
dengan penyimpangan hasil perhitungan terhadap kondisi sebenarnya
hanya sekitar 1%. Gas yang dipadatkan seperti uap didalam ketel uap,
zat refrigeran didalam mesin pendingin tidak boleh diperlakukan sebagai
gas ideal, karena penyimpangan atau kesalahan perhitungannya
menjadi terlalu besar. Data property nya harus dilihat dalam Tabel
Thermodinamika untuk gas yang bersangkutan.

2.5 PERSAMAAN KEADAAN GAS
Persamaan gas ideal cukup sederhana, namun seperti telah
dibahas sebelumnya lingkup pemakaiannya terbatas. Banyak usaha
dilakukan untuk mengembangkan persamaan keadaan gas, dengan
lingkup pemaka ian yang lebih luas. Namun persamaan yang didapatkan
umumnya lebih kompleks dibandingkan dengan persamaan gas ideal,
seperti pada persamaan Van der Waals dan persamaan Beattie-
Bridgeman sebagai berikut:
1. Persamaan Van del Waals.
Pada tahun 1873, Van der Waals mengajukan persamaan keadaan
gas dengan tambahan dua konstanta a dan b sebagai berikut, Diktat TERMODINAMIKA DASAR

Oleh : Ir. Sudjito, PhD. , Ir. Saifuddin Baedoewie, Agung Sugeng W., ST., MT.

Program Semi Que IV
Fakultas Teknik Jurusan Mesin
Universitas Brawijaya
18
RT b v
v
a
P = - + ) )( (
2
(2.10)
dengan nilai konstanta a dan b sebagai berikut.

cr
cr
P
T R a
64
27 2 2
= dan
cr
cr
P
RT
b
8
= (2.11)
Persamaan Van der Waals mempunyai ketelitian yang kurang baik, tetapi
apabila konstanta a dan b dihitung menurut perilaku gas sebenarnya
pada lingkup yang luas maka ketelitiannya menjadi lebih naik.
2. Persamaan Beattie-Bridgeman.
Persamaan Beattie – Bridgeman diajukan pada tahun 1928, dengan
menggunakan lima konstanta sebagai berikut,

2 3 2
) )( 1 (
.
v
A B v
vT
c
v
T R
P - - - = m
(2.12)
dengan konstanta A dan B dihitung dengan persamaan sebagai berikut,
) 1 ( 0
v
a
A A - = dan ) 1 ( 0
v
b
B B - = (2.13)
Aplikasi persamaan ini adalah sampai dengan 0,8 ? cr , dengan ? cr
adalah titik krits dari densitas gas yang bersangkutan.

Diambil dari
Ir. Sudjito, PhD. , Ir. Saifuddin Baedoewie, Agung Sugeng W., ST., MT.

Tidak ada komentar:

Poskan Komentar