Konsep Dasar Termodinamika:Satuan,Densitas,Berat dan Volume Spesifik

 A. SATUAN

Satuan dalam penggaris

Walaupun para mahasiswa pasti sudah terbiasa dengan satuan-satuan dalam SI (Satuan International),tetaoi dalam kenyatannya banyak data perhitungan yang dikumpulkan dari Amerika Serikat dimana penulisan satuan dalam satuan-satuan Inggris. Oleh karena itu, beberapa contoh dan soal akan diberikan dalam satuan-satuan Inggris. Tabel 1 berikut ini akan memberikan daftar satuan-satuan dari kuantitas-kuantitas utama termodinamika. Perhatikan penggunaan ganda dari W untuk beban (weight) dan usaha (work); konteks permasalahan dan satuan-satuan yang digunakan akan menjernihkan kuantitas mana yang dimaksud.

Tabel 1. Hubungan Satuan SI dengan Satuan Inggris

Kuantitas	Simbol	Satuan SI	Satuan Inssris	Untuk Mengubah dari Satuan Inggris ke SI kalikan dengan
Panjang	L	m	ft	0,3048
Massa	m	kg	lbm	0,4536
Waktu	t	s	sec	0,09290
Luas	A	m2	ft2	.0,02832
Volume	v	m3	ft3	0,3048
Kecepatan	U	m/s	fUsec	0,3048
Percepatan	a	m/s2	fUsec2	4,448
Kecepatan sudut	a	rad/s	_l	t6,02
Gaya, Berat	F,W	N	sec -	157,t
Densitas	p	kg/m3	lbf	0,04788
Berat spesifik	t9	N/m3	lbrrvft3	1,356
Tekanan, Tegangan	P,t	kPa	tbf/ft3	1055
Usaha, Energi	W,E;U	J	lbflft2	1,356
Perpindahan kalor	o	J	ft-lbf	1055
Tenaga	w	w	Btu	0,4536
Fluks kalor	o	W atau	ft-lbf/sec	0,02832
Fluks massa	til	kg/s	Btu/sec	4,t8'7
Laju aliran	n	m3/s	lbm/sec	2,326
Kalor spesifik	C	kJ/kg'K	ft3lsec	4,187
Entalpi spesifik	h	kJ/kg	Btu/lbm-'R	0.06242
Entropi spesifik	s	kJlkg'K	Btu/lbm
Volume spesifik		m3lks	Btu/lbm-"R	-

Dalam menggunakan satuan-satuan SI dalam suatu kuantitas, huruf-huruf tertentu dapat digunakan sebagai awalan-awalan yang melambangkan perkalian dengan pangkat 10 untuk lebih jelasnya lihat Tabel l-2 berikut.

Tabel 2. Satuan dengan Kelipatan (desimal)

Faktor Pengali	Awalan	Simbol
10^12	tera	T
10^9	giga	G
10^6	mega	M
10^3	kilo	k
10^-2	centi*	cm
10^-3	mili	m
10^-6	mikro	μ
10^-9	nano	n
10^-12	piko	p

* Tidak disarankan kecuali dalam cm, cm2 atau cml

Satuan-satuan dari berbagai kuantitas dihubungkan satu sama lain oleh hukum-hukum fisika yang mengatur kuantitas-kuantitas tersebut. Dengan demikian, dalam kedua sistem satuan tersebut, semua satuan dapat dinyatakan dengan kombinasi-kombinasi aljabar dari suatu set satuan-satuan dasar tertentu. Terdapat tujuh satuan dasar dalam sistem SI: m, kg, s, K, mol, A (ampere), cd (candela). Dua yang terakhir jarang dijumpai dalam termodinamika teknik.

Contoh Soal 1:

Hukum kedua Newton, F =.ma yang menghubungkan antara gaya netto yang beraksi pada suaru benda dengan massa dan percepatannya. Jika suatu gaya sebesar satu newton mcmberikan percepatan pada suatu massa seberal saru kilogram dengan nilai sebesar satu m/s²  atau. suatu gaya sebesar satu lbf memberikani percepatan pada suatu massa seberat 32,2 lbm (1 slug) dengan nilai sebesar satu ft/s², bagaimanakah satuan-satuannya saling berhubungan? 

Penyelesaian: 

Satuan-satuannya saling berhubungan sebagai berikut:

I N= l kg'm/s² atau

  1 lbf = 32.2 lbm'ft/sec²

Contoh Soal 2:

Berat adalah gaya gravitasi: menurut hukum kedua Newton. W = mg. Bagaimanakah berar benrbah dengan ketinggian? 

Penyelesaian: 

Karena massa tetap konstan. variasi W terhadap ketinggian disebabkan oleh perubahan-perubahan dalam percepatan gravitasi g (dari sekitar 9,77 m/s² di puncak gunung tertinggi hingga ke 9,83 m/s²  di dasar lautan yang paling dalam sekalipun. Kita akan menggunakan nilai standar 9,81 m/s²  (32,2 ft/s² ), kecuali jika dinyatakan yang lainnya. 

Contoh Soal 3:

Ekspresikan atau nyatakanlah satuan energi J (Joule) dalam satuan-satuan dasar SI: massa, panjang dan waktu. 

Penyelesaian: 

Ingat kembali bahwa energi atau usaha adalah gaya dikali jarak. Jadi. menurut  Contoh Soal nomor 1 di atas, satuan energi J (Joule) adalah:

1 J = (l N) (1 m) = (1 kg.m/s² ) (1 m) = I kg.m²/s²

Dalam sistem Inggris baik lbf maupun lbm dua-duanya merupakan satuan-satuan dasar. Seperti ditunjukkan dalam Tabel l. Diman satuan energi utama adalah ft-lbf. Dengan melihat kembali pada  Contoh soal nomor 2 di atas didapat bahwa:

1 ft-lbf = 32,2 lbm-ft²/s² = I slug-ft2/s²

B. DENSITAS, VOLUME SPESIFIK, BERAT SPESIFIK

Densitas adalah massa per satuan volume dan  volume spesilik adalah volume per satuan massa. Sehingga dengan demikian dapat dinyatakan dalam persamaan,

Berkaitan dengan densitas (massa) adalah densitas berat atau berat spesifik w:

dengan satuan N/m³ (lbf/ft³). [Perhatikan bahwa w adalah spesifik terhadap volume, bukan terhadap massa.] Berat spesifik berhubungan dengan densitas melalui w = mg sebagai berikut:

Untuk air, nilai-nilai nominal dari p dan w berturut-turut adalah 1000 kg/m³ (62,4 lbm/ft³) dan 9810 N/m³ (62,4 bfl/ft³). Untuk udara di permukaan laut nilai-nilai nominalnya adalah l,2l kg/m³ (0,0755 lbm/ft³) dan 11,86 N/m³ (0,0755 lbf/ft³).

Contoh Soal 4:

Massa udara dalam suatu ruangan 3 x 5 x 20 m diketahui sebesar 350 kg. tntukaulah densitas, volume spesifik dan berat spesifiknya.

Penyelesaian: