Konsep, Definisi, dan Prinsip-prinsip Dasar Termodinamika: Pendahuluan dan Sistem Kesetimbangan Termodinamika

Pengantar

Lokomotif fireless (tanpa nyala api) adalah jenis lokomotif dengan mesin uap yang menggunakan tenaga kompresi uap

    Apakah kamu mengetahui atau pernah melihat mesin uap?Mesin uap adalah mesin yang menggunakan energi panas dalam uap air dan mengubahnya menjadi energi mekanis. Mesin uap digunakan dalam pompa, lokomotif dan kapal laut, dan sangat penting dalam Revolusi Industri. Mesin uap merupakan mesin pembakaran eksternal, dengan cairan yang terpisah dari hasil pembakaran. Sumber panas yang dapat digunakan yaitu tenaga surya, tenaga nuklir, atau tenaga panas bumi. Jika uap berkembang melalui piston atau turbin, akan menyebabkan kerja mekanik. 

    Jadi mesin uap ini pertama kali dibuat oleh Hero dari Alexandria, yaitu sebuah prototipe turbin uap primitif yang bekerja menggunakan prisip reaksi. di mana turbin ini terdiri dari sumber kalor, bejana yang diisi dengan air dan pipa tegak yang menyangga bola di mana pada bola terdapat dua nosel uap. Proses kerjanya adalah sebagai berikut, sumber kalor akan memanasi air di dalam bejana sampai air menguap, lalu uap tersebut mengalir melewati pipa tegak tegak ke bola. Uap tersebut terkumpul di dalam bola, kemudian melalui nosel menyembur ke luar, karena semburan tersebut, bola mejadi berputar. Dan itu semua kalor,energi panas,gerak/work merupakan bagain mendasar dari ilmu termodinamika. Termodinamika nyatanya berperan penting dalam perkembangan otomotif dan teknologi lainnya pada masa sekarang ini. Untuk itu kamu calon engineer atau insinyur pemahaman dan kemampuan terhadap ilmu termodinamika adalah bekal penting setelah lulus atau sudah bekerja nanti.

PENDAHULUAN TERMODINAMIKA

    Termodinamika adalah suatu bidang ilmu yang mempelajari penyimpanan, transformasi (perubahan) dan transfer (perpindahan) energi. Energi disimpan sebagai energi internal (yang berkaitan dengan temperatur), energi kinetik (yang disebabkan oleh gerak), energi potensial (yang disebabkan oleh ketinggian) dan energi kimia (yang disebabkan oleh komposisi atau reaksi kimia); ditransformasikan/diubah dari salah satu bentuk energi tadi ke bentuk energi lainnya; dan ditransfer melintasi suatu batas sebagai kalor atau usaha/kerja (work). Dalam termodinamika kita akan mengembangkan persamaan-persamaan matematis yang menghubungkan transformasi dan transfer energi dengan properti-properti bahan seperti temperatur, tekanan,atau entalpi. Oleh karena itu zat-zat dan properti-propertinya menjadi tema sekunder yang sangat penting. Kita akan banyak bergantung pada pengamatan-pengamatan eksperimental yang telah disusun ke dalam pernyataan atau hukum matematis: pertama dan kedua dari termodinamika adalah yang paling sering digunakan.

    Tujuan dari seorang insinyur mempelajari ternodinamika sering kali adalah melakukan analisis atau desain dari suatu sistem berskala besar, mulai dari pendingin udara sampai pembangkit listrik nuklir. Sistem semacam itu dapat diperlakukan sebagai suatu kontinum di mana aktivitas dari molekul-molekul penyusunnya diseragamkan menjadi kuantitas-kuantitas yang terukur seperti tekanan, temperatur, dan.kecepatan. Penyeragaman ini hanya terbatas pada termodinamika teknik atau termodinamika makroskopik. Jika perilaku dari setiap molekul sangat menentukan, harus dipergunakan analisis sesuai dengan menurut termodinamika statistik.

SlSTEM-SISTEM TERMODINAMIKA DAN VOLUME KONTROL

    Sistem termodinamika adalah sejumlah tertentu dari materi yang terkandung dalam suatu permukaan tertutup. Dimana permukaan tersebut biasanya sangat mudah dikenali seperti misalnya dalam sebuah silinder yang menyimpan gas pada Gbr. 1 akan tetapi dapat juga berupa suatu pembatas imajiner seperti batas berubah bentuk yang mengelilingi sejumlah massa tertentu yang mengalir melalui suatu pompa. Dalam Gbr. 1, yang dimaksud dengan sistem adalah gas bertekanan, fluida adalah kerjanya dan yang menjadi batas sistemnya ditunjukkan oleh garis putus-putus.

    Semua materi dan ruang yang berada di luar suatu sistem secara kolektif disebut sebagai lingkungan (surrounding) dari sistem tersebut. Termodinamika berurusan dengan interaksi antara suatu sistem dengan lingkungannya, atau antara suatu sistem dengan sistem lainnya. Suatu sistem berinteraksi dengan lingkungannya melalui transfer energi melewati pembatasnya. Tetapi tidak ada materi yang melintasi pembatas dari suatu sistem. Jika sistem tersebut tidak bertukar energi dengan lingkunganya, sistem tersebut disebut dengan sistem terisolasi. Untuk lebih jelasnya mari kita lihat Gambar 1 berikut.

Gambar 1.Sistem termodinamika

        Dalam banyak kasus, analisis disederhanakan jika fokus perhatiannya adalah suatu volume dalam ruang ke mana, atau dari mana, suatu zat (substance) tersebut akan mengalir. Suatu volume demikian disebut volume kontrol (control volume). Pompa, turbin, balon pemompa (inflating balloon), adalah contoh-contoh dari volume kontrol. Permukaan yang secara penuh mengelilingi volume kontrol disebut suatu permukaan kontrol (control surface). Untuk lebih jelasnya mari perhatikan contoh gambaran sketsanya dalam Gambar. 2 berikut

Gambar 2.Suatu volume kontrol

        

        Jadi dalam suatu masalah tertentu kita harus memilih apakah yang akan dilihat adalah sistem, atau apakah akan lebih berguna jika menggunakan volume kontrol. Jika ada aliran massa melintasi perbatasan daerah yang dimaksud, maka volume kontrol harus dipergunakan; jika tidak, kita mengidentifikasinya sebagai sistem. Kita akan mempelajari analisis dari suatu sistem terlebih dahulu dan melanjutkannya dengan analisis yang menggunakan volume kontrol.

        Materi yang berada dalam suatu sistem dapat berwujud dalam beberapa fase yaitu apakah  sebagai padatan, cairan, atau gas. Fase (phase) adalah suatu kuantitas dari materi yang memiliki komposisi kimiawi yang sama secara menyeluruh. Batas-batas fase memisahkan berbagai fase dalam suatu campuran (mixture). 

        Properti adalah suatu kuantitas yang dipakai untuk mendeskripsikan suatu sistem. Keadaan (state) dari suatu sistem adalah kondisinya yang dideskripsikan dengan cara memberikan nilai-nilai terlentu untuk properti-propertinya pada suatu waktu tertentu. Properti-properti yang umum diberikan biasanya adalah tekanan, temperatur, volume, kecepatan dan posisi; tapi yang lainnya juga kadang-kadang harus diperhatikan. Bentuk menjadi penting pada saat terdapat efek-efek permukaan yang signifikan; warna menjadi penting pada saat kita sedang menyelidiki perpindahan kalor radiasi. 

            Hal yang penting dari suatu properti adalah yaitu properti harus memiliki suatu nilai unik pada saat suatu sistem berada dalam suatu keadaan tertentu, dan nilai ini tidak bergantung pada keadaan-keadaan sebelumnya yang telah dilalui sistem tersebut; artinya, bukan merupakan suatu fungsi jalur. Karena suatu properti tidak bergantung pada jalurnya, setiap perubahan bergantung hanya pada kondisi awal dan akhir dari sistem tersebut. Dengan menggunakan simbol Φ untuk melambangkan properti, persamaan matematisnya adalah

Dimana arti persamaan ini adalah:

dϕ sebagai suatu diferensial eksak;

ϕ2-ϕ1 merepresentasikan perubahan properti seiring dengan berubahnya sistem dari keadaan  I ke keadaan 2.

Properti-properti termodinamika dibagi menjadi dua jenis umum, yaitu intensif dan ekstensif.     Properti intensif adalah properti yang tidak bergantung pada massa dari sistemnya; contohnya adalah temperatur, tekanan, densitas dan kecepatan karena properti-properti ini berlaku untuk seluruh sistem tersebut, atau bagian-bagian dari sistem tersebut. Jika kita menyatukan dua sistem, properti-properti intensifnya tidak dijumlahkan. 

   Sedangkan properti ekstensif adalah properti yang bergantung pada massa dari sistemnya; contohnya adalah volume, momentum dan energi kinetik. Jika dua sistem digabungkan, properti ekstensif dari sistem yang baru adalah penjumlahan dari properti-properti ekstensif dari kedua sistem awalnya. Jika kita membagi suatu properti ekstensif dengan massanya, yang dihasilkan adalah properti spesffik. Jadi volume spesifik didefinisikan sebagai

    Pada persamaan di atas secara umum kita akan menggunakan huruf besar untuk melambangkan properti ekstensif yaitu volume (V) dengan [pengecualian: m untuk massa] dan huruf kecil volume (v) untuk melambangkan properti intensif yang berkaitan.

KESETIMBANGAN TERMODINAMIKA; PROSES-PROSES

    Ketika membicarakan tentang temperatur atau tekanan dari pada suatu sistem, maka kita dapat mengsumsikannya bahwa semua titik dari sistem tersebut memiliki temperatur atau tekanan yang sama, atau pada intinya sama sajalah. Jika properti-properti diasumsikan konstan dari satu titik ke titik lainnya dan jika tidak terdapat kecenderungan berubah dengan waktu, maka dapat terjadi suatu kondisi yang disebut dengan istilah kesetimbangan termodinamika. Jika temperatur dinaikkan secara tiba-tiba di suatu bagian dari batas sistem tersebut, dan apabila diasumsikan terjadi distribusi ulang yang spontan sehingga maka semua bagian dari sistem tersebut akan memiliki temperatur yang sama. 

    Jika suatu sistem mengalami perubahan yang besar dalam properti-propertinya ketika dihadapkan pada suatu gangguan kecil, sistem tersebut dikatakan berada pada kondisi kesetimbangan meiastabil (metastable equlibrium). Contohnya adalah campuran bensin dan udara, atau sebuah mangkok besar yang diletakkan pada sebuah meja kecil. 

    Jika suatu sistem berubah dari suatu kondisi kesetimbangan ke kondisi kesetimbangan lainnya, jalur (path) urutan terjadinya perubahan keadaan yang dilalui oleh sistem tersebut disebut sebagai suatu proses. Jika, pada saat beralih dari satu keadaan ke keadaan lainnya, deviasi kesetimbangannya sangat kecil, prosesnya disebut kuasi-kesetimbangan (quasiequilibrium) dan setiap keadaan dalam proses tersebut dapat dianggap sebagai keadaan kesetimbangan. Banyak proses, seperti misalnya kompresi dan ekspansi gas dalam suatu motor pembakaran internal, dapat diaproksimasikan dengan proses kuasi-kesetimbangan tanpa mengurangi tingkat akurasinya secara signiflkan. 

    Jika suatu sistem melalui proses kuasi-kesetimbangan (seperti misalnya kompresi termodinamik yang lambat pada udara di dalam suatu silinder),ilustrasi proses tersebut dapat digambarkan pada koordinat-koordinat yang tepat dengan menggunakan garis biasa, seperti ditunjukkan dalam Gambar. 3-a. Jika sistem tersebut beralih dari satu keadaan kesetimbangan ke keadaan kesetimbangan lainnya melalui serentetan keadaan non-kesetimbangan (nonequilibrium) maka pada kali ini yang terjadi adalah proses non-kesetimbangan. Dalam Gambar. 3-b kurva putus-putus menunjukkan proses yang dimaksud; antara (V1,P1) dan (V2,P2) properti-properti yang dilewati tidak seragam di seluruh sistem sehingga keadaan dari sistem tersebut tidak terdefinisi dengan baik.

Gambar 3. Sebuah proses kesetimbangan-kesetimbangan termodinamika

Contoh Soal:

 Untuk menentukan apakah suatu proses dapat diperlakukan sebagai kuasi-kesetimbangan atau non-kesetimbangan. harus diperhatikan bagaimana proses tersebut dilakukan. Marilah kita tambahkan beban W pada piston dalam Gambar. 5 berikut ini. Jelaskan bagaimana W dapat ditamtrahkan secara non-kesetimbangan dan secara kedetimbangan. 

Gambar 5. Sebuah piston

Penyelesaian:

 Jika beban tersebut ditambahkan secara tiba-tiba sebagai suatu beban yang besar seperti dalam bagian (a), yang terjadi adalah proses non-kesetimbangan dalam gas, yang merupakan sistem yang dimaksud. Jika kita membagi beban tersebut menjadi sejumlah besar beban yang lebih kecil dan menambahkannya satu per satu, seperti dalam bagian (b), yang terjadi adalah proses kuasi-kesetimbangan