konsep dasar termodinamika

"KONSEP DASAR TERMODINAMIKA"
           

1.  Pendahuluan
          Pelajaran termodinamika adalah ilmu yang membahas hubungan (pertukaran) antara panas dan kerja. Hubungan ini didasarkan pada dua hukum-hukum dasar termodinamika, yaitu hukum termodinamika pertama dan hukum termodinamika kedua. Kedua hukum dasar tersebut akan dibahas pada bab selanjutnya. Pengetahuan dasar termodinamika mutlak perlu dipahami dan dipelajari dalam bidang teknologi proses atau industri seperti industri pengolahan minyak dan gas, industi pupuk, pabrik semen, pabrik kertas dan lain-lain. Industri kimia ini memiliki proses yang menggunakan reaktor (reformer), alat pemisah (saparator), motor-motor bakar (turbin), alat pengalir fluida (pompa dan kompresor) dan penukar kalor (heat exchanger). Semua peralatan tersebut menangani benda (gas dan cair) juga menggunakan energi. Aliran panas dan kesetimbangan reaksi kimia juga tidak terlepas dari prinsip-prinsip termodinamika.

2.   Tujuan Instruksional Khusus
            Setelah mempelajari bagian ini, mahasiswa diharapkan mampu:
·      Menjelaskan tentang pengertian dan konsep dasar serta definisi dalam termodinamika
·      Menjelaskan Satuan dalam termodinamika

 3.  Konsep Dasar Termodinamika
            Benda adalah sesuatu  yang memiliki massa dan sifat makroskopik. Sifat makroskopik tersebut dapat diukur langsung, misalnya: temperatur, tekanan dan volume. Juga dapat diukur secara tidak langsung misalnya: kandungan energi. Sifat makroskopik tersebut dapat digunakan untuk menyatakan keadaan benda tersebut berwujud gas, uap, uap jenuh, cair, cairan jenuh atau padat.
            Energi adalah kemampuan yang dimiliki oleh benda untuk mendapatkan perubahan. Bentuk energi bermacam-macam antara lain: energi kinetik, energi potensial, energi dalam, panas, kerja, dan lain sebagainya. Energi yang hanya ada bila benda sedang mengalami perubahan, misalnya panas. Panas atau kalor hanya ada bila benda sedang berubah fasa atau berubah temperatur.
            Bila sifat-sifat benda tersebut dapat diketahui dengan baik, maka dapat diketahui besarnya perubahan kandungan energi dengan efesien untuk merubah keadaan suatu benda. Bagaimanapun juga kehidupan manusia tidak lepas dari penggunaan benda atau energi.
            Termodinamika merupakan suatu ilmu yang mempelajari perubahan energi yang dikandung oleh suatu benda akibat adanya perubahan sifat makroskopik (perubahan fisik atau perubahan akibat reaksi kimia). Termodinamika hanya memberi gambaran berapa besarnya perubahan energi serta arah perpindahan energi akibat perubahan-perubahan sifat benda. Perpindahan energi tersebut apakah keluar benda atau menuju benda. Tetapi kecepatan dan mekanisme perpindahan energi yang menyatakan sukar tidaknya energi tersebut berpindah tidak dibahas dalam termodinamika.
            Dalam termodinamika perubahan energi benda dibatasi oleh dua hukum pokok. Kedua hukum pokok tersebut dibuat atas dasar pengamatan kejadian alam secara terus menerus untuk setiap benda sehingga kedua hukum pokok ini bisa diterima oleh semua orang. Kedua hal yang mendasari hukum pokok tersebut adalah:
  1. Bahwa energi itu sifatnya kekal, artinya energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan, tetapi dapat berubah bentuk dari bentuk energi yang satu menjadi bentuk energi yang lain, selain itu dapat berpindah-pindah dari benda yang satu ke benda yang lain. Pernyataan ini disebut dengan hukum pertama termodinamika
  2. Hasil pengamatan menunjukan bahwa, kerja (salah satu bentuk energi)
  3. dapat dirubah seluruhnya menjadi kalor (salah satu bentuk energi), tetapi kalor tidak dapat dirubah seluruhnya menjadi kerja. Hal ini menunjukan bahwa dalam perubahan bentuk energi ada yang membatasi. Pernyataan ini dinyatakan dalam hukum kedua termodinamika.
               Dari kedua pernyataan tersebut, kemudian dikembangkan dalam formulasi matematik sehingga dapat digunakan untuk meramalkan besarnya perubahan suatu energi suatu benda bila benda tersebut berubah keadaannya. Demikian juga sebaliknya.
           Sebelum membahas kaitan antara energi dan perubahan benda, terlebih dahulu dibahas sifat-sifat makroskopik yang dimiliki oleh benda antara lain, tekanan, temperatur, volum, kandungan energi dan lainnya. Bahasan termodinamika diawali dengan difinisi-difinisi  yang akan digunakan, kemudian dibahas pengertian kedua pokok termodinamika dan bagaimana bentuknya dalam formulasi matematis, sehingga dengan mudah dapat digunakan untuk analisis suatu masalah.

 3.1  Pengertian Termodinamika
            Sesuai dengan asal kata termo dan dinamika, maka pada mulanya termodinamika merupakan ilmu yang mempelajari tentang perubahan (konversi) panas menjadi gerak atau kerja mekanis. Hal ini, bertujuan untuk menunjang penelitian terhadap peralatan yang menyebabkan timbulnya revolusi industri. Peralatan yang dimaksud adalah mesin uap yang ditemukan oleh James Watt (1736-1819).
           Dalam termodinamika, tokoh-tokoh yang banyak berjasa adalah Josep Black, J.J Thompson, J.P Joule dan lain-lain. Apa yang telah mereka  lakukan dan variable-variabel  yang menjadi dasar untuk termodinamika berikut ini adalah:     
a.         Josep Black
        Josep Black, hidup pada tahun 1728-1799, mengadakan penelitian tentang perpindahan panas dari suatu materi ke materi lain yang berbeda. Black menyatakan bahwa panas selalu berpindah dari suhu tinggi ke suhu yang lebih rendah dan perpindahan panas akan berhenti jika suhu kedua materi tersebut sama, walaupun kemampuan materi satu dengan yang lain berbeda dalam menampung panas. Dari hasil penelitiannya, Black dapat membedakan antara suhu dan panas. Selain itu, dapat disimpulkan bahwa setiap materi mempunyai kapasitas panas tersendiri.
b.         J. J. Thompson
       Penelitian yang dilakukannya bermula saat melakukan pengeboran logam untuk meriam. Karena dua logam bergesekan secara terus menerus maka timbul panas. Thompson berkesimpulan, selain panas dapat menghasilkan kerja, kerja juga dapat menghasilkan panas. Dengan demikian, maka sebenarnya terdapat persamaan karakteristik antara panas dan kerja.
c.          James P. Joule
      Joule hidup pada tahun 1818-819, dalam penelitiannya Joule menggunakan sejumlah air yang dalam sebuah gelas. Suhu air tersebut diukur secara teliti dengan termometer. Kemudian, ke dalam air tersebut dirangkaikan sebuah pengaduk yang digerakkan secara mekanis. Gerakan mekanis tersebut ditimbulkan oleh adanya benda jatuh.  Dengan demikian, saat benda jatuh maka gerakan ini diteruskan ke pengaduk melalui rangkaian mekanis. Pengaduk berputar dan suhu air meningkat. Pada akhir perhitungan dari data yang diperoleh, Joule menemukan bahwa energi benda jatuh (bergerak) sebanyak 4.18 Nm (Newton meter) dapat meningkatkan suhu satu gram air sebesar 1 ° C.
      Untuk dapat mengungkap fenomena tentang panas dan kerja dilakukan secara intensif di Eropa. Mayer, Helmholtz dan Rudolf Clausius di Jerman, Colding di Denmark serta William Thomson di Inggris berhasil memahami dan meletakan dasar termodinamika modern yang menganggap bahwa sebenarnya panas dan kerja merupakan salah satu bentuk energi.
     Dengan anggapan tersebut, maka pengertian tentang termodinamika menjadi lebih luas. Definisi termodinamika saat ini adalah ilmu yang membahas masalah perubahan bentuk (transformasi) energi berikut faktor-faktor yang mempengaruhinya.

3.2  Satuan dasar dalam termodinamika
          Pada dasarnya, materi yang dibahas dalam termodinamika merupakan pengembangan lebih lanjut dari materi kimia fisika. Terutama mengenai energi. Dalam mempelajari termodinamika, perlu dipahami terlebih terlebih dahulu besaran dan satuan.
          Dalam termodinamika besaran sistem dibagi dua, yaitu besaran extensive dan intensive. Besaran extensive dipengaruhi oleh massa atau mol sistem, sedangkan besaran intensive tidak dipengaruhi oleh massa atau mol sistem, sebagai contoh:
-          Besaran extensive : volume, kapasitas panas, kerja (energi), entropi, density (kerapatan), dll
-          Besaran intensive : tekanan, temperatur, dll
       Dari besaran-besaran extensive akan diperoleh harga-harga jenis (specific value) dan harga-harga jenis molar (molal specific value) dari suatu sistem, sebagai berikut:
¨      Harga jenis (specific value) adalah perbandingan antara besaran extensive dengan massa sistem/zat.
Harga jenis         =   Besaran extensive/massa sistem
(specific value)
Contoh:  Volume jenis dari sistem adalah:
      v  =  V/m        (m3/kgm; ft3/lbm)
dimana :      V  = volume sebenarnya (m3 ;  ft3)
                  m  =  massa sistem  (kgm ;  lbm
¨      Harga jenis molar (molal specific value) adalah perbandingan antara besaran extensive dengan jumlah mol dari suatu sistem atau zat.
Harga jenis  molar       =   Besaran extensive/Jumlah mole sistem
(molal specific value)
Contoh:  Volume jenis molar dari sistem adalah:
                  v*  =  V/n        (m3/kgm-mol; ft3/lbm-mol)
dimana :    n =  jumlah mol sistem ( kg-mol  ;  lbm-mol
¨      Harga jenis molar (molal specific value) adalah hasil ganda berat molekul sistem dengan harga jenis sistem/zat untuk besaran yang sama.
Contoh:
 n  =  m/M     M  =  berat molekul sistem  (kgm/kgm-mole; lbm/lbm-mole)
            maka dapat ditulis:

                                     V = v/m  

Untuk density (kerapatan) suatu sistem/zat dapat dibuat hubungan sbb:
            r   = m/V   = 1/v    (kgm/m3;  lbm/ft3)  atau
            v* =  M/r

Contoh soal 1.1
Suatu bejana dengan volume 17 ft3 berisi oksigen dengan massa 10 lbm, tentukan volume jenis, volume jenis molar, jumlah mol, dan density oksigen dalam bejana tersebut.
Penyelesaian:
Dik:
V     = 17 ft3
 BM = 32 lbm/lbm-mole)
m     =  10 lbm
Dit:
-          Volume jenis
-          Volume jenis molar
-          Jumlah mol
-          Density oksigen


Jawab:
- Volume jenis oksigen:  v  =  V/m
                                        =  17/10  ft3/lbm
                                        =    1,7 ft3/lbm
- Volume jenis molar oksigen:  v*  =  BM.v  
                                                   =  32 lbm/lbm-mole x 1,7 ft3/lbm
                                                   =  54,4 ft3/ lbm-mole
-  Jumlah mole oksigen:  n  =  m/BM
                                         =  10 lbm/(32 lbm/lbm-mole)
                                         =  0,32 lbm-mole
-  density oksigen:   r  =  1/v = m/V
                                  =  1/(1,7 ft3/lbm)
                                  =   0,586 lbm/ft3.

4.  Satuan dasar dalam termodinamika
            Dalam termodinamika besaran sistem dibagi dua, yaitu besaran extensive dan intensive. Besaran extensive dipengaruhi oleh massa atau mol sistem, sedangkan besaran intensive tidak dipengaruhi oleh massa atau mol sistem, sebagai contoh:
-          Besaran extensive : volume, kapasitas panas, kerja (energi), entropi, dll
-          Besaran intensive :  tekanan, temperatur, density (kerapatan), dll
Besaran intensive dapat dibedakan dalam dua kelompok yaitu:
1.      besaran dasar
2.      besaran yang diturunkan
Besaran dasar dalam termodinamika yang penting adalah:
1.      waktu
2.      panjang
3.      massa
4.      gaya
5.      temperatur
            Besaran satuan dapat digunakan untuk menyatakan besarnya harga besaran-besaran tersebut. Namun demikian, jenis satuan yang paling sering digunakan dalam termodinamika adalah:
1.      satuan sistem Inggris (British unit)
2.      satuan sistem cgs (centimeter gram second) mks
3.      satuan sistem internasional (SI)
            Satuan SI merupakan satuan yang disepakati untuk digunakan secara Internasional. Namun demikian satuan sistem Inggris hingga saat ini masih banyak digunakan dalam praktek keteknikan.
           Satuan SI merupakan adaptasi dari sistem mks (meter kilogram second) yang banyak digunakan dalam praktek keteknikan di Eropa daratan, sedangkan sistem cgs lebih banyak digunakan oleh kalangan ilmuwan. Satuan SI dan sistem Inggris untuk besaran dasar yang digunakan dalam termodinamika dapat dilihat pada Tabel 1.1.
           Selain besaran dasar tersebut di atas, juga digunakan besaran yang diturunkan. Besaran yang diturunkan adalah gabungan dari besaran dasar yang didefinisikan. Misalnya luas adalah perkalian antara panjang dan panjang, kecepatan adalah panjang persatuan waktu. Tekanan didefinisikan sebagai gaya persatuan luas bidang yang tegak lurus dimana gaya tersebut bekerja, sehingga satuan tekanan adalah satuan gaya dibagi satuan panjang berpangkat dua.

       Tabel 1.1  Satuan Besaran Dasar Termodinamika

Satuan besaran yang diturunkan yang sering digunakan dalam termodinamika dapat dilihat pada Tabel 1.2.

         Tabel 1.2  Satuan Besaran yang Diturunkan


             Dalam termodinamika satuan-satuan dasar yang sering digunakan antara lain, adalah :

  • Gaya
  • Tekanan atau pressure (P)
  • Suhu atau temperatur (T)
  • Volum (V)
  • Panas (Q)
  • Kerja atau work (W).

4.1           Gaya
          Menurut Newton, gaya (F) didefinisikan sebagai hasil kali antara massa (m) dan percepatan (a), secara matematis ditulis:
            F  =  m . a                                                                              
Definisi gaya dalam satuan SI berbeda dengan satuan sistem Inggris. Dalam SI satuan gaya  Newton (N), ditetapkan dengan difinisi bahwa gaya sebesar 1 N adalah besarnya gaya yang bekerja pada benda bermassa satu satuan massa (1 kg)  yang mengalami percepatan sebesar 1 m/s2, dengan demikian:
            1 N = 1 kg x 1 m/s2     = kg m/s2         dyne  =   gr cm/s2
Dalam sistem Inggris, satuan gaya (lbf) ditetapkan bahwa gaya sebesar 1 lbf adalah besarnya gaya yang bekerja pada benda  yang memiliki massa satu satuan massa (1 lbm) yang mengalami percepatan yang sama besarnya dengan gaya gravitasi bumi di permukaan laut. Besarnya percepatan gravitasi bumi dipermukaan air laut adalah 32,17 ft/s2. Sehingga secara matematis perkalian antara massa dan percepatan yang didefinisikan harus diberi faktor konvesi, dengan demikian:

1 lbf = 1lbm x 32,17 ft/s2
             32,17 lbm/lbf.s2
       
Suku terakhir di ruas kanan adalah pembagian oleh suatu faktor konversi sehingga hasil kali ruas kanan harganya sama dengan harga ruas kiri. Harga 32,17 lbm.ft/ lbf.s2 diberi simbol  khusus gc, maka
            gc  =   32,17 lbm.ft/lbf.s2                                                                      
dimana dalam sistem britis harga gc ditunjukan oleh persamaan di atas, sedangkan dalam SI harga gc sama dengan 1 dan tidak memiliki satuan. Dari dua cara pendifinisian yang berbeda, maka secara matematis gaya F ditulis dalam bentuk:

f = m.a / gc

4.2        Tekanan
        Tekanan merupakan arti kata bahasa Inggris pressure, disingkat P. Beberapa sistem menggunakan konsep yang berbeda dalam menentukan satuan tekanan. Sistem satuan Inggris (British Unit) menyatakan tekanan dalam satuan psi, singkatan dari pounds per square inch, yang berarti satu psi sama dengan satu pund gaya setiap satu inch persegi. Meskipun satuan ini dinilai kurang praktis, namun karena sudah digunakan dalam waktu yang cukup lama, maka keberadaannya tetap dipakai sampai sekarang terutama kalangan industri di Inggris dan Amerika Serikat.
          Satuan tekanan lainnya yang sering digunakan di bidang teknik adalah atmosfer (atm).  Satuan ini digunakan dengan mengacu kepada tekanan udara rata rata diatas permukaan air laut. Karena tidak terdapat patokan khusus tentang dimensi satuan ini, maka perlu dikonversi ke satuan lain yang lebih kuat.
Satuan tekanan yang mempunyai dimensi pasti diantaranya adalah :
  • mm Hg (torr) dan cm Hg.
  • Pascal (Pa)
  • Bar.
Tekanan absolut/mutlak adalah tekanan yang dimulai dari nol atmosfir. Tekanan gauge (pengukuran) adalah tekanan dengan referensi satu atmosfir sebagai titik nol-nya.
Jika; 0  P < 1 atmosfir, maka P disebut tekanan vakum. Gambar 1.1 dapat lebih menjelaskan tentang tekanan gauge dan tekanan absolut/mutlak.

              Gambar 1.1  Skala tekanan mutlak/absolut dan tekanan gauge    
                                                                             


Contoh Soal 1.2
Berapa atmosfer tekanan di puncak gunung A, jika tinggi air raksa dalam kolom di puncak gunung tersebut adalah 720 mm.

Penyelesaian:
Tekanan di puncak gunung A  = (720 mm x 1 atm/760 mm)  = 0,947 atm < 1 atm
Satuan tekanan berikutnya adalah pascal (Pa). Satu pascal adalah sama dengan tekanan yang terjadi jika gaya normal sebesar satu newton (N) bekerja pada bidang seluas satu meter persegi. Jadi, 1 Pa = 1 N/m2.
         Dari percobaan dan penilaian yang pernah dilakukan ternyata terdapat kesataraan pada satuan-satuan tekanan tersebut. Satu atmosfer setara dengan dengan 101.300 Pa. Dengan alasan untuk menyederhanakan penyebutan angka maka satu atmosfer  setara dengan 1,013 bar. Dengan demikian, kesetaraan pada satuan tekanan adalah
1 atm = 760 mmHg = 76 cm Hg = 101 x 300 Pa = 1,013 bar
1 bar = 105 Pa.
          Berdasarkan  dimensi dasarnya, satuan tekanan yang digunakan dalam Sitem Inggris dapat dikonversikan ke dalam satuan tekanan Sistem Internasonal (SI) atau sebaliknya. Jadi, dalam melakukan konversi satuan harus dilihat terlebih dahulu defenisinya. Seperti tersebut diatas, satuan tekanan psi adalah tekanan yang terjadi akibat gaya normal sebesar satu pound yang bekerja pada bidang seluas satu inci persegi. Satu pascal adalah akibat gaya normal sebesar satu Newton yang bekerja pada bidang seluas satu meter persegi.
          Gaya satu Pound (1 lbf) setara dengan 4,448220 newton, sedangkan panjang satu inch adalah sama dengan 0,0254005 meter. Dengan demikian, konversi satuan tekanan dari Pa ke psi. 1 Pa =   1/6894,727  atau 1 Pa   = 1,450383706  X 10-4 psi.


          Dari pernyataan sebelumnya, diketahui bahwa satu atmosfer sama dengan 1,013 bar. Dengan demikian, konversi satuan dari atm. ke psi dan sebaliknya adalah :
                                          1 atm         =    1,013 bar
1 atm         =    14,7 psi  atau
1 psi           =    0,06806 atm.
          Bila permukaan suatu zat (padat, cair dan gas) menerima gaya-gaya luar, maka bagian permukaan zat yang menerima gaya tegak lurus akan mengalami tekanan (tertekan). Gaya tegak lurus pada permukaan tersebut disebut tekanan. Tekanan didefinisikan sebagai gaya normal persatuan luas.
                                                      
            P   =  F/A             (kg/m2, lb/ft2,, psi=lb/in2)

Jika tekanan pada kolom air statik (tidak bergerak), maka tekanan statik adalah:
            P  =  rgh  +  Po
Dimana: P  =  tekanan
          F  =  gaya
         A  =  luas
          r    =  densitas fluida
                   g  =  percepatan gravitasi
                  h  =  tinggi kolom fluida
                                                              Po =  tekanan pada bagian atas fluida (tekanan udara luar)
Dalam termodinamika tekanan P dinyatakan dengan skala  absolut (tekanan absolut) dan relatif atau tekanan pengukuran (tekanan gauge), Pembacaan tekanan absolut tergantung pada tekanan pengukuran sistem dan tekanan udara luar (tekanan barometrik), jadi:
a. bila tekanan pengukuran (sistem di atas tekanan atmosfir, maka
Tekanan absolut  =  Tekanan gauge  +  Tekanan barometik
            P abs  =  Pgauge  +  Patm
b. bila tekanan pengukuran (tekanan gauge) sistem di bawah tekanan atmosfir,  maka:
Tekanan absolut  = Tekanan barometik  -  Tekanan gauge
Pabs  =  Patm – Pgauge


Atmosferik standar didefinisikan sebagai tekanan dalam gravitasi standar ekivalen dengan 1 atm atau 760 mm Hg pada 00C atau nilai ekivalen lainnya, sedangkan tekanan atmosfirik tidak tetap dan harus diperoleh dari barometer. Atmosferik standar sama dengan:
1 atm = 14,7  psia   =  33,91  ft H2O  =  29,92  in Hg  =  33,91 ft Hg = 760 mm Hg
          =  1,013x105   Pascal (Pa) atau N/m2 atau 101,3 kPa  
          =  10332 kg/m2  =  1,01324 x 106 dyne/cm2                           
Dalam praktek satuan yang digunakan berbeda dengan yang ditampilkan dalam Tabel 1.2 di atas. Misalnya, tekanan dinyatakan dalam lbf/in2 atau psi (pound per square inch) atau dalam kgf/cm2. Hal ini dilakukan untuk memperoleh angka yang praktis. Misalnya tekanan suatu bejana adalah 28 psi. Bila dinyatakan dalam lbf/ft2 harganya sama dengan 4032. Oleh karenanya lebih mudah menyebut angka 28 dari pada 4032, sehingga dalam praktek lebih sering digunakan satuan tekanan dalam psi atau kgf/cm2 dari pada N/m2 atau Pa. Untuk mengubah dari satuan ke satuan lain, misalnya dari psi menjadi N/m2, maka dapat dilakukan dengan menggunakan bantuan konversi satuan.

Contoh Soal 1.3
Suatu tekanan pengukuran menunjukan suatu vacum dari 10 psig, jika tekanan atmosfir pada 25 in Hg. Tentukan tekanan absolut dalam psia.
Penyelesaian:
     Dik:
     P gauge =   10 psig
     P atm     =   25 in Hg
     Dit:  P absolute
     Jawab:
        * Tekanan atmosfir, P atm  = 14,7 psi   x 29,92 in Hg
                                                 25 in Hg         
                                                                 =  12,28 psi

        * Tekanan absolut, Pabs  =  Patm – P gauge
                                                  =  (12,28 – 10) Psia
                                                  =  2,28 Psia

Contoh Soal 1.4
Udara mengalir melalui pipa di bawah aliran udara (draft) sebesar 5 cm H2O. Barometer menunjukan bahwa tekanan atmosfir adalah 750 mm Hg. Berapakah tekanan absolut  gas dalam inchi mercuri (inHg)
Penyelesaian:
     Dik:  P vakum  =  5 cm H20
              P atm       =  750 mm Hg
      Dit:  P abs
      Jawab:      
Tekanan atmosfir, P atm  =  29,92 in Hg   x 760 mm Hg
                                             750 mm Hg        
                                                        =  29,52 in Hg
Karena pembacaan 5 cm H2O aliran udara (draft) di bawah atmosferik, maka tekanan absolut, 
                   =  5 cm H2O x  1 in          x 1ft    x 29,92 in Hg  
                                             2,45 cm x 12 in x 33,91ft H2O
                  =  0,15 in Hg

            Sehingga tekanan absolut, Pabs  =   Patm  -  Pgauge

                                          =   (29,52  -  0,15) in Hg

                            =   29,37 in Hg 

Contoh Soal  1.5

Pembacaan sebuah manometer merkuri pada 298,15 K (25 0C) salah satu ujungnya terbuka. Kecepatan gravitasi adalah  9,832 m S-2. Tekanan atmosfir 101,78 kPa. Berapakah tekanan absolut dalam in kPa? Density merkuri pada 298,15 K (25 0C) adalah 13,534 gr/cm-3

Dik:     h  = 56.38 cm =  0.5638 m

            g=  9.832 m s-2     

            P= 101.78 kPa

           Ρ    = 13.534 g cm-3 = 13534 kg m-3    

Penyelesaian:

P absoulute = P0 + ρgh     = 101.78 kPa + (13534 kg m-3  )(9.832 m s-2   )(0.5638 m)

                            = 101.78 kPa + 75022.77317 Pa

                            = 101.78 kPa + 75.02277317 kPa
                            = 176.8027732 kPa

4.3   Temperatur
Suhu adalah harga relatif untuk menyatakan derajat panas/dinginnya suatu materi/zat. Skala suhu yang sering digunakan adalah Celcius dan Kelvin (SI), Fahrenheit dan Rankine (British) seperti diperlihatkan pada Gambar 2.2. Suhu atau temperatur adalah besaran yang menunjukan tingkat panas benda. Pada dasarnya benda bersuhu tinggi relatif lebih panas atau lebih hangat dibandingkan benda bersuhu lebih rendah. Dalam termodinamika terdapat empat skala satuan suhu yang lazim digunakan

             Gambar 2.2  Skala Perbandingan Beberapa Derajat Suhu
Masing-masing skala menggunakan satuan yang berbeda dalam menunjukan suhu benda. Keempat skala tersebut adalah:
  • Celsius (°C)
  • Fahrenheit (°F)
  • Kelvin (K)
  • Rankine (R)
          Skala celsius ditetapkan dengan ketentuan es yang sedang mencair pada tekanan satu atmosfer mempunyai suhu nol, sedangkan air yang sedang mendidih pada tekanan satu atmosfer  mempunyai suhu seratus. Dengan kata lain, pada tekanan satu atmosfer, suhu es yang sedang mencair adalah 0 °C, sedangkan suhu air mendidih adalah 100 °C akan tetapi Fahreinheit menentukan lain. Pada kondisi yang sama seperti di atas, suhu es yang sedang mencair adalah 32 °F dan suhu air mendidih adalah 212 °F.
          Dari keterangan tersebut, maka pada skala celsius mulai dari es yang sedang mencair sampai air yang sedang mendidih dibagi menjadi 100 skala (100 – 0). Fahrenheit membaginya menjadi 180 skala (212 – 32). Dengan demikian perbandingan antara jumlah skala celsius dengan skala fahrenheit adalah lima berbanding sembilan (5/9). Oleh karena itu, suhu yang diukur menggunakan skala celsius dapat diubah (dikonversikan) ke skala fahreinheit atau sebaliknya.
          Konversi satuan dari skala celsius ke skala fahrenheit dapat dilakukan dengan menggunakan rumus :
          T  °C = 9/5 (T) + 32 °F                               
Misalnya, 50 °C jika dikonversikan ke satuan fahrenheit menjadi
50 °C =  9/5 (50) + 32 atau 50 °C = 122 °F
Sebaliknya, satuan suhu pada skala fahrenheit dapat dikonversikan menjadi satuan suhu skala celsius dengan cara :
           T  °F = (T – 32) x  5/9      
Misalnya, suhu 98 °F  =  (98 – 32)  x  5/9  °C    atau  98 °F  =  36.67  °C
            Temperatur titik didih (boiling point) atau titik leleh (melting point) dan titik beku (freezing point) untuk beberapa zat diberikan pada pada tabel 1.2 . 

                                               Tabel 1.2  Temperatur Untuk Beberapa Zat


            Skala kelvin dan rankine merupakan skala absolut, maka pada penulisannya tidak perlu tanda derajat. Hubungan antara keempat skala suhu tersebut dapat dilakukan dengan rumusan berikut :
Konversi satuan suhu dari °C ke K, °F dan R

            N °C          =    (N + 273,15) K

                              =    (N x 9/5 + 32) °F
                                             
                              =    (N x 9/5 +32 + 459,67) R
                                             
            N °F          =    [ (N – 32) X 5/9] °C
                                                          
                              =    [ (N – 32) x  5/9  + 273,15 ] K
                                                          
Konversi satuan suhu dari R ke °F, K dan °C

            N °R          =    (N – 459,67) °F

                              =    (N x 9/5 ) K
                                              
                              =   (N x 9/5 + 273,15) °C
                                             
Konversi satuan suhu dari K ke °C, °F dan R

            N K           =    (N – 273,15) °C

                              =    (N x 9/5) R
                                              
                              =   (N x 9/5 + 459,67) °F


Contoh Soal 1.7

Konversikan suhu-suhu berikut ini.

1.      500 °C ke skala fahrenheit, rankine dan kelvin.
2.      300 °F ke skala celsius, kelvin dan rankine.
Penyelesaian:
1)      1. 500 °C        = 500 x 9/5 + 32  = 932 °F                   
                       = 500 x 9/5 + 32  + 459,67  = 1391,67 R                        
                       = 500 + 273, 15  = 773, 15 K
2)      2. 500 °F      = (300 – 32) x 5/9  = 148,89 °C                
                     = (300 – 32) x 5/9 + 273,15  = 422,04 °C                        
                     = 300 + 459,67  = 759,67 R


sumber :
                   BUKU AJAR TERMODINAMIKA 1

Comments

Popular Posts