Energi Dalam Gas Ideal

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Energi dalam suatu zat dapat didefiniskan sebagai energi kinetik rata-rata yang dimiliki oleh molekul. Secara teori gas yang berada dalam suatu wadah akan selalu bergerak secara acak, saling menumbuk antar molekul, dan juha menumbuk dinding wadah. Gerakan molekul inilah yang menyebabkan adanya tekanan dalam wadah.

Molekul-molekul gas yang berada dalam wadah selalu bergerak ke segala arah. Untuk menyederhanakannya maka ditinjau satu molekul yang bergerak searah sumbu x dengan kecepatan v_x. Molekul ini memiliki massa sehingga memiliki momentum yang kemudian menumbuk dinding wadah dan juga antar molekul. Dalam model gas ideal, tumbukan yang berlangsung terjadi secara lenting sempurna sehingga besar kecepatan setelah tumbukan sama dengan kecepatan sebelum tumbukan dengan arah yang berlawanan atau dapat dituliskan:

Fasa Fluida

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Saat ini terdapat tiga fasa zat yang umum diketahui, yaitu: padat, cair, dan gas. Setiap zat dapat berubah fasa dari satu fasa ke fasa lainnya. Perubaahan fasa biasanya terjadi karena menyerap atau melepaskan energi berupa kalor. Sebagai contoh adalah air, jika air dalam bentuk padat dinamakan es batu. Jika es batu ini dipanaskan (menerima kalor) maka berubah fasanya menjadi air. Kemudian jika terus dipanaskan maka dapat berubah fasanya menjadi gas (uap). Sebaliknya pun begitu, jika uap air didingingkan (melepaskan kalor) maka akan berubah fasanya menjadi cair dan kemudian menjadi padat.

Kalor laten dapat didefiniskan sebagai kalor yang tidak mengubah temperatur suatu benda. Contohnya adalah kalor yang diberikan kepada air bertemperatur 100 ^oC (titik didih) maka temperaturnya tidak berubah. Namun, yang terjadi adalah perubahan fasa dari cair ke gas. Sedangkan kalor sensibel adalah kalor yang menyebabkan perubahan temperatur, contohnya air pada tempertur ruang (27 ^oC) akan naik temperaturnya jika diberikan kalor (dipanaskan).

Dalam termodinamika dikenal istilah temperatur saturasi dan tekanan saturasi. Temperatur saturasi adalah titik temperatur pada tekanan tertentu dimana tidak dapat naik sampai fasanya berubah terlebih dahulu. Dengan kata lain, temperatur saturasi adalah titik didih. Pada tekanan 1 atm (101325 Pa) air memiliki temperatur saturasi 100 ^oC. Ini berarti jika air dalam fasa cair diberikan kalor (dipanaskan) pada tekanan tersebut maka temperaturnya akan berhenti di 100 ^oC sampai berubah menjadi fasa gas. Setelah itu barulah temperaturnya naik lagi. Pada temperatur saturasi terjadi perubahan fasa dari cair ke gas.Dalam kasus ini dapat dikatakan bahwa temperatur saturasi pada tekanan 1 atm adalah 100 ^oC. Sebaliknya dapat dikatakan pulah tekanan saturasi pada 100 ^oC.

Zat dalam keadaan seluruhnya fasa cair pada temperatur saturasi dinamakan cair jenuh (saturasi cair). Hal ini dikarenakan jika zat tersebut menerima kalor sedikit saja maka akan ada bagian dari zat yang menguap sehingga ada zat yang berfasa cair dan ada berfasa gas. Sedangkan jika membuang kalor sedikit saja maka temperaturnya akan turun. Semakin banyak kalor yang diterima maka semakin banyak gas yang terbentuk sehingga akan sampai kondisi dimana semua zat berfasa gas. Pada saat kondisinya adalah fasa gas seluruhnya pada temperatur saturasi dinamakan gas jenuh (saturasi gas).

Suatu zat cair pada suatu tekanan tertentu dengan temperatur dibawah temperatur saturasinya dinamakan kondisi subcooled atau compressed liquid. Kondisi ini juga menunjukkan suatu zat cair pada temperatur tertentu dengan tekanan yang lebih tinggi dari pada tekanan saturasinya. Kemudian, jika ada suatu zat berfasa gas pada tekanan tertentu yang memiliki temperatur lebih tinggi dari pada temperatur saturasinya maka keadaan ini dinamakan kondisi superheated. Kondisi ini juga menunjukkan keadaan suatu zat berfasa gas pada temperatur tertentu dengan tekanan yang lebih rendah dari pada tekanan saturasinya.

Untuk menjelaskan seluruh fasa yang dibahas diatas, maka kasus dibawah ini dapat digunakan untuk memudahkan pengertian istilah-istilah tersebut:

• Sejumlah air (fasa cair) diletakkan di dalam panci yang berada di sebuah ruangan yang bertekanan atmosfir 1 atm dan temperatur 27 ^oC. Kondisi ini dinamakan subcooled liquid atau compressed liquid.
• Kemudian air dalam panci ini dipanaskan pada sebuah kompor sehingga temperaturnya naik. Kalor yang diberikan ke air dinamakan kalor sensibel. Selama dipanaskan temperatur air akan selalu naik sampai pada temperatur 100 ^oC. Pada titik ini kondisi air dinamakan saturasi cair.
• Jika tetap dipanaskan (diberikan kalor) maka temperatur tidak akan naik namun penguapan terjadi. Kalor yang diberikan ini dinamakan kalor laten. Sedikit demi sedikit air mulai menguap sehingga fasa cair berkurang dan akhirnya seluruh air dalam keadaan gas (uap) pada temperatur 100 ^oC. Keadaan ini dinamakan gas jenuh.
• Jika air dalam keadaan gas jenuh ini tetep menerma kalor maka temperaturnya naik kembali. Kalor ini merupakan kalor sensibel. Begitu temperaturnya naik, keadaan air pada kondisi ini dinamakan superheated

Temperatur saturasi berbeda-beda tergantung pada tekanannya. Begitupun sebaliknya tekanan saturasi berbeda-beda tergantung pada temperaturnya. Untuk menganalisis besaran-besaran termodinamika suatu zat biasanya digunakan sebuah tabel atau grafik sifat zat.

Tabel Termodinamika Sifat Zat

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Tabel dan grafik properti/sifat zat fluida adalah salah satu alat yang dapat digunakan untuk mengetahui dan menganalisis proses termodinamika. Tabel dan grafik ini berisi informasi sifat fluida yaitu volume spesifik, energi dalam, entalpi dan entropi. Dalam aplikasinya pun tabel dan grafik sering kali digunakan, sebagai contoh untuk mempelajari sistem termodinamika pembangkit listrik tenaga uap dan sistem refrigerasi kompresi uap.

Sebelum membahas tentang aplikasinya, membaca dan mengerti penggunaan tabel adalah hal yang penting. Untuk memahami cara mebaca tabel sifat fluida maka hal yang pertama harus dilakuakan adalah dengan memiliki tabelnya terlebih dahulu. Untuk tabel sifat air (H20), R134a, dan CO2 dapat dilihat dan didownload di:

Link tabel 1

atau

Link tabel 2

Ada beberapa jenis tabel untuk fluida kerja yang mengalami perubahan fasa dari cair (liquid) ke gas (vapor) antara lain: tabel compressed liquid, saturasi, dan superheated gas.

Gambar 1. (a) Tabel compressed liquid, (b) Tabel saturasi, (c) Tabel superheated gas

Gambar 1 merupakan contoh dari tabel dari ketiga fasa fluida. Beberapa informasi dapat dicari dengan menggunakan tabel ini. Contoh: Berapakah volume spesifik air pada saat memiliki tekanan 5 Mpa dengan temperatur 40 ^oC?

Air pada keadaan tersebut dalam fasa compressed liquid. Oleh karena itu tabel tersebut digunakan dan didapatkan bahwa nilai volume spesifiknya adalah 0.001006 m³/kg.

Gambar 2. Mencari informasi dari tabel.

Terkadang informasi yang ingin dicari tidak tertera di dalam tabel. Untuk kasus seperti ini dapat digunakan pendekatan interpolasi. Sebagai contoh: Berapakah entalpi dari air yang memiliki tekanan 5 MPa dan temperatur 50 ^oC?

Interpolasi yang digunakan dengan mencari nilai diantara temperatur yang ada dalam tabel. Nilai 50 ^oC berada di antara temperatur 40 ^oC dan 60 ^oC. Selanjutnya adalah menganggap perubahan nilai sifat zat bersifat linier dalam selang tersebut. Berikut perhitungannya:

Sehingga didapat entalpinya adalah 213.7 kJ/kg

Proses dan Siklus Termodinamika

Dalam termodinamika fluida kerja dapat mengalami proses fisis yang disederhanakan seperti isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatic.

1. Isotermal
   Isotermal adalah proses termodinamika yang terjadi dengan temperatur konstan. Contoh nyata dari proses ini adalah jika sebuah piston mengalami ekspansi secara perlahan sehingga temperatur terjaga konstan.
2. Isobarik
   Proses isobarik adalah proses termodinamika yang berlangsung pada tekanan konstan. Proses ini biasanya digambarkan oleh sistem piston silinder.
3. Isokhorik
   Isokhorik merupakan proses termodinamika yang terjadi pada volume konstan. Biasanya proses ini terjadi pada tanki kaku untuk menyimpan gas bertekanan tinggi. Kerja yang terjadi pada proses isokhorik selalu nol, hal ini dikarenakan tidak adanya perubahan volume. Secara matematis dapat dijabarkan menjadi:
4. Adiabatik
   Adiabatik adalah proses termodinamika yang terjadi pada saat sistem terinsulasi sempurna. Artinya tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem.

Siklus Termodinamika

Siklus termodinamika adalah gabungan dari beberapa proses termodinamika yang dimulai dan berakhir di keadaan yang sama dalam satu siklusnya. Ada dua jenis siklus termodinamika yaitu siklus daya kalor dan pompa kalor. Siklus daya kalor adalah siklus yang melandasi konversi kalor menjadi kerja dalam permesinan seperti mesin Otto, Diesel, dan lain-lain. Sedangkan siklus pompa kalor adalah siklus yang melandasi sistem refrigerasi yang memanfaatkan kerja eksternal menjadi efek pendinginan dan pemanasan.

Perbedaan siklus daya kalor dan pompa kalor dalam diagram Tekanan -Volume dapat dilihat pada gambar 1 dibawah ini.

 Gambar 1. (a) Siklus daya kalor, (b) Siklus pompa kalor

Gambar 1a merupakan contoh dari siklus daya. Siklus dapat dimulai dari titik mana saja karena akan mengalami proses dan berakhir ditempat semula dalam satu siklusnya. Dalam sebuah siklus termodinamika, kerja yang dihasilkan merupakan salah satu tinjauan utama. Untuk menghitung kerja yang dihasilkan ini perlu ditinjau masing-masing proses dalam siklus, Dalam siklus ini terdapat empat proses yaitu:

• Proses a-b yaitu proses isokhorik pada 1 m³ dari tekanan 1 Pa ke tenakan 3 Pa. Dengan menggunakan definisi kerja maka besarnya kerja dalam proses ini adalah nol (0) karena tidak ada perubahan volume.
• Proses b-c yaitu proses isobarik pada tekanan 3 Pa dari volume 1 m³ ke 3 m³. Sehingga besarnya kerja pada siklus ini adalah

• Proses c-d yaitu proses isokhorik pada volume 3 m³ dari tekanan 3 Pa ke 1 kPa. Pada proses ini juga tidak menghasilkan kerja karena tidak ada perubahan volume.
• Proses d-a yaitu proses isobarik pada tekanan 1 kPa dari volume 3 m³ ke 1 m³. Pada proses ini kerja yang dihasilkan adalah:

Dari keempat proses di atas maka dapat dihitung kerja yang dihasilkan dalam satu siklus adalah

Pada siklus ini dihasilkan kerja dalam satu siklusnya adalah 4 Joule. Nilai kerja adalah positf artinya sistem ini melakukan kerja.

Untuk siklus pada gambar 1b merupakan siklus pompa kalor. Jika dihitung dengan cara yang sama maka di dapatkan kerja yang dihasilkan sistem dalam satu siklus yaitu -4 Joule. Nilai negatif berarti sistem menerima kerja dari luar.

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Proses Termodinamika

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Dalam termodinamika fluida kerja dapat mengalami proses fisis yang disederhanakan seperti isotermal, isokhorik, isobarik, dan adiabatic.

1. Isotermal
   Isotermal adalah proses termodinamika yang terjadi dengan temperatur konstan. Contoh nyata dari proses ini adalah jika sebuah piston mengalami ekspansi secara perlahan sehingga temperatur terjaga konstan.
2. Isobarik
   Proses isobarik adalah proses termodinamika yang berlangsung pada tekanan konstan. Proses ini biasanya digambarkan oleh sistem piston silinder.
3. Isokhorik
   Isokhorik merupakan proses termodinamika yang terjadi pada volume konstan. Biasanya proses ini terjadi pada tanki kaku untuk menyimpan gas bertekanan tinggi. Kerja yang terjadi pada proses isokhorik selalu nol, hal ini dikarenakan tidak adanya perubahan volume. Secara matematis dapat dijabarkan menjadi:
4. Adiabatik
   Adiabatik adalah proses termodinamika yang terjadi pada saat sistem terinsulasi sempurna. Artinya tidak ada kalor yang masuk atau keluar dari sistem.

Kalor, Energi dalam, Kerja dan Hukum Termodinamika I

Termodinamika klasik membahas tentang energi kalor dan konversinya menjadi kerja. Persamaan energi dalam termodinamika ini diturunkan dari hukum gerak Newton dan definisi kerja yaitu:

Kalor

Kalor merupakan salah satu bentuk energi yang berkaitan dengan temperatur. Kalor juga mengikuti hukum kekealan energi yaitu energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan tapi dapat dikonversikan ke bentuk energi lain. Dalam termodinamika teknik biasanya membahas tentang perubahan energi kalor menjadi gerak seperti permesinan dengan bahan bakar tertentu. Pada mesin itu terjadi perubahan energi kalor yang berasal dari pembakaran bahan bakar menjadi putaran mesin atau pergerakan piston.

Energi Dalam

Energi dalam pada dasarnya adalah energi kinetik total yang dimiliki molekul zat. Energi dalam sangat tergantung pada temperatur. Untuk gas ideal besarnya energi dalam diturunkan dari konsep ekuipartisi energi sehingga didapat:

Kerja

Kerja didefnisikan sebagai perkalian antara gaya dan perpindahan. Oleh karenanya kerja dapat dituliskan secara matematika sebagai berikut:

Hukum Termodinamika I

Sesuai dengan konsep energi bahwa energi adalah kekal, maka dalam termodinamika juga berlaku hukum ini. Jika ada suatu sistem tertutup kemudian menerima atau melepaskan kalor maka akan terjadi perubahan energi dalam dan terjadi kerja. Hal ini dirumuskan dalam hukum termodinamika I, yaitu:

Tinjauan dalam termodimamika adalah sistem terkait. Jika sistem menerima kalor maka nilai Q bernilai positif sebaliknya jika sistem melepaskan kalor maka Q bernilai negatif. Untuk perubahan energi dalam, nilai ΔU akan bernilai positif jika selam proses mengalami kenaikan suhu begitu pula sebaliknya jika sistem mengalami penurunan suhu maka ΔU bernilai negatif. Kerja W bernilai positif jika sistem melakukan kerja dan negatif jika menerima kerja.

Contoh:

Dalam sebuah sistem piston silinder berisi gas ideal mengalami ekspansi sebesar 30 J. Untuk proses ini memutuhkan kalor sebensar 100 J. Hitunglah berapa perubahan energi dalamnya?

(Tri Ayodha Ajiwiguna)

Kalor Sensibel dan Laten

Oleh: Tri Ayodha Ajiwiguna

Video pembahasan tentang kalor dan temperatur:

Istilah panas dan temperatur sering kali membingungkan dan tertukar, padahal keduanya merupakan hal yang berbeda. Heat dalam bahasa inggris sering kali diterjemahkan sebagai “panas”. Hal ini tidaklah keliru, namun akan membingungkan karena kata Hot juga diterjemahkan sebagai “panas”. Heat dan Hot merupakan hal yang sangat berbeda, oleh karena itu untuk membedakannya maka dalam artikel ini digunakan kata kalor sebagai terjemahan dari kata heat.

Panas dan dingin merupakan kata sifat yang sangat relatif. Contohnya ruangan ber-AC itu dingin. Akan tetapi, jika dibandingkan dengan freezer maka ruangan ber-AC itu panas. Kulit manusia dapat merasakan panas atau dingin sehingga manusia dapat menentukan mana benda-benda yang panas atau dingin. Namun, indera yang yang dimiliki oleh manusa juga sangat relatif, berbeda satu oang dengan yang lainnya. Oleh karenaya dibutuhkan suatu besaran yang dapat dikuantifikasi besarnya, yaitu temperatur.

Temperatur merupakan suatu besaran yang menunjukkan sebarapa panas atau dingin suatu objek. Jika temperatur suatu benda lebih tinggi dibandingkan dengan benda lain, maka benda tersebut dikatakan lebih panas. Alat ukur atau sensor dibutuhkan untuk mengetahui tinggi rendahnya temperatur. Beberapa jenis sensor temperatur yang umum digunakan adalah termoemeter raksa/alkohol, Thermocouple, Termistor, RTD, dll.

Kalor adalah bentuk energi yang dapat berpindah secara alami karena adanya perbedaan temperatur, dari temperatur yang tinggi ke temperatur yang rendah. Suatu benda yang dapat menyerap kalor harus memiliki temperatur yang lebih rendah dibandingkan benda lainnya. Sebaliknya benda yang melepaskan kalor harus memiliki temperatur yang lebih tinggi dibandingkan dengan benda lainnya. Adanya penyerapan dan pelepasan kalor dapat mengakibatkan dua hal, yaitu naik/turunnya temperatur (kalor sensible) atau perubahan fasa (kalor laten). 

Kalor Sensibel dan Kalor Jenis

Secara fisis untuk menaikkan temperatur suatu zat maka dibutuhkan kalor yang besarnya sebanding dengan massanya. Sebagai contoh untuk menaikkan temperatur air yang bermassa 2 kg sebesar 5 ^oC membutuhkan kalor yang lebih besar dibandingkan dengan air yang bermassa 1 kg. Selain itu perubahan temperatur juga sebanding dengan kalor yang dibutuhkan. Dapat dilihat untuk memanaskan air sebesar 10 ^oC dibutuhkan kalor yang lebih besar dibandingkan memanaskan air sebesar 5 ^oC. Selain massa dan perubahan temperatur, kalor yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur juga tergantung dari jenis zatnya. Kalor yang dibutuhkan untuk memanaskan air lebih besar dibandingkan untuk memanaskan alumnium walaupun massa dan perubahan temperaturnya sama. Ini menandakan bahwa setiap zat memiliki nilai suatu besaran lain yang berbeda-beda. Dalam hal ini dinamakan kalor jenis. Besaran ini menunjukkan banyaknya kalor yang dibutuhkan/dilepaskan untuk  menaikkan/menurunkan setaip satu satuan  temperatur dan setiap satu satuan massa. Besaran ini memiliki satuan J/kg^oC. Jika suatu zat memiliki kalor jenis 10 J/kg^oC, artinya untuk menaikkan temperatur 1 kg zat tersebut sebesar 1^oC maka dibutuhkan kalor sebesar 10 Joule.

Gambar 1. Ilustrasi Kalor Sensibel

Air yang berada pada tekanan 1 atm memiliki titik didih sekitar 100 ^oC. Jika air ini memiliki temperatur 27 ^oC kemudian diberikan kalor (dipanaskan), maka temperaturnya akan naik sampai dengan 100 ^oC. Kalor yang diberikan ini disebut sengan kalor sensibel, yaitu kalor yang dapat dirasakan oleh alat ukur temperatur.

Seperti yang disebutkan di atas bahwa kalor merupakan salah satu jenis energi. Oleh karena itu nilai kalor absolut sebuah benda tidak/belum dapat dihitung. Namun, penambahan/pengurangan kalor dari sebuah proses dapat dihitung. Sebagai contoh: kalor yang dimiliki oleh air bertemperatur 27 ^oC atau 100 ^oC adalah tidak diketahui. Namun perbedaan nilai kalor antara dua keadaan tersebut dapat dihitung dengan cara:

Sering kali satuan perubahan temperatur adalah Kelvin, hal ini bukanlah masalah karena perubahan temperatur dalam satuan K dan ^oC adalah sama. Oleh karena itu, satuan dari kalor jenis sering kali ditulis J/kg.K.

Kalor Laten

Ketika air berada di tekanan 1 atm dan 100 ^oC kemudian diberikan kalor, maka temperaturya akan tetap di 100 ^oC. Pada keadaan ini kalor tidak dapat menaikkan temperatur, akibatnya energi yang masuk ke dalam air digunakan untuk merubah fasa zat dari cair ke gas (menguap). Hal yang sama terjadi pada saat es batu yang mencair.

Gambar 2. Ilustrasi lalor laten

Semakin bebas molekul zat bergerak maka energi kalor yang dimiliki semakin besar. Pada zat padat molekulnya sangat teratur pada susunan yang sangat rapat sehingga tingkat energi kalornya rendah. Sedangkan zat cair molekulnya lebih bebas bergerak sehingga energi kalornya lebih besar. Begitu pula zat gas, melekulnya lebih bebas bergerak karena jarak antar molekul sangat besar. Temperatur pada saat terjadi proses perubahan fasa tidak berubah. Kalor yang diberikan/dilepaskan ini disebut dengan kalor laten. Besarnya kalor untuk merubah fasa adalah sebagai berikut: