Animasi Penerapan Termodinamika

Gambar Mesin Diesel dan Grafiknya

HUKUM KONSERVASI ENERGI

Tenaga atau energi tak dapat diciptakan dan tak pula dapat dimusnahkan (neither can be created nor be destroyed), sehingga senantiasa dalam kuantitas tetap atau konstan, tapi dapat diubah dari satu bentuk energi ke satu atau lebih lain bentuk energi dalam kuantitas total selalu setara. Panas atau bahang (heat) adalah satu bentuk energi, sehingga dapat mengalami perubahan dari dan ke lain bentuk energi dalam kuatitas setara.

Dalam suatu sistem terisolasi atau tertutup (isolated or closed system), kuantitas energi adalah tetap. Jika ada suatu kuantitas energi dari luar sistem ditambahkan ke atau diserap oleh sistem, maka kuantitas energi ditambahkan atau diserap ini, dengan sendirinya adalah setara dengan perubahan energi internal dan kerja terjadi (work done) dalam sistem. Perubahan dimaksud adalah perubahan bersih energi (net change of energi), terlepas dari keberadaan kuantitas lain energi diluar sistem yang digunakan sehingga memungkinan proses perubahan berlangsung.

CONTOH PERPINDAHAN SECARA KONDUKSI

Konduksi adalah proses perpindahan kalor tanpa disertai perpindahan partikel.

Konduksi adalah hantaran kalor yang tidak disertai dengan perpindahan partikel perantaranya. Pada hantaran kalor ini yang berpindah hanyalah energinya, tanpa melibatkan partikel perantaranya, seperti hantaran kalor pada logam yang dipanaskan dari satu ujung ke ujung lainnya. Saat ujung B dipanaskan, maka ujung A, lama kelamaan akan mengalami pemanasan juga, hal tersebut dikarenakan energi kalor yang menggetarkan molekul-molekul di ujung B turut menggetarkan molekul-molekul yang ada disampingnya hingga mencapai titik A. 

Sedang besar laju aliran kalor dengan konduksi dirumuskan, 

H = laju aliran kalor (J/s atau watt)

Q = kalor yang dipindahkan (joule)

t = waktu (s)

k = konduktivitas termal zat (W/mK)

A = luas penampang melintang (m2)

∆t = perubahan suhu (°C atau K)

l = tebal penghantar (m)

Tabel konduktivitas termal zat

(W/mK)

Bahan	k
Emas	300
Besi	80
Kaca	0.9
Kayu	0.1 – 0.2
Beton	0.9
Air	0.6
Udara	0.024
alumunium	240

Contoh soal:

1. Besi panjangnya 2 meter disambung dengan kuningan yang panjangnya 1 meter, keduanya mempunyai luas penampang yang sama. Apabila suhu pada ujung besi adalah 500ºC dan suhu pada ujung kuningan 350ºC. Bila koefisien konduksi termal kuningan tiga kali koefisien termal besi,hitunglah suhu pada titik sambungan antara besi dan kuningan!

Jawab:

Misalkan suhu pada titik sambungan = T. maka

[k . A ∆T/L)] besi = [k . A ∆T/L)] kuningan

k . A (500 - T) / 2 = 3 k A (T - 350)/ l

T= 2600/7= 371,4ºC

KERJA DALAM TERMODINAMIKA

Kerja didefiniskan sebagai hasil kali faktor intensitas (gaya, tekanan, dan lain-lain) dengan faktor kapasitas. Macam-macam kerja yang sering dipakai dalam termodinamika adalah kerja mekanik, kerja listrik, kerja ekspansi, dan lain-lain.

Pada kerja ekspansi, jika terdapat perubahan volume Δ V dari sistem, maka kerja yang akan dilakukan oleh sistem sama dengan P . Δ V, sehingga dW= P . dV. Pada gas, usaha yang dilakukan oleh gas ketika volume berubah dari volume awal V1 menjadi volume akhir V2 pada tekanan p konstan dinyatakan sebagai hasil kali tekanan dengan perubahan volumenya.

W = p∆V= p(V2 – V1)

 Terjadinya perubahan tenaga secara simultan dalam sistem dan disertai kerja terhadap sekelilingnya tersebut, akan timbul suatu sifat termodinamika yang disebut entalpi dengan notasi H. Hubungan besaran dengan kerja dan energi adalah:

    H  =  E + W   

    H  =  E + PV

    ΔH =  ΔE + Δ(PV)

Jika pada tekanan tetap, maka Δ(PV) sama dengan P.ΔV dan ini merupakan jumlah kerja yang dilakukan terhadap sekeliling oleh perubahan volume (ΔV). Jadi pada tekanan tetap

    

ΔH  =  E + P.ΔV

 atau    ΔE  =  H  - P.ΔV

Substitusi persamaan ΔE  =  q – W ke persamaan tersebut, didapat:

    

ΔH  =  q

Kenaikan entalpi sama dengan panas yang diserap oleh sistem pada P tetap. Berdasarkan hal ini H sering dinyatakan sebagai kandungan panas dari sistem. Jika panas ditambahkan ke dalam sistem pada P tetap, maka sebagian besar dari panasnya akan digunakan untuk menaikkan tenaga dalam sistem tersebut dan sisanya digunakan untuk melakukan kerja terhadap sekitarnya.

Dalam analisis termodinamika, perlu adanya suatu konsep yang disebut reversible (reaksi termodinamika reversible). Walaupun di alam tidak mungkin ada proses yang reversible, tetapi secara teoritis dan praktis artinya cukup penting. Proses reversible adalah proses dimana kerja yang terjadi dilakukan oleh gaya gerak yang hanya berbeda sangat kecil (invinitesimal) terhadap gaya yang melawannya.

Kerja yang dilakukan sistem akan semakin besar bila tekanan luar yang harus dilawannya semakin besar. Kerja maksimum akan dilakukan sistem pada saat tekanan kuar sedikit lebih kecil dari tekanan sistem (tekanan gas). Bila tekanan luar sama dengan tekanan sistem maka tidak akan terjadi pengembangan lagi, apabila tekanan luar lebih besar dari pada tekanan sistem, tentunya sistem tidak akan melakukan kerja, justru akan dikenai kerja (terjadi pemampatan). Jadi untuk proses reversible, dapat disimpulkan sebagai :

1. Proses yang menghasilkan kerja berguna secara maksimal

2. Proses yang setiap saat dapat dikembalikan ke keadaan semula hanya dengan mengadakan sedikit perubahan kondisi luar

Jelas bahwa konsep ini amat penting, proses reversible akan membatasi besar kerja maksimum yang dapat dilakukan oleh suatu sistem.

Tanda yang disetujui untuk transfer energi oleh kerja adalah:

1. Kerja diberikan oleh sistem adalah positif

2. Kerja diberikan pada sistem adalah negatif

Aplikasi Termodinamika dalam Biologi

Pengaturan Suhu Tubuh 

Pengaturan temperatur adalah suatu pengaturan secara kompleks dari suatu proses fisiologisdi mana terjadi kesetimbangan antara produksi panas dan kehilangan panas sehingga suhu tubuh dapat dipertahankan secara konstan.

Burung atau mamalia secara fisiologis digolongkan dalam worm Blooded atau homotermal.Organisme homotermal ini secara umum dapat dikatakan temperatur tubuh tetap konstan walaupun suhu lingkungan berubah.Hal ini terjadi karena ada interaksi berantai antara pembentukan panas dan kehilangan panas.Kedua proses ini dalam keadaan tertentu aktifitasnya diatur oleh susunan syaraf pusat yang mana mengatur metabolisme, sirkulasi (peredaran darah),perspirasi (penguapan) dan pekerjaan otot-otot skeletal.sebagai contoh kontraksi otot banyak menghasilkan panas,rumusnya dapat di tulis:

K= W/H

Dimana :

K = Efisiensi 

H = Energi total (dalam kalori) pada waktu kerja 

W = Usaha dinyatakan dalam KgM

Temperatur 37˚C diterima sebagai temperatur normal tubuh manusia.Untuk mengukur rata-rata temperatur badan dan kulit terdapat banyak kesukaran.Berikut keterangan suhu tubuh dalam anggota badan manusia.

Dengan mengetahui termperatur kulit rata-rata kita dapat menentukan temperatur tubuhnya : ini bertdasarkan hasil percobaan temperatur basal nikel dan dubur pada keadaan temperatur lingkungan oleh DuBoir.N.Y.aced.Mned,1939,75:143-173.yaitu dengan cara : Mean Body temperatur = (0,69 x temperatur kulit rata-rata). 

Kuantitas suhu tubuh ini berkaitan dengan panas yang tertampung di dalam tubuh manusia (heat stronge).Untuk menghitung banyaknya panas yang tertampung dalam tubuh manusia.yaitu engan cara harus menghitung perubahan temperatur tubuh rata-rata dikalikan dengan panas spesifik dan mas badan maka diperoleh persamaan: Heat stronge =temperatur shange x spesifik heat x massa.

Gambar : Topografi Temperatur Badan atau Kulit

Temperatur 37°C diterima sebagai temperatur normal tubuh manusia. Daerah tubuh maupun kepala mempunyai temperatur kulit lebih tinggi dari pada anggota badan. 

Salah satu metode untuk mengetahui rata – rata temperatur kulit yang lazim digunakan adalah : 0,07 T kepala + 0,14 T lengan + 0,05T tangan + 0,07T kaki + 0,13T betis + 0,09T paha + 0,35T batang tubuh. 

JADI rata-rata temperatur kulit secara keseluruhan (0,07 x 33,5) + (0,14 x 32,9) + (0,05 x 33,3) + (0,07 x 30) + (0,13 x 32,3) + (0,09 x 23,5) + (0,35 x 31,2) /7 = 0,128.

Dengan mengetahui temperatur kulit ratarata tersebut dapat menghitung temperatur tubuh rata-rata dengan persamaan. Mean body temperatur adalah (0,69 X temperatur kapala) + (0,33 x temperatur kulit rata-rata). 

Radiasi 

Radiasi adalah proses perpindahan panas oleh gelombang elektromagnetik.Elektromagnetik tersebut bergerak dengan kecepatan 300 juta m/s dan untuk bergerak tidka memerlukan medium perantara.contoh jika kita meletakan tangan di samping api maka tangan akan terasa panas.panas merambat melalui radiasi.

Penerapan Proses Isotermal

 AC Ruangan

a. Bagian-bagian Ac Ruangan

Udara dingin tersebut sebenarnya merupakan output dari sistem yang terdiri dari beberapa komponen, yaitu; compressor AC, kondensor, orifice tube, evaporator, katup ekspansi, dan evaporator. Berikut adalah penjelasan singkat mengenai peran masing-masing bagian tersebut:

Compressor AC

Compressor AC adalah power unit dari sistem AC. Ketika AC dijalankan, compressor AC mengubah fluida kerja/refrigent berupa gas dari yang bertekanan rendah menjadi gas yang bertekanan tinggi. Gas bertekanan tinggi kemudian diteruskan menuju kondensor.

Kondensor AC

Kondensor adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengubah gas yang bertekanan tinggi berubah menjadi cairan yang bertekanan tinggi yang kemudian akan dialirkan ke orifice tube. Kondensor merupakan bagian yang “panas” dari air conditioner. Kondensor bisa disebut heat exchange yang bisa memindahkan panas ke udara atau ke intermediate fluid (semacam air larutan yang mengandung ethylene glycol), untuk membawa panas ke orifice tube.

Orifice Tube

Orifice tube merupakan tempat di mana cairan bertekanan tinggi diturunkan tekanan dan suhunya menjadi cairan dingin bertekanan rendah. Dalam beberapa sistem, selain memasang sebuah orifice tube, dipasang juga katup ekspansi.

Katup Ekspansi

Katup ekspansi merupakan komponen penting dalam sistem air conditioner. Katup ini dirancang untuk mengontrol aliran cairan pendingin melalui katup orifice yang merubah wujud cairan menjadi uap ketika zat pendingin meninggalkan katup pemuaian dan memasuki evaporator/pendingin.

Evaporator AC

Refrigent menyerap panas dalam ruangan melalui kumparan pendingin dan kipas evaporator meniupkan udara dingin ke dalam ruangan. Refrigent dalam evaporator mulai berubah kembali menjadi uap bertekanan rendah, tapi masih mengandung sedikit cairan. Campuran refrigent kemudian masuk ke akumulator / pengering. Ini juga dapat berlaku seperti mulut/orifice kedua bagi cairan yang berubah menjadi uap bertekanan rendah yang murni, sebelum melalui compressor AC untuk memperoleh tekanan dan beredar dalam sistem lagi. Biasanya, evaporator dipasangi silikon yang berfungsi untuk menyerap kelembapan dari refrigent.

Thermostat

Thermostat pada air conditioner beroperasi dengan menggunakan lempeng bimetal yang peka terhadap perubahan suhu ruangan. Lempeng ini terbuat dari 2 metal yang memiliki koefisien pemuaian yang berbeda. Ketika temperatur naik, metal terluar memuai lebih dahulu, sehingga lempeng membengkok dan akhirnya menyentuh sirkuit listrik yang menyebabkan motor AC aktif.

b. Prinsip Kerja AC Ruangan

Compressor AC yang ada pada sistem pendingin dipergunakan sebagai alat untuk memampatkan fluida kerja (refrigent), jadi refrigent yang masuk ke dalam compressor AC dialirkan ke condenser yang kemudian dimampatkan di kondenser.
Di bagian kondenser ini refrigent yang dimampatkan akan berubah fase dari refrigent fase uap menjadi refrigent fase cair, maka refrigent mengeluarkan kalor yaitu kalor penguapan yang terkandung di dalam refrigent. Adapun besarnya kalor yang dilepaskan oleh kondenser adalah jumlahan dari energi compressor yang diperlukan dan energi kalor yang diambil evaparator dari substansi yang akan didinginkan.

Pada kondensor tekanan refrigent yang berada dalam pipa-pipa kondenser relatif jauh lebih tinggi dibandingkan dengan tekanan refrigent yang berada pada pipi-pipa evaporator.

Setelah refrigent lewat kondenser dan melepaskan kalor penguapan dari fase uap ke fase cair maka refrigent dilewatkan melalui katup ekspansi, pada katup ekspansi ini refrigent tekanannya diturunkan sehingga refrigent berubah kondisi dari fase cair ke fase uap yang kemudian dialirkan ke evaporator, di dalam evaporator ini refrigent akan berubah keadaannya dari fase cair ke fase uap, perubahan fase ini disebabkan karena tekanan refrigent dibuat sedemikian rupa sehingga refrigent setelah melewati katup ekspansi dan melalui evaporator tekanannya menjadi sangat turun.
Hal ini secara praktis dapat dilakukan dengan jalan diameter pipa yang ada dievaporator relatif lebih besar jika dibandingkan dengan diameter pipa yang ada pada kondenser.
Dengan adanya perubahan kondisi refrigent dari fase cair ke fase uap maka untuk merubahnya dari fase cair ke refrigent fase uap maka proses ini membutuhkan energi yaitu energi penguapan, dalam hal ini energi yang dipergunakan adalah energi yang berada di dalam substansi yang akan didinginkan.

Dengan diambilnya energi yang diambil dalam substansi yang akan didinginkan maka enthalpi [1] substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun, dengan turunnya enthalpi maka temperatur dari substansi yang akan didinginkan akan menjadi turun. Proses ini akan berubah terus-menerus sampai terjadi pendinginan yang sesuai dengan keinginan. Dengan adanya mesin pendingin listrik ini maka untuk mendinginkan atau menurunkan temperatur suatu substansi dapat dengan mudah dilakukan.

Perlu diketahui :
Kunci utama dari air conditioner adalah refrigerant, yang umumnya adalah fluorocarbon [2], yang mengalir dalam sistem, menjadi cairan dan melepaskan panas saat dipompa (diberi tekanan), dan menjadi gas dan menyerap panas ketika tekanan dikurangi. Mekanisme berubahnya refrigerant menjadi cairan lalu gas dengan memberi atau mengurangi tekanan terbagi mejadi dua area: sebuah penyaring udara, kipas, dan cooling coil (kumparan pendingin) yang ada pada sisi ruangan dan sebuah compressor (pompa), condenser coil (kumparan penukar panas), dan kipas pada jendela luar.