BAB 2 TINAJUAN PUSTAKA

2.1 PENGERTIAN TERMODINAMIKA

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani dimana Thermos yang artinya

panas dan Dynamic yang artinya perubahan. Termodinamika merupakan ilmu

yang menggambarkan usaha  untuk mengubah kalor (perpindahan energi yang

disebabkan perbedaan suhu) menjadi energi serta sifat-sifat pendukungnya.

Termodinamika berhubungan erat dengan fisika energi, panas, kerja, entropi dan

kespontanan proses. Termodinamika juga berhubungan dengan mekanika statik.

Cabang ilmu fisika ini mempelajari pertukaran energi dalam bentuk kalor dan

kerja, sistem pembatas dan lingkungan. Aplikasi dan penerapan termodinamika

dapat terjadi pada tubuh manusia, peristiwa meniup kopi panas, perkakas

elektronik, Refrigerator, mobil, pembangkit listrik dan industri.

2.1 PROSES TERMODINAMIKA

1. Proses Isotermal

Selama proses isotermal, temperatur sistem tetap konstan. Tetapi pada temperatur

rendah bentuk isotermal lebih komplek karena gas tidak algi ideal.

Gambar 2.1 proses Isotermal

1

2. Proses Isokhorik

Selama proses ini, volume sistem tidak mengalami perubahan. Proses ini terjadi

pada sistem yang mempunyai volume (wadah) yang kuat, tertutup dan tidak dapat

berubah (konstan).

Gambar 2.2 proses Isokhorik

3. Proses Isobarik

Selama proses isobarik tidak terjadi perubahan tekanan pada sistem. Proses ini

umumnya terjadi pada sistem yang mempunyai kontak langsung dengan tekanan

atmosfer bumi yang dianggap konstan.

2

Gambar 2.3 Proses Isobarik

4. Proses Adiabatik

Selama proses adiabatik tidak terjadi transfer panas yang masuk atau keluar

sistem. Proses initerjadi pada sistem terisolasi.

Gambar 2.4 Proses Adibiatik

5. Proses Siklik

Proses yang satu ini sistem kembali secara periodik ke keadaan termodinamika

yang sama. Proses ini dapat diamati jika diamati pada sistem natural dan

teknologi. Misalnya : mesin, compresor udara,osilasi gelombang suara.

3

Gambar 2.5 Proses Siklik

Proses siklik sering melibatkan proses sederhana ini :

Dan

4

2.3 SIKLUS TERMODINAMIKA

Gambar 2.5 Siklus termodinamika

Ilmu mengenai siklus termodinamika penting dalam sistem pembangkit tenaga.

Mesin-mesin ini menggunakan campuran bahan bakr udara untuk operasinya.

Siklus termodinamika dapat diklasifikasikan secara umum, yaitu :

1.      Siklus Carnot

      Berdasarkan sifatnya siklus dibagi menjadi dua, yaitu siklus reversible

(dapat dibalik) dan siklus irreversible (tidak dapat dibalik). Siklus carnot termasuk

siklus reversible. Siklus carnot terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses

adiabatik. Hal tersebut memungkinkan menyerap kalor  dari sumber yang bersuhu

5

tinggi dan mengeluarkan kalor ke suhu yang lebih rendah. Perhatikan gambar

berikut.

Gambar 2.6 Gambar siklus carnot

      Apabila siklus carnot dimulai dari a, proses-proses yang terjadi pada siklus

carnot adalah sebagai berikut.

Pada proses a – b, terjadi pemuaian isothermal pada suhu T1. Pada proses

ini sistem menyerap kalor Q1 dari reservoir suhu tinggi T1 dan melakukan

usaha Wab.

Pada proses b – c, terjadi pemuaian adiabatik. Pada proses ini suhu turun

dari T1 menjadiT2 dan melakukan usaha Wbc.

Pada proses c – d, terjadi pemampatan isotermal pada suhu T2. Pada proses

ini sitem menerima usaha Wcd dan melepas kalor Q2 ke reservoir bersuhu

rendah.

Pada proses d – a, terjadi pemampatan adiabatik. Pada proses ini, suhu

sistem naik dari T2menjadi T1 akibat menerima usaha Wda.

a. Mesin Carnot

      Mesin carnot adalah mesin yang memiliki efisiensi tinggi yang

berdasarkan pada siklus carnot. Mesin carnot siasumsikan sebagai mesin kalor

ideal yang bekerja secara siklus reversible (dapat dibalik) di antara dua suhu tanpa

ada energy yang hilang. Contoh mesin yang menggunakan siklus carnot adalah

mesin pemanas ruang. Skema mesin carnot dapat dilihat pada gambar berikut.

6

Gambar 2.7 skema mesin carnot

      Selama proses siklus carnot, sistem menerima kalor Q1 dari reservoir suhu

tinggi T1dan melepas kalor Q2 ke reservoir suhu tendah T2.

Sehingga menurut hokum I termodinamika, usaha yang dilakukan oleh sistem

adalah.

Karena dalam siklus gas kembali ke keadaan semula, maka tidak ada

perubahan energy dalam ( ), sehingga:

Efisiensi mesin    merupakan perbandingan usaha yang dilakukan terhadap

kalor yang diterima. Secara matematis dituliskan sebagai berikut.

%

%

7

%

%

Dengan,

Q1 = kalor yang diterima (J)

Q2 = kalor yang dilepas (J)

T1 = suhu reservoir bersuhu tinggi (K)

T2 = suhu reservoir bersuhu rendah (K)

W = usaha yang dilakukan sistem (J)

2.      Siklus Otto

     Siklus Otto adalah siklus termodinamika yang paling banyak digunakan

dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol

Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto. Mesin bensin dibagi

menjadi dua, yaitu mesin dua tak dan mesin empat tak. Mesin dua tak adalah

mesin yang memerlukan dua kali gerakan piston naik turun untuk sekali

pembakaran (agar diperoleh tenaga). Mesin tersebut banyak digunakan pada

motor-motor kecil. Mesin dua tak menghasilkan asap sebagai sisa pembakaran

dari oli pelumas. Mesin empat tak memerlukan empat kali gerakan piston untuk

sekali pembakaran. Pada motor-motor besar biasa menggunakan mesin empat tak.

Akan tetapi, sekarang banyak motor-motor kecil bermesin empat tak. Mesin jenis

ini sedikit menghasilkan sisa pembakaran karena bahan bakarnya hanya bensin

murni.

Gambar di atas merupakan mesin pembakaran dalam empat langkah (empat

tak). Mula-mula campuran udara dan uap bensin mengalir dari karburator menuju

silinder pada saat piston bergerak ke bawah (langkah masukan). Selanjutnya

campuran udara dan uap bensin dalam silinder ditekan secara adiabatik ketika

piston bergerak ke atas (langkah kompresi atau penekanan). Karena ditekan secara

8

adiabatik maka suhu dan tekanan campuran meningkat. Pada saat yang sama, busi

memercikkan bunga api sehingga campuran udara dan uap bensin terbakar. Ketika

terbakar, suhu dan tekanan gas semakin bertambah. Gas bersuhu tinggi dan

bertekanan tinggi tersebut memuai terhadap piston dan mendorong piston ke

bawah (langkai pemuaian). Selanjutnya gas yang terbakar dibuang melalui katup

pembuangan dan dialirkan menuju pipa pembuangan (langkah pembuangan).

Katup masukan terbuka lagi dan keempat langkah tersebut diulangi kembali.

Tujuan dari adanya langkah kompresi atau penekanan adiabatik adalah

menaikkan suhu dan tekanan campuran udara dan uap bensin. Proses pembakaran

pada tekanan yang tinggi akan menghasilkan suhu dan tekanan (P = F/A) yang

sangat besar. Akibatnya gaya dorong (F = PA) yang dihasilkan selama proses

pemuaian menjadi sangat besar. Mesin motor atau mobil menjadi lebih bertenaga.

Walaupun tidak ditekan, campuran udara dan uap bensin bisa terbakar ketika busi

memercikkan bunga api. Tapi suhu dan tekanan gas yang terbakar tidak terlalu

tinggi sehingga gaya dorong yang dihasilkan juga kecil. Akibatnya mesin menjadi

kurang bertenaga.

Proses perubahan bentuk energi dan perpindahan energi pada mesin

pembakaran dalam empat langkah di atas bisa dijelaskan seperti ini : Ketika

terjadi proses pembakaran, energi potensial kimia dalam bensin + energi dalam

udara berubah menjadi kalor alias panas. Sebagian kalor berubah menjadi energi

mekanik batang piston dan poros engkol, sebagian kalor dibuang melalui pipa

pembuangan (knalpot). Sebagian besar energi mekanik batang piston dan poros

engkol berubah menjadi energi mekanik kendaraan (kendaraan bergerak),

sebagian kecil berubah menjadi kalor alias panas sedangkan panas timbul akibat

adanya gesekan.

Secara termodinamika, siklus Otto memiliki 4 buah proses termodinamika

yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses

adiabatis (kalor tetap).

Proses yang terjadi adalah :

1-2 : Kompresi adiabatis

2-3 : Pembakaran isokhorik

9

3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis

4-1 : Langkah buang isokhorik

Sesuai hukum 1 termodinamika, kesetaraan panas dan gerak dapat dituliskan

sebagai persamaan energi sebagai berikut:

Keterangan:

Q = panas yang keluar atau masuk sistem (joule)

ΔU = perubahan energi dalam (joule)

W= kerja yang diberikan sistem (joule)

Rancangan motor bakar diinginkan agar mampu mengubah sebanyak-

banyaknya energi panas menjadi gerak. Untuk itu diperlukan pengetahuan teori

mengenai efisiensi sistem tersebut. Dalam hal ini, efisiensi dari siklus Otto ialah:

Dengan:

Qin ialah panas yang dimasukkan ke dalam sistem.

Pada siklus di atas D U = 0, karena pada akhir siklus posisi grafik kembali ke

titik semula (atau keadaan fluida pada akhir siklus sama seperti pada awal siklus),

sehingga:

Dengan:

Qout ialah panas yang dikeluarkan dari sistem. Dengan demikian, efisiensi

siklus akan sebesar: Persamaan penambahan panas pada volume konstan pada

siklus di atas ialah, Sedang pengeluaran panas pada volume tetap ialah,

Dengan cv ialah panas spesifik udara pada volume tetap. (Notasi 1, 2, 3, dan 4

pada persamaan di atas adalah sesuai dengan titik-titik pada grafik dalam gambar

4 di atas.)

Sehingga efisiensi siklus ialah,

Proses 1-2 dan 3-4 adalah adiabatik, sehingga dan Sedangkan dari grafik terlihat

bahwa V1 = V4 dan V3 = V2, maka Dengan demikian, maka Sehingga efisiensi

siklus pada persamaan (a) akan menjadi dalam hal in r = V1/V2 adalah

10

perbandingan kompresi motor. Siklus otto sering disebut siklus mesin bakar. Pada

siklus otto berlangsung dua proses adiabatik dan dua proses isokhorik. Perhatikan

gambar siklus otto berikut.

Gambar 2.8 Siklus Otto

      Jika siklus otto dimulai dari titik a, proses-proses yang terjadi pada siklus

otto tersebut adalah sebagai berikut.

Pada proses a – b, terjadi pemampatan adiabatik.

Pada proses b – c, terjadi proses isokhorik, gas menyerap kalor.

Pada proses c – d, terjadi pemuaian adiabatik.

Pada proses d –a, terjadi proses isokhorik, gas mengeluarkan kalor.

Usaha yang dilakukan sistem pada siklus otto adalah sebagai berikut.

Efisiensi siklus otto adalah sebagai berikut.

%

%

11

%

3.      Siklus Diesel

Siklus diesel merupakan siklus mesin diesel. Mesin diesel biasanya digunakan

pada generator listrik, truk, bus, dan beberapa macam mobil. Pada siklus diesel

berlangsung dua proses adiabatik, satu proses isobarik, dan satu proses isokhorik.

Perhatikan gambar siklus diesel berikut.

Gambar 2.8 Siklus Diesel

Jika siklus diesel dimulai dari titik a, proses-proses yang terjadi pada siklus

diesel tersebut adalah sebagai berikut.

Proses a – b, terjadi pemuaian isobarik.

Proses b – c, terjadi pemuaian adiabatik.

12

Proses c – d, terjadi pelepasan kalor (pendinginan) W = 0, terjadi

penurunan suhu.

Proses d – a, terjadi pemampatan adiabatik.

4.      Siklus RankineSiklus Rankine adalah siklus termodinamika yang mengubah panas menjadi

kerja. Panas disuplai secara eksternal pada aliran tertutup, yang biasanya

menggunakan air sebagai fluida yang bergerak. Siklus ini menghasilkan 80% dari

seluruh energi listrik yang dihasilkan di seluruh dunia. Siklus ini dinamai untuk

mengenang ilmuan Skotlandia, William John Maqcuorn Rankine.

Siklus Rankine adalah model operasi mesin uap panas yang secara umum

ditemukan di pembangkit listrik. Sumber panas yang utama untuk siklus Rankine

adalah batu bara, gas alam, minyak bumi, nuklir, dan panas matahari.

Efisiensi siklus Rankine biasanya dibatasi oleh fluidanya. Tanpa tekanan yang

mengarah pada keadaan super kritis, range temperatur akan cukup kecil. Uap

memasuki turbin pada temperatur 565 °C (batas ketahanan stainless steel) dan

kondenser bertemperatur sekitar 30°C. Hal ini memberikan efisiensi Carnot secara

teoritis sebesar 63%, namun kenyataannya efisiensi pada pembangkit listrik

sebesar 42%.

Perhatikan gambar siklus diesel berikut.

Gambar 2.9 Siklus Rankine

Diagram ini menunjukkan siklus diesel ideal (sempurna). Mula-mula udara

ditekan secara adiabatik (a-b), lalu dipanaskan pada tekanan konstan –

13

penyuntik (injector) menyemprotkan solar dan terjadilah pembakaran (b-c),

gas yang terbakar mengalami pemuaian adiabatik (c-d), pendinginan pada

volume konstan – gas yang terbakar dibuang ke pipa pembuangan dan udara

yang baru, masuk ke silinder (d-a).

Asumsi yang digunakan pada siklus diesel ini sama dengan pada siklus

Otto, kecuali langkah penambahan panas. Pada siklus diesel langkah 2-3

merupakan penambahan panas pada tekanan konstan. Jika siklus rankine

dimulai dari titik a, proses-proses yang terjadi pada siklus rankine tersebut adalah

sebagai berikut.

Proses a – b, pada zat cair ditambahkan tekanan, sehingga suhu naik dari

Ta ke Tb.

Peoses b – c, terjadi penguapan tetap,  suhu naik, c – mulai terjadi

penguapan.

Proses c – d, terjadi perubahan wujud dari zat cair ke uap, d – semua zat

cair sudah menjadi uap.

Proses d – e, terjadi pemuaian pada tekanan tetap, suhu naik dari Td ke Te.

Proses e – f, terjadi pemuaian adiabatik.

Proses f – a, terjadi pengembunan pada tekanan tetap.

2.4 SISTEM TERMODINAMIKA

Dalam termodinamika pembahasan sistem adalah hal yang seringkali kita

dengar. Sistem itu sendiri adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan

diteliti. Sistem juga dideskripsikan dengan jumlah besaran fisis yang

menggambarkan keadaannya. Keadaan sistem yang ditinjau adalah keadaan

makroskopik yang dapat berupa keadaan rata-rata dari partikel atau keadaan

keseluruhan dalam sistem. Contoh dari keadaan ini adalah temperatur T, jumlah

partikel N, volume V, energi dalam U,tekanan P dan lainnya.  Jika  berbicara

tentang sistem, tidaklah lepas dari konsep lingkungan. Lingkungan adalah hal-hal

yang ada diluar sistem.

14

Gambar 2.10 Sistem termodinamika : gas didalam balon

Diantara sistem dan lingkungan terdapat dinding pembatasnya. Dinding pembatas

inilah yang mengatur interaksi antara sistem dan lingkungan. Dalam aplikasinya

batas sistem merupakan bagian dari sistem maupun lingkungannya, dan dapat

berubah posisi atau bergerak. Berikut sifat dinding pembatas :

Pembatas Adiabatik, dimana tidak adanya pertukaran kalor anatar sistem dan

lingkungan.

Pembatas Tegar, dimana tidak adanya interaksi yang baim dari sistem terhadap

lingkungan atau sebaliknya.

Ditinjau dari sifat dinding pembatas sistem dengan lingkungan sekitar, sistem

dalam termodinamika dapat dikelompokkan menjadi tiga :

15

1. Sistem Terbuka

Sistem terbuka terjadi ketika partikel dan energi dengan mudahnya keluar masuk

sistem. Ketika terjadi kesetimbangan jumlah energi yang keluar dan masuk serta

kesetimbangan jumlah partikel yang keluar masuk, maka sistem dan lingkungan

memiliki nilai temperatur T dan potensial kimia µ yang sama. Contohnya, lautan

dan tumbuh-tumbuhan.

2. Sistem Tertutup

Sistem tertutup merupakan sistem yang dindingnya hanya dapat dilewati oleh

energi panas. Partikel-partikel yang mencoba menerobos tidak akan bisa

memasuki dinding sistem ini. Sistem semacam ini mendeskripsikan nilai

partikelnya yang konstan tetapi berkebalikan dengan energi yang dapat berubah.

Sebagai gantinya, ketika terdapta kesetimbangan jumlah energi yang keluar

masuk sistem, temperatur sistem dan lingkungan memiliki nilai temperatur yang

sama. Contohnya, Green House yang didalamnya terjadi pertukaran kalor tetapi

tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.

3. Sistem Terisolasi

Sistem yang satu ini sangatlah unik. Dinding pembatasnya tidak dapat ditembus

oleh partikel maupun energi dan tidak berinteraksi dengan lingkungannya. Sistem

inilah yang sangat cocok dengan konsep termodinamika. Dimana sistem ini akan

menjaga kesetimbangan termodinamika suatu benda. Sistem semacam ini

dicirikan dengan nilai total energi E, jumlah partikel N dan volume V yang tetap.

Tetapi, sangat disayangkan, sistem ini hanyalah model, tidak ada sistem yang

sebegitu uniknya dalam realita. Pengecualian terhadap sistem yang dinding

pembatasnya sangat sulit ditembus. Peristiwa ini dapat dikelmpokkan sebagai

sistem terisolasi. Contohnya tabung gas.

16

Dalam pembelajaran termodinamika umum, hal-hal inilah yang penting diketahui.

Termodinamika juga memiliki penjelasan khusus per bidang tergantung

urgensinya atau kepentingan dalam penerapannya. Hanya saja konsep dasarnya

pastilah sama.

17