Termodinamika dan Pengaplikasianya

TERMODINAMIKA dan PENGAPLIKASIANYA

Oleh: Roy Irawan (@V20-Roy)

Mind Mapping

1.DEFINISI TERMODINAMIKA

Termodinamika dalam bahasa Yunani berasal dari kata: thermos: (panas)dan dynamic: (perubahan).  Termodinamika membahas fenomena energi yang berubah-ubah karena adanya aliran panas dan usaha yang muncul atau memunculkan. Pada sistem terjadi proses perubahan wujud atau pertukaran energi, termodinamika klasik tidak berhubungan dengan kinetika reaksi (kecepatan suatu proses reaksi berlangsung).

A. SISTEM TERMODINAMIKA

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

1. Sistem Terbuka: Ada pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungan sekitarnya.

Misal: lautan, tumbuh-tumbuhan.

2. Sistem Tertutup: Ada pertukaran energi tetapi tidak terjadi pertukaran massa sistem dengan lingkungannya.

Misal: Green House ada pertukaran kalor tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan.

3. Sistem Terisolasi: Tidak ada pertukaran massa dan energi sistem dengan lingkungan.

Misal: Tabung gas yang terisolasi.

 

B. HUKUM TERMODINAMIKA

Termodinamika adalah pernyataan tentang hubungan antara usaha dengan perubahan kalor menjadi sebuah energi. Hubungan tersebut sangat erat kaitannya dengan usaha, energi, suhu, mekanika statik, dan juga sebuah proses.

Hukum termodinamika memiliki hukum awal atau hukum ke-0 yang menjelaskan tentang kesetimbangan, dimana 2 sistem baru berada di antara kedua sistem yang sedang setimbang.

1.       Hukum Termodinamika I

Hukum tentang sebuah kekekalan energi merupakan hukum dari termodinamika 1, bunyi hukum tersebut adalah : "Energi tidak dapat diciptakan maupun dihancurkan, hanya dapat melakukan perubahan bentuk".

Pernyataan bunyi hukum termodinamika 1 menjelaskan bahwa suatu energi tidak akan memiliki pertambahan maupun pengurangan dalam sebuah sistem.

Rumus Hukum Termodinamika

Energi dalam sistem tersebut berasal dari kalor dan usaha yang bekerja dalam sistem. Apabila dijadikan dalam sebuah persamaan matematis akan menjadi :

Q= △U+W

Penjelasannya, yaitu:

Q = Kalor atau Panas (diterima maupun dilepaskan): satuan Joule (J).

△U = Perubahan Energi (Energi akhir dikurangi energi mula – mula): satuan Joule (J).

W = Usaha: satuan Joule (J).

Persamaan tersebut menyatakan bahwa kalor yang diterima maupun dilepaskan dari suatu benda, maka akan menjadi usaha ditambah perubahan energi.

Sifat kalor yang diterima atau kalor yang dilepaskan akan menentukan suatu besaran nilai tersebut positif (+) ataukah negatif (-).

Sifat Kalor

Q = positif (+), jika menerima kalor. Q = positif (-), jika melepakan kalor.

W = positif (+), jika melakukan sebuah usaha. W = negatif (-), jika diberikan usaha.

△U = positif (+), jika ada penambahan energi. △U = negatif (-), jika mengalami penurunan energi.

 

2.       Hukum Termodinamika II

Hukum kedua ini membatasi perubahan energi mana yang bisa terjadi dan yang tidak. Pembatasan ini dinyatakan dengan berbagi cara, yaitu : “Hukum II termodinamika dalam menyatakan aliran kalorKalor mengalir secara spontan dari benda bersuhu tinggi ke benda bersuhu rendah dan tidak mengalir secara spontan dalam arah kebalikannya”

Hukum II termodinamika dalam pernyataan tentang mesin kalor
Tidak mungkin membuat suatu mesin kalor yang bekerja dalam suatu siklus yang semata-mata menyerap kalor dari sebuah reservoir dan mengubah seluruhnya menjadi usaha luar.

Hukum II termodinamika dalam pernyataan entropi (besaran termodinamika yang menyertai suatu perubahan setiap keadaan dari awal sampai akhir sistem dan menyatakan ketidakteraturan suatu sistem)
Total entropi semesta tidak berubah ketika proses reversibel terjadi dan bertambah ketia proses irreversible terjadi.

3.       Hukum Termodinamika III

Hukum ketiga termodinamika terkait dengan temperatur nol absolut. Hukum ini menyatakan bahwa pada saat suatu sistem mencapai temperatur nol absolut (temperatur Kelvin) semua proses akan berhenti dan entropi sistem akan mendekati nilai minimum. Hukum ini juga menyatakn bahwa entropi benda berstruktur kristal sempurna pada temperatur nol absolut bernilai nol.

https://youtu.be/NilKh3R9Ayk

Referensi video Termodinamika

2. PENGAPLIKASIAN TERMODINAMIKA

Aplikasi Hukum Termodinamika

Mesin diesel

Mesin diesel adalah sejenis mesin pembakaran dalam; lebih spesifik lagi, sebuah mesin pemicu kompresi, dimana bahan bakardinyalakan oleh suhu tinggi gas yang dikompresi, dan bukan oleh alat berenergi lain (seperti busi).

Mesin ini ditemukan pada tahun 1892 oleh Rudolf Diesel, yang menerima paten pada 23 Februari1893. Diesel menginginkan sebuah mesin untuk dapat digunakan dengan berbagai macam bahan bakar termasuk debu batu bara. Dia mempertunjukkannya pada Exposition Universelle (Pameran Dunia) tahun 1900 dengan menggunakan minyak kacang (lihat biodiesel). Kemudian diperbaiki dan disempurnakan oleh Charles F. Kettering.

Prinsip kerja motor diesel adalah merubah energi kimia menjadi energi mekanis. Energi kimia di dapatkan melalui proses reakasi kimia (pembakaran) dari bahan bakar (solar) dan oksidiser (udara) di dalam silinder (ruang bakar). Pada motor diesel ruang bakarnya bisa terdiri dari satu atau lebih tergantung pada penggunaannya dan dalam satu silinder dapat terdiri dari satu atau dua torak. Pada umumnya dalam satu silinder motor diesel hanya memiliki satu torak.

Tekanan gas hasil pembakaran bahan bakan dan udara akan mendorong torak yang dihubungkan dengan poros engkol menggunakan batang torak, sehingga torak dapat bergerak bolak-balik (reciprocating). Gerak bolak-balik torak akan diubah menjadi gerak rotasi oleh poros engkol (crank shaft). Dan sebaliknya gerak rotasi poros engkol juga diubah menjadi gerak bolak-balik torak pada langkah kompresi. Berdasarkan cara menganalisa sistim kerjanya, motor diesel dibedakan menjadi dua, yaitu motor diesel yang menggunakan sistim airless injection (solid injection) yang dianalisa dengan siklus dual dan motor diesel yang menggunakan sistim air injection yang dianalisa dengan siklus diesel (sedangkan motor bensin dianalisa dengan siklus otto).

Pada mesin Diesel, dibuat ”ruangan” sedemikian rupa sehigga pada ruang itu akan terjadi peningkata suhu hingga mencapai ”titik nyala” yang sanggup ”membakar” minyak bahan bakar. Pemampatan yang biasanya digunakan hingga mencapai kondisi ”terbakar” itu biasanya 18 hingga 25 kali dari volume ruangan normal. Sementara suhunya bisa naik mencapai 500°C . Cara kerjanya mudah, minyak solar yang sudah dicampur udara (seperti yang keluar dari semprotan obat nyamuk) disemprotkan ke dalam ruangan yang telah ”mampat” dan bersuhu tinggi, sehingga dapat langsung membuat ”kabut solar” tadi meledak dan mendorong ”piston” yang kemudian akan menggerakkan poros-poros roda, singkatnya menjadi tenaga. Kejadian ini berulang-ulang dan tenaga yang muncul pun dapat dimanfaatkan untuk menggerakkan mobil, generator listrik, dan sebagainya.

             Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Penyemprotan bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect injection).

Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan.

Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen : Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.

Untuk aplikasi generator listrik, komponen penting dari mesin diesel adalah governor, yang mengontrol suplai bahan bakar agar putaran mesin selalu para putaran yang diinginkan. Apabila putaran mesin turun terlalu banyak kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun sehingga peralatan listrik tidak dapat berkerja sebagaimana mestinya, sedangkan apabila putaran mesin terlalu tinggi maka bisa mengakibatkan over voltage yang bisa merusak peralatan listrik. Mesin diesel modern menggunakan pengontrolan elektronik canggih mencapai tujuan ini melalui elektronik kontrol modul (ECM) atau elektronik kontrol unit (ECU) – yang merupakan “komputer” dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidrolik untuk mengatur kecepatan mesin.

PENUTUP

Termodinamika berasal dari bahasa Yunani: thermos: (panas) dan dynamic: (perubahan). Termodinamika berkaitan dengan fenomena aliran panas dan perubahan energi karena kerja yang dihasilkan atau disebabkan. Perubahan keadaan atau pertukaran energi terjadi di dalam sistem. Termodinamika klasik tidak ada hubungannya dengan kinetika reaksi (laju terjadinya reaksi).

Termodinamika memiliki 3 sistem kerja, yaitu sistem terbuka, sistem tertutup, dan sistem terisolasi. Contoh sistem dalam pemanfaatan sehari-hari banyak kita jumpai misal dalam penggunaan kendaraan bermotor, mesin pendingin, termos, AC, dll.

Termodinamika sendiri memiliki hukum awal atau hukum 0 yang menjelaskan tentang kesetimbangan. Selain itu terdapat juga Hukum Termodinamika I, II, dan III.

Ilmu tentang termodinamika sangat bermanfaat untuk dunia industri, misalnya dalam pengembangan kendaraan bermotor, penggunaan chiller dan boiler, dan masih banyak manfaat lainya.

DAFTAR PUSTAKA

http://yudhipri.wordpress.com/2010/07/05/thermodinamika-maglev-dunia/

Giancoli. 2001. Fisika Universitas Jilid 1. Erlangga: Jakarta.

Http://.goegle.com/2012/11/23/teori-panas-kalor-dunia/

Hukum ketiga termodinamika - Wikipedia bahasa Indonesia, ensiklopedia bebas