Sistem Thermodinamika beserta jenis dan contohnya

Sistem Termodinamika

       Dalam termodinamika dikenal istilah sistem dan lingkungan. Sistem adalah benda atau sekumpulan apa saja yang akan diteliti atau diamati dan menjadi pusat perhatian. Sedangkan lingkungan adalah benda-benda yang berada diluar dari sistem tersebut. Sistem bersama dengan lingkungannya disebut dengan semesta atau universal. Batas adalah perantara dari sistem dan lingkungan. Contohnya adalah pada saat mengamati sebuah bejana yang berisi gas, yang dimaksud dengan sistem dari peninjauan itu adalah gas tersebut sedangkan lingkungannya adalah bejana itu sendiri.

Jenis-jenis sistem

Klasifikasi sistem termodinamika berdasarkan sifat dari batasan dan arus benda, energi dan materi yang melaluinya. Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungannya, yaitu :

1)   Sistem terbuka

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda (materi) dengan lingkungannya. Sistem terbuka ini meliputi peralatan yang melibatkan adanya aliran massa kedalam atau keluar sistem seperti pada kompresor, turbin, nozel dan motor bakar. Sistem mesin motor bakar adalah ruang didalam silinder mesin, dimana campuran bahan bahan bakar dan udara masuk kedalam silinder, dan gas buang keluar sistem. Pada sistem terbuka ini, baik massa maupun energi dapat melintasi batas sistem yang bersifat permeabel. Dengan demikian, pada sistem ini volume dari sistem tidak berubah sehingga disebut juga dengan control volume. 

Perjanjian yang kita gunakan untuk menganalisis sistem adalah

-Untuk panas (Q) bernilai positif bila diberikan kepada sistem dan bernilai negatif bila keluar dari sistem

-Untuk usaha (W) bernilai positif apabila keluar dari sistem dan bernilai negatif bila diberikan (masuk) kedalam sistem.

Siklus Brayton terbuka terdiri dari tiga komponen utama. Pertama kompresor yang berfungsi untuk menaikkan tekanan udara yang diambil dari lingkungan. Kedua adalah ruang bakar (combustion chamber) tempat terjadinya pembakaran dan pada pemodelan dinyatakan dengan penukar kalor (heat exchanger). Komponen ketiga adalah turbin gas yang berfungsi menurunkan tekanan dan menghasilkan kerja berupa putaran poros. Ada penambahan satu komponen lagi untuk memudahkan perhitungan termodinamika pada pemodelan siklus yaitu ditambahkan lagi dengan penukar kalor yang membuang panas ke lingkungan. 

Siklus brayton ideal terdiri dari 4 proses reversibel yang bisa dilihat pada gambar berikut ini:

1-2 Kompresi isentropik (in a compressor).

2-3 Penambahan panas pada tekanan konstan

3-4 Ekspansi isentropik (in a turbine).

4-1 Pembuangan panas pada tekanan konstan

2)   Sistem tertutup

Sistem yang mengakibatkan terjadinya pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran zat dengan lingkungan. Sistem tertutup terdiri atas suatu jumlah massa yang tertentu dimana massa ini tidak dapat melintasi lapis batas sistem. Tetapi, energi baik dalam bentuk panas (heat) maupun usaha (work) dapat melintasi lapis batas sistem tersebut. Dalam sistem tertutup, meskipun massa tidak dapat berubah selama proses berlangsung, namun volume dapat saja berubah disebabkan adanya lapis batas yang dapat bergerak (moving boundary) pada salah satu bagian dari lapis batas sistem tersebut. Contoh sistem tertutup adalah suatu balon udara yang dipanaskan, dimana massa udara didalam balon tetap, tetapi volumenya berubah dan energi panas masuk kedalam masa udara didalam balon. 

Sebagaimana gambar sistem tertutup dibawah ini, apabila panas diberikan kepada sistem (Qin), maka akan terjadi pengembangan pada zat yang berada didalam sistem. Pengembangan ini akan menyebabkan piston akan terdorong ke atas (terjadi Wout). Karena sistem ini tidak mengizinkan adanya keluar masuk massa kedalam sistem (massa selalu konstan) maka sistem ini disebut control mass.

Suatu sistem dapat mengalami pertukaran panas atau kerja atau keduanya, biasanya dipertimbangkan sebagai sifat pembatasnya:

-Pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.

-Pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.

Dikenal juga istilah dinding, ada dua jenis dinding yaitu dinding adiabatik dan dinding diatermik. Dinding adiabatik adalah dinding yang mengakibatkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang lama (lambat). Untuk dinding adiabatik sempurna tidak memungkinkan terjadinya pertukaran kalor antara dua zat. Sedangkan dinding diatermik adalah dinding yang memungkinkan kedua zat mencapai suhu yang sama dalam waktu yang singkat (cepat).

Siklus Otto adalah siklus thermodinamika yang paling banyak digunakan dalam kehidupan manusia. Mobil dan sepeda motor berbahan bakar bensin (Petrol Fuel) adalah contoh penerapan dari sebuah siklus Otto.

Secara thermodinamika, siklus ini memiliki 4 buah proses thermodinamika yang terdiri dari 2 buah proses isokhorik (volume tetap) dan 2 buah proses adiabatis (kalor tetap). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat diagram tekanan (p) vs temperatur (V) berikut:

Proses yang terjadi adalah :

1-2 : Kompresi adiabatis

2-3 : Pembakaran isokhorik

3-4 : Ekspansi / langkah kerja adiabatis

4-1 : Langkah buang isokhorik

3)   Sistem terisolasi

Sistem yang mengakibatkan tidak terjadinya pertukaran panas, zat atau kerja dengan lingkungannya. Contohnya : air yang disimpan dalam termos dan tabung gas yang terisolasi. Dalam kenyataan, sebuah sistem tidak dapat terisolasi sepenuhnya dari lingkungan, karena pasti ada terjadi sedikit pencampuran, meskipun hanya penerimaan sedikit penarikan gravitasi. Dalam analisis sistem terisolasi, energi yang masuk ke sistem sama dengan energi yang keluar dari sistem.

Karakteristik yang menentukan sifat dari sistem disebut property (koordinat sistem/variabel keadaan sistem), seperti tekanan (p), temperatur (T), volume (v), masa (m), viskositas, konduksi panas dan lain-lain. Selain itu ada juga koordinat sistem yang didefinisikan dari koordinat sistem yang lainnya seperti, berat jenis, volume spesifik, panas jenis dan lain-lain. Suatu sistem dapat berada pada suatu kondisi yang tidak berubah, apabila masing-masing jenis koordinat sistem tersebut dapat diukur pada semua bagiannya dan tidak berbeda nilainya. Kondisi tersebut disebut sebagai keadaan (state) tertentu dari sistem, dimana sistem mempunyai nilai koordinat yang tetap. Apabila koordinatnya berubah, maka keadaan sistem tersebut disebut mengalami perubahan keadaan. Suatu sistem yang tidak mengalami perubahan keadaan disebut sistem dalam keadaan seimbang (equilibrium). 

Adapun sistem terisolasi adalah jika antara sistem dan lingkungan tidak terjadi pertukaran materi dan energi.

§  Usaha Sistem pada Lingkungan, yaitu Usaha yang dilakukan sistem pada lingkungannya merupakan ukuran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan.

§  Usaha pada Beberapa Proses Termodinamika, yaitu dalam termidinamika terdapat berbagai proses perubahan keadaan sistem, yaitu proses isotermal, isobarik, isokhorik, dan adiabatik.

Pitot Tube Dan Tiga Instrument Penting Pada Pesawat Terbang

Nama Komponen

·           Pitot Tube : Tabung pitot adalah perangkat berbentuk L yang terletak di bagian luar pesawat yang digunakan untuk mengukur kecepatan udara. Ini memiliki lubang kecil di bagian depan tabung dimana tekanan udara ram (tekanan dinamis) memasuki tabung dan lubang pembuangan di bagian belakang tabung.Beberapa jenis atau tabung pitot memiliki elemen pemanas elektronik di dalam tabung yang mencegah es menghalangi saluran masuk udara atau lubang pembuangan.

·           Static Port : Port statis adalah saluran masuk udara kecil, biasanya terletak di sisi pesawat, disiram ke badan pesawat. Port statis mengukur tekanan udara statis (tidak bergerak), yang juga dikenal sebagai tekanan ambien atau tekanan barometrik. Beberapa pesawat memiliki lebih dari satu port statis dan beberapa pesawat memiliki port statis alternatif jika satu atau lebih port diblokir.

·           Instrument : Sistem pitot-static melibatkan tiga instrumen: Indikator kecepatan udara, altimeter, dan indikator kecepatan vertikal. Garis statis terhubung ke ketiga instrumen dan tekanan udara ram dari tabung pitot hanya menghubungkan indikator kecepatan udara.

·           Alternate Static Port (jika terpasang) : Tuas di kokpit beberapa pesawat mengoperasikan port statis alternatif jika port statis utama mengalami penyumbatan. Dengan menggunakan sistem statis alternatif dapat menyebabkan pembacaan yang sedikit tidak akurat pada instrumen, karena tekanan di kabin biasanya lebih tinggi daripada pada port statis utama yang diukur pada ketinggian.

Operasi normal

Sistem statik pitot bekerja dengan mengukur dan membandingkan tekanan statis dan dalam kasus indikator kecepatan udara, baik tekanan statis maupun dinamis.

 

·           Air speed Indicator atau Indikator kecepatan udara adalah case tabung tertutup dengan diafragma aneroid di dalamnya. Instrument di sekitar diafragma terdiri dari tekanan statis, dan diafragma diberikan dengan tekanan statis dan dinamis terhadapnya.Ketika kecepatan udara meningkat, tekanan dinamik di dalam diafragma meningkat juga, menyebabkan diafragma melebar. Melalui hubungan mekanis dan roda gigi, kecepatan udara digambarkan oleh jarum pada permukaan instrumen.

·           Altimeter: Altimeter bertindak sebagai barometer dan juga dilengkapi dengan tekanan statis dari port statis. Di dalam kotak instrumen yang disegel adalah tumpukan diafragma aneroid tertutup, juga dikenal sebagai wafer. Wafer ini disegel dengan tekanan internal yang dikalibrasi menjadi 29,92 "Hg, atau tekanan atmosfir standar. Mereka berkembang dan berkontraksi saat tekanan meningkat dan jatuh dalam instrumen di sekitarnya. Jendela Kollsman di dalam kokpit memungkinkan pilot untuk mengkalibrasi instrumen tersebut pengaturan altimeter lokal untuk memperhitungkan tekanan atmosfir yang tidak standar.

·           VSI: Indikator kecepatan vertikal memiliki diafragma disegel tipis yang terhubung ke port statis. Kasus instrumen sekitarnya juga disegel dan dipasok tekanan udara statis dengan kebocoran meteran di bagian belakang kasus ini. Kebocoran meteran ini mengukur perubahan tekanan secara bertahap, yang berarti jika pesawat terus mendaki, tekanan tidak akan pernah bisa mengejar satu sama lain, sehingga memungkinkan informasi tingkat diukur pada permukaan instrumen. Begitu tingkat pesawat turun, tekanan dari kebocoran meteran dan tekanan statis dari dalam diafragma menyamakan kedudukan, dan tombol VSI kembali ke nol untuk menunjukkan tingkat penerbangan.

Kesalahan dan Operasi Abnormal

Masalah yang paling umum dengan sistem pitot-static adalah penyumbatan tabung pitot atau port statis, atau keduanya.

·           Jika tabung pitot tersumbat, dan lubang pembuangannya tetap bersih, kecepatan udara akan nol.

·           Jika tabung pitot dan lubang pembuangannya diblokir, indikator kecepatan udara akan bertindak seperti altimeter, membaca kecepatan udara yang lebih tinggi dengan kenaikan ketinggian. Keadaan ini bisa berbahaya jika tidak segera dikenali.

·           Jika port statis tersumbat dan tabung pitot tetap beroperasi, indikator kecepatan udara hampir tidak akan berfungsi dan indikasi akan tidak akurat. Altimeter akan membeku di tempat penyumbatan terjadi dan VSI akan menunjukkan nol.

Masalah lain dengan sistem pitot-static mencakup kelelahan logam, yang dapat memburuknya elastisitas diafragma. Selain itu, turbulensi atau manuver mendadak dapat menyebabkan pengukuran tekanan statis yang keliru.