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.
