Termodinamika Teknik: Dasar dan Prinsip
Prinsip-prinsip termodinamika teknik memainkan peran penting dalam menuju dunia yang lebih baik, melalui peningkatan kinerja pabrik, peralatan, dan desain keseluruhan mereka.
Faktor-faktor yang kritis dalam menilai kinerja peralatan adalah hal-hal seperti hasil produk akhir, konsumsi bahan baku input, biaya produksi, dan penilaian dampak terhadap lingkungan. Insinyur saat ini menggunakan konsep termodinamika untuk memeriksa dan menciptakan kembali hal-hal yang dimaksudkan untuk keamanan dan kenyamanan manusia.
Ilmu termodinamika telah ada sejak abad ke-19. Sejak itu, para ilmuwan dan insinyur terus berupaya membuatnya semudah mungkin untuk digunakan.
Prinsip-Prinsip Termodinamika
Kata termodinamika berasal dari kata Yunani theme (berarti panas) dan dynamics (berarti gaya). Profesional teknik tertarik mempelajari sistem dan interaksi mereka dengan lingkungannya.
Konsep/Definisi yang digunakan dalam bagian ini membantu pembaca dalam memahami konsep termodinamika teknik (kadang-kadang disebut Teknik Panas-Power)
Sistem, Lingkungan, dan Semesta
Sistem adalah sesuatu yang ingin kita pelajari dan tertarik, sehingga langkah pertama adalah menetapkan secara tepat tujuan studi sistem. Tujuan studi sistem dapat meningkatkan efisiensi sistem atau mengurangi kerugian, dll. Contoh Sistem dapat dianalisis siklus pendinginan di pabrik penyimpanan dingin atau menganalisis siklus Rankine di pembangkit listrik.
Sistem didefinisikan sebagai massa zat murni tertentu yang dibatasi oleh permukaan tertutup atau fleksibel; demikian pula, komposisi zat di dalam sistem dapat tetap atau berubah tergantung pada siklus.
Dimensi sistem tidak harus konstan (seperti udara dalam kompresor dikompresi oleh piston) bisa berubah (seperti balon yang dipompa). Zat yang berinteraksi dengan sistem secara eksternal disebut Lingkungan dan Semesta adalah hasil dari sistem dan lingkungan.
Elemen yang memisahkan sistem dari lingkungannya disebut batas. Batas sistem dapat tetap atau bergerak.
Interaksi antara sistem dan lingkungan terjadi dengan melewati batas dan karenanya memainkan peran yang sangat penting dalam termodinamika (yaitu teknik panas dan daya).
Jenis-Jenis Sistem dalam Termodinamika
Ada dua jenis dasar sistem dalam termodinamika:
Sistem Tertutup atau Massa Kontrol: berhubungan dengan jumlah zat tertentu. Berbeda dengan sistem terbuka, dalam sistem tertutup, tidak ada aliran massa zat yang terjadi di seberang batas sistem. Ada juga jenis khusus sistem tertutup yang tidak berinteraksi dan terisolasi dari lingkungan disebut sistem terisolasi.
Volume Kontrol (Sistem Terbuka): Volume kontrol dibatasi pada suatu wilayah ruang di mana massa dan energi dapat mengalir dan melewati batas sistem. Batas sistem terbuka disebut permukaan kontrol; permukaan kontrol ini dapat nyata atau tidak nyata.
Contoh volume kontrol adalah peralatan yang melibatkan aliran massa untuk melewati batas sistem seperti aliran air melalui pompa, aliran uap di turbin, dan aliran udara melalui kompresor udara.
Termodinamika Mikroskopis
Pendekatan mikroskopis dalam termodinamika juga disebut termodinamika statistik dan berhubungan dengan struktur zat dan tujuan termodinamika statistik adalah untuk mengkarakterisasi perilaku rata-rata partikel yang membentuk sistem yang dituju dan kemudian menggunakan informasi ini untuk mengamati perilaku makroskopis sistem.
Properti, Keadaan, dan Proses Termodinamika
Properti Termodinamika
Properti termodinamika adalah karakteristik makroskopis dari suatu sistem. Nilai properti dapat ditetapkan pada waktu tertentu tanpa mengetahui nilai sebelumnya dan perilakunya.
Properti Ekstensif
Properti yang bergantung pada massa disebut properti ekstensif dan nilainya untuk sistem keseluruhan adalah penjumlahan nilainya untuk bagian-bagian di mana sistem dibagi. Contoh properti ekstensif adalah Volume, Energi, dan Massa. Properti ekstensif bergantung pada ukuran sistem dan dapat berubah seiring waktu.
Properti Intensif
Berbeda dengan properti ekstensif, properti intensif tidak bergantung pada massa dan bersifat non-aditif dan tidak bergantung pada ukuran total sistem. Dapat bervariasi di tempat yang berbeda dalam sistem pada saat tertentu. Contoh properti intensif adalah tekanan dan suhu.
Keadaan Termodinamika
Keadaan didefinisikan sebagai kondisi sistem yang paling baik digambarkan oleh propertinya. Massa yang terkandung dalam sistem dapat ditemukan dalam berbagai kondisi unik, disebut keadaan. Ada hubungan antara properti sistem tetapi keadaan dapat ditentukan dengan memberikan nilai subset dari propertinya.
Proses Termodinamika
Proses termodinamika adalah konversi dari satu keadaan ke keadaan lain. Jika nilai properti makroskopis dalam sistem pada dua waktu yang berbeda identik maka sistem dikatakan berada dalam keadaan yang sama pada waktu tersebut. Kondisi steady state sistem dicapai jika tidak ada properti yang berubah seiring waktu.
Siklus Kesetimbangan Sistem
Siklus kesetimbangan sistem termodinamika adalah proses berurutan yang dimulai dan berakhir dengan kondisi keadaan yang sama. Ketika siklus selesai, semua propertinya memiliki nilai yang sama seperti di awal. Semua siklus yang berulang secara teratur memainkan peran penting dalam banyak area aplikasi, seperti sirkulasi kondensat di stasiun pembangkit listrik termal menjalankan siklus.
Zat Kerja
Teori materi membantu dalam memahami konsep energi. Materi dikenal karena massanya, volumenya, dan ruangnya, dan terlepas dari struktur dan sifatnya, ia memiliki karakteristik tertentu seperti konsistensi dan keandalan. Materi terbuat dari sejumlah besar partikel yang disebut molekul. Seseorang dapat menemukan zat padat, cair, atau gas di mana-mana.
Dalam zat padat, molekul berdekatan dan terikat kuat dan tidak dapat bergerak bebas. Oleh karena itu, diperlukan gaya besar untuk mengubah bentuknya.
Molekul dalam zat cair tidak terikat kuat dan oleh karena itu gaya kecil cukup untuk menjaga molekul-molekul tersebut bersama.
Dalam keadaan gas, molekul bergerak acak dan bebas seolah-olah dalam keadaan tidak terikat, maka bergerak sangat cepat terlepas dari molekul sekitarnya. Kompressibilitas berkaitan dengan gas, memiliki banyak ruang kosong antara molekul-molekul yang terhubung. Energi adalah alasan materi untuk ada dalam fase yang berbeda.
Zat Murni
Bahan dengan struktur kimia tunggal atau homogenitas dalam struktur kimia variabel dikenal sebagai zat murni. Bahan dapat ada dalam satu fase seperti cairan atau dapat juga ada dalam lebih dari satu fase dalam keseimbangan satu sama lain. Campuran seragam gas dengan komposisi kimia yang sama juga disebut zat murni.
Kepentingan zat murni adalah dalam menentukan sifat-sifat zat kerja dalam berbagai kondisi tekanan dan suhu.
Contoh: Untuk zat murni seperti air dapat dinyatakan sepenuhnya oleh dua properti intensif yang merdeka yaitu tekanan dan suhu. Zat murni lainnya adalah udara dalam keadaan gas. Tetapi untuk zat tidak homogen, diperlukan lebih dari dua properti untuk mendeskripsikan keadaannya.
Kesetimbangan Termodinamika
Dalam mekanika, kesetimbangan dikatakan telah tercapai ketika kita menyamakan gaya-gaya yang bertentangan. Namun, arti kesetimbangan termodinamika berbeda dan lebih luas karena melibatkan keseimbangan bagi banyak pengaruh lain (antara sistem dan lingkungan) selain keseimbangan gaya yang bertentangan. Untuk mencapai keseimbangan lengkap dalam sistem, perlu memenuhi syarat untuk keseimbangan mekanik, termal, fase, dan kimia.
Dalam bagian ini, kami membatasi diskusi kami pada kesetimbangan termodinamika. Penekanan pada keadaan kesetimbangan dan perubahan dari satu kesetimbangan ke kesetimbangan lainnya paling baik dijelaskan oleh Termodinamika Klasik
