Termodinamika: Hukum Pertama & Sifat Zat Kerja

Termodinamika adalah bahasa semua mesin dan sistem energi — dari mesin diesel kapal sampai sistem pendingin reefer. Modul ini membahas sistem & batas sistem, properti, hukum pertama (kekekalan energi), tabel uap, dan cara membedakan proses-proses termodinamika.

Mengapa termodinamika penting bagi mechanical engineer

Setiap alat yang mengubah energi termal menjadi kerja (mesin) atau sebaliknya (pendingin, pompa kalor) tunduk pada hukum termodinamika. Di kapal: mesin induk (main engine), generator diesel, boiler, fresh water generator, sistem pendingin ruang muat. Di galangan: shop painting dengan oven, compressed air, sistem HVAC. Tidak ada yang lolos dari hukum pertama.

Konsep kunci

1. Sistem, batas sistem, dan lingkungan

• Sistem: volume yang kita pilih untuk dianalisis.
• Batas sistem (boundary): permukaan pemisah, boleh tetap atau bergerak.
• Lingkungan: semua di luar batas.

Tiga jenis sistem klasik:

Penting untuk analisis mesin: silinder mesin dengan katup tertutup = sistem tertutup (massa gas tetap, tapi piston bisa bergerak). Turbocharger, kondensor, pompa = volume kontrol (open system) karena fluida mengalir masuk-keluar terus.

2. Properti, keadaan, dan proses

Properti adalah besaran yang hanya tergantung keadaan, bukan cara mencapainya (path-independent): tekanan P, suhu T, volume spesifik v, entalpi h, entropi s, energi dalam u.

Keadaan (state): kondisi sistem yang didefinisikan oleh dua properti independen. Proses: perubahan dari keadaan 1 ke keadaan 2.

Fungsi keadaan vs fungsi lintasan: Δu, Δh hanya tergantung keadaan awal-akhir. Panas Q dan kerja W bukan properti — bergantung pada lintasan.

3. Tabel uap & bagan Mollier

Untuk fluida termodinamika nyata (air, refrigeran), hubungan P-v-T tidak ideal. Gunakan tabel uap:

• Keadaan terkompresi (subcooled): cairan di bawah suhu jenuh pada tekanan itu
• Keadaan jenuh (saturated): cairan & uap berada dalam kesetimbangan — tekanan dan suhu tidak independen (di sini kualitas x berlaku: x = mv/(mv+ml), nilai 0 = cairan jenuh, 1 = uap jenuh)
• Keadaan superpanas (superheated): uap di atas suhu jenuh pada tekanan itu

v = vf + x·(vg - vf)
u = uf + x·(ug - uf)
h = hf + x·(hg - hf)

4. Hukum pertama untuk sistem tertutup

ΔU = Q - W

• Q panas: masuk ke sistem positif
• W kerja: dilakukan oleh sistem positif (sistem mengembang mendorong piston)
• Untuk gas ideal: ΔU = m·cv·ΔT

Bentuk laju untuk volume kontrol (yang dipakai untuk mesin sungguhan):

Q̇ - Ẇ = Σṁ_out·(h + V²/2 + gz)_out - Σṁ_in·(h + V²/2 + gz)_in

Catatan penting: entri pakai entalpi h = u + Pv, bukan energi dalam, karena fluida yang masuk harus didorong masuk melawan tekanan sistem (flow work).

5. Jenis proses yang sering muncul

Langkah penyelesaian soal hukum pertama

1. Pilih sistem dan gambarkan batasnya (closed atau CV?).
2. Tentukan keadaan awal & akhir — cukupkah datanya? Gunakan tabel uap bila air, gas ideal bila pada suhu tinggi/tekanan rendah.
3. Tulis persamaan energi (closed atau CV).
4. Asumsikan yang patut diasumsikan dan tulis asumsinya: aliran tunak (steady state), perubahan KE/PE diabaikan, adiabatik bila isolasi tebal.
5. Hitung properti dari tabel/rumus gas ideal.
6. Hitung Q atau W dan beri tanda yang benar.
7. Cek: apakah hasilnya masuk akal? Panas masuk harus menaikkan energi atau menghasilkan kerja.

Aplikasi di kapal & galangan

• Mesin diesel dua-langkah: siklus Otto/Diesel ideal → efisiensi termal η = 1 - 1/r^(γ-1) (Otto). Ini menentukan SFOC (specific fuel oil consumption).
• Turbocharger: volume kontrol adiabatik — kerja dari gas buang memompa udara masuk.
• Fresh water generator: penguapan air laut memakai panas sisa air pendingin jaket (jacket water) — murni pertukaran kalor yang menahan hukum pertama.
• Reefer container / cold storage: siklus refrigerasi kompresi uap — evaporator menyerap panas muatan, kondensor membuangnya.
• Boiler & economizer: air dipanaskan bertahap; pemahaman keadaan jenuh penting untuk mencegah kerak (scaling) dan carry-over.

Ringkasan rumus