BUKU RANCANGAN PENGAJARAN MATA AJAR TERMODINAMIKA DASAR oleh Tim Dosen Mata Kuliah Termodinamika Dasar Fakultas Teknik Universitas Indonesia Maret 2016
DAFTAR ISI PENGANTAR BAB 1 INFORMASI UMUM 4 BAB 2 KOMPETENSI (CAPAIAN PEMBELAJARAN) MATA AJAR 1. Kompetensi (Capaian Pembelajaran Terminal) 2. Subkompetensi (Capaian Pembelajaran Penunjang) 3. Bagan Alir Capaian Pembelajaran BAB 3 BAHASAN DAN RUJUKAN 8 BAB 4 TAHAP PEMELAJARAN 10 BAB 5 BAB 6 BAB 7 RANCANGAN TUGAS DAN LATIHAN EVALUASI HASIL PEMELAJARAN MATRIKS KEGIATAN LAMPIRAN CONTOH SOAL TUGAS DAN EVALUASI hlm. 3 5 5 5 7
PENGANTAR Buku Rancangan Pembelajaran (BRP) mata kuliah Termodinamika Dasar disusun sebagai penuntun untuk mahasiswa dalam menjalani proses pemelajaran pada mata kuliah tersebut. Dalam kajiannya, Termodinamika telah berkembang dari sebuah ilmu yang mempelajari daya gerak dari panas atau kemampuan sebuah panas dalam menghasilkan daya menjadi sebuah ilmu yang memiliki ruang lingkup lebih besar dan secara umum berhubungan dengan energi dan sifat sifat zat. Luasnya ruang lingkup dan aplikasi Termodinamika telah menjadikannya sebagai kajian wajib bagi mahasiswa Teknik Mesin. Semoga BRP ini dapat membantu mahasiswa untuk dapat menjalani perkuliahan dan mengakhirinya kompetensi yang bermanfaat. Akhir kata, tim penulis mengucapkan terimakasih kepada berbagai pihak di lingkungan Universitas Indonesia dan semua pihak yang telah membantu dan menginspirasi dibuatnya buku ini. Depok, Maret 2016 Tim Dosen
BAB I INFORMASI UMUM 1. Nama Fakultas/Jenjang : Teknik /Sarjana (S1) 2. Nama mata kuliah : Termodinamika Dasar 3. Kode mata kuliah : ENGxxxxx 4. Semester ke- : 3 5. Jumlah SKS : 4 6. Metode pembelajara n : active learning 7. Mata kuliah yang menjadi prasyarat : - 8. Menjadi prasyarat untuk mata kuliah : Perpindahan Kalor dan Massa Sistem Fluida 9. Integrasi antara mata kuliah : - 10. Deskripsi mata kuliah : Mata kuliah ini memperkenalkan konsep dasar Termodinamika dan aplikasinya pada kehidupan nyata, serta memberikan pemahaman dan kemampuan analisis perancangan sistem Termodinamika. Sebagai cabang dari ilmu Fisika dan ilmu Teknik, seorang mahasiswa Teknik yang telah mempelajari Termodinamika harus memiliki pemahaman dan kemampuan analisis yang baik system Termodinamika dan interaksinya dengan lingkungan. Proses pemelajaran yang diterapkan adalah proses pemelajaran aktif responsi dengan diawali penjelasan awal dari pengajar materi yang akan dibahas setiap minggunya. Secara umum, konsep konsep yang harus dipahami oleh mahasiswa dalam mengikuti perkuliahan ini adalah konsep energy, hokum Termodinamika I, aplikasi dan analisisnya pada system tertutup dan control volume, Hukum Termodinamika II, konsep entropi dan aplikasinya dalam menentukan efisiensi isentropis, konsep exergi dan ketersediaan energy, serta berbagai siklus siklus termodinamika.
BAB 2 KOMPETENSI (CAPAIAN PEMBELAJARAN) MATA KULIAH TERMODINAMIKA DASAR 2.1. Kompetensi (Capaian Pemelajaran Terminal) Kemampuan menerapkan pengetahuan dasar matematika, ilmu sains dasar (fisika, kimia dan ilmu hayat), hukum hukum dan konsep - konsep dasar Termodinamika, proses proses Termodinamika, persamaan keadaan, analisis siklus-siklus termodinamika, perancangan sistem termodinamika serta teknologi informasi yang diperlukan untuk mencapai kompetensi dalam disiplin Teknik Mesin (C4). (Basic Mathematics and Science) Kemampuan mendeskripsikan permasalahan ilmiah terkait Termodinamika dan disiplin keilmuan Teknik Mesin serta menemukan solusi permasalahan permasalahan tersebut sesuai dengan kaidah kaidah yang berlaku (C4). (Problem Analysis) 2.2. Subkompetensi (Capaian Pemelajaran Penunjang) 2.2.1. Konsep Dasar dan Hukum Hukum Termodinamika (C2) 2.2.1.1. dapat mengidentifikasi kontrol volume, system tertutup, dan system transien (C2) 2.2.1.2. dapat memahami prinsip - prinsip keadaan (C2) 2.2.1.3. dapat mengidentifikasi sifat sifat intensif dan ekstensif (C2) 2.2.1.4. memahami konsep kesetimbangan (C2) 2.2.1.5. memahami konservasi massa (C2) 2.2.1.6. memahami konservasi energi (C2) 2.2.2. Aplikasi Termodinamika dalam Kehidupan (C3) 2.2.2.1. memahami prinsip kerja dan panas (C2) 2.2.2.2. memahami keterkaitan antara aspek aspek Termodinamika dengan kehidupan nyata (C2) 2.2.2.3. dapat melakukan perhitungan dasar terkait konsep konsep dasar Termodinamika yang berhubungan dengan aspek aspek kerja dan energi pada kehidupan nyata (C3) 2.2.3. Persamaan Keadaan (C3) 2.2.3.1. dapat membedakan antara ketiga jenis zat: gas ideal, zat kompresibel, dan zat inkompresibel (C2) 2.2.3.2. dapat menggunakan table sifat keadaan untuk menghitung sifat sifat zat kompresibel dan mengidentifikasi fase zat (C3) 2.2.3.3. dapat menggunakan persamaan persamaan keadaan untuk menghitung sifat sifat zat kompresibel (C3) 2.2.4. Analisis Proses dan Siklus Siklus Termodinamika (C4) 2.2.4.1. dapat menghitung kerja pada batas sistem dengan menggunakan PdV 2.2.4.2. dapat mengaplikasikan hukum pertama Termodinamika pada system tertutup (C3) 2.2.4.3. dapat mengaplikasikan hukum pertama Termodinamika pada control volume (C3)
2.2.4.4. dapat mengaplikasikan hukum pertama Termodinamika pada system transien (C3) 2.2.4.5. memahami dan mampu menghitung efisiensi termal untuk mesin termal dan koefisien kinerja untuk mesin pendingin dan pompa termal (C3) 2.2.4.6. memahami keterkaitan antara pernyataan Clausius, Kelvin Planck, dan Hukum II Termodinamika (C2) 2.2.4.7. memahami konsep reversibilitas (C2) 2.2.4.8. memahami prinsip siklus Carnot dan dapat melakukan kalkulasi efisiensi termal Carnot dan koefisien performa Carnot (C3) 2.2.4.9. memahami sifat Entropi dan dapat melakukan analisis berbagai jenis zat yang berbeda (C4) 2.2.4.10. dapat mengaplikasikan efisiensi isentropik untuk mesin kerja berdasarkan analisis kontrol volume (C4) 2.2.4.11. dapat menjelaskan definisi exergi, kerja reversible, destruksi exergi, efisiensi hukum ke II 2.2.4.12. dapat mengaplikasikan kesetimbangan exergi untuk system tertutup dan control volume 2.2.5. Perancangan Sistem Termodinamika (C4) 2.2.5.1. dapat melakukan kalkulasi untuk siklus pembangkit dan refrijerasi (C3) 2.2.5.2. dapat membandingkan dan melakukan kalkulasi serta analisis berbagai siklus siklus Termodinamika untuk perancangan sistem Termodinamika (C4)
2.3. Bagan Alir Kompetensi
BAB 3 BAHASAN DAN RUJUKAN 3.1. Kompetensi / Subkompetensi, Pokok Bahasan, Subpokok Bahasan, Estimasi Waktu, dan Rujukan Sub kompetensi 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.1.5 2.2.1.6 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 2.2.4.1 2.2.4.2 2.2.4.5 2.2.4.3 2.2.4.4 Pokok Bahasan Subpokok Bahasan Definisi dan Konsep Termodinamika dan Energi dasar Termodinamika Dimensi dan satuan Sistem dan Kontrol Volume Sifat sifat system Densitas dan Specific Gravity Keadaan dan Kesetimbangan Temperatur dan Hukum ke-nol Termodinamika Energi dan hukum I Proses dan Siklus Termodinamika Bentuk bentuk energi Transfer energy dengan kerja dan panas Bentuk mekanikal dari Kerja Hukum I Termodinamika Efisiensi Konversi Energi Energi dan Lingkungan Sifat sifat zat murni Zat murni dan fasenya Proses perubahan fasa zat murni Diagram property untuk proses perubahan fasa Tabel sifat keadaan dan aplikasinya Persamaan keadaan gas ideal dan persamaan keadaan lainnya Faktor kompresibilitas Tekanan uap dan kesetimbangan fasa Analisis energy pada Kesetimbangan energy untuk control massa (system system tertutup tertutup) Kalor spesifik gas ideal, solid, dan liquid Analisis hukum I Konservasi massa untuk control Termodinamika pada volume control volume Konservasi energy untuk control volume Analisis tunak dan transien Estimasi Waktu Rujukan 4x50 [1] BAB 1 [2] BAB 1 4x50 [1] BAB 2 [2] BAB 2 6x50 [1] BAB 3 [2] BAB 3 4x50 [1] BAB 2 [2] BAB 4 6x50 [1] BAB 4 [2] BAB 5 2.2.4.5 2.2.4.6 2.2.4.7 2.2.4.8 Hukum ke II Termodinamika Hukum II Termodinamika Pernyataan Kelvin - Planck Konsep irreversibilitas Aplikasi hukum II Termodinamika pada siklus Termodinamika 6x50 [1] BAB 5 [2] BAB 6
2.2.4.9 2.2.4.10 Siklus Carnot Skala temperature Termodinamika Entropi Introduksi entropi Perubahan entropi untuk proses reversible secara internal Perubahan entropi zat murni, liquid, solid, dan gas ideal Kesetimbangan entropi Proses isentropic Efisiensi isentropic 6x50 [1] BAB 6 [2] BAB 7 2.2.4.11 Exergi Definisi Exergi 2.2.4.12 Kesetimbangan exergi untuk system tertutup Transfer exergi melalui berbagai medium Kesetimbangan exergi untuk control volume Efisiensi hukum ke II 2.2.5.1 Siklus Gas Mesin Pembakaran Dalam Turbin Gas Aliran kompresibel: Nozzle dan Diffusers Analisis hokum ke II siklus gas 2.2.5.1 Siklus Uap Sistem Pembangkit Uap 2.2.5.2 Kalkulasi exergi untuk siklus pembangkit uap Siklus pembangkit uap - gas 2.2.5.1 Refrijerasi dan pompa Siklus carnot terbalik 2.2.5.2 kalor Sistem refrijerasi uap Sistem refrijerasi kompresi Sifat sifat refrijeran Sistem refrijerasi kompresi bertingkat Sistem refrijerasi absorpsi Pompa kalor 6x50 4x50 6x50 4x50 [1] BAB 7 [2] BAB 8 [1] BAB 9 [2] BAB 9 [1] BAB 8 [2] BAB 10 [1] BAB 10 [2] BAB 11 3.2. Daftar Rujukan : [1] Moran, Michael J. and Shapiro, Howard N. Fundamentals of Engineering Thermodynamics 5 th edition. Danvers: John Wiley & Sons, 2006. [2] Cengel, Yunus A. and Boles, Michael A. Thermodynamic: an Engineering Approach 5 th edition. Boston: McGraw-Hill, 2006.
BAB 4 TAHAP PEMELAJARAN Subkompetensi Orientasi (%) Tahap Pemelajaran* Latihan (%) Umpan balik (%) Media Teknologi 2.2.1.1 2.2.1.2 2.2.1.3 2.2.1.4 2.2.1.5 Introduksi dan penjelasan mata kuliah Termodinamika Dasar dan konsep konsep dasar Termodinamika (60%) 2.2.1.6 2.2.2.1 2.2.2.2 2.2.2.3 memberikan penjelasan komprehensif konsep energy dan hokum I Termodinamika (60%) 2.2.3.1 2.2.3.2 2.2.3.3 memberikan penjelasan dan motivasi pentingnya kajian zat zat murni dalam Termodinamika (60%) 2.2.4.1 2.2.4.2 2.2.4.5 menjelaskan pendekatan dan analisis energy pada system tertutup (60%) LCD Projector
2.2.4.3 2.2.4.4 menjelaskan pendekatan dan analisis energy pada control volume (60%) 2.2.4.5 2.2.4.6 2.2.4.7 2.2.4.8 memberikan penjelasan yang komprehensif hokum II Termodinamika dan aplikasinya (60%) 2.2.4.9 2.2.4.10 memberikan penjelasan yang komprehensif konsep entropi (60%) 2.2.5.1 memberikan penjelasan komprehensif dan ilustratif siklus-siklus Uap dan analisisnya (60%) dan meliputi studi kasus keteknikan yang relevan (PBL) 2.2.5.1 2.2.5.2 memberikan penjelasan komprehensif dan ilustratif siklus Gas dan analisisnya (60%) dan meliputi studi
kasus keteknikan yang relevan (PBL) 2.2.5.1 2.2.5.2 memberikan penjelasan komprehensif dan ilustratif siklus refrijerasi dan pompa kalor (60%) dan meliputi studi kasus keteknikan yang relevan (PBL) Catatan: *Tahap pembelajaran terdiri atas tiga, yakni orientasi (O), latihan (L), dan umpan Balik (U). Pada orientasi, pengajar memberikan penjelasan awal tentang pokok bahasan, materi dan metode latihan, waktu yang digunakan, dan sistem penilaian. Pada tahap latihan, mahasiswa melakukan aktivitas latihan sesuai dengan metode pembelajaran yang diterapkan (active learning (AL) dan Problem-based Learning (PBL). Pada tahap umpan balik, pengajar memberikan klarifikasi atas latihan yang telah dilaksanakan oleh mahasiswa dan dapat diikuti penugasan yang dikerjakan di rumah, termasuk tugas membaca bahan bacaaan untuk pertemuan berikutnya. Dalam hal metode pembelajaran, diterapkan metode pembelajaran aktif sebagai berikut. (1) Active Learning, dilaksanakan dengan cara memberikan latihan soal soal kepada mahasiswa dalam rangka memahami dan mengaplikasikan konsep Termodinamika dalam menyelesaikan permasalahan keteknikan (2) Problem-based Learning, dilakukan terhadap sebuah kasus yang ingin menggambarkan urgensi Termodinamika di dalam dunia keteknikan. dimotivasi agar mengerti dan dapat menerapkan konsep konsep Termodinamika dalam penyelesaian permasalahan di dunia keteknikan. Umpan balik dari pengajar adalah, memberikan masukan saran, dan mengklarifikasi hasil analisis terkait pemecahan permasalahan yang diberikan pada PBL.