BAB 2 ENERGI DAN HUKUM TERMODINAMIKA I
BAB 2
ENERGI DAN HUKUM TERM ODINAM IKA I
Bab ini hanya akan membahas Sistem Tertutup (Massa Atur).
Energi
Energi: konsep dasar Termodinamika.
Energi:
- dapat disimpan, di dalam sist em
- dapat diubah bent uknya
- dapat dipindahkan, dalam bent uk Kerja at au Panas
- t idak dapat dicipt akan at au dimusnahkan
Gagasan bahwa Energi itu tetap Lestari adalah Hukum
Thermodinamika Pertama
REVIEW KONSEP M EKANIKA M ENGENAI ENERGI
•
Sebuah benda dengan massa m
mempunyai kecepatan V akibat gaya luar F
yang mengikut i lintasannya.
•
Gaya resultan F dapat dipisah menjadi:
a)
Fs yang searah lintasan dan
menyebabkan perubahan besaran
kecepatan, dan
b)
Fn yang tegak lurus lintasan dan
menyebabkan perubahan arah
kecepatan.
Dari Hukum Newton kedua:
• Dengan mengat ur ulang persamaan dan mengint egrasi, maka:
• Suku di sebelah kiri adalah PERUBAHAN ENERGI KINETIK,
• Sedangkan suku sebelah kanan adalah KERJA:
Energi Kinetik adalah sifat EKSTENSIF dengan satuan sama
dengan energi atau kerja, yaitu: joule, J, ft.lbf, atau Btu.
• Persamaan ini menyat akan bahwa kerja dari gaya result an adalah
perubahan energi kinet ik benda. Dalam kat a lain, PERPINDAHAN
energi sebagai KERJA PADA benda dapat DISIM PAN dalam bent uk
ENERGI KINETIK.
ENERGI POTENSIAL AKIBAT GRAVITASI
•
Perhat ikan sebuah benda dengan massa m
bergerak vert ikal dari z1 ke z2
•
Pada benda tersebut terdapat dua gaya:
a)Fg = m.g = gaya gravitasi ke bawah, dan
b)R = gaya luar lainnya ke atas.
•
Dari persamaan sebelumnya, perubahan
energi kinet ik adalah kerja totalnya akibat
dari gaya-gaya tersebut :
•
Suku kedua integral di atas adalah
PERUBAHAN ENERGI POTENSIAL AKIBAT
GRAVITASI yang dapat dievaluasi sebagai:
• Energi Pot ensial akibat hal lain dapat berupa energi pot ensial
akibat perbedaan volt ase list rik, akibat perbedaan t ekanan, dll.
• Energi Pot ensial adalah sifat EKSTENSIF dengan sat uan sama
dengan energi at au kerja, yait u: joule, J, ft .lbf, at au Bt u.
M ENGEVALUASI PERPINDAHAN ENERGI SEBAGAI KERJA
• Kerja dapat dihit ung berdasarkan dua variabel yang dapat
diukur:
• Definisi KERJA berdasarkan Termodinamika:
•
Kerja
adalah
CARA
perpindahan energi. Bukan APA
yang dipindahkan.
Yang DIPINDAHKAN adalah
ENERGI, jadi Kerja bukan apa
yang
di
pindahkan
atau
disimpan pada sistem.
• Kerja BUKAN SIFAT. Tidak dipunyai oleh benda. Kerja bergant ung
pada rincian proses dari sat u t ingkat keadaan ke t ingkat keadaan
lainnya
DAYA:
Laju perpindahan energi sebagai kerja. Satuan daya: J/s atau watt atau W,
ft.lbf/s, Btu/h, atau hp (daya kuda).
Atau :
KERJA EKSPANSI ATAU KOMPRESI
Pada saat berekspansi, tekanan gas memberikan gaya normal pada torak sebesar:
F = p.A. Kerja sistem ketika torak bergerak sebesar dx adalah:
•
dV positif bila volume bertambah, sehingga Kerja dari sistem positif bila volume
bertambah atau berekspansi. Sebaliknya, bila terjadi kompresi, maka dV negatif
dan arah kerja menjadi sebaliknya.
KONVENSI TANDA
(dipilih karena banyak digunakan pada analisis turbin, motor bakar, dll.)
W > 0: kerja dilakukan OLEH sistem, PADA sekeliling (Ekspansi)
W < 0: kerja dilakukan PADA sistem OLEH sekeliling (Kompresi)
•
Kerja sistem saat fluida berekspansi dapat dihitung sebagai:
•
Integral ini dapat dievaluasi bila hubungan antara p dan V dapat diperoleh
dengan pasti.
•
Pada kenyataannya, hal ini tidak dapat diperoleh. Oleh karena itu, diasumsikan
sistem berada pada suatu tingkat keadaan semu yang disebut
KESETIMBANGAN KUASI (quasi-equilibrium).
GAMBARAN PROSES KESETIMBANGAN KUASI
(quasi-equilibrium).
Penggambaran proses ini pada diagram p-V menghasilkan luas di bawah kurva
yang merupakan kerja dari sistem saat berekspansi. Kerja bergantung pada
proses tidak hanya dari kondisi awal dan akhir tingkat keadaan
PROSES POLITROPIK:
Proses dimana hubungan antara p dan V berupa: p.Vn = konstan.
n=konstanta proses dari partikel
Kerja unt uk berbagai proses polit ropik:
BEBERAPA CONTOH KERJA LAINNYA:
Perpanjangan batang pejal,
Perengangan lapisan cairan,
Penyaluran daya poros transmisi,
Kerja elektrik,
Kerja akibat magnetisasi atau polarisasi,
Dll.
HUKUM TERM ODINAM IKA PERTAM A (1850an):
Fakta menyatakan bahwa pada proses adiabatika (Q = 0), maka kerja netto yang
terjadi antara dua tingkat keadaan selalu sama. Oleh karena itu, kerja oleh atau
dari suatu sistem tertutup yang mengalami proses adiabatik hanya bergantung
pada tingkat keadaan awal dan akhirnya saja dan tidak bergantung pada proses
adiabatiknya.
Perubahan Energinya adalah:
Dalam M ekanika ENERGI TOTAL (E):
ENERGI DALAM (U): adalah jumlah total dari energi mikroskopika sistem
akibat getaran, rotasi, translasi, tarikan, dll. antara molekul sistem.
PERPINDAHAN ENERGI SEBAGAI PANAS (Q):
Panas adalah modus perpindahan energi yang bukan sebagai Kerja, dan hanya akan
terjadi akibat adanya perbedaan temperatur, dengan arah dari temperatur tinggi ke
temperatur rendah.
KONVENSI TANDA
(dipilih karena banyak digunakan pada analisis PLTU, motor bakar, dll.)
Q > 0: panas berpindah dari sekeliling ke sistem.
Q < 0: panas berpindah dari sistem ke sekeliling.
MODUS PERPINDAHAN ENERGI SEBAGAI PANAS:
A. KONDUKSI: Terjadi ket ika ada perbedaan temperat ure antara 2 permukaan
yang terpisah oleh material solid atau fluida Konduksi terjadi karena adanya
kontak molekul/ part ikel.
B. RADIASI: Energi radiasi dibawa melalui gelombang elekt romagnet ik berbeda
dengan perpindahan panas konduksi atau konveksi yang membut uhkan suat u
media, radiasi t idak
C. KONVEKSI: Perpindahan energi yang disertai perpindahan massa.
PRINSIP KONSERVASI ENERGI PADA SISTEM TERTUTUP:
Persamaan ini dapat pula disebut Hukum Termodinamika I untuk
sistem tertutup.
Contoh : Pendinginan gas di dalam Piston - Silinder
ENERGI ANALISIS SIKLUS:
SIKLUS DAYA: Siklus yang menghasilkan daya.
Kerja netto siklus
Efisiensi Termal:
SIKLUS PENDINGIN DAN POM PA PANAS:
Siklus unt uk mendinginkan at au memanaskan ruangan. .
Kerja netto siklus
Koefisien Prestasi
( Coefficient of Performance: COP):
Untuk Siklus Pendingin (yang diinginkan
adalah efek pendinginan):
Untuk Siklus Pompa Panas (yang diinginkan
adalah efek pemanasan):
Asumsi yang dapat digunakan dalam analisis M assa Atur
(beberapa istilah akan diberikan pada bab lain)
Asumsi yang dapat digunakan dalam analisis M assa Atur
(beberapa istilah akan diberikan pada bab lain)
SOAL :
HW
ENERGI DAN HUKUM TERM ODINAM IKA I
Bab ini hanya akan membahas Sistem Tertutup (Massa Atur).
Energi
Energi: konsep dasar Termodinamika.
Energi:
- dapat disimpan, di dalam sist em
- dapat diubah bent uknya
- dapat dipindahkan, dalam bent uk Kerja at au Panas
- t idak dapat dicipt akan at au dimusnahkan
Gagasan bahwa Energi itu tetap Lestari adalah Hukum
Thermodinamika Pertama
REVIEW KONSEP M EKANIKA M ENGENAI ENERGI
•
Sebuah benda dengan massa m
mempunyai kecepatan V akibat gaya luar F
yang mengikut i lintasannya.
•
Gaya resultan F dapat dipisah menjadi:
a)
Fs yang searah lintasan dan
menyebabkan perubahan besaran
kecepatan, dan
b)
Fn yang tegak lurus lintasan dan
menyebabkan perubahan arah
kecepatan.
Dari Hukum Newton kedua:
• Dengan mengat ur ulang persamaan dan mengint egrasi, maka:
• Suku di sebelah kiri adalah PERUBAHAN ENERGI KINETIK,
• Sedangkan suku sebelah kanan adalah KERJA:
Energi Kinetik adalah sifat EKSTENSIF dengan satuan sama
dengan energi atau kerja, yaitu: joule, J, ft.lbf, atau Btu.
• Persamaan ini menyat akan bahwa kerja dari gaya result an adalah
perubahan energi kinet ik benda. Dalam kat a lain, PERPINDAHAN
energi sebagai KERJA PADA benda dapat DISIM PAN dalam bent uk
ENERGI KINETIK.
ENERGI POTENSIAL AKIBAT GRAVITASI
•
Perhat ikan sebuah benda dengan massa m
bergerak vert ikal dari z1 ke z2
•
Pada benda tersebut terdapat dua gaya:
a)Fg = m.g = gaya gravitasi ke bawah, dan
b)R = gaya luar lainnya ke atas.
•
Dari persamaan sebelumnya, perubahan
energi kinet ik adalah kerja totalnya akibat
dari gaya-gaya tersebut :
•
Suku kedua integral di atas adalah
PERUBAHAN ENERGI POTENSIAL AKIBAT
GRAVITASI yang dapat dievaluasi sebagai:
• Energi Pot ensial akibat hal lain dapat berupa energi pot ensial
akibat perbedaan volt ase list rik, akibat perbedaan t ekanan, dll.
• Energi Pot ensial adalah sifat EKSTENSIF dengan sat uan sama
dengan energi at au kerja, yait u: joule, J, ft .lbf, at au Bt u.
M ENGEVALUASI PERPINDAHAN ENERGI SEBAGAI KERJA
• Kerja dapat dihit ung berdasarkan dua variabel yang dapat
diukur:
• Definisi KERJA berdasarkan Termodinamika:
•
Kerja
adalah
CARA
perpindahan energi. Bukan APA
yang dipindahkan.
Yang DIPINDAHKAN adalah
ENERGI, jadi Kerja bukan apa
yang
di
pindahkan
atau
disimpan pada sistem.
• Kerja BUKAN SIFAT. Tidak dipunyai oleh benda. Kerja bergant ung
pada rincian proses dari sat u t ingkat keadaan ke t ingkat keadaan
lainnya
DAYA:
Laju perpindahan energi sebagai kerja. Satuan daya: J/s atau watt atau W,
ft.lbf/s, Btu/h, atau hp (daya kuda).
Atau :
KERJA EKSPANSI ATAU KOMPRESI
Pada saat berekspansi, tekanan gas memberikan gaya normal pada torak sebesar:
F = p.A. Kerja sistem ketika torak bergerak sebesar dx adalah:
•
dV positif bila volume bertambah, sehingga Kerja dari sistem positif bila volume
bertambah atau berekspansi. Sebaliknya, bila terjadi kompresi, maka dV negatif
dan arah kerja menjadi sebaliknya.
KONVENSI TANDA
(dipilih karena banyak digunakan pada analisis turbin, motor bakar, dll.)
W > 0: kerja dilakukan OLEH sistem, PADA sekeliling (Ekspansi)
W < 0: kerja dilakukan PADA sistem OLEH sekeliling (Kompresi)
•
Kerja sistem saat fluida berekspansi dapat dihitung sebagai:
•
Integral ini dapat dievaluasi bila hubungan antara p dan V dapat diperoleh
dengan pasti.
•
Pada kenyataannya, hal ini tidak dapat diperoleh. Oleh karena itu, diasumsikan
sistem berada pada suatu tingkat keadaan semu yang disebut
KESETIMBANGAN KUASI (quasi-equilibrium).
GAMBARAN PROSES KESETIMBANGAN KUASI
(quasi-equilibrium).
Penggambaran proses ini pada diagram p-V menghasilkan luas di bawah kurva
yang merupakan kerja dari sistem saat berekspansi. Kerja bergantung pada
proses tidak hanya dari kondisi awal dan akhir tingkat keadaan
PROSES POLITROPIK:
Proses dimana hubungan antara p dan V berupa: p.Vn = konstan.
n=konstanta proses dari partikel
Kerja unt uk berbagai proses polit ropik:
BEBERAPA CONTOH KERJA LAINNYA:
Perpanjangan batang pejal,
Perengangan lapisan cairan,
Penyaluran daya poros transmisi,
Kerja elektrik,
Kerja akibat magnetisasi atau polarisasi,
Dll.
HUKUM TERM ODINAM IKA PERTAM A (1850an):
Fakta menyatakan bahwa pada proses adiabatika (Q = 0), maka kerja netto yang
terjadi antara dua tingkat keadaan selalu sama. Oleh karena itu, kerja oleh atau
dari suatu sistem tertutup yang mengalami proses adiabatik hanya bergantung
pada tingkat keadaan awal dan akhirnya saja dan tidak bergantung pada proses
adiabatiknya.
Perubahan Energinya adalah:
Dalam M ekanika ENERGI TOTAL (E):
ENERGI DALAM (U): adalah jumlah total dari energi mikroskopika sistem
akibat getaran, rotasi, translasi, tarikan, dll. antara molekul sistem.
PERPINDAHAN ENERGI SEBAGAI PANAS (Q):
Panas adalah modus perpindahan energi yang bukan sebagai Kerja, dan hanya akan
terjadi akibat adanya perbedaan temperatur, dengan arah dari temperatur tinggi ke
temperatur rendah.
KONVENSI TANDA
(dipilih karena banyak digunakan pada analisis PLTU, motor bakar, dll.)
Q > 0: panas berpindah dari sekeliling ke sistem.
Q < 0: panas berpindah dari sistem ke sekeliling.
MODUS PERPINDAHAN ENERGI SEBAGAI PANAS:
A. KONDUKSI: Terjadi ket ika ada perbedaan temperat ure antara 2 permukaan
yang terpisah oleh material solid atau fluida Konduksi terjadi karena adanya
kontak molekul/ part ikel.
B. RADIASI: Energi radiasi dibawa melalui gelombang elekt romagnet ik berbeda
dengan perpindahan panas konduksi atau konveksi yang membut uhkan suat u
media, radiasi t idak
C. KONVEKSI: Perpindahan energi yang disertai perpindahan massa.
PRINSIP KONSERVASI ENERGI PADA SISTEM TERTUTUP:
Persamaan ini dapat pula disebut Hukum Termodinamika I untuk
sistem tertutup.
Contoh : Pendinginan gas di dalam Piston - Silinder
ENERGI ANALISIS SIKLUS:
SIKLUS DAYA: Siklus yang menghasilkan daya.
Kerja netto siklus
Efisiensi Termal:
SIKLUS PENDINGIN DAN POM PA PANAS:
Siklus unt uk mendinginkan at au memanaskan ruangan. .
Kerja netto siklus
Koefisien Prestasi
( Coefficient of Performance: COP):
Untuk Siklus Pendingin (yang diinginkan
adalah efek pendinginan):
Untuk Siklus Pompa Panas (yang diinginkan
adalah efek pemanasan):
Asumsi yang dapat digunakan dalam analisis M assa Atur
(beberapa istilah akan diberikan pada bab lain)
Asumsi yang dapat digunakan dalam analisis M assa Atur
(beberapa istilah akan diberikan pada bab lain)
SOAL :
HW