Energi dan Hukum Pertama Termodinamika

Energi dan Hukum Pertama Termodinamika

Haolia Rahman PhD

Bagian 2 Termodinamika

Daftar Isi

• Review Konsep Energi Secara Mekanis

• Perluasan Makna Kerja

• Perluasan Makna Energi

• Transfer Energi Lewat Panas

• Kelestarian Energi untuk Sistem Massa Atur

• Analisa Energi untuk Suatu Siklus

Review Konsep Energi Secara Mekanis

Kerja dan Energi Kinetik

• Hukum Newton kedua dari gerakan:

- Percepatan dari suatu objek karena gaya yang sebanding dengan besarnya gaya tersebut, dalam arah yang sama dan berbanding terbalik dengan massa objek

Energi Potensial

• Proses penurunannya mirip dengan energi kinetik

Satuan Energi

• Satuan kerja sama dengan satuan gaya kali jarak (N.m) - Juga disebut Joule (J)

- Satuan dalam English = ft.Ibf - Satuan dalam British = Btu

• Satuan energi kinetik dan energi potensial sama dengan satuan kerja

Contoh

Suatu sistem, m=1 kg bergerak dengan kecepatan 15 m/s ke 30 m/s.

ketinggian objek menurun sebesar 10 m. Tentukan perubahan energi kinetic dan potensialnya dalam kJ. Gunakan g= 9.7 m/s²

Latihan 1

• Suatu sistem, m = 1 lb, bergerak dari kecepatan 50 ft/s ke 100 ft/s.

Ketinggian obyek menurun sebesar 40 ft. Tentukan perubahan energi kinetik dan potensialnya dalam Btu. Gunakan g = 32.0 ft/s².

Kelestarian Energi dalam Mekanika

• Total kerja dari semua gaya (kecuali gaya gravitasi) yang beraksi pada suatu objek dari lingkungannya, sama dengan jumlah perubahan

energy kinetik dan potensinya

• Untuk kasus tidak ada gaya lain kecuali gaya gravitasi

Perluasan makna “Kerja” dalam

Termodinamika

Kerja

• Kerja (W) yang dilakukan oleh atau pada suatu sistem yang dievaluasi dalam bentuk gaya dan perpindahan adalah

• Definisi kerja dalam termodinamika:

— Kerja dilakukan oleh suatu sistem terhadap Iingkungannya jika satu-satunya efek terhadap segala sesuatu diluar sistem adalah pemindahan suatu obyek dengan massa tertentu

• Kerja bukan suatu sifat (property)

• Kerja pada tingkat keadaan (state) tertentu tidak mempunyai arti

Contoh

• Kerja adalah “alat” untuk memindahkan energi

Konvensi Tanda dan Notasi

W > 0 : Kerja dilakukan oleh sistem W < 0 : Kerja dilakukan pada sistem

• Untuk mengurangi kemungkinan salah arti

-Arah enerfi sesuai dengan tanda panah pada sketsa sistem, dan kerja positif searah tanda panah

• Bentuk differensial kerja tidak eksak

• Sementara differensial sifat (property) adalah eksak

• Laju transter energy dalam bentuk kerja disebut daya

• Inegrasi untuk memperoleh energy transfer total oleh kerja

• Satuan

- SI : J/s, kW

- BU : ft.lbf/s , Btu/s, hp.

Daya

Contoh

Seorang naik sepeda dengan kecepatan 20 mile/jam.

Gaya seret (drag force) yang harus di lawan adalah

Dimana C_d= 0.88 adalah konstanta yang disebut dengan koefisien seret, A= 3.9 ft² adalah luas frontal dari sepeda dan pesepeda. ρ=0.075 lb/ft³ adalah massa jenis udara. Berapa daya yang harus dikeluarkan pesepeda ?

Latihan 2

Contoh

Model Kerja Ekspansi atau Kompresi

• Dapat diaplikasikan pada sembarang sistem selama tekanannya seragam pada batas yang bergerak

Kerja Ekpansi atau Kompresi pada Proses

Sebenarnya

Kerja Ekspansi atau kompresi pada proses

kesetimbangan Semu (Quasi-equilibrium)

Ilustrasi Lintasan Kerja

Proses Politropik

• Hubungan tekan dan volume, atau tekanan dan volume spesifik dapat di deskripsikan secara analitis

p = Tekanan (kPa) V = Volume (m³)

v = Volume spesifik (m³/kg) n = index politropik

Contoh:

Suatu gas dalam ruang silinder piston melakukan proses ekspansi dimana hubungan tekanan dan volumenya adalah

Tekanan awal adalah 3 bar, volume awal adalah, 0.1 m³ dan volume akhir adalah 0.2 m³. Tentukan kerja yang dilikukan, dalam kJ untuk (a) n = 1.5,

(b) n = 1.0, (c) n = 0

Solusi

• Diketahui : suatu gas melakukan proses ekspansi mengikuti

• Ditanya : Kerja jika n = 1.5 , 1.0, dan 0

P₁ = 3.0 bar V₁ = 0.1 m³

V₂ =0.2 m³

Solusi

P₁ = 3.0 bar V₁ = 0.1 m³

V₂ =0.2 m³ (a). n=1.5

Solusi

^PV1₁^{= 3.0 bar = 0.1 m3}

V₂ =0.2 m³ (b). n=1

(c). n=0

Contoh Kerja

Perluasan makna Energi

Energi Dalam (U) / Internal Energi

• Dalam termodinamika teknik, perubahan energi sistem diklasifikasikan karena perubahan 3 unsur energi :

- Perubahan energi kinetik: diasosiasikan dengan gerakan sistem sebagai satu obyek relatif terhadap kerangka koordinat luar

- Perubahan energi potensial gravitasi; diasosiasikan dengan posisi sistem sebagai satu obyek dalarn medan gravitasi bumi

- Semua perubahan energi-energi lainnya dikelompokkan Bersama dallam energi dalam (ΔU)

Transfer Energi Lewat Panas

Panas

• Disamping interaksi melalui kerja, sistem dapat berinteraksi dengan lingkungan melaui panas

• Konveksi tanda

Perpindahan Panas

• Jumlah perpindahan panas tergantung pada detail proses dan bukan sekedar tingkat keadaan awal dan akhir

• Jumlah transfer energi melalui panas :

• Formula lain dari Energi panas :

• Adiabatik berarti tidak ada perpindahan panas

Jenis Perpindahan Panas

• Konduksi

• Konveksi

- Konveksi alami - Konveksi paksa

- Boling and condensation

• Radiasi

Konduksi

Konveksi

Koefisien Konveksi

Radiasi

Kelestarian Energi untuk Sistem Massa Atur

Hukum Pertama Termodinamika

• Aspek mendasar dari konsep energy adalah energy lestari, juga disebut Hukum Pertama Termodinamika

• Untuk sistem massa atur, cara untuk mengubah energy adalah melalui kerja atau perpindahan panas

Hukum Pertama Termodinamika

• Hukum Pertama Termodinamika menyatakan bahwa energi adalah lestari (conserved).

Interaksi Sistem

Contoh

Gas sebanyak 0.4 kg didalam ruang silinder piston melakukan suatu proses dimana hubungan tekanan dan volume nya adalah sebagai berikut:

Tekanan dan volume awalnya adalah 3 bar dan 0.1 m³, dan volume akhirnya adalah 0.2 m³. perubahan energy dalam gas selama proses adalah u₂-u₁=-55 kJ/kg. Tidak ada perubahan energi kinetik dan potensial. Tentukan jumlah

perpindahan panas selama proses, dalam kJ.

Solusi

Contoh

Udara di dalam ruang silider piston dipasangi tahanan listrik. Tekanan

atmosfer di atas piston adalah 14.7 lbf/in². Massa dan luas permukaan piston adalah 100 lb dan 1 ft². Arus listrik mengalir melalui tahanan listrik dan

volume udara meningkat secara perlahan sebesar 1.6 ft³ sementara

tekanannya tidal berubah. Massa udara adalah 0.6 lb dan energi dalam spesifiknya naik sebesar 18 Btu/lb. Udara dan piston dalam keadaan diam

saat awal dan akhir. Material silider-piston ada komposit keramik dan dengan demikian merupakan material penyekat panas yang baik. Gesekan antara

piston dan silinder dapat diabaikan dan percepatan gravitasi adalah 32.0 ft/s².Tentukan perpindahan panas dari tahanan listrik ke udara untuk sister yang terdiri atas (a) udara saja, (b) udara dan piston

Solusi

Solusi

(a). Udara saja

Solusi

(a). Udara saja (lanjutan)

Solusi

(b). udara dan piston

Solusi

(b). udara dan piston lanjutan

Contoh

Suatu sistem roda gigi (gearbox) beroperasi secara steady menerima kerja melalui suatu poros input (shaft) sebesar 60 kW dan meneruskan daya

melalui poros output. Laju perpindahan panas dari sistem roda gigi adalah melalui konveksi:

Dimana h=0.171 kW/m²K, A =1.0 m³ adalah luas permukaan luar sistem, T_b= 300 k (27^oC) adalah temperatur di permukaan luar T₁=293 K adalah

temperature lingkungan. Untuk sistem roda gigi, tentukan laju perpindahan panas dan daya yang diteruskan melalui poros output (kW).

Solusi

Solusi

Contoh

• Suatu kepingan silikon (silicon chip) mempunyai ukuran (5x5) mm dan tebal 1 mm ditancapkan pada subtrat keramik. Path keadaan stedi,

kepingan silikon menerima daya input 0.225 W. Permukaan silikon

didinginkan oleh suatu aliran pendingin bertemperatur 20^oC. Koefisien konveksi antara kepingan dan pendingin adalah 150 W/m²K. Jika

perpindahan pangs konduksi antara kepingan dan subtrat diabaikan, tentukan temperatur permukaan kepingan, dalam ^oC.

Solusi

Solusi

Analisa Energi untuk Suatu Siklus

Siklus termodinamika

• Siklus termodinamika adalah rangkaian proses-proses termodinamika yang berawal dan berakhir pada tingkat keadaan yang sama

Siklus Tenaga (Power Cycle)

Siklus Refrigerasi dan Pompa Panas (Heat

Pump)