Bab 4 Analisis Energi dalam Sistem Tertutup

Transkripsi

1 Catatan Kuliah TERMODINAMIKA Bab 4 Analisis Energi dalam Sistem Tertutup Pada bab ini pembahasan mengenai perpindahan pekerjaan batas atau pekerjaan P dv yang biasa dijumpai pada perangkat reciprocating seperti mesin otomotif dan kompresor. Kemudian dilanjutkan dengan menerapkan keseimbangan hubungan neergi secara umum, yang dapat dinyatakan sebagai Ein Eout Esystem, untuk sistem yang melibatkan zat murni. Definisi spesifik mengenai pemanasan, mendapatkan hubungan untuk energi internal dan entalpi gas ideal pada perubahan suhu tertentu, serta melakukan keseimbangan energi pada berbagai sistem yang melibatkan gas ideal. Pada sistem ini melibatkan zat padat dan cairan, yang diperkirakan sebagai zat yang tidak dapat dikompres. Tujuan Bab 4 adalah untuk: Pekerjaan batas bergerak atau kerja P dv Umumnya ditemui di perangkat reciprocating seperti mesin otomotif dan kompresor. Mengidentifikasi hukum pertama termodinamika hanya sebagai sebuah pernyataan konservasi prinsip energi untuk tutup (massa tetap) sistem. Mengembangkan keseimbangan energi umum yang diterapkan pada penutupan sistem. Tentukan panas spesifik pada volume konstan dan spesifik panas pada tekanan konstan Mengaitkan pemanasan khusus dengan perhitungan perubahan dalam energi internal dan entalpi gas ideal. Jelaskan zat yang tidak tertahankan dan tentukan perubahan energi internal dan entalpi. Memecahkan masalah keseimbangan energi untuk tertutup (massa tetap) sistem yang melibatkan interaksi panas dan kerja untuk umum zat murni, gas ideal, dan mampat zat.

2 1. Kerja Batas Bergerak Salah satu bentuk kerja mekanikal yang sering dijumpai dalam prakteknya dikaitkan dengan ekspansi atau kompresi gas pada alat piston-silinder. Selama proses ini, bagian dari batas (bagian dalam piston) bergerak bolak-balik. Oleh karena itu, pekerjaan ekspansi dan kompresi sering dilakukan disebut kerja batas bergerak, atau hanya pekerjaan batas (Gambar 4-1). Perpindahan kerja batas adalah bentuk pekerjaan utama yang terlibat dalam mesin mobil. Selama Ekspansi, gas pembakaran membuat piston bergerak, yang akan memaksa poros engkol untuk memutar. Pekerjaan batas bergerak berhubungan dengan mesin atau kompresor sesungguhnya tidak bisa ditentukan secara tepat dari analisis termodinamika saja karena piston biasanya bergerak dengan kecepatan sangat tinggi, sehingga menyulitkan gas di dalam untuk menjaga keseimbangan. Kemudian sistem melewati selama proses tidak dapat ditentukan, dan tidak ada jalur proses yang dapat dilakukan ditarik. Karena itu, batas pekerjaan di mesin nyata atau kompresor ditentukan dengan pengukuran langsung. 2. Keseimbangan Energi untuk Sistem Tertutup Untuk sistem tertutup yang menjalani siklus, keadaan awal dan akhir sama, dan dengan demikian E sistem E2 E1 0. Kemudian keseimbangan energi untuk sebuah siklus menyederhanakan ke Ein Eout 0 atau Ein Eout. Memperhatikan bahwa sistem tertutup tidak tidak melibatkan arus massa melintasi batas-batasnya, keseimbangan energi untuk sebuah Siklus dapat dinyatakan dalam bentuk interaksi panas dan kerja.

3 3. Panas Spesifik Panas spesifik didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu dari satuan massa zat dengan satu derajat (Gambar 4-18). Secara umum, ini Energi tergantung bagaimana prosesnya dijalankan. Dalam termodinamika, kita tertarik pada dua jenis pemanasan tertentu: panas spesifik pada volume konstan cv dan panas spesifik pada tekanan konstan c hal Secara fisik, panas spesifik pada volume konstan cv dapat dilihat sebagai energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu massa satuan zat dengan satu derajat karena volumenya dijaga konstan. Energi yang dibutuhkan untuk melakukan hal yang sama seperti tekanan yang dijaga konstan adalah panas spesifik pada tekanan konstan cp. Ini diilustrasikan pada Gambar Panas yang spesifik Pada tekanan konstan cp selalu lebih besar dari cv karena pada tekanan konstan sistem ini diperbolehkan untuk memperluas dan energi untuk pekerjaan perluasan ini juga harus dipasok ke sistem. Sekarang kita mencoba untuk mengungkapkan pemanasan spesifik dalam hal sifat termodinamika lainnya. Pertama, pertimbangkan massa tetap dalam sistem tertutup stasioner menjalani proses volume konstan (dan dengan demikian tidak ada perluasan atau kompresi pekerjaan yang terlibat). terkait dengan perubahan energi internal dan cp terhadap perubahan entalpi. Sebenarnya, akan lebih tepat untuk mendefinisikan cv sebagai perubahan dalam Energi internal suatu zat per unit berubah pada suhu konstan. Demikian pula, ekspresi untuk panas spesifik pada tekanan konstan cp dapat terjadi diperoleh dengan mempertimbangkan ekspansi tekanan konstan atau kompresi proses.

4 4. Energi Internal, Enthalpy, dan Panas Spesifik Gas Ideal Energi internal (internal energy U) adalah pengukuran makroskopik dari energi molekuler, atomic, dan subatomic, yang semuanya mengikuti kaidah konservasi mikroskopik tertentu. Jika mengatakan bahwa (u) adalah fungsi dari T dan V, U = U (T,V) Dengan mengambil turunan total, ditemukan bahwa du = U TV dt+ U VT dv. Berdasar definisi U TV dt adalah kapasitas kalor pada volume konstan. Maka dari itu, perubahan dalam energi internal dapat dihitung dengan mengintegralkan persamaan diatas sebagai berikut : U2 - U1 = T 1 T 2 CV dt U = ncv ΔT Entalpi (H) Adalah jumlah energi yang dimiliki sistem pada tekanan tetap atau jumlah dari semua bentuk energi yang tersimpan dalam suatu zat. Entalpi Dirumuskan sebagai jumlah energi yang terkandung dalam sistem (E) Dan kerja (W). H = E + W Dengan : W = P V E = Energi (joule) W = Kerja sistem (joule) V = volume (liter) P = Tekanan (Atm) Panas spesifik adalah jumlah panas yang diperlukan untuk menaikkan suhu 1 kg bahan sebesar 1 o C. Pengetahuan tentang panas spesifik sangat diperlukan untuk perhitungan proses-proses pemanasan atau pendinginan. Panas spesifik bahan-bahan pertanian sangat tergantung pada lengas bahan. Pada suhu kamar, panas spesifik suatu bahan yang mengandung air dapat dihitung berdasarkan nilai-nilai panas spesifik dari bahan kering dan airnya: dimana c d panas spesifik bahan kering, c w panas spesifik air, dan U 1 adalah kadar lengas bahan dihitung dengan basis basah (Purwantana, 2003).

5 Panas spesifik suatu produk dapat diperkirakan dengan berbagai metode. Dickerson (1969), melakukan pendugaan padas spesifik pada produk berkadar air tinggi. Cp = (kadar air, %) Penggunaan ini digunakan pada berbagai produk daging. Persamaan ini cukup konsisten dalam selang % kadar air. Pendugaan ini juga digunakan pada sari buah yang berkadar air lebih besar dari 50%. Persamaan Siebel (1892) adalah: Cp = (kadar air, %) Persamaan Siebel hanya terbatas pada produk pangan berkadar air tinggi. Persamaan lain yang lebih bergantung pada panas spesifik komponen produk ditulis oleh Charm (1978), yaitu: Cp = Xf Xs Xm dimana nilai 2.094; dan adalah panas spesifik lemak, bahan padat dan air pada produk. Konsep ini dikembangkan lebih jauh untuk memasukan panas spesifik beberapa komponen dasar dari produk untuk menghasilkan persamaan: Cp = Xc Xp Xf Xa Xm 5. Perubahan Energi Internal Perubahan energi dalam ΔU tidak bergantung pada proses bagaimana keadaan sistem berubah, tetapi hanya bergantung pada keadaan awal dan keadaan akhir sistem tersebut. a. Proses Isotermal Anda telah memahami bahwa proses isotermal merupakan suatu proses yang terjadi dalam sistem pada suhu tetap. Besar usaha yang dilakukan sistem proses isotermal ini adalah W = nrt In (V 2 /V 1 ). Oleh karena ΔT = 0, menurut Teori Kinetik Gas, energi dalam sistem juga tidak berubah (ΔU = 0) karena perubahan energi dalam bergantung pada perubahan suhu. Ingatlah kembali persamaan energi dalam gas monoatomik yang dinyatakan dalam persamaan ΔU = 3/2 nrδtyang telah dibahas pada Bab 8.

6 Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isotermal ini dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W = 0 + W Q = W = nr T ln (V 2 /V 1 ) (1-10) b. Proses Isokhorik Dalam proses isokhorik perubahan yang dialami oleh sistem berada dalam keadaan volume tetap. Anda telah memahami bahwa besar usaha pada proses isokhorik dituliskan W = pδv = 0. Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses ini dituliskan sebagai Q = ΔU + W = ΔU + 0 Q = ΔU = U 2 - U 1 (1-11) Dari Persamaan (1-11) Anda dapat menyatakan bahwa kalor yang diberikan pada sistem hanya digunakan untuk mengubah energi dalam sistem tersebut. Jika persamaan energi dalam untuk gas ideal monoatomik disubstitusikan ke dalam Persamaan (1-11), didapatkan perumusan Hukum Pertama Termodinamika pada proses isokhorik sebagai berikut. Q = ΔU = 3/2 nr ΔT (1-12) atau Q = U 2 - U 1 = 3/2 nr (T 2 T 1 ) (1-13) c. Proses Isobarik Jika gas mengalami proses isobarik, perubahan yang terjadi pada gas berada dalam keadaan tekanan tetap. Usaha yang dilakukan gas dalam proses ini memenuhi persamaan W = P ΔV =

7 p(v 2 V 1 ). Dengan demikian, persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses isobarik dapat dituliskan sebagai berikut. Q = ΔU + W Q = ΔU + p(v 2 V 1 ) (9-14) Untuk gas ideal monoatomik, Persamaan (1-14) dapat dituliskan sebagai : Q = 3/2 nr (T 2 T 1 ) + p (V 2 V 1 ) (1-15) d. Proses adiabatik Dalam pembahasan mengenai proses adiabatik, Anda telah mengetahui bahwa dalam proses ini tidak ada kalor yang keluar atau masuk ke dalam sistem sehingga Q = 0. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk proses adiabatik ini dapat dituliskan menjadi Q = ΔU + W 0 = ΔU + W atau W = - ΔU = - (U 2 - U 1 ) (1-16) Berdasarkan Persamaan (1-16) tersebut, Anda dapat menyimpulkan bahwa usaha yang dilakukan oleh sistem akan mengakibatkan terjadinya perubahan energi dalam sistem di mana energi dalam tersebut dapat bertambah atau berkurang dari keadaan awalnya. Persamaan Hukum Pertama Termodinamika untuk gas ideal monoatomik pada proses adiabatik ini dituliskan sebagai : W = - ΔU = - 3/2 nr (T 2 T 1 ) (1-17) Catatan Fisika :

8 Internal Energy Energi dalam secangkir kopi hanya bergantung pada keadaan termodinamikanya (seberapa banyak kopi dan air yang dikandungnya, dan berapa suhunya). Energi tersebut tidak bergantung pada proses persiapan kopinya, yaitu lintasan termodinamika yang membawanya ke keadaan yang sekarang. (Sumber: Fisika Universitas, 2000)