HUKUM 1 THERMODINAMIKA. Agung Ari Wibowo S.T., M.Sc Politeknik Negeri Malang

Transkripsi

1 HUKUM 1 THERMODINAMIKA Agung Ari Wibowo S.T., M.Sc Politeknik Negeri Malang

2 Jumlah energi yang diperlukan untuk menaikan 1 derajat satuan suhu suatu bahan yang memiliki massa atau mol 1 satuan massa atau mol Kapasitas panas Satuan : Bisa dirumuskan J/gr K atau J/mol K atau bentuk satuan yang lain C = dq dt = n d H dt atau = n du dt

3 Pada Proses Volume Konstan Q = n U C = dq dt Kapasitas panas dari sebuah bahan pada volume konstan dinyatakan dalam symbol (Cv), dimana Cv didefinisikan sebagai : Kapasitas Panas pada Volume Konstan Cv = U T v du = Cv dt ===> V konstan T2 U = න Cv dt T1 T2 Q = n U = n න Cv dt T1 = n Cv T

4 Kapasitas Panas pada Tekanan Konstan Pada Proses Tekanan Konstan Q = n H Kapasitas panas dari sebuah bahan pada tekanan konstan dinyatakan dalam symbol (Cp), dimana Cp dirumuskan : C p = H T dh = C p dt ===> P konstan p T2 H = න C p dt T1 Q = n H = n න = n C p T T2 T1 C p dt

5 Kapasitas panas sebagai fungsi suhu dinyatakan dalam bentuk Kapasitas Panas pada Tekanan Konstan C p R = A + BT + CT2 + DT 2 T2 Q = nr න A + BT + CT 2 + DT 2 T1 Nilai konstanta A, B, C dan D adalah tertentu dan berbeda untuk setiap zat. (Appendiks C buku Smith Van Ness) dt

6 Neraca Massa dan Energi Untuk Sistem Terbuka

7 Ilustrasi sistem terbuka Ilustrasi sistem tertutup Perbedaan system terbuka dan tertutup Continuous Stirred Tank Reactor Reactor Batch

8 Sistem Terbuka Pada sistem terbuka terdapat beberapa besaran yang digunakan, yaitu Laju alir massa ( m = kg/s) Laju alir mol (n = mol/s) Laju alir volume ( q = m 3 /s) Kecepatan aliran (v = m/s) Jika sebuah pipa memiliki inside diameter (ID), maka luas penampang (A) dari pipa tersebut dinyatakan dalam A = π 4 ID 2 Laju alir volume (q) diperoleh sebagai hasil kali antara kecepatan dengan luas penampang pipa q = v x A

9 Laju alir massa (m) diperoleh dari hubungan antara massa, volume dan densitas. Dimana Sistem Terbuka m = ρ x q m = ρ x v x A Laju alir mol (n) diperoleh dengan membagi laju alir massa dengan berat molekul dari bahan (Mr) n = ρ x v x A Mr

10 Liquid incompressible (ρ = konstan) mengalir secara steady dalam sebuah pipa yang diameternya bertambah seiring dengan panjang pipa. Pada titik 1 (d=2,5 cm) kecepatannya 2 m/s, dan diameter titik 2 adalah 5 cm. Hitung Problem Kecepatan pada titik 2 Perubahan energi kinetic dari titik 1 ke 2

11 Laju alir massa yang masuk dan keluar dari control volume dinyatakan dalam persamaan Neraca Massa Untuk Sistem Terbuka Control Surface dm dt + m = 0 m = m 3 m 2 m 1 m = ρ x v x A dm dt + (ρ v A) = 0

12 dm dt + (ρ v A) = 0 Steady state = akumulasi massa dalam sistem sama dengan nol ( (ρ v A) = 0) Neraca Massa Untuk Sistem Terbuka (Steady State) ρ 3 v 3 A 3 ρ 2 v 2 A 2 ρ 1 v 1 A 1 = 0 Karena nilai dari densitas berbanding terbalik dengan volume (V) v 3 A 3 V 3 v 2A 2 V 2 v 1A 1 V 1 = 0 Control Surface Persamaan Kontinuitas

13 Besarnya perubahan energi didalam control volume sebanding dengan energi yang masuk dan keluar dari control volume tersebut Persamaan Umum Neraca Energi Setiap massa bahan mengandung energi total yang terdiri dari U v2 + zg Total energi yang dibawa oleh suatu massa bahan adalah (U v2 + z) x m. Jika dalam terdapat aliran keluar dan masuk pada sistem Control Surface U v2 + zg m

14 Jumlah akumulasi energi dalam sistem juga dipengaruhi oleh besarnya panas (Q) dan kerja (W) Persamaan Umum Neraca Energi Kerja : d(mu) dt = U v2 + zg m + Q + W 1. Work Flow : Kerja yang terasosiasi dengan aliran fluida yang masuk dan keluar dari sebuah system 2. Work Shaft (Ws) : Energi mekanik selain Work Flow yang dibutuhkan untuk menggerakan suatu aliran, bisa dilakukan oleh pengaduk, pompa atau kompresor

15 Work Flow Dimana pada titik masuk dan keluar fluida tersebut memiliki properti yang terdiri dari P,V,U,H dan sebagainya. Jika fluida ini digerakan oleh sebuah piston yang melawan tekanan konstan P. Kerja total yang dilakukan oleh piston ini adalah PV m dimana tanda menunjukan perbedaan kerja masuk keluar sistem.

16 Jumlah akumulasi energi dalam sistem juga dipengaruhi oleh besarnya panas (Q) dan kerja (W) Persamaan Umum Neraca Energi d(mu) dt = U v2 + zg m + Q + W Maka dapat dituliskan sebagai berikut d(mu) dt = U v2 + zg m + Q PV m + Ws U + PV = H d(mu) dt + H v2 + zg m = Q + Ws

17 Persamaan Umum Neraca Energi Proses Steady State d(mu) Proses Steady dt d(mu) dt = 0 + H v2 + zg m = Q + Ws H v2 + zg m = Q + W s nilai kedua ruas dibagi dengan laju alir massa (m) H v2 + zg = Q + W s m H v2 + zg = Q + W s Nilai semua besaran (termasuk Q dan W s ) dalam persamaan baru ini dalam satuan Energi/massa