BAB 2 ENERGI DAN HUKUM TERMODINAMIKA I

BAB 2 ENERGI DAN HUKUM TERMODINAMIKA I Bab ini hanya akan membahas Sistem Tertutup (Massa Atur).

Energi Energi: konsep dasar Termodinamika. Energi: - dapat disimpan, di dalam sistem - dapat diubah bentuknya - dapat dipindahkan, dalam bentuk Kerja atau Panas - tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan

REVIEW KONSEP MEKANIKA MENGENAI ENERGI Sebuah benda dengan massa m mempunyai kecepatan V akibat gaya luar F yang mengikuti lintasannya. Gaya resultan F dapat dipisah menjadi: a) F s yang searah lintasan dan menyebabkan perubahan besaran kecepatan, dan b) F n yang tegak lurus lintasan dan menyebabkan perubahan arah kecepatan. Dari Hukum Newton kedua:

Dengan mengatur ulang persamaan dan mengintegrasi, 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 menyatakan bahwa kerja dari gaya resultan adalah perubahan energi kinetik benda. Dalam kata lain, PERPINDAHAN energi sebagai KERJA PADA benda dapat DISIMPAN dalam bentuk ENERGI KINETIK.

ENERGI POTENSIAL AKIBAT GRAVITASI Perhatikan sebuah benda dengan massa m bergerak vertikal dari z 1 ke z 2 Pada benda tersebut terdapat dua gaya: a)f g = m.g = gaya gravitasi ke bawah, dan b)r = gaya luar lainnya ke atas. Dari persamaan sebelumnya, perubahan energi kinetik adalah kerja totalnya akibat dari gaya-gaya tersebut: Suku kedua integral di atas adalah PERUBAHAN ENERGI POTENSIAL AKIBAT GRAVITASI yang dapat dievaluasi sebagai:

Energi Potensial akibat hal lain dapat berupa energi potensial akibat perbedaan voltase listrik, akibat perbedaan tekanan, dll. Energi Potensial adalah sifat EKSTENSIF dengan satuan sama dengan energi atau kerja, yaitu: joule, J, ft.lbf, atau Btu.

MENGEVALUASI PERPINDAHAN ENERGI SEBAGAI KERJA Kerja dapat dihitung 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 bergantung pada rincian proses dari satu tingkat keadaan ke tingkat 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. 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). 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)

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 dan tidak dapat disebut sifat

PROSES POLITROPIK: Proses dimana hubungan antara p dan V berupa: p.v n = konstan. n=konstanta Kerja untuk berbagai proses politropik:

BEBERAPA CONTOH KERJA LAINNYA: Perpanjangan batang pejal, Perengangan lapisan cairan, Penyaluran daya poros transmisi, Kerja elektrik, Kerja akibat magnetisasi atau polarisasi, Dll.

HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA (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 Mekanika 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 ketika ada perbedaan temperature antara 2 permukaan yang terpisah oleh material solid atau fluida Konduksi terjadi karena adanya kontak molekul/partikel. B. RADIASI: Energi radiasi dibawa melalui gelombang elektromagnetik berbeda dengan perpindahan panas konduksi atau konveksi yang membutuhkan suatu media, radiasi tidak 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.

ENERGI ANALISIS SIKLUS: SIKLUS DAYA: Siklus yang menghasilkan daya. Kerja netto siklus Efisiensi Termal:

SIKLUS PENDINGIN DAN POMPA PANAS: Siklus untuk mendinginkan atau 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 Massa Atur (beberapa istilah akan diberikan pada bab lain)

SOAL :