Energi dan Hukum 1 Termodinamika

Energi Energi dapat disimpan dalam sistem dengan berbagai macam bentuk. Energi dapat dikonversikan dari satu bentuk ke bentuk yang lain, contoh thermal, mekanik, elektrik, kinetik, potensial, magnetik, kimia, nuklir. Jumlah dari semua energi yang ada adalah total energi sistem

Energi Energi dapat dipindahkan antar sistem. Bentuk energi pada sistem tertutup (closed system) Kerja Perpindahan panas.

Perpindahan panas Perpindahan panas terjadi jika ada suatu perbedaan temperatur

Energi Mekanik Energi mekanik didefinisikan sebagai bentuk energi yang dapat dikonversikan ke kerja mekanik dengan peralatan mekanik seperti turbin. Bentuk energi mekanik yang umum: Energi kinetik Energi potensial

Energi kinetik (KE) Energi yang terdapat pada sistem akibat gerakan relatif terhadap suatu referensi Energi kinetik (kJ) Energi kinetik berbasis satuan masa (kJ/kg) Dimana V kecepatan sistem relatif pada referensi tetap

Energi potential (PE) Energi yang terdapat pada suatu sistem sebagai akibat ketinggian Energi potensial (kJ) Energi potensial berbasis satuan masa (kJ/kg) Dimana g percepatan gravitasi dan z ketinggian suatu pusat sistem relatif terfadap ketinggian referensi

Energi Total energi yang sering dipertimbangkan terdiri dari energi kinetik, potensial dan energi dalam Energi total dinyatakan sebagai (kJ) Energi yang berdasarkan pada satuan masa (kJ/kg)

Energi dalam Bentuk energi mikroskopik Energi dalam (u) adalah sejumlah bentuk energi mikroskopik suatu sistem. Energi dalam (u) berkaitan dengan struktur molekul dan derajat aktifitas molekul

Energi dalam Sensible energy Latent energy Chemical energy Bagian energi suatu sistem yang dihubungkan dengan energi kinetik dari molekul Latent energy Energi dalam yang berhubungan dengan fase sistem Chemical energy Energi dalam yang berhubungan dengan ikatan atom dari suatu molekul Nuclear energy Energi yang dihubungkan dengan kekuatan ikatan dalam atom

Energi mekanik Suatu fluida yang mengalir per satuan massa Suatu fluida yang mengalir dalam bentuk laju 𝑚 adalah laju aliran massa fluida (kg/s)

Energi mekanik Perubahan energi mekanik dari suatu fluida selama aliran incompressible  menjadi kJ/kg Dalam bentuk laju energi mekanik (kW)

Energi mekanik dimana P/ energi aliran per satuan massa V2/2 energi kinetik per satuan massa gz energi potensial dari suatu fluida per satuan massa

Perpindahan energi oleh panas Panas didefinisikan sebagai bentuk energi yang dipindahkan antara dua sistem (atau suatu sistem dan lingkungannnya) karena perbedaan temperatur. Istilah panas didalam termodinamika berarti perpindahan panas

Contoh perbedaan temperatur dan laju perpindahan panas

Contoh Perpindahan panas

Perpindahan panas - Adiabatik Greek – adiabatos: tidak dapat dilalui Terisolasi dengan baik Kedua sistem dan lingkungan berada pada temperatur yang sama Meskipun tidak ada perpindahan panas, energi yang terkandung dalam sistem masih dapat diubah, cth: kerja

Perpindahan panas Satuan energi untuk perpindahan panas Q (kJ atau Btu= British thermal unit) Dalam bentuk per satuan massa (kJ/kg) Dalam bentuk laju perpindahan panas 𝑄 (kJ/s atau kW)

Hubungan antara q, Q dan 𝑄 w, W dan 𝑊

Perpindahan energi oleh kerja Jika energi yang melalui boundary sistem dari suatu closed system tidak terdapat panas, maka energi tersebut adalah kerja Kerja adalah perpindahan energi yang dikaitkan dengan perpindahan jarak suatu gaya

Kerja Satuan energi untuk kerja W (kJ atau Btu= British thermal unit) Dalam bentuk per satuan massa (kJ/kg) Dalam bentuk laju perpindahan kerja atau power atau daya 𝑊 (kJ/s atau kW)

Arah Kerja dan Perpindahan Panas Qin  Q + Qout  Q – Win  W – Wout  W +

Path function Inexact differential  Exact differential d Perubahan volume selama proses 1-2 Kerja selama proses 1-2

Power Hubungan daya 𝑊 dengan gaya F dan kecepatan V

Kerja elektrik Kerja elektrik (kJ) N muatan listrik V perbedaan tegangan I arus listrik yang mengalir Kerja elektrik (kJ) Laju kerja elektrik (W) Electrical power (kJ)

Kerja mekanik Kerja W (kJ) dari gaya konstan F sejauh jarak s F gaya s jarak Kerja W (kJ) dari gaya konstan F sejauh jarak s Kerja W (kJ) dari gaya F tidak konstan

Kerja poros F gaya r jarak lengan s jarak yang berhubungan dengan radius r Torsi Jarak s Kerja poros (kJ) Kerja poros per satuan waktu (daya poros) kW

Kerja Pegas Kerja pegas akibat suatu perubahan jarak dx dari gaya F x displacement (perpindahan) k konstanta pegas kN/m x1 dan x2 posisi awal dan akhir pegas Kerja pegas akibat suatu perubahan jarak dx dari gaya F Gaya pegas (kN) Kerja pegas (kJ)

Kerja ekspansi atau kompresi Kerja suatu sistem piston pada suatu jarak dx Perkalian dari A dan dx adalah perubahan volume

Kerja ekspansi atau kompresi Persamaan ini diturunkan dari sebuah silinder piston dimana rata-rata tekananan pada permukaan piston adalah p

Kerja ekspansi atau kompresi Jika volume meningkat (dV positif), kerja pada moving boundary adalah positif (gas akan berekspansi) Jika volume berkurang (dV negatif), kerja pada moving boundary adalah negatif (gas akan terkompresi)

Kerja ekspansi atau kompresi Kondisi quasiequilibrium

Kerja ekspansi atau kompresi Kerja akan dinyatakan sebagai luas daerah suatu proses quasiequilibrium ekspansi atau kompresi

Hukum I Termodinamika Hukum I termodinamika dikenal sebagai prinsip kekekalan energi Dinyatakan jika energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan selama suatu proses dan hanya dapat diubah bentuknya

Contoh hukum 1 termodinamika

Contoh: Hitunglah perubahan energi dari suatu sistem selama proses seperti pada gambar berikut. Jawaban:

Contoh Pada suatu sistem adiabatik, kerja masuk kedalam sistem sebesar 10 kJ, berapa energi pada sistem? Jawaban:

Contoh Suatu tangki berisi fluida panas didinginkan dengan kipas seperti pada gambar. Pada kondisi awal internal energi sebesar 800 kJ. Selama proses pendinginan, fluida kehilangan panasnya sebesar 500 kJ. Kerja dari kipas sebesar 100 kJ. Tentukan energi dalam akhir dari sistem. Abaikan energi yang tersimpan pada kipas.

Lanjutan contoh Asumsi: KE = PE = 0, sehingga E = U, energi yang tersimpan dalam kipas diabaikan E = Q – W KE + PE + U = Q – W 0 + 0 + (U2 – U1) = -500 kJ – (-100) kJ U2 – 800 kJ = -400 kJ U2 = 400 kJ

Keseimbangan energi Perubahan (kenaikan atau penurunan) total energi suatu sistem selama proses adalah sama dengan perbedaan antara total energi yang masuk dan total energi yang keluar selama proses atau

Perubahan energi suatu sistem E system perubahan energi suatu sistem selama proses atau

Perubahan energi suatu sistem E system Perubahan total energi suatu sistem selama proses adalah jumlahan energi dalam, kinetik dan potensial dinyatakan dimana

Keseimbangan energi dari control volume ditransfer oleh laju aliran massa seperti hubungan panas dan kerja

Keseimbangan energi Keseimbangan energi dari suatu sistem dapat dinyatakan Laju keseimbangan energinya dinyatakan

Bentuk penulisan energi Bentuk energi (kJ) Bentuk persatuan masa (kJ/kg) Bentuk diferensial Siklus yang tidak melibatkan aliran masa

Performance atau efisiensi Sds

Performance atau efisiensi Gabungan

Mekanisme perpindahan panas Konduksi Konveksi Radiasi

Konduksi Perpindahan energi dari suatu substansi yang lebih aktif ke energi yang kurang aktif sebagai akibat hubungan antara partikel. Dapat terjadi pada solid, liquid atau gas.

Konduksi Laju perpindahan panas konduksi 𝑄 𝑐𝑜𝑛𝑑 (W) melalui suatu ketebalan lapisan x adalah sebanding dengan perubahan temperatur T yang melalui lapisan dan normal area A kt = konduktivitas termal material (W/m.K)

Konveksi Suatu perpindahan energi antara permukaan solid yang berdekatan dengan liquid atau gas dalam suatu gerakan

Konveksi Laju perpindahan panas konveksi 𝑄 𝑐𝑜𝑛𝑣 (W) dimana h = koefisien konveksi perpindahan panas (W/m2.K) A = luas permukaan dimana terjadi perpindahan panas Ts = temperatur permukaan Tf = temperatur fluida

Konveksi Forced convection Natural convection

Radiasi Energi yang dipancarkan suatu bahan dalam bentuk gelombang elektromagnetik sebagai akibat perubahan konfigurasi elektronik dari atom atau molekul

Radiasi Laju suatu permukaan menyerap radiasi ditentukan oleh  emisivity A luas area Ts temperatur absolut pada permukaan yang lebih luas Tsurr temperatur absolut lingkurangan

Proses polytropik pVn = constant

Specific heats (panas spesifik) Energi yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur dari satu satuan massa substansi sebanyak 1 Cv Panas spesifik pada volume konstan Cp Panas spesifik pada tekanan konstan

Specific heats Cp > Cv Karena Mengijinkan untuk berekspansi Energi untuk kerja ekspansi harus diberikan

Internal energy, enthalpy, and specific heats of ideal gas model h = u + P.v P.v = R.T u = u(T) h = h(T) = u(T) + RT h = u + R.T du = Cv(t).dT dh = Cp(t).dT u2 – u1 = Cv (T2 – T1) h2 – h1 = Cp (T2 – T1)

Specific heat and ideal gas Cp = Cv + R k = Cp / Cv

Internal energy. Enthalpy and specific heats of solids and liquids Cp = Cv = C u = C (T2 – T1) h = u + v. P  Cav T + v. P Proses pada tekanan konstan P = 0; h = u  Cav T Proses pada temperatur konstan T = 0; h = v.P