Chapter 2 ENERGY, ENERGY TRANSFER, AND GENERAL ENERGY ANALYSIS Thermodynamics: An Engineering Approach Seventh Edition in SI Units Yunus A. Cengel, Michael A. Boles McGraw-Hill, 2011 Chapter 2 ENERGY, ENERGY TRANSFER, AND GENERAL ENERGY ANALYSIS Lecture Slide : Yosua Heru Irawan

Objectives memerkenalkan konsep energi dan mendefinisikan berbagai bentuk energi. mendiskusikan sifat internal energi mendefinisikan konsep kalor dan terminologi yang terkait dengan transfer energi oleh kalor. mendiskusikan tiga mekanisme perpindahan kalor: konduksi, konveksi, dan radiasi. Definisikan konsep work (kerja) dalam termodinamika, electrical work dan beberapa bentuk mechanical work. Memperkenalkan hukum pertama termodinamika, keseimbangan energi, dan mekanisme transfer energi. Menentukan efisiensi konversi energi. Mendiskusikan pengaruh konversi energi pada lingkungan.

INTRODUCTION Jika kita mengambil sebuah ruangan—termasuk udara dan refrigerator (or fan)—sebagai sebuah sistem (adiabatic dan closed system) karena ruangan di insulasi dengan sempurna, sehingga hanya ada interaksi energi dalam bentuk energi listrik yang melewati boundary (menuju ruangan). Apa yg terjadi?? Akibat dari konversi energi listrik yang dikonsumsi oleh perangkat menjadi panas, temperatur ruang akan naik.. Kipas yang beroperasi di ruang tertutup (terisolasi sempurna) akan meningkatkan temperatur udara di ruangan.

FORMS OF ENERGY Energi dapat ada dalam berbagai bentuk seperti termal, mekanik, kinetik, potensial, listrik, magnetik, kimia, dan nuklir, dan penjumlahan dari semuanya dinamakan, total energy, E dari sebuah sistem. Termodinamika hanya berkaitan dengan perubahan dari energi total. Macroscopic forms of energy: kinetic and potential energies. Microscopic forms of energy: berhubungan dengan struktur molekul dan aktivitas molekul Internal energy, U: Jumlah total microscopic forms of energy dari sebuah sistem. Kinetic energy, KE: Energi yang dimiliki suatu sistem sebagai hasil geraknya relatif terhadap beberapa kerangka acuan. Potential energy, PE: Energi yang dimiliki suatu sistem sebagai hasil dari elevasi dalam medan gravitasi macroscopic energy suatu benda berubah dengan berubahnya kecepatan dan ketinggian. . macroscopic energy suatu benda berubah dengan berubahnya kecepatan dan ketinggian. .

Kinetic energy Kinetic energy per unit mass Mass flow rate Potential energy Potential energy per unit mass Energy flow rate Total energy of a system Energy of a system per unit mass Total energy per unit mass

Some Physical Insight to Internal Energy Sensible energy: energi internal suatu sistem yang terkait dengan energi kinetik dari molekul. Latent energy: Energi internal yang terkait dengan fase sistem. Chemical energy: Energi internal yang terkait dengan ikatan atom dalam suatu molekul. Nuclear energy: Jumlah energi yang sangat besar yang terkait dengan ikatan yang kuat di dalam inti atom itu sendiri. Energi internal suatu sistem adalah jumlah semua bentuk energi mikroskopis. Berbagai bentuk energi mikroskopis yang membentuk sensible energy. Internal = Sensible + Latent + Chemical + Nuclear Thermal = Sensible + Latent

More on Nuclear Energy Reaksi fisi yang paling dikenal melibatkan pemisahan atom uranium (isotop U-235) ke dalam elemen lain dan biasanya digunakan untuk menghasilkan listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir, untuk menggerakkan kapal selam nuklir dan kapal induk, dan bahkan untuk tenaga pesawat ruang angkasa serta membangun bom nuklir. Energi nuklir dengan fusi dilepaskan ketika dua inti kecil bergabung menjadi satu yang lebih besar.

Mechanical Energy Mechanical energy: Bentuk energi yang dapat dikonversi menjadi kerja mekanik sepenuhnya dan langsung oleh perangkat mekanis seperti turbin, dll. Kinetic and potential energies: Bentuk energi mekanik yang sering dijumpai Energi mekanis dari fluida yang mengalir per satuan massa energi mekanik dari fluida yang mengalir Perubahan energi mekanik fluida per satuan massa (incompressible flow) Laju perubahan energi mekanik fluida (incompressible flow)

Ex : 2 - 11 Sebuah instalasi PLTA mepunyai bendungan dengan ketinggian air 120 m dan dapat mensuplai air dengan laju 2400 kg/s. hitung potensi daya listrik yang dapat dibangkitkan ! Asumsi : Ketinggian bendungan konstan Turbin dan generator ideal

Ex : 2 - 12  

Ex : 2 - 16  

ENERGY TRANSFER BY HEAT Heat: Bentuk energi yang ditransfer antara dua sistem (atau antara sistem dg sekitarnya) berdasarkan perbedaan temperatur

Heat transfer per unit mass Energi sebagai heat transfer jika melintasi boundary Selama proses adiabatik, sistem tidak bertukar kalor dengan lingkungannya.

Historical Background on Heat

Contoh : ex 2-4   Jawab : Tentukan sistem yang ingin kita amati (kita tentukan kentang sebagai sistem yg kita amati) Karena kita tentukan kentang sebagai sistem maka kulit kentang kita anggap sebagai boundaty (batas) dan ruangan oven sebagai lingkungan Kita analisis apakah ada transfer energi dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya?? (ada transfer energi dr lingkungan ke sistem) Karena yang menyebabkan transfer energi adalah perbedaan temperatur, maka kita dapat katakana bahwa energi yang dipindahkan dalam bentuk kalor/panas (heat transfer)

ENERGY TRANSFER BY WORK Work: Transfer energi yang terkait dengan gaya yang bekerja pada jarak tertentu. A rising piston, a rotating shaft, and an electric wire crossing the system boundaries are all associated with work interactions Work done per unit mass daya adalah pekerjaan yang dilakukan per satuan waktu (kW) Menentukan arah kalor dan kerja.

Contoh : Ex 2 - 10 Sebuah tangki yang berisi fluida panas yang di dinginkan sambil diaduk menggunakan sebuah paddle. Keadaan awal fluida di dalam tangki memiliki internal energy 800 kJ. Selama proses pendinginan, fluida melepaskan 500 kJ kalor ke lingkungan dan paddle memberikan kerja 100 kJ pada fluida. Hitung internal energy akhir fluida (internal energi tersimpan pada paddle diabaikan)  

THE FIRST LAW OF THERMODYNAMICS The first law of thermodynamics (the conservation of energy principle) memberikan dasar yang kuat untuk mempelajari hubungan antara berbagai bentuk energi dan interaksi energi. The first law states that energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan selama proses; dan hanya bisa berubah bentuk.

Energy Balance Perubahan total energi sistem selama proses sama dengan perbedaan antara energi total yang masuk dan total energi yang meninggalkan sistem selama proses tersebut..

Energy Change of a System, Esystem Internal, kinetic, and potential energy changes

Mechanisms of Energy Transfer, Ein and Eout Heat transfer Work transfer Mass flow (kJ) Close system hanya kalor dan kerja saja (mass constant) For a cycle ∆E = 0, thus Q = W. Energy pada control volume dapat berubah berdasarkan interaksi mass flow, heat dan work

Ex : 2 - 39 Air dipanaskan pada sebuah panci tertutup dengan sebuah paddle yang berputar didalamnya. Selama proses, 30 kJ kalor dipindahkan ke dalam air dan 5 kJ kalor terbuang ke lingkungan. Paddle memberikan kerja 500 N.m pada air. Hitung energi akhir dari sistem tersebut jika energi awal nya 10 kJ. Asumsi : 1. Energi kinetic dan energi potensial diabaikan

ENERGY CONVERSION EFFICIENCIES Efficiency adalah salah satu istilah yang paling sering digunakan dalam termodinamika, dan ini menunjukkan seberapa baik konversi energi atau proses transfer tercapai. Efficiency of a water heater: perbandingan energi yang diberikan watter heater ke rumah kita dengan energi yang dikonsumsi water heater tsb.

Efficiencies of Mechanical and Electrical Devices Mechanical efficiency Efektivitas proses konversi antara kerja mekanis yang dipasok atau diekstrak dan energi mekanik fluida dinyatakan oleh pump efficiency dan turbine efficiency,

Pump efficiency Generator efficiency Pump-Motor overall efficiency Turbine-Generator overall efficiency

  Ex : 2 – 68

Coba !!! Cari berpa tekanan yang harus diberikan pompa untuk menikan air 15 m (cari ΔP)