Termodinamika 1 panas, kerja dan energi

Termodinamika 1
panas, kerja dan energi
Kuliah 2 - 1
Saifuddin Baedlowie
Sudarman
Sasaran :
• selesai mengikuti kuliah ini mahasiswa
akan dapat menganalisis hubungan kerja,
panas dan energi dalam sistem terbuka
dan tertutup melalui proses adiabatik dan
non adiabatik. Mampu menginterpretasi
grafik yang dipakai untuk menetapkan
kerja proses.
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
2
Hubungan antara KERJA, PANAS, dan ENERGI
• Jika gaya F beraksi pada sebuah balok
yang bergeser diatas permukaan tanpa
gesekan, maka dv
M
dv
M
F
dt
X
dt

F
X2
1
maka
Permukaan licin
tanpa gesekan
Gaya F
Massa M
Massa M
X
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
3
dv
M

dt
dv
 F maka M dt  F
dimana v = kecepatan massa dalam arah x
dv
dv
 dv dx 
FM
 M
v sehingga Fdx  Mvdv
M
dt
dx
 dx dt 
integrasi kedua sisi dari posisi balok 1 ke 2
2
2
 Fdx  M1
1
2
Mv22 Mv11
vdv jadi  Fdx 

2
2
1
 W12  KE
 Fdx adalah energi yang dipakai untuk memindahkan balok
 kerja yang terjadi W1-2 dilakukan oleh F
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
4
sebagaimana obyek jatuh dalam medan gravitasinya,
Consider an object falling in a gravitational field
Massa
m
h1
F=mg
Massa
m
y
h2
Benda Jatuh Bebas
2
2
W12   F  d y    mg dy  mgh1  h2 
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
1
1
Teknik Mesin
UMM
5
2
2
1
1
W12   F  d y    mg dy  mgh1  h2 
Gravitasi memiliki potensial untuk melakukan kerja dan kuantitasnya mgh
adalah sesuatu yang disebut sebagai Energi Potensial.
Kerja yang dihasilkan oleh resultan gravitasi dalam jatuhnya obyek dalam
energi potensial adalah
W12  KE
seperti contoh sebelumnya.
mv 22 mv12
mg h1  h2  

 PE  KE
2
2
Massa PE dikonversikan ke KE melalui kerja yang diakibatkan
oleh gravitasi.
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
6
Transfer Energi oleh Kerja
Umumnya, kerja yang terjadi dievaluasi
menggunakan persamaan
2
W12   F  ds
1
kerja adalah energi yang dipindahkan rerata, dimana tidak
peduli apakah ditransfer atau disimpan dalam sistem.
Harga W12 tergantung rincian interaksi yang diambil
antara sistem dan sekeliling lingkungannya selama proses
seperti F(s), dan tidak hanya keadaan awal dan akhir saja.
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
7
Melalui devinisi sebuah sifat keadaan yang dievaluasi pada suatu waktu
tertentu dan bebas dari proses, maka kerja adalah bukan sifat-sifat
sistem.
Sifat diferensial “exact” tergantung uraian prosesnya seperti
2
 dE  E2  E1
1
diferensial dari kerja adalah “inexact” integral yang diikuti tak dapat
dievaluasi tanpa mengetahui rincian proses
2
 W  W
1
laju transfer energi oleh kerja disebut daya (power) dan disingkat dengan


secara umum; W  F  v dan kerja yang timbul selama waktu
tertentu adalah
W
2 
W   W dt 
1
2
 F  v dt dimana v adalah kecepatan
1
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
8
Kerja Kompresi & Ekspansi
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
9
Kerja Kompresi dan Ekspansi
Mengikuti suatu proses ekspansi gas yang perlahan didalam rangkaian
silinder-piston dimana P p adalah tekanan rata-rata pada permukaan piston.
X
Luas
penampang
piston
X1
X1
Proses Ekspansi
2
W12   F  ds 
1
2
2
1
1
 P p A dx   P pdV
asumsi sebuah proses kuasi-setimbang, semua keadaan yang melewati
sistem yang mengikuti keadaan setimbang dan sifat-sifat intensif, seperti
tekanan, adalah uniforrm diseluruh sistem.
V2
W12 
 PgasdV
V1
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
10
Interpretasi Grafik
Tekanan
Keadaan 1
W  pdV
Garis
Ekspansi
W  PdV
Keadaan 2
V1
Luas
penampang
piston
X
X1
yang
diarsir
Arah translasi
V2 Vol. langkah
dV
luasan
2
V2
1
V1
W12   W 
 PdV
adalah luas seluruh bagian
dibawah kurva
X1
Proses Ekspansi
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
11
Jika kita ikuti dua proses dengan keadaan awal dan akhir yang sama,
P1
Jika luas setiap kurva pada proses
berbeda, maka kerja yang
diperlukan tiap kurva juga
berbeda.
Titik 1
Kurva 1
Kurva 2
P2
Titik 2
V1
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Kerja yang terjadi tergantung
garis yang diambil dan tidak
hanya nilai pada keadaan akhir
proses.
V2
Teknik Mesin UMM
Kerja Bukan Sifat (properti)!
12
Expansi dan Kompresi Polytropik
Hubungan tekanan-volume dapat dijelaskan oleh
PV n  konstanta c, dan n  konstanta
Kerja yang terjadi adalah
V2
W12
 c 
  PdV    n dV 
V 
V1
V1
W12
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
V2
V2
 cV dV
n
V1
1 n V2
 V21 n  V11 n 
V 

 c
  c
1 n
1  n  V1


Teknik Mesin UMM
13
tetapi
c
n
P1V1

n
P2V2
maka
W12 
1 n

V
P2V2n  2

W12
1 n V2
V1 

1 n

 V1
 P2V2  P2V2 V11 n 

 
1 n


P2V2n  P1V1

dimana n  1
1 n
Untuk n=1, P=c/V maka
W12
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
V2
V2
1
1
c
V2
  PdV    dV  cln V V1
V
V
V
Teknik Mesin UMM
14
W12  cln V 
V2
V1
W12
 V2 
 cln V2  ln V1   c ln 
 V1 
 V2 
 P1V1 ln  dimana n  1
 V1 
Kasus spesial ; Untuk n=0, p=c yakni proses tekanan konstan, maka
2
W12   PdV  P V2  V1 
1
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
15
F
=
Energi
Potensial
Pegas
2
W12
F = gaya pegas = k.x
k = konstanta pegas
x
X = perubahan jarak
x
2
 kx 2  2 1
2
2
  F  ds   kx dx  

k
x

x
2
1

2
2

 x1
1
1
Energi Potensial pegas
Spring


1 2
PE  kx
2
Energi potensial pegas dapat digolongkan dalam energi potensial gravitasi.
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
16
Energi Bentuk lain
• Dalam bidang rekayasa, perubahan dalam
energi total sebuah sistem selalu maembuat dan
memberikan kontribusi makroskopis seperti
perubahan dalam KE dan gravitasional PE
sebuiah sistem sebagai sesuatu yang relatif ke
sebuah bingkai koordinat eksternal dan Energi
Internal, U
• E2- E1= (KE2- KE1) + (PE2- PE1) + (U2- U1)
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
17
Seperti halnya pengadukan fluida didalam tangki yang terisolasi
sempurna,
Fluida
Terisolasi sempurna
Kerja W
Sistem
Motor
Sistem terisolasi sempurna diberi kerja W
energi ditransfer kedalam sistem melalui kerja oleh pengaduk,
hasil kenaikan dalam sistem energi
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
18
Energy is transferred into the system via work by the paddle
wheel, results in an increase in the system energy.
E2- E1= (KE2- KE1) + (PE2- PE1) + (U2- U1)= W
transfer energi ini tidak menaikkan KE atau PE dalam
sistem. Perubahan energi dalam sistem dapat dihitung
hanya untuk energi dalam fluida saja.
Perubahan dalam energi dalam untuk padat, cair, dan
gas dapat dihitung menggunakan data empiris, seperti
U=f(T)
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
19
Interpretasi Mikroskopis
• Energi adalah atribut ke gerakan dan konfigurasi
molekul-molekul individual, partikel atom dan sub atom
yang menjadi sesuatu dalam sistem.
• Energi pada tingkat molekular berasosiasi dengan;
–
–
–
–
Translasi
Rotasi,
Vibrasi
Ikatan Molekular
• Energi pada tingkat atomi:
– Electron orbital states
– Nuclear spin
– Nuclear binding
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
20
Konservasi Energi untuk Sistem Tertutup
• Sistem tertutup dapat berinteraksi dengan sekelilingnya
melalui kerja sebagai termal.
• Energi dapat ditransfer antara sistem dan sekelilingnya
melalui interaksi termal (kalor)
• Proses yang menggunakan interaksi kerja tetapi tak
mengakibatkan interaksi termal /kalor disebut proses
adiabatik.
• Proses yang mengakibatkan interaksi termal disebut
proses non-adiabatik.
• Hal ini ditunjukkan secara eksperimental bahwa jika
sistem bekerja dalam sistem tertutup secara proses
adiabatik tergantung apa yang terjadi di keadaan akhir,
bukan dalam prosesnya.
• E2 – E1 = -Wad
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
21
• Tanda yang disetujui untuk transfer
energi oleh kerja adalah;
1. Kerja diberikan oleh sistem adalah positif,
2. Kerja diberikan pada sistem adalah negatif,
• Untuk kuasi-setimbang adiabatik, proses
kompresi atau ekspansi gas dengan nilai
eksponen politropik n adalah tetap (n =
1.4 untuk udara) dan luas dibawah kurva
tergantung hanya pada keadaan akhir.
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
22
P1
Titik 1
Untuk kuasi-setimbang adiabatik,
proses kompresi atau ekspansi
gas
dengan
nilai
eksponen
politropik n adalah tetap (n = 1.4
untuk udara) dan luas dibawah
kurva tergantung hanya pada
keadaan akhir.
Proses
Adiabatik
P2
Titik 2
V1
V2
P1
Titik 1
sebagaimana
proses adiabatik
dan proses takadiabatik antara dua
keadaan akhir di
titik 1 dan 2.
Proses non-Adiabatik
(panas + kerja)
P2
Titik 2
V1
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Proses Adiabatik
(hanya kerja)
Teknik Mesin UMM
V2
23
• oleh karena luas dibawah kurva berbeda, maka
kerja yang terjadi juga berbeda. sehingga Wad 
Wnonad
• akhir proses keduanya pada sistem yang sama,
maka perubahan energinya juga sama dalam
setiap proses, sehingga (E2 – E1)ad = (E2 –
E1)nonad = E2 – E1
• Kita ketahui perubahan proses adiabatik adalah
E2 – E1 = -Wad
• Tetapi selama Wad  Wnonad kita dapat
simpulkan E2 – E1  -Wnonad
• Karena energi harus dikonservasi maka energi
bersih yang ditransfer ke sistem dalam kedua
proses harus sama. Ini mengikuti interaksi kalor
dalam proses non-adiabatik harus menghasilkan
transfer energi.
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
24
Sejumlah energi yang ditransfer kedalam
sistem tertutup oleh kalor adalah Q
E2 – E1 = -Wnonad + Q
Keadaan Hukum Termodinamika Pertama
E2 – E1 = Q - W
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
25
Transfer Energi oleh Kalor
•
•
•
Kuantitas Q dalam hukum pertama diperhitungkan setiap
energi yang dipindahkan ke dalam sistem tertutup
selama proses tanpa dipengaruhi kerja.
Sebagaimana transfer energi Q yang dimasukkan hanya
sebagai hasil perbedaan temperatur antara sistem dan
sekitarnya dan terjadi dalam arah penurunan temperatur
seperti perpindahan kalor ; konduksi, konveksi, radiasi.
Tanda yang disepakati untuk perpindahan kalor oleh
panas;
1. Perpindahan kalor menuju sistem adalah positif
2. Perpindahan kalor dari sistem adalah negatif
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
26
Suatu bongkahan logam
panas pada temperatur
awal Tm kedalam fluida
dingin pada Tf. sebab
logam pada temperatur
tinggi kemudian energi
fluida ditransfer dari
logam ke fluida, Q
adalah negatif.
Tm
Tm > Tf
Tf
Tf
Tm
Q
Tf Tm
Selama disini tanpa ada kerja yang diberikan dan perubahan dalam
KE dan PE diabaikan, sejumlah kalor yang dipindahkan dari logam
ke fluida adalah sebanding dengan penurunan dalam energi
internal logam
U2 - U1 = -Q or Q = U1 – U2
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
27
seperti halnya kerja, kalor adalah
bukan sifat properti dan
sejumlah perpindahan energi
tergantung rincian proses,
dimana
2
Q12   Q
1
laju perpindahan kalor dinyatakan sebagai
dan total energi yang dipindahkan
melalui panas selama periode waktu
tertentu adalah
2
Q

Q12    Qdt
1
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
28
Sistem Tertutup Steady
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
29
Sistem Tertutup
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
30
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
31
sistem
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
32
Refleksi :
• Tanya jawab secara lisan atau kuis (IC)
atas semua materi yang disajikan oleh
dosen.
• Pekerjaan rumah :
– Kerjakan soal soal yang diberikan pada
Termodinamika 1 Kuliah
2-1
Teknik Mesin UMM
33