Termodinamika 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 • Energi dalam (u) adalah sejumlah bentuk energi mikroskopik suatu sistem. • Energi dalam (u) berkaitan dengan struktur molekul dan derajat aktifitas molekul • Bentuk energi mikroskopik Energi dalam • Sensible 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 Q (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 Kerja elektrik • Kerja elektrik (kJ) • Laju kerja elektrik (W) • Electrical power (kJ) • N muatan listrik • V perbedaan tegangan • I arus listrik yang mengalir Kerja mekanik • Kerja W (kJ) dari gaya konstan F sejauh jarak s • Kerja W (kJ) dari gaya F • F gaya tidak konstan • s jarak Kerja poros • Torsi • Jarak s • Kerja poros (kJ) • Kerja poros per satuan waktu (daya poros) kW • F gaya • r jarak lengan • s jarak yang berhubungan dengan radius r Kerja Pegas • Kerja pegas akibat suatu perubahan jarak dx dari gaya F • Gaya pegas (kN) • Kerja pegas (kJ) • x displacement (perpindahan) • k konstanta pegas kN/m • x1 dan x2 posisi awal dan akhir pegas 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 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 • Keseimbangan energi dari suatu sistem dapat dinyatakan • Laju keseimbangan energinya dinyatakan • Dfsd 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 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 (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 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑣 (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) • Specific heat – 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