02. HKUM TERMO 1 SISTEM TERTUTUP I

ENERGI DAN
HUKUM PERTAMA
THERMODINAMIKA
Part i
PANAS
DAN
KERJA
HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA
PADA SISTEM TERTUTUP
HUKUM PERTAMA THERMODINAMIKA
=
PRINSIP KONSERVASI ENERGI
ENERGI TAK DAPAT DICIPTAKAN DAN
TAK DAPAT DIHANCURKAN; ENERGI
HANYA DAPAT BERUBAH BENTUK
SELAMA BERINTERAKSI ANTARA SISTEM DAN SEKELILING, JUMLAH
ENERGI YANG DI DAPAT SEKELILING HARUS SAMA DENGAN ENERGI
YANG DILEPAS OLEH SISTEM ATAU SEBALIKNYA
UDARA
SEKELILING
250C
HEAT
TELUR
800 C
Gambar a. Telur Yang Panas
Suatu proses jika tidak terjadi perpindahan panas disebut dengan proses
adiabatis.


Ada dua cara suatu proses dapat dikatakan adiabatis.
sistem diisolasi sempurna
antara sistem dan lingkungan berada pada temperatur yang sama
sehingga tidak terjadi aliran panas karena perbedaan temperatur.
Dari pengertian diatas, tidak harus disamakan pengertian proses
adiabatis dengan proses isotermal
A
B
Ketika temperatur sama, maka
perpindahan panas berhenti
PANAS (HEAT)
Panas (heat) didefinisikan sebagai bentuk energi yang dapat
berpindah antara dua sistem (atau dari sistem ke
lingkungan) dengan sifat karena perbedaan temperatur
Panas adalah sebuah energi dalam keadaan transisi, dia
dikenali jika hanya melewati batas sistem sehingga dalam
termodinamika panas (heat) sering diistilahkan dengan tranfer
panas (heat transfer).
3-Ways of Heat Transfer
Conduction, heat moves
across molecule of the medium
Convection,
Radiation, no medium needed
2
Q
q
m
kJ / kg 
Q   Q dt kJ 
molecules of the
medium recieves
heat and they
move, carrying the
energy within.
1
Unit of heat: amount; Q = J or Btu, q = kJ/kg or Btu/lbm
rate:
Qo = J/s = kW or Btu/s
Perpindahan Panas
Work
2.2. KERJA (W)
Kerja (work) seperti halnya panas adalah suatu bentuk interaksi
antara sistem dan lingkungan. Seperti pada pada penjelasan
sebelumnya, dapat disimpulkan bahwa jika suatu energi dapat
melintasi batas sistem adalah bukan panas dapat dipastikan bahwa
bentuk energi tersebut adalah kerja.
Interkasi Energi yang bukan disebabkan oleh perbedaan temperatur
antara sistem dengan lingkungan adalah kerja.
Energi yang diberikan ke sistem akan meningkatkan energi sistem
dan kerja yang diberikan oleh sistem akan mengurangi energi dari
sistem
Seperti halnya panas, kerja juga mempunyai konvensi tanda. Kerja
yang dilakukan sistem adalah positif dan jika sistem dikenai kerja
maka kerja bertanda negatif. Heat transfer dan kerja adalah
interaksi antara sistem dengan lingkungan dan terdapat
beberapa kesamaan antara keduanya :
1. Keduanya merupakan fenomena batas sistem; hanya
dikenali
ketika melintasi batas sistem.
2. Keduanya merupakan fenomena transient artinya sebuah system
tidak bisa memiliki panas atau kalor.
3. Keduanya selalu terkait dengan proses, bukan state.
4. Keduanya merupakan ”path function ”, differensialnya disebut
differensial tidak eksak, dQ dan dW. (berbeda dengan property
yang merupakan point function , differensialnya
disebut
differensial eksak, misalnya du, dh, dT, dP dan lain-lain).
(+)
(-)
(-)
(+)
ENERGI DAPAT MELEWATI BATAS DARI
SUATU
SISTEM
TERTUTUP DALAM
BENTUK PANAS DAN ATAU KERJA

If the energy crossing the
boundary of a closed
system is not heat, it must
be WORK
kJ / kg 
W
w
m
2
 dw  W
12
mass
mass
Piston
not W 
P
1
Unit of work: amount; W= J or Btu, q = kJ/kg or ft-lbf,
rate = POWER : Wo = J/s = kW or (ft-lbf)/s, or HP
Work & Heat both of them:• Occur at boundary.
• Transfer Phenomena.
• Associate with
PROCESS not State
Point.
• Path Function
No W1, W2 but W12
No Q1, Q2 but Q12
Form of work
• Electrical Work
• Mechanical work
–
–
–
–
–
Moving boundary work
Gravitational Work
Accelerational work
Shaft work
Spring work
• Others; i.e. magnetic work
Kerja Gravitasi ( Perubahan Energi Potensial)
2
z2
z1
2
W g   F dZ  mg  dz  mg ( Z 2  Z 1 )
1
(kJ )
1
Contoh 3-1
Consider a 1200-kg car cruising steadily on a
level road at 90 km/h. Now the car starts
climbing a hill that is sloped 30° from the
horizontal. If the velocity of the car is to
remain constant during climbing, determine
the additional power that must be delivered
by the engine.
Kerja percepatan ( perubahan energi kinetik)
10 km/Jam
60 km/Jam
F ma 
dV

dV  F  m
dt
a

dt 
ds
V 
dt
 ds  V dt
 dV 
2
1
Wa   Fds    m
(Vdt )  m  VdV  1 2 m (V2  V1 ) (kJ )
dt 
1
1
1
2
2
2
Contoh 3-2 Daya untuk akselerasi
Electrical Work
o
W  VI
kW 
2
We   VIdt
1
(kJ )
I
V
Mechanical Work
2
W   Fds
1
F
(kJ )
Spring Work
Wspring  Fdx
For linear spring
F  kx
W pegas
1
2
2
 k ( x 2  x1 )
2
(kJ )
KERJA POROS
Transmisi energi dengan menggunakan sebuah poros yang berputar
sangat sering dalam praktis keteknikan. Daya yang ditransmisikan
melalui sebuah poros adalah kerja poros perunit, waktu yang dituliskan :
 
Wsh  Fs   (2rn )  2n [kJ ]
r
Example 2-7 :
Determine the power transmitted through the shaft of a car when the
torque applied is 200 N · m and the shaft rotates at a rate of 4000
revolutions perminute (rpm).
HUKUM I
THERMODINAMIKA
ENERGY ANALYSIS OF
CLOSED SYSTEMS
part II
Moving Boundary Work
P
1
W  Fds  PAds  PdV
2
W   PdV
P
1
2
dv
v1
P
v2
v
(kJ )
Work is a PATH function
P
1
A
B
C
v1
P
2
v2
v
Amount of work
involved depends not only
on the initial and final
state of the working fluid
but also on the PROCESS
as well.
In this example, the
beginning and final states are
the same but WA>WB>WC
Isobaric Process (Constant Pressure)
P
2
W12   PdV
(kJ )
1
1
2
2
W12  P  dV
P1=P2
(kJ )
1
W12  P(V2  V1 ) (kJ )
v1
P
v2
v
Isothermal Process (const.Temp.)
P
Critical Point
Ideal Gas
Superheated Zone
Vapour
Region
Compressed
Liquid Region
T2 >T1
Saturated
Liquid-Vapour Region
T1
v
Isothermal Process (const.Temp.) of an IDEAL GAS
P
2
1
W12   PdV
(kJ )
1
Ideal gas : PV  mRT  Const
2
C
P
V
or
2
v1
P
v2
2
C
dV
v W12   V dV  C  V
1
1
V2
W12  P1V1 ln
V1
V2
 C ln
V1
Example 4.3
• A piston-cylinder device initially contains 0.4 m3 of air at 100 kPa
and 80oC. The air is now compressed to 0.1 m3 in such a way that
the temperature inside the cylinder remains constant. Determine the
work done during this process.
P
F
1
2
F
Air
0.4 m3
100 kPa
80oC.
T=Const
0.1 m3
v
v v
2
1
Polytropic Process (Pvn = Const)
2
P
W12   PdV
1
P1
(kJ )
1
PV n  const   P  CV  n
P2V2  P1V1
W12   CV dV 
1 n
1
2
2
P2
n
IF Ideal gas : PV  mRT
v1
v2
v
W12 
mR(T2  T1 )
,
1 n
if
n  1  Isothermal process
P
n 1
( Sebuah piston silinder berisi 0.05 m3 gas dengan tekanan awal 200 kPa. Pada kondisi
ini sebuah pegas linear dengan konstanta pegas sebesar 150 kN/m menyentuh piston
tanpa memberikan gaya pada piston. Kemudian panas dipindahkan kegas menyebabkan
piston naik dan menekan pegas sampai volume dalam silinder menjadi 2 kali lipat.
Tentukan : (a) tekanan akhir dalam silinder
(b) Kerja Total dari gas
( Kerja untuk melawan pegas
1
2
Skema
A=0.25 m2
V2=2V1
gas
0.05m3
200 kPa
+Q
Solution example
Perpindahan piston
Perpindahan piston (dan pegas menjadi )
Gaya linear pegas pada kondisi akhir
Pertambahan tekanan yang diberikan pegas ke gas pada kondisi ini
adalah :
a) Tanpa gaya pegas, maka tekanan di dalam silinder akan konstan sebesar 200 kPa.
Akibat melawan gaya pegas secara linear maka tekanan akhir di dalam silinder
menjadi :
b) cara mudah untuk menentukan kerja yang terjadi pada piston adalah menghitung luas
kurva pada diagram P-V
kerja,
W =luas kurva =
Harga (+) …………………….
c) Kerja yang ditunjukan pada luas 1 diberikan untuk melawan piston dan tekanan
atmosphere, dan kerja pada luas II diberikan untuk melawan pegas
The First Law of Thermodynamics :
The Principle of Energy Conservation
State 1
Begining
Between
State 2
Final
1 unit of Energy
E1 + ΣEin = E2 + ΣEout
ΣEin - ΣEout = E2- E1 = ΔE
HUKUM I THERMODINAMIKA
UNTUK SISTEM TERTUTUP
Persamaan umum hukum termodinamika pertama untuk sebuah siklus
tertutup diekspresikan sebagai berikut :
 jumlah energi netto

 kalor yang dipindahka n ke
 dalam sistem melalui

 daerah batas untuk
 interval waktu tertentu

  jumlah energi netto
 
  kerja yang dipindahka n ke
   luar sistem melalui
 
  daerah batas untuk
  interval waktu tertentu
 
Q-W = ΔE
Q-W = ΔU + ΔKE + ΔPE
  perubahan jumlah

 

  energi yang terdapat 
   dalam sistem untuk

 

  interval waktu tertentu 
 

 

[kJ]
dimana :
Q = transfer panas bersih melintasi sistem
W = Wother + Wb ( kerja bersih )
ΔU + ΔKE + ΔPE = perubahan energi bersih sistem
The First Law of Thermodynamics :
For a Closed System
Heat Engine Model
Add heat to system, Qin  +ve
System gives WORK, Wout +ve
+
Q
From
ΣEin - ΣEout = E2- E1
ΣEin = ΣQin +ΣWin
ΣEout = ΣQout + Σwout
Let
Q = Σ(Qin - Qout)
W =Σ(Wout-Win)
Q – W = ΔE
q - w = Δe
Energy Change of a System  Esystem
The energy change of a system during a process is:
Energy change = Energy at final state - Energy at initial state
or
Esystem = Esystem@final - Esystem@initial
From the discussion in the previous section, it is known that the
change in the total energy of a system during a process is the
sum of the changes in its internal, kinetic, and potential
energies.
E = U + KE + PE
Closed System First Law for a Cycle
The properties of working
fluid change while undergoes
processes and finally back to
the initial state point 
ΔU = U1-U1 =0
Qnet  Wnet  U cycle
Qnet  Wnet
Internal Energy, Enthalpy, and Specific Heat
of Ideal Gases
Sp.Heat @ v;
Sp.Heat @ p;
du = CvdT
dh = CpdT
The change in internal energy or enthalpy for an ideal gas
during a process from state 1 to state 2 is determined by
integrating these equations:
2
u  u 2  u1   Cv (T )dT
1
2
h  h2  h1   C p (T )dT
1
To determine Δu and Δh of Ideal Gases
3- Ways
Δu = u2 – u1 (Table)
2
u  u 2  u1   Cv (T )dT
1
Δu = Cv,avΔT
Δh  similar ways
Specific Heat Relations of Ideal Gases
Ideal gases:
Sp.Heat @ v;
Sp.Heat @ p;
Enthalpy;
Pv = RT
du = CvdT
dh = CpdT
h = u + Pv = u +RT
dh = du + RdT
CpdT = CvdT + RdT
Cp = Cv + R
And defined Specific Heat Ratio;
k
Cp
Cv
Conclusion of Importance Equations
Boundary Work;
w
=∫ Pdv
...........(1)
1st Law
general
ΣEin - ΣEout = ΔE
Closed System;
Enthalpy (defined)
Specific Heat:
for Ideal gases:
...........(2)
Q – W = ΔU + ΔKE + ΔPE
………..(3)
h = u + Pv
...........(4)
du = CvdT
.....(5)
dh = CpdT
......(6)
Cp = Cv + R
k
= Cp/Cv
........(7)
......(8)
Latihan
Lengkapi Tabel Yang Kosong
Proses a;
ΔE= Q-W =( +50)- (-20) =+70
E2- E1 = ΔE→ E1 = E2 – ΔE
= ( +50)- (+70) =-20
example :
A rigid tank contains a hot fluid that is cooled while being stirred by a
paddle wheel. Initially, the internal energy of the fluid is 800 kJ.
During the cooling process, the fluid loses 500 kJ of heat, and the
paddle wheel does 100 kJ of work on the fluid. Determine the final
internal energy of the fluid. Neglect the energy stored in the paddle
wheel.
QUIS
Perhatikan 5 kg uap air diisikan pada sistem piston–silinder, uap melakukan
ekspansi dari tingkat keadaan 1, dimana energi dalam u1=2709, 9 kJ/kg
ketingkat keadaan 2 dimana u2= 2659,6 kJ/kg. selama proses, panas dimasukan
kedalam sistem sebesar 80 kJ. Pengaduk (paddle wheel ) memindahkan energi
kedalam sistem berupa kerja sebesar 18.5 kJ, perubahan energi kinetik dan
potensial diabaikan. Tentukan besarnya perpindahan energi sebagai kerja dari
sistem ke piston selama proses
• Suatu sistem silinder torak dengan orientasi mendatar., berisi
udara hangat. Udara didinginkan secara perlahan dari volume
awal 0,003m3 ke volume akhir 0,002m3. selama proses, pegas
memberikan gaya berubah secara linear dari suatu keadaan awal
900 N keadaan akhir nol. Tekanan atmosfer adalah 100 kPa dan
luas penampang piston adalah 0,018 m2. Gesekan antara piston
dan torak diabaikan. Tentukan tekanan awal, akhir [kPa] dan
kerja pada udara dalam kJ
Quis
• Sebuah benda seberat 40 kN ditempatkan pada
ketinggian 30 m diatas permukaan bumi, untuk
g=9,81 m/s2 , tentukanlah energi potensial gravitasi
benda tersebut ( kJ), relatif terhadap permukaan
bumi
End of Chapter 3
Tugas
A piston–cylinder device contains 50 kg of water at 250 kPa and 25°C. The crosssectional area of the piston is 0.1 m2. Heat is now transferred to the water, causing
part of it to evaporate and expand. When the volume reaches 0.2 m3, the piston
reaches a linear spring whose spring constant is 100 kN/m. More heat is transferred
to the water until the piston rises 20 cm more.
Determine (a) the final pressure and temperature and (b) the work done during this
process. Also,show the process on a P-V diagram.
Tugas
An insulated piston–cylinder device contains 5 L of saturated liquid
water at a constant pressure of 175 kPa. Water is stirred by a paddle
wheel while a current of 8. A flows for 45 min through a resistor
placed in the water. If one-half of the liquid is evaporated during
this constant pressure process and the paddle-wheel work amounts
to 400 kJ, determine the voltage of the source. Also, show the
process on a P-v diagram with respect to saturation lines