Termodinamika 1panas, kerja dan energiKuliah 2 - 1Saifuddin BaedlowieSudarman

Teknik Mesin UMM

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.

Teknik Mesin UMM

Hubungan antara KERJA, PANAS, dan ENERGIJika gaya F beraksi pada sebuah balok yang bergeser diatas permukaan tanpa gesekan, maka maka

Teknik Mesin UMM

Permukaan licin tanpa gesekan

X

Massa M

Massa M

X1

X2

Gaya F

Teknik Mesin UMM

maka

dimana v = kecepatan massa dalam arah x

sehingga

integrasi kedua sisi dari posisi balok 1 ke 2

jadi

adalah energi yang dipakai untuk memindahkan balok ( kerja yang terjadi W1-2 dilakukan oleh F

_1247328189.unknown

_1247328198.unknown

_1247328206.unknown

_1247328209.unknown

_1247328202.unknown

_1247328193.unknown

_1247328184.unknown

sebagaimana obyek jatuh dalam medan gravitasinya, Consider an object falling in a gravitational field

Teknik Mesin UMM

Benda Jatuh Bebas

F=mg

Massa m

Massa m

h1

y

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 seperti contoh sebelumnya.Massa PE dikonversikan ke KE melalui kerja yang diakibatkan oleh gravitasi.

Teknik Mesin UMM

Transfer Energi oleh KerjaUmumnya, kerja yang terjadi dievaluasi menggunakan persamaankerja adalah energi yang dipindahkan rerata, dimana tidak peduli apakah ditransfer atau disimpan dalam sistem.

Harga W12 tergantung rincian interaksi yang diambil antara sistem dan sekeliling lingkungannya selama proses seperti F(s), dan tidak hanya keadaan awal dan akhir saja.

Teknik Mesin UMM

Teknik Mesin UMM

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

diferensial dari kerja adalah inexact integral yang diikuti tak dapat dievaluasi tanpa mengetahui rincian proses

laju transfer energi oleh kerja disebut daya (power) dan disingkat dengan

secara umum;

dan kerja yang timbul selama waktu tertentu adalah

dimana

adalah kecepatan

_1247305459.unknown

_1247328240.unknown

_1247328245.unknown

_1247328249.unknown

_1247328237.unknown

_1247305258.unknown

Kerja Kompresi & Ekspansi

Teknik Mesin UMM

Kerja Kompresi dan Ekspansi

Teknik Mesin UMM

Mengikuti suatu proses ekspansi gas yang perlahan didalam rangkaian silinder-piston dimana

adalah tekanan rata-rata pada permukaan piston.

asumsi sebuah proses kuasi-setimbang, semua keadaan yang melewati sistem yang mengikuti keadaan setimbang dan sifat-sifat intensif, seperti tekanan, adalah uniforrm diseluruh sistem.

_1247327141.doc

Proses Ekspansi

X1

X1

Luas penampang piston

X

_1247328254.unknown

_1247328260.unknown

_1247305571.unknown

Teknik Mesin UMM

Interpretasi Grafik

luasan yang diarsir

adalah luas seluruh bagian dibawah kurva

EMBED Word.Picture.8

_1247328269.unknown

_1247508427.doc

Tekanan

Arah translasi

Vol. langkah

Proses Ekspansi

X1

X1

Luas penampang piston

X

V1

V2

dV

Keadaan 1

Keadaan 2

Garis Ekspansi

_1247307101.unknown

_1247328265.unknown

Teknik Mesin UMM

Jika kita ikuti dua proses dengan keadaan awal dan akhir yang sama,

Jika luas setiap kurva pada proses berbeda, maka kerja yang diperlukan tiap kurva juga berbeda.

Kerja yang terjadi tergantung garis yang diambil dan tidak hanya nilai pada keadaan akhir proses.

Kerja Bukan Sifat (properti)!

EMBED Word.Picture.8

_1247508567.doc

P1

Titik 1

P2

Titik 2

V1V2

Kurva 2

Kurva 1

Expansi dan Kompresi PolytropikHubungan tekanan-volume dapat dijelaskan olehKerja yang terjadi adalah

Teknik Mesin UMM

tetapi maka Untuk n=1, P=c/V maka

Teknik Mesin UMM

Kasus spesial ; Untuk n=0, p=c yakni proses tekanan konstan, maka

Teknik Mesin UMM

Energi Potensial PegasEnergi Potensial pegas Energi potensial pegas dapat digolongkan dalam energi potensial gravitasi.

Teknik Mesin UMM

F = gaya pegas = k.x

k = konstanta pegas

X = perubahan jarak

x

F=

Energi Bentuk lainDalam 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, UE2- E1= (KE2- KE1) + (PE2- PE1) + (U2- U1)

Teknik Mesin UMM

Seperti halnya pengadukan fluida didalam tangki yang terisolasi sempurna, energi ditransfer kedalam sistem melalui kerja oleh pengaduk, hasil kenaikan dalam sistem energi

Teknik Mesin UMM

Terisolasi sempurna

Sistem terisolasi sempurna diberi kerja W

Sistem

Motor

Fluida

Kerja W

Energy is transferred into the system via work by the paddle wheel, results in an increase in the system energy.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)

Teknik Mesin UMM

E2- E1= (KE2- KE1) + (PE2- PE1) + (U2- U1)= W

Interpretasi MikroskopisEnergi 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;TranslasiRotasi, VibrasiIkatan MolekularEnergi pada tingkat atomi:Electron orbital statesNuclear spinNuclear binding

Teknik Mesin UMM

Konservasi Energi untuk Sistem TertutupSistem 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

Teknik Mesin UMM

Tanda yang disetujui untuk transfer energi oleh kerja adalah;Kerja diberikan oleh sistem adalah positif,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.

Teknik Mesin UMM

sebagaimana proses adiabatik dan proses tak-adiabatik antara dua keadaan akhir di titik 1 dan 2.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.

Teknik Mesin UMM

P1

Titik 1

P2

Titik 2

V1V2

Proses Adiabatik

P1

Titik 1

P2

Titik 2

V1V2

Proses non-Adiabatik

(panas + kerja)

Proses Adiabatik

(hanya kerja)

oleh karena luas dibawah kurva berbeda, maka kerja yang terjadi juga berbeda. sehingga Wad Wnonadakhir proses keduanya pada sistem yang sama, maka perubahan energinya juga sama dalam setiap proses, sehingga (E2 E1)ad = (E2 E1)nonad = E2 E1Kita ketahui perubahan proses adiabatik adalah E2 E1 = -WadTetapi selama Wad Wnonad kita dapat simpulkan E2 E1 -WnonadKarena 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.

Teknik Mesin UMM

Sejumlah energi yang ditransfer kedalam sistem tertutup oleh kalor adalah Q

E2 E1 = -Wnonad + Q

Keadaan Hukum Termodinamika PertamaE2 E1 = Q - W

Teknik Mesin UMM

Transfer Energi oleh KalorKuantitas 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;Perpindahan kalor menuju sistem adalah positifPerpindahan kalor dari sistem adalah negatif

Teknik Mesin UMM

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.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 logamU2 - U1 = -Q or Q = U1 U2

Teknik Mesin UMM

Tm > Tf

QTf (Tm

Tm

Tf

Tf

Tm

seperti halnya kerja, kalor adalah bukan sifat properti dan sejumlah perpindahan energi tergantung rincian proses, dimanalaju perpindahan kalor dinyatakan sebagai dan total energi yang dipindahkan melalui panas selama periode waktu tertentu adalah

Teknik Mesin UMM

Sistem Tertutup Steady

Teknik Mesin UMM

Sistem Tertutup

Teknik Mesin UMM

Teknik Mesin UMM

sistem

Teknik Mesin UMM

Refleksi :Tanya jawab secara lisan atau kuis (IC) atas semua materi yang disajikan oleh dosen.Pekerjaan rumah :Kerjakan soal soal yang diberikan pada

Teknik Mesin UMM