termodinamika 1 panas, kerja dan energi - directory umm

Termodinamika 1Termodinamika 1panas, kerja dan energipanas, kerja dan energi

Kuliah 2 - 1Saifuddin Baedlowie

Sudarman

Termodinamika 1 Kuliah 2-1

Teknik Mesin UMM 2

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 3

Hubungan antara KERJA, PANAS, dan ENERGI

• Jika gaya F beraksi pada sebuah balok yang bergeser diatas permukaan tanpa gesekan, maka

Permukaan licin tanpa gesekan

X

Massa M

Massa M

X1 X2

Gaya F

FdtvdM maka

FdtdvM


Teknik Mesin UMM 4

FdtvdM maka Fdt

dvM

dimana v = kecepatan massa dalam arah x

vdxdvMdt

dxdxdvMdt

dvMF

sehingga MvdvFdx

integrasi kedua sisi dari posisi balok 1 ke 2

2

1

2

1vdvMFdx jadi KEW2

Mv2

MvFdx 2111

22

2

1

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


Teknik Mesin UMM 5

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

Benda Jatuh Bebas

F=mg

Massa m

Massa m

h1

y h2

2

121

2

121 hhmgdymgydFW


Teknik Mesin UMM 6

2

121

2

121 hhmgdymgydFW

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

KEW 21

seperti contoh sebelumnya.

KEPE2mv

2mvhhmg

21

22

21

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


Teknik Mesin UMM 7

Transfer Energi oleh KerjaUmumnya, kerja yang terjadi dievaluasi menggunakan persamaan

sdFW2

121

kerja 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 8

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

12

2

1EEdE

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

WW2

1

laju transfer energi oleh kerja disebut daya (power) dan disingkat dengan W secara umum; vFW

dan kerja yang timbul selama waktu

tertentu adalah

dtvFdtWW2

1

2

1

dimana v adalah kecepatan


Teknik Mesin UMM 9

Kerja Kompresi & Ekspansi


Teknik Mesin UMM 10

Kerja Kompresi dan EkspansiMengikuti suatu proses ekspansi gas yang perlahan didalam rangkaian silinder-piston dimana pP adalah tekanan rata-rata pada permukaan piston.

Proses Ekspansi

X1 X1

Luas penampang

piston

X

2

1

2

1pp

2

121 dVPdxAPsdFW

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

2

1

V

Vgas21 dVPW


Teknik Mesin UMM 11

Interpretasi Grafik

PdVW luasan yang diarsir

2

1

V

V

2

121 PdVWW

adalah luas seluruh bagian dibawah kurva

Tekanan pdVW Arah translasi Vol. langkah

Proses Ekspansi

X1 X1

Luas penampang

piston

X

V1 V2 dV

Keadaan 1

Keadaan 2

Garis Ekspansi


Teknik Mesin UMM 12

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)!

P1 Titik 1 P2 Titik 2 V1 V2

Kurva 2

Kurva 1


Teknik Mesin UMM 13

Expansi dan Kompresi PolytropikHubungan tekanan-volume dapat dijelaskan oleh

konstantan dan c, konstantaPVn Kerja yang terjadi adalah

2

1

2

1

2

1

V

V

V

V

nn

V

V21 dVcVdVV

cPdVW

n1VVcn1

VcWn1

1n1

2V

V

n121

2

1


Teknik Mesin UMM 14

tetapi n22

n11 VPVPc

maka

n1VVPVP

n1VVVPW

n112222

V

V

n11

n12n

2221

2

1

1 n dimana n1VPVPW 11

n22

21

Untuk n=1, P=c/V maka

2

1

21

2

1

V

V

VV

V

V21 VlncdVV

cPdVW


Teknik Mesin UMM 15

12

12VV21 V

VlncVlnVlncVlncW 21

1 n dimana VVlnVPW

12

1121

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

12

2

121 VVPPdVW


Teknik Mesin UMM 16

Energi Potensial

Pegas

F = gaya pegas = k.x k = konstanta pegas X = perubahan jarak

F=

x

21

22

x

x

22

1

2

121 xxk2

12

kxdxkxsdFW2

1

Energi Potensial pegas 2kx2

1PESpring

Energi potensial pegas dapat digolongkan dalam energi potensial gravitasi.


Teknik Mesin UMM 17

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)


Teknik Mesin UMM 18

Seperti halnya pengadukan fluida didalam tangki yang terisolasi sempurna,

Terisolasi sempurna

Sistem terisolasi sempurna diberi kerja W

Sistem

Motor

Fluida Kerja W

energi ditransfer kedalam sistem melalui kerja oleh pengaduk, hasil kenaikan dalam sistem energi


Teknik Mesin UMM 19

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)


Teknik Mesin UMM 20

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


Teknik Mesin UMM 21

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


Teknik Mesin UMM 22

• 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.


Teknik Mesin UMM 23


Proses Adiabatik

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


Proses non-Adiabatik (panas + kerja)

Proses Adiabatik (hanya kerja)

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 24

• 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.


Teknik Mesin UMM 25

Sejumlah energi yang ditransfer kedalam sistem tertutup oleh kalor adalah Q

E2 – E1 = -Wnonad + Q

Keadaan Hukum Termodinamika Pertama

E2 – E1 = Q - W


Teknik Mesin UMM 26

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 positif2. Perpindahan kalor dari sistem adalah negatif


Teknik Mesin UMM 27

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 > Tf Q Tf Tm

Tm

Tf 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 logamU2 - U1 = -Q or Q = U1 – U2


Teknik Mesin UMM 28

seperti halnya kerja, kalor adalah bukan sifat properti dan sejumlah perpindahan energi tergantung rincian proses, dimana

2

121 QQ

laju perpindahan kalor dinyatakan sebagai Q dan total energi yang dipindahkan melalui panas selama periode waktu tertentu adalah

dtQQ2

121


Teknik Mesin UMM 29

Sistem Tertutup Steady


Teknik Mesin UMM 30

Sistem Tertutup


Teknik Mesin UMM 31


Teknik Mesin UMM 32

sistem


Teknik Mesin UMM 33

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 panas, kerja dan energi - directory umm

Documents