termodinamika (12) c mesin_kalor

UNIVERSITAS NEGERI JAKARTA

Pertemuan 12MESIN KALOR

Dr. I Made Astra, M.A

Jurusan Fisika

Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam

L e a r n in g O u t c o m e s

Pada akhir pertemuan ini, diharapkan mahasiswa akan mampu :

2

• Menjelaskan konsep temperatur, kalor, perpindahan kalor, dan hukum-hukum termodinamika (C2)

02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

O u t l in e M a t e r i

Temperatur dan termometer Kalor, kapasitas kalor, kalori-metri, azas Black,

dan perubahan fasa Gas Ideal dan hukum termodinamika, mesin

Carnot Model perpindahan kalor


P E P IN D A H A N P A N A S

Hukum dasar tentang kalor:Kalor akan mengalir dari sistem yang suhunya tinggi ke sistem yang suhunya lebih rendah hingga terjadi keseimbangan thermal.

4

Cara kalor perpindah tergantung pada medium yang dilewati.

1. Cara Konduksi : Perpindahan kalor dimana tidak terjadi gerakan

molekul medium perantara. Kalor dipindahkan karena vibrasi molekul dan menumbuk molekul tetangga.


5

Perpindahan model ini terjadi pada medium padat.

T1T2

L

AQ

Batang yang berpenampang A, panjang L dan kedua ujungnya diberi suhu T1 dan T2, maka arus panas akan mengalir sebesar:

dxdT

AkdtdQ

H −==

k = konduktivitas panas bahan (J/s m K)02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

untuk batang yang homogen:

6

L)TT(Ak

H 21 −−= J/s atau Watt

Dua batang yang disambung seri:

)kL

kL

(AH

)TT(2

2

1

112 +=−


Aliran panas radial:

7

R2,T2R1,T1

L


Arus panas H yang mengalir dari permukaan R1 ke R2 adalah:

8

)RR

ln(

)TT(kLH

1

2

212 −π=

2. Cara Konveksi : Adalah perpindahan kalor dimana molekul medium perantaranya yang berpindah sambil membawa kalornya (perhatikan air yang dipanasi) Arus panas H yang mengalir dalam fluida yang beda suhunya ∆T adalah:02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

9

H= h A ∆T

h= koefisien konveksiA=luas penampang

3. Radiasi : Perpindahan kalor melalui pancaran radiasi.• tidak perlu medium (vacum)• jika ada medium harus transparan (udara, air,

kaca..)


10

Laju pancaran energi dari permukaan yang suhunya T (kelvin) adalah:

R = e σ T4 (W/m2)

σ = konstanta Boltzmann = 5,67x10-8 (W/m2 K4)e = faktor emisivitas permukaan ==> (0<e<1)

Pancaran energi netto jika dua buah permukaan saling berhadapan:

R = e σ (T14 – T2

4)


T E R M O D IN A M IK A

1. Gas Ideal.

11

nM

V, PT

n : Jumlah molM : berat molekulM : massa gas = n MV : volumeT : suhuP : tekanan

Sifat-sifat gas ideal pada suatu sistem dengan volume V, suhu T dan tekanan P yang terdapat n mol gas ideal, antara lain:


12

• Pada suhu konstan, tekan gas bebanding terbalik dengan volumenya. (Hk. Boyle)

• Pada tekanan tetap, volume gas berbanding lurus dengan suhunya. (Hk. Gay Lussac)

Gabungan dari kedua hasil tesebut diperoleh:

tankonsT

PV =

(Hk. Boyle – Gay Lussac)

T

PV sebanding dengan jumlah

gas di dalam sistem, sehingga:

Diperoleh juga bahwa


13

nRT

PV = atau nRTPV =

dimana R disebut sebagai konstanta gas umum.R = 8,314 J/mol oK = 1,986 kal/mol oK

2. KERJA DAN HUKUM I TERMODINAMIKA

n P

A

dx


Perhatikan sistem piston seperti gambar di atas, jika tekan gas P mengakibatkan piston bergeser sejauh dx, maka kerja yang dilakukan sistem terhadap piston adalah:

14

dW = F dx= P A dx karena A dx adalah volume, maka= P dV

jika volume berubah dari V1 ke V2, maka kerja total yang dilakukan adalah:


15

∫=2

1

V

VdVPW

1

2

P

V

P1

P2

V1 V2

Kerja

jika ditampilkan dalam diagram P-V akan tampak bahwa kerja adalah luasan yang diarsir


Ilustrasi berikut menunjukkan bahwa kerja suatu sistem bergantung pada Proses dijalaninya.

16

1

2

P

V

P1

P2

V1 V2

1

2

P

V

P1

P2

V1 V2

1

2

P

V

P1

P2

V1 V2

Seiring dengan hukum keseimbangan energi, sistem termodinamika yang berubah dari keadaan AWAL ke keadaan AKHIR selalu :

• melakukan kerja W dengan menyerap kalor Q, atau• menerima kerja W dengan melepas kalor Q.


Tetapi selalu diperoleh bahwa:Kalor yang diterima Q tidak sama dengan kerja W yang dilakukan, atau sebaliknya kerja yang dilepas tidak sama dengan kerja yang diterima Selisih (Q-W) selalu konstan dan dinamakan PERUBAHAN ENERGI DALAM (Pu)

Atau:

17

Kalor yang diterima = kerja + perubahan energi dalam.

dQ = dW + dU


Pers. Ini dikenal sebagai Hukum I Termodinamika.Catatan:W bertanda + jika sistem melakukan kerjaQ bertanda + jika sistem menyerap panas

18

U2-U1 > 0 U2-U1 < 0+ Q + W - Q - W


Jenis-jenis proses perubahan sistem

19

•Proses Isobarik (tekanan tetap): Adalah proses perubahan sistem pada tekanan tetap

( )12

2

1

2

1

VVPdVPdVPWV

V

V

V−=∫=∫=

•Proses isovolume (volume tetap): Adalah proses perubahan sistem pada volume tetap

)dV(dVPWV

V00

2

1

=⇒=∫=02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

20

•Proses Isotermal (suhu tetap): Adalah proses perubahan sistem pada suhu tetap.

∫=2

1

V

VdVPW

karena V

nRTP =

1

22

1V

VlnnRT

V

dVnRTW

V

V=∫=

untuk T konstan, maka PV juga = konstan, sehingga:


P1 V1 =P2 V2

V2 / V1= P1/P2

21

2

1

P

PlnnRTW =

Pada T konstan berarti dU=0, sehingga

dQ = dW khusus pada suhu konstan, semua kalor yang diterima diubah menjadi kerja, atau sebaliknya.


Proses adiabatic Proses dimana tidak terjadi perukaran kalor antara sistem dengan lingkungan (dQ = 0)

Persamaan yang berlaku pada proses ini antara lain:

22

tankonsPVγ =tankonsTV γ =−1

tankonsPT γγ =−1

1 = Cp/Cv dan disebut sebagai tetapan MAYER


23

)VPVP()(

W 11221

1 −γ−

=

atau

)TT()γ(

nRW 121

−−

=

PROSES REVERSIBLE (Dapat balik)Jika suatu sistem menjalani proses dari kondisi awal ke kondisi akhir, kemudian kembali ke kondisi semula dengan total kerjanya =nol, dan kalor neto yang berpindah juga =0, maka sistem tersebut menjalani proses yang reversible.

kerja yang dilakukan pada proses ini:


Pada kenyataannya proses reversible tidak pernah ada, tetapi terdapat suatu proses yang mendekati reversible, yaitu suklus CARNOT (mesin CARNOT), yaitu satu siklus balak-balik yang terdiri atas 2 proses adiabatic dan 2 proses isotermal.

24

Q1

Q2

1

2

34 T1 > T2

T2

V

P

P1

P2

P3

P4

V1 V2 V3V4

proses 1-2 dan 3 – 4 : isotermalproses 2-3 dan 4 – 1 : adiabatik


Perhitungan Kerja dan Kalor:

25

1.Proses isotermal 1-2 (dT=0, Q=W) Volume mengembang (dV>0), maka W >0

sehingga Q>0, yang berarti kalor Q1 diserap sistem.

2.Proses adiabatik 2-3 Karena adiabatic maka Q=0, volume bertambah

(sistem mengembang) suhu turun. Dari dU=Q-W, maka W= - dU, sistem melakukan

kerja tanpa memindah kalor.


26

3.Proses isotermal 3-4 Volume sistem mengecil pada suhu tetap (dT=0),

sehingga dU=0 dan Q=W. Volume mengecil, dV<0, maka W juga <0 berarti

sistem menerima kerja. Karena Q=W, maka Q<0, berarti system

mengeluarkan kalor Q2.

4.Proses adiabatic 4-1 Sistem kembali ditekan dari V4 ke V1, dV<0 berarti

sistem menerima kerja. Proses adiabatic Q=0 dan suhu naik dari T2 ke T1, berarti dU>0 dan dU = W

Sistem menerima kerja tanpa memindahkan kalor. 02/02/11 © 2010 Universitas Negeri Jakarta | www.unj.ac.id |

Jika ditinjau satu proses lengkap, maka dapat kita peroleh:

27

•Kalor digunakan sistem dQ = Q1 – Q2

•Karena satu siklus penuh, maka dU=0, sehingga dU = 0 = dQ – dW

dW = dQ = Q1 – Q2

Hasil siklustersebut adalah: Kalor (dQ) diubah menjadi kerja (dW).


termodinamika (12) c mesin_kalor

Education