Termodinamika 1 Termodinamika 1 panas, kerja dan panas, kerja dan energi energi Kuliah 2 - 1 Saifuddin Baedlowie Sudarman
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.
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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.
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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.
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
Teknik Mesin UMM 9
Kerja Kompresi & Ekspansi
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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.
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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)
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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)
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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.
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
Teknik Mesin UMM 23
P1 Titik 1 P2 Titik 2 V1 V2
Proses Adiabatik
sebagaimana proses adiabatik dan proses tak-adiabatik antara dua keadaan akhir di titik 1 dan 2.
P1 Titik 1 P2 Titik 2 V1 V2
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.
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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.
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
Teknik Mesin UMM 29
Sistem Tertutup Steady
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
Teknik Mesin UMM 30
Sistem Tertutup
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
Teknik Mesin UMM 31
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
Teknik Mesin UMM 32
sistem
Termodinamika 1 Kuliah 2-1
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