baru 3 2-hukum i termodinamika
DESCRIPTION
Baru 3 2-Hukum I TermodinamikaTRANSCRIPT
BAB 3 BAB 3 Hukum Pertama TermodinamikaHukum Pertama Termodinamika
Untuk Sistem Tertutup
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
The First Law of Thermodynamics : Closed System
Introduction to First Law of Thermodynamics
Heat Transfer Work Forms of Works The First Law of Thermodynamics Specific Heat Problem Analysis & Solution
Technique
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Review Sistem tertutup? Energi? Bentuk-bentuk energi? Kalor? Kerja?
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Hukum Pertama Termodinamika Energi tidak dapat diciptakan
ataupun dimusnahkan, namun dapat berpindah dan atau berubah bentuk.
Disebut juga Prinsip Konservasi Energi
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Hukum Pertama Termodinamika Perubahan netto (pertambahan
atau pengurangan) energi total suatu sistem (Esystem) selama suatu proses sama dengan selisih energi total yang masuk sistem (Ein) dan energi total keluar sistem (Eout) selama proses tersebut.
outinsystem EEE
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Energi Total Sistem Energi total untuk sistem
kompresibel sederhana
Perubahan energi sistemPEKEUEsystem
PEKEUEsystem
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Kita dapat merubah energi suatu sistem dengan cara :
Merubah energi kinetik dengan mempercepat atau memperlambat.
Merubah energi potensial dengan menaikkan atau menurunkan ketinggian.
Merubah energi internal dengan menaikkan/ menurunkan temperatur/tekanan atau merubah fase zat.
ΔE = ΔU + ΔKE + ΔPE
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Perpindahan EnergiEnergi dapat berpindah keluar atau masuk sistem dengan 3 cara :
Kalor Kerja Aliran massa
)EE()WW()QQ(
EEE
outmass,inmass,outinoutin
outinsystem
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Tanda Untuk Perpindahan Energi
Qin +Wout +
Win
mout
min +
Perjanjian :
Qin : positif
Qout : negatif
Win : negatif
Wout : positif
min : positif
mout : negatif
Qout
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Perpindahan Energi Untuk sistem tertutup
systemoutmass,mass,inoutinoutin E)EE()WW()QQ( 0
Sistem tertutup
ΔEWQ
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Hukum Termodinamika Pertama
Perubahan energi total
sistem selama t
Perubahan energi internal, energi
potensial dan energi kinetik sistem
selama t
Jumlah energi yang
berpindah ke sistem dalam bentuk kalor
Jumlah energi yang berpindah dari sistem
dalam bentuk kerja
E = U + PE + KE = Q W
Untuk Sistem Tertutup
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Q - W = Δ U + Δ KE + Δ PE (kJ)
W = Wother + Wb
ΔU = m (u2 – u1)
ΔKE = ½ m (Vel22 – Vel1
2)
ΔPE = mg (z2 – z1)
Hukum Termodinamika Pertama
Untuk Sistem Tertutup
Jangan lupa konversi ke kJ
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
q - w = Δu + Δke + Δke (kJ/kg)
w = wother + wb
Δu = u2 – u1
Δke = ½ (Vel22 – Vel1
2)
Δpe = g (z2 – z1)
Hukum Termodinamika Pertama
Untuk Sistem Tertutup
Jangan lupa konversi ke kJ/kg
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Konservasi Energi untuk Sistem Stasioner Sistem stasioner adalah sistem
yang tidak berpindah tempat PE = 0 (tidak berubah ketinggian) KE = 0 (tidak begerak)
Q – W = U q – w = u
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Konservasi Energi untuk Sistem Stasioner
ΔE = Q W
= (Qin Qout) – (Wout Win)
= (15 – 3) – (0 – 6)
ΔE = 18 kJ
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Dalam Bentuk Diferensial
Perubahan jumlah energi sistem selama interval waktu tertentu.
Diferensial jumlah perpindahan energi masuk (+) atau keluar (-) melalui perpindahan kalor.
Diferensial jumlah perpindahan energi keluar (+) atau masuk (-) melalui interaksi kerja
dE = Q – W, anddU + dPE + dKE = Q – W
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Bentuk Laju Perubahan Untuk analisis proses transien lebih
banyak digunakan persamaan dalam bentuk laju perubahan (rate)
(kJ/s)
dengan
dtdPE
dtdKE
dtdUWQ
dtQQ
dtWW
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Proses Isobarik Untuk proses tekanan konstan pada
sistem piston silinder q – (wb + wother) = u + ke + peq – (P v + wother) = u + ke + peq – wother = u + P v + ke + peq – wother = (u + Pv) + ke + pe
q – wother = h + ke + peentalpi
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
The First Law of Thermodynamics : Closed System
Introduction to First Law of Thermodynamics
Heat Transfer Work Forms of Works The First Law of Thermodynamics Specific Heat Problem Analysis & Solution
Technique
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Kalor Spesifik Kalor spesifik (specific heat) atau
kapasitas kalor adalah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan temperatur satu unit massa per satu derajat.
Terdapat 2 jenis : kalor spesifik volume konstan, Cv, dan kalor spesifik tekanan konstan, Cp.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Kalor Spesifik Kalor spesifik volume konstan
perubahan energi internal terhadap waktu pada volume konstan
Kalor spesifik tekanan konstanperubahan entalpi terhadap temperatur pada tekanan konstan
vv T
uC
pp T
hC
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Kalor Spesifik Gas Ideal Hubungan antara kalor spesifik volume
konstan & tekanan konstan dengan energi internal & entalpi.
dTmCdH
dTCdhdTmCdU
dTCdu
p
p
v
v
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Cara Menghitung u dan h Untuk Gas Ideal Menggunakan tabel/diagram
u = u2 – u1 h = h2 – h1
Persamaan empiris u = Cv(T) dT h = Cp(T) dT
Menggunakan asumsi kalor spesifik konstan u = Cv (T2 – T1) h = Cp (T2 – T1)
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Kalor Spesifik Gas Ideal Dari h=u+Pv dan Pv = RT didapat
h = u + RTdidiferensialkan
dh= du + R dTCp dT = Cv dT + R dT Cp= Cv + R
Rasio kalor spesifik k= Cp/Cv
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Kalor Spesifik Zat Padat & Cair Untuk zat padat dan cair karena
dianggap bersifat incompressible maka
dh = du = C dTh2 – h1 = u2 – u1 = C (T2 – T1)
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
The First Law of Thermodynamics : Closed System
Introduction to First Law of Thermodynamics
Heat Transfer Work Forms of Works The First Law of Thermodynamics Specific Heat Problem Analysis & Solution
Technique
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan Tentukan sistemnya, apakah terbuka (volume
atur) atau tertutup (massa atur). Buatlah sketsa sistem, lengkap dengan aliran
kalor, kerja & massa, serta gaya eksternal & gravitasi.
Tuliskan yang kita ketahui tentang kondisi awal. Tuliskan yang kita ketahui tentang kondisi akhir. Tuliskan yang kita ketahui tentang proses.
Apakah terdapat sifat yang konstan atau nol (dapat diabaikan) atau hubungan lainnya?
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (lanjutan) Jika perlu gambarkan diagram (misal T-v
atau P-v). Tentukan model termodinamika perilaku zat
(misal untuk air & refrigeran gunakan tabel, untuk udara & gas ideal gunakan persamaan gas ideal & asumsi kalor spesifik konstan).
Tentukan persamaan yang diperlukan (misal Hukum Pertama Termodinamika atau Hukum Kekekalan Massa).
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (Contoh 1)Suatu vessel berisi air dengan volume 5 m3 memuat 0,05 m3 cair jenuh dan 4,95 m3 uap jenuh pada 0,1 Mpa. Kalor ditransfer hingga vessel berisi uap jenuh. Tentukan perpindahan kalor yang terjadi.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (Contoh 1) Sistem : Sketsa : Kondisi awal
:
Kondisi akhir :
Proses : Diagram : Model :
Air dalam vessel (sist. Tertutup)lihat gambarP1 = 0,1 Mpa; V1 = 5 m3; Vf1 = 0,05 m3; Vg1 = 4,95 m3; kondisi campuran cair-uapP2 > P1 terdapat pada garis uap jenuhmassa konstan & volume konstan v= CLihat gambarTabel saturasi air
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (Gambar 1)
T
v
P1
Volume = konstan
1Qin
H20 cair
H20 uap
Sketsa
2
Diagram
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (Contoh 2)Suatu sistem piston silinder dengan volume awal 0,1 m3 memuat nitrogen pada 150 kPa, 250C. Piston diberi kerja sehingga bergerak menekan nitrogen hingga tekanannya menjadi 1 Mpa dan temperatur 1500C. Selama proses kompresi terdapat perpindahan kalor keluar gas nitrogen, kerja yang dilakukan 20 kJ. Tentukan banyaknya kalor yang berpindah.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (Contoh 2) Sistem : Sketsa : Kondisi
awal : Kondisi
akhir : Proses : Diagram : Model :
Gas Nitrogen (sist tertutup batas bergerak)-P1 = 150 kPa; V1 = 0,1 m3; T1 = 250CP2 = 1 MPa ; T2 = 1500CKerja diketahui-Persamaan gas ideal, kalor spesifik konstan
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (Contoh 3)Suatu tanki kaku dan diisolasi sempurna pada awalnya dibagi menjadi 2 bagian dengan menggunakan partisi.Bagian pertama diisi dengan 1 kg air dengan kondisi cair jenuh dengan tekanan 1 Mpa sedangkan bagian lain dievakuasi (dibuat vakum). Karena partisi pecah maka air terekspansi hingga memenuhi seluruh tanki. Setelah setimbang tekanan air menjadi 0,5 MPa.Tentukan (a) volume air dalam kondisi cair jenuh (b) Volume total tanki.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Teknik Analisis Persoalan (Contoh 3) Sistem : Sketsa : Kondisi awal : Kondisi akhir : Proses :
Model : Diagram :
Air dalam tankiLihat gambarP1 = 1 MPa; cair jenuh (x = 0); m = 1 kgP2 = 0,5 MPaTidak ada kalor (diisolasi) & tidak ada kerjaTabel saturasi airLihat gambar
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
P
v
Teknik Analisis Persoalan (Gambar 3)
1
2
Air, P1=1
MPa, cair jenuh
Partisi
Vakum
Keadaan awal
Air, P2=0,5
MPa
Keadaan akhir
P1
Diagram
P2
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Soal 1Suatu sistem piston silinder mempunyai volume 0,1 m3 dan memuat 0,5 kg air pada 0,4 MPa. Kalor ditambahkan ke sistem hingga temperatur mencapai 3000C, sedangkan tekanan dijaga konstan. Tentukan perpindahan kalor dan kerja selama proses.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Soal 2Suatu sistem piston silinder pada awalnya memuat 1,2 kg campuran cair-uap pada 2 bar dan 0,233 m3. Saat kalor dengan laju 250 kJ/menit dimasukkan ke sistem, pada awalnya piston diam pada stopper dan baru bergerak saat tekanan mencapai 10 bar. Tentukan(a) Massa cair pada kondisi awal.(b) Kalor yang ditambahkan dan waktu yang dibutuhkan sebelum piston bergerak
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Soal 3Suatu bejana dengan volume 1 m3 memuat 2 kg air dalam kondisi campuran cair & uap. Secara bersamaan suatu pengaduk yang digerakkan motor listrik berputar pada 50 rpm dengan torsi 50 Nm dan suatu resistor dalam sistem menerima arus listrik 100 A dari sumber tegangan 10 V hingga campuran berubah menjadi uap seluruhnya. Tentukan :a. Waktu yang dibutuhkan.b. Tekanan akhir dalam bejanac. Biaya listrik yang dibutuhkan jika biaya per kWH adalah Rp. 1000,00
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Soal 42 tanki dihubungkan dengan suatu katup. Tanki A berisi 2 kg CO pada 770C dan 0,7 bar. Tanki B memuat 8 kg gas yang sama pada 270C dan 1,2 bar. Katup dibuka sehingga gas bercampur dan terjadi perpindahan kalor hingga temperatur akhir adalah 420C. Tentukan tekanan akhir dan perpindahan kalor yang terjadi selama proses.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Soal 52 tanki identik (berukuran sama), keduanya diisolasi sempurna, masing-masing mempunyai volume 1 m3 dihubungkan dengan katup. Tanki A memuat udara pada 10 bar dan 350 K, sedangkan tanki B memuat udara pada 1 bar dan 300 k. Pada saat katup dibuka, tentukan :(a) Temperatur akhir(b) Tekanan akhir.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Quiz1. Air dipanaskan dalam suatu panci tertutup, sambil
diaduk menggunakan roda pengaduk (paddle wheel). Selama proses 30 kJ kalor ditambahkan ke air, dan kalor hilang ke lingkungan sebanyak 5 kJ. Kerja yang dilakukan roda pengaduk sebesar 500 N.m. Tentukan energi pada kondisi akhir, dalam kJ, jika energi awal adalah 10 kJ.
2. Suatu radiator mempunyai volume 20 L dan diisi dengan uap air superheat pada 300 kPa dan 2500C. Lalu kedua saluran masuk dan keluar ditutup. Tentukan jumlah kalor yang pindah ke ruangan, dalam kJ, saat tekanan uap turun menjadi 100 kPa.
3. Suatu tanki kaku memuat 10 kg udara pada 200 kPa dan 270C. Udara dipanaskan hingga tekanan menjadi dua kali tekanan awal. Tentukan (a) volume tanki, dalam m3, dan (b) perpindahan kalor yang terjadi, dalam kJ.
Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Kuliah Termodinamika Dasar Jurusan Teknik Mesin Universitas Islam IndonesiaIslam Indonesia
Setelah mempelajari bab ini diharapkan mahasiswa dapat : Mengenali komponen energi total
pada suatu sistem. Memahami pengertian kerja, kalor
dan perbedaan diantaranya. Dapat menuliskan persamaan
konservasi energi untuk suatu proses sistem tertutup.