Introduction to First Law of Thermodynamics and Energy Formulations

Termodinamika PENGAMPU SYERLY KLARA BALQIS SHINTARAHAYU

Pertemuan 4 ENERGI DAN HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA • Hukum pertama termodinamika merupakan bentuk lain dari hukum kekekalan energi (konservasi energi) yang diaplikasikan pada perubahan energi dalam yang dialami oleh suatu sistem.

• Kerja yang dilakukan oleh sistem adalah ukuran energi yang dipindahkan dari sistem ke lingkungan atau sebaliknya. • Energi mekanik (kinetik maupun potensial) sistem adalah energi yang dimiliki sistem akibat dari gerak dan juga koordinat kedudukannya.

• Kalor merupakan energi yang berpindah akibat perbedaan suhu antara sistem dan lingkungan. • Sistem dapat melepaskan kalor ke lingkungan dan sebaliknya, lingkungan dapat pula memberikan kalor kepada sistem.

Formulasi Kerja • Proses yang terjadi dalam tekanan tetap disebut proses isobarik. • Kerja(Usaha} dapat dihitung : Gaya F ditimbulkan oleh tekanan gas p yang bekerja pada bagian bawah pengisap, yang besarnya F = p A , sehingga Karena A s sama dengan perubahan volum, V , maka

• Dalam persamaan tersebut, kerja akan bertanda positif jika sistem melakukan kerja pada lingkungan (V2 > V1) . Dan sebaliknya, kerja akan bertanda negatif jika lingkungan melakukan kerja pada sistem (V2 < V1) . • Apabila tekanan gas berubah, maka kerja W harus dihitung dengan cara integral(sama dengan luas dibawah grafik P-V ). Secara umum, kerja dihitung dengan persamaan:

• Kerja yang dilakukan oleh sistem gas yang menjalani suatu proses siklus, sama dengan luas daerah yang dimuat oleh siklus tersebut • Kalor yang diserap oleh sistem gas dapat dihitung dari: dengan c adalah kalor jenis gas , C adalah kapasitas kalor gas

Setiap zat dalam sistem terdiri dari atom - atom atau molekul – molekul yang bergerak terus menerus. Dari tersebut, zat memiliki energi kinetik. Antara molekul – molekul zat juga terdapat gaya yang disebut gaya antarmolekul. Karena gaya antarmolekul inilah energi potensial. Jumlah energi kinetik dan potensial yang berhubungan dengan atom – atom atau molekul – molekul zat disebut dengan energi dalam. • gerakan – gerakan • molekul memiliki •

Untuk gas ideal, gaya antarmolekul diabaikan (energi potensial diabaikan, mendekati nol). Sehingga, energi dalam hanyalah jumlah dari energi kinetik molekul. Perubahan energi dalam, ialah besar energi dalam keadaan akhir dikurangi besar energi dalam di keadaan awal.

• Untuk gas ideal, energi dalam hanyalah jumlah dari energi kinetik seluruh molekul – molekul gas. Formulasinya sebagai berikut: • Gas monoatomik: • Gas diatomik: dengan N=jumlah molekul n=besar mol k=tetapan Boltzman R=tetapan umum gas ideal

• Gas monoatomik • Gas diatomik dengan • Perubahan energi dalam sistem hanya bergantung pada suhu awal dan suhu akhir(perubahan suhu) • Perubahan energi dalam tidak bergantung pada lintasan yang ditempuh sistem untuk mencapai keadaan itu. Oleh karena itu, energi dalam termasuk fungsi keadaan.

Hukum I termodinamika menyatakan bahwa kalor yang terlibat diubah menjadi perubahan energi dalam & kerja. Q = ΔU + W Δ(Energi pd sistem) + Δ(Energi pd lingkungan) = 0 ΔU + -(Q + W) = 0 atau ΔU = Q + W

1. Seorang pemain ski es meniupkan udara dari mulut untuk menghangatkan tangan, sebaliknya udara juga dihembuskan pada mangkuk berisi sup panas untuk mendinginkannya. Bagaimana hal ini dapat dijelaskan secara termodinamika ? 2. Pada saat secangkir kopi apakah yang terjadi dengan perpindahan kalor ke dalam kopi dalam bentuk kerja ? 3. Identifikasikan perpindahan kerja dan kalor untuk mobil yang sedang bergerak ? diaduk dengan sendok, energy dalam bentuk

Pertemuan 5 Kalor adalah perpindahan energi internal. Kalor mengalir dari satu bagian sistem ke bagian lain atau dari satu sistem ke sistem lain karena ada perbedaan temperatur. Berdasarkan hasil eksperimen diketahui bahwa perpindahan energi semacam ini hanya terjadi apabila terdapat perbedaan temperatur antara sistem dengan lingkungan dengan arah perpindahan sesuai dengan penurunan temperatur. Perpindahan energi semacam ini dikenal sebagai perpindahan energi kalor (energy transfer heat).

Simbol Q menandai jumlah energi yang dipindahkan melalui batas sebuah sistem dalam interaksi kalor dengan lingkungannya. Perpindahan kalor ke dalam sistem dinyatakan positif perpindahan kalor keluar dari sistem di anggap negatif. Q > 0: perpindahan kalor masuk ke dalam system (system menyerap kalor) Q < 0: perpindahan kalor keluar system (system mengeluarkan kalor)

Nilai kalor yang dipindahkan bergantung pada rincian proses, bukan hanya pada titik awal maupun titik akhir. Seperti halnya kerja, kalor tidak merupakan sifat. Jumlah energi yang dipindahkan suatu proses melalui kalor diberikan : laju perpindahan kalor neto diberi simbol Q. Pada dasarnya, jumlah energi yang dipindahkan melalui kalor untuk periode waktu tertentu dapat dihitung dengan integral dari waktu t1 ke waktu t2.

Untuk berbagai kasus akan memudahkan apabila digunakan fluks kalor yang menggambarkan laju perpindahan kalor persatuan luas permukaan sistem. Laju perpindahan kalor neto, berhubungan dengan fluks kalor melalui persamaan integral sebagai berikut Satuan. untuk Q maupunsama dengan W dan. Satuan untuk fluks kalor atau laju perpindahan kalorper satuan luas adalah: kW/m2atau Btu/h . ft2.

 Konduksi ………. Hukum Fourier  Konveksi ……. Hukum Pendinginan Newton  Radiasi …….. Hukum Stefan-Boltzman

NERACA ENERGI UNTUK SISTEM TERTUTUP ∆EK + ∆EP + ∆U = Q – W

BENTUK NERACA ENERGI Berbagai bentuk neraca energi dapat disusun , misalnya dalam bentuk diferensial seperti contoh berikut dE adalah bentuk diferensial energi yang merupakan sebuah sifat. Karena Q dan W bukan menunjukkan sifat, maka bentuk diferensialnya dapat dituliskan sebagai Bentuk laju neraca energi

Persamaan neraca energi dalam bentuk laju laju perubahan energi diberikan sebagai;

ANALISIS ENERGI SIKLUS NERACA ENERGI SIKLUS keseimbangan energi untuk suatu sistem yang mengalami siklus termodinamika dapat ditunjukkan dengan persamaan

SIKLUS DAYA Sistem yang melakukan jenis siklus menghasilkan kerja neto yang dipindahkan ke lingkungan pada setiap siklus Kinerja system dengan siklus daya (power cycle), dapat ditentukan berdasarkan besarnya energy kalor masuk menjadi keluaran berupa kerja neto yang dikonversikan Besarnya konversi energy dari kalor menjadi kerja diberikan sebagai suatu rasio, yang umumnya dikenal sebagai efisiensi termal (thermal efficiency)

SIKLUS REFRIJERASI DAN POMPA KALOR Akibat perbedaan tujuan penggunaan siklus refrijerasi dan pompa kalor, maka parameter kinerjanya, disebut koefisien kinerja (coefficient performance), memiliki defenisi yang berbeda

SIKLUS REFRIJERASI

SIKLUS POMPA Koefisien kinerja β dan ɤ didefenisikan sebagai perbandingan antara efek perpindahan kalor yang diinginkan terhadap biaya dalam bentuk kerja.

Latihan Soal 1. Suatu system tertutup bermassa 3 kg mengalami proses dimana terjadi perpindahan kalor sebesar 150 kJ dari system ke lingkungannya. Besarnya kerja yang dilakukan pada system adalah 75 kJ. Jika energy dalam spesifik system adalah 450 kJ/kg, berapakah energy dalam spesifik system pada akhir proses (kJ/kg) ? Abaikan perubahan pada energy kinetic dan potensialnya. 2. Sebuah siklus refrijerasi beroperasi secara kontinu dan memindahkan energy dari satu ruang pada laju 12.000 Btu/h. Jika koefisien kinerja sebesar 2,6, tentukanlah daya netto yang dibutuhkan (Btu/h). Konversikan jawaban yang diperoleh ke dalam horse power (hp) ?

Introduction to First Law of Thermodynamics and Energy Formulations