Baru 3 2-Hukum I Termodinamika

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


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


Review Sistem tertutup? Energi? Bentuk-bentuk energi? Kalor? Kerja?


Hukum Pertama Termodinamika Energi tidak dapat diciptakan

ataupun dimusnahkan, namun dapat berpindah dan atau berubah bentuk.

Disebut juga Prinsip Konservasi Energi


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


Energi Total Sistem Energi total untuk sistem

kompresibel sederhana

Perubahan energi sistemPEKEUEsystem

PEKEUEsystem


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


Perpindahan EnergiEnergi dapat berpindah keluar atau masuk sistem dengan 3 cara :

Kalor Kerja Aliran massa

)EE()WW()QQ(

EEE

outmass,inmass,outinoutin

outinsystem


Tanda Untuk Perpindahan Energi

Qin +Wout +

Win

mout

min +

Perjanjian :

Qin : positif

Qout : negatif

Win : negatif

Wout : positif

min : positif

mout : negatif

Qout


Perpindahan Energi Untuk sistem tertutup

systemoutmass,mass,inoutinoutin E)EE()WW()QQ( 0

Sistem tertutup

ΔEWQ


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



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)



Jangan lupa konversi ke kJ


q - w = Δu + Δke + Δke (kJ/kg)

w = wother + wb

Δu = u2 – u1

Δke = ½ (Vel22 – Vel1

2)

Δpe = g (z2 – z1)



Jangan lupa konversi ke kJ/kg


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


Konservasi Energi untuk Sistem Stasioner

ΔE = Q W

= (Qin Qout) – (Wout Win)

= (15 – 3) – (0 – 6)

ΔE = 18 kJ


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


Bentuk Laju Perubahan Untuk analisis proses transien lebih

banyak digunakan persamaan dalam bentuk laju perubahan (rate)

(kJ/s)

dengan

dtdPE

dtdKE

dtdUWQ

dtQQ

dtWW


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





Technique


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.


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


Kalor Spesifik Gas Ideal Hubungan antara kalor spesifik volume

konstan & tekanan konstan dengan energi internal & entalpi.

dTmCdH

dTCdhdTmCdU

dTCdu

p

p

v

v


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)


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


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)





Technique


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?


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).


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.


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


Teknik Analisis Persoalan (Gambar 1)

T

v

P1

Volume = konstan

1Qin

H20 cair

H20 uap

Sketsa

2

Diagram


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.


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


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.


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


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


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.


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


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


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.


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.


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.


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.

Documents

Baru 3 2-Hukum I Termodinamika