Bab 4

ANALISIS ENERGI SISTEM TERTUTUP

4 .1      PENDAHULUAN

Hukum termodinamika pertama menyatakan bahwa energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain. Prinsip tersebut juga di kenal dengan istilah konservasi energi . Hukum pertama dapat dinyatakan secara sederhana ; selama interaksi antara sistem dan lingkungan, jumlah energi yang diperoleh sistem harus sama dengan energi yang dilepaskan oleh lingkungan.

Enegi dapat melintasi batas  dari suatu sistem tertutup dalam dua bentuk yang berbeda : panas (heat) dan kerja (work).

4 .2      Panas (Heat)  Q

Panas (heat) didefinisikan sebagai bentuk energi yang dapat berpindah antara dua sistem (atau dari sistem ke lingkungan) dengan sifat perbedaan temperatur. Panas adalah sebuah energi dalam keadaan transisi, dia di kenali jika hanya melewati batas sistem sehingga dalam termodinamika panas (heat) sering diistilahkan dengan tranfer panas (heat transfer).

Suatu proses jika tidak terjadi perpindahan panas disebut dengan proses adiabatis. Ada dua cara suatu proses dapat dikatakan adiabatis. Pertama, sistem diisolasi sempurna   sehingga tidak ada energi panas yang keluar. Kedua, antara sistem dan lingkungan berada pada temperatur yang sama sehingga tidak terjadi aliran panas karna perbedaan temperatur.  Dari pengertian diatas,   tidak harus disamakan pengertian proses adiabatis dengan proses isotermal.

Kadang sering digunakan  untuk mengetahui rate of heat tranfer  atau jumlah  heat transfer perunit waktu  dalam interval tertentu, disimbolkan dengan   Q , mempunyai satuan kJ/s (kW).  Ketika Q  bervariasi  dengan waktu,   jumlah      heat   transfer      selama   proses   dilakukan   dengan mengintegrasikan Q.

Panas mempunyai jumlah dan arah.  Untuk menandai arah dari panas ada suatu konvensi tanda (kesepakatan tanda)   sebagai berikut : Heat transfer  menuju  sistem  bertanda  positif,  dan  keluar  sistem  bertanda negatif.

4 .3      Kerja (Work)  W

Kerja (work ) seperti halnya panas adalah suatu bentuk interaksi antara  sistem  dan  lingkungan.  Seperti  pada  pada penjelasan sebelumnya, dapat disimpulkan bahwa jika suatu energi dapat melintasi batas sistem adalah bukan panas dapat dipastikan bahwa bentuk energi tersebut adalah kerja. Lebih spesifik kerja dapat diartikan sebagai  energi transfer yang berhubungan den gan gaya yang menempuh sebuah jarak.

Kerja juga merupakan bentuk energi, mempunyai satuan kJ. Kerja perunit massa dinotasikan dengan w.

Kerja  perunit  waktu  disebut     power  dan  dinotasikan  dengan W,

Seperti halnya panas, kerja juga mempunyai konvensi tanda. Kerja yang dilakukan sistem adalah positif dan jika sistem dikenai kerja maka kerja bertanda negatif

Heat   transfer  dan  kerja  adalah  interaksi  antara  sistem   dengan lingkungan dan terdapat beberapa kesamaan antara keduanya :

1.  Keduanya  merupakan  fenomena  batas  sistem  ;  hanya  dikenali ketika melintasi batas sistem.

2.  Keduanya merupakan fenomena  transient artinya sebuah sistem

tidak bisa memiliki panas atau kalor.

3.  Keduanya selalu terkait dengan proses, bukan state.

4.  Keduanya  merupakan    ”path  function ”,  differensialnya  disebut differensial tidak eksak,   Q dan   W. (berbeda dengan  property yang  merupakan   point   function ,  differensialnya   disebut differensial eksak, misalnya du, dh, dT, dP dan lain -lain).

Macam -macam bentuk kerja :

1.  Kerja Listrik    

2.  Bentuk-bentuk kerja mekanik

      -Kerja akibat pergeseran batas sistem

      - Kerja Gravitasi

      -Kerja akibat percepa tan

 - Kerja Poros : Transmisi energi dengan menggunakan sebuah poros yang berputar  sangat  sering  dalam  praktis  keteknikan

-Kerja Pegas : Jika panjang dari sebuah pegas berubah sebesar differensial dx  karena  pengaruh  sebuah  gaya  F. Untuk menentukan total kerja pegas diperlulan sebuah fungsional hubungan antara F dan x. Untuk sebuah pegas elastis, perubahan panjang x proporsional dengan gaya

4.4  HUKUM TERMODINAMIKA PERTAMA

Persamaan umum hukum termodinamika pertama untuk sebuah siklus tertutup diekspresikan sebagai berikut :

Net energy transfer to (or from) the system Aas heat and work

=

Net increase(or decrease) in the total energy of system

Seperti pada bab sebelumnya, total energi E dari sistem terdiri dari tiga bagian : energi dalam U, energi kinetik KE dan energi potensial PE.

Hampir semua sistem tertutup yang ditemui dalam praktis adalah sistem stationer, yang umumnya tidak melibatkan perubahan kecepatan dan ketinggian selama proses. Untuk sistem tertutup yang stasioner perubahan   energi   kinetik   dan   energi   potensial   dapat   diabaikan.

4.5      PANAS JENIS (Spesific Heats)

Panas jenis didefinisikan sebagai energi yang diperlukan untuk meningkatkan temperatur suatu zat  sebesar satu satuan massa  sebesar satu derajat. Pada umumnya energi akan tergantung pada bagaimana proses tersebut terjadi. Dalam termodinamika, terdapat dua macam panas jenis;  panas jenis pada volume konstan Cv dan panas jenis pada tekanan konstan  Cp.    Panas jenis pada tekanan konstan  Cp  selalu lebih besar dari pada  Cv, karena pada tekanan konstan, sistem mengalami ekspansi dan hal tersebut memerlukan energi .

4.6       ENERGI DALAM, ENTHALPI DAN PANAS JENIS GAS IDEAL

Dalam  bab-bab sebelumnya telah didefinisikan bahwa gas ideal adalah gas yang temperatur, tekanan dan volume spesifik dihubungkan oleh persamaan :

                            Pv   =  RT

Juga telah dibuktikan bahwa secara matematis dan eksperimental (Joule,

1843) bahwa untuk gas ideal energi dalam merupakan  hanya  fungsi temperature

Karena u dan h tergantung hanya pada temperatur untuk gas ideal, panas jenis  Cv  dan Cp  juga tergantung hanya pada temperatur. Oleh karena itu pada temperatur tertentu u, h, Cv  dan Cp dari gas ideal akan mempunyai harga yang tertentu tanpa memperhatikan volume spesifik atau  tekanan.  

Dari   pembahasan   di   atas   dapat   diambil   kesimpulan   untuk

menentukan perubahan energi dalan dan enthalpi gas ideal :

1.  Dengan  menggunakan  data  tabel u dan  h. Metode ini paling mudah dan paling akurate jika data tabel telah tersedia.

2. Dengan menggunbakan hubungan Cv dan Cp sebagai fungsi temperatur dan melakukan proses integrasi. Metode tersebut tidak disukai untuk perhitungan manual, tetapi untuk penggunaan secara komputerisasi lebih disukai karena lebih akurate.

3.  Dengan  menggunakan  panas  jenis  rata -rata.  Metode  tersebut paling sederhana dan disukai jika data tabel tidak tersedia. Hasil yang  didapat  akan  lebih  akurat  jika  interval  temperatur  tidak begitu besar.