BAB 1 Energi : Pengertian, Konsep, dan Satuan 1.1 Pengenalan Hal-hal yang berkaitan dengan neraca energi : Adiabatis, isothermal, isobarik, dan isokorik merupakan proses yang digunakan dalam menentukan suatu kondisi dimana tidak terjadi perubahan dalam proses. Konsep-konsep seperti fungsi tetap (state function) atau variabel merupakan konsep yang penting untuk dipahami.. Variabel Intensif atau biasa disebut dengan state variable : Menunjukkan hasil akhir yang diperoleh, tidak memperhatikan lintasan seperti ditunjukkan gambar 1. Contoh : Temperatur dan tekanan
22 T
A A B 1 p
Gambar 1. Perubahan nilai state variable yang sama pada masing-masing lintasan A dan B dari 1 ke 2. Satuan energi pada sistem SI : Joule (J)
Satuan energi dalam sistem AE (American Engineering) : Btu, (ft) (lbf), dan (kW) (hr).Satuan kalori sering digunakan pada bungkus makanan untuk menunjukkan suatu informasi mengenai jumlah kalori, tetapi kalori yang digunakan sebenarnya tidak tepat. 1 kalori merupakan energi untuk menaikkan temperatur 1 mL air sebesar 1 oC.
Akan tetapi, kalori yang digunakan pada bungkus makanan tidak sesuai dengan pengertian di atas. Sebenarnya hal yang sering disebut kalori pada diinformasi tersebut adalah kilokalori (kcal). 1 kilokalori (kcal) = 1000 kalori (dalam pengertian thermokimia) yang merupakan energi untuk menaikkan temperatur 1 L air sebesar 1 oC.
Jadi misal penyebutan informasi dalam bungkus makanan tersebut adalah kalori, maka kita dapat menghitung energi sesungguhnya dalam Joule/jam yaitu
2000 kcal 1000 cal 4,184 J 1 hari 350.000 J / jam hari kcal cal 24 jam Tabel 1.1 Istilah-istilah dalam neraca energi. Kata Sistem (system) Lingkungan
Pengertian
Gambar
Jumlah zat atau wilayah dari suatu bagian yang dipilih Semua hal diluar sistem batas (boundary)
(surroundings) Batas
Suatu permukaan yang dapat berupa bentuk
(Boundary)
sesungguhnya
atau
permukaan
yang
dimisalkan, tetap atau dapat bergerak untuk memisahkan sistem dengan lingkungan Sistem terbuka Sistem
yang
terbuka
untuk
terjadinya
(open
perpindahan massa, panas, dan kerja dengan
system/flow
lingkungan
system)
(Lanjutan tabel 1) Kata Sistem
Pengertian
Gambar
tertutup Sistem dimana tidak terjadi perpindahan
(close
massa dengan lingkungan. Tetapi, panas
system/nonflow
dan kerja dapat mengalami perpindahan
system) Properti (Property)
Karakteristik suatu sistem yang dapat diamati atau dihitung seperti tekanan, suhu, volum dal lain-lain.
Keadaan (State)
Kondisi suatu sistem yang dijelaskan khusus
dalam
nilai
suhu,
tekanan,
komposisi dsb. Keadaan
tetap Akumulasi pada sistem bernilai nol,
(Steady state)
aliran masuk dan keluar konstan, properti dalam sistem tidak berubah.
Keadaan tetap
tidak Akumulasi pada sistem tidak bernilai nol, (Unsteady aliran masuk dan keluar tidak konstan,
state/transient)
properti dalam sistem berubah.
Kesetimbangan
Properti pada sistem tidak bervariasi
(equilibrium)
sehingga
mengalami
kondisi
kesetimbangan, misalnya kesetimbangan thermal, mekanik, fasa, dan kimia. Fasa (Phase)
Suatu bagian atau keseluruhan dari sistem yang secara makroskopik bersifat homogen pada variabel komposisi seperti gas, cair, atau padatan
Tabel 2 Istilah-istilah tambahan pada neraca energi Kata Sistem
Pengertian
Adiabatis Sistem
(Adiabatic system)
dimana
Gambar
tidak
terjadi
perpindahan panas dengan lingkungan selama proses berlangsung (isolasi sempurna).
Sistem
Isotermal Sistem dimana temperatur tetap selama
(Isothermal
proses berlangsung.
system) Sistem
Isobarik Sistem dimana tekanan tetap selama
(Isobaric system) Sistem
proses berlangsung.
Isokorik Sistem dimana volume tetap selama
(Isochoric system)
proses berlangsung.
Variabel keadaan
Semua variabel atau fungsi dimana
(State function)
nilainya tergantung hanya pada keadaan
(Point function)
sistem
dan
tidak
pada
keadaan
sebelumnya, contohnya energi dalam. Variabel lintasan (Path
Semua variabel atau fungsi dimana
variable/ nilainya tergantung pada bagaimana
function)
proses berlangsung dan dapat berbeda dengan
keadaan
sebelumnya,
contohnya panas dan kerja.
1.2 Bentuk-bentuk energi 1. Work (W) keadaan2
F .ds
(1.1)
keadaan1
dimana F adalah gaya eksternal dan s adalah arah vector gaya bekerja Work atau kerja positif (+) saat sistem menerima kerja dari lingkungan Work atau kerja negatif (-) saat sistem melakukan kerja terhadap lingkungan
2.
Heat (Q) Energi total yang mengalir pada sistem boundary yang disebabkan oleh perbedaan temperatur antara sistem dengan lingkungan. Pada proses adiabatic, Q = 0. Heat akan bertanda positif (+) saat ditransfer ke sistem Q UA(T2 T1 )
(1.2)
dimana : Q : rate transfer panas (J/s) A : luas area heat transfer (m2) (T2 T1 ) : perbedaan temperatur antara lingkungan (T2) dan sistem (T1)
(oC)
3. Energi Kinetik (EK) EK
1 mv 2 2
(1.3)
Dimana : m : massa (kg) v : kecepatan (m/s)
4. Energi Potensial (EP) EP m g h
(1.4)
Dimana : m : massa (kg) g : percepatan gravitasi (m/s2) h : ketinggian (m)
5. Energi Dalam (∆Ȗ) U2
∆Ȗ = Ȗ2 - Ȗ1 =
T2
d U Cv dT
U1
T1
(1.5)
Dimana : Ȗ : energi internal (fungsi temperatur) Cv : Kapasitas panas pada volume tetap (J/(kg)(K)) T : Temperatur
6. Entalpi ( H )
H H 2 H1
H2
T2
d H Cp dT
H1
(1.6)
T1
H : Entalpi (fungsi temperatur) Cp : Kapasitas panas pada tekanan tetap (J/(kg)(K)) T : Temperatur
Contoh Soal 1.1 Perhitungan Kerja Mekanis oleh Piston Gas Ideal pada temperatur 300 K dan 200 K ditempatkan disilinder tertutup dengan sebuah piston yang diasumsikan tanpa friksi di dalamnya, gas perlahan di menekan piston sehingga piston bergerak dan volume gas di dalam silinder berekspansi seperti ditunjukkan gambar C1.1.
Gambar C1.1a Hitung besar kerja yang dilakukan oleh gas pada piston jika dua cara digunakan dari bagian awal (1) ke bagian akhir (2) Cara (Path) A : Ekspansi terjadi pada tekanan konstan (isobarik) : p = 200 kPa Cara (Path) B : Ekspansi terjadi pada temperatur konstan (isotermal) : T = 300 K
Penyelesaian : Asumsi :
1) Tidak ada friksi pada piston 2) Proses ideal (terjadi pelan-pelan) 3) Pergerakan piston pada boundary yaitu state 1 sampai dengan state 2
Basis : Jumlah Gas
n
200 kPa 0.1 m 3
(kg mol) ( K ) 0.00802 kg mol 300 K 8.314(kPa) (m 3 )
Kerja mekanik yang dilakukan sistem pada piston per unit luas
keadaan2
W
v2
F . A ds p dV A keadaan1 v1
Tanda negatif merupakan tanda bahwa sisem melakukan kerja
Gambar C1.1b Cara A : v2
W p dV p(v 2 v1 ) v1
W
200 x 10 3 Pa
1N 0.1 m 3 1J 20 kJ 2 1 ( N ) (m) 1 (m ) ( Pa )
Cara B : v2
W
v1
V nRT dV nRT ln 2 V V1
W
0.00802 kg mol
8.314 kJ 300 K ln 2 20 ln 2 13.86 kJ (kg mol) ( K )
Contoh Soal 1.2 Perhitungan Energi Dalam Berapa perubahan energi dalam saat 10 kg mol udara didinginkan dari 60 o
C menjadi 30 oC pada proses volume konstan?
Penyelesaian : Menggunakan Cv karena proses terjadi pada volume konstan. Nilai Cv untuk range temperatur tersebut adalah 2.1 x 104 J/(kg mol) (oC), sehingga energi dalam :
J 2.1 x 10 4 dT 2.1 x 10 5 (30 60) o ( kg mol ) C 60 o C 6 6.3 x 10 J 30 o C
U
Soal ! 1. Sebuah silinder mengandung N2 pada tekanan 200 kPa dan suhu 80 oC. Sebagai hasil dari pendinginan pada saat malam hari, tekanan silinder berkurang menjadi 190 kPa dan suhu 30 oC. Berapa kerja yang dilakukan oleh gas? 2. Gas nitrogen pada sebuah silinder mempunyai 4 tahapan proses ideal seperti pada gambar S1.1
Gambar S1.1 Hitung kerja yang dilakukan oleh gas pada masing-masing tahapan (dalam satuan Btu)
