Tugas Termodinamika I

Modus Energi Mikroskopik

Energi adalah,mekanika partikel dan diungkapkan bahwa intergarsi persamaan gerak menghasilkan suku MV/2g,yang dinamakan energi kinetik partikel.Suku ini fungsi dari massa dan kecepatan partikel.dan harganya dapat dihitung tanpa mengetahui cara partikel itu memperoleh kecepatannya.Dalam pengertian sedemikian energi merupakan sesuatu yang dimiliki oleh partikel,yaitu merupakan sifat dari partikel tersebut,”kalau partikel ini bertabrakan dengan partikel lain,maka partikel yang kedua dapat menjadi bergerak,artinya energi kinetiknya bertambah,dan berbagai hukum mekanik dapat diketahui bahwa energi kinetik partikel yang pertama menurun.Jelaslah bahwa enegri semacam ini,yaitu energi kinetik,berkaitan dengan berbagai gerakan partikel;Energi kinetik adalah oknum yang membuat partikel bergerak.Dalam termodinamika dilakukan generalisasi konsep energi;semua zat semua sistem,mempunyai energi dan energi memainkan peran yang penting dalam menjelaskan berbagai interaksi di antara sistem-sistem tersebut.
Sebongkah zat dipandang sebagai sekumpulan partikel fundamental yang banyak,masing-masing berkegiatan sesuai dengan berbagai hukum mekanika.Dari fisiknya diketahui bahwa setiap partikel dapat mempunyai bermacam bentuk energi.Molekul mempunyai energi karena translasinya didalam ruang.Energi kinetik ini dinamakan enegri translasi.Untuk molekul poliatomik energi kinetik rotasi penting pula.Jika atom-atom sebuah molekul bergetar bolak-balik sekitar pusat massa gabungannya dikatakan,bahwa molekul itu mempunyai energi vibrasi.Energi molekul-molekul yang rendah temperaturnya sebagian besar dikaitkan dengan modus vibrasi mulai berkontribusi secara berarti terhadap energi total.



Berbagai elektron yang berputar mengelilingi inti mempunyai energi kinetik yang besarnya bergantung pada orbitnya.Biasanya kebanyakan elektron cenderung untuk berada pada berbagai orbit dalam yang berenergi rendah;atom yang banyak elektronya berada pada orbit jauh dikatakan berada pada berbagai tingkat keadaan tergairah,dan mempunyai lebih banyak energi dari atom species yang sama normal.Perlu pula memandang elektron sebagai dapat melakukan”spinning”jadi mempunyai energi spin.Berbagai partikel fundamental lainya kelihatannnya juga mempunyai energi spin.
Molekul tetap utuh kesatuannya oleh peran gaya-gaya ikat molekul,termasuk gaya coulumb dan gravitasi.Gaya-gaya sedemikian tampaknya konservatif.jadi dipahami adanya energi potensial,yang dikaitkan dengan berbagai gaya antar molekul sedemikian itu.Gaya anatara elektron dan inti mempertahankan elektron untuk tetap berada pada orbit-orbitnya dengan gaya ini dikaitkan pula adanya energi potensial.Inti tetap berada dalam kesatuan oleh ikatan gaya-gaya yang jauh lebih kuat dari gaya ikat molekul,jadi energi ikat inti jauh lebih besar dari energi ikat molekul.
Elektron yang mengorbit dapat dipandang sebagai aliran listrik lemah,yaitu menghasilkan dipole magnetik yang kecil.Jika ada magnet luar medan maka dipole sedemikian rupa dapat dipuntir,dan dengan niomen dipoel ini ada pula energi yang terkait.Atom yang netral dan listrik semua muatannya tidak berada pada tempat yang sama,dan dengan demikian merupakan momen dipole listriknya yang dapat mempunyai energi apabila dipengaruhi medan listrik luar.Energi momen dipole sedemikan mempunyai peran penting dalam zat dielektrika dan paramagnetik.Molekul yang berionnisasi dan elektron bebas dipengaruhi berbagai gaya oleh medan listrik dan magnet luar,jai dapat mempunyai energi.Semua partikel yang bermassa mempunyai energi potensial dalam medan gravitasi.
Kumpulan partikel mempunyai energi lain yang dikaitkan dengan gaya antara molekul .Dalam cairan dan padat energi dari gaya antar molekul ini memainkan peran penting,tetapi tidak demikian halnya dalam gas bermassa jenis rendah karena energi oleh gaya antar molekul adalah kecil.Penguapan adalah proses yang memerlukan energi sedemikan rupa hingga dapat membebaskan banyak molekul dari ikatan-ikatan yang kuat.

Kekekalan Energi

Aspek fundamental dari konsep energi adalah kelestarian energi yaitu,bahwa energi suatu sistem yang diisolasi adalah konstan.Persamaan-persamaan yang menyatakan hukum ini merupakan landasan abagi analisa kuantitatif terhadap berbagai perubahan yang terjadi diaantara berbagai macam sistem yang berinteraksi.Sebagai contoh umpamakan bahwa dua benda yang bergerak saling bertabrakan secara frontal dan kemudian terhenti.Salah satu dari berbagai hukum mengenai zat yaitu prinsip momentum,menyatakan bahwa oleh karena kedua benda itu akhirnya terhenti,momentum kedua benda itu harusalah sama secara eksak dalam besaran tetapi mempunyai tanda yang berlawanana pada saat tabrakan.Apakah yang terjadi pada berbagai energinya?dua peryataan yang tidak tepat tapi sering dikemukan sebagai jawaban.
Kekekalan energi dapat dinyatakan secara alkabar bagi dua benda a dan b,yang saling bertabrakan ;sistem yang ditinjau terdiri dari dua benda ,dan pengamatan dilakukan secara periode waktu sesaat yang sebelum tabrakan.Dengan diketahuinya massa dan kecepatan ,dapat dihitung U2-U1,namun informasi yang diperoleh tidak cukup untuk menentukan berbagai kenaikan energi dalam dari setiap benda secara individual.
Contoh yang abstrak dilukiskan merupakan dua hal yang penting,pertama pengertian kelestarian energi,dalam penerapanya untuk sistem yang diisolasi menyatakan bahwa energi dari sistem yang diisolasi adalah konstan,kedua”balans”energi merupakan cara ayang berdayaguna untuk menentukan perubahan energi,dari suatu benda dari data,Jadi gagasan kelestarian energi merupakan cara untuk menentukan berbagai perubahan energi dalam.
Dari mana kah asal usul prinsip kekelan energi?dapatkah kebenaranya dibuktikan?pertayaaan sedemikian sering dilontarkan dari berbagai jawabannya dapat diperoleh bergantung pada pengertian seseorang tentang konsep energi.Manusia ingin dapat mempredikasi alam,dan karena itu ia kembangkan konsepsi energi.Sebenarnya energi adalah penemuan manusia,bukan dari alam.Dari pada memandang energi itu sebagai oknum yang menyebabkan gerak berbagai macam benda.barangkali manusia memandangnya sebagai oknum yang bagaimana memprediksi dan menjelaskan benda bergerak.Jika kelestarian energi hampir dilanggar,para fisikawan akan mencari bentuk energi yang baru.Meminta bukti bagi kelestarian energi,adalah seperti menuntut bukti bahwa penambahan itu komutatif,fakta bahwa A+B=B+A,adalah hakiki dalam konsep penambahan.

Perpindahan Energi Sebagai Kerja

Sebuah sistem bersama dengan lingkungannya membentuk suatu sistem yang diisolasi,jadi apabila terdapat penambahan energi sistem,haruslah ada penurunan energi dari lingkungan,sama besarnya,agar kelestarian energi tetap dipertahankan ,jadi interaksi dapat dipandang sebagai proses perpindahan energi ,sedangkan kerja merupakan salah satu dari berbagai mekanisme bagi perpindahan energi itu.Menurut besarnya definisi dari mekanika ,besarnya perpindahan energi kedalam sistem sebagai kerja,yang dikaitkan dengan perubahan posisi zat yang infitesimal.didalamnya adalah’dW=F.dX=FdX,disini F merupakan gaya yang diterapkan oleh lingkungan terhadap zat yang berada dalam sistem,dX adalah pergeseran infinitesimal zat tersebut dalam arah F selama periode pengamatan.F.dX merupakan definisi kerja dalam bentuk vektor.Keduanya F netto yang terlibat dari kegiatan milyaran molekul,dan bukan oleh berbagai gaya atau gerakan molekul secara individual.Digaris bawahi,bahwa,dX haruslah berupa pergeseran(gerakan)yang diamati relatif terhadap sumbu koordinat yang tertentu.Apabila sistem sumbu dilekatkan pada zat,maka tidak ada perpindahan energi dalam bentuk kerja dalam analisa sedemikan .Lagi pula,gaya haruslah diterapkan oleh lingkungan terhadap zat yang ada dalam sistem;berbagai gaya yang bekerja diantara zat pada berbagai bagian yang berbeda dipedalaman sistem dapat menyebabkan berbagai macam susunan energi,tetapi tidak menimbulkan perpindahan energi yang menembus batas sistem.Oleh karena itu perhatian haruslah ditunjukan kepada batas sistem sewaktu menelaah dan menghitung perpindahan energi sebagai kerja.
W12=


Terdapat perbedaan fisik,yang penting diantara berbagai besaran yang siberi simbol d dan d.Suku dX dapat langsung dintegrasi,dan dengan demikian diperoleh perubahan X,
x2
xb dX=X2-X1

Besaran X mewakili sesuatu yang mempunyai eksistesni pada setiap titik di dalam ruang dan simbol-simbol X1 dan X2 mempunyai arti yang pasti.Sebaliknya harga integral dW,tidak dapat dihitung sebelum diketahui gaya F berubah menjadi X,Jadi harga dari integral dW diantara dua titik sembarang X1 dan X2 bergantung kepada bagaimana gaya berubah dengan posisi,yaitu pada kekhusuan proses yang terlibat kerja,kerja pada titik tertentu sama sekali tidak mempunyai arti apa-apa,kalau diitegral dX menunjukan beda diantara harga X pada dua buah titik,maka integral dW bergantung pada cara khusus dengan mana sistem dibawakan dari konfigurasi yang satu kelainnya..Perbandingan dX/dt berarti turunan X terhadap t,atau laju perubahan X.Sebaliknya perbandinhan W=dw/dt adalah jumlah atau besarnya kerja yang dilakukan persatuan waktu,atau laju perpindahan energi sebagai kerja.Penertapan sistem simbol ini diterapkan untuk mengrasi bawahi perbedaaan-perbedaab fisik konseptual yang ada,diantara berbagai oknum yang berkaitan dengan berbagai kondisi suatu sistem dan oknum-oknum yang lain dengan berbagai proses yang dialami sistem.


Balans Energi Untuk Massa Atur

Sekarang dapat dinyatakan peryataaan analitik dari pengertian kelestarian energi untuk sistem khusus yang disebut dengan massa atur.Suatu masssa atur adalah suatu sistem yang mengandung zat yang telah dispesifikasikan,jadi,masaanya diketahui dan tetap.Energi suatu massa atur dapat diubah denagan perpindahan energi sebagai panas,maupin sebagai kerja dan kedua cara ini sajalah yang mungkin terjadi.Massa atru dan lingkungannya membentuk suatu sistem yang diisolasi,energi totatlnya harus tetap konstan.Apabila energi dari salah satu bertambah,energi yang lainya aharus berkurang dengan jumlah yang sama.Perpindahan energi sedemikian hanya dapat berlangsung dengan mekanisme perpindahan sebagai panas dan kerja.
Masukan energi total kemassa atur harus tepat,menjadi kenaikan energi dimassa atur;peryataan aljabar bagi tatabuku ini disebut keseimbanagan energi,dengan notasi sistem dan berbagai simbol W+Q = ∆E,Masukan energi=pertambahan energi yang terkandung.Disini W dan Q menyatakan besarnya perpindahan energi kemassa atur masing-masing dalam bentuk kerja dan panas,dan ∆E adalaha pertambahan energi di dalam massa atur.
Hukum pertama.Prinsip dasar yang pokok dalam termodinamika adalah bahwa zat mempunyai energi ,dan bahwa energi lestari ,gagasan ini disebut hukum termodinamika yang pertama.Berbagai persamaan adalah berbagai bentuk khusus dari hukum termodinamika yang pertama dan berlaku hanya untuk massa atur nanti peryataan matematika dan hukum pertama akan diperluas untuk dapat diterapakan terhadap volume atur.Analisa suatu sistem termodinamik,tanpa kecuali harus dimulai dengan telaaahan balans energi ,yang dinamakan hukum pertama




Berbagai Contoh Balans Energi Bagi Massa Atur

Pengembangan berbagai konsep mengenai energi,energi dalam kerja dan panas.Berbagai perangkat lain masih diperlukan sebelum suatau analisa termodinamikayang produktif yang dapat dilakukan ,tetapi pembahsan terhadap beberapa contoh pada tahap ini akan akan sangat membantu usaha pemantapan pengertian pembaca mengenai berbagai gagasan dasar yang telah dikemukakan.Berbagai contoh berikut dimaksudkan untuk mengarisbawahi berbagai gagasan penting yang dikembangkan dalam berbagai uraian terdahulu dan juga untuk menampilkan suatu cara pendekatan yang umum bagi analisa,dari berbagai macam sistem temodinamik.
Kompresi gas.Dua gas ditekan dalam suatu alat volume 1,4m3 menjadi 0.9m3.Selama kompresi,tekanan tetap konstan sebesar 100.000N/m2,dan dari berbagai penelaahan lain diketahui bahwa energi dalam berkurang sebesar 12.000 J.berapa besarnnya energi yang dipindahkan sebagaio panas ke atau dari gas untuk proses ini?Pertama didefinisikan massa atur yang terdiri dari berbagai gas saja.Dari perumusan persoalan jelas bahwa energi akan dimasukan kedalam sistemsebagai kerja,dan oleh karena itu kerja diberi tanda yang positif,Arah perpindahan energi sebagai panas kini belum diketahui dan karena itu didefinisikan Q itu positif apabila merupakan masukan energi.Juga dimisalkan bahwa eneergi sistem hanya energi dalam.Balans Energi adalah W+Q+ ∆U,Masukan energi =pertambahan energi yang terkandung.Dimana ∆U=U2-U1,dari masing-masing menyatakan tingkat keadan awal dan akhir dari proses.Perubahan energi dalam telah diketahui dan apabila w dapat dihitung ,maka Q,dapat diperoleh dari bahasa energi.Peryataan bagi kerja yang dilakukan terhadap suatu gas selama proses kompresi yang telah dijabarkan yaitu:W=- P.dV,karena P konstan,integrasi menghasilkan W=p(V1-V2)=105N/m2x(1,4-0,9)m3=50.000 Joule.
Massa atur meliputi uap air,peralatan peluncuran pesawat udara dan tinjau sistem ini selama peluncuran.Untuk menyederhanakan analisa abaikan interaksi sistem dengan udara selama peluncuran dan friksi diabaikan Dengan berbagai idealisasi tersebut massa atur dapat diperlakukan sebagai sistem yang diisolasi.Perhatikan bahwa tidak ada perpindahan energi maupun massa zat yang melintasi berbagai batas sistem .Oleh karena itu balans energi berbentuk. ∆E=0(pertambahan energi yang terkandung)

Contoh-Contoh Analisa Energi Massa Atur

Penguapan pada tekanan konstan,3 kg H20,dalam sistem torak slinder mula-mula berada pada tingkat keadaan cairan jenuh pada 0,6 Mpa.Energi ditambahkan perlahan-lahans sebagai panas keair ,dan torak bergerak sedemikian rupa sehingga tekanan tetap kosntan.Berapa besarnya kerja yang dilakukan oleh air,dan berapa banyak energi yang harus dipindahkan sebagai panas untuk mengubah air tersebut ketingkat keadaan uap dalam keadaan jenuh.Kita dapat memilih air atau pistons sebagai massa atur,karena yang ingin diketahui adalah berbagai perpindahan energi keair,sedangkan pistons adalah alat sebagai untuk agar mempertahankan agar tekanan tetap konstan,utnuk kasus ini dipilih air(tanpa pistons)sebagai massa atur.Perubahan tingkatan keadaan yang terjadi dinyatakan oleh peryataan prosesnya,yang dengan baik dapat ditunjukan pada bidang P-w.
Untuk dapat memecahkan persoalan ini diidealisasiakan bahwa energi potensial gravitasi dari air dapat diabaikan dibandingkan dengan berbagai perubahan energi dalam yang terlibat.Selanjutnya diidealisasikan sebagai kehadiran medan gravitasi tidak mengubah perilaku molekul-molekul air secara berarti,sehingga hubungan diantara berbagai sifat termodinamik tetap sama seperti air itu benar-benar merupakan suatu zat kompresibel sederhana.Secara singkat air diidelisasikan berkelakuan seperti zat kompresibel sederhana bahwa tingkat keadaan keseimbangan berlaku pada awal dan akhir proses.


Transformasi Volume Atur

Volume atur adalah semabarang daerah ruang yang dibatasi.Daerah ini dapat bergerak didalam ruang ,sedangkan bentuk dan volumenya dapat berubah.Tetapi,yang lazim ditemui adalah volume atur dan bentuk yang uikuranya tetap dan kedudukannya tetap terhadap suatu sumbu referensi .
Tinjau volume atur batas-batasnya tetap dalam ruang stasioner(tidak bergerak).Zat mengalir menembus batas volume atur ini pada dua bagian ,menurut analisa yang digunakan pada akhir pasal yang lalu,andaikan bahwa berbagai arus aliran mempunyai satu dimensi,pada penampang-penampang dimana massa-massa melintasi bats volume atur.Andaikan juga bahwa tekanan yang diterapkan fluida terhadap dinding-dinding pipa sama dengan gaya persatuan luas pada penampang imajiner yang melintangi pipa.Ini adalah idealisasi yang baik ,kecuali pada beberapa kasus dimana gerakan viskos memainkan peran yang penting,tetapi bagi kasus sebagaian idealisasi satu dimensi pun menjadi tidak absah.Perpindahan energi sebagai panas melintasi batas-batas volume atur ,tetapi perpindahan energi yang sangat demikian harus ditanggapi sangat hasti-hati pasa station-station dimana massa masuk ke atau ke luar volume atur,dan untuk mencegah kebingungan andaikan saja tidak ada perpindahan energi sebagai panas melalui station-station masuk dan keluar.Andaikan pula bahwa batas volume atrui dapat dipilih sedemikian rupa sehingga kerja yang timbul dengan berbagai gerakan batas oleh geseran tangensial dapat diabaikan.Tetapi perpindahan energi sebagai kerja melalui berbagai poros yang berputar diperbolehkan ada.Jadi berbagai batasan penting telah dilakukan walaupun sedemikian semua pembatasan tersebut dapat nanti ditiadakan dengan perluasan analisis secara wajar.Hal yang penting untuk disadari adalah bahwa energi volume atur yang akan dihasilakn atas dasar berbagai andaian tersebut tidak absah secara umum,tapi sudah memadai.Untuk menjabarkan kekekalan massa yang tepat bagi volume atur,tinjau saat yang berbeda secara infitesimal,t dan t+dt,dan kemudian terapkan prinsip kelestarian energi terhadap suatu massa atur tertentu yang baats-batansya pasa saat t tepat berimpit dengan batas volume-volume atur saja.Kerja dilakukan oleh massa atur oleh poros berputar dan juga oleh gerakan tegak lurus dari batas massa atur pada dua penampang dimana zat mengalir kedalam dan keluar volume atur.Balans energi untuk massa atur,yang dirumuskan untuk periode waktu dt,berbentuk; (PA)1V1 dt=dWporos+dQ=(PA)2V2dt+dEma.Masukan energi+Keluaran energi+pertambahan energi yang terkandung. Dalam transformasi volume atur semua suku balans energi ini,ingin dinyatakan dalam sifat-sifat volume atur(bukan massa atur).Energi yang terkandung didalam massa atur pada saat t identik dengan energi yang berada dalam volume atur pada saat tersebut.Pada saat t+dt,ditambah dengan energi zat yang terkandung dalam daerah B,dikurangi dengan energi zat yang terkandung dalam daerah A.
Metodologi yang dirumuskan bagi massa atur dapat diterapkan secara langsung,utnuk menyusun balans energi volume atur.Sekarang metodologi ini diilustrasikan dengan contoh-contoh,bagi setiap kasus perlu dirumuskan idealisasi-idealisasi untuk membuat persoalannya tertangapi.Perumusan berbagai idealisasi itu biasanya didasarkana atas pengalaman,dengan demikian suatu analisa rekayasa merupakan suatu pengkajian seni,dan hanya dapat dipahami dengan meniru dan berlatih.Jadi pengkajian yang mendalam terhadap contoh-contoh tersebut,akan membuka kesempatan untuk mendapatkan pengalaman pertama bagi pelajar dan cara-cara yang digunakan dapat ditiru.Keabsahan suatu idealisasi selalu dapat diperiksa dengan membuat berbagai taksiran yang tepat,dan usaha yang sedemikian harus dilakukan apabila suatu idealisasi diragukan keabsahannya.


Beberapa Contoh Analisa Energi Volume Atur

Didalam setiap nosel berbagai efek friksi diantara fluida dengan dinding mempunyai perananan yang penting,tetapi dengan memilih batas sistem,berbagai efek tersebut menjadi gejala bagian dalam .Kemudian dengan mengidealisasikan aliran sebagai stasioner dan mengandaikan bahwa tingkat keadaan pada setiap titik didalam volume atur adalah invarian dalam waktu(tingkat keadaan stasioner)kejadian yang berlangsung didalam volume atur tidak perlu diketahui.Idealisasikan pula bahwa volume atur adiabatik,sehingga tidak ada perpindahan energi sebagai panas yang berlangsung menembus batas-batas volume atur(ini merupakan idealisasi penyederhanaan yang baik bagi kebanyakan nosel).ini tidak berarti bahwa perpindahan energi sebagai panas sama sekali tidak berlangsung didalam volume atur,tetapi perpindahan sedemikian tidak akan terlibat dalam suatu analisa tingkat keadan stasioner aliran stasioner.
Prinsip kelestarian massa mengatakan bahwa laju aliran adalah sama pada penampang,dalam penerapan prinsip ini diandaikan bahwa aliran berdimensi,yang berarti bahwa sifat-sifat adalah seragam apda penampang-penampang tersebut.Energi satuan massa hal ini dipilih sebagai
E=u+V2/2gc
Untuk menentukan u sebagai fungsi temperatur dan tekanan misalkan berlangsung aliranya atau tidak mengubah persamaan tingkat keadaan termodinamik zat.Secara mikroskopik dipandang bahwa walaupun fluida mengalami percepatan,molekul-molekulnya secara lokal berperilaku seolah-olah gerakan curah tidak ada.Hasil-hasil yang telah memuaskan telah dicapai atas dasar idealisasi ini,dan dukungan eksperimental ini merupakan pengabsahan yang memadai bagi pengunannya.Perbedaan energi potensial yang timbul karena posisi aliran masuk yang berlainan dari posisis aliran keluar juga diabaikan.
Berbagai idealisasi penyederhanaan yang penting sudah dibuat,dan suatu analisa sebaiknya diawali dengan menuliskan daftar dari berbagai idealisasi tersebut:
Aliran stasioner tingkat keadan stasioner
Volume atur adiabatik
Aliran satu dimensi 1 dan 2 (tetapi dibagian dalam tak perlu demikian)
Persamaan tingkat keadaan sama dengan yang berlaku bagi zat kompressibel sederhana
Berbagai perubahan energi potensial pada perbedaan posisi diabaikan.
Katup adalah alat yang digunakan utnuk menghasilkan penurunan tekanan dalam suatu fluida yang mengalir dalam suatu pipa.Cara kerja katup adalah dengan cara mempercepat aliran kekecepatan tinggi melalui suatu penyempitan kecil,kemudian aliran diperlambat tetapi,karena adanya kerugian friksi tekanan keluar lebih kecil dari tekanan masuk.Sekarang walaupun energi kinetik tinggi didalam katubs,energi kinetik aliran pada penampang masuk dan keluar biasanya cukup kecil,dan andaian yang lazim dalam analisa suatu katub adalah pengabaian dari aliran kinetiknya.Berbagai idealisasinya adalah:
Aliran stasioner tingkat keadaan stasioner
Volume atur adiabatik
Aliran satu dimensi pada 1 dan 2
Keseimbangan termodinamik berlaku pada 1 dan 2








Daftar Pustaka

Reynolds,william dan perkins,henry.1996.Engineering Thermodinamics.Inggris:McGraw-Hill Inc.

Diterjemahkan
Harahap,filino dan Silaban,pantur.1982.Termodinamika Teknik.1982.Indonesia:Erlangga.