(Diunggah untuk mamenuhi tugas catatan kuliah online kuliah Termodinamika 2017)
Oleh : KELOMPOK 2
Rr. Anisa Sahardia (05021381621061)
Tri Sukma Rani (05021381621059)
Yudha Mulyadi (05021381621066)
ENERGI DAN TERMODINAMIKA
Energi merupakan kebutuhan pokok yang esensial bagi perikehidupan manusia. Manusia hidup memerlukan energi. Energi tidak saja digunakan untuk menggerakkan sistem yang ada dalam tubuhnya seperti peredaran darah, dan pencernaan makanan. Energi dibutuhkan oleh manusia bahkan oleh semua makhluk hidup dalam upayanya mempertahankan kehidupan mencari makan dan berkembang biak.
Manusia tidaklah sekedar ingin mempertahankan hidupnya. Ia menghendaki sesuatu yang lebih dari itu. Manusia ingin dapat terbang seperti burung, ingin mempunyai baju yang bagus, ingin dapat bergerak baik di darat, air maupun di angkasa. Manusia mempunyai keinginan yang tak terbatas, dan itu semua membutuhkan energi.
Energi bisa dipandang sebagai kemampuan untuk menimbulkan perubahan. Nama termodinamika berasal dari kata Yunani therme (panas) dan dinamika (tenaga), yang paling banyak menggambarkan usaha awal untuk mengubah panas menjadi kekuatan. Hari ini nama yang sama ditafsirkan secara luas untuk mencakup semua aspek transformasi energi dan energi, termasuk pembangkitan tenaga, pendinginan, dan hubungan antara sifat materi. Salah satu hukum alam yang paling mendasar adalah konservasi prinsip energi. Ini hanya menyatakan bahwa selama interaksi, energi dapat berubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya namun jumlah energi tetap konstan. Artinya, energi tidak bisa diciptakan atau dimusnahkan. Sebuah batu jatuh dari tebing, misalnya, mengambil kecepatan sebagai akibat energi potensial yang diubah menjadi energi kinetik (Gambar 1-1).
Gambar 1-1. Energi tidak dapat diciptakan atau dimusnahkan; itu hanya bisa mengubah bentuk (hukum pertama).
Pelestarian prinsip energi juga menjadi tulang punggung industri makanan: Seseorang yang memiliki input energi lebih besar (makanan) daripada energi keluaran (olahraga) akan menambah berat badan (menyimpan energi dalam bentuk lemak), dan orang yang memiliki energi. Masukan energi yang lebih kecil dari pada output akan menurunkan berat badan (Gambar 1-2).
Gambar 1-2. Konservasi prinsip energi untuk tubuh manusia
Perubahan kandungan energi tubuh atau sistem lainnya sama dengan perbedaan antara input energi dan keluaran energi, dan keseimbangan energi dinyatakan sebagai
Hukum pertama termodinamika hanyalah sebuah ungkapan dari prinsip konservasi energi, dan ini menegaskan bahwa energi adalah properti termodinamika. Hukum kedua termodinamika menegaskan bahwa energi memiliki kualitas dan kuantitas, dan proses aktual terjadi dalam arah penurunan kualitas energi. Misalnya, secangkir kopi panas yang tertinggal di atas meja pada akhirnya mendingin, tapi secangkir kopi dingin di ruangan yang sama tidak akan panas dengan sendirinya (Gambar 1-3). Energi suhu tinggi kopi terdegradasi (diubah menjadi bentuk yang kurang berguna pada suhu yang lebih rendah) setelah dipindahkan ke udara sekitarnya.
Gambar 1-3. Panas mengalir ke arah penurunan suhu.
Hukum termodinamika pertama dan kedua muncul bersamaan pada tahun 1850-an, terutama dari karya William Rankine, Rudolph Clausius, dan Lord Kelvin (dahulu William Thomson). Istilah termodinamika pertama kali digunakan dalam publikasi oleh Lord Kelvin pada tahun 1849. Buku teks termodinamika pertama ditulis pada tahun 1859 oleh William Rankine, seorang profesor di University of Glasgow.
Sudah diketahui bahwa zat terdiri dari sejumlah besar partikel yang disebut molekul. Sifat-sifat zat secara alami bergantung pada perilaku partikel-partikel ini. Misalnya, tekanan gas dalam wadah adalah hasil momentum perpindahan antara molekul dan dinding wadah. Namun, seseorang tidak perlu mengetahui perilaku partikel gas untuk menentukan tekanan dalam wadah. Ini akan cukup untuk memasang gage tekanan ke wadah. Pendekatan makroskopis untuk mempelajari termodinamika yang tidak memerlukan pengetahuan tentang perilaku partikel individual disebut termodinamika klasik. Ini memberikan cara langsung dan mudah untuk solusi masalah teknik. Pendekatan yang lebih rumit, berdasarkan perilaku rata-rata kelompok partikel individual yang besar, disebut statistik termodinamika. Pendekatan mikroskopis ini agak terlibat dan digunakan dalam teks ini hanya dalam peran pendukungnya.
Area Aplikasi Termodinamika
Termodinamika sering ditemui di banyak sistem rekayasa dan aspek kehidupan lainnya, dan kita tidak perlu terlalu jauh melihat beberapa area aplikasi. Sebenarnya, seseorang tidak perlu pergi kemana-mana. Jantung terus memompa darah ke seluruh bagian tubuh manusia, berbagai konversi energi terjadi pada triliunan sel tubuh, dan panas tubuh yang dihasilkan terus-menerus ditolak ke lingkungan. Kenyamanan manusia sangat terkait dengan tingkat penolakan panas metabolik ini. Kami mencoba mengendalikan laju perpindahan panas ini dengan menyesuaikan pakaian kami dengan kondisi lingkungan.
Banyak peralatan rumah tangga biasa dan peralatannya dirancang, seluruhnya atau sebagian, dengan menggunakan prinsip-prinsip termodinamika. Beberapa contoh termasuk rangkaian listrik atau gas, sistem pemanas dan pendingin ruangan, kulkas, pelembab, kompor tekanan, pemanas air, shower, setrika, dan bahkan komputer dan TV. Pada skala yang lebih besar, termodinamika memainkan peran utama dalam perancangan dan analisis mesin otomotif, roket, mesin jet, dan pembangkit listrik konvensional atau nuklir, kolektor surya, dan desain kendaraan dari mobil biasa ke pesawat terbang. Rumah hemat energi yang mungkin Anda tinggali, misalnya, dirancang berdasarkan meminimalkan kehilangan panas di musim dingin dan kenaikan panas di musim panas. Ukuran, lokasi, dan masukan daya kipas komputer Anda juga dipilih setelah analisis yang melibatkan termodinamika.
Pentingnya Dimensi dan Unit
Setiap kuantitas fisik dapat dicirikan oleh dimensi. Skala yang ditetapkan untuk dimensi disebut unit. Beberapa dimensi dasar seperti massa m, panjang L, waktu t, dan suhu T dipilih sebagai dimensi utama atau fundamental, sementara yang lain seperti kecepatan V, energi E, dan volume V dinyatakan dalam bentuk dimensi primer dan disebut sekunder. dimensi, atau dimensi turunan.
Sejumlah sistem unit telah dikembangkan selama ini. Meskipun ada upaya yang kuat dalam komunitas ilmiah dan rekayasa untuk menyatukan dunia dengan satu sistem unit tunggal, dua perangkat unit masih umum digunakan saat ini: sistem bahasa Inggris, yang juga dikenal sebagai Sistem Adat Amerika Serikat (USCS), dan metrik SI (dari Le Système International d 'Unités), yang juga dikenal sebagai Sistem Internasional. SI adalah sistem yang sederhana dan logis berdasarkan hubungan desimal antara berbagai unit, dan ini digunakan untuk karya ilmiah dan teknik di sebagian besar negara industri, termasuk Inggris.
Upaya sistematis untuk mengembangkan sistem unit yang dapat diterima secara universal dimulai pada tahun 1790 ketika Majelis Nasional Prancis menugaskan Akademi Ilmu Pengetahuan Prancis untuk menghasilkan sistem unit semacam itu. Versi awal sistem metrik segera dikembangkan di Prancis, namun tidak menemukan penerimaan universal sampai tahun 1875 ketika The Metric Convention Treaty dipersiapkan dan ditandatangani oleh 17 negara, termasuk Amerika Serikat. Dalam perjanjian internasional ini, meteran dan gram ditetapkan sebagai satuan metrik untuk panjang dan massa, masing-masing, dan General Conference of Weights and Measures (CGPM) didirikan yang harus dipenuhi setiap enam tahun sekali. Pada tahun 1960, CGPM menghasilkan SI, yang didasarkan pada enam jumlah dasar, dan unit mereka diadopsi pada tahun 1954 pada Konferensi Ketujuh Umum Bobot dan Ukuran: meter (m) untuk panjang, kilogram (kg) untuk massa, seconds ( s) untuk waktu, ampere (A) untuk arus listrik, derajat Kelvin (° K) untuk suhu, dan candela (cd) untuk intensitas bercahaya (jumlah cahaya). Pada tahun 1971, CGPM menambahkan jumlah dan unit fundamental ketujuh: mol (mol) untuk jumlah materi.
Beberapa Unit SI dan Inggris
Di SI, satuan massa, panjang, dan waktu adalah kilogram (kg), meter (m), dan detik (s). Masing-masing unit dalam sistem bahasa Inggris adalah pound-mass (lbm), kaki (kaki), dan detik (s). Simbol pound lb sebenarnya adalah singkatan dari libra, yang merupakan unit Romawi kuno dengan berat. Bahasa Inggris mempertahankan simbol ini bahkan setelah berakhirnya pendudukan Romawi di Inggris pada tahun 410. Unit massa dan panjang di kedua sistem tersebut saling terkait satu sama lain oleh
1 lbm = 0.45359 kg
1 ft = 0.3048 m
Dalam sistem bahasa Inggris, gaya biasanya dianggap sebagai salah satu dimensi utama dan diberi unit yang tidak disebutkan. Ini adalah sumber kebingungan dan kesalahan yang mengharuskan penggunaan konstanta dimensi (gc) dalam banyak formula. Untuk menghindari gangguan ini, kita menganggap kekuatan untuk menjadi dimensi sekunder yang unitnya berasal dari hukum kedua Newton, yaitu,
Force = (Massa) (Perecepatan) atau, F = ma
Dalam SI, satuan gaya adalah newton (N), dan didefinisikan sebagai gaya yang
untuk mempercepat massa 1 kg pada tingkat 1 m / s2. Dalam sistem bahasa Inggris, satuan gaya adalah pon (lbf) dan didefinisikan sebagai gaya yang dibutuhkan untuk mempercepat massa 32.174 lbm (1 siput) dengan kecepatan 1 ft / s2 . Bahwa
1 N = 1 kg . m/s2
1 lbf = 32.174 lbm . ft/s2
Istilah berat sering salah digunakan untuk mengekspresikan massa, terutama oleh "pengamat berat badan." Tidak seperti massa, berat W adalah gaya. Ini adalah gaya gravitasi yang diterapkan pada tubuh, dan besarnya ditentukan dari hukum kedua Newton,
W = mg (N)
Kerja, yang merupakan bentuk energi, hanya dapat didefinisikan sebagai gaya kali jarak; Oleh karena itu, unit ini memiliki "newton-meter (N · m)," yang disebut joule (J). Itu adalah,
1 J = 1 N . m
Unit energi SI yang lebih umum adalah kilojoule (1 kJ = 10^3 J). Dalam sistem bahasa Inggris, unit energi adalah Btu (British thermal unit), yang didefinisikan sebagai energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 lbm air pada suhu 68 ° F pada 1 ° F. Dalam sistem metrik, jumlah energi yang dibutuhkan untuk menaikkan suhu 1 g air pada 14,5 ° C pada 1 ° C didefinisikan sebagai 1 kalori (kal), dan 1 kal = 4,1868 J. Besarnya kilojoule dan Btu hampir identik (1 Btu = 1,0551 kJ).
Rasio Konversi Persatuan
Sama seperti semua dimensi nonprimer dapat dibentuk dengan kombinasi dimensi primer yang sesuai, semua unit nonprimer (unit sekunder) dapat dibentuk dengan kombinasi unit primer. Unit gaya, misalnya, dapat dinyatakan sebagai
Mereka juga dapat dinyatakan lebih baik sebagai rasio unit konversi sebagai
Rasio konversi unity identik sama dengan 1 dan tidak memiliki satuan, dan dengan demikian rasio (atau pembaliknya) dapat dimasukkan dengan mudah ke dalam perhitungan untuk mengonversi unit dengan benar. Siswa didorong untuk selalu menggunakan rasio konversi persatuan seperti yang diberikan di sini saat mengkonversi unit. Beberapa buku teks memasukkan konstanta gravitasi kuno gc yang didefinisikan sebagai gc? 32.174 lbm · ft / lbf · s2 = kg · m / N · s2 = 1 menjadi persamaan agar memaksa unit untuk mencocokkan. Praktik ini menyebabkan kebingungan yang tidak perlu dan sangat tidak dianjurkan oleh para penulis sekarang. Sebaiknya siswa malah menggunakan rasio konversi persatuan.
Sifat dari Sistem
Setiap karakteristik suatu sistem disebut properti. Beberapa sifat yang dikenal adalah tekanan P, suhu T, volume V, dan massa m. Daftar ini dapat diperluas untuk mencakup yang kurang familiar seperti viskositas, konduktivitas termal, modulus elastisitas, koefisien ekspansi termal, resistivitas listrik, dan bahkan kecepatan dan elevasi. Properti dianggap intensif atau luas. Sifat Intensif adalah sifat yang tidak bergantung pada massa suatu sistem, seperti suhu, tekanan, dan densitas. Properti luas adalah properti yang nilainya bergantung pada ukuran-atau luasnya sistem. Total massa, volume total, dan momentum total adalah beberapa contoh sifat luas. Cara mudah untuk menentukan apakah sebuah properti bersifat intensif atau luas adalah dengan membagi sistem menjadi dua bagian yang sama dengan partisi imajiner, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1-20. Setiap bagian akan memiliki nilai sifat intensif yang sama seperti sistem aslinya, namun setengah dari nilai properti yang luas. Umumnya, huruf besar digunakan untuk menunjukkan sifat luas (dengan massa m menjadi pengecualian utama), dan huruf kecil digunakan untuk properti intensif (dengan tekanan P dan suhu T adalah pengecualian yang jelas). Properti luas per satuan massa disebut properti spesifik. Beberapa contoh sifat spesifik adalah volume spesifik (v = V / m) dan energi total spesifik (e = E / m).
Tidak ada komentar:
Posting Komentar