Usaha Luar (W) dan Energi Dalam (U)

A. Usaha Luar (W)

Sistem gas melakukan usaha luar apabila volume sistem bertambah. Dengan bertambahnya volume ini, sistem melakukan usaha untuk melawan tekanan udara di luar sistem. Perhatikan Gambar 9.8! Sistem gas mulamula berada dalam kondisi P1 , V1 , dan T1 berada dalam ruang yang salah satu sisinya dibatasi torak. Pada kasus ini dinding berupa dinding diatermal. Ketika sistem menyerap kalor secara isobarik, maka akan terjadi perubahan volume sistem menjadi V2 dimana V2 > V1 . Usaha luar yang dilakukan oleh sistem gas dapat dijabarkan sebagai berikut.
W = F · s
Karena F = p A,
maka: W = (PA)s
               = (PA) × (h2 – h1 )
               = P (A h2 – A h1 ) = P (V2 – V1 )
W = P × Δ V
Keterangan:
W : usaha luar
P : tekanan sistem
Δ V : perubahan volume

read more

Alat Penukar Kalor (Heat Exchanger)

Alat penukar panas (heat exchanger) adalah suatu alat yang digunakan untuk memindahkan panas antara dua buah fluida atau lebih yang memiliki perbedaan temperature yaitu fluida yang bertemperatur tinggi kefluida yang bertemperatur rendah. Perpindahan panas teesebut baik secara langsung maupun secara tidak langsung. Pada kebanyakan sistem kedua fluida ini tidak mengalami kontak langsung. Kontak langsung alat penukar kalor terjadi sebagai contoh pada gas kalor yang terfluidisasi dalam cairan dingin untuk meningkatkan temperatur cairan atau mendinginkan gas.
Alat penukar panas banyak digunakan pada berbagai instalasi industri, antara lain pada : boiler, kondensor, cooler, cooling tower. Sedangkan pada kendaraan kita dapat menjumpai radiator yang fungsinya pada dasarnya adalah sebagai alat penukar panas.
Tujuan perpindahan panas tersebut di dalam proses industri diantaranya adalah :

read more

Entropi

Q2 adalah panas yang masuk kedalam sistem dan Q1 adalah panas yang keluar sistem. Selanjutnya Q2 diberi tanda (+), dan Q1 à (-), sehingga :

Selanjutnya ditinjau suatu proses siklus reversibel sebarang berupa satu kurva tertutup,

seperti gambar berikut ini :

Gambar : Proses siklis reversibel dapat didekati dengan sejumlah besar siklus carnot

read more

Usaha

Usaha

Menyatakan hubungan antara gaya dan energi. Energi menyatakan kemampuan melakukan usaha. Usaha, W, yang dilakukan oleh gaya konstan pada sebuah benda didefinisikan sebagai perkalian antara komponen gaya sepanjang arah perpindahan dengan besarnya perpindahan.

read more

Penerapan Hukum Keseimbangan atau Kenaikan Entropi

Panas tidak bisa mengalir dari material yang dingin ke yang lebih panas secara spontan. Entropi adalah tingkat keacakan energi. Jika satu ujung material panas, dan ujung satunya dingin, dikatakan tidak acak, karena ada konsentrasi energi. Dikatakan entropinya rendah. Setelah rata menjadi hangat, dikatakan entropinya naik.
Aplikasi : 
Kulkas harus mempunyai pembuang panas di belakangnya, yang suhunya lebih tinggi dari udara sekitar. Karena jika tidak panas dari isi kulkas tidak bisa terbuang keluar.

read more

Aplikasi Termodinamika dalam Biologi

Pengaturan Suhu Tubuh 

Pengaturan temperatur adalah suatu pengaturan secara kompleks dari suatu proses fisiologisdi mana terjadi kesetimbangan antara produksi panas dan kehilangan panas sehingga suhu tubuh dapat dipertahankan secara konstan.

Burung atau mamalia secara fisiologis digolongkan dalam worm Blooded atau homotermal.Organisme homotermal ini secara umum dapat dikatakan temperatur tubuh tetap konstan walaupun suhu lingkungan berubah.Hal ini terjadi karena ada interaksi berantai antara pembentukan panas dan kehilangan panas.Kedua proses ini dalam keadaan tertentu aktifitasnya diatur oleh susunan syaraf pusat yang mana mengatur metabolisme, sirkulasi (peredaran darah),perspirasi (penguapan) dan pekerjaan otot-otot skeletal.sebagai contoh kontraksi otot banyak menghasilkan panas,rumusnya dapat di tulis:

read more

Penerapan Proses Isotermal

AC Ruangan

a. Bagian-bagian Ac Ruangan

Udara dingin tersebut sebenarnya merupakan output dari sistem yang terdiri dari beberapa komponen, yaitu; compressor AC, kondensor, orifice tube, evaporator, katup ekspansi, dan evaporator. Berikut adalah penjelasan singkat mengenai peran masing-masing bagian tersebut:

read more

Penerapan Proses Adiabatik

Mesin Diesel

a. Sejarah Mesin Diesel

Rudolf Diesel lahir di Paris tahun 1858 sebagai keluarga ekspatriat Jerman. Ia melanjutkan studi di Politeknik Munchen. Setelah lulus dia bekerja sebagai teknisi kulkas, namun bakatnya terdapat dalam mendesain mesin. Diesel mendesain banyak mesin panas, termasuk mesin udara bertenaga solar. tahun 1892 ia menerima paten dari Jerman, Swiss, Inggris, dan Amerika Serikat untuk karyanya "Method of and Apparatus for Converting Heat into Work" (Metode dan Alat untuk Mengubah Panas menjadi Kerja). Tahun 1893 ia menemukan sebuah "mesin pembakaran-lambat" yang pertama-tama mengkompres udara sehingga menaikkan temperaturnya sampai di atas titik nyala, lalu secara bertahap memasukkan bahan bakar ke dalam ruang bakar. Tahun 1894 dan 1895 ia membuat paten di beberapa negara untuk mesin yang ia temukan, pertama di Spanyol (No. 16.654), Perancis (No. 243.531) dan Belgia (No. 113.139) bulan Desember 1894, Jerman (No. 86.633) tahun 1895, dan Amerika Serikat (No. 608.845) tahun 1898. Ia mengoperasikan mesin pertamanya tahun 1897.

read more

Energi Laut atau Samudra (Ocean Energy)

Energi Kelautan atau Samudra

Energi laut/samudra adalah energi yang dapat dihasilkan dari konversi gaya mekanik, gaya potensial serta perbedaan temperature air laut menjadi energi listrik Energi samudra murni, dapat digolongkan menjadi empat jenis yaitu energi gelombang (wave power), energi pasang surut (tidal power), energi arus laut (current power), dan energi panas laut (ocean thermal energy conversion, OTEC).

1. Energi Gelombang

Energi gelombang adalah energi kinetik yang memanfaatkan beda tinggi gelombang laut, dan salah satu bentuk energi yang dapat dikonversikan menjadi energi listrik melalui parameter gelombangnya, yaitu tinggi gelombang, panjang gelombang, dan periode waktunya. Sampai saat ini ada lima teknologi energi gelombang yang telah diaplikasikan sebagai pembengkit listrik yaitu sistem Rakit Cockerell/Pelamis, Tabung Tegak Kayser, Pelampung Salter, dan Tabung Masuda .

read more

Pemanfaatan Kalor dalam Kehidupan Sehari-hari

Termos

a. Sejarah Ditemukannya Termos

Termos Vacuum Flash adalah alat bantu komponen yang mempunyai fungsi untuk menyimpan air, disini menyimpan air tidak hanya menyimpan air biasa tetapi juga menjaga suhu air agar tetap panas. Contohnya bila diisi air panas maka suhu air dalam termos akan tetap tinggi karena panas tidak bisa merambat pada dinding termos.
Penemuan Vacum Flash (Tabung Hampa Udara) oleh Sir James Dewar di OxfordUniversity menjadi cikal bakal penemuan termos tempat menyimpan air panas dan dingin untuk minuman. Penemuan yang diciptakan secara tidak sengaja ini menjadi produk hotter atau cooler bagi produk minuman di dunia. James Dewar lahir pada tanggal 20 September 1842 di Kincardineon-Fourth, Scotlandia. Ia dibesarkan dari keluarga berprofesi sebagai pedagang anggur. Semenjak kecil dan dewasa ia tinggal dikota kelahirannya. Setelah lulus dari bangku sekolah, ia melanjutkan ke Universitas Edonburgh dan menjadi murid ilmuwan kimia Lyon Playfair. Pada tahun 1869, setelah lulus kuliah ia melanjutkan karir intelektualnya menjadi dosen di Royal College Veteriner. Selain mengajar, ia juga sering melakukan penelitian. Sebagian karya penelitiannya lebih banyak dilakukan di Inggris karena fasilitas untuk percobaan jauh lebih baik daripada di Negara kelahirannya. Dewar pun mendapatkan gelar professor di bidang kimia dari Royal College Veteriner, London. Pada tahun 1904, Dewar melakukan penelitian berdama dengan John Fleming, ahlikimia pada University College London. Keduanya meneliti daya tahan elektris pada suhu -200 derajat celcius dan 200 derajat celcius. Keduanya memprediksikan daya tahan itu hilang pada -273,15 derajat celcius.

read more

Jenis-Jenis Ketel Uap (Steam Boiler)

1. Ketel Uap Vertikal Sederhana

Ketel uap vertikal sederhana menghasilkan uap pada tekanan rendah dan dalam jumlah kecil. Karenanya digunakan pada pembangkit daya rendah atau pada tempat di mana ruang terbatas. Konstruksi ketel jenis ini diperlihatkan oleh gambar 1. Ketel ini terdiri dari kulit silinder yang mengelilingi kotak api silinder. Kotak api silinder ditap di atasnya tempat mengalirnya uap ke permukaan. Pada dasar kotak api terdapat grate (panggangan). Kotak api dilengkapi dengan dua atau lebih pipa melintang miring F, F. Kemiringan bertujuan untuk menaikkan permukaan pemanasan disamping juga untuk meningkatkan sirkulasi air. Lubang tangan (hand hole) dibuat disamping untuk keperluan pembersihan deposit. Sebuah lubang orang (man hole) dibuat di atas untuk supaya orang bisa memasuki ketel untuk pembersihan. Sebuah lobang abu dibuat pada dasar ketel untuk pembuangan abu yang mengendap. Ruang antara kulit boiler dan kotak api diisi dengan air yang akan dipanaskan.

read more

Contoh Soal dan Pembahasan Unjuk Kerja Ketel Uap

1. Sebuah ketel uap menguapkan 3,6 kg air per kg bahan bakar batubara menjadi uap jenuh kering pada tekanan 10 kg/cm2 absolut. Temperatur air umpan adalah 320 C. Carilah penguapan ekivalen “dari dan pada 1000 C” dan juga faktor penguapan.
Pembahasan :

2. Observasi berikut dilakukan pada pembangkit ketel uap selama uji satu jam:

 – tekanan uap : 20 bar

– Temperatur uap : 2600 C

– Uap yang dihasilkan : 37.500 kg 

– Temperatur air memasuki ekonomiser : 150 C 

– Temperatur air meninggalkan ekonomiser : 900 C

– Bahan bakar yang digunakan: 4.400 kg 

– Energi pembakaran bahan bakar: 30.000 kJ/kg 

Hitunglah: a. Penguapan ekivalen per kg bahan bakar b. Efisiensi termal pembangkit c. Persen energi panas dari bahan bakar yang terpakai oleh ekonomiser.

Pembahasan :

read more

Ketel Uap (Steam Boiler)

Sebuah ketel uap biasanya merupakan bejana tertutup yang terbuat dari baja. Fungsinya adalah memindahkan panas yang dihasilkan pembakaran bahan bakar ke air yang pada akhirnya akan menghasilkan uap. Uap yang dihasilkan bisa dimanfaatkan untuk:
1. mesin pembakaran luar seperti: mesin uap dan turbin.
2. suplai tekanan rendah bagi kerja proses di industri seperti industri pemintalan, pabrik gula dsb.
3. menghasilkan air panas, dimana bisa digunakan untuk instalasi pemanas bertekanan rendah.

Istilah-istilah penting pada ketel uap :
1. Kulit ketel. 
(boiler shell) Dibuat dari pelat baja yang dilengkungkan membentuk silinder dan di keling atau dilas. Kulit ketel harus mempunyai kapasitas yang cukup bagi air dan uap.
2. Ruang bakar. 
Adalah ruang, umumnya dibawah kulit boiler, tempat membakar bahan bakar yang akan digunakan untuk memanaskan air.
3. Panggangan. 
Adalah sebuah pelat datar di dalam ruang bakar, dimana bahan bakar (batubara atau kayu) dibakar. Panggangan biasanya terdiri dari batang besi cor yang berjarak diantaranya supaya udara untuk pembakaran bisa melewatinya.
4. Tungku. 
Adalah ruang diatas panggangan dan di bawah kulit ketel. Tungku biasa disebut juga kotak api (firebox).

read more

Tokoh Ilmuwan Penemu Termodinamika

1. Benjamin Thompson
Benjamin Thompson atau 'Count Rumford' (1753 – 1814) adalah penemu, ilmuwan, negarawan, dan tentara terkenal kelahiran Amerika. Benjamin Thompson dilahirkan di Woburn Utara, Massachusetts pada tanggal 26 Maret 1753 beragama Anglican. Ayahnya adalah seorang petani dan meninggal ketika Benjamin Thompson berumur 2 tahun. Ibunya, Ruth Simonds menikah lagi dengan Josiah Pierce pada bulan Maret 1976. Di masa kecilnya, Benjamin Thompson memiliki keterbatasan untuk sekolah sehingga dia lebih banyak belajar sendiri dan kemudian mendapat banyak pengetahuan dari teman dan kenalannya. Pada usia 13 tahun, Benjamin Thompson mulai melakukan beberapa pekerjaan seperti menjadi juru tulis seorang importer, pedagang bahan kering dan kemudian magang di Doctor John Hay of Woburn, dimana Thompson mendapatkan banyak pengetahuan tentang ilmu medis. Bakat Thompson dalam bekerja dengan alat mekanis dan kemampuan bahasanya yang sangat baik membuat John Fowle, salah satu guru lulusan Harvard, membantunya untuk belajar dengan Professor John Winthrop di Harvard.

read more

Pembangkit Listrik OTEC

Suatu pembangkit listrik tanpa polusi yang saat ini dalam penelitian dan pengembangan adalah OTEC, singkatan untuk Ocean Energy Conversion (Konversi Energi Panas Lautan). Energi OTEC didasari pada perbedaan suhu air laut permukaan dengan suhu air pada kedalaman 1 km. Lebih spesifik, pembangkit listrik OTEC adalah sebuah mesin kalor yang bekerja pada perbedaan antara suhu air permukaan dengan suhu air kedalaman yang bisa mencapai 20 derajat celcius. Potensi energi panas laut yang besar terdapat di daerah khatulistiwa. Hal ini karena sepanjang tahun di khatulistiwa suhu permukaan laut berkisar antara 25 derajat celcius hingga 30 derajat celcius, sedangkan suhu dibawah laut hanya 5 derajat celcius - 7 derajat celcius.
Karena perbedaan suhu yang kecil (berkisar 20 derajat celcius), maka efisiensi mesin kecil. Dengan demikian, kendala pada penerapan teknologi konversi energi panas laut adalah pada efisiensi pemompaan yang masih rendah, sehingga diperlukan pengembangan teknologi pompa dan mengatasi korosi pada pipa dengan teknologi material.
Cara kerja OTEC serupa dengan pembangkit listrik uap konvensional. Air laut hangat dimasukkan ke dalam sebuah ruang vakum sebagian (ingat bahwa titik didih air bergantung pada tekanannya, dan pada tekanan rendah, titik didih air adalah rendah). Uap air yang memuai digunakan untuk memutar turbin. Uap sisa yang tak terpakai dimampatkan dalam kondensor oleh air laut dingin yang dipompa dari kedalaman sekitar 1 km. Alternatif untuk meningkatkan aspek ekonomis OTEC adalah menggunakan sistem siklus tertutup, yaitu Hybrid  OTC System. Dalam sistem ini suatu fluida kerja amonia diuapkan dan dimampatkan melalui pertukaran panas dengan air laut hangat dan dingin. Ini memberikan suatu beda tekanan lebih besar pada turbin.

read more

Aplikasi Fisika (Termodiamika) pada Peristiwa Alam

Mengapa Terjadi Angin Turun yang Kering ???

Proses terjadinya angin turun yang kering dapat dijelaskan sebagai berikut. Udara hangat di atas permukaan laut yang banyak mengandung uap air bergerak menuju ke atas pegunungan menelusuri lereng kiri. Seperti telah dijelaskan, udara yang bergerak naik mengalami pemuaian adiabatik sehingga suhunya turun. Untuk udara yang uap airnya belum mengembun, setiap kenaikan 100 m suhunya turun kira-kira 1 °C. Untuk udara yang telah mengembun, setiap kenaikan 100 m uhu turun kira-kira 0,5°C. Dalam perjalanan udara menelusuri lereng kiri, banyak kandungan uap air yang hilang karena pendinginan udara oleh proses pemuaian adiabatik. Ini menyebabkan turunnya hujan atau salju di lereng kiri. Dengan demikian, udara yang mencapai puncak pegunungan adalah udara kering.Selanjutnya, udara kering ini bergerak menuruni lereng kanan. Seperti telah dijelaskan bahwa dalam perjalanan turun ini udara kering mengalami pemampatan adiabatik sehingga suhunya naik. Karena udaranya kering, maka setiap turun 100 m suhu naik 1°C. Sebagai hasilnya, udara kering yang bergerak turun menelusuri lereng kanan akan bertambah panas. Angin inilah yang dinamakan angin turun yang kering. Jadi, angin turun yang kering adalah angin yang bertiup dari puncak pegunungan menelusuri lereng menuju lembah pegunungan. Angin ini kering dan bertambah panas. Angin yang tergolong angin ini adalah angin Bahorok, Kumbang, Gending, Brubu, dan Wambrau di negara kita, Fohn di Alpina Barat, Chinook di lereng timur pegunungan Rocky, dan Sirocco di pantai barat Italia.

Gambar :  Sebuah kepala guntur adalah hasil dari pendinginan adiabatik yang cepat dari sejumlah udara basah yang naik. Guntur mendapatkan energi dari pengembunan uap air.

read more

Aplikasi Fisika (Termodinamika) pada Peristiwa Alam

Ketika Mempelajari Perpindahan Kalor secara Konveksi, Anda Mengetahui Bahwa Udara Hangat Naik ke Atas, tetapi Mengapa Udara di Pegunungan Dingin ?

Transformasi adiabatik dapat menjelaskan variasi suhu atmosfer terhadap ketinggian. Udara diangkut dari tempat tinggi ke tempat rendah atau sebaliknya oleh arus-arus angin besar. Udara adalah isolator kalor yang cukup baik, sehingga pengangkutan udara di antara tempat-tempat dengan ketinggian berbeda ini dapat didekati oleh proses adiabatik. Ketika udara naik, tekanan udara berkurang sehingga mengalami pemuaian adiabatik (ingat : pV^{g  = C ,} V^{g = C/P
Karena p turun, maka V haruslah meningkat atau memuai). Suhu udara karena itu berkurang dan udara di pegunungan menjadi dingin. Sebaliknya ketika udara diangkut ke tempat yang lebih rendah, tekanan udara meningkat, udara mengalami pemampatan adiabatik, dan suhunya meningkaT. Sehingga jika V meningkat, suhu T turun, sebaliknya jika V berkurang suhu T meningkat.}

Gambar : Angin kering panas chinook terjadi ketika udara pada ketinggian menuruni lereng dan dipanaskan secara adiabatik.

read more