Konversi Energi dan Analisis Energi Secara Umum

Konversi Energi dan Analisis Energi Secara Umum

(Diajukan Untuk Memenuhi Laporan Tugas Pembuatan Catatan Kuliah Termodinamika 2017/2018)

Disusun Oleh :

Kelompok 5

Cynthia Manda Sari 05021281621047

Edo Saputra             05021181621023

Agung Octavian      05021381621075

Dosen Pengajar : Prof. Dr. Ir. Daniel Saputra, MS., A.Eng.

PROGRAM STUDI TEKNIK PERTANIAN

JURUSAN TEKNOLOGI PERTANIAN

FAKULTAS PERTANIAN

UNIVERSITAS SRIWIJAYA

2017

Bagian 2

Konversi Energi dan Analisis Energi Secara Umum

Kita percaya atau tidak, energy merupakan bagian terpenting dari semua aspek kehidupan. Oleh karena itu, penting untuk mengetahui sumber energi. Energi ditransfer ke atau dalam sistem tertutup dalam dua bentuk yaitu panas dan kerja. Energi juga bisa ditransfer oleh aliran massa. Transfer energi oleh panas jika disebabkan oleh perbedaan temperatur. Sedangkan kerja disebabkan oleh gaya melalui jarak.

Seperti kita ketahui bahwa :

“Energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan, hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk yang lain “

                    

Sebuah ruangan dengan pintu dan jendela tertutup, sehingga panas yang keluar akan melewati dinding. Jika diletakkan kulkas ditengah ruangan dengan pintu terbuka. Apa yang akan terjadi dengan suhu rata- rata udara di dalam ruangan? Apakah akan terjadi peningkatan suhu atau penurunan? Atau konstan?

==== Suhu udara rata- rata dalam ruangan akan menurun karena panas udara ruangan akan bercampur dengan  udara dingin kulkas. Beberapa asumsi mengatakan temperatur udara rata- rata oleh motor kulkas dan asumsi lainnya temperatur udara rata- rata meningkat jika efek panas lebih besar dari pada efek udara dingin.

Berdasarkan gambar kita dapat melihat bahwa terjadi perpindahan panas.

Ada tiga jenis sistem berdasarkan jenis pertukaran yang terjadi antara sistem dan lingkungan:

• sistem terisolasi: tak terjadi pertukaran panas, benda atau kerja dengan lingkungan. Contoh dari sistem terisolasi adalah wadah terisolasi, seperti tabung gas terisolasi.
• sistem tertutup: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) tetapi tidak terjadi pertukaran benda dengan lingkungan. Rumah hijau adalah contoh dari sistem tertutup di mana terjadi pertukaran panas tetapi tidak terjadi pertukaran kerja dengan lingkungan. Apakah suatu sistem terjadi pertukaran panas, kerja atau keduanya biasanya dipertimbangkanh sebagai sifat pembatasnya:
• pembatas adiabatik: tidak memperbolehkan pertukaran panas.
• pembatas rigid: tidak memperbolehkan pertukaran kerja.
• sistem terbuka: terjadi pertukaran energi (panas dan kerja) dan benda dengan lingkungannya. Sebuah pembatas memperbolehkan pertukaran benda disebut permeabel. Samudra merupakan contoh dari sistem terbuka.

2.2. Bentuk Energi

Energi ada dalam beberapa bentuk seperti panas, mekanika/ mesin, kinetik, potential, elektrik, magnetik, kimia, dan nuklir, dan mereka merupakan total energi E dari sebuah sistem. Total energi dari sebuah sistem pada unit masa ditandai dengan lambang e.

 (kJ/kg)

Total energi dapat bernilai 0, E = 0.

Bentuk energi dalam total energi terbagi menjadi macroscopic dan microscopic. Macroscopic energi seperti energi kinetik dan energi potensial. Sedangkan microscopis berkaitan dengan  struktur molekular dari sistem dan tingkat aktivitas molekular. Semua bentuk energi mikroskopis disebut  dengan internal energi sistem yang dinotasikan dengan U.

Energi makroskopis berkaitan dengan gerakan seperti gravitasi, kemagnetan, elektrik, dan tegangan permukaan. Energi suatu sistem menghasilkan gerakan relatif yang disebut energi kinetik (KE). Ketika semua bagian sistem bergerak dengan kecepatan sama, energi kinetik digambarkan menjadi

                        KE = mV²     (kJ)

                                     2

                       

                        Ke = V²   (kJ/kg)

                                 2

V dinotasikan sebagai kecepatan dari sistem relatif. Energi kinetik dari rotasi 1/2Iὠ²

I merupakan momentum atau inersia dan ὠ merupakan kecepatan angular.

            Energi yang merupakan hasil dari elevasi gravitasi disebut energi potensial (PE) dan dibuktikan dengan

                                    PE = mgz (kJ0

                                    Pe = gz (kJ/kg)

G merupakan kecepatan gravitasi dan z adalah elevasi .

Total energi dari sistem penggabungan kinetik, potensial, energi internal yaitu,

E = U + KE + PE = U + mV²    + mgz  (Kj)

                                         2

Atau

            E = u + ke +pe = u +V² + gz (Kj/kg)

                                              2

Rumus aliran massa : m = ƿV = ƿA_cV_Avg        (kg/s)

Rumus aliran energy : E =me (kJ/s or kW)

Pengertian Internal Energi

Internal energi didefinisikan sebagai jumlah seluruh bentuk mikroskopis dari energi suatu sistem yang berhubungan dengan struktur molekular dan tingkatan  aktivitas molekular dan dapat ditampilkan sebagai jumlah dari energi kinetik dan energi potensial dari suatu molekul.

Untuk lebih memahami internal energi, lakukan pengujian sebuah sistem di tingkatan molekular. Molekul gas bergerak melalui ruang dengan beberapa kecepatan, dan energi kinetik yang dikenal dengan translasional energi.

Contoh soal :

Sebuah mobil rata- rata mengkonsumsi 5 liter bensin setiap hari, dan kapasitas penuh tangki mobil 50 L. Oleh karena itu, sebuah mobil perlu mengisi bensin setiap 10 hari. Berat jenis bensin sekitar 0.68 hingga 0.78 kg/L, dan nilai panas rendah 44000 kJ/kg hal tersebut berarti 44000 kJ bebas ketika 1 kg bensin terbakar sempurna. Diharapkan semua masalah berhubungan dengan radioaktif dan limbah pembuangan dari bahan bakar nuklir, dan mobil tersebut mempunyai power U-235, jika mobil baru dengan  0.1 kg dari bahan bakar nuklir U-235, tentukan bensin yang dibutuhkan dibawah rata- rata mengendarai biasanya.

Jawaban :

m_gasoline = (ƿv)_gasoline = (0.75 kg/L) (5 L/hari) = 3.75 kg/hari

Energi yang dibutuhkan per hari

            E = (m_gasoline) (Heating value)

               = (3.75 kg/hari) (44000 kJ/kg) = 165000 kJ/hari

Pemecahan sempurna dari 0.1 kg uranium-235

            (6.73 x 10¹⁰ kJ/kg) (0.1kg) = 6.73 x 10⁹ kJ

Dari panas, energi yang cukup untuk mobil selama

            Energi penuh/ Energi per hari = 6.73 x 10⁹ kJ/ 165000 kJ/hari = 40790 hari

Energi Mekanik

            Energi mekanik didefinisikan sebagai bentuk energi yang dapat diubah ke kerja mekanik dengan sempurna dan langsung dengan mesin mekanik ideal seperti turbin. Energi kinetik dan energi potensial merupakan bentuk dari energi mekanik. Energi panas bukan energi mekanik, karena tidak dapat diubah ke kerja secara langsung dan sempurna ( Hukum termodinamika 2).

Rumus energi mekanik dari aliran fluida :

            e_mech = p + v² + gz

                           Ƿ     2                        atau

            E_mech = me_mech = m (P/ƿ + v²/2 + gz )

Jika m adalah aliran massa rata- rata dari fluida. Lalu, energi mekanik diubah dari fluida selama pemampatan (ƿ= konstan ) menjadi :

            ∆e_mech = p₂ – p₁ + v₂² – v₁² + g(z₂-z₁) (kJ/kg)

                                 ƿ            2

Soal :

Energi angin

            Angin di kebun di amati mempunyai kecepatan 8.5 m/s. Tentukan energi angin (a) per unit massa, (b) jika diketahui massa 10 kg, (c) aliran 1154 kg/s untuk udara.

Jawab :

(a)   Energi angin per unit massa udara

e = ke = v2/2 = (8.5 m/s²) ( 1 J/kg ) = 36.1 J/kg

                                2          1 m²/s²

(b)   Energi angin untuk massa udara 10 kg

E = me = (10 kg)(36.1 J/kg) = 361 J

(c)   Energi angin untuk aliran masa  1154 kg/s

E = me = (1154 kg/s)(36.1 J/kg) (1kW/ 1000 J/s) = 41.7 kW

Transfer Energi Oleh Panas

Perpindahan panas dinotasikan q, maka :

            q = Q/m  (kJ/kg)

Perpindahan panas rata- rata dinotasikan dengan Q, maka :

            Q =    (kJ)

Ketika Q konstan selama proses , maka :

            Q = Q ∆           (kJ)

Transfer Energi Oleh Kerja

            Kerja, sama jalnya dengan panas, yang merupakan energi interaksi antara sistem dan batas. Disebutkan bahwa, energi bisa melewati batas sistem tertutup dalam bentuk panas dan kerja. Sehingga, jika energi melewati batas dari sistem tertutup itu bukanlah panas namun kerja. Kerja adalah perpindahan energi dengan gaya melalui jarak.

Kerja dinotasikan dengan w, maka :

            w = W/ m        (Kj/kg)

Kerja per waktu di sebut dengan power yang dinotasikan dengan W satuannya kJ/s atau kW.

Panas dan Kerja  dari perpindahan energi mekanik antara sistem dan lingkungan, ada banyak kemiripan diantara mereka yaitu :

1.      Antara batas sistem melewati batas. Berarti, antara panas dan kerja adalah fenomena batas.

2.      Sistem mempunyai energi, tetapi bukan panas atau kerja.

3.      Antara hubungan proses yang bukan wilayahnya. Bagian panas dan kerja bukan berrati di wilayah

4.      Antara fungsi garis.

Hukum Pertama Termodinamika

Hukum termodinamika pertama juga diketahui sebagai konservasi dari prinsip energi, yang mempelajari hubungan antara bentuk energi dan interaksi energi.

Keseimbangan Energi

            Kenaikan atau penurunan dalam total energi dari sistem sama dengan perbedaan antara total energi masuk dan energi keluar, maka :

            (Total energi masuk) – (Total energi keluar) = (Perubahan total energi)

            E_in – E_out = ∆_Esistem

Perubahan energi dalam sistem merupakan jumlah perubahan internal, kinetik, dan energi potensial, maka

            ∆E = ∆U + ∆KE + ∆PE

Dimana,           ∆U = m(u₂-u₁)

                        ∆KE = ½ m (V₂² – V₁²)

                        ∆PE = mg ( z₂-z₁)

Mekanisme Perpindahan energi, Ein dan Eout

1.    Perpindahan panas, Q Perpindahan panas ke sistem meningkatkan energi molekul dan internal energi dari sistem, dan perpindahan panas dari sistem sejak energi berpindah keluar sistem

2.    Perpindahan Kerja, W Sebuah interaksi energi tidak disebabkan oleh perbedaan temperatur antara sistem dan lingkungan tetapi karena adanya kerja

3.    Aliran massa luar dan dalam sistem menyediakan sebagai kondisi perpindahan energi. Ketika massa masuk ke sistem, energi dari sistem berkurang karena masa membawa energi dengannya.

E_in – E_out = (Q_in-Q_out) + (W_in-W_out) + (E_mass,in – E_mass,out) = ∆E_sistem

Efisiensi Energi