Upload
ali-budianto
View
297
Download
6
Embed Size (px)
Citation preview
ENERGI
Konsep Energi
Suatu system dikatakan mempunyai energi/tenaga, jika system
tersebut mempunyai kemampuan untuk melakukan usaha. Besarnya
energi suatu system sama dengan besarnya usaha yang mampu
ditimbulkan oleh system tersebut. Oleh karena itu, satuan energi sama
dengan satuan usaha dan energi juga merupakan besaran skalar. (Munatsir,
2004)
Dalam fisika, energi dapat digolongkan menjadi beberapa macam
antara lain :
Energi mekanik (energi kinetik + energi potensial) , energi panas ,
energi listrik, energi kimia, energi nuklir, energi cahaya, energi suara, dan
sebagainya. (Munatsir, 2004)
Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan yang
terjadi hanyalah transformasi/perubahan suatu bentuk energi ke bentuk
lainnya, misalnya dari energi mekanik diubah menjadi energi listrik pada
air terjun. (Munatsir, 2004)
Macam Energi
1. ENERGI KINETIK.
Energi kinetik adalah energi yang dimiliki oleh setiap benda yang
bergerak. Energi kinetik suatu benda besarnya berbanding lurus dengan
massa benda dan kuadrat kecepatannya.
Ek = ½ m v2 (1.1)
Ek = Energi kinetik
m = massa benda
v = kecepatan benda
1
SATUAN
BESARAN SATUAN MKS SATUAN CGS
Energi kinetik (Ek) joule erg
Massa (m) Kg gr
Kecepatan (v) m/det cm/det
Usaha = perubahan energi kinetik.
W = Ek = Ek2 – Ek1 (1.2)
(Munatsir, 2004)
2. ENERGI POTENSIAL GRAFITASI
Energi potensial grafitasi adalah energi yang dimiliki oleh suatu
benda karena pengaruh tempatnya (kedudukannya). Energi potensial ini
juga disebut energi diam, karena benda yang diam-pun dapat memiliki
tenaga potensial.
Sebuah benda bermassa m digantung seperti di bawah ini.
g
h
Gambar II. 2 . Ilustrasi energi potensial
Jika tiba-tiba tali penggantungnya putus, benda akan jatuh. Maka
benda melakukan usaha, karena adanya gaya berat (w) yang menempuh
2
m
jarak h. Besarnya Energi potensial benda sama dengan usaha yang
sanggup dilakukan gaya beratnya selama jatuh menempuh jarak h.
Ep = w . h = m . g . h (1.3)
Ep = Energi potensial
w = berat benda
m = massa benda
g = percepatan grafitasi
h = tinggi benda
SATUAN
BESARAN SATUAN MKS SATUAN CGS
Energi Potensial (Ep) Joule erg
Berat benda (w) Newton dyne
Massa benda (m) Kg gr
Percepatan grafitasi (g) m/det2 cm/det2
Tinggi benda (h) M cm
Energi potensial grafitasi tergantung dari :
percepatan grafitasi bumi
kedudukan benda
massa benda
(Munatsir, 2004)
3. ENERGI POTENSIAL PEGAS.
Energi potensial yang dimiliki benda karena elastik pegas.
3
Gaya pegas (F) = k . x
Ep Pegas (Ep) = ½ k. x2
k = konstanta gaya pegas
x = regangan
Hubungan usaha dengan Energi Potensial :
W = Ep = Ep1 – Ep2 (1.4)
4. ENERGI MEKANIK
Energi mekanik (Em) adalah jumlah antara energi kinetik dan
energi potensial suatu benda.
Em = Ek + Ep (1.5)
(Munatsir, 2004)
Hukum Kekekalan Energi Mekanik.
Tinjau sebuah benda bermassa m berkedudukan awal (1) dengan
ketinggian h1 dan berkedudukan akhir (2) dengan ketinggian h2 terhadap
bidang acuan.
Gambar II.3 Ilustrasi hukum kekekalan energi mekanik
Gaya berat benda w = mg melakukan usaha dari posisi (1) ke posisi
(2) yang sebanding dengan perubahan energi potensial gravitasi dari
posisi (1) ke posisi (2):
4
W = EP1 + EP2 = m g (h1 + h2 ) (1.6)
Jika benda pada posisi (1) mempunyai kelajuan v1 dan pada posisi
(2) mempunyai kelajuan v2, maka usaha yang dilakukan oleh gaya berat
benda bermassa m tersebut sebanding dengan perubahan energi kinetik
dari posisi (1) ke poisisi (2):
W = EK2 – EK1 = ½ m ( v22 – v1
2) (1.7)
Jadi dengan menggabungkan kedua persamaan diatas, maka
diperoleh:
½ m v12 + m g h1 = ½ m v2
2 + m g h2 (1.8)
Atau
EM = ½ m v2 + ½ m g h (1.9)
W = EK2 – EK1 = ½ m ( v22 – v1
2 ) (1.10)
W = EP1 – EP2 = m g ( h1 – h2 ) (1.11)
Rumus diatas dikenal dengan rumus kekekalan energi mekanik.
Pada sistem yang terisolasi , artinya pada sistem ini hanya bekerja gaya
berat tidak ada gaya luar lain yang bekerja , maka energi mekanik total
yang dimiliki sistem adalah konstan. (Munatsir, 2004)
Keseimbangan Energi Mekanik Secara Umum
Tipe keseimbangan energi yang lebih berguna untuk mengalirkan
fluida , terutama cairan , merupakan modifikasi dari total energi
keseimbangan untuk menghadapi energi. Khusus Orang teknik jarang
seringkali memperhatikan tipe energi khusu ini , disebut energi mekanik ,
yang mencakup kerja yang panjang , energi kinetik , energi potensial , dan
aliran yang bekerja bagian yang dikenal dengan istilah entalpi . Energi
mekanik merupakan suatu bentuk energi yang berhubungan dengan kerja
atau bentuk yang bisa langsung dikonversi ke dalam bekerja . Syarat energi
mekanis seperti tidak ada batasan dan dapat dikonversi hampir sepenuhnya ke
5
dalam kerja. Energi yang dikonversi menjadi panas atau energi internal yang
hilang oleh kerja atau hilangnya energi mekanik yang disebabkan oleh gesekan
aliran. (Geankolplies, 1995)
Dalam beberapa proses, seperti kolom distilasi atau reaktor, di
mana transfer panas dan perubahan entalpi merupakan komponen penting
energi dalam neraca energi, syarat-syarat kerja, energi potensial dan energi
kinetik dapat dianggap nol atau cukup kecil. Namun, dalam proses
lainnya, seperti kompresi gas dan memompa cairan dan bentuk energi
mekanis adalah faktor penting. Untuk proses, neraca energi, termasuk
bentuk-bentuk yang semata-mata mekanis energi, menjadi alat yang
berguna. (Geankolplies, 1995)
Untuk kondisi aliran seimbang, ketika massa fluida yang melewati
dari inlet menuju outlet, kerja di lakukan dengan baik oleh fuida tersebut,
W’, dinyatakan sebagai
W’ = dV – ΣF ( ΣF > 0 ) (1.12)
Atau dalam unit per basis massa dapat di tuliskan
∆(K+P) + (1.13)
(Himmelblau, 1996)
Kerja ini W’ berbeda dengan W , yang juga meliputi efek energi
kinetik dan energi potensial. Menuliskan hukum termodinamika
pertama untuk kasus ini dimana ΔE menjadi ΔU
ΔU = Q – W’ (1.14)
Persamaan yang mendefinisikan sebagai entalpi, persamaan (1.14)
dapat di tuliskan menjadi
ΔH = ΔU + ΔpV = ΔU + dV + dp (1.15)
6
Subtitusi persamaan (1.14) dengan (1.15) dan kemudian di
kombinasikan hasilnya dengan persamaan, menjadi
ΔH = Q + ΣF + dp (1.16)
H2 – H1 + [ av - av ] + ( z2 – z1 ) = Q –Ws (1.17) (English Unit)
Terakhir kita subtitusikan persamaan (1.16) dan (1.17) dengan
untuk v, sehingga dapat ditentukan secara umum persamaan keseimbangan
energi mekanik yaitu
[ av - av ] + g ( z2 – z1 ) + + ΣF + Ws = 0 (1.18)
Untuk satuan English energi kinetik dan energi mekanik kondisi
dari persamaan (1.17) menjadi gc
Nilai integral pada perasamaan (1.17) berdasarkan daerah dari
fluida dan bagian dari proses. Jika fluidanya adalah fluida cair yang tidak
di mampatkan, maka integralnya menjadi ( p2 – p1) / ρ dan persamaan
(1.17) menjadi
[ av - av ] + g ( z2 – z1 ) + + ΣF + Ws = 0 (1.19)
(Geankolplies, 1995)
Contoh Soal
1. Contoh “keseimbangan energi mekanik pada sistem pemompaan”
7
Air dengan densitas 998 kg/m3 mengalir dengan laju aliran massa
yang stabil melalui pipa yang berdiameter sama, tekanan masuk cairan
adalah 68,9 kN/m2 abs pada pipa, yang menghubungkan ke pompa yang
sebenarnya menyuplai 155,4 J/kg cairan mengalir dalam pipa. Pipa luar
pompa berdiameter sama dengan pipa masuk, bagian luar pipa adalah 3,05
m lebih tinggi dari pipa masuk dan tekana luar adalah 137,8 kN/m2,
dengan bilangan Reynold pada pipa lebih dari 4000. Hitung kehilangan
gesekan ∑ F dalam sistem pipa.
Penyelesaian
Pertama gambar diagram sistemnya, dengan 155,4 J/kg energi
mekanik ditambahkan ke cairan. sehingga Ws = - 155,4 karena kerja yang
dilakukan oleh fluida adalah positif.
Pengaturan tinggi z1 = 0, z2 = 3,05 m. karena diameter pipa adalah
sama, v1 = v2 begitu juga untuk aliran turbulen α = 1,0 dan
z2g = (3,05 m)(9,806 m/s2) = 29.9 J/kg
Gambar II.4.1 Digram aliran proses untuk contoh 1.
karena cairan dinggap tidak mampat
8
Penyelesaian untuk ∑ F, kehilangan gesekan
∑ F = - Ws + )
∑ F = - (-155,4) + 0 – 29,9 + 138,0
= 56,5 J/kg (18,9 )
(Himmelblau, 1996)
2. Contoh “Aplikasi kesetimbangan energi mekanik”
Hitung kerja per menit yang diperlukan untuk memompa 1 Lb air
dari 100 psia dan 80⁰ F sampai 1000 psia dan 100⁰F. aliran keluar adalah
10 ft dari aliran masuk
Gambar II.4.2 Digram aliran proses untuk contoh 2
Penyelesaian
Gambar diatas adalah proses steady state kesetimbangan energi
mekanik secara umum adalah
9
∆(K+P) + (a)
assumsi ∆K signifikan, proses reversible Ev = 0 dan efisiensi pompa
100%. apabila proses irreversible maka pers (a) berubah menjadi
W= (b)
Basis 1 menit operasi= 1 Lb H2O
Dari steam table sg air adalah 0,01607 ft/Lbm (80⁰F) dan 0,01613 ft/Lbm
(100⁰F) spesific volume = 0,0161 ft3/lbm
∆P = mgh= 1 lbm x 32,2 10 ft x x
= 0,0129 BTU
= 2,68 Btu
jadi W = 2,68 + 0,0129 = 2,69 Btu
Ev =
W = 2,68 + 0,013 + 0,41 = 3.10 Btu/lbm
(Geankolplies, 1995)
3. Kecepatan aliran dari pengukuran tekanan
10
Gambar II.4.3 Digram aliran proses untuk contoh 3
Liquid dengan densitas tetap ρ kg/m3 mengalir pada kecepatan
yang tidak diketahui v1 m/s mengalir pada pipa horisontal dengan luas
penampang A1 m2 pada tekanan p1 N/m2 dan kemudian dilewatkan pada
pipa dimana daerah tersebut berkurang secara bertahap sampai A2 m2 dan
tekanannya adalah p2. asumsikan tidak ada gesekan yang hilang, hitung
kecepatan v1 dan v2 jika beda tekanan (p1-p2) terukur.
Penyelesaian
Pada gambar, diagram aliran ditunjukkan dengan kran tekanan
untuk mengukur p1 dan p2. dari pers. kontinuitas neraca massa untuk ρ
konstan dimana ρ1=ρ2=ρ
v2 =
untuk hal ini pada pers.Bernoulli,maka untuk pipa horisontal
z1=z2=0
maka persamaan z1g + z2g + setelah substitusi v2 =
untuk v2
0+
p1-p2 =(
11
v1 =
KESIMPULAN
Suatu system dikatakan mempunyai energi/tenaga, jika system tersebut
mempunyai kemampuan untuk melakukan usaha. Besarnya energi suatu
system sama dengan besarnya usaha yang mampu ditimbulkan oleh
system tersebut
Ada beberapa mcam energi yaitu energi mekanik, energi potensial grafitasi
dan potensial pegas, dan energi kinetik.
Energi mekanik (Em) adalah jumlah antara energi kinetik dan energi
potensial suatu benda.
Rumus W = EP1 – EP2 = m g ( h1 – h2 ) dengan rumus kekekalan energi
mekanik.
Rumus energi mekanik saat kondisi steady state
W’ = dV – ΣF ( ΣF > 0 )
Aplikasi kesetimbangan energi mekanik dapat di aplikasikan pada system
pemompaan dan bernauli.
DAFTAR PUSTAKA
12
Geankoplis, C. J. (1995). “Transport Processes and Unit Operation”, fourth
edition, Allyn and Bacon, Inc., Boston
Himmelblau, David M. (1996), “Basic Principles and Calculations in Chemical
Engineering”, sixth edition. Prentice-Hall,Inc: New Jersey.
Himmelblau, David M. (1996), “Basic Principles and Calculations in Chemical
Engineering”, seventh edition. Prentice-Hall,Inc: New Jersey.
Munatsir. (2004), “Energi Kinetik dan Energi Potensial”, Jakarta.
13