17
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 1

ATK makalah Energi_1.doc

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 2: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 3: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 4: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 5: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 6: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 7: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 8: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 9: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 10: ATK makalah Energi_1.doc

∆(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

Page 11: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 12: ATK makalah Energi_1.doc

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

Page 13: ATK makalah Energi_1.doc

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