bab 3 tenaga, haba & kerjaauthor.uthm.edu.my/uthm/www/content/lessons/26/slaid... ·...

12/29/2011

NIZAMUDDIN BIN RAZALI UTHM 1

BBE 34703 Termodinamik

Bab 3

Tenaga, Haba & Kerja

Nizamuddin Razali

1

12/29/2011


Bab 3 : Tenaga, Haba & Kerja OBJEKTIF UMUM:

Untuk mengetahui dan memahami teori tenaga, haba dan kerja serta

hubungannya di dalam menyelesaikan permasalahan termodinamik

Diakhir bab ini diharapkan anda boleh:

• Mengetahui konsep tenaga, haba dan kerja

• Mengetahui konsep Hukum Pertama Termodinamik

• Menyatakan beberapa tafsiran berkaitan tenaga.

• Menyelesaikan masalah termodinamik yang berkaitan tenaga, haba

dan kerja. 2

12/29/2011


2.1 Pengenalan • Tenaga (E) ialah satu sifat ekstensif yang mempunyai keupayaan

untuk mengubah keadaan sistem dan sekitarannya melalui saling

tindak yang berlaku menerusi sempadan sistem.

• � � ��, �, ��

3

12/29/2011


2.2 Tenaga

4

Istilah Tenaga

Tenaga

(sifat termodinamik)

Tenaga

dipindahkan

(bukan sifat termodinamik)

Pemindahan Haba

Kerja

12/29/2011


2.2 Tenaga smbngn

5

E U TK TU

Tenaga Tenaga

Dalam

Tenaga

Kinetik

Tenaga

Upaya

12/29/2011


• Tenaga yang dimiliki oleh sistem disebabkan berada dalam

medan upaya @ disebabkan oleh kedudukan jasad.

• ��

• Dengan m = jisim, g = pecutan graviti, h = kedudukan jasad

6

2.2.1 Tenaga Upaya

12/29/2011


2.2.1 Tenaga Upaya smbngn • Contoh; perubahan tenaga upaya

oleh jasad bersijim m pada jarak h1 ke h2 diberikan oleh;

∆�� !�"�� !#$�%��!�&

� � %' � %( )

• Tenaga upaya diabaikan kerana nilainya kecil jika dibandingkan dgn tenaga yg lain melainkan perbezaan jarak ∆% amat besar.

7

12/29/2011


• Contoh;

Tentukan kerja yang dilakukan oleh seorang lelaki yang

mengangkat 20kg beras setinggi 0.5m

• Penyelesaiaan;

* � � %' � %( � 20 � 9.81 � 0.5 � 23. 4�

8

2.2.1 Tenaga Upaya smbngn

12/29/2011


• Tenaga yang dimiliki oleh sistem disebabkan pergerakannya relatif kepada suatu datum seperti bumi yang dianggap pegun.

• �5 �4

6�786 �

• Dengan m = jisim, v = halaju jasad

• Apabila suatu zarah dgn jisim m bergerak daripada keadaan awal dengan halaju �9( ke keadaan akhir dengan �9', perubahan TK diberi oleh;

• ∆�5 �4

6� 786

6� 784

6 �

• Tenaga ini tidak begitu penting dlm bidang termodinamik kerana nilainya kecil. Ia boleh diabaikan kecuali jika kadar alir jisim @ perubahan halaju besar seperti enjin jet @ roket. 9

2.2.2 Tenaga Kinetik

12/29/2011


• Contoh;

Tentukan kuasa dlm kW, yg diperlukan bagi memecut kereta berjisim 1000kg daripada keadaan rehat kepada kelajuan 100 km/j dalam masa 20s

• Penyelesaiaan;

* � ∆�: �(

'� �9'

'� �9(

'

�1

2� 1000 �

100 � 10;

3600

'

� 0' � 385.8:)

Kuasayangdiperlukan;

*M �*

��385.8

20� 42. 62NO

10

2.2.2 Tenaga Kinetik smbngn

12/29/2011


• Jumlah tenaga yang terdapat di dalam semua molekul sistem

dan merupakan sifat termodinamik.

• Ia berfungsikan suhu. Nilai bertambah dengan peningkatan

suhu.

• Kuantiti dipengaruhi oleh bendalir bekerja yang digunakan

(tiada rumus umu)

• Bahan tulin (cecair dan wap) – jadual sifat bahan termodinamik

• Gas unggul – menggunakan rumus tertentu

11

2.2.3 Tenaga Dalam

12/29/2011


2.3 Haba • Bentuk tenaga yang dipindahkan di antara dua sistem (atau

satu sistem dan persekitarannya) disebabkan perbezaan suhu

diantara keduanya.

• Haba merupakan tenaga di dalam perpindahan dan ia hanya

dikesan apabila ia merentasi sempadan sistem.

• Oleh sebab itu, dalam termodinamik, istilah haba bermakna

pemindahan haba.

12

12/29/2011


2.3.1 Pemindahan Haba • Kuantiti yang dipindahkan diantara 2 sistem ataupun diantara sistem

dan sekitarannya disebabkan perbezaan suhu diantara keduanya.

• P � ��%��%�$�

• PM � Q

R� &��!��%��%�$�

• S �Q

T� ��%��%�$��!#��

• Proses adiabatik = proses yang tidak melibatkan sebarang pemindahan haba

• Sistem adiabatik = sistem yang tidak melibatkan sebarang pemindahan haba diantara sekitarannya. (sistem yang ditebat dengan sempurna)

13

12/29/2011


2.3.2 Mod Pemindahan Haba • Haba boleh dipindahkan

dengan 3 cara iaitu; • Pengaliran (conduction)

• Olakan (convection)

• Sinaran (radiation)

• Memerlukan perbezaan suhu dan pemindahan haba adalah daripada media bersuhu tinggi kepada media bersuhu rendah.

14

12/29/2011


2.3.2 Mod Pemindahan Haba • Pengaliran (conduction)

• Pemindahan haba daripada zarah yang lebih bertenaga kepada zarah bersebelahan yang kurang bertenaga akibat saling tindak antara zarah-zarah tersebut.

• Pengaliran boleh berlaku di dalam pepejal, cecair atau gas.

15

12/29/2011


2.3.2 Mod Pemindahan Haba • Olakan (convection)

• Mod pemindahan haba antara permukaan pepejal dan cecair atau gas yang bergerak bersebelahan.

• Melibatkan gabungan pengaliran dan pergerakan bendalir.

• Semakin pantas pergerakan bendalir semakin besar pemindahan haba olakan.

16

12/29/2011


2.3.2 Mod Pemindahan Haba • Sinaran (radiation)

• Tenaga yang dipancarkan oleh jirim dalam bentuk gelombang elektromagnet disebabkan terdapatnya perbezaan di dalam tatarajah elektronik atom-atom atau molekul-molekul.

• Tidak memerlukan sebarang media penghantar-boleh berlaku dalam vakum.

• Pemindahan haba paling pantas.

17

12/29/2011


• Berpindah daripada tempat yang lebih panas kepada tempat

yang lebih sejuk. – sehingga mencapai keseimbangan

• Q>0 = haba dibekalkan kepada sistem oleh sekitaran

• Q<0 = haba disingkirkan oleh sistem kepada sekitaran

18

2.3.3 Arah Pemindahan Haba

12/29/2011


2.4 Kerja • Kuantiti yang bertindakbalas antara sistem dan sekitarannya.

• Terhasil akibat tindakan daya terhadap sempadan sistem.

• Dalam mekanikal, kerja (W) ; �U� � ��!�&

19

12/29/2011


2.4 Kerja smbngn

• Dalam termodinamik;

• Salingtindak antara sistem dan sekitaran menerusi sempadan

sistem dengan kesan yang boleh diperhatikan hanyalah

pergerakan di bahagian luar sistem.

• W>0 = kerja dilakukan oleh sistem

• W<0 = kerja dilakukan ke atas sistem

20

12/29/2011


2.4.1 Kerja Elektrik • *V � 7W�N��

• V = voltan

• N = cas elktrik

• *MV � �X � X'Y

�Z[

\�&*�

21

12/29/2011


2.4.1 Kerja Aci • Untuk memutarkan aci, sejumlah

daya kilas, T perlu dikenakan,

• � � ]! ∴ ] �_

`

• *abc � ]d;d � 2e!�; � � �#� �%�#��

• *abc �_

`� 2e!� � 6fg� N�

• *M abc � 2e�M�;�M � �#� �%�#�� !#��

22

12/29/2011


2.4.1 Kerja Pegas

• h* � ]d

• Untuk menentukan kerja bagi

pegas, perhubungan F & x perlu

diketahui

• ] � &d; & � �� !�� &i �⁄

• *k �(

'&�d'

'-d('�&)

23

12/29/2011


2.4.1 Kerja Sempadan • Kebanyakkan sistem termodinamik

yang dianggap sbg sistem tertutup terdiri daripada sistem silinder dan omboh.

• Proses yang berlaku – pengembangan dan pemampatan

• Sebahagian daripada sempadan (permukaan omboh) bergerak ke dalam dan ke luar.

• Kerja bagi proses pengembangan dan pemampatan dinamai kerja sempadan.

24

12/29/2011


2.4.1 Kerja Sempadan smbngn • *(' � l ��

Z[Zm

• Hasil kamiran adalah bersamaan dengan luas kawasan dibawah lengkungan 1-2 pada g/rajah p-V.

• *nVT � #��$�o�% !��• � �� • Kerja positif = dilakukan oleh sistem

terhadap sekitarannya bagi proses pengembangan.

• Kerja negatif = dilakukan oleh sekitaran terhadap sistem bagi proses pemampatan.

25

12/29/2011


2.5 Kerja Sempadan bagi Sistem Tertutup

• Proses Seisipadu • Proses berlaku apabila

bendalir kerja terkandung di dalam sebuah bekas yang tegar yang mana sempadan sistem tidak berubah.

• *(' � l ��Z[Zm

; � � 0

• ∴ *('� 0

• (luas dibawah lengkungan gambar rajah p-V adalah sifar)

26

12/29/2011



• Proses Setekanan • Proses berlaku apabila

isipadu sistem mengalami perubahan.

• Isipadu bertambah semasa proses pengembangan setekanan dan berkurang semasa proses pemampatan setekanan.

• *(' � l ��Z[Zm

• *(' � ��' � �(�

27

12/29/2011


• Proses Setekanan (Contoh)

15 kg air di dalam sistem silinder beromboh mulanya pada

tekanan 10 bar dan suhu 350p disejukkan pada tekanan malar

sehingga menjadi wap tepu. Lakarkan proses di atas pada

gambar rajah T-υ dan p-υ dan tentukan kerja terlaku proses.

28


12/29/2011


• Proses Setekanan (Penyelesaiaan)

Ts pada 10 bar = 179.91p (wap panas lampau)

Jadual A3; pada T=350 p dan p = 10 bar q( � 0.2825�;/&

Pada keadaan 2; (wap tepu)

q' � qs��10$�! � 0.1944�;/&

∴ *(' � ��q'-q(� � 15 � 10 � 10' � 0.1944 � 0.2825 � �4u64. vN�

29


12/29/2011



Proses Sesuhu

• Pengembangan sesuhu – sejumlah haba mesti dibekalkan kepada sistem.

• Pemampatan sesuhu – sejumlah haba mesti disingkirkan ke sekitaran.

• Bahan tulin (cecair & wap) • garisan sesuhu tidak mempunyai satu fungsi yang tertentu.

• Rumus untuk menentukan kerja sesuhu tidak dapat diterbitkan.

• Bahan tulin (gas unggul) • pV=mRT; mR = pemalar, T = malar (sesuhu)

• pV = pemalar

• ∴ �(�( � �'�' �. . . . � �w�w

• *(' � l ��Z[Zm

• *(' � �'�' �Z[Zm

&)

• *(' � �Y� �Z[Zm

� �Y� �kmk[

�&)� 30

12/29/2011


• Proses Sesuhu (Contoh)

Suatu gas pada 1.5 bar dan 20p (R=0.1890 kJ/kgK) di dalam

sebuah sistem tertutup dimampatkan secara sesuhu kepada 15

bar. Dengan menganggap gas adalah gas unggul, tentukan kerja

bagi proses ini.

31


12/29/2011


• Proses Sesuhu (Penyelesaiaan)

*(' � �Y� ��(�'

� 0.5 � 0.1890 � 20 x 273 � ln(.z

(z

� �{u. |{}~

32


12/29/2011


• Proses Sesuhu (Penyelesaiaan)

*(' � �'�' ��'�(

�( ��Y�

�(�0.5 � 0.1890 � �20 x 273�

1.5 � 10'� 0.1846�'

�' ��Y�

�(�0.5 � 0.1890 � �20 x 273�

15 � 10'� 0.01846�'

*(' � 15 � 10' � 0.01846 � ln0.01846

0.1846� �{u. |{}~

33


12/29/2011



Proses Politropik

• Sesuatu sistem dikatakan menjalani proses politropik jika ia mengikuti hukum

• ��w � �; � � �� !, � � ��&�� !��&

• Kebanyakkan bendalir kerja (wap @ gas) yang menjalani proses tanpa alir mematuhi hukum ini.

• *(' �kmZm�k[Z[

w�( &)

• Atau bagi seunit jisim

• o(' �km�m�k[�[

w�( &)/&

• Bagi gas unggul, pV=mRT

• *(' �T\�_m�_[�

w�( &)

• Atau bagi seunit jisim

• o(' �\�_m�_[�

w�( &)/&

34

12/29/2011


Perhubungan P, υ dan T proses Politropik Gas unggul

•kmk[�

�[�m

w

•_m_[�

�[�m

w�(

•_m_[�

kmk[

��m�

35


12/29/2011


• Proses Politropik (Contoh)1.5 kg suatu bahan tulin pada 20 bar dan 250p mengalami proses

pengembangan politropik kepada tekanan 5 bar. Indeks politropik

ialah 1.2. Tentukan kerja jika bahan tulin adalah

a) Air

b) Udara yang dianggap gas unggul (R=0.287 kJ/kgK)

36


12/29/2011


• Proses Politropik (Penyelesaiaan)

a� *(' �kmZm�k[Z[

w�(�

T�km�m�k[�[�

w�(

• Tentukanisipadutentuairpadakeadaanawaldanakhir

• q(�0.1114m3/kg

• q'�0.3540m3/kg

• *('�345.0kJ

37


12/29/2011


• Proses Politropik (Penyelesaiaan)

b�Menggunakanpersamaankeadaangasunggul

q( �\_mkm

� 0.0751�; & ⁄

q' �kmk[

mm.[�0.2384m3/kg

*(' �T�km�m�k[�[�

w�(� 232.5kJ

38


bab 3 tenaga, haba & kerjaauthor.uthm.edu.my/uthm/www/content/lessons/26/slaid... ·...

Documents