Energi Dalam Fluida
May 25, 2021Energi yang dikandung oleh Suatu Aliran Fluida
Suatu fluida yang mengalir di dalam sebuah sistem pada kondisi tekanan, temperatur, dan kecepatan tertentu memiliki sejumlah tertentu energi yang besarnya merupakan jumlah dari: energi dalam, kerja aliran atau energi tekanan, energi kinetik, dan energi potensial. Apabila jumlah keseluruhan energi tersebut kita sebut sebagai energi total aliran (E) dan kita nyatakan dalam satuan energi per satuan massa aliran fluida, maka energi total tersebut dapat dinyatakan dengan persamaan:
E = u + pv + 1/2 V² + gZ
Dimana:
u : Energi dalam
pv : kerja aliran atau energi tekanan
1/2 V² : Energi kinetik
gZ :Energi Potensial
Dalam hal ini, p: tekanan fluida, v = volume jenis fluida, V : kecepatan rata-rata aliran, Z : ketinggian aliran fluida terhadap datum atau referensi tertentu, g: percepatan gravitasi.
Selanjutnya, besarnya (u + pv) dinamakan entalpi (h) dan apabila kita gunakan besaran entalpi, maka energi total (E) suatu aliran fluida dapat juga dinyatakan dengan persamaan:
E = h + 1/2 V² + gZ
Sistem Volume Atur untuk Menaikkan Energi Aliran Fluida
Pompa dan kompresor merupakan salah satu sistem yang dapat didekati dengan model volume atur yang berfungsi untuk menaikkan energi aliran fluida. Aliran air yang masuk ke dalam sebuah pompa, setelah mengalami proses kompresi di dalam pompa energinya menjadi lebih tinggi saat meninggalkan pompa. Demikian pula halnya pada kompresor, aliran gas yang meninggalkan kompresor memiliki energi yang lebih besar dibandingkan dengan energi aliran gas saat masuk ke dalam kompresor.
Skema sederhana sebuah sistem volume atur yang berfungsi menghasilkan kenaikan energi aliran fluida yang diperlihatkan pada Gambar 2.
Pertama-tama suatu aliran fluida mengalir masuk ke dalam sistem dengan mengangkut sejumlah energi sebesar E1. Kemudian, di dalam sistem aliran fluida dikompresikan, sehingga energi meningkat menjadi E2. Untuk mengkompresikan aliran fluida diperlukan masukan sejumlah tertentu energi mekanik dalam bentuk kerja sebesar W.
Selama berlangsungnya proses kompresi, energi total di dalam sistem dapat saja berubah fungsi waktu. Apabila hal tersebut terjadi, perubahan energi tersebut kita anggap sebesar dE/dt. Pada saat yang bersamaan, selama proses kompresi berlangsung terdapat sejumlah energi panas yang hilang melalui dinding sistem yaitu sebesar dq, juga terdapat kerugian energi sebesar dEf karena gesekan antara aliran fluida dengan permukaan-permukaan di dalam sistem.
Sekarang, apabila kita anggap sistem bekerja dengan kondisi tersebut di atas maka:
- jumlah energi yang masuk ke dalam sistem adalah E1 + W
- perubahan energi di dalam sistem adalah dE/dt
- jumlah energi yang keluar dari sistem adalah E2 + dq + dEf
Selanjutnya, jika kita terapkan hukum termodinamika pertama, yaitu prinsip kekekalan energi, dimana jumlah energi yang masuk ke dalam sistem HARUS SAMA dengan perubahan energi di dalam sistem ditambah dengan jumlah energi yang keluar dari sistem, maka kita akan memiliki persamaan:
E1 + W = (dE/dt) + E2 + dq + dEf
Persamaan tersebut dapat kita gunakan untuk memperkirakan besarnya kerja yang diperlukan oleh sistem. Pada saat kita melakukan analisis energi terhadap sistem, apabila aliran fluida yang mengalir masuk dan kemudian keluar sistem kita anggap stasioner dan steady state, maka tidak ada lagi perubahan sifat-sifat fluida , termasuk perubahan energi yang ada di dalam sistem. Pada kondisi tersebut berarti dE/dt = 0
Sistem Volume Atur Untuk Proses Pendinginan Aliran Fluida
Alat pendingin aliran fluida sangat banyak dipergunakan di instalasi industri untuk berbagai keperluan. Paragraf ini membahas tentang model sederhana sistem alat tersebut.
Sekarang kita tinjau skema sederhana sebuah alat yang berfungsi mendinginkan suatu aliran fluida tertentu yang semula mengangkut sejumlah energi sebesar E1, kemudian setelah didinginkan energinya menurun menjadi E2. Untuk keperluan tersebut, selama proses pendinginan sejumlah energi harus dilepaskan oleh aliran fluida. Agar hal tersebut dapat terjadi, maka perlu disediakan suatu media pendingin tertentu yang berfungsi untuk menyerap energi panas tersebut.
Pada sistem ini, aliran fluida yang akan didinginkan mengalir masuk ke dalam sistem dengan mengangkut sejumlah energi sebesar E1, kemudian, di dalam sistem aliran fluida tersebut didinginkan agar energinya saat meninggalkan sistem menjadi lebih rendah. Untuk keperluan tersebut, sejumlah energi yang dikandung oleh aliran fluida musti dilepaskan ke media pendingin yang terdapat di luar sistem. Selanjutnya, media pendingin akan menyerap energi panas yang dilepaskan oleh aliran fluida di dalam sistem,yang ini besarnya adalah Q.
Selama berlangsungnya proses pendinginan, energi di dalam sistem berubah fungsi waktu sebesar dE/dt. Pada saat yang bersamaan, selain ada sejumlah energi panas yang hilang melalui dinding sistem, yaitu sebesar dq, juga terdapat kerugian energi sebesar dE, karena gesekan antara aliran fluida dengan permukaan-permukaan di dalam sistem.
Sekarang, bagi sistem tersebut di atas kita memiliki:
- jumlah energi yang masuk ke dalam sistem = E1
- perubahan energi di dalam sistem = dE/dt
- jumlah energi yang keluar dari sistem = Q + E2 + dq + dE1
Di sini penerapan prinsip kekekalan energi: (Jumlah energi yang masuk ke dalam sistem) = (perubahan energi di dalam sistem) + (jumlah energi yang keluar dari sistem) memberikan persamaan:
E1 = (dE/dt) + Q + E2 + dq + dE1
Besarnya energi panas yang dilepaskan oleh aliran fluida selama berlangsungnya proses pendinginan di dalam sistem dapat diperkirakan besarnya melalui persamaan tersebut.
Untuk lebih memahami konsep tersebut di atas dan agar anda mampu menerapkan konsep hukum pertama termodinamika prinsip kekekalan energi pada sistem-sistem volume atur, maka marilah kita bahas contoh-contoh penerapan di bawah ini:
Mesin turbin uap merupakan salah satu contoh sistem volume atur yang menghasilkan energi mekanik dalam bentuk kerja.
