Persamaan-persamaan Dasar dalam Fluida Bergerak (Part V)

Hubungan Persamaan Energi dan Hukum Termodinamika

Guys, kali ini kita akan melanjutkan pembahasan kita mengenai Persamaan-persamaan Dasar dalam Fluida Bergerak yakni, Hubungan Persamaan Energi dan Hukum Termodinamika.

Pada pembahasan sebelumnya kita telah belajar mengenai persamaan energi, dimana penulis sempat membahas mengenai persamaan energi untuk fluida nyata. Fluida nyata sendiri merupakan keadaan dimana kerugian atau ketakmampubalikan diperhitungkan. Gesekan dan viskositas serta turbulensi mengakibatkan energi tersedia dalam fluida diubah menjadi energi panas.

Nah, pembahasan kita kali ini lebih terfokus pada proses pengubahan energi tersedia menjadi energi panas. Jika fokus kita pada energi dan panas (kalor), pasti hal itu terkait dengan Hukum Termodinamika. Oleh karena itu, kali ini kita akan melihat hubungan antara persamaan energi dengan hukum termodinamika. Termodinamika bukan sesuatu hal yang baru, karena kita pernah mempelajarinya secara khusus pada mata pelajaran fisika di bangku SMA.

Kalian tentu sudah tahu bahwa pada kasus fluida nyata ketakmampubalikan atau kerugian diperhitungkan. Jika ada ketakmampubalikan (ireversibel), pasti ada lawannya yakni kemampubalikan (reversibel). Kalau ketakmampubalikan bisa disamakan dengan kerugian, maka kemampubalikan bisa disamakan dengan untung (sesuatu yang berguna).

Dalam ilmu termodinamika pasti Anda sudah tahu defenisi dari sistem dan lingkungan. Yups, sistem adalah kumpulan benda-benda yang kita perhatikan. Sedangkan lingkungan adalah semua yang ada di sekitar benda. Sederhananya, rumah kalian adalah sistem, sedangkan rumah-rumah lain serta pepohonan maupun fasilitas publik yang berada di sekitar rumah kalian adalah lingkungan.

Fluida (sistem) yang bergerak itu melalui suatu proses yang bisa diartikan sebagai serangkaian keadaan-keadaan yang dilalui sistem, seperti perubahan kecepatan, ketinggian, tekanan, kerapatan, suhu, dll. Biasanya, proses itu mengakibatkan perubahan bagi lingkungan. Misalnya fluida yang viskos dan turbulensi bergesekan dengan dinding pipa sehingga menimbulkan panas. Coba Anda mengambil dua buah batu, lalu gesekan satu sama lain secara berulang, pasti permukaan batu terasa hangat. Jika  batu kuarsit yang kalian gesekan bisa timbul percikan api. 

Ketika membahas persamaan Euler, dimana diasumsikan fluida tanpa gesekan sehingga dikatakan mampubalik. Bila suatu proses dilakukan pada suatu benda dan dapat kembali ke keadaan semula itu disebut mampubalik. Sederhananya, karet yang ketika kita tarik merenggang dan akan kembali ke bentuk semula ketika dilepas.

Pada persamaan Bernoulli, semua kerugian itu diabaikan, semua sukunya adalah suku-suku energi tersedia atau suku-suku energi mekanik, sehingga masing-masing dapat melakukan kerja yang disebapkan oleh energi potensial, energi kinetik dan tekanan. Walaupun ada perbedaan elevasi antara titik 1 dan titik 2 fluida dapat mengalir karena energi total tadi (energi mekanik). Antara titik 1 dan 2 suku-suku energinya konstan. Perubahan energi keseluruhannya adalah nol. Jadi, Energi sistem tetap. Persamaan Bernoulli merupakan kemampubalikan, dalam artian tidak ada energi yang hilang.

Apabila suatu sistem mengalami perubahan dan kembali ke keadaan awal, perubahan energi keseluruhannya adalah nol. Jadi energi sistem adalah tetap. Inilah bunyi hukum Pertama Termodinamika yang juga merupakan Hukum Kekekalan Energi, “Energi tidak dapat diciptakan dan tidak dapat dimusnahkan. Energi hanya dapat diubah dari satu bentuk ke bentuk lainnya.”

            ∆U = U2 – U1 = Q – W

Q positif : jika memperoleh kalor

Q Negatif : jika kehilangan kalor

W positif : jika usaha dilakukan oleh sistem

W negatif : jika usaha dilakukan pada sistem

Jika kita membahas proses nyata atau fluida nyata sesungguhnya merupakan ketakmampubalikan, yang merupakan perubahan energi tersedia menjadi energi panas. Ketakmampubalikan sering disebut dengan kerja hilang (losses work) atau berkurangnya kemampuan untuk melakukan usaha. Mengapa berkurang ? Karena sebagian energi tersedia telah diubah menjadi energi panas. Energi adalah kemampuan melakukan kerja, jika energi berkurang kemampuan melakukan kerja berkurang. Sederhananya kalau kita tidak makan, badan kita loyo dan kerja pun tidak maksimal.

Keterkaitan Persamaan Energi dengan Termodinamika ?

Inti pembahasan kita adalah perubahan energi tersedia menjadi energi panas dan apabila dikaitkan dengan hukum pertama termodinamika maka ini berbicara mengenai memperoleh atau tidak memperoleh kalor (kehilangan kalor). Apakah sistem melakukan kerja atau tidak.

-          Hubungan persamaan energi keadaan stedy dengan Termodinamika

Karena ini alirannya stedy (ajeg) yang mana kecepatan v di suatu titik adalah konstan terhadap waktu, maka akan memudahkan jika kita persamaan dengan massa per sekon yang mengalir melalui sistem p₁A₁v₁ = p₂A₂v₂

Qh sendiri ialah panas yang ditambahkan (diberikan) per massa satuan fluida, mengalir dan ialah kerja per massa satuan fluida yang mengalir.

-          Hubungan persamaan Euler dengan Termodinamika

Persamaan Euler diasumsikan fluida tanpa gesekan, dimana jumlah ketiga suku energi adalah sama dengan nol. Maka ketiga suku terakhir itu merupakan hukum pertama termodinamika untuk suatu sistem, sehingga :

-          Entropi (mampubalik)

Entropi adalah suatu ukuran banyaknya energi atau kalor yang tidak dapat diubah menjadi usaha. Entropi ini juga termasuk sifat fluida. Untuk aliran mampubalik entropi s per massa satuan didefenisikan dengan :

Disini T adalah suhu mutlak. Entropi sendiri adalah suatu sifat fluida.

Hubungan Persamaan Energi dengan Termodinamika (kerugian)

Persamaan ini menyatakan secara tidak langsung bahwa selama berlangsungnya proses takmampubalik sebagian energi tersedia dalam aliran fluida diubah menjadi energi panas melalui gesekan viskos atau turbulensi. Persamaan ini sebenarnya sama dengan persamaan Euler, cuma ditambahkan suku kerugian dalam bentuk yang terintegrasi.

Kira-kira seperti itulah pembahasan kita kali ini mengenai Hubungan Persamaan Energi dan Hukum Termodinamika. Nanti kita akan lanjutkan membahas kerugian (losses) di kesempatan yang lain dan mungkin itu merupakan bagian yang terakhir dalam pokok bahasan mengenai persamaan-persamaan dasar dalam fluida bergerak. (*)

BERSAMBUNG ............................................