Makalah Konservasi Massa Dan Energi [PDF]

Citation preview

KONSERVASI MASSA DAN ENERGI



MAKALAH UNTUK MEMENUHI TUGAS KULIAH Mekanika Fluida I Yang diampu oleh Ibu Dr. Retno Wulandari, S.T., M.T. Disusun Oleh : Davi Nur Fiansyah



200514632027



UNIVERSITAS NEGERI MALANG FAKULTAS TEKNIK S1 TEKNIK MESIN 2021



i



KATA PENGANTAR Puji syukur kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat dan hidayah-Nya sehingga saya dapat menyelesaikan tugas makalah yang berjudul Konservasi Massa dan Energi ini tepat pada waktunya. Adapun tujuan dari penulisan dari makalah ini adalah untuk memenuhi tugas Mekanik Fluida I yang diampu oleh Ibu Dr. Retno Wulandari S.T., M.T.. Selain itu, makalah ini juga bertujuan untuk menambah wawasan tentang definisi, persamaan dan penurunannya, penggunaan persamaan konservasi massa dan energi melalui contoh soal dan contoh kasus. bagi para pembaca dan juga bagi penulis. Saya mengucapkan terima kasih kepada kepada semua pihak yang telah membagi sebagian pengetahuannya sehingga saya dapat menyelesaikan makalah ini. Saya menyadari, makalah yang saya tulis ini masih jauh dari kata sempurna. Oleh karena itu, kritik dan saran yang membangun akan saya nantikan demi kesempurnaan makalah ini. Malang, 13 April 2021



Penulis



ii



DAFTAR ISI



KATA PENGANTAR............................................................................................ii DAFTAR ISI.........................................................................................................iii BAB I PENDAHULUAN...................................................................................................1 1.1.



Latar Belakang........................................................................................1



1.2.



Rumusan Masalah...................................................................................2



1.3.



Tujuan......................................................................................................2



BAB II PEMBAHASAN.....................................................................................................3 BAB III PENUTUP.............................................................................................................10 DAFTAR PUSTAKA...........................................................................................11



iii



iv



BAB I PENDAHULUAN



1.1. Latar Belakang Hukum kekekalan massa atau hukum kekekalan massa menetapkan bahwa untuk setiap sistem di mana semua transfer materi dan energi ditutup, kualitas sistem harus tetap konstan dari waktu ke waktu, karena kualitas sistem tidak dapat diubah, jadi jumlahnya tidak bisa ditambah atau dihapus. Karena itu, seiring berjalannya waktu, kualitasnya tetap terjaga. Hukum menyiratkan bahwa meskipun massa dapat diatur ulang dalam ruang dan entitas yang terkait dengannya dapat diubah menjadi bentuk, massa tidak dapat diciptakan atau dihancurkan. Misalnya, dalam reaksi kimia, massa komponen kimia sebelum reaksi sama dengan massa komponen setelah reaksi. Oleh karena itu, dalam setiap reaksi kimia dan proses termodinamika berenergi rendah dalam sistem isolasi, massa total reaktan atau bahan mentah harus sama dengan massa produk. Konsep kekekalan massa banyak digunakan dalam berbagai bidang seperti kimia, mekanika dan dinamika fluida. Secara historis, kekekalan massa dibuktikan secara independen dalam reaksi kimia oleh Mikhail Lomonosov, dan kemudian ditemukan kembali oleh Antoine Lavoisier pada akhir abad ke-18. Perumusan hukum ini sangat penting untuk perkembangan dari alkimia ke kimia alam modern. Kekekalan massa hanyalah perkiraan dan dianggap sebagai bagian dari rangkaian asumsi yang diturunkan dari mekanika klasik. Di bawah prinsip kesetaraan massa-energi, hukum tersebut harus dimodifikasi agar sesuai dengan hukum mekanika kuantum dan relativitas khusus, yang menyatakan bahwa energi dan massa membentuk besaran yang kekal. Untuk



1



2



sistem energi tinggi, kekekalan massa saja tidak dapat dipertahankan, seperti reaksi nuklir dan pelepasan antipartikel partikel dalam fisika partikel. Biasanya, massa tidak disimpan dalam sistem terbuka. Ini adalah kasus ketika berbagai bentuk energi dan materi dibiarkan masuk atau keluar dari sistem. Namun, kecuali jika melibatkan radioaktivitas atau reaksi nuklir, energi yang keluar (atau memasuki) sistem (seperti panas, kerja mekanis, atau radiasi elektromagnetik) biasanya terlalu kecil untuk diukur sebagai penurunan (atau peningkatan) kualitas. sistem. . Untuk sistem yang melibatkan



medan



gravitasi



besar,



relativitas



umum



harus



dipertimbangkan.Dalam hal ini, kekekalan energi massa menjadi konsep yang lebih kompleks, tunduk pada definisi yang berbeda, dan massa serta energi sama ketat dan tidak berkelanjutannya seperti dalam relativitas keadaan khusus.



1.2. Rumusan Masalah Rumusan masalah dari makalah ini yaitu : 1. Apa itu konservasi massa dan energi ? 2. Bagaimana persamaan dan penurunannya ? 3. Bagaimana penggunaan konservasi massa dan energi ?



1.3. Tujuan Tujuan dari penulisan makalah ini yaitu : 1. Untuk mengetahui definisi dari konservasi massa dan energi 2. Untuk mengetahui persamaan dan penurunan dari konservasi massa dan energi 3. Untuk mengetahui penggunaan konservasi massa dan energi



3



BAB II PEMBAHASAN



2.1. Konservasi Massa Konservasi massa bisa disebut juga dengan kekekalan massa. Hukum kekekalan massa atau hukum kekekalan massa menetapkan bahwa untuk setiap sistem tertutup, semua materi dan transfer energi, kualitas sistem harus tetap konstan dari waktu ke waktu, karena kualitas sistem tidak dapat diubah, dan kuantitasnya. tidak dapat diubah dan ditambahkan atau dihapus. Oleh karena itu, nomor massa dipertahankan dari waktu ke waktu. Jika massa salah satu unsur dilipatgandakan, maka massa unsur lain juga harus dilipatgandakan dengan kelipatan yang sama, dalam hukum perbandingan tetap, massa senyawa hasil reaksi adalah penjumlahan massa unsur-unsur yang direaksikan, dalam hukum perbandingan tetap, massa unsur yang dijumlahkan adalah massa atom relatifnya, dalam hukum perbandingan tetap terdapat kesalahan matematis dalam menghitung massa unsur yang bereaksi sesuai dengan perbandingannya, dalam hukum perbandingan berganda, membandingkan salah satu unsur tanpa membuat perbandingan unsur yang lain sama, dalam hukum perbandingan berganda, menyatakan perbandingan unsur X dengan perbandingan unsur yang bukan X, dalam hukum perbandingan berganda, persentase unsur X adalah kebalikan dari persentase unsur yang bukan X, dalam hukum perbandingan volume, jumlah koefisien sebelum dan setelah reaksi adalah sama, dalam hukum perbandingan volume, jumlah volume sebelum dan setelah reaksi adalah sama, dalam hipotesis Avogadro, perbandingan koefisien menunjukkan perbandingan massa.



3



4



Fluida mengalir ke volume kontrol kemudian mengalir keluar, maka massa fluida yang masuk, mengalir keluar dan masuk ke volume kontrol dapat dituliskan sebagai berikut. min – mout = ΔV ΔV ini untuk mengontrol perubahan konten volume. Jika volume kontrol penuh dengan fluida, isi volume kontrol tidak akan berubah selama aliran melewatinya, atau volume kontrol telah berhenti (ΔV = 0). min = mout Oleh karena itu, jika laju aliran stabil, massa yang lewat pada titik mana pun akan tetap. Massa dengan aliran fluida konstan disebut hukum kekekalan massa.



Persamaan diatas disebut sebagai persamaan Reynolds transport theorem dimana persamaan ini merupakan transformasi konsep LagrangianEularian aliran fluida. Hukum mekanika fluida pertama adalah hukum kekekalan massa, dimana dalam hal ini Nsys = m sehingga berdasarkan bentuk persamaan diatas dapat dibentuk lagi menjadi persamaan



5



Hukum kekekalan massa menyatakan bahwa dalam dalam suatu sistem yang tetap dan dapat ditentukan volumenya maka massa sistem tersebut tidak berubah menurut waktu atau



Dm = 0. Dengan pernyataan Dt



tersebut akan mengubah persamaan dalam bentuk :



Persamaan diatas merupakan persamaan kekekalan massa



2.2. Konservasi Energi Konservasi energi bisa disebut juga dengan kekekalan energi. Hukum kekekalan energi menyatakan bahwa energi total dari suatu sistem yang terisolasi tetap sama; dikatakan terus menerus sepanjang waktu. Hukum ini pertama kali diusulkan dan diuji oleh Émiliedu Châtelet, artinya energi tidak dapat diciptakan atau dihancurkan. Sebaliknya, itu hanya dapat diubah atau ditransfer dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Misalnya, saat bahan peledak meledak, energi kimia diubah menjadi energi kinetik. Jika semua bentuk energi yang dilepaskan dalam ledakan ditambahkan, seperti energi kinetik dan energi potensial dari fragmen, serta panas dan suara, seseorang akan memperoleh pengurangan yang tepat dalam energi kimia dari pembakaran eksplosif. Ada berbagai bentuk energi. Seperti energi mekanik, energi kinetik, energi potensial, dll. Untuk mendapatkan beberapa bentuk energi, kita tidak



6



bisa menciptakannya. Tapi kita bisa untuk mengubah bentuk energi menjadi bentuk suatu energi yang diinginkan. Hukum kekekalan energi didasarkan dari hukum Termodinamika I, dimana persamaannya ditulis dalam bentuk Q-W =ΔE Energi E pada persamaan persamaan diatas merupakan jumlah dari energi kinetik Ek 1 Ek = mV2 2 Energi potensiap Ep Ep = mgz Energi Internal Ei Ei = mu Dengan demikian, E=m



V2 + gz + u 2



Dalam persamaan kekekalan energi, property ekstensif sesuai persamaan diatas adalah Q-W dan property intensif η sesuai dengan persamaan E = m



V2 + gz + u. Berdasarkan hal ini maka persamaan kekekalan 2



energi ditulis dalam bentuk



7



Atau



2.3. Persamaan Konservasi Massa dan Energi Hubungan antara Einstein dengan persamaan massa dan energi yang berubah dijelaskan oleh Albert E = m.c2. E merupakan jumlah energi yang terlibat, m merupakan jumlah massa yang terlibat dan c merupakan konstanta kecepatan cahaya. Namun, perlu diperhatikan bahwa pada sistem tertutup, karena energi tidak keluar dari sistem, massa dari sistem tidak akan berubah. Ketika membiarkan energi seperti panas atau cahaya masuk dan keluar sistem, asumsi hukum kekekalan massa masih dapat digunakan. Ini karena massa yang berubah karena perubahan energi kecil. Contohnya adalah perubahan yang terjadi selama ledakan TNT. Satu gram TNT akan melepaskan energi 4,16 kJ saat meledak. Namun energi yang terkandung dalam satu gram TNT adalah 90 TJ (sekitar 20 milyar kali). Dapat dilihat dari contoh ini bahwa massa yang hilang akibat pelepasan energi dari sistem akan jauh lebih sedikit (atau bahkan tidak mungkin diukur) daripada energi yang disimpan dalam materi.



2.4. Penerapan Konservasi Massa dan Energi



8



Contoh Soal 1. Air mengalir secara stedi melalui nosel horisontal, dibuang ke atmosfer. Pada sisi inlet diameter nosel D1, dan pada sisi outlet D2. Turunkan persamaan untuk beda tekanan minimum yang dibutuhkan pada nosel untuk menghasilkan kapasitas aliran tertentu Q. Hitung tekanan sisi inlet jika D1 = 75 mm, D2 = 25 mm dan Q yang diinginkan 0.2 m3/s. Jawab : D1 = 75 mm, D2 = 25 mm, p2 = patm Persamaan dasar: p 1 v 12 p 2 v 22 + + gz1 = + + gz2 ρ 2 ρ 2



Asumsi : Stedi, inkompresimbel, taka da gesekan, aliran sepanjang streamline, z1=z2, aliran seragam pada bagian 1 dan 2 Berdasarkan persamaan Bernoulli antara titik 1 dan 2



Berdasarkan persamaan kontinuitas diperoleh Q = V1A1 = V2A2 atau =



A1 Q dan V1 = A2 A1



Selanjutnya,



V2 V1



9



Dengan D1 = 75 mm, D2 = 25 mm, dan ρ = 999 kg/m3



Pada Q = 0.2 m3/s diperoleh p1 (gage) = 820 kPa. 2. Sebuah pipa mendatar berdiameter 0,5 m dialiri air ddengan debit 0,2 m3/s dan tekanan 200 kPa. Pipa tersebut diameternya mengecil menjadi 0,25 m. Tentukan tekanan pada diameter 0,25 m Jawab : Z1 – Z2 karena saluran mendatar dan referensinya diambil pada sumbu saluran sehingga Z1 = Z2 = 0 V1 = Q/A = 0,2/(0,785 x 0,52)= 1,019 m/s V2 = Q/A2 = 0,2/(0,785 x 0,22) = 6,37 m/s P1/ρg + V12/2g + Z1 = P2/ρg + V22/2g + Z2 200.000 P2 1,0192 6,37 2 + +0= + +0 1000 x 9,81 2 x 9,81 1000 x 9,81 2 x 9,81 P2 = 180,23 kPa Jika aliran yang mengalami perubahan kecepatan, maka akan diikuti oleh perubahan tekanan. Jika kecepatannya bertambah, maka tekanannya menurun. 3. Sebuah pompa digunakan untuk menaikkan air dari dalam sumur yang kedalamannya 7 m ke sebuah tandon air yang tingginya 5 m. Kerugian aliran selama mengalir dalam pipa sebesar 2 m. Permukaan air dalam sumur dan dalam tandon berhubungan dengan udara atmosfir (Po = 0). Kecepatan air masuk instalasi (V1) = 0, sedangkan kecepatan air masuk tandon V2 = 3 m/s. Laju aliran air (Q) = 2 m3/s. Hitung tenaga pompa yang diperlukan untuk menaikkan air tersebut.



10



Jawab : P1/ρg + V12/2g + Z1 + HP – Σ hL = P2/ρg + V22/2g + Z2 Indek 1 menunjukkan keadaan pada permukaan air dalam sumur, sedangkan indek 2 merupakan keadaan air dalam tandon. P1 = P2 = 0 karena berhubungan dengan udara atmosfir. V1 = 0 dan V2 = 3 m/s. Z1 = 7 m dan Z2 = 5 m 0 + 0 + (−7) + HP– 2 = 0 +



32 +5 2 x 9,81



HP = 10,45 m Tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan pompa adalah P = Q x γ x HP P = 2 x 9810 x 10,45 = 205029 Joule/s (Watt)



11



BAB III PENUTUP



3.1. Kesimpulan Berdasarkas penjelasan tentang konservasi massa dan konservasi energi, dapat disimpulkan bahwa konservasi massa menetapkan bahwa untuk setiap sistem tertutup, semua materi dan transfer energi, kualitas sistem harus tetap konstan dari waktu ke waktu, karena kualitas sistem tidak dapat diubah, dan kuantitasnya. tidak dapat diubah dan ditambahkan atau dihapus sedangkan konservasi energi menyatakan bahwa energi total dari suatu sistem yang terisolasi tetap sama; dikatakan terus menerus sepanjang waktu. Konservasi Massa dan Energi mempunyai hubungan yaitu, massa dan energi yang berubah dijelaskan oleh Albert E = m.c2. E merupakan jumlah energi yang terlibat, m merupakan jumlah massa yang terlibat dan c merupakan konstanta kecepatan cahaya.



10



11



DAFTAR PUSTAKA



Buku Ghurri, Ainul. 2014. Dasar-Dasar Mekanika Fluida. Bali: Universitas Udayana Modul Wulandari, Retno. 2021. Mekanika Fluida. Makang: Universitas Negeri Malang Jurnal Putu Purnaditya, Ngakan. 2020. Penerapan Konsep Lagrangian-Eularian Dalam Pengembangan Dasar Model Matematika Hidraulika Aliran dan Transportasi Polutan: Sebuah Kajian Literatur, 9. 179-180 N. Fajriani, Gita. Dkk. 2019. MISKONSEPSI SISWA YANG MENGGUNAKAN TEKS PERUBAHAN KONSEPTUAL MENGENAI HUKUM-HUKUM DASAR KIMIA, 3. 30 Website https://mimirbook.com/id/c4016c6d41c https://en.wikipedia.org/wiki/Conservation_of_mass https://id.wikipedia.org/wiki/Kekekalan_energi



11