BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

MODUL 6: BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

_____

PENGENALAN.

Secara amnya, termodinamik boleh ditakrifkan sebagai sains yang mengkaji perubahan
tenaga dalam bentuk haba dan kerja, dan hubungan sifat-sifat bahan yang dipengaruhi
oleh perubahan tersebut. Seperti kesemua cabang sains, asas termodinamik adalah
cerapan eksperimen. Seterusnya penemuan-penemuan eksperimen tersebut dibentuk
sebagai konsep asas termodinamik.

OBJEKTIF PEMBELAJARAN
Objektif pembelajaran ini adalah, pelajar dapat :
1. Mengetahui dimensi dan unit-unit yang digunakan.
2. Mengetahui sistem terbuka dan tertutup dalam pengajian termodinamik.
3. Memperkenalkan konsep Bernoulli’s.
4. Mengetahui bentuk tenaga dan ciri-ciri sistem.
5. Mengetahui hukum gas dan tekanan.

PENCAPAIAN KOMPETENSI
Pada akhir topik ini, pelajar dapat :
1. Memahami konsep asas temodinamik
2. Mengetahui perbezaan antara sistem terbuka dan tertutup.
3. Memahami konsep prinsip Bernoulli’s.
4. Memahami bentuk tenaga dan ciri-ciri sistem.
5. Memahami hukum gas dan tekanan.

BKT MARA 107 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.1 Dimension and units

4.1.1 Termodinamik dan penggunaannya

Penggunaan prinsip termodinamik di dalam kehidupan seharian terlalu luas. Kita boleh
lihat dengan nyata penggunaan prinsip termodinamik samada di rumah, pejabat atau di
mana saja kita berada. Contoh peralatan rumáh yang direkabentuk menggunakan
prinsip termodinamik seperti peti sejuk, sistem penyaman udara, alat pemanasan,
televisyen, dan periuk tekanan. Penggunaan prinsip termodinamik pada peringkat yang
lebih besar pula adalah dalam reka bentuk dan analisis enjin automotif enjin jet, loji
kuasa stim, dan loji kuasa nuklear. Jasad manusia juga merupakan satu penggunaan
bidang tennodinamik yang menarik.

Rajah 1: like the steam engine at the opening of this chapter, this is a device for converting heat
into work

4.1.2 Bendalir

Jirim boleh dikelaskan kepada pepejal dan bendalir. Bahan yang boleh mengalir disebut
bendalir. Oleh itu gas dan cecair adalah bendalir. Gas dan cecair berbeza dari segi
kebolehmampatannya. Gas boleh dimampatkan sementara cecair pula pada praktisnya
tidak boleh dimampatkan.

Kajian mengenai bendalir dalam keadaan pegun dinamakan hidrostatik, sementara
kajian mengenai gerakannya dinamakan hidrodinamik. Cabang khas hidrodinamik yang
mengkaji aliran gas, termasuk udara, dinamakan aerodinamik.

BKT MARA 108 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.1.3 Ketumpatan Bendalir

Pada umumnya, ketumpatan seuatu bahan homogen ditakrifkan sebagai jisim per unit
isi padu. Jika ketumpatan bahan , maka

 m dimana
V m ialah jisim
V ialah isipadu

Unit  kg/m3 @ g/cm3

Ketumpatan air sering dinyatakan sebagai 1 000 kg/m3
Nisbah ketumpatan seuatu bahan kepada ketumpatan air dinamakan Ketumpatan
Bandingan.

Ketumpatan bandingan = Ketumptan bahan
Ketumpatan air

Ketumpatan Bandingan kadang-kadang disebut Graviti Tentu (Specific Graviti). Ramai
ahli fizik yang terkenal seperti M.V. Zemansky berpendapat konsep garviti tentu ini
sangat mengelirukan kerana ia tidak kena mengena dengan graviti.

4.1.4 Tekanan Di Dalam Bendalir

Bila tayar basikal bocor, udara mampatan bertindak keluar dari permukaan yang bocor,
tindakan per unit luas dinamakan tekanan.

Tekanan (P) = Daya (F)
Luas (A)

Unit  N/m2 @ Pascal

Dalam meteorologi, unit tekanan sering dinyatakan dalam bar.

1 bar = 105 N/m2

Dalam setengah makalah sainstifik pula, adakala tekanan dinyatan dalam sebutan turus
raksa (Hg).

1 torr = 1mm Hg = 133.3 N/m2

Selain unit-unit di atas, tekanan kadang-kadang dinyatakan dalam unit
atmosfera, ringkasnya atm, yang ditarifkan sebagai

1 atm = 101 325 Pa

BKT MARA 109 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Contoh 1:

Stim pada tekanan 1.5 Mpa bertindak pada satu omboh berdiameter 200 mm. Kirakan
(a) daya pada omboh dan (b) kerja yang dilakukan bila omboh bergerak pada jarak 350
mm, andaikan tekanan stim adalah sekata.

Penyelesaian :

(a) Luas permukaan omboh =  1002 = 31 400 mm2
= 0.0314 m2

Tekanan pada omboh = 1.5 Mpa = 1.5 x 106 Pa
 daya pada omboh = 1.5 x 106 [Pa] x 0.0134 [m2]

= 47 100 N
= 47.1 kN

(b) Anjakan omboh = 350 mm = 0.35 m

kerja yang dilakukan oleh omboh = 47 100 [N] x 0.35 [m]
= 16 500 J
= 16.5 kJ

4.1.5 Perubahan Tekanan Mengikut Kedudukan
Sebuah tangki dalam rajah 7.1 (a) dipenuhi dengan bendalir berketumpatan  =kg/m3.

Rajah 7.1

Satu silinder BC ketinggian h meter dan luas keratan rentasnya a m2. Jika permukaan
atas B searas dengan permukaan bendalir, dan jika tekanan atmosfera pada permukaan
B diabaikan, maka daya yang bertindak ke bawah idi permukaan C ialah berat bendalir
yang di dalam silinder.

Isipadu bendalir dalam silinder BC = ah m3
 jisim bendalir dalam silinder BC = ah kg
Jika g ialah daya graviti dalam Newton, pada jisim 1 kg,

berat bendalir dalam silinder BC = ahg N

BKT MARA 110 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

dan tekanan di permukaan bawah BC = ahg / a
= hg pascal  ( 7.1 )

Memandangkan bendalir dalam keadaan pegun, tekanan ke bawah di C diimbangi oleh
tindakan tekanan ke atas. Keseimbangan terdapat pada setiap pasangan daya yang
bertindak berlawanan arah di dalam bendalir. Jika tekanan atmosfera di permukaan
bendalir diabaikan, tekanan akan berkadar terus dengan kedalaman, seperti rajah 7.1
(b)

Jika tekanan atmosfera di permukaan bendalir diambil kira sebagai Pa, maka jumlah
tekanan P pada kedalaman h di bawah permukaan ialah :

p = pa + hg

Seperti rajah 7.1 (c)

4.1.6 Sifat tekanan bendalir
(a) Tekanan pada suatu titik sama dalam semua arah

Rajah 7.2

Seperti ditunjukkan dalam rajah, daya yang dikenakan pada element
bendalir yang ditunjukkan dengan titik, tidak akan berada dalam
keseimbangan jika paduan daya yang didapati akan menyebabkan titik itu
bergerak.

(b) Tekanan pada bendalir dalam keadaan pegun sama pada semua titik di
satah ufuk yang sama.

Tabung aneka bentuk yang diisi dengan bendalir. Jika bendalir dalam
keadaan pegun, permukaan bendalir adalah pada aras yang sama di
setiap bekas P, Q, R dan S. Begitu juga tekanan pada satu titik di
bawah permukaan bendalir adalah sama pada keempat bekas itu.

BKT MARA 111 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 7.3

Seperti ditunjukkan dalam rajah, daya yang dikenakan pada element bendalir
yang ditunjukkan dengan titik, tidak akan berada dalam keseimbangan jika
paduan daya yang didapati akan menyebabkan titik tidak dalam keadaan pegun.

(c) Tekanan pada bendalir dalam keadaan pegun di permukaan perpejal
adalah normal (serejang ) dengan permukaan itu.

Jika ini bukan kesnya maka bendalir akan bergerak relatif dengan
permukaan perpejal.

Contoh 3:

Satu tangki segiempat tepat, 5 m x 2 m x 4 m tinggi dipenuhkan dengan minyak
berketumpatan bandingan 0.8. Kirakan (a) tekanan pada kedalaman 2 m, (b)
tekanan dan jumlah daya pada permukaan bawah tangki dan (c) jumlah daya
pada salah satu permukaan sisi. Kesan tekanan atmosfera boleh diabaikan.

Penyelesaian :

(a) ketumpatan air = 1000 kg/m3
 ketumpatan minyak = 0.8 x 1000 = 800 kg/m3

Dari ungkapan (7.1)
tekanan pada kedalaman 2 m = 2 [m] x 800 [kg/m3] x 9.81 [ N/kg]

= 15 696 Pa atau N/m2

 15.7 kPa atau kN/m2

(b) Tekanan pada permukaan bawah tangki = 4 [m] x 800 [kg/m3] x 9.81
= 31 392 Pa atau N/m2

 31.4 kPa atau kN/m2

luas permukaan bawah tangki = 5 [m] x 2 [m]

= 10 m2

 jumlah daya permukaan bawah = 31.4 kN/m2 x 10 [m2]

tangki = 314 kN

BKT MARA 112 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

(c) Luas satu sisi permukan tangki = 2 [m] x 4 [m]
= 8 m2

Dari 7.1 (b), diketahui bahawa tekanan pada kedalaman 2 m didapati 15.7 kPa

 jumlah daya pada satu permukaan tangki = 15.7 [kN/m2] x 8 [m2]
= 125.6 kN

4.1.7 Hukum Pascal

Pertimbangkan ujikaji berikut. Suatu kelalang bulat mempunyai beberapa lubang kecil
yang sama saiznya diisi dengan cecair. Apabila suatu omboh yang terletak pada
lehernya ditekan, didapati cecair keluar memancut dalam semua arah dengan
kederasan yang sama. Ini menunjukkan bahawa tekanan yang diberikan oleh omboh
dipindahkan kepada semua bahagian cecair.

Rajah 7.4

Fakta di atas secara umumnya dinyatakan oleh hukum Pascal (sempena nama
penemunya iaitu Blaise Pascal (1623 - 1662) seorang ahli sains Perancis).

Hukum Pascal menyatakan;

“Tekanan yang diberikan kepada cecair yang tertutup dalam keadaan
pegun akan dipindahkan sama rata kepada semua bahagian cecair dan
dinding bekas yang menampung cecair tersebut”.

Rajah di bawah menunjukkan suatu penekan hidraulik, Kira daya f minimum yang
diperlukan untuk menaikan beban W.

BKT MARA 113 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 7.5

Di sini, cecair berada dalam sistem tertutup, Oleh itu hukum Pascal berlaku. Tekanan
yang diberikan oleh daya f akan dipindakan ke semua bahagian cecair termasuk
permukaan dalam omboh besar. Oleh itu tekanan sama dalam kedua-dua silinder besar
dan kecil.

Ff
p= =

Aa

F
 f= a

A

W
=a

A

Perhatikan a  A, maka W  f. Jadi dengan daya f yang kecil kita dapat mengangkat
beban W yang besar.

4.1.8 Prinsip Archimedes

Suatu objek yang direndamkan ke dalam bendalir akan mengalmi daya tolakan ke atas
kerana tekanan bendalir ke atas objek tersebut. Daya tolakan ke atas ini dinamakan
tujah. Tujah bendalir ke atas objek dihuraikan oleh prinsip Archimedes yang
menyatakan

Tujah oleh bendalir ke atas objek sama dengan
berat bendalir yang disesar oleh objek tersebut.

Jika Wa ialah berat suatu objek di udara dan Wf ialah berat objek apabila seluruh
jasadnya di dalam bendalir, maka Wf lebih kecil daripada Wa jika ketumpatan bendalir
lebih besar daripada ketumpatan udara. Pengurangan berat ini disebabkan oleh tujah
bendarlir ke atas objek itu. Tujah ini sama dengan pengurangan berat tersebut.

Tujah = Wa - Wf

BKT MARA 114 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Contoh 3:

Seketul tembaga yang mempunyai isipadu 500 cm3 direndamkan di dalam air. Kira tujah
ke atas ketul tembaga tersebut.

Penyelesaian :

Isipadu air tersesar = Isipadu ketul tambaga
= 500 cm3 x 10-6 = 5 x 10-4 m3

ketumpatan air = 1000 kg/m3

jisim air =  V
= 1000 kg/m3 x 5 x 10-4 m3

= 0.5 kg

 berat air = mg
= 0.5 kg x 9.81 m/s2
= 4.9 kg m/s2

= 4.9 N

Tujah = berat air yang tersesar (prinsip Achemides)
= 4.9 N

4.2 Closed and open system

Sistem termodinamik atau sistem ditakrifkan sebagai satu kuantiti atau kawasan di
dalam ruang yang dipilih khas untuk dikaji atau diberi perhatian. Jisim atau kawasan di
luar sistem dipanggil persekitaran. Permukaan yang memisahkan sistem dengan
persekitaran dipanggil sempadan. Bentuk sistem atau isi padu sistem yang sedang dikaji
tidak semestinya malar. Sempadan sistem boleh tetap atau pun bergerak. Contoh
sistem : Gambarajah badan bebas, sistem silinder beromboh, loji stim, dan lain-lain.
Rajah 2 menunjukkan gambar sistem termoodinamik yang mudah.

Rajah 2: Sistem/Sistem Termodinamik

BKT MARA 115 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Sistem boleh dibahagi kepada dua iaitu sistem tertutup dan sistem terbuka. Sistem
tertutup dikenali juga sebagai jisim kawalan. la mengandungi jumlah jisim yang tetap
dan tiada pengaliran iisim haba melalui sempadan seperti di dalmn Rajah 1.1. Namun,
tenaga dalam bentuk haba dan kerja boleh merentasi sempadan dan isi padunya boleh
berubah.

Rajah 3.1: Sistem Tertutup

Rajah 3.2: Sistem Tertutup

W = is total heat done on by the system
Q = is represents the net heat transfer – its sum of all heat transfeerred into and

out of the system

so, the change in the internal energy of the system, ∆U, is related to heat and work by
the first law of thermodynamics, ∆U = Q – W.

Sistem terbuka atau isipadu kawalan pula melibatkan peranti yang mempunyai aliran
jisim seperti ditunjukkan dalam Rajah 1.2.

BKT MARA 116 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Kedua-dua jisim dan tenaga boleh merentasi sempadan sistem. Contoh system terbuka
adalah seperti muncung, turbin, pemampat, pam dan injap kawalan.
Analisis bagi sistem terbuka dan sistem tertutup adalah berbeza. Oleh itu, amat penting
mengenalpasti jenis sistem sebelum analisis dilakukan. Sistem yang sedang dikaji perlu
ditakrifkan dengan teliti. Pemilihan sistem yang sesuai boleh memudahkan analisis

Rajah 1.2: Sistem Terbuka

Sifat sistem boleh dibahagikan kepada tiga (3) iaitu:-
i. Sifat-sifat intensif
Sifat-sifat tidak bersandar kepada saiz sistem dan bahan yang terdapat
didalam sistem. Nilainya boleh berubah dari satu titik ke satu titik yang lain di
dalam sistem pada sebarang masa dan nilainya tidak boleh dicampur.
Contohnya suhu, tekanan dan ketumpatan.
ii. Sifat-sifat ekstensif
Sifat- sifat ini boleh berubah mengikut saiz sistem dan nilainya boleh
dicampur. Contohnya jisim, isipadu dan jumlah tenaga E
iii. Sifat-sifat tentu
Sifat-sifat ini merupakan sifat-sifat ekstensif dengan nilaian seunit jisim.
Contohnya isipadu tentu (v=V/m) dan tenaga dalam tentu (u=U/m)

BKT MARA 117 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.2.1 Keadaan dan Keseimbangan

Pertimbangan satu sistem yang tidak berubah. Semua sifat sistem ini menggambarkan
atau memberitahu 'keadaan' sistem. Pada suatu keadaan, semua sifat sistem
mempunyai nilai yang tetap. Jika nilai bagi satu sifat berubah, keadaan sistem akan
berubah. Keadaan keseluruhan sistem boleh ditentukan apabila terdapat sekurang-
kurangnya dua sifat intensif. Ini dinamakan kenyataan aturan dua sifat. Contoh dua sifat
ialah suhu dan isi padu tentu atau suhu dan tekanan.

Pengajian termodinamik melibatkan keadaan keseimbangan. Sistem dikatakan berada
di dalam keseimbangan termodinamik jika tidak terdapat sebarang kecenderungan atau
daya pacuan yang tidak seragam di dalam sistem. Terdapat banyak jenis
keseimbangan. Satu sistem berada di dalam keseimbangan termodinamik apabila
memenuhi kesemua keadaan keseimbangan yang lain. Sebagai contoh, satu sistem
berada di dalam keseimbangan haba jika suhu keseluruhan sistem adalah seragam.
Keseimbangan mekanik dikaitkan dengan tekenan. Sistem berada di dalam
keseimbangan mekanik apabilla tiada perubahan tekanan pada sebarang titik di dalam
sistem mengikut masa.

Jika sistem melibatkan dua fasa, ia dikatakan berada di dalam keseimmbangan fasa jika
jisim setiap fasa adalah malar. Sistem berada di dalam keseimbangan kimia jika
komposisi kimianya tidak berubah dengan masa iaitu tidak ada tindak balas kimia yang
berlaku. Sistem tidak akan berada di dalam keseimbangan melainkan kesemua kriteria
keseimbangan dipenuhi.

Penambah iso- digunakan untuk menunjukkan proses sesifat. Proses ini ditunjukkan di
dalam Jadual 1.0.

Jadual 1.0: Proses sesifat.

BKT MARA 118 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.3 Bernoulli’s Theorem

Dalam bahagian ini kita akan membincangkan perubahan pada tekanan bendalir apabila
bendalir itu bergerak.

4.3.1 prinsip bernoulli

Prinsip bernoulli menyatakan bahawa dalam satu sistem pengaliran bendalir yang
mantap, tekanan bendalir menjadi rendah apabila laju pengaliran bendalir bertambah
dan sebaliknya. Udara merupakan satu bendalir, maka udara juga berkelakuan seperti
air dan cecair yang lain, serta mematuhi prinsip bernoulli.
Fenomena berasaskan prinsip bernoulli dapat dilihat pada Rajah 1, apabila dua buah
kenderaan yang bergerak seiringan di atas jalan raya (highway). Kelajuan udara (V1,V2)
dan tekanan (Pi) di antara truck dan kereta adalah negatif, manakala tekanan (Po) di
sebelah luar truck dan kereta lebih tinggi.

Rajah 1: An owerhead view of a car passing a truck on a highway. Air passing between the vehicles
flows in a narrower channel and must increase its velocity (v2 is greater than v1), causing the

pressure between them to drop (Pi is less than Po). Greater pressure on the outside pushes the car
and truck together.

Persamaan Bernoulli (Bernoulli equation)

Hubungan diantara tekanan dan kelajuan pengaliran bendalir dapat dinyatakan pada
persamaan bernoulli. Seorang saintis dari Swiss yang bernama Daniel Bernoulli (1700-
1782) telah menemui prinsip ini. Persamaan Bernoulli dapat ditunjukkan pada rumus
berikut:

P + ½v2 + gh = constant

BKT MARA 119 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Dimana,
P = tekanan mutlak
 = ketumpatan bendalir
g = graviti bumi
h = ketinggian jarak dari satu titik
Sekiranya sejumlah kecil isipadu bendalir yang mengalir di sepanjang satu saluran
pemaipan, beberapa jumlah perubahan kuantiti bendalir yang mengalir mungkin
berubah tetapi kuantitinya tetap tidak berubah (constant). Persamaan 1 dan 2 merujuk
kepada sebarang dua titik yang berlainan dalam persamaan prinsip Bernoulli:

P1 + ½v21 + gh1 = P2 + ½v22 + gh2

Persamaan Bernoulli bagi pengaliran bendalir tidak berubah/bergerak (statik)
Bagi menyatakan persamaan ini, pertama perhatikan sekiranya situasi aliran bendalir
adalah statik ini menunjukkan v1 = v2 = 0. Oleh itu persamaan bernoulli nya adalah

P1 + gh1 = P2 + gh2

Kita juga boleh meringkaskan persamaan Bernoulli seandainya ketinggian h2 = 0. Maka
persamaan berikut digunakan;

P2 = P1 + gh1
Penjelasan,
ketinggian h2 = 0
P1 + gh1 = P2 + gh2
P1 + gh1 = P2 + g(0)
P2 = P1 + gh1

Prinsip Bernoulli – persamaan Bernoulli pada kedalaman/di bawah permukaan
(depth) yang tetap/tidak berubah (constant)
Selain itu pada satu lagi keadaan apabila bendalir mengalir pada ketinggian ke dalaman
yang sama h1 = h2. Di dalam situasi ini persamaan Bernoulli menjadi

P1 + ½v21 = P2 + ½v22

BKT MARA 120 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Contoh 1:
Peningkatan kelajuan (velocity) air dari 1.96 m/s kepada 25.5 m/s pada sebatang paip
bagi muncung alir keluar paip. Diberi kadar tekanan mutlak paip ialah 1.01 x 105 N/m2
(absolute pressure) dan anggap paras, sedikit geseran aliran (assuming level,
frictionless flow). Kirakan tekanan dalam paip air?

Penyelesaian,
Tahap aliran bendalir adalah constant depth, Jadi persamaan 1 dan 2 Bernoulli
digunakan dalam menyelesaikan masalah tekanan dalam paip air. Berpandukan kepada
soalan anda dikehendaki mencari P1.
( = 1000 kg/m3(density of water)

P1 + ½v21 + gh1 = P2 + ½v22 + gh2
P1 = P2 + ½v22 + gh2 - ½v21 - gh1
P1 = P2 + ½v22 - ½v21 (- gh1 + gh2)
P1 = P2 + ½v22 - ½v21
P1 = P2 + ½ (v22 - v21 )
P1 = 1.01 x 105 N/m2 + ½ (103 kg/m3) [ (25.5 m/s)2 - (1.96 m/s)2 ]
P1 = 4.24 x 105 N/m2

Perbincangan: tekanan mutlak di dalam paip (P1) lebih tinggi berbanding pada
muncung paip (P2), kelajuan air (water velocity) di muncung paip lebih tinggi berbanding
dalam paip. Ini adalah kerana tekanan di P2 telah berkurangan semasa air disembur
keluar dari muncung paip ke udara (atmosphere) tanpa sebarang perubahan sifat fizik.

Prinsip Bernoulli dan kegunaannya
Untuk lebih mudah memahami prinsip Bernoulli, terdapat beberapa contoh yang
digunakan pada sesuatu objek, peralatan dan sebagainya berdasarkan prinsip Bernoulli.
Lihat Rajah 2 (a) (b) (c) (d), 3 (a) (b), 4 (a) (b), 5 (a) (b) dan 6.

BKT MARA 121 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 2: Example of entrainment devices that use incraesed fluid velocity to create low
pressures, which then entrain one fluid into another. (a) A Bunsen burner uses an adjustable gas
nozzle, entraining air for proper combustion. (b) An automizer uses a sequeeze bulb to create a

jet of air that entrains drops of perfume. Paints sprayers and carburetors use very similar
techniques to move their respective liquids. (c) A common aspirators may be used as suction
pumps in dental and surgical situations or for draining a flooded basement. (d) The chimney of a

water heater is designed to entrain cool air into the pipe leading through the ceiling.

Kriteria yang ditunjukkan pada sesebuah sayap kapal terbang adalah contoh yang
sesuai bagi menjelaskan prinsip Bernoulli bekerja, bahagian atas sayap lebih panjang ini
menyebabkan pengaliran udara lebih pantas dan tekanan (P1) dapat dikurangkan. Ini
membolehkan kapal bergerak ke udara lebih pantas, selain itu daya angkat kapal boleh
ditingkatkan dengan mencondongkan lagi sayap kapal ke bawah. Kapal terbang juga
menggunakan prinsip keabadian momentum.
Tekanan pada sebuah bot dibahagian atas (Pfront) dan tekanan di sebelah bawah (Pback).
Tekanan yang lebih kuat di bahagian atas bot menyebabkan hadapan bot terapung-
apung ke udara.

BKT MARA 122 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Pengukuran kelajuan (velocity measurement)

Rajah 4(a) dua alat pengukuran yang digunakan untuk menyukat kelajuan bendalir
berdasarkan prinsip Bernoulli. Alat pengukur Manometer pada Rajah 4(a) mempunyai
dua tiub kecil yang dimasukkan ke dalam bendalir mengalir, bacaan kelajuan pada tiub
pertama (1) diperolehi adalah kosong (v1 = 0) dan satu lagi tiub kedua (2) bendalir
mengalir ialah (v2). Ini menunjukkan persamaan prinsip Bernoulli adalah seperti berikut:

P1 = P2 + ½v22

Jika tekanan (P2 ) kali kedua berkurangan (½)v22 , dan bacaan kandungan bendalir
pada manometer kali ke -2 meningkat (h), di mana:

h  ½v22

Penyelesaian bagi v2, kita dapat lihat bahawa

v22  √ h

BKT MARA 123 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 4(b) menunjukkan alat pengukur manometer dipasang untuk menyukat kelajuan udara,
biasa digunakan dalam versi kawalan bagi menyatakan (indicator) kelajuan kapal terbang yang

bergerak di udara.

BKT MARA 124 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 4 merupakan alat penngukur kelajuan udara berpandukan prinsip Bernoulli. Manometer
dalam Rajah 4 (a) disambungkan kepada dua tiub kecil yang bertujuan untuk menyukat

perbezaan tekanan atau kelajuan udara dalam sistem sesalur. Tiub yang pertama (1) dipasang
pada hujung muncung Manometer manakala tiub kedua (2) dipasang pada sisi bahagian atas
tiub. Didapati pada tiub pertama kelajuan udara adalah kosong (0) ini menunjukkan tekanannya
jatuh berbanding tuib kedua. Jika, tiub kedua (2) dibuka kelajuan (v) tekanan udara akan jatuh.
Ini menunjukkan perbezaan tekanan pada Manometer ialah ½v22 , dan ketinggian (h) adalah
sama dengan () h  ½v22 .Rajah 4 (b) menunjukkan perbandingan tekanan dapat dipastikan

dengan merujuk Pitot tube.

Rajah 5 (a) Pancutan air dari tiub besar sebuah empangan. (b) ini mermakna kehilangan

rintangan, air yang mengalir keluar dari takungan air akan berada pada kelajuan yang sama
sekiranya jarak (h) tanpa geseran. Ini adalah menunjukkan salah satu daripadaTorricelli’s

Theorem.

BKT MARA 125 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

The most general applications od Bernoulli’s equation
Rajah 5 (a) menunjukkan Pancutan air dari tiub besar sebuah empangan. Apakah nilai
bagi kelajuan pancutan air yang sampai dipermukaan takungan air sekiranya kadar
rintangan diabaikan apabila jarak (h) air dari permukaan ke tahap ketinggian di (h1) .
kelajuan air yang keluar dari paip atau tiub adalah bergantung kepada saiz bukaan paip.
Prinsip Bernoulli mestilah digunakan seandainya pengaliran air di dasar empangan tidak
tetap. Kita harus pastikan pengaliran air di permukaan (titik 1) dan disebelah luar atau
atas tiub ialah (titik 2). Persamaan prinsip Bernoulli perlu digunakan ialah;

P1 + ½v21 + gh1 = P2 + ½v22 + gh2

Kadar tekanan mutlak pada kedua-dua di titik 1 dan titik 2 adalah sama, maka
persamaaan adalah seperti berikut:

P1 -P2 + ½(v21 + gh1 = ½v22 + gh2
½v21 + gh1 = ½v22 + gh2

Penyelesaian bagi persoalan ini ialah

½v22 + gh2 = ½v21 + gh1
v22 = (½  ½) v21 + gh1 - gh2
v22 = v21 + gh1 - gh2
v22 = v21 + 2g (h1 - h2)

Dimana h = h1 - h2

 persamaan bagi persoalan ini adalah

v22 = v21 + 2gh

BKT MARA 126 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Seterusnya, contoh Rajah 6 menunjukkan tekanan, kelajuan dan ketinggian semuanya
berubah.

Rajah 6: Tekanan dalam muncung (nozzle) hos pemadam api adalah berbeza daripada tekanan
hos di bahagian bawah: ini kerana air tepaksa mengalir sehingga ketinggian 10 meter sampai ke
muncung pili, kelajuan air akan meningkat apabila sampai di hujung muncung. Tekanan air keluar

dari muncung akan menjadi tekanan mutlak apabila bercampur dengan udara sekeliling.

BKT MARA 127 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.4. Form of Energy and Properties of System

Tenaga ditakrifkan sebagai keupayaan untuk melakukan kerja oleh sesuatu jasad.
Tenaga amat penting dalam khasnya dalam operasi sistem penyamanan udara dan
industri penyejukan. Rajah 10 dan rajah 11 menunjukkan gabungan beberapa jenis
tenaga.

Unit (SI)  Joule

Jenis tenaga yang terdapat di alam ini ialah :

 Tenaga Haba
 Tenaga Keupayaan
 Tenaga Kinetik
 Tenaga Solar
 Tenaga Elektrik
 Tenaga Nuklear

Rajah 10 : Cutaway of efficiency condensing gas furnace

BKT MARA 128 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 11 : An electric heat stream

4.5. Pressure and Gas Law

Pengetahuan tentang gas bekerja amatlah mustahak dan bagaimana ia bertindakbalas
terhadap perubahan tekanan dan suhu. Para saintis percaya pada masa dahulu
penerangan tentang hukum gas banyak membantu kita memahami reaksi tindakbalas
gas terhadap suhu, tekanan dan hubungkait di dalam pelbagai bahagian pada sistem
kitaran penyejukan dan penyaman udara. Walaubagaimanapun dengan menggunakan
persamaan hukum gas berkenaan gas dan tekanan, bagi mendapatkan bacaan tekanan
skala tekanan mutlak (psia) dan suhu (Rankine dan Kelvin). Absolute zero digunakan
untuk titik permulaan, ini disebabkan pergerakan molekul bermula dari ‘0’.

4.5.1 Kewujudan tekanan gas

Mengikut teori kinetic gas, molekul-molekul bergerak secara bebas, laju, dan rawak di
dalam ruang bekas yang diisinya.

Jadual 6 : Molekul-molekul bergerak secara bebas, laju, dan rawak
di dalam ruang bekas yang diisinya.

BKT MARA 129 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Molekul-molekul gas sentiasa berlanggar antara satu sama lain dan dengan dinding
bekas, semua perlanggaran adalah kenyal. Satu molekul berjisim m bergerak dengan
halaju v mempunyai momentum mv. Selepas menghentam dinding secara kenyal,
momentum yang melantun balik ialah -mv.

Perubahan momentum = mv - (-mv)
= 2mv

Hentaman dinding dan perubahan momentum menghasilkan daya impuls. Tekanan gas
boleh dinaikkan dengan cara-cara yang berikut:

a. Menaikkan suhu gas
b. Mengurankan isipadu gas
c. Menambahkan bilangan zarah-zarah gas

4.5.2. Boyle`s Law

Robert Boyle merupakan seorang warganegara Ireland telah menemui hukum Boyle
pada tahun 1600 masihi. Hukum Boyle menyatakan bahawa untuk sesuatu gas berjisim
tetap berkadar songsang dengan isipadu gas dengan syarat suhu gas adalah malar.
Boyle’s law menjelaskan bahawa pada suhu yang tetap, tenaga kinetic purata bagi
molekul gas tidak berubah.

Apabila gas dimampatkan, isipadunya akan berkurang. Oleh itu, bilangan molekul per
unit isipadu gas akan bertambah dan ini akan menyebabkan kadar perlanggaran
molekul gas per unit luas permukaan luar bekas yang mempunyai gas bertambah. Oleh
sebab jisim gas adalah tetap (kerana bilangan molekul tidak berubah), maka tekanan
berkadar songsang dengan isipadu gas pada suhu yang tetap. Sebagai contoh, sebuah
piston pada kedudukan aras bawah meninggalkan ruang udara disebelah atas dan
apabila bergerak ke separuh bahagian pistion, menaikkan tekanan dalam silinder
sehingga 2 kali ganda.

Rajah 6 menunjukkan hubungan hukum Boyle’s digunakan dalam situasi praktikal
mekannikal pergerakan piston dalam kompressor, apabila gas dimampatkan sebahagian
haba disingkirkan. Walaubagaimanapun, hukum ini apabila digabungkan dapat lihat
pada rumus berikut:

BKT MARA 130 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 7 : Absolute pressure in a cylinder doubles when the volume is reduced by ½.

Contohnya:

Sekiranya tekanan asal bersamaan 40 psia dan isipadu asal 30 in3, apakah nilai isipadu
baru bila tekanan ditambah kepada 50 psia?. Kita akan dapat menentukan isipadu
dengan menggunakan rumus berikut.

P1 x V1

V2 =

T2

40 x 30
V2 =

50

V2 = 24in3

BKT MARA 131 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.5.3. Charles` Law

Dalam tahun 1800 masihi, saintis Perancis Jacques Charles telah menemui hukum
Charles menyatakan bahawa bagi suatu jisim gas unggul yang tetap, isipadu gas adalah
berkadar terus dengan suhu mutlaknya pada tekanan yang tetap.

Persamaan Hukum Charles boleh diterbitkan. Iaitu:

V1 V2
=

T1 T2

BKT MARA 132 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rajah 8 : Air expands when heated

Contohnya:

Sekiranya 2000 ft3 melalui gas relau dan dipanaskan dari suhu bilik 75ºF kepada 130ºF,
apakah isipadu udara yang melalui unit pemanasan? Lihat rajah di atas.

V1 = 2000 ft3
T1 = 75ºF + 460º = 535 ºR (absolute)
V2 = unknown
T2 = 130ºF + 460º = 590 ºR (absolute)

V1 x T2

V2 =

T1
2000 ft3 x 590 ºR

V2 =

535 ºR

V2 = 2205.6 ft3
* Udara mengembang bila panas.

BKT MARA 133 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

Rumus berikut berhubung dengan tekanan dan suhu:

V1 V2
---- = ----
T1 T2

Where, P1 = original pressure
T1 = original temperature
P2 = new pressure
T2 = new temperature

Sekiranya tangki besar yang berisi gas semulajadi 500,000 ft3 bersuhu 70ºF disimpan
dalam tangki penyimpanan semasa musim luruh, dan suhu meningkat kepada 95ºF
pada musim panas. Tekanan asal semasa musim luruh adalah 25 pisg. Berapakah
perubahan tekanan selepas musim berubah.

P1 = 25 psig + 14.696 (atmospheric pressure) atau 39.696 psia
T1 = 70ºF + 460º = 530 ºR (absolute)
P2 = unknown
T2 = 95ºF + 460º = 555 ºR (absolute)

P1 x T2

P2 =

T1

39.696 psiabs x 555 ºR
P2 =

530 ºR

P2 = 41.57 psiabs – 14.696 psia = 26.87
psig

BKT MARA 134 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.5.4. General Law of perfect Gas

Dalam hukum gas, ia dikenali sebagai “Hukum jisim gas unggul” di mana ianya
gabungan antara prinsip Boyle’s dan juga prinsip Charles. Kedua-dua prinsip ini
merupakan gabungan penting termasuklah tekanan, suhu dan isipadu. Di bawah
menunjukan formula yang berkaitan dengan prinsip tersebut.

Contoh:
Diberi 20 ft3 isipadu gas di isi ke dalam sebuah kontener pada 100ºF dan tekanan 50
psig. Kontener ini disambung ke paip dan salah satunya ddiisi dengan 30 ft3, (maka
jumlahnya ialah 50 ft3). Jumlah gas yang telah di masukkan adalah bersamaan antara 2
kontener tersebut. Nilai suhu gas tersebut serendah 80ºF. Berapakah nilai gabungan
pada kontener tersebut?

BKT MARA 135 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

4.5.5 Dalton`s Law

Pada awal tahun 1800 masihi, John Dalton adalah seorang professor matematik.
Penemuan ini menyatakan bahawa atmosfera terdiri daripada gas oksigen,
karbondioksida, nitrogen dan gas-gas nadir. Beliau mendapati gabungan kesemua gas-
gas ini meningkatkan paras tekanan dan dikenali sebagai ‘jumlah tekanan’. Contohnya,
bila 30 psig gas oksigen dicampur dengan 40 psig gas nitrogen menjadikan tekanan di
dalam balang 70 psig. Lihat rajah 9.

Rajah 9 : Dalton’s law of partial pressure. The total pressure is the sum
Of the individual pressures of each gas.

BKT MARA 136 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

LATIHAN TUTORIAL & TUGASAN

1. Satu tangki segiempat 20 m panjang dan 5 m lebar. Ia mengandungi air sedalam 6
m. Kirakan (a) tekanan dalam kilopascal, pada kedalaman 3 m, dan (b) jumlah
daya dalam meganewtons di (I) permukaan bawah tangki, (ii) satu sisi permukaan
tanki. Abaikan kesan tekanan atmosfera.

2. Kirakan tekanan mutlak dalam pascal pada kedalaman 300 m air laut, diandaikan
ketumpatan bandingan air laut 1.03. Jika plat segi empat 3 m lebar ditengelamkan
sedalam 300 m, apakah daya kebawah dalam meganewton di sebelah permukaan
atas plat? Andaikan tekanan atmosfera 101 kPa.

3. Satu lock gate dengan kedalaman 4 m dimana permukaan air disebalah dan
permukaan kering di muka yang lain. Lebarnya 8 m. Kirakan daya yang terdapat di
lock gate itu ?

4. Plat segiempat 3 m x 2 m diredam kedalam minyak dimana satahnya membuat
sudut 30O secara menegak. Bucu atasnya 3 m mengufuk dan 1 m di bawah
permukaan minyak. Ketumpatan bandingan minyak ialah 0.7. Kirakan tekanan
tentu purata pada plat itu dalam kilopascal, dan jumlah daya pada satu permukaan
plat dalam kilonewtons. Andaikan tekanan atmosfera ialah 100 kPa.

5. Satu permukaan minyak, 1 m tebal meyelaputi air. Ketumpatan bandingan minyak
ialah 0.8. Kirakan tolok tekanan, dalam kilopascal pada kedalaman 2 m dibawah
permukaan minyak.

6. Sebuah tolok tekanan tuib-U mengandungi raksa. Aras raksa di tabung terbuka ke
tekanan atmosfera ialah 10 cm tinggi dari tabung yang lagi satu. Ketumpatan
bandingan raksa ialah 13.6. Kirakan nilai tolok tekanan dalam pascal. Jika tekanan
atmosfera ialah 101 kPa, apakah tekanan tentu bagi gas?

7. Jika tinggi kolum raksa pada sesuatu barometer ialah 720 mm, apakah nilai yang
bertepatan dengan tekanan atmosfera dalam pascal? Anggapkan ketumpatan
bandaingan raksa ialah 13.6.

8. Takrifkan:

a) Tenaga Upaya
b) Tenaga Kinetik
c) Tenaga Dalam

9. Tentukan kerja yang dilakukan oleh seorang lelaki yang mengangkat 20 kg beras
setinggi 0.5 m.

BKT MARA 137 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

10. Tentukan kuasa dalam kW, yang diperlukan bagi memecut kereta seberat 900 kg
dari keadaan rehat kepada kelajuan 80 km/jam dalam masa 20 s.

11. Takrifkan dan berikan 1 contoh proses berbalik dan proses tak berbalik.

12. Tentukan kuasa dalam kW, yang diperlukan bagi memecut kereta seberat 900 kg
dari keadaan rehat kepada kelajuan 80 km/jam dalam masa 20 s.

13. Dalam satu system omboh-silinder, keadaan tekanan dan isipadu gas masing-
masing 4 bar dan 0.02 m3. Untuk kes yang diberi, tentukan kuantiti yang
dikehendaki;

14. Apabila silinder dipanaskan secara setekanan, isipadu gas bertambah kepada 0.2
m3. Hitungkan kerja yang dilakukan oleh system ini.

15. Selesaikan. (soalan 4.1 – 4.19)

BKT MARA 138 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

BKT MARA 139 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

BKT MARA 140 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

BKT MARA 141 GSP20062

BASIC CONCEPT OF THERMODYNAMICS

RUJUKAN

 Dunham Bush Intelligent Air conditioning system.
 Termodinamik 1, Normah Mulop. UTM
 Termodinamik Asas (Edisi Ketiga), Mohd Kamal Ariffin. UTM

BKT MARA 142 GSP20062