Sekarang kita akan menerapkan hukum pertama termodinamika , yaitu tentang prinsip kekekalan energi. Prinsip tersebut menyatakan bahwa energi sistem adalah kekal dan lestari, dan implikasinya bagi sebuah sistem termodinamika adalah bahwa jumlah energi yang masuk ke dalam sistem harus sama dengan perubahan energi di dalam sistem ditambah dengan jumlah energi yang keluar dari sistem.

Sekarang kita cermati sistem yang ada pada Gambar 1. Bila kita identifikasi semua energi yang terlibat pada sistem tersebut, maka:

  • kita memiliki jumlah energi yang masuk ke dalam sistem adalah: E1
  • Perubahan energi di dalam sistem adalah dE/dt
  • Jumlah energi yang keluar dari sistem adalah W + E2 + dq + dEf

Oleh karena itu, penerapan prinsip kekekalan energi tersebut bagi sistem di atas memberikan persamaan:

E1 =  (dE/dt) + (W + E2 + dq + dEf)

Persamaan tersebut diatas dapat diterapkan untuk memperkirakan besarnya kerja yang dihasilkan oleh sistem pada kondisi tertentu.

Di sini E1  adalah energi total yang dikandung oleh aliran fluida saat masuk ke dalam sistem, dan E2 energi total aliran fluida saat meninggalkan sistem. Energi total yang dikandung oleh suatu aliran fluida merupakan kombinasi dari energi dalam fluida, energi tekanannya, energi kinetik, dan energi potensialnya. Pembahasan tentang konsep energi tersebut dibahas pada bagian di bawah ini:

Energi 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

bersambung...