Transfer kerja ke sistem tertutup dapat dicapai dengan mekanisme apa pun yang menggerakkan gaya yang bekerja pada batas pada jarak tertentu. Kerja yang dilakukan pada sistem, menurut definisi mekanik
di mana F adalah gaya dan dx adalah perubahan jarak dalam arah gaya. Hal ini tidak menentukan bagaimana suatu gaya dapat diterapkan, atau bagaimana ia dapat bergerak untuk melakukan kerja pada suatu sistem. Hal itu dapat dicapai dengan menggerakkan piston yang membentuk bagian dari batas sistem, atau dengan memutar roda bersudu dalam suatu sistem.
Susunan roda bersudu yang mengaduk suatu zat dalam keadaan sistem tertutup diilustrasikan pada Gambar 1. Perpindahan kerja terjadi saat poros berputar tanpa perubahan volume sistem disebut proses volume konstan
Untuk alasan ini dapat disebut kerja poros. Batas sistem terletak pada permukaan roda bersudu dan bergerak saat roda diputar. Saat roda berputar, roda itu bekerja dengan gaya F pada benda yang besarnya sama dan berlawanan dengan gaya yang menahan gerak. Dalam hal ini, gerakan adalah rotasi, tidak linier, dan kita dapat memilih untuk menggambarkan transfer kerja sebagai torsi yang diputar secara sudut.
Persamaan (1) ditransformasikan dengan mengamati bahwa, jika gaya F bekerja pada radius r dari sumbu roda, ia bergerak melalui jarak r dθ dimana roda berputar dengan sudut dθ radian. Substitusi r dθ untuk dx dalam persamaan (1) dan mengubah batas integrasi menjadi konsisten dengan
memberi
atau, jika To adalah torsi yang diperlukan untuk memutar roda sudu,
Pergerakan piston yang diilustrasikan pada Gambar 2 memang mengubah volume sistem – hal ini diperlukan agar transfer kerja terjadi – dan kerja yang dilakukan dalam hal ini dapat disebut kerja batas (boundary work). Dalam kebanyakan kasus, transfer kerja dalam sistem tertutup adalah kerja batas dan biasanya disebut hanya sebagai kerja yang dilakukan pada atau oleh sistem. Pergerakan piston ke kiri adalah terbukti positif, karena hal ini akan menghasilkan proses kompresi yang memberikan kerja yang dilakukan pada sistem
Jika piston tidak memiliki massa dan bebas bergerak, gaya luar yang bekerja pada permukaan luar piston akan selalu ditentang oleh gaya yang sama yang diberikan oleh sistem pada permukaan bagian dalam dari piston. Piston akan bergerak untuk menjaga keseimbangan gaya ini setiap saat, dan gaya eksternal akan menentukan tekanan apa yang akan bekerja pada sisi lain dari piston. Jika luas piston adalah A dan tekanan dalam sistem adalah p, maka
F = pA
dan jika gaya luar F menyebabkan piston bergerak maju ke dalam silinder dari posisi awal posisi x1 ke posisi lain x (jika dalam gambar x2), kemudian mensubstitusi F dalam persamaan (1) akan memberikan
Jelas, saat piston bergerak lebih jauh ke dalam silinder, volume sistem akan berkontraksi dari V1 ke nilai V (atau V2) saat piston berada pada posisi x. Perubahan tersebut terkait dengan
mendiferensiasi ini memberikan dx= 2dV/A, yang dapat disusun kembali sebagai Adx = dV dan disubstitusi ke dalam persamaan (3) untuk
Tidak seperti persamaan (1) dan (2), ada batasan penting pada validitas penggunaan persamaan (4) untuk menghitung kerja yang dilakukan selama suatu proses:
Jika p dianggap sebagai tekanan sistem, prosesnya harus reversibel, karena jika tidak, tekanan tidak dapat ditentukan.
Persamaan (1) dan (2) diturunkan dengan mempertimbangkan bagaimana lingkungan bekerja pada sistem, dan tidak ada batasan validitasnya. Perhatikan bahwa jika tekanan lokal p, pada permukaan piston, diketahui setiap saat selama proses, gaya yang bekerja pada piston dapat dihitung dan persamaan (4) dapat digunakan tanpa kualifikasi. Ingat, bagaimanapun, tekanan itu hanya akan sama di mana-mana dalam sistem ketika dalam keadaan kesetimbangan termodinamika.
Meskipun energi yang ditransfer melintasi batas sistem tertutup oleh perpindahan panas adalah dibedakan dari energi yang ditransfer oleh kerja, jumlah panas yang ditransfer yang sering disimpulkan dengan menerapkan hukum pertama ke sistem daripada dengan perhitungan menggunakan perpindahan panas setara dengan persamaan (4) untuk transfer kerja. Ketika diterapkan pada sistem tertutup yang mengalami
siklus, hukum pertama dapat dinyatakan sebagai
dimana W netto ( = dW ) adalah jumlah transfer kerja positif dan negatif yang terjadi selama siklus, dan Q net ( = dQ) adalah jumlah perpindahan panas positif dan negatif yang berlangsung selama siklus. Jika siklusnya reversibel, kerja yang dilakukan dapat dihitung untuk masing-masing dari proses yang membentuk siklus, dan perpindahan panas bersih ditemukan dari persamaan (5). Sebagai contoh, perhatikan siklus yang dialami oleh sistem piston-dan-silinder pada gambar 3 di bawah ini,
terdiri dari dua proses volume konstan
dan dua proses tekanan konstan
siklus terdiri dari dua proses volume konstan dan dua proses tekanan konstan. Kerja yang dilakukan selama proses menunjukkan titik awal dan akhir dari proses:
Menerapkan persamaan (4) untuk setiap suku secara bergantian:
Tidak ada transfer kerja yang terjadi selama dua proses volume konstan (dV = 0 untuk ini), dan untuk dua proses lainnya, tekanan adalah konstan yang dapat diambil di luar integral. Mengganti nilai tekanan dan volume yang ditunjukkan pada Gambar 3 memberikan nilai -400 kJ untuk Wnet. Nilai negatif menunjukkan bahwa jumlah kerja bersih yang dilakukan oleh sistem terhadap lingkungan. Dari persamaan (5), Qnet harus 400 kJ, menunjukkan bahwa 400 kJ telah terjadi perpindahan panas ke sistem dari lingkungan.
Dalam contoh ini, sistem telah menerima perpindahan panas bersih dan menghasilkan sejumlah transfer kerja ke lingkungan. Sistem akan menghasilkan jumlah keluaran kerja bersih (ke lingkungan) selama siklus setiap kali siklus diulang. Ini berperilaku sebagai mesin. Jika siklus terus menerus diulang, mesin menghasilkan tenaga, W, yang didefinisikan sebagai laju transfer kerja. Satuan daya adalah J/s, atau watt. Jika siklusnya adalah diulang sekali per detik, output daya mesin akan menjadi 400 kJ/s atau 400 kW.
Referensi: An Introduction to Mechanical Engineering, Michael Clifford dkk
Taufiqur Rokhman 