2 b2-termodinamika dan perpindahan panas 222

7/22/2019 2 B2-Termodinamika Dan Perpindahan Panas 222

1/16

Diktat Dasar Refrigerasi

BAB 2

TINJAUAN SINGKAT

DASAR TERMODINAMIKA DAN PERPINDAHAN PANAS.

2.1 Dasar Termodinamika.

Termodinamika merupakan suatu bidang ilmu pengetahuan tentang/ yang

berurusan dengan kalor, kerja dan sifat substansi yang berkaitan dengan kerja atau kalor.

Seperti halnya pengetahuan /ilmu-ilmu dasar, termodinamika berbasiskan

pengalaman/eksperimental yang kemudian diformulasikan dalam beberapa hukum dasar,

seperti yang kita ketahui antara lain hukum termodinamika pertama, kedua dan ketiga.

2.1.1 Sisem Termodinamika

Terdapat dua jenis sistem termodinamika, yaitu sistem tertutup dan sistem terbuka. yang

digambarkan sebagai berikut.

W

Fluida ke rja Fl ui da ke rj a

SistemW

TerbukaSistemn !utTer tutup

"ounda ry ## layer

$ada sistem tertutup yang melintasi garis batas % boundary layer& hanyalah aliran kalor dan

kerja saja, sedangkan pada sistem terbuka, fluida kerja juga melintasi batas dari sistem.

Dalam analisis termodinamika pada sistem tertutup biasanya digunakan massa atur

%control mass & dan pada siklur terbuka digunakan 'olume atur % control volume &.

$erubahan keadaan pada substansi kerja %fluida kerja&, menunjukkan prosestermodinamika. $roses termodinamika pada sistem tertutup disebut proses tanpa aliran

%non-flow Processes &, dan persamaan pokok yang berlaku adalah hukum termodinamika

pertama. (ntuk proses sistem terbuka, atau disebut proses dengan aliran % flow-processes &),

ketentuan pokok yang berlaku adalah persamaan energi aliran mantap % steady flow energy

equation &.

Tingkat keadaan termodinamika suatu sistem pada suatu saat tertentu dinyatakan dengan

sifat-sifat termodinamikanya, baik sifat intensif ataupun sifat eksensif. Sifat intensif dari

suatu sistem tidak bergantung pada ukuran sistem, sebagai *ontoh adalah tekanan,

Windy +ermaan itrakusuma "-Termodinamika dan $erpindahan $anas -


temperatur. Sifat ekstensif tergantung dari ukuran sistem, *ontohnya adalah 'olume 0,

energi dalam (, entalpi +, entropi S, dan lain sebagainya. Sifat ekstensif dapat diubah

menjadi seolah-olah bersifat intensif dengan *ara membaginya dengan ukuran sistem

tersebut %biasanya massa&, sehingga dikenal dengan 'olume spesifik ', entalpi h, entropi s,

energi dalam u, dan lain sebagainya.

1alor yang ditambahkan kedalam sistem dinyatakan dengan # dan berharga positif, dan

kerja yang dilakukan oleh sistem juga positif dinyatakan dengan W. +arga spesifiknya per

satuan massa fluida kerja disebut dengan 2 dan .

2.1.2 H!k!m Termodinamika I.

Dari pernyataan dQ dW

3 , yang artinya baha energi hanya dirubah bentuk atau

lebih dikenal dengan hukum kekekalan energi. 1arena substansi kerja/ fluida kerja juga

mengalami perubahan energi dalam maka persamaan untuk sistem tertutup menjadi 4

dd

QdU W

35

6ang mana setelah diintegrasi menghasilkan

QW U U

-3 -

$ada sistem tertutup juga berlaku 4

W pdV

3

dimana p adalah tekanan dan 0 adalah 'olume fluida kerja pada suatu aktu tertentu.

Proses non a"iran #an$ re%ersi&e"

"erikut ini adalah proses-proses yang dianggap re'ersibel.

a. Proses %o"!me konsan

1arena 'olume tidak mengalami perubahan, maka tidak terdapat kerja yang dilakukan oleh

sistem. W 3 7, dan kalor dipakai untuk perubahan energi dalam sistem. # 3 ( -(

&. Proses ekanan konsan

1erja yang dilakukan merupakan integrasi dari tekanan terhadap perubahan 'olume 4

%&33-

W pdV p V V

%&3-5 -3 -sehingga 4

QU U pV V H H

'. Proses adia&aik

Windy +ermaan itrakusuma "-Termodinamika dan $erpindahan $anas -


2/16


$roses adiabatik adalah proses dimana pada sistem tidak terjadi pertukaran kalor %tidak ada

kalor yang masuk maupun keluar&. # 3 7

%&WUU

3- -

d. Proses em(era!r konsan$ada proses temperatur konstan, kalor yang berpindah dinyatakan dengan 4

%&Q Tds T S S

33-

%&% &WTS S

U U3---

$ersamaan diatas berlaku untuk semua fluida kerja. (ntuk substansi yang memenuhi

persamaan gas ideal 4

3 atau 3

pv T pV mT

berlaku hubungan yang dinyatakan pada tabel -.

e. Proses (o"iro(ik

Semua proses politropik re'ersi'el umumnya dapat dinyatakan dengan persamaan berikut 4

3 1onstanPV , dengan n adalah indeks politropik.n

Dengan demikian kerja dapat dituliskan sebagai 4

W pdV

33 1onstanta d00n

%&

m T !W PV PV

3 - - 3 - -

n n

persamaan di atas berlaku untuk semua harga n ke*uali n 3 sedangkan harga untuk

konstanta gas ideal R adalah 7,89 k:/kg.1.

"erikut adalah proses yang bergantung pada n 4

n proses

7 isobarik %tekanan konstan&

isotermal %temperatur konstan&

k isentropik %entropi konstan&

8 isokhorik %'olume konstan&

Windy +ermaan itrakusuma "-Termodinamika dan $erpindahan $anas - ;


3/16


Tabel - $ersamaan persamaan proses non aliran re'ersibel untuk fluida yang memenuhi persamaan gas ideal

$roses +ukum dasar 1erja dilakukan 1alor ditambahkan $erubahan entropi

%& dq3

w pdv QuuW Tds

3-53 -3

ss T

rev

P %& c T

ln3 1onstan 7 cT T -0olume konstan TT vv

%& -

pv vv %&3 1onstan

cT T - c T

lnTekanan konstan

%& TT - p patau

T

pv "

33

1onstan

cdimana 3 p

cv


4/16


2.1.) Persamaan Ener$i Keadaan Mana(

$roses dengan aliran dapat dibagi menjadi proses aliran mantap %steady flo&dan proses

aliran tak-mantap %non-steady flo&. $ada kebanyakan proses yang kontinyu, terdapat

fase dimana proses adalah tak mantap, yaitu pada saat proses dimulai. Setelah beberapa

aktu, sistem akan men*apai keadaan mantap.

$ersamaan energi dalam keadaan mantap merupakan ekspresi lain dari hukum kekekalan

energi. @nergi yang ditinjau adalah energi dalam u, energi kinetik A / dan energi

potensial gB %dimana B adalah ketinggian titik yang ditinjau dari garis a*uan&. :uga aliran

C C

energi berupa kalor , kerjaQ W. "erikut ini adalah gambaran proses sistem terbuka 4

C

W

SistemC Ter bukam , ' , p C

mu , T , ' , pC QA u , T

A

B Bgrs. a*uan

Dalam keadaan mantap maka persamaan energi menjadi

= >%&%&CC CQ W m u pv " g# u pv " g#-3 5 5 5 - 5 5 5

=> %&%& %&CC CQW m$ $ " " g# #-3 - 5 - 5 -

$upv35dimana entalpi

Proses*(roses a"iran mana(

a. Pendidi+an dan (en$em&!nan ,Boi"in$ and -ondensaion

Dengan mengasumsikan baha pengaruh ke*epatan ke*il sehingga energi kinetik juga

ke*il, dan efek gesekan juga menjadi ke*il, maka persamaan yang berlaku dapat didekati

dengan 4

3-q$ $

&. Proses T+ro"in$

Windy +ermaan itrakusuma "-Termodinamika dan $erpindahan $anas - E


5/16


$roses throttling merupakan proses irre'ersibel, digunakan untuk menurunkan tekanan

fluida dengan memberikan tahanan aliran.

Dengan menganggap baha tak ada kerja dari luar yang bekerja %adiabatik&, kita

dapatkan persamaan 4

$ " $ "535


6/16


Dengan mengabaikan energi kinetik dan energi potensial, maka didapatkan persaamaan 4

qw$ $-3 - , dan untuk gas ideal pada temperatur konstan didapat kan qw3

Aontoh soal.

. Suatu tangki berisi suatu fluida diko*ok dengan suatu pengo*ok. 1erja yang diberikan

pada pengo*ok adalah E7J7 k:. kalor dipindahkan dari tangki sebesar E77 k:. Dengan

menganggap tangki dan fluida didalamnya sebagai suatu sistem, tentukan perubahan

energi dalam dari sistem. %0an Wiylen K Sonntag&

:aab 4

%& %&$ersamaan energi 4 QUUm"" mg % % W3-5 - 5-5

karena tak ada perubahan energi kinetik maupun potensial, maka 4

QUUW3-5

-3 -UUQW

UU-3- -- E77 E7J7%&

-3 k:UU ;EJ7

2.2. Dia$ram Tekanan * Ena"(i ,(*+

$enggambaran sustu proses termodinamika dapat dilakukan pada diagram T-s atau p-h

atau diagram-diagram lainnya. Dalam pembahasan siklus refrigerasi adalah hal biasa bila

proses digambarkan dalam diagram p-h. !leh karena itu, pemahaman terhadap diagram

p-h menjadi suatu hal yang lumrah diperlukan, alaupun pemahaman yang sama juga

tetap diperlukan untuk diagram-diagram lainnya.

2.) Dasar Per(inda+an Ka"or

$erpindahan kalor merupakan fenomena alam yang seringkali kita dapatkan padakehidupan sehari-hari. Saat menanak nasi, mandi dengan air hangat, minum kopi, dan

lain sebagainya. Sebelum lebih jauh membahas tentang perpindahan panas, akan dibahas

terlebih dahulu tentang beberpa istilah 4

Fluks kalor %+eat fluL&, 2 4 didefinisikan sebagai besarnya laju perpindahan kalor

persatuan luas bidang normal terhadap arah perpindahan kalor.

Windy +ermaan itrakusuma "-Termodinamika dan $erpindahan $anas - 9


7/16


1ondukti'itas termal, k 4 merupakan konstanta kesetaraan, yang merupakan karakteristik

termal dari meterial/benda.

Kond!ksi

:ika pada suatu benda terdapat gradien temperatur, maka pada benda tersebut akan terjadi

perpindahan energi dari bagian temperatur tinggi ke bagian dengan temperatur rendah.

"esarnya fluks kalor yang berpindah berbanding lurus dengan gradien temperatur pada

benda tersebut. Se*ara matematis dinyatakan sebagai 4

q T

& '

dengan memasukan konstanta kesetaraan yang disebut sebagai kondukti'itas termal,

didapatkan persamaan berikut yang disebut juga dengan hukum Fourier tentang konduksi

kalor.

q(&T3-'

tanda minus %-& timbul untuk menunjukan arah perpindahan kalor terjadi dari bagian

temperatur tinggi ke bagian dengan temperatur rendah.

1onduksi pada dinding datar 4

:ika persamaan q(&T3-diintegrasi 4'

akan didapatkan 4q' (&T3-

%&q (&3- -' TT


8/16


9/16


##

r

rrii

roo

ddrr

$ada jarak r akan berlaku 4

dTQ 3 - (&

dr

r

dan pada jarak %r5dr& berlaku 4

dQQ 3 Q 5 N drr

drr5 dr r

Dalam keadaan mantap laju aliran kalor pada jarak r dan %r5dr& akan sama, sehingga 4

dQ3 7r

dr

atau

d dTr 3 7

dr dr

sehingga didapatkan solusi persamaan tersebut dengan *ara mengintegrasi 4

T 3 " ln r5 "

Dengan kondisi batas temperatur 4

%i& T 3 T pada r 3 r i i

%ii& T 3 T pada r 3 r o o

Didapatkan

rln

T- T r3o o

rT - Tln ii o

ro

karena < 3 prM, untuk laju aliran kalor akan berlaku 4

Windy +ermaan itrakusuma "-Termodinamika dan $erpindahan $anas - 7


10/16


T TQ 3p -() i o

rln o

ri

dan besarnya tahan termal adalah 4

rln o

r 3 i

p ()t$

Dengan *ara yang sama dan melibatkan kon'eksi pada permukaan bagian dalam dan luar

silinder, maka untuk pipa dengan tiga %;& lapis bahan komposit %


11/16


boundary layer&. Selain tebal lapisan batas termal, dikenal pula istilah lain yaitu lapisan

batas hidrodinamik d atau d, yaitu jarak antara dinding pelat ke suatu titik diatasnya+

yang mempunyai ke*epatan fluida hampir sama dengan ke*epatan fluida ( .8

T -T 8(8

T8

dT

6

O

Tq

3-w& ( dT dy

w

+ukum Peton tentang pendinginan menyatakan baha untuk kon'eksi 4

%&q$&T T3-w 8

dimana h adalah koefisien perpindahan kalor kon'eksi %*on'e*tion heat transfer

*oeffi*ient&. Dengan mengitung besarnya harga h, maka dapatlah ditentukan besarnya

laju perpindahan kalor kon'eksi. besarnya harga h bergantung pada sifat-sifat termal

fluida %kondukti'itas termal, kalor spesifik, densitas dll.& dan 'iskositas fluida. Sifat-sifat

tadi mempengaruhi profil ke*epatan dan karenanya mempengaruhi laju perpindahan

energi pada daerah disekitar pelat.


12/16


q3-

& ( dT dydinding

dengan menggabung persamaan diatas dan hukum Peton tentang pendinginan

didapatkan 4

- ( dTdy

$ 3 dinding%&TT-

w 8

sehingga kita hanya perlu mendapatkan gradien distribusi temperatur pada diinding untuk

menilai koefisien perpindahan kalor kon'eksi.


13/16


Radiasi

Setiap benda akan meng-emisi-kan energi dalam bentuk radiasi, yang disebut sebagai

daya emisi % emissive power & yang besarnya sebanding dengan pangkat empat dari

temperatur absolutnya.

(ntuk suatu benda hitam ideal % blac( body &, atau disebut juga ideal radiatorbesarnay

daya emisi dinyatakan dengan persamaan Stefan-"oltBman sebagai 4

T3s ?b

dimana s adalah konstanta proporsional yang disebut sebagai konstanta "oltBman dan

berharga E,IIJ L 7 W/m 1 .-8 ?

Daya emisi suatu benda nyata dinyatakan dalam hubungan 4

T33ees ?b

dengan e adalah emisi'itas dari benda nyata yang besarnya 4 e3

b

Radiasi termal yang diemisikan oleh dua benda dengan luas permukaan < dan < pada

temperatur T dan T adalah 4

3e s 3e sQ& T dan Q & T? ?

$ertukaran kalor antara kedua benda juga dipengaruhi oleh geometri dari kedua benda

tersebut. sehingga pertukaran kalor dinyatakan sebagai 4%&% &3-3 -Q&.T T &.T T? ? ? ?

diman < F 3< F dan F dan F disebut sebagai faktor bentu( +geometric factor & yang

bergantung pada e , e , geometri dan orientasi dari kedua benda.

"a*aan Mebih lanjut 4

. A$


14/16


/ai+an soa" 0

. Seratus lima puluh kilogram air dinaikan temperaturnya dari E A menjadi 8E A.o o

"erapa jumlah energi %dalam joule& yang harus ditambahkan

%dossat -&

. Suatu gas mempunyai 'olume aal ? m pada temperatur I;7 1, kemudian;

didinginkan pada tekanan konstan hingga 'olumenya ,9 m . Tentukanlah temperatur;

akhir dalam kel'in. %dossat ;-&

;. Dua kilogram udara dikompresikan pada temperatur konstan dari keadaan 'olume

aal ,I m hingga'olume akhir 7,8J m . :ika tekanan absolut udara pada saat aal; ;

adalah , bar, tentukanlah tekanan absolut khir dari proses kompresi. %dossat ;-;&

?. Dua meter kubik A! pada tekanan aal 8,E bar diekspansikan se*ara isotermal

hingga 'olumenya ?,E m ;


15/16


Tabel . Ringkasan $ersamaan untuk perpindahan panas, aliran fluida di luar pipa.

$ersamaan yang digunakan eometri dan kondisi batas

Tebal lapisan batas hidrodinamik

d $elat Datar Maminar, T3 E' Re- f '

1oefisien gesek

Mokal 4

" 3 7,II? Re - $elat Datar Maminar, T

f ,' 'f

Rata-rata 4

" 3 N " 3 7,II? Re- f ,' f,' '

Mokal 4

3,u 7,;; Re- ' '

$elat Datar Maminar, T , 7,I $r E7Rata-rata 4 f -

3 N 3,u ,u 7,II? Re ' ' '

Tebal lapisan batas termal

$elat Datar Maminar, Td 3d $r f- ;t

Windy +ermaan itrakusuma "-Termodinamika dan $erpindahan $anas - I


16/16

2 b2-termodinamika dan perpindahan panas 222

Documents