TERMODINAMIKA

MAKALAH PEMICU 2

Hukum Pertama Termodinamika

Chandra Dewi Rosalina 1306405710

Elsa Ramayeni 1406643072

Muhammad Radinal S. 1406643103

R. Muhammad Fathi 1306649290

Sergie Purnama 1306392903

Kelompok 8

Departemen Teknik Kimia

Fakultas Teknik Universitas Indonesia

Depok, 2015

HUKUM PERTAMA TERMODINAMIKA

Sesuai dengan sebutannya, hukum pertama termodinamika adalah hukum dasar

yang menjadi pilar utama ilmu termodinamika, bersama sama dengan hukum

kedua termodinamika. Hukum pertama termodinamika adalah mengenai konversi

massa dan energy. Massa dan energi tidak dapat dimusnahkan atau diciptakan

tetapi hanya dapat berubah bentuk ( kecuali pada reaksi nuklir yang mana massa

setara energi). Beberapa contoh bentuk energi adalah energi kinetic, energi

potensial, energy dalam, energy ikatan kimia, energy mekanik, energy permukaan,

dan energy gelombang elektromagnetik. Kecakapan/ pengetahuan yang menjadi

prasyarat dalam mempelajari Hukum 1 termodinamika adalah Diagram

PVT/PV/PT dan aturan fasa Gibss. Setelah mempelajari materi ini, peserta kuliah

diharapkan mampu mengklasifikasikan masalah neraca energy sebagai sistem

terbuka/tertutup dan sebagai proses tunak ( steady state)/ tak tunak

(transient/unsteady) diikuti dengan analisis sistem, dapat menuliskan persamaan

hukum pertama termodinamika pada sistem atau volum control tertentu,

menyederhanakannya berdasarkan batasan sistem, menentukan sifat fluida

menggunakan table kukus (steam table) dan atau grafik, dan melakukan

perhitungan neraca massa dan neraca energy baik untuk proses tunak maupun tak

tunak

1. Soal Pertama

a. Jelaskan bagaimana kita bisa memperkirakan kapasitas panas gas

monoatomik dan poliatomil yang ideal sebagai fungsi suhu (Ar, H2O dan

CO2) berdasakan prinsip ekuipartisi ?

Jawaban :

Prinsip ekuipartisi adalah sebuah rumusan umum yang merelasikan

temperature suatu sistem dengan energi rata ratanya. Dalam keadaan

kestimbangan termal, energi akan terdistribusikan secara merata ke semua

bentuk energi yang berbeda. Prinsip ekuipartisi energi diturunkan secara

teoritis oleh Clerk Maxwell, menggunakan mekanika statistik.Prinsip

ekuipartisi memprediksikan bahwa energi total rata-rata suatu gas ideal

berpartikel sejumlah N adalah (3/2) NkBT.

Molekul gas monoatomik

Molekul gas monoatomik hanya melakukan gerak translasi

saja. Karena hanya melakukan gerak translasi saja, maka molekul

gas monoatomik mempunyai 3 derajat kebebasan.Energi kinetik

rata-rata untuk setiap molekul gas monoatomik adalah :3 ( kT) =

3/2 kT = 3/2 nRT.Kapasitas kalor molekul gas monoatomik :C =

3/2 R = 3/2 (8,315 J/mol.K) = 12,47 J/Kg.K

Molekul gas diatomik

Selain melakukan gerak translasi, molekul gas diatomik

juga melakukan gerak rotasi dan vibrasi. Jumlah derajat kebebasan

untuk gerak translasi = 3.olekul gas diatomik mempunyai 2 jenis

energi, yakni energi kinetik dan energi potensial elastis. Dengan

demikian, jumlah derajat kebebasan untuk gerak vibrasi = 2.

Energi rata-rata untuk setiap molekul gas diatomik adalah :3( kT)

+ 2( kT) + 2( kT) = 7/2 kT = 7/2 nRT. Kapasitas kalor molekul

gas diatomik : C = 7/2 R = 7/2 (8,315 J/mol.K) = 29,1 J/Kg.K

Tabel dibawah menunjukkan hasil eksperimen gas

monoatomik, diatomik dan poliatomik. Dapat dilihat bahwa nilai

Cv untuk gas monoatomik memiliki nilai yang sama antara hasil

perhitungan dan eksperimen. Sedangkan untuk diatomik dan

poliatomik memiliki nilai yang jauh berbeda dengan antara

perhitungan dan eksperimen

Tabel 1 Hasil Eksperimen Gas Monoatomik, Diatomik, dan

Poliatomik

b. Plot nilai teoritis dan bandingkan dengan nilai yang anda peroleh dengan

menggunakan persamaan kapasitas panas gas ideal dan parameter

parameter yang diberikan dalam buku Smith and Van Ness atau Moran

and Saphiro.

Jawaban :

Nilai teoritis :

Persamaan kapasitas panas gas ideal :

Gambar 1. Grafik Nilai Teoritis

Pelajari diagram yang diberikan diatas ini :

0

5

10

15

20

25

0 1000 2000 3000

CO2

Gambar 2. Grafik Nilai Yang Diperoleh

c. Mengapa ada diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air

Jawaban :

Diskontinuitas dalam plot kapasitas panas air dikarenakan adanya

perubahan fase dari kondisi air, air pada kondisi cair memiliki kapasitas

panas paling tinggi dibanding pada fase gas maupun solid.

d. Hitung panas yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 mol gas

metana dari 300 K sampai 800 K dengan menggunakan data yang

ditampilkan

Jawaban :

Q = H

Dari persamaan diatas diperoleh bahwa :

Cp pada suhu 300 K = 8 cal mol-1

K-1

Cp pada suhu 800 K = 14 cal mol-1

K-1

Cpavg= (14 + 8)/2 = 11 Cal mol-1

K-1

Sehingga :

Q = m Cpavg (T2 T1)

= 1 mol x 11 Cal mol-1

K-1

x (800-300)K

= 5500 Cal

e. Anda pikir masuk akal mengasumsi kapasitas panas yang konstan untuk

seluruh rentang suhu ?

Jawaban :

Masuk akal apabila yang ditinjau adalah kapasitas panas gas monoatomik

(seperti gas Helium). Apabila selain dari gas monoatomik, tidak masuk

akal apabila mengasumsi kapasitas panas yang konstan pada seluruh

rentang suhu.

2. Berikanlah contoh proses isobarik, isokhorik, isothermal, adiabatic, tunak

(steady state ) dan tidak tunak ( unsteady state ) dengan menggunakan

contoh dari kehidupan sehari hari. Termasuk peristiwa konduksi,

konveksi, dan radiasi

Jawaban :

Hukum I Termodinamika berbunyi:

Energi tidak dapat diciptakan dan dimusnahkan tetapi dapat

dikonversi dari suatu bentu ke bentuk yang lain

Hukum pertama adalah prinsip kekekalan energi yang memasukan

kalor sebagai model perpindahan energi. Sesuai dengan hukum ini, energi

yang diberikan oleh kalor mesti sama dengan kerja eksternal yang

dilakukan ditambah dengan perolehan energi dalam karena kenaikan

temperatur.

Jika kalor diberikan kepada sistem, volume dan suhu sistem akan

bertambah (sistem akan terlihat mengembang dan bertambah panas).

Sebaliknya, jika kalor diambil dari sistem, volume dan suhu sistem akan

berkurang (sistem tampak mengerut dan terasa lebih dingin). Prinsip ini

merupakan hukum alam yang penting dan salah satu bentuk dari hukum

kekekalan energi.

Sistem yang mengalami perubahan volume akan melakukan usaha

dan sistem yang mengalami perubahan suhu akan mengalami perubahan

energi dalam. Jadi, kalor yang diberikan kepada sistem akan menyebabkan

sistem melakukan usaha dan mengalami perubahan energi dalam. Prinsip

ini dikenal sebagai hukum kekekalan energi dalam termodinamika atau

disebut Hukum I Termodinamika. Untuk suatu proses dengan keadaan

akhir (2) dan keadaan awal (1)

U = U2 U1

Secara matematis, Hukum I Termodinamika dituliskan sebagai

Q = W + U

Dimana Q adalah kalor, W adalah usaha, dan U adalah perubahan

energi dalam. Tapi rumus itu berlaku jika sistem menyerap kalor Q dari

lingkungannya dan melakukan kerja W pada lingkungannya.

Gambar 3. Sistem pada Termodinamika

Hukum 1 Termodinamika dalam Proses Termodinamika

1. Proses Isobarik

Jika gas melakukan proses termodinamika dengan menjaga

tekanan tetap konstan, gas dikatakan melakukan proses isobarik. Karena

gas berada dalam tekanan konstan, gas melakukan usaha (W = pV). Kalor

di sini dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada tekanan konstan Qp.

Berdasarkan hukum I termodinamika, pada proses isobarik berlaku

Dari sini usaha gas dapat dinyatakan sebagai

W = P dV = nR dT

Gambar 4. Grafik Proses Isobarik

Penerapan proses isobarik :

Proses isobarik dapat dijumpai pada kasus pemanasan air dalam ketel

mesin uap sampai ke titik didihnya dan di uapkan sampai air menjadi uap

yang disebut superheated dimana semua proses berlangsung pada tekanan

yang konstan. Sistem tersebut adalah H2O di dalam sebuah wadah yang

berbentuk selinder. Sebuah pengisap kedap udara yang tak mempunyai

gesekan dibebani dengan pasir untuk menghasilkan tekanan yang

didinginkan pada H2O dan untuk mempertahankan tekanan tersebut secara

otomatis. Kalor dapat dipindahkan dari lingkungan ke sistem dengan

menggunakan sebuah pembakar bunsen. Jika proses tersebut terus

berlangsung cukup lama, maka air mendidih dan sebagian air tersebut

diubah menjadi uap. Sistem tersebut bereskpansi secara kuasi statik tetapi

tekanan yang dikerahkan sistem pada pengisap otomatis akan konstan.

2. Proses Isotermal

Suatu sistem dapat mengalami proses termodinamika dimana terjadi

perubahan-perubahan di dalam sistem tersebut. Jika proses yang terjadi

berlangsung dalam suhu konstan, proses ini dinamakan proses isotermik.

Karena berlangsung dalam suhu konstan, tidak terjadi perubahan energi

dalam (U = 0) dan berdasarkan hukum I termodinamika kalor yang

diberikan sama dengan usaha yang dilakukan sistem (Q = W).

Dari persamaan umum gas :

PV = nRT

Karena suhu konstan, maka usaha yang dilakukan oleh gas adalah :

dW = P.dV

dW = ..

dV

W= nRT

Proses isotermik dapat digambarkan dalam grafik p V di bawah ini.

Usaha yang dilakukan sistem dan kalor dapat dinyatakan sebagai

Dimana V2 dan V1 adalah volume akhir dan awal gas.

Gambar 5. Grafik Proses Isotermal

Proses Isotermal juga ada yang irreversible, rumusnya adalah :

Jika irreversible, maka tekanan ekspansinya konstan, sehingga :

Penerapan proses isothermal :

Gambar 6. Sistem Kerja AC

Proses isotermal dapat diterapkan pada sistem kerja AC . Dimana

kompresor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan untuk

memapatkan fluida kerja ( refrigerant). Proses kerjanya adalah penguapan

dan pengembunan. Untuk mendapatkan penguapan diperlukan gas (udara)

yang mencapai temperatur tertentu (panas). Setelah udara tersebut panas

diubah agar kehilangan panas, sehingga terjadi penguapan lalu terjadi

pengembunan sehingga udara membentuk titik titik embun dan akhirnya

mencari, maka timbulah suhu di dalam temperatur rendah (dingin).

Proses kerja mesin pendingin secara umum adalah sebagai berikut

Kompressor melepaskan refrigerant berbentuk gas bertemperatur

tinggi dan bertekanan tinggi karena hasil kompresi pada kompressor saat

langkah pengeluaran (Discharge stroke). Refrigerant ini mengalir ke

kondensor. Di kondensor, uap refrigeran bertekanan dan bersuhu tinggi

diembunkan, Panas dilepas ke lingkungan, dan terjadi perubahan fase

refrigeran dari uap ke cair. Dari kondensor dihasilkan refrigeran cair

bertekanan tinggi dan bersuhu rendah. Tekanan tinggi refrigeran cair

diturunkan dengan menggunakan katup cekik (katup ekspansi) dan

dihasilkan refrigeran cair bertekanan dan bersuhu rendah dengan bentuk

spray (kabut) yang selanjutnya dialirkan ke evaporator. Di evaporator,

refrigeran cair mengambil panas dari lingkungan yang akan didinginkan

dan menguap sehingga terjadi uap refrigeran bertekanan rendah

Dimana compressor yang ada pada sistem pendingin dipergunakan

untuk memapatkan fluida kerja (refrigerant). Refrigerant yang masuk ke

dalam kompresor dialirkan ke kondensor dan dimapatkan. Besarnya kalor

yang dilepaskan oleh kondensor merupakan jumlahan kalor compressor

yang diperlukan dan kalor yang diambil evaporator dari substansi yang

akan diinginkan. Sehingga pada sistem kerja AC suhu dijaga konstan

3. Proses Isokhorik

Jika gas melakukan proses termodinamika dalam volume yang konstan,

gas dikatakan melakukan proses isokhorik. Karena gas berada dalam

volume konstan (V = 0), gas tidak melakukan usaha (W = 0) dan kalor

yang diberikan sama dengan perubahan energi dalamnya. Kalor di sini

dapat dinyatakan sebagai kalor gas pada volume konstan QV.

QV = U

W = P dV = P.0 = 0

Gambar 7. Grafik Proses Isokhorik

Penerapan Proses Isokhorik

Terjadi pada sebuah kipas dan baterai dalam sebuah wadah

tertutup. Kipas bisa berputar menggunakan energi yang disumbangkan

baterai. Untuk kasus ini, kipas, baterai dan udara yang berada di dalam

wadah dianggap sebagai sistem. Ketika kipas berputar, kipas melakukan

kerja terhadap udara yang ada dalam wadah. Pada saat yang sama, energi

kinetik kipas berubah menjadi energi dalam udara. Energi listrik pada

baterai tentu saja berkurang karena sudah berubah bentuk menjadi energi

dalam udara.

4. Proses Adiabatik

Proses adiabatik adalah proses termodinamika dimana kerja yang

dilakukan oleh gas adalah murni berasal dari perubahan energi internalnya.

Tidak ada energi yang masuk maupun yang keluar (Q) selama proses itu

berjalan. (Hukum Termodinamika I menyatakan : Perubahan energi

internal gas (dU) adalah banyaknya energi kalor yang disuplai (Q)

dikurangi kerja yang dilakukan oleh gas (P.dV).

Kondisi proses adiabatik adalah :

dU = Q - P.dV = - P dV

P V

= K (konstan)

Gambar 8. Grafik Proses Adiabatik

Penerapan Proses adiabatik

Salah satu contoh penerapan proses adiabatic yaitu termos. Pada

alat rumah tangga tersebut terdapat aplikasi hukum I termodinamika

dengan sistem terisolasi. Dimana tabung bagian dalam termos yang

digunakan sebagai wadah air, terisolasi dari lingkungan luar karena adanya

ruang hampa udara di antara tabung bagian dalam dan luar. Maka dari itu,

pada termos tidak terjadi perpindahan kalor maupun benda dari sistem

menuju lingkungan maupun sebaliknya.

Gambar 9. Penerapan Isobarik Pada Termos

Proses Tunak (Steady State) dan Tak Tunak (Unsteady State)

a. Proses Tunak (Steady State)

Keadaan tunak (steady state) adalah keadaan di mana suatu sistem berada

dalam kesetimbangan atau tidak berubah lagi seiring waktu, atau tunak,

atau mantap.

Contoh sistem yang tunak (steady state) adalah potensial listrik pada

daerah yang bebas muatan (daerah tanpa muatan listrik), sistem dengan

temperatur yang tidak berubah seiring waktu pada daerah yang bebas

sumber panas, potensial kecepatan pada aliran takmampumapat yang

bebas pusaran dan bebas sumber kecepatan.

b. Proses Tak Tunak (Unsteady State)

Proses tak tunak dikatakan tak tunak jika kecepatan setiap partikel

di suatu titik selalu sama. Partikel fluida mengalir melewati titik A dengan

kecepatan tertentu, lalu partikel fluida tersebut mengalir dengan kecepatan

tertentu di titik B. Ketika partikel fluida lainnya yang nyusul dari belakang

melewati titik A, kecepatan alirannya sama dengan partikel fluida yang

bergerak mendahului mereka. Hal ini terjadi apabila laju aliran fluida

rendah alias partikel fluida tidak kebut-kebutan. Contohnya adalah air

yang mengalir dengan tenang, sedangkan aliran tak tunak berlawanan

dengan aliran tunak. Jadi kecepatan partikel fluida di suatu titik yang sama

selalu berubah. Kecepatan partikel fluida yang duluan berbeda dengan

kecepatan partikel fluida yang belakangan

Peristiwa Konduksi, Konveksi, dan Radiasi

Panas dapat dipindahkan dengan 3 macam cara, yaitu

a. Secara konduksi (Hantaran)

b. Secara konveksi (Aliran)

c. Secara Radiasi (Pancaran)

1. Konduksi

Pada peristiwa konduksi, atom-atom zat yang memindahkan panas

tidak berpindah tempat tetapi hanya bergetar saja sehingga menumbuk

atom-atom disebelahnya, (Misalkan terdapat pada zat padat) Banyaknya

panas per satuan waktu yang dihantarkan oleh sebuah batang yang

panjangnya L, luas penampang A dan perbedaan suhu antara ujung-

ujungnya T, adalah :

Keterangan :

Q/t = laju perpindahan kalor(J/s)

k = konduktivitas termal bahan (W/m2 K)

A = luas penampang bahan (m2)

T = perbedaan suhu ujung-ujung logam (K)

L = panjang atau tebal batang (m)

k adalah koefisien konduksi panas dari bahan dan besarnya tergantung

dari macam bahan.

Bila k makin besar, benda adalah konduktor panas yang baik. Bila k

makin kecil, benda adalah isolator panas.

Penerapan Konduksi dalam kehidupan sehari hari

Dalam kehidupan sehari hari, peristiwa konduksi dapat diamati

misalnya pada setrika listrik . Untuk merapikan dan mensterilkan pakaian,

kita memerlukan sesuatu yang panas namun tidak merusak. Karena itulah

kita perlu konduktor untuk menstransfer panas dari sumber panas tertentu

ke pakaian kita. Kita memerlukan sebuah setrika. Setrika akan

menstransfer panas dari sumber panas (panas dari konversi energi istrik)

ke pakaian. Panas di bagian logam pada setrika bertahan cukup lama

sehingga memungkinkan kita menggunakannya untuk merapikan pakaian.

2. Konveksi

Pada peristiwa ini partikel-partikel zat yang memindahkan panas ikut

bergerak. Kalor yang merambat per satuan waktu adalah :

Keterangan:

Q/t = laju perpindahan kalor (J/s atau W)

h = koefisien konveksi (W/m2 K)

A = luas penampang (m2)

T = kenaikan suhu (K)

Penerapan Konveksi :

Radiator Mobil

Pada sistem pendingin mesin (radiator) air dipaksa mengalir melalui pipa-

pipa dengan bantuan pompa air (water pump).panas mesin yang tidak

dikehendaki dibawa oleh sirkulasi air tersebut menuju radiator. Di dalam

radiator, air didinginkan dengan bantuan udara. Air yang telah mendingin

ini kemudian di pimpa untuk mengulang kembali proses transfer panas

dari mesin mebil ke radiator. Ingat bahwa proses konveksi melibatkan

fluida (dalam kasus ini di wakili oleh air) sebagai penghantar panas. Air

yang digunakan dalam radiator lama-lama akan berkurang akibat

penguapan dan akhirnya akan habus. Oleh karena itu, radiator perlu diisi

air kembali untuk memastikan lancarnya proses pendinginan mesin selama

mobil berjalan.

3. Radiasi

Radiasi adalah perpindahan panas melalui radiasi energi gelombang

elektromagnetik. Energi panas tersebut dipancarkan dengan kecepatan

yang sama dengan gelombang-gelombang elektromagnetik lain di ruang

hampa (3 x 108 m/det)

Banyaknya panas yang dipancarkan per satuan waktu menurut Stefan

Boltzman adalah :

Keterangan :

W =Intensitas radiasi yang dipancarkan per satuan luas, dinyatakan

dalam (J/m2.det atau watt/m2

E = Emisivitas (Daya pancaran) permukaan

= Konstanta umum = 5,672 x 10 8

T = Suhu mutlak benda

Penerapan Radiasi Pada Kehidupan Sehari Hari

Radiasi panas dari bola lampu

Ketika kita mendekatkan tangan kita pada bola lampu yang sedang

menyala. Rasa panas lampu akan memengaruhi tangan kita sehingga

tangan kita terasa panas. Hal ini menunjukkan bahwa rasa panas dari

lampu dipindahkan secara radiasi atau pancaran.

W = e . . T 4

3. Anda bekerja pada sebuah perusahaan yang mendesain, alat-alat musik.

Grup anda ditugaskan mendesain pasta yang lebih unggul. Anda tertarik

pada sebuah alloy kuat dan ringan yang baru saja diproduksi. Namun,

dapatkah itu menjadi bahan panci pasta yang baik? Jika ternyata

diperlukan lebih dari 10 menit untuk mendidihkan air di dalam panic

pasta, mungkin panic tersebut tidak akan laku. Jadi, bos anda meminta

anda untuk menghitung berapa lama waktu yang diperlukan air pada suhu

ruang (23oC) untuk mencapai suhu didih (100

oC) di dalam panic yang

terbuat dari alloy yang baru. Rekan-rekan anda mengatakan bahwa panic

pasta biasanya mampu menampung 2 liter (2 kg) air. Mereka

memperkirakan bahwa panci pasta biasanya mampu 550 gram dan

kapasitas panas spesifik 860 J/(kgoC), serta kalor penguapan 2,3 x 106

J/kg. Buku manual menyatakan bahwa burner kompor anda memindahkan

panas 1000 Joule per detik. Anda memperkirakan hanya 20% panas ini

yang hilang teradiasi.

Jawaban :

Diketahui :

Suhu awal (T1) = 23 oC

Suhu didih (T2) = 100 oC

Massa air = 2 kg

Cair = 4200 J/kg oC

Luap = 2.3 x 106 J/Kg

Q/t = 1000 J/s

Massa panic = 550 gr = 0,55 kg

Cpanci= 860 J/kg oC

Panas 20 % teradiasi = 80 % terpakai

Kondisi 1 (Pada air)

Q = m Cair T = 2 4200 (100 23) =

Kondisi 2 (Pada Panci alloy)

Q = m Cpanci T = 0,55 860 (100 23) =

Waktu yang dibutuhkan alloy untuk mendidihkan air:

Q

t=

Qtotalt

1000 J s 80

100=

(646800 + 36421)J

t

t = . = ,

Dari hasil perhitungan diatas, didapatkan bahwa waktu yang dibutuhkan

oleh panci alloy tersebut untuk mendidihkan air adalah 14,23 menit.

Artinya, panci alloy tersebut tidak memenuhi criteria yang diinginkan oleh

perusahaan, yaitu 10 menit.

4. Perangkat piston silinder pada awalnya mengandung uap pada 1 MPa,

450oC dan 2,5 m

3. Uap dibiarkan dingin pada tekanan konstan sampai

pertama kali mulai terkondensasi.

Tampilkan proses lintasan tersebut pada diagram PV dan PT

Jawaban :

Diagram PT Diagram PV

1 2

a. Massa Uap

Dari table F.2 Superheated Steam (buku van Ness), didapatkan nilai

Vspe steam pada tekanan 1MPa adalah 330,30 cm3/g. Maka massa steam

adalah:

m =V

Vspe=

2,5 106 cm3

330,30 cm3 g= 7568,87 g = ,

b. Suhu Akhir

Suhu akhir dari steam merupakan suhu saat steam tersebut berubah fasa

menjadi cair (keadaan jenuh/saturated), atau dengan kata lain, Takhir =

Tsat.

Dari steam tabel A-3 (buku Moran), didapatkan Tsat steam untuk

tekanan 1 MPa sebesar 179,9 oC.

c. Jumlah Transfer Panas

Dari saturated steam table pada buku Moran, diketahu data entalpi

(H) untuk saturated vapor pada tekanan 1 MPa adalah:

Hsat vap= 2778,1 kJ/kg

Dari tabel superheated steam pada buku van Ness, didapatkan Hsup

steam pada suhu 420oC dan tekanan 1MPa adalah 3370,8 kJ/kg.

v1 = 2,5 m3

saat keadaan P = 1MPa dan T = 450oC

v2 didapatkan dengan mengalikan volume spesifik vapor (0,19435

m3/kg) dengan massa steam. Hal ini dikarenakan pada soal

disebutkan bahwa gas baru akan mulai terkondensasi, atau dengan

kata lain fasanya masih berada pada keadaan vapor.

v2 = vspe m = 0,19435m3

kg 7,566kg = ,

Setelah semua data yg dibutuhkan telah didapat, maka nilai Q

dapat dihitung:

Q = H + W

Q = m(H2 H1) + P dV = m(H2 H1) + P(v2 v1)

Q = 7,566 kg (2778,1 3370,8) kJ kg + 103kPA (1,47045 2,5)m3

= ,

5. Air dalam keadaan mencair mengalir secara isothermal pada 20oC melalui

saluran yang memiliki satu masukan dan satu keluaran. Diameter masukan

saluran dan diameter keluaran saluran adalah 0,02 m dan 0,04 m. Masukan

memiliki kecepatan 40 m/s dan tekanan 1 bar. Tentukan jumlah massa

aliran dalam kg/s dan kecepatan dalam m/s di pintu keluaran

Jawaban :

Diketahui :

T = 20oC V1 = 40 m/s

P = 1 bar D2 = 0,04 m

D1 = 0,02 m

Ditanya :

a. m ?

b. V2 = ?

Persamaan laju alir massa dalam bentuk volume spesifik yaitu

m =

Dimana v = volume spesifik

Dari steam table saturated water didapatkan bahwa volume spesifik pada

saat 20oC adalah 0,0010018 m

3/kg

m =

=

4 ( 0,02)2 40

0,0010018 = 12, 537 kg/s

Laju alir massa masuk = Laju alir massa keluar sehingga laju alir yang

sudah kita dapat bisa digunakan untuk mencari kecepatan pada pintu

keluaran

V2 =

2 =

12,537 0,0010018

4 (0,04)2

= 10 m/s

6. Sistem AC dibuat dengan udara mengalir di atas tabung yang membawa

refrigerant 134a. Udara masuk dengan laju alir volumetrik 50m3/menit

pada 328C,1 Bar dan keluar di 22C, 0.95 bar. Refrigerant memasuki

tabung pada 5 bar dengan kualitas 20% dan keluar pada 5 bar, 20 C.

Dengan mengabaikan perpindahan panas pada permukaan luar dari AC,

dan mengabaikan efek energi kinetik dan potensial. Tentukanlah (a) laju

aliran massa refrigerant dalam kg/min (b) laju perpindahan panas, di

kJ/menit, antara udara dan refrigerant !

Jawaban :

Asumsi : Kondisi steady state

Tidak ada perpindahan kalor dari sistem ke lingkungan dan

W=0

Perubahan energi kinetik dan pootensial dapat diabaikan

Diketahui : V1= 50m3/menit

T1= 328C

P1= 1 Bar

T2= 22C

P2= 0.95 Bar

P4= 5 Bar

X4= 0.2

T3= 20C

P3= 5 Bar

Dari tabel dry air

Kondisi udara masuk:

h1= 436 kJ/Kg

1= 0.579 kg/m3

Kondisi udara keluar

h2= 295 kJ/Kg

2= 1.12 kg/m3

Dari tabel refrigerant 134a

Kondisi refrigerant masuk:

h4= 111 kJ/Kg

4= 113 kg/m3

Kondisi refrigerant keluar:

h3= 263 kJ/Kg

3= 23.7 kg/m3

a)

Neraca Massa :

0 = + ( )

= 0 ( ) = 0 ( )

0 = 1(1 +1

2

2+ 1) 2(2 +

22

2+ 2) + 3(3 +

32

2+ 3) 4(4

+4

2

2+ 4)

1 = 2 3 = 4 ;

0 = 1(1 2) + 3(3 4)

1 = 1 = 0.579kg

m3 50

m3

menit= 28.95

3 = 1(1 2)

(4 3)=

28.95

(436kJKg 295

kJKg)

(111kJKg 263

kJKg)

= .

b)

Neraca Massa :

0 = + 1 (1 +1

2

2+ 1) 2 (2 +

22

2+ 2)

= 1(1 2)

= 28.95

(436

kJ

Kg 295

kJ

Kg) = .

7. Sebuah tangki pejal 3 ft3 pada awalnya mengandung uap air jenuh pada

suhu 300F. Tangki dihubungkan dengan katup ke jalur suplai pasokan

uap pada 200 psia 400F. Kemudian katup dibuka, dan uap diperkenankan

masuk tangki. Perpindahan panas berlangsung dengan lingkungan

sehingga suhu dalam tangki tetap konstan pada 300F setiap saat.

Selanjutnya katup ditutup saat teramati setengah dari volume tangki

ditempati oleh air cair. Tentukanlah (a) tekanan akhir di dalam tangki (b)

jumlah uap yang telah masuk tangki (c) jumlah panas.

Jawaban :

Diketahui :

Kondisi awal : Kondisi Akhir :

T = 300F Suhu tetap 300F

Saturated steam X=0,5

V= 3 ft3

Analisis :

Kondisi awal saturated steam, x=1

Proses dalam tempratur konstan, data steam table awal = akhir

Tangki pejal, berarti adiabatic, tidak ada perubahan Q

Ek dan Ep sangat kecil, diabaikan, Ek dan Ep = 0

Tidak ada kerja yang terjadi, W=0

Kondisi akhir, x = 0,5

Neraca Energi :

Q = m2u2 - m1u1 + hi (m2-m1)

Kondisi awal :

Dari steam table, Apendix Moran, a-3e, dengan kondisi 300F, saturated

steam

vg =6,472 ft3/lb

vf = 0,01745 ft3/lb

hg = 1180,2 BTU/lb

hf = 269,7 BTU/lb

ug = 1100 BTU/lb

uf = 269,5 BTU/lb

Maka massa steam awal di dalam tangki adalah

Vtangki

=

33

6,472 3

= 0,463

U=u2-u1

U1= ug = 1100 BTU/lb

U2 = uf+x(ug-uf) = 269,5+ 0,5 (1100-269,5) = 684,75 BTU/lb

h=h2-h1

h1 = hg = 1180,2 BTU/lb

h2 = hf+x(hg-hf) = 269,7+ 0,5 (1180,2 - 269,7) = 724,95 BTU/lb

Massa akhir :

V=Vf+x(Vg-Vf)

= 0,01745 + 0,5 (6,472-0,01745)

= 3,244725 ft3/lb

Massa akhir saat setengah volume tangki berfasa liquid = Vtangki

=

3

3,244725= 0,924

a. Menentukan tekanan pada kondisi VL=1/2 V

h2 = u2 +P2V2, maka P2 =22

2 =

724,95684,75

3,244= 12,39

b. Jumlah uap yang masuk tangki

Massa uap masuk = massa akhir - massa saat VL=1/2 V

= 0,924 0,463 = 0,461

c. Jumlah panas

Q = m2u2 - m1u1 + hi (m2-m1)

=( 0,924 . 684,75 BTU/lb) (0,463 . 1100 BTU/lb) + (724,95

BTU/lb . (0,461 ))

= 457 BTU

Jumlah panas yang ditransfer dari source steam ke dalam tangki berisi

saturated steam hingga mencapai Volume liquid setengah dari volume

tangki adalah sebesar 457 BTU

DAFTAR PUSTAKA

ASME Steam Tables Compact Edition, Properties of Saturated and

Superheated Steam in U.S. Customary and SI Units from the International

Standard for Indsutrial Use.

Atkins, P.W. (1989) Kimia Fisika, Edisi ke - 4 Jilid 1. Jakarta : Erlangga

[terjemahan].

Borgnakke, C. dan Sonntag, R.E. (2009) Fundamentals of

Thermodynamics, 7th Edition. NJ : John Wiley & Sons, Inc.

Cengel, Y.A., Boles, M.A. 2002. Thermodynamics an Engineering

Approach. Fourth Ed. Mc. Graw-Hill

Maron, H. Samuel and Jerome B. Lando. 1974. Fundamentals of Physical

Chemistry. New York : Macmillan Publishing.

Moran, J. Michael, Shapiro N. Howard. 2006. Fundamentals of

Engineering Thermodynamics. London : John Wiley & Sons, Inc.

Smith, J.M. ; H.C. Van Ness and MM. Abbot. 2005. Introduction to

Chemical Engineering Thermodynamics 7th edition. New York :

McGraw-Hill

Wark, Knneth. 1983. Thermodynamics. United States : McGraw- Hill, Inc.