termodinamika dasar (1)

7/29/2019 Termodinamika Dasar (1)

1/62

Termodinamika:

hubungan antara lingkungan dan

sistem


2/62

Working fluid

(fluida kerja)

fluida kerja : ada 2 macam

Perpeck gas (gas ideal) satu wujudkesetimbangan, contoh Udara, gas pembakaran

Pure substance (gas murni)= satu phase, duaphase, tiga phasen dalam kesetimbangan , contohAir dan Refrigeran

Fluida kerja Untuk mentransfer energi , merubah

energi . Panas menjadi kerja , kerja menjadi panas, membuang panas atau menerima panas

Mempunyai kemampuan untuk deformasi misal:kompresi,expansi.


3/62

Pure substance ( zat murni )

Zat murni bisa berupa Single phase atau

campuran( dua phase), tiga phase (cair padat dan

uap dalam keadaan setimbang) pada temperatur

sama atau disebut dengan triple point Uap basah adalah campuran antara air dan uap

dalam keadaan setimbang ( uap basah)

Air dan es pada temperatur yang sama 0Cdisebut dalam keadaan setimbang


4/62

Makroskopic dan mikroskopic

Makroskopik adalah besaran yang dapat

diukur seperti : tekanan, volume, dan

temperatur

Mikroskopik adalah besaran yang tidak dapat

diukur, tetapi dapat dilihat perilakunya dalam

laboratorium seperti Atom dan molukil


5/62

Properties dan state

Properties ada 2 macam :

Extensive dan intiensive

Properties Extensive : dipengaruhi oleh massaseperti : volume dan energi

Properties intesive :tidak dipengaruhi oleh

massa , seperti : tekanan ,temperatur


6/62

Phase (wujud)

Secara alami phase (wujud) dapat berupa : padat

, cair, gas dan campuran dalam keadaan

setimbang

single phase ( satu wujud ): padat, cair, Gas(homogin)

Dua phase(dua wujut) :Campuran ,uap basah, air

es (hiterogin) dalam keadaan temperatur konstan Mencair ,menguap, mengembun (perubahan

phase)


7/62

proses

Proses perubahan keadaan suatu zat dari bentukawal ke bentuk lain contoh :

Es menjadi air (proses mencair)

Air menjadi uap (proses menguap) Uap menjadi air (proses mengembun )

Proses kompresi,ekpansi, pemanasan

,pendinginan dll Proses : Isobaris, Isochoris, Isotermal, Adiabatis,

iso entalphi(Throtling proses)


8/62

Siklus

Jika proses akir ketemu proses awal disebut

siklus (daur)

Siklus kumpulan dari proses2 yang saling

berhubungan dan kembali ke awal proses

Siklus Rankine untuk PLTU

Siklus Otto,Diesel,Brayton untuk motor bakar Siklus kompresi uap untuk mesin pendingin


9/62

Sistem

Sistem : terbuka , tertutup ,sistem satu aliran

Sistem terbuka : Selama proses ,ada laju perpindahanmassa ( air mengalir dalam pipa , Uap masuk dankeluar turbin,udara masuk dan keluar kompresor,orang

keluar masuk gedung dll) Sistem tertutup selama proses tidak ada laju

perpindahan massa (kompresi, ekpansi,aliranrefrigeran dalam mesin pendingin dll)

Sistem satu aliran (transient): selama prosesberlangsung tidak ada perpindahan massa tetapi adaperpindahan energi (merebus air dalamteko,memompa ban ,mengisi balon)


10/62

Energi aliran (kerja aliran)sistem

terbuka

VP

m

F

L

A

Energi/kerja aliran adalah energi yang diperlukanuntuk mendorong massa masuk atau keluar volume atur

Gaya, F = p.A

Kerja aliran :

Wflow = F.L = p.A.L = p.V (kJ)

Untuk satu satuan massa :

wflow = p.v (kJ/kg)

Volume Atur

p = tekanan fluida

v = volume spesifik fluida


11/62

Proses aliran tak tunak (transient)

Dalam volume atur terjadi perubahan massa

dan perubahan energi selama waktu tertentu

Contoh :

1) Pengisian/pengosongan tangki

2) Pengisian balon dengan udara

3) Pemompaan ban4) Proses memasak menggunakan uap

bertekanan


12/62

Energi total massa yang mengalir

Energi potensial

Energi kinetik

Energi internal

Energi aliran

Enthalpi

Em = m.e = m(pv + u + V2 +gz) = m(h + V2 + gz)

m

p,V,h

z Volume Atur

h=u+pv


13/62

Hukum kekekalan massa

atau

[mi] t [mo] t = [mVA] t = (m2 m1)VA (kg)

Jika t0, maka (kg/s)

tselamaVAdalam

massaPerubahantselamaVAkeluar

yangmassaJumlah

tselamaVAmasuk

yangmassaJumlah

)m(dt

dmm VA0i



14/62


z1

z2

W

Q

t

0iim iiii dtmemeem i

miei

moeo

t

0oom oooo dtmemeem o

VAooii

EememWQ

EVA


15/62

Proses Aliran Uniform

Perubahan keadaan VA berlangsung uniform Aliran fluida masuk/keluarVA bersifat tunak

Persamaan energi menjadi

Jika seluruh energi kinetik & potensial diabaikan

Jika mi = mo, maka persamaan di atas sama dengan persamaanenergi pada sistem tertutup

VA1122ooii ememememWQ

VA1122ooii umumhmhmWQ

UWQ


16/62

Proses Aliran Tunak

mVAProses Aliran Tunak= konstan, dan EVA =

konstan

z1

z2

W

Q

miei

mo=mieo

mVA=konstanEVA=konstan

Neraca massa : mi = mo


17/62

Kompresor

Conoh : Asumsi :

1) Aliran tunak

2) Ek dan Ep diabaikan

3) Kompresi adiabatis (Q=0) Persamaan energi

Q Ws= m(h + ek +ep)

atauWs = m(h1 h2) = variasi spesifikheat

= mcp(T1 T2) = konstan

spesifik heat

P1, T1, m

P2, T2

Ws

Q=0

0 0 0


18/62

Temperatur (K)

Temperatur digunakan untuk membedakan

benda panas atau dingin yang diujudkan

dalam bentuk pengukuran

Temperatur mutlak dalam satuan SI (Kelvin ,K)

Contoh :

t = 30o

T =30 +273 =303 K


19/62

Tekanan dan cara pengukuran

Tekanan = gaya : luasan

= N/m2

luasan kontak A

F p = F/A

Konversi tekanan

100 Kpa = 100 KN/m = 76 cm Hg = 14,7 Psi


20/62

Tekanan hidrostatis

P = gh (kN/m2)

= massa jenis ,dipengaruhi temperatur (

kg/m3)

g = grafetasi (m/s2)

h = ketinggihan cairan (m)


21/62

Tekanan udara

Alat yang digunakan untuk mengukur tekanan

udara ,Barometer ( Pl)

Pl = Pv +Pa

Pl = tekanan lingkungan (Kpa)

Pv= tekanan parsial uap air (Kpa)

Pa= tekanan parsial udara kering (Kpa)


22/62

Tekanan absolut (mutlak)

Tekanan absolut adalah tekanan pengukuran

ditambah tekanan lingkungan.

Pab = Pg + Pl

Pg tekanan pengukuran

pl - tekanan lingkungan (atmosfir) Tekanan ini digunakan dalam membaca tabel

uap air


23/62


24/62

Manometer pipa U

Manometer pipa U dipakai untuk mengukur

tekanan yang kecil, karena pengukuran dalam

satuan mm,cm,m


25/62

Macam-macam alat ukur tekanan

Barometer : untuk mengukur tekanan udara

Syphon barometer :untuk mengukur tekanan

dalam bentuk pipa U ,salah satu ujungnya

terbuka

Aneroid barometer :

Manometer pipa U:

Tabung Bourdon :

Inclined manometer :


26/62

Soal -soal

1.Barometer menunjukan tekanan 70 cm Hg,

Koversikan kedalam satuan Kpa,Bar,Psi, KN/m

2. Tekanan uap 100 Kpa ,barometer menunjukan

tekanan 750 mm Hg.Berapa tekanan uap absolut dalam Bar

3.Pipa U menggunakan cairan Hg dengan massajenis 13,6 kg/m,beda ketinggian terukur 50cm,barometer menunjukan 76cm Hg

Berapa tekanan absolut dalam bejana.


27/62

Volume (m )

Volume adalah property yang diukur dalam

kibik

Jika volume substance membesar disebut

expansi

Jika volume substance mengecil disebut

kompresi

v =volume spesifik (m /kg

V = volume sejumlah massa (m )


28/62

Internal energi (energi dalam )

Energi dalam dinotasikan :

U energi dalam sejumlah massa substance

(KJ,J)

u - energi dalam spesifik (KJ/ m )

Energi dalam dipengaruhi oleh temperatur

Energi dalam : penjumlahan berapa energidalam partikel (energi geteran, energi

rotasi,energi kinetik, energi potensial )


29/62

Energi dalam (U,u)

Energi dalam untuk gas berhubungan dengan

volume :

U = mCv T (Kj)

u = Cv T (Kj/kg)

Energi dalam adalah suatu energi yang

dipengaruhi oleh temperatur,untuk volume

konstan seperti rumusan diatas.


30/62

Entaphi (H,h)

Entalphi adalah energi panas ,penjumlahan

antara energi dalam dan energi aliran

(deplacemen energi )

H = U + PV (Kj)

h = u + Pv (Kj/Kg)

Didalam uap air entalphi ada :

Hf= entalphi cairan pada temperatur jenuh (Kj)

Hfg=entalphi penguapan air (panas laten Kj)


31/62

Entalphi

hg = entalphi uap kering pada temperatur

jenuh (kj/kg)

Entalphi spesifik uap air

hf = entalphi spesifik air pada temperatur

jenuh (Kj/kg)

hfg = entalphi penguapan(panas laten)spesifik

pada temperatur jenuh (KJ/kg)

h = entalphi uap jenuh kering (Kj/kg)


32/62

Entalphi untuk gas

Entalphi untuk gas berhubungan dengan

tekanan

H = m Cp T (kJ)

h = Cp T (kJ/kg)

H = mCv T +mRT =m T(Cv +R)

Cv +R = Cp


33/62

Work (kerja )

Kerja adalah bentuk energi mekanik berupa

gerakan :translasi, rotasi

Kerja = transien quantity

W = kerja oleh sejumlah massa (Kj)

w = kerja spesifik,kerja setiap satu satuan

massa (Kj/kg)

Kerja setiap satu satuan waktu disebut daya

(W,KW)


34/62

Kerja dalam sistem tertutup

W = -U + Q

Kerja dalam sistem tertutup adalah tekanan

dikalikan perubahan volume

W = P V (Kj)

w = Pv (Kj/Kg)

Apabila perubahan volume ,temperatur dijaga

konstanselama proses, U = 0

W = Q


35/62

Kerja dalam sistem tertutup

Apabila selama proses tidak ada panas

masuk,keluar (proses adiabatis) Q = 0

W = U

= m Cv T (Kj)


36/62

Kerja dalam sistem terbuka

Kerja dalam sistem terbuka adalah selisih

antara energi masuk dikurangi energi keluar

sistem

W = energi masuk energi keluar


37/62

Heat (panas)

Q,q (kJ, kJ/kg)

Panas adalah energi yang dapat berpindah

karena beda temperatur

Selama perpindahan energi akan menimbul

kan beda temperatur

Panas adalah transient quantity

Selama proses lingkungan tidak mempen

garuhi sistem maka disebut proses adiabatis

Q = 0


38/62

Hubungan antara panas dan kerja

Apabila air dalam bejana dipanasi ,maka air

akan naik temperaturnya

Apabila air dalam bejana diaduk (kerja ) ,air

dalam bejana temperaturnya naik


39/62

Kapasitas panas spesifik

c (Kj/kgK)

Panas spesifik adalah panas yang diperlukan

setiap kg substance dengan kenaikan

temperatur 1 derajat

tekanan dijaga konstan = cp

Volume dijaga konstan = cv

Nilai c berubah-ubah sesuai dengan

temperatur awal, bila diasumsikan konstan

nilai c tetap(konstan)


40/62

Tabel nilai c

Substance C(Kj/kg

K)

Substance C(Kj/kg

K)

Sineubstance C(Kj/kg

K)

Alumin

ium

917 Steel 580 Ethylal

cohol

2303

Brass 385 Lead 130 Benzen

e

1718

Copper 394 Nickel 460 Ether 2219

Crown

glass

674 Tin 230 Glyceri

ne

2429

Castiron 477 Zinc 394 mercury 138


41/62

Contoh soal

5 kg steel, spesifik heat 480 J/kgK,dipanaskandari temperatur 374 menjadi 474 K

Berapa panas yang diperlukan

Jawab Q = 5 .480 (474-374 )

=240.000 (kg x J/kgK x K)

=240.000 (J) =240 (KJ)


42/62

Contoh soal

10 kg besi cor ,temperatur awal 473 K didingin

kan , panas yang hilang 715,5 KJ. Berapa

temperatur akhir besi cor tesebut

Jawab : c besi cor = 477 J/kgK

Q = m c T

-715500 = 10. 477 (t2 473)

t2 =(473- 373)-150

=50 C


43/62

Kalorimeter

Kalorimeter digunakan untuk mengukur nilai

kalor suatu zat atau spesifik heat

panas yang dilepaskan benda padat = panas

yang diterima oleh air ,dengan assumsi tidak

ada panas yang hilang

ms x c x(t2 -t) = mw x cp x(t-tt )


44/62

Contoh soal


45/62

Tekanan dan volume

Luasan pada P-V diagram menggambarkankerja selama proses

P

luasan = kerja = P (v2v1 )v1 v2

v

volume tekanan beban dari luar


46/62

Contoh soal

Gas diekspansikan dalam selinder dari volume

0,28 m ,menjadi 1,68 m ,tekanan 700 Kpa

dijaga konstan. Berapa kerja yang dihasilkan

Jawab :

Kerja (W) = P ( V2 V1)

= 700 ( 1,68 0,28 )

= 980 kJ


47/62

Conservasi energi

Energi dapat diubah kedalam bentuk energi

lain

Power station menguah energi bahan bakar

kedalam bentuk energi mekanik

Jumlah energi dalam suatu sistem konstan


48/62

Persamaan energi pada aliran stedi

Jumlah energi masuk sistem = jumlah energikeluar sistem

Energi potensial spesifik = g z (kJ)

Energi potensial = m g h ( kJ/kg)

Energi kinetik spesifik = C /2 ( kJ/kg)

Energi kinetik =m c /2 (kJ)

Energi dalamspesifik u (kJ/kg)

Energi dalam U (kJ)


49/62

Persaan energi pada aliran

Energi aliran spesifik ( deplacement energi ) == pv (kJ/kg)

Deplacement energi = PV (kJ)

Panas masuk atau panas keluar sistem panas masuk sistem Q positive

Panas keluar sistem Q negative

Tidak ada panas masuk atau keluar sistem Q =0

P i d li


50/62

Persamaan energi pada aliran

Kerja atau energi mekanik w

sistem menghasilkan kerja w positive

Sistem membutuhkan kerja w negative

masuk : P1V1,U1,C1 w

------ sistem (volume atur)

----------- keluar :p2v2,U2,C2

z1 Q z2

------------------------------------


51/62

Persamaan energi

Jumlah energi masuk sistem = jumlah energi

keluar sistem. Untuk setiap kg massa zat

gz1+u1+c1 /2+p1v1+Q = gz2 +u2+p2v2 +c2 /2

+w(1)

Jika

p1v1+u1 =h1 dan p2v2 +u2 = h

Maka persanaan 1 menjadi

gz1+h1 +c1/2 +Q = gz2 + h2 +c2 /2 +w.(2)


52/62

Contoh soal

Sistem aliran stedi ,laju aliran massa 4 kg/s. Tekanan masuk

sistem 620 kPa,kecepatan 300 m/s, energi dalam 2100 kg/s

Jika meninggalkn sistem tekanan 130 kPa,kecepatan 150 m/s

,volume spesifik 1,2 m /kg. Selama melewati sistem ada

panas yang hilang kelingkungan karena pendinginan 30 kJ/kgengan mengabakan energi potensial, maka apersamaan

eneginya .

U1 +p1v1 +c1/2Q = u2 +p2v2 +c2 /2 +w

Q negatif ,panas keluar sistem, maka

W = ( U1U2 ) + (c1 c2 ) + (p1v1- p2v2) Q

2


53/62

Lanjutan jawaban soal

Maka

W = (2100-1500) + (620 x 0,37130 x 1,2)+(300 150) -30

2 x 1000

W = 676,75 (kJ/kg)

Jika lju aliran massa 4 kg/s ,maka

W = 4 x 676,75

= 2707 (w)


54/62

Persamaan energi tanpa aliran

G1 + u1 + p1v1 + c1 /2 + Q = gz1 + u2 + p2v2 + c2/2 + W .(1)

Didalam sistem tertutup massa fluida selalu konstan, sehingga

pv dan c/2 diabaikan ,maka persamaan .(1) menjadi

U1 + Q = U2+W ..(2)

Maka

Q = (U2 U1) + W (3)

sering ditulis

Q = U + W (kJ) .(4)panas yang ditrasfer dari sistem ke lingkungan

Q = u + w (kJ/kg)..(5)

H k k l t di ik


55/62

Hukum ke nol termodinamika

Hukum ke nol mendasari hukum pertama ,

yaitu ketimbangan termal.

Jika dua benda terdapat beda terperatur

,digabungkan maka energi akan mengalir daritemperatur tinggi ke temperatur rendah,

seterusnya akan mencapai kesetimbangan


56/62

Hukum pertama termodinamika

Hukum ke 1 :

Hubungan panas dan kerja

Q = W ..(1)

Persamaan (1) panas diubah kebentuk kerja

atau sebaliknya.

Suatu proses yang dapat mengubah panas kebentuk kerja, tidak mungkin atau proses

reversible


57/62

Hukum ke 1 termodinmika

Persamaan 1 untuk menghitung non flow

energi ..

Q = u + w ..(2)

Untuk siklus

Q =w

kerja setiap siklus


58/62

Hukum kedua termodinamika

Clausius (1822-1888) : tidak mungkin panasdapat mengalir dari temperatur remdahketemperatur tinggi,kalau tidak ada energi

masukan. Aplikasi dari pernyataan ini untukheat pump dan refrigerasi

Lord Kelvin (1824-1907), tidak mungkinsemua energi panas dapat diubah kealam

kerja,pasti ada energi yang hilang. Aplikasi daripernyataan untuk mesin kalor


59/62

Gambar untuk hukum ke 2

mesin refrierasi

T2

Q2

w Rr T1 < T2

Q1 T1


60/62

Mesin kalor

T2

Q2

w T2 > T1

Q1

T1


61/62

Proses politropik (pv=c )

n indek politropik ,

n = 0 proses isobaris (tekanan konstan )

n = 1 proses isotermal (temperatur konstan)

n = proses adiabatis(tidak ada panas masuk

dan keluar )

n=


62/62

Uap air

Pembentukan uap :

Langkah pertama = pemanasan air dari temeraturawal sampai temperatur jenuh (sat)

Panas yang diperlukan disebut panas sensibel (hf) Langkah kedua = proses penguapan secara

isotermal dan isobaris sampai air menjadi uapkering (hg)

Panas yang dibutuhkan disebut panas latent (hfg)

Hg = hf +hfg

termodinamika dasar (1)

Documents