Engineering Thermodynamic D4 ME @13032016 Edited

(1)

Cover

Thermodinamika

Untuk Mahasiswa Politeknik

Penyusun:

George Endri Kusuma, ST, M.Sc.Eng

PROGRAM STUDI TEKNIK PERMESINAN KAPAL PROGRAM STUDI TEKNIK PERMESINAN KAPAL JURUSAN TEKNIK PERMESINAN KAPAL

(2)

(3)

(4)

Lembar persembahan

Untuk almarhumah ibuku

Mujinem

tas Cahaya kasihnya yang tiada batas

(5)

Anakku kalau kau tak sanggup menahan lelah karena belajar,

Kamu harus sanggup menahan derita karena kebodohan

(6)

Mata kuliah Thermodinamika pada pohon diagram mata kuliah di D4 teknik

permesinan kapal adalah merupakan mata kuliah dasar keahlian sebagai pijakan yang kuat

untuk mempelajari mata kuliah selanjutnya yang lebih aplikatif antara lain sistem pendingin

(heating ventilation and air conditioning), ducting design system, and marine external & internal combustion engine.

Dengan semakin tingginya tuntutan kualifikasi lulusan level D4 berdasarkan Kerangka

Kualifikasi Nasioanal Indonesia (KKNI) yang mengharuskan lulusan PPNS memiliki

kualifikasi level 6. Salah satu poin di level 6 lulusan harus mampu menyelesaikan pekerjaan

pada lingkup luas dengan dilengkapi dengan kemampuan menganalisis data oleh sebab itu bab

ini dilengkapi dengan data monitoring performansi sebuah unit pembangkit daya aktual di

industry untuk memberikan kesempatan kepada mahasiswa untuk belajar menganalisis data

aktual operasi sebuah unit pembangkit daya pada berbagai beban operasi.

Bab 1 dari buku thermodinamika ini berisi konsep dasar thermodinamika dan hukum

thermodinamika ke-0 dilanjutkan bab 2 berisi properti material murni/ideal yang dengan

pendekatan penyelesaiannya menggunakan persamaan gas ideal maupun persamaan gas non

ideal. Bab 3 dan 4 memuat tentang hukum thermodinamika 1 yang berisi tentang sistem

tertutup maupun sistem terbuka dengan memberikan sistem kontrol terhadap massa tetap

maupun kontrol terhadap volume. Bab 5 menjelaskan hukum thermodinamika 2 yang

memberikan konsep efisiensi dan juga reversibilitas dan irreverbilitas proses. Bab 6 dan 7

berisi tentang apliasi-aplikasi konsep thermodinamika pada tataran aplikasi untuk

pembangkitan daya dengan menggunakan fluida kerja steam maupun gas beserta kombinasi

keduanya. Bab 8 Siklus Refrigerasi dan Campuran Udara dan Uap Air.

Apa yang tertuang pada buku ajar ini hanyalah sekeping kecil dari inspirasi besar yang

dihadirkan oleh mahasiswa-mahasiswi jurusan Marine dan Piping Engineering-PPNS.

Ucapan banyak terima kasih atas masukan dan sharing sdri Agnesia Larastyawati dan sdr

Mochmmad Syaiful Bakri berupa foto-foto HRSG dan

gas turbine

nya hasil OJT di instalasi

pembangkit daya di Indonesia Power untuk perbaikan terus menerus buku ini untuk

menjadikan alat bantu mahasiswa politeknik untuk belajar dan berkembang.

Kusuma George

With all my heart for

&

Kata Pengantar

Wisanggeni Swasthi Bunda Santhi

(7)

Anakku kalau kau tak sanggup menahan lelah karena belajar,

Kamu harus sanggup menahan derita karena kebodohan

(8)

Daftar Isi

Cover ... ... ... i

Lembar persembahan ... ... i

Kata Pengantar ... ... ... iii

Bab 1 Konsep Dasar dan Hukum Thermodinamika ... ... 1

1.1. Sub Kompetensi ... ... 1

1.2. Uraian Materi ... ... 1

1.3. Pengenalan Konsep, Unit dan Definisi ... ... 1

1.3.1. Units (Satuan) ... ... 2

1.3.2. Gaya dan Kerja ... ... 3

1.4. Bentuk-Bentuk Energi ... ... 3

1.4.1. Potential energy (PE) ... ... 3

1.4.2. Kinetic Energy (KE) ... ... 4

1.4.3. Energi dalam (internal energy) ... ... 4

1.5. Sistem Thermodinamika ... ... 4

1.6. Properti dari Sebuah Sistem ... ... 5

1.6.1. Massa Jenis (Density) dan Spesifik Gravity ... ... 5

1.6.2. Temperatur (suhu) ... ... 6

1.6.3. Tekanan (pressure) ... ... 6

1.7. Kondisi (State) dan Kesetimbangan (Equilibrium) ... ... 9

1.8. Proses dan Siklus ... ... 9

1.9. Proses thermodinamika yang terjadi antara lain : ... ... 10

1.10. Proses aliran konstan (The Steady-Flow Process) ... 10

1.11. Hukum Thermodinamika ke Nol ... ... 10

1.12. Software untuk konversi satuan ... ... 11

1.13. Rangkuman ... ... 12

1.14. Referensi ... ... 12

1.15. Latihan Soal ... ... 12

1.16. Lembar Kerja ... ... 14

Bab 2 Properti Material Murni-Ideal ... ... 17

2.3. Perubahan Fasa, Tabel Properti dan Diagramnya ... ... 17

2.4. Daerah Kualitas ... ... 20

(9)

2.6. Persamaan Gas ideal ... ... 24

2.7. Non-Ideal Gas Behavior ... ... 25

2.8. Rangkuman ... ... 28

2.9. Referensi ... ... ... 28

2.10. Latihan Soal ... ... 29

2.11. Lembar Kerja ... ... 86

Bab 3 Hukum Termodinamika Ke-1 Untuk Sistem Tertutup ... 87

3.3. Hukum Thermodinamika Pertama ... ... 87

3.4. Persamaan Energy pada Sistem Tertutup ... ... 87

3.4.1. Heat (Q) ... ... 88

3.4.2. Work (W) ... ... 88

3.4.3. Internal Energy (u) ... ... 90

3.4.4. Enthalpy (h) - a New Property ... ... 92

3.5. Rangkuman ... ... 93

3.6. Referensi ... ... ... 93

3.7. Latihan Soal ... ... 93

3.8. Lembar Kerja ... ... 94

Bab 4 Hukum Termodinamika Ke-1 Untuk Sistem Terbuka ... ... 95

4.3. Konservasi Massa ... ... 95

4.4. Neraca Massa pada Proses Aliran yang Steady ... ... 96

4.5. Mass Balance Equation (Persamaan Neraca Massa) ... 97

4.6. Aliran Energi ... ... 97

4.7. Persamaan Energy Untuk Control Volume ... ... 98

4.8. Beberapa Peralatan Yang Menggunakan Prinsif Aliran Steady ... 99

4.8.1. Nozzles dan Diffusers ... ... 99

4.8.2. Turbin dan Kompressor ... ... 100

4.8.3. Throttling Valve ... ... 101

4.8.4. Mixing Chambers... ... 102

4.8.5. Heat Exchanger (Alat Penukar Panas) ... ... 104

4.9. Rangkuman ... ... 105

4.10. Referensi ... ... 105

4.11. Latihan Soal ... ... 106

(10)

Bab 5 Hukum Thermodinamika Ke-2 ... ... 111

5.3. Reservoar Energi Thermal... ... 111

5.3.1. Statement 1 dari Kelvin – Planck : ... ... 112

5.3.2. Statement 2 dari Clausius :... ... 112

5.4. Ekuilvalensi Statement Clausius dan Kelvin-Planck ... 113

5.5. Reversibilitas Mekanik dan Thermal ... ... 113

5.6. Teorema Carnot ... ... 114

5.7. Konsekuensi 1 Teorema Carnot: ... ... 115

5.8. Rangkuman ... ... 117

5.9. Referensi ... ... ... 117

5.10. Latihan Soal ... ... 118

5.11. Lembar Kerja ... ... 119

Bab 6 Siklus Gas Pembangkit Daya ... ... 121

6.3. Pengenalan Mesin Gerak Bolak Balik (Reciprocating Engines) ... 121

6.3.1. Siklus Mesin Diesel Standard (Compression-Ignition Engine)... 122

6.3.2. Mesin Standard Siklus Otto (“ Spark -Ignition engine ”) ... ... 132

6.4. Siklus Brayton: The Ideal Cycle for Gas-Turbine Engines ... 138

6.5. Modifikasi untuk Meningkatkan Efisiensi Kerja Gas Turbines ... 140

6.6. Modifikasi-Modifikasi pada Siklus Basic. ... ... 141

6.7. Rangkuman ... ... 142

6.8. Referensi ... ... ... 142

6.9. Latihan Soal ... ... 143

6.10. Lembar Kerja ... ... 145

Bab 7 Siklus Uap & Kombinasinya dengan Siklus Gas Pembangkit Daya ... 149

7.3. Siklus Carnot ... ... 149

7.4. Siklus Ideal Rankine ... ... 150

7.5. Diagram Tekanan -Enthalpy (P-h) ... ... 150

7.6. Metode-Metode untuk Menaikan Efisiensi Siklus Rankine Steam Power Plant ... 153

7.7. Siklus Steam Pembangkit Daya Ideal dengan Pemanas Ulang (Reheater) ... 156

7.8. Siklus Rankine Regenerasi – dengan Pemanas Terbuka dan Tertutup. ... 160

(11)

7.8.2. Siklus Rankine Dengan Pemanas Ulang – dengan Regenerasi Sistem Tertutup... 163

7.8.3. Siklus Regenerasi dengan Pemanas Ulang dengan Sistem Tertutup dan Terbuka. ... 167

7.9. Siklus Cogenerasi (Cogeneration cycle) ... ... 170

7.10. Siklus Pembangkit Daya Kombinasi Gas dan Uap ... 171

7.11. Data HRSG Load Calculation ... ... 173

7.12. Rangkuman ... ... 175

7.13. Referensi ... ... 175

7.14. Latihan Soal ... ... 175

7.15. Lembar Kerja ... ... 179

Bab 8 Siklus Refrigerasi dan Campuran Udara dan Uap Air ... ... 183

8.3. Mesin pendingin dan Pompa Kalor ... ... 183

8.4. Siklus Carnot Terbalik ( The Reversed Carnot Cycle) ... 184

8.5. Siklus Ideal Refrigerasi Kompressi Uap ... ... 185

8.6. Campuran Udara dan Uap Air ... ... 189

8.7. Grafik Psikrometri dan Proses Pengkondisian Udara ... 190

8.8. Menara Pendingin untuk Instalasi Pembangkit Daya Uap ... 194

8.9. Rangkuman ... ... 198

8.10. Referensi ... ... 198

8.11. Latihan Soal ... ... 198

8.12. Lembar Kerja ... ... 201

(12)

1.1. Sub Kompetensi

Kemampuan yang akan dimiliki oleh mahasiswa setelah memahami isi bab ini adalah sebagai berikut :

1. Mahasiswa mengetahui ruang lingkup bahasan termodinamika, daftar pustaka, tabel, konversi satuan dan juga penggunaan software konversi on line maupun off line 2. Mahasiswa memahami konsep dasar, definisi dan juga terminologi yang

berhubungan dengan teori dasar termodinamika

1.2. Uraian Materi

Beberapa konsep dan definisi yang harus dikuasai oleh mahasiswa untuk bisa memahami dan mengaplikasikan pengetahuian thermodinamika pada bidang engineering antara lain :

1. Konversi Satuan

2. Software konversi satuan

3. Konsep, definisi dari termodinamika 4. Termodinamika dan energi

5. Dimensi dan unit dalam termodinamika 6. Sistem terbuka dan sistem tertutup 7. Macam macam bentuk energi

8. Proses dan siklus, fungsi keadaan, tekanan, volume, temperatur dan hukum termodinamika ke -0

1.3. Pengenalan Konsep, Unit dan Definisi

Thermodinamika berasal dari kata thermo yg artinya panas (thermal) dan dinamika yang berarti pergerakan, sehingga thermodinamika adalah ilmu tentang energi panas dan pergerakan dimana di dalamnya terjadi proses penyimpanan energi dan perpindahan energi. Pada prinsipnya energi tidak dapat diciptakan maupun dimusnahkan, namun energi hanya dapat diubah bentuknya. Terdapat tiga bentuk energi tersimpan yaitu

Potential E nergy

(PE),

Kinetic E nergy

(KE), dan

I nternal

Energy

(U), selain itu terdapat dua bentuk perpindahan energi yaitu Work (W) dan

Heat (Q). Diantara keduanya terjadi interaksi yang didefinisikan dalam hukum thermodinamika I

Bab 1 Konsep Dasar dan Hukum

Thermodinamika

(13)

Gambar 1. 1 Contoh Penerapan T hermodinamika

Sumber : Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”

1.3.1. Units (Satuan)

Bab ajar ini banyak menggunakan satuan internasional (International System (SI)) untuk memudahkan pengerjaan berbagai soal keteknikan yang berhubungan dengan penerapan thermodinamika, namun tidak menutup kemungkinan menggunakan sistem satuan lain. Pada Tabel bawah ini ada beberapa awalan satuan yang sering digunakan :

Tabel 1. 1 Notasi Unit

Angka Notasi Simbol

10 Tera T 10 Giga G 10 Mega M 10 Kilo K 10 hecto h 10 deka da 10- centi c 10- milli m 10- micro µ 10- nano n 10- pico p

(14)

1.3.2. Gaya dan Kerja

Konsep tentang gaya dan kerja dapat dibahas melalui Hukum Newton II (

Newton' s

Second Law

) sebagai berikut

. .







Persamaan 1. 1

F adalah gaya dalam Newtons (N), m adalah massa dalam (kg), a percepatan

od













. Berdasarkan ( terori universal dari gravitasi), Berat (

Weight)

dari tubuh didefinisikan sebagai gaya yang bekerja pada tubuh diakibatkan percepatan gravitasi sebesar 9.807 [m/s2]. Pada point ini akan ada kerancuan apabila kita menggunakan satuan british, disebabkan satuan massa maupun gaya hanya menggunakan satu jenis satuan yaitu 1 lb (pound). Padahal keduanya berhubungan dengan hukum Newton II. Sehingga untuk membedakannya digunakan 2 istilah yaitu pound massa (lb massa = lbm) dan pound gaya (lb force = lbf). Jika percepatan gravitasi g = 32.2 [ft/s2], maka akan didapatkan :

1  32.2 .

_



Cara lain dapat menggunakan satuan baru untuk massa yaitu “slug”, dimana 1slug=32.2 lbm.

“K erja” (W) yang dilakukan, merupakan proses perpindahan energi yang membutuhkan adanya gaya (F) dan perpindahan (x). Jika gaya (F) besarnya konstan pada jarak perpindahan (x), maka kerja dapat didefinisikan sebagai berikut:

 ..

Persamaan 1. 2

W is the work done in Joules (J) , F is the force in Newton (N), X is the distance moved in meter (m)

Kerja merupakan penjumlahan total dari semua penambahan proses kerja, maka bentuk persamaan integral untuk menjelaskan kerja adalah sebagai berikut:

 ∫

Persamaan 1. 3

1.4. Bentuk-Bentuk Energi

Sebuah benda padat akan memiliki beberapa bentuk energi diantarnya energi potensial, kinetik dan energi internal.

1.4.1. Potential energy (PE)

Energi potensial dipengaruhi oleh posisi elevasi, sehingga dapat didefiniskan sebagai bentuk kerja yang dibutuhkan untuk mengangkat benda dari satu titik level acuan menuju ke titik yg lain pada percepatan konstan g [m/s2]. Maka dapat dirumuskan sebagai berikut:

(15)

1.4.2. Kinetic Energy (KE)

Energi kinetic dari sebuah massa berhubungan dengan kecepatan yang dimilikinya [m/s] dan dapat didefiniskan sebagai sebuah kerja yang dibutuhkan untuk mengubah kecepatan yang dimiliki sebuah massa, sbb :

∫.∫..∫.





Persamaan 1. 5

Kecepatan

̅



integrasi

̅



to

̅



∫ .̅̅.

_



_







−

_





.∆

Persamaan 1. 6

1.4.3. Energi dalam (internal energy)

Energi dari sebuah benda berhubungan dengan aktivitas molekul yang diindikasikan berupa parameter temperaturnya, dapat juga dipahami sebagai panas yang

dibutuhkan untuk mengubah temperature dari sebuah material yang memiliki kapasitas panas specifik [J/kg.°C], sesuai formula :

 .

Jg

.°C.∆°C.∆

Persamaan 1. 7

1.5. Sistem Thermodinamika

Untuk tujuan memudahkan analisis maka dipergunakan 2 macam tipe system Thermodinamika:

Sistem Tertutup (Closed System ) – (sistem tertutup mengacu pada sebuah system dengan kontrol massa). Sistem ini dibatasi oleh batasan fisik. Energi berubah dalam bentuk kerja atau panas yang mampu melewati lapisan tanpa diikuti aliran massa.

Salah satu contoh pada system tertutup adalah system pada silinder – piston dimana massa yang konstan berada di dalam silinder :

Gambar 1. 2 Sistem Tertutup (Closed system)

Sumber : Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic”

Sistem Terbuka (Open System) – perlakuan control terhadap volume. Untuk menghasilkan kerja atau energi panas, massa sebagai fluida kerja mengalir melampaui batas system melalui sisi masuk dan sisi keluarnya. System terbuka dengan kondisi aliran konstan (steady flow control volumes) sehingga massa fluida kerja yang mengalir pada system satuan waktu akan konstan pula.

(16)

Aliran massa masuk [kg/s] = aliran massa keluar [kg/s]).

Gambar 1. 3 Control Volume Sebuah Sistem

1.6. Properti dari Sebuah Sistem

Pada system terbuka, properti parameter dapat digolongkan menjadi 2, yaitu intensive property seperti Tekanan- pressure (P), Temperatur -temperature (T), Volume-volume (V) dan mass (m). Sedangkan Extensive property (Specific) ditentukan oleh massa dari sebuah sistem dan sangat berbeda dibanding property intensive yang independen/ tidak dipengaruhi oleh besar massa nya, sebagai contoh tekanan dan temperatur.

Dua (2) contoh parameter property extensive adalah :

  

_{ }



_{ }





   ()   

  

1.6.1. Massa Jenis (Density) dan Spesifik Gravity

Massa jenis (Density) didefinisikan sebagai besar massa per satuan volume:

ρ



V



g





Persamaan 1. 8

kebalikan dari density adalah volume spesifik, dimana didefiniksan sebagai besar volume per satuan massa ,

v

V











=



ρ Persamaan 1. 9

Namun sering kali di industri density dari sebuah material berupa besaran relatif terhadap density material lain yang sudah umum dikenal, kemudian disebut sebagai density relatif atau specific gravity. Specific grafity merupakan perbandingan (rasio) antara density dari material tertentu terhadap density material standard pada temperature spesifik tertentu (material standard yaitu air pada suhu 4°C, dengan

(17)

SG

HO

ρ ρ

Persamaan 1. 10 Tabel 1. 2 Specific Gravity of A Substance is a

Dimensionless Quantity

Berat dari satu satuan volume suatu material disebut berat jenis dan dirumuskan sbb :

γ

 = ρ.g

Persamaan 1. 11

dimana g adalah percepatan gravitasi .

Density dari liquid pada dasarnya konstan, sebab sifat liquid yang tidak bisa dikompresi (incompressible substances) sehingga volume material tersebut tidak berubah.

1.6.2. Temperatur (suhu)

Temperatur merupakan ukuran dari aktivitas molekul. Dengan adanya perbedaan temperatur antara 2 benda yang saling berhubungan akan menyebabkan terjadinya proses perpindahan panas diantara benda tersebut. Beberapa satuan temperature

diantaranya Fahrenheit dan Celcius, dan untuk mengerjakan proses thermodinamika yang menggunakan persamaan gas ideal dibutuhkan temperature absolut yaitu Rankine dan Kelvin:

1.6.3. Tekanan (pressure)

Satuan dasar dari tekanan adalah Pascal [Pa], namun untuk penggunaan yg lebih praktis digunakan kiloPascal [kPa], bar [100 kPa] or atm (atmosphere) [101.32 kPa].

Pengertian tekanan Alat Ukuar (Gage) dan tekanan absolute dapat dijelaskan pada gambar dibawah ini :

(18)

Gambar 1. 4 Tekanan Absolut Diatas Tekanan Atmosfer dan Dibawah Atmosfer

Metode dasar untuk mengukur tekanan sebuah obyek dapat digunakan alat Manometer yang prinsip kerjanya dapat dijelaskan dibawah ini :

(19)

Gambar 1. 5 Contoh Pressure

Gambar 1. 5 Contoh Pressure Gauge yang TerpasangGauge yang Terpasang Foto koleksi pribadi (Pontianak-kalbar 2009) Foto koleksi pribadi (Pontianak-kalbar 2009) Contoh soal 1.0

Contoh soal 1.0

Tampak Gambar 1.10 sebuah alat ukur tekanan terpasang pada jalur pipa yg dialiri Tampak Gambar 1.10 sebuah alat ukur tekanan terpasang pada jalur pipa yg dialiri gas apabila jalur pipa tsb terpasang pada daerah pegunungan dengan tekanan udara gas apabila jalur pipa tsb terpasang pada daerah pegunungan dengan tekanan udara luar 0.98 Atm. Berapa tekanan alat ukur (pressure gauge) gauge dan tekanan absolut luar 0.98 Atm. Berapa tekanan alat ukur (pressure gauge) gauge dan tekanan absolut gas yang mengalir pada jalur pipa dalam satuan Mpa ??

gas yang mengalir pada jalur pipa dalam satuan Mpa ?? Diketahui

Diketahui Data Data sbb sbb ::

Langkah 1 : check semua data yg ada !! Langkah 1 : check semua data yg ada !! Satuan

Satuan tekanan tekanan yg yg ada ada di di pressure pressure gauge gauge = = BarBar Check

Check nilai nilai nya nya = = 15.215.2 Tekanan

Tekanan udara udara luar luar atmosfer atmosfer = = 0.98 0.98 AtmAtm Langkah 2

Langkah 2 : Gunakan : Gunakan data yang data yang diketahui diketahui !!

1 bar = 100 kPa sehingga 15.2 Bar = 1520 kPa = 1,520 Mpa 1 bar = 100 kPa sehingga 15.2 Bar = 1520 kPa = 1,520 Mpa 1 Atm = 101,32 kPa sehingga 0.98 Atm

1 Atm = 101,32 kPa sehingga 0.98 Atm = 99.298 kPa = 0,099298 Mpa= 99.298 kPa = 0,099298 Mpa sehingga tekanan :

sehingga tekanan :

pressure gauge = 1,520 Mpa pressure gauge = 1,520 Mpa

tekanan absolut = 1,520 Mpa +

(20)

1.7.

1.7. Kondisi (State) dan

Kondisi (State) dan

Kesetimbanga

n (Equilibrium)

Kondisi sebuah system dapat dijelaskan melalui besaran-besaran (parameter) dari Kondisi sebuah system dapat dijelaskan melalui besaran-besaran (parameter) dari property intensive.

property intensive.

Gambar 1. 6 Contoh Sistem yang Berada pada 2 Kondisi Gambar 1. 6 Contoh Sistem yang Berada pada 2 Kondisi Sumber : Yunus A Cengel, 1994

Sumber : Yunus A Cengel, 1994 , “Thermodynamic, an Engineering Approach” , “Thermodynamic, an Engineering Approach”

Kondisi setimbangan

Kondisi setimbangan Equilibrium Equilibrium dapat didefinikan sebagai sebuah kondisi dimana dapat didefinikan sebagai sebuah kondisi dimana tidak ada perbedaan temperatur dan tekanan terhadap efek perubahan waktu tidak ada perbedaan temperatur dan tekanan terhadap efek perubahan waktu (transient effects).

(transient effects).

Gambar 1. 7 Sebuah Sistem yang Mencapai Kondisi Kesetimbangan Thermal. Gambar 1. 7 Sebuah Sistem yang Mencapai Kondisi Kesetimbangan Thermal. Sumber : Yunus A Cengel, 1994,

Sumber : Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”“Thermodynamic, an Engineering Approach”

1.8.

1.8. Proses dan Siklus

Proses dan Siklus

Proses

Proses (process)(process) merupakan perubahan kondisi sebuah system dari kondisi awal merupakan perubahan kondisi sebuah system dari kondisi awal menuju kondisi akhir akibat adanya interaksi energi (kerja atau panas) dengan menuju kondisi akhir akibat adanya interaksi energi (kerja atau panas) dengan lingkungan sekitarnya. Sebagai contoh adalah diagram dari sistem proses kompresi lingkungan sekitarnya. Sebagai contoh adalah diagram dari sistem proses kompresi pada peralatan piston dan silinder :

pada peralatan piston dan silinder :

Gambar 1. 8 Proses Gambar 1. 8 Proses Sumber : Yunus A Cengel, 1994,

(21)

1.9.

1.9. Proses thermodinamik

Proses thermodinamik

a yang terjadi antara lain

:

Tabel 1. 3 Macam-Macam Proses Thermodinamika Tabel 1. 3 Macam-Macam Proses Thermodinamika

No

No Macam Macam proses proses Pengertian Pengertian Batasan parameterBatasan parameter 1

1 Isothermal Isothermal Proses Proses thermodinamika thermodinamika yang yang terjadi terjadi padapada temperature konstan (constant temperature konstan (constant temperature process)

temperature process)

T= Konstan atau T= Konstan atau

∆0

2

2 Isochoric Isochoric or or Isometric Isometric Proses Proses thermodinamika thermodinamika yang yang terjadi terjadi padapada volume konstan (constant volume volume konstan (constant volume process)

process)

V= konstan atau

∆0

3

3 Isobaric Isobaric Proses Proses thermodinamika thermodinamika yang yang terjadi terjadi padapada tekanan

tekanan konstan konstan (constant (constant pressurepressure process)

process)

P= konstan atau

∆0

4

4 Adiabatic Adiabatic Proses Proses thermodinamika thermodinamika yang yang terjadi terjadi padapada saat dimana tidak prosesnya panas masuk saat dimana tidak prosesnya panas masuk maupun keluar dari sistem

maupun keluar dari sistem

Q= konstan atau

∆0

Sebuah sistem dikatakan sebagai

Sebuah sistem dikatakan sebagai cyclecycle (siklus) pada saat urutan proses yg terjadi(siklus) pada saat urutan proses yg terjadi akan menuju ke kondisi awal terjadinya proses siklus tersebut.

akan menuju ke kondisi awal terjadinya proses siklus tersebut.

1.10.

1.10. Proses aliran konstan (The Steady-Flow Process)

Proses aliran konstan (The Steady-Flow Process)

Pengertian steady/konstan adalah tidak ada perubahan suatu kondisi terhadap waktu. Pengertian steady/konstan adalah tidak ada perubahan suatu kondisi terhadap waktu. Kebalikan dari proses ini adalah aliran tidak konstan/unsteady atau transient. Kebalikan dari proses ini adalah aliran tidak konstan/unsteady atau transient. Implikasi dari proses konstan adalah tidak ada perubahan pada lokasinya terhadap Implikasi dari proses konstan adalah tidak ada perubahan pada lokasinya terhadap area yg sudah ditentukan.

area yg sudah ditentukan.

Gambar 1. 9 Aliran steady

Gambar 1. 9 Aliran steady (Steady flow)(Steady flow)

Sumber : Yunus A Cengel, 1994,

Sumber : Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”“Thermodynamic, an Engineering Approach”

1.11.

1.11. Hukum Thermodinamika ke Nol

Hukum Thermodinamika ke Nol

Hukum thermodinamika menjelaskan terjadinya proses perpindahan panas pada dua Hukum thermodinamika menjelaskan terjadinya proses perpindahan panas pada dua benda

benda yang yang berbeda berbeda suhu suhu pada pada saat saat disentuhkan disentuhkan sehingga sehingga pada pada kondisi kondisi akhir akhir akanakan tercapai kesetimbangan suhu (

tercapai kesetimbangan suhu (thermal equilibriumthermal equilibrium) dengan ditandai temperatur yg) dengan ditandai temperatur yg sama kedua benda tersebut.

(22)

Gambar 1. 10 Thermal Equilibrium

1.12. Software untuk konversi satuan

Beberapa software yang bisa digunakan sebagai alat bantu konversi satuan yang bisa dijalankan pada kondisi offline maupun online antara lain :

Sofware converter Offline 1. ChemiX

Gambar 1. 11 Chemix converter

2. Converter

Gambar 1. 12 Tampilan software converter

3. Software Converter Online

(23)

1.13. Rangkuman

Force/gaya yang bekerja Work/kerja yang dihasilkan Energi potensial

Energi Kinetik Density/massa jenis Specific gravity

Weight specific/berat jenis

Pressure gauge dan absolute pressure

1.14. Referensi

Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic”, http://www. Ohio.edu Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”

1.15. Latihan Soal

Tugas Terstruktur 01

Gambar Storage Tank (@2009 private collection)

1. Sebuah storage tank terminal memiliki 3 unit storage tank (tanki timbun) yg akan diisi dengan minyak High Speed Diesel (HSD) bertemperatur 300C

(24)

dengan density 887.5





, apabila setiap storage tank memiliki dimensi identik yaitu diameter storage tank 22 meter dan tinggi 35 meter,

a) Jika pada kondisi eksisting tinggi minyak HSD dari level terbawah 17,652 m. Berapa Ton stock minyak HSD yang dimiliki ?

b) Apabila akan dilakukan unloading HSD dari tanker vessel dengan tonase 8000 ton, berapa storage tank yang dibutuhkan untuk proses tsb ?

c) Apabila tersedia pompa dengan kapasitas 500 m3/jam berapa jam yang dibutuhkan untuk melakukan proses unloading HSD tersebut ?

Note :

Volume maksimal HSD pada storage tank didesain 97.5 % dari volume maksimal tank.

2. Sebuah pipeline untuk memindahkan crude oil dari sumur explorasi ke refinery yang menggunakan pipa stainless steel dengan diameter 12 inch schedule 80. Total panjang pipeline mencapai 30 km, apabila tekanan crude oil adalah 3 bar(g) dengan temperatur 500C dengan density rata-rata 925 kg/m3. Apabila jalur pipa terisi penuh berapa stock crude oil yang tersimpan dalam pipeline ? 3. Rencanakan dimensi sebuah tangki penampung air berbentuk silinder dengan

kapasitas 30 ton pada temperature 270C dengan tekanan operasi 1,2 Atm apabila owner menginginkan tanki tersebut bisa ditempatkan ruangan yang memiliki panjang 5 meter dan lebar 5 meter? dan berapa kapasitas pompa yang akan dibutuhkan mengisinya tanki tersebut sampai penuh dalam m3/hr selama 2 jam operasi pompa ?

Note :

Untuk menjaga safety agar operasional Storage tank maka Tinggi fluida air maksimal pada storage tank didesain 98% dari tinggi dinding storage tank

(25)

1.16. Lembar Kerja

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

(26)

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

(27)

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

(28)

2.1. Sub Kompetensi

Mahasiswa mampu memahami konsep dari material murni beserta karakteristiknya dengan pendekatannya dengan persamaan gas ideal dan tidak ideal.

2.2. Uraian Materi

Setelah mahasiswa memahami konsep dan definisi thermodinamika dari bab ajar 1 maka pada bab ajar berikut ini, mahasiswa dapat melanjutkan pemahamannya akan topic-topik:

1. Materi murni

2. Fasa( Phase) material murni 3. Phase dan proses perubahannya

4. Persamaan gas ideal dan gas tidak ideal 5. Diagram perubahan fasa

6. Tabel sifat zat (properties)

2.3. Perubahan Fasa, Tabel Properti dan Diagramnya

Di bab ini dibahas tentang nilai besaran parameter dan hubungannya dengan material murni sebagai sebagai salah satu contohnya adalah air yang bisa berada pada 3 macam fasa yaitu padatan,cair dan gas. Namun pada bab ini tidak membahas fasa padatan.

Untuk menunjukan interaksi dalam perubahan fasa yang terjadi pada perusahan fasa air, dilakukan experiment dengan menggunakan silinder piston yang diisi air dengan kondisi awal temperatur 20°C and dan tekanan 100kPa absolut. Panas diberikan pada silinder terus menerus namuan tekanan dijaga konstan hingga temperature dari air naik mencapai suhu 300°C, dimana perubahan property parameter yang terjadi ditunjukan pada diagram T-v (grafik hubungan temperatur vs volume spesifik):

(29)

Gambar 2. 1 T-v Perubahan Fasa untuk Air

Sumber: Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic”

Proses Dari Kondisi (1) Ke (2),

Air pada saat dipanaskan tetap terjaga fasanya tetap cair sehingga nilai volume spesifiknya naik sedikit hingga temperature mendekati 1000C (kondisi 2) yang disebut saturated liquid (cairan jenuh). Energi panas yang dibutuhkan untuk mengubah kondisi air dari 1-2 dimana hanya terjadi kenaikan temperatur dari suhu 200C menjadi 1000C tanpa diikuti perubahan fasa ini disebut panas sensibel (sensible heat.)

Proses Dari Kondisi (2) Ke (3)

Pada proses ini air terus diberi energy panas secara terus menerus maka fasa air akan berubah dari fasa cair sedikit demi sedikit menjadi uap (gas) saat mana temperatur tetep terjaga pada 1000C, Temperatur dimana terjadi perubahan fasa dari massa air jenuh menjadi uap inilah yang disebut sebagai temperatur jenuh (saturated

temperature Tsaturated).

Proses Dari Kondisi (3) Ke (4)

Apabila pemberian panas terus diberikan sampai tidak ada cairan yang tertinggal di dalam silinder (kondisi 4) kondisi ini yang disebut sebagai kondisi uap jenuh (saturated vapor). Energi panas yang dibutuhkan untuk mengubah kondisi fasa cair dari kondisi 2 sampai kondisi 4 fasa uap pada dalam kondisi T konstan hanya ada proses perubahan fasa dari liquid menjadi vapor disebut panas latent (latents heat)

Proses dari kondisi (4) ke (5)

Jika proses pemberian panas terus diberikan hingga terjadi perubahan temperatur uap ( saturated vapor) dari suhu 1000C menjadi 3000C pada kondisi 5 maka dapat disimpulkan uap sudah melebihi temperature jenuhnya disebut kondisi Uap Panas Lanjut ( Superheated vapor).

1. Dinamakan panas apa yg dibutuhkan untuk mengubah kondisi 4 ke kondisi 5?

(30)

3. Apa yang dimaksud proses kondensasi (condensation)? 4. Apa yang dimaksud temperatur boiling? dimana posisinya ? Catatan penting :

Hal penting yang perlu diperhatikan adalah selama proses berlangsung maka spesifik volume dari air akan naik terus menerus dengan kelipatan pangkat 2, sehingga untuk mem plot kan di diagram diperlukan penggunaan skala log untuk menunjukan nilai specific volume pada nilai aksis x .

Jika experiment tersebut dilakukan secara berulang-ulang dengan memberikan variasi tekanan maka ada dihasilkan diagram seperti dibawah ini :

Gambar 2. 2 Diagram T-v untuk air

Catatan penting pada diagram :

Pada saat dilakukan kenaikan tekanan yang diberikan maka luas area diantara kondisi cair jenuh dan kondisi uap jenuh akan semakin berkurang hingga didapatkan hanya berupa satu titik dimana cairan akan bisa langsung berubah menjadi uap yang disebut sebagai titik kritis (Critical Point), tanpa akan ada perubahan cair fasa liquid ke vapor secara bertahap.

Pada saat titik kondisi saturated liquid dihubungkan dengan titik kondisi titik saturated vapor akan didapatkan diagram seperti dibawah ini :

(31)

Gambar 2. 3 T-v Diagram untuk air

Dari diagram diatas dapat didapatkan garis jenuh (saturation lines) yang didefiniskan sebagai daerah yg dinamakan daerah compressed liquid, daerah kualitas uap (quality region) dan daerah superheated atau dinamakan Transcritical region) yang berada disebelah kanan saturated vapor line dan diatas critical point.

Kita dapat menggunakan Property Tables untuk dapatkan nilai dari berbagai parameter kondisi diatas . Di lampiran diberikan beberapa table property dari steam,

Refrigerant R134a, dan Carbon Dioxide.

2.4. Daerah Kualitas

Daerah kualitas Quality Region (mengacu pada daerah dimana terdapat campuran antara cairan jenuh dengan fasa uap (Saturated Liquid-Vapor Mixture Region) yaitu daerah dilingkungi (dibatasi) oleh garis cair jenuh dan garis uap jenuh. Sehingga disetiap titik di daerah ini menunjukan kualitas dari campuran cair dan uap (yang mengacu pada factor kekeringan campuran (x)) yang dirumuskan sebagai perbandingan antara massa uap dibagi massa campuran uap dan cairan. Dan daerah

(32)

Gambar 2. 4 T-v diagram untuk air

Sebagai catatan penting : property yang berhubungan dengan fasa cair jenuh akan diberi notasi bawah

f ( fluid)

dan untuk fasa uap jenuh diberi notasi

g (gas).

Untuk bisa melakukan evaluasi kualitas dari sebuach campuran antara cairan jenuh dan uap jenuh dapat dirumuskan dibawah ini.

Gambar 2. 5 Fasa Campuran Dari Fasa Liquid Dan Fasa Uap

Catatan penting dari steam property tables, di table dapat ditemukan 3 properti yang lain antara lain : internal energy u [kJ/kg], enthalpy h [kJ/kg], and entropy s [kJ/kg.K].

(33)

2.5. Diagram P-v dari air

Dari diagram T-v diatas sudah didpatkan pendekatan suatu kondisi dengan 2 macam properti intensif yaitu T dan v. Untuk lebih dapat memahaminya fenomena tsb lebih dalam maka diagram diatas didekati properti ekstensif yaitu Pressure dan volume spesifik pada diagram P-v, dimana pada diagram P-v tersebut juga dapat dilihat efek temperature (T).

Gambar 2. 6 P-v diagram untuk air

Catatan penting untuk memudahkan dalam menggambarkan efek tekanan dan volume spesifik sebagai akibat besarnya skala perubahan nilainya maka digunakan skala log untuk mem-plot-nya pada diagram P-v.

Contoh Soal 2.0

Two kilograms of water at 25°C are placed in a piston cylinder device under 100 kPa pressure as shown in the diagram (State (1)). Heat is added to the water at constant pressure until the piston reaches the stops at a total volume of 0.4 m3 (State (2)). More heat is then added at constant volume until the temperature of the water reaches 300°C (State (3)). Determine (a) the quality of the fluid and the mass of the vapor at state (2), and (b) the pressure of the fluid at state (3).

Langkah 1: SELALU !! gambar diagram yg lengkap dengan parameter dari setiap kondisi dan proses yg terjadi, termasuk didalamanya informasi yang relevan

(34)

dengan diagram. Pada contoh kasus diatas, ada 3 macam kondisi dan 2 macam proses yaitu ( proses tekanan konstan dan volume konstan).

Proses Perubahan Fasa Dari Liquid Ke Fasa Campuran Hingga Fasa Uap

Langkah 2 : pada kasus yg merupakan system tertutup dengan disertai perubahan fasa dari fluida, SELALU gambar sketch diagram T-v atau P-v yang dapat menggambarkan kondisi dan proses yang relevan pada diagram. Walaupun diagram tidak digambarkan sesuai kondisi skala sebenarnya namun hal ini tetap akan membantu dalam memahami proses yang ada dan solusi pendekatannya. Pada kasus steam, kita bisa tentukan variasi nilai dari steam tables dan gambarkan nilai tersebut pada diagram, yang bisa ditunjukan dibawah ini:

Perubahan fasa pada diagram T-v

(35)

kualitas (x) dari campuran =

[





−





−



]

.−.

.−.

0.118

besar mass dari uap air pada kondisi 2 :



_{ → }



_

.0.1182 0.235 

Perhatikan kondisi (3), pada kasus diatas tidak menyebutkan apakah kondisi 3 dalam kondisi daerah superheated? Jadi kita perlu menemukan terlebih dahulu berapa volume spesifik pada konsisi saturated vapor vg pada temperature 300°C.

Nilainya vg adalah 0.0216 m3 / kg, yang mana lebih kecil daripada volume spesifik

dari v3 of 0.2 m3 / kg, kemudian tempatkan kondisi (3) pada daerah superheated.

Dua property intensive yg bisa digunakan untuk menentukan titik (3) adalah T3 =

300°C, dan v3 = 0.2 m3 / kg. Dengan melihat superheat tables kita temukan bahwa

nilai terdekat terletak pada 1.2 MPa and 1.4 MPa, sehingga dengan menggunakan teknik interpolasi linear dapat ditentukan tekanan actual P3 seperti dibawah ini :

2.6. Persamaan Gas ideal

Berdasarkan diagram dan table diatas didapatkan bahwa area superheated memiliki volume specific yang jauh lebih tinggi daripada pada titik kritis, maka hubungan antara parameter P-v-T dapat lebih mudah dijelaskan dengan persamaan gas ideal yang memiliki angka akurasi tinggi.

P v = R T Persamaan 2. 1

Dimana R adalah kontansta gas universal ( Gas Constant)

Catatan Penting : Pada persamaan gas ideal diatas maka parameter tekanan (P) dan temperature (T) HARUS dalam bentuk nilai absolutnya. Perhatikan contoh diagram T-v dibawah ini :

(36)

Gambar 2. 7 Error value pada diagram T-v

Zona yang berwarna pada diagram mengidentifikasikan daerah tersebut dapat ditunjukan sebagai daerah yg dapat didekati dengan persamaan gas ideal dengan angka error (keakuratan) dibawah 1 %. Sedangkan daerah pada titik kritis akan memberikan error 330%,





_





.

↔

..

_.





Persamaan 2. 2

8.314[ 

_{.] ℎ   }

[ 

_{.] ℎ    ℎ }

Untuk udara

0.287

.



dan untuk air

0.4615

.



Tiga macam persamaan gas ideal yang sering digunakan :

..   

Persamaan 2. 3

..  



 

Persamaan 2. 4

...  



  

Persamaan 2. 5

2.7. Non-Ideal Gas Behavior

Dengan pendekatan gas ideal dapat disimpulkan daerah didekat titik kritis (critical point) pada diagram T-v dan P-v akan memberikan angka error yg besar pada saat persamaan gas ideal diterapkan. Sehingga untuk meningkatkan angka akurasi maka

(37)

digunakan persamaan gas non ideal yang memasukkan faktor mampu tekanan (compressibility factor) Z dari material yg tersebut :

Pv = Z RT maka



..



Persamaan 2. 6

Ketika factor kemampuan tekan (compressibility factor Z) mendekati 1 maka gas tersebut mendekati sifat-sifat gas ideal. Pada kondisi temperatur dan tekanan yang sama maka factor compressibility dapat dirumuskan dengan persamaan :





_



_{}

Persamaan 2. 7

Setiap fluida akan memiliki titik tekanan kritis PCR dan temperatur kritis TCR yang

berbeda beda dan dapat diperoleh dari Table of Critical Point Data of Various Substances.

Principle of Corresponding States menyatakan bahwa kita dapat normal kan nilai tekanan dan temperature dengan critical values dengan formula sbb :

  









_

_



Persamaan 2. 8

  









_

_



Persamaan 2. 9

Semua fluida yg sudah dinormalisasikan akan memberikan sifat yang mirip beberapa % dengan sifat gas non ideal, dan semua nilai tsb bisa di plot pada grafik Generalised compressibility . Ada banyak grafik yang tersedia untuk menjelaskan sifat tsb, namun kita lebih suka menggunakan grafik Lee-Kesler (logarithmic) Compressibilty Chart, Dan fungsi dari grafik tsb dapat ditunjukan di contoh soal dibawah ini :

Contoh Soal 2.1

Carbon Dioxide gas is stored in a 100 liter tank at 6 MPa and 30°C. Determine the mass of CO2 in the tank based on (a) values obtained from the CO2 tables of data, (b)

the ideal gas equation of state, and (c) the generalized compressibility chart. Compare (b) and (c) to (a) and determine the percentage error in each case.

Solution Approach:

Langkah 1 : Kita tentukan data titik kritis untuk CO2 dari Table of Critical Point Data

of Various Substances

(38)

kta akan bisa plot kan nilainya pada grafik Generalized Compressibility Chart untuk menentukan nilai dari Compressibility Factor, seperti dapat digambarkan dibawah ini :

Gambar 2. 8 Lee-Kesler Simple Fluid Compressibility Factor

Nilai actual dari volume spesifik va dapat diperoleh dari CO2 Superheat Tables

Nilai actual Va = 0.00588







Maka massa aktual ma =









.

. 





17.14 

Menggunakan Persamaan ideal gas equation of state :

P





= RT

→





.



Dimana nilai R = 0.1899



.







[.] 0.1899 [

6000  0.00954 

.].303 





→  





_

 0.1 

_0.00954



_{10.5   ℎ 39% }



Menggunakan Compressibility factor Z :

(39)





0.62.0.00954

0.00591 







→ 





_

 0.1 

_{0.00591 }



_{16,9   1% }



Menggunakan compressibility factor Z : Pv = Z RT

→

..



Ketentuan umum yang bisa kita gunakan adalah jika kondisi P << PCR atau jika T

>> TCR maka kita kemungkinan dapat menggunakan persamaan gas ideal. Namun

untuk le bih menjamin ketelitian dalam perhitungan “Selalu” periksa Compressibility Factor Z pada Compressibility Chart.

2.8. Rangkuman

Perubahan fasa liquid, saturated, mixture hingga superheated Diagram property

Non-Ideal Gas Behavior Pv = Z RT maka



..

 







Tekanan kritis PCR dan temperatur kritis TCR yang

  



[





_

]

  



[





_

]

2.9. Referensi

Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic” http://www. Ohio.edu Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”

(40)

2.10. Latihan Soal

Tugas terstruktur 1

Soal A

Lengkapilah data berikut dengan pengetahuan pembacaan table properties of water yang sudah anda miliki setelah membahas bab 2

No Pressure T (0C) Volume specific (m3/kg) x Enthalpy (kJ/kg) Phase 1 ...Bar (abs) 105 ... x = 0 ... 2 24 Bar (g) ... ... ... Saturated vapor 3 ... (in abs) 200 ... ... Saturated liquid 4 5 Bar (g) ... ... x = 100 % ... 5 30 Bar(abs) ... ... x = 75% ... 6 50 Bar(abs) 400 ... ... 7 29 Bar (g) 600 ... ... 8 ... (in abs) 325 ... ... Saturated

liquid 9 2 Bar (g) ... 0.6058 ... ... 10 9 Bar (abs) ... 0.1700 ... ...

Note : 1 Atm = 1 bar

Soal B

Lengkapilah data berikut dengan pengetahuan pembacaan table properties of water yang sudah anda miliki setelah membahas bab 2

No Pressure T (0C) Volume specific (m3/kg) x Enthalpy (kJ/kg) Phase 1 ...Bar (abs) 125 ... x = 0 ... 2 69 Bar (g) ... ... ... Saturated liquid 3 ... (in abs) 300 ... ... Saturated vapor 4 3 Bar (g) ... ... x = 100 % ... 5 15 Bar(abs) ... ... x = 0.5 ... 6 25 Bar(abs) 400 ... ... 7 79 Bar (g) 600 ... ... 8 ... (in abs) 345 ... ... Saturated

vapor 9 4 Bar (g) ... 0.3749 ... ... 10 15 Bar (abs) ... 0.1000 ... ...

(41)

2.11. Lembar Kerja

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

(42)

3.1. Sub Kompetensi

 Mahasiswa mampu memahami konsep hukum termodinamika ke-1 yang diterapkan pada sistem tertutup dimana pemahaman itu berfungsi sebagai teori pendekatan pada mesin konversi energi

3.2. Uraian Materi

Setelah mahasiswa memahami konsep dan definisi thermodinamika dari bab ajar 1 maka pada bab ajar berikut ini, mahasiswa dapat melanjutkan pemahamannya akan topic-topik:

1. Konsep dari panas dan kerja 2. Hukum termodinamika ke-1 3. Persamaan bentuk kerja 4. Panas spesifik

5. Energi dalam (internal energi), entalphi, dan panas spesifik gas ideal 6. Energi dalam (internal energi),entalphi dan panas spesifik benda padat,

dan cair

3.3. Hukum Thermodinamika Pertama

Hukum pertama Thermodinamika, juga dikenal sebagai prinsif konservasi/perubahan bentuk energi, yang memberikan dasar yang cukup untuk mempelajari hubungan antara beberapa bentuk energi dan interaksinya. Berdasarkan obersevasi terhadap percobaan hukum pertama thermodinamika menegaskan bahwa energy tidak dapat diciptakan maupun dihancur selama proses perubahannya hanya bisa berubah bentuk oleh setiap itu setiap bentuk dari energy harus tetap diperhitungkan selama proses perubahannya.

3.4. Persamaan Energy pada Sistem Tertutup

Penerapan hukum thermodinamika ke-1 tentang kekekalan energy yang diterapkan pada sistem tertutup, dimana energy berpindah dari sistem ke sekelilingnya dalam bentuk energy panas dan kerja, hal itu menyebabkan perubahan energy dalam dari sistem. Perubahan energy dalam dapat diliat dari perubahan dari aktivitas dari molekul yang akan berhubungan dengan perubahan fasa atau temperatur dari sistem :

Bab 3 Hukum Termodinamika Ke-1

Untuk Sistem Tertutup

(43)

Gambar 3. 1Energy Equation diagram for closed system Sumber : Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic”

3.4.1. Heat (Q)

Energy yang berpindah melampaui lapisan batas dari sistem dalam bentuk panas yg merupakan akibat dari perbedaan temperature dari sistem dan lingkungan disekitarnya. Dimana beberapa bentuk perpindahan panas antar lain conduction, convection or radiation. Dengan ketentuan panas positif apabila panas berpindah dari lingkungan menuju ke sistem dan akan meningkatkan energy dalam dari sistem.

3.4.2. Work (W)

Pada contoh sistem gambar dibawah ini ada 3 model perpindahan kerja yang melampaui lapisan batas sistem, yang ditunjukan diagram dibawah ini:

Gambar 3. 2 Ilustrasi Tiga bentuk kerja

Pada bab ini focus pada lapisan batas kerja uang berkaitan dengan kompressi atau ekspansi dari sebuah sistem piston dan silinder diatas. Pada semua kondisi diasumsikan silinder tsb diproteksi (seal) sehingga tidk ada aliran massa yg masuk maupun keluar dari sistem, tidak kehilangan energy akibat dari gesekan. Dengan kesepakatan bahwa kerja itu positif apabila dilakukan oleh sistem terhadap lingkungannya, dan negatif apabila kerja dilakukan oleh lingkungan terhadap sistem tersebut. Sehingga kerja negative akan menghasilkan kenaikan energy dalam (internal energy).

(44)

Kerja yg dihasilkan didapatkan intregrasi kerja dikalikan dengan kenaikan jarak perpindahan sebesar dx antara kondisi awal (1) menuju kondisi akhir (2). Untuk bisa mengilustrasikan proses tersebut digunakan piston-cylinder, yg mana gaya (force) merupakan perkalian area luasan piston dikalikan dengan tekanan P yg didapatkan area luasan , sedangkan perkalian area dengan jarak perpindahan piston sendiri merupakan dV: 2 2 2 12 1 1 1 . . . . W





F dx





P A dx





P dV _{Persamaan 3. 1}

Dibawah ini adalah diagram skema proses diatas, dimana luasan intregasi diatas dapat ditunjukan sebagai luas area dibawa kurva.

Gambar 3. 3 Kerja pada proses 1-2

Catatan :

Kerja yg dihasilkan adalah fungsi dari garis proses 1-2, dan garis fungsi tsb tergantung pada kondisi awal dan akhir. Beberapa garis proses antara lain :

Isothermal_{(constant temperature process)}

T



T



Isochoric_orIsometric_{(constant volume process)}

v



v



Isobaric_{(constant pressure process)}

P



P



Adiabatic_{(no heat flow to or from the system during the process)}

Q0

Fungsi proses diatas umumnya digunakan untuk mengevaluasi kerja spesifik yang sudah dikerjakan yang akan bisa ditunjukan dengan diagram P-v jika massa dari sistem adalah m [kg], akhir didapatkan:

Note: That work done by the system on the surroundings (expansion process) is positive such and that done on the system by the surroundings (compression process) is negative.



−

∫ .∫ ..



−

Persamaan 3. 2

P adalah kerja (kPa), V adalah volume (m3), m adalah massa (kg), v adalah volume spesifik











(45)

W adalah kerja yang dihasilkan, sedangkan w adalah kerja spesifik yg dilakukan per satuan massa







Kesimpulan akhir pada sistem tertutup diatas (closed system) yaitu kerja yg dilakukan oleh poros (Shaft Work) dan Electrical Work (berkaitan dengan tegangan yg diberikan pada resistor atau motor yang diberikan untuk menggerakan selalu akan bernilai negative karena kerja diberikan ke dalam sistem.

3.4.3. Internal Energy (u)

Komponen ke 3 dari persamaan energy pada sistem tertutup adalah perubahan energy dalam (internal energy) sebagai hasil dari perpindah panas atau kerja. Nilai energy dalam specific yg merupakan property dari sebuah sistem diberikan pada Tables seperti pada Steam Tables.

Contoh Soal 3.0

Two kilograms of water at 25°C are placed in a piston cylinder device under 3.2 MPa pressure as shown in the diagram (State (1)). Heat is added to the water at constant pressure until the temperature of the steam reaches 350°C (State (2)). Determine the work done by the fluid (W) and heat transferred to the fluid (Q) during

this process.

Solution Approach:

We first draw the diagram of the process including all the relevant data as follows:

Notice the four questions to the right of the diagram, which we should always ask before attempting to solve any thermodynamic problem. What are we dealing with -liquid? pure fluid, such as steam or refrigerant? ideal gas? In this case it is steam, thus we will use the steam tables to determine the various properties at the various states. Is the mass or volume given? If so we will specify and evaluate the energy equation in kiloJoules rather than specific quantities (kJ/kg). What about entropy? Not so fast - we have not yet considered enthalpy (below) - wait patiently until

Chapter 6.

(46)

diagram of the problem as follows: diagram of the problem as follows:

Notice

Notice on on thethe P-v P-v diagram how we determine the specific work done as the area diagram how we determine the specific work done as the area under the process curve. We also notice that in the Compressed Liquid region the under the process curve. We also notice that in the Compressed Liquid region the constant temperature line is essentially vertical. Thus all the property values at State constant temperature line is essentially vertical. Thus all the property values at State (1) (compressed liquid at 25°C) can be determined from the saturated liquid table (1) (compressed liquid at 25°C) can be determined from the saturated liquid table values at 25°C.

(47)

3.4.4.

3.4.4. Enthalpy (h) - a New Property

Enthalpy (h) - a New Property

Pada penerapan utama persamaan energy pada sistem tertutup adalah pada proses Pada penerapan utama persamaan energy pada sistem tertutup adalah pada proses “heat engine” yg sistem dian

“heat engine” yg sistem dianalisa dengan pendekatan gas ideal. Kemudian bisaalisa dengan pendekatan gas ideal. Kemudian bisa didesain sebuah hubungan untuk menjelaskan energy dalam (internal energy) dengan didesain sebuah hubungan untuk menjelaskan energy dalam (internal energy) dengan perasamaan

perasamaan gas idealgas ideal. D. Dari ari proses proses tersebut tersebut diketemukan juga diketemukan juga property property yg baru yg baru yangyang disebut

disebut EnthalpyEnthalpy yg yg akan berguakan berguna untuna untuk penerapan k penerapan pada pada Closed SyClosed Systems danstems dan khususnya Open Systems, seperti komponen Steam power plants atau sistem khususnya Open Systems, seperti komponen Steam power plants atau sistem refrigerasi. Enthalpy bukanlah property dasar namun merupakan kombinasi dari refrigerasi. Enthalpy bukanlah property dasar namun merupakan kombinasi dari property yang didefinisikan seperti dibawah in

property yang didefinisikan seperti dibawah ini :i :

ℎ

ℎ  



Persamaan 3. Persamaan 3. 33



 ℎ

ℎ 



 ℎ ℎ



Persamaan 3. Persamaan 3. 44

Sebagai contoh pada penerapannya pada closed systems, yaitu pada proses pada Sebagai contoh pada penerapannya pada closed systems, yaitu pada proses pada tekanan konstan:

tekanan konstan:

Dengan menerapkan persamaan energy bisa didapatkan Dengan menerapkan persamaan energy bisa didapatkan ::

∆







Persamaan 3. 5Persamaan 3. 5

Apabila sepanjang proses 1-2 tekanan yang bekerja adalah konstan maka didapatkan: Apabila sepanjang proses 1-2 tekanan yang bekerja adalah konstan maka didapatkan:

∫∫ .



.









Dengan memasukan persamaan diatas pada persamaan energy didapatkan : Dengan memasukan persamaan diatas pada persamaan energy didapatkan :









  















∆

(constants pressure process) (constants pressure process)

Nilai

Nilai energy energy dalam dalam spesifik spesifik (specific (specific internal internal energy) energy) (u) (u) dan dan specific specific enthalpy enthalpy (h)(h) bisa

bisa didapatkan didapatkan daridari Steam TablesSteam Tables,, namun pada persamaan gas ideal diperlukan namun pada persamaan gas ideal diperlukan sebuah persamaan untuk menjelaskan

sebuah persamaan untuk menjelaskan ΔuΔu dandan ΔhΔh pada pada pengertian pengertian kapasitas kapasitas panaspanas spesifik (Specific Heat Capacities). Hal tersebut bisa didapatkan dari table

spesifik (Specific Heat Capacities). Hal tersebut bisa didapatkan dari table SpecificSpecific Heat Capacities of an Ideal Gas

(48)

3.5.

3.5. Rangkuman

Rangkuman

Persamaan energy pada sistem tertutup Persamaan energy pada sistem tertutup Isothermal (constant temperature process)

Isothermal (constant temperature process)

TT



TT



Isochoric or Isometric (constant volume process)

vv



vv



Isobaric (constant pressure process)

PP



PP



Adiabatic (no heat flow to or from the system during the process)

QQ00

Internal Energy (u)

Internal Energy (u) Enthalpy (h Enthalpy (h))



persamaan energy persamaan energy

∆







→→







  









3.6.

3.6. Referensi

Referensi

Israel Urieli (2011) “

Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic”, http://www. Ohio.eduEngineering Thermodynamic”, http://www. Ohio.edu Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach” Yunus A Cengel, 1994, “Thermodynamic, an Engineering Approach”

3.7.

3.7. Latihan Soal

Latihan Soal

Tugas Terstruktur 01 Tugas Terstruktur 01

Sebuah mesin yg terdiri piston dan silinder memiliki fluida kerja steam dengan Sebuah mesin yg terdiri piston dan silinder memiliki fluida kerja steam dengan massa 5 kg dengan tekanan 0.5 Mpa (abs) dan suhu 160

massa 5 kg dengan tekanan 0.5 Mpa (abs) dan suhu 16000C. Panas dimasukan keC. Panas dimasukan ke fluida kerja sehingga mencapai suhu 200

fluida kerja sehingga mencapai suhu 20000C. jika piston tidak tidak dihubungkanC. jika piston tidak tidak dihubungkan dengan shaft sehingga bisa bergerak bebas tentukan kerja yang dilakukan oleh fluida dengan shaft sehingga bisa bergerak bebas tentukan kerja yang dilakukan oleh fluida kerja di sistem tsb !

(49)

3.8. Lembar Kerja

... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ...

(50)

4.1. Sub Kompetensi

 Mahasiswa mampu memahami interaksi antara sistem dan sekelilingnya dan bisa mengembangkan analisis sistem yang melibatkan massa yang mengalir

menembus batasan sistem

4.2. Uraian Materi

Setelah mahasiswa memahami konsep hukum termodinamika 1 yang diterapkan pada sistem tertutup, mahasiswa akan dapat melanjutkan pemahamannya pada sistem yang yang terbuka dimana terdapat aliran massa yang menembus sistem. Dalam sistem terbuka pada bab ini terdapat topik-topik sbb:

1. Konservasi massa

2. Analisis termodinamika pada volume kontrol 3. Proses aliran konstan (steady flow)

4. Persamaan konversi energi pada sistem kontrol volume 2 pada dua macam jenis aliran steady

5. Persamaan konversi energi pada sistem unsteady flow process

6. Peralatan menggunakan prinsip steady flow penerapan pembangkit daya uap

4.3. Konservasi Massa

Inti dari konservasi massa yaitu adanya prinsif kekekalan massa selama proses thermodinamika yang terjadi. Massa akan seperti energy yang bisa berubah propertinya dan namun tidak jumlahnya. Massa tidak dapat dicipta kan dan tidak juga bisa dimusnahkan namun hanya bisa berubah bentuknya. [Albert Einstein (1879 –

1955)].

Gambar 4. 1Contoh Konservasi massa selama proses reaksi

Perbandingan antara thermodinamika pada sistem tertutup (control mass) terhadap sistem terbuka (control volume) :

Bab 4 Hukum Termodinamika Ke-1

Untuk Sistem Terbuka

(51)

1. Sistem tertutup : massa selama proses termodinamika akan bernilai konstan dan selalu berada dalam sistem

2. Sistem terbuka : massa selama proses thermodinamika akan mengalir dan menembus batas dari sistem sehingga untuk jumlah massa yg masuk dan keluar dari sistem dikontrol dengan volume.

Gambar 4. 2 Konservasi massa pada pada bathtub.

Gambar 4. 3 Diagram ilustrasi pada kontrol volume Sumber : Israel Urieli (2011) “ Engineering Thermodynamic”

4.4. Neraca Massa pada Proses Aliran yang Steady

Dari gambar dibawah elemen massa



mengalir melalui sebuah pipa maka dari sisi masuk dan sisi keluar pada volume control akan memiliki luasan aliran sebesar



, volume



, dengan panjang lintasan aliran



dan kecepatan rata-rate steady nya sbb.

(52)

 .



 .

Persamaan 4. 1

̇



.



..



..̅

.

Persamaan 4. 2

Sehingga akhirnya dapat ditentukan massa yg mengalir setiap satuan waktun ya (mass flowrate)

 ̇

:

̇. ̇ 

 ̇

..̅

.

̇

= mass flow rate in (



)

(laju aliran massa/besar laju satuan massa yang mengalir per-satuan waktunya)

 ̇

= volumetric flow rate in









)

(laju aliran volume/ besar laju satuan volume yang mengalir per satuan waktu)

̅

= velocity in



(kecepatan aliran fluida)



= specific volume in









= luas area aliran in m2

4.5. Mass Balance Equation (Persamaan Neraca Massa)

̇



̇





 

_



Persamaan 4. 3

dimana : dt = 0 ( aliran steady ), Sehingga didapatkan persamaan :

̇



̇



0

atau

̇



̇



Gambar 4. 5 Contoh mass balance steady flow

Sehingga persamaan yg berlaku pada kasus diatas akan sebagai berikut :

̇



̇



̇



 ̇



 ̇



4.6. Aliran Energi

Fluida yg mengalir melalui sisi masuk dan sisi keluar sebuah dari sebuah sistem akan selalui disertai dengan energy yang dimilikinya. Termasuk di dalamnya 4 type energi yaitu energy dalam (u) energy kinetic (ke) dan energy potensial dan juga kerja yg didapatkan dari aliran (Wflow). Untuk mengevaluasi besar kerja yg dihasilkan dari

aliran dapat diterangkan melalui gambar skema dibawah dimana fluida seolah olah bekerja melawan piston yg menutup aliranya diujungnya :