Hukum Kedua Termodinamika

BAB 7 BAB 7

HUKUM KEDUA TERMODINAMKA HUKUM KEDUA TERMODINAMKA

7.

7.11 TUTUJUJUAN AN ININSTSTRURUKSKSIOIONANAL L KHKHUSUSUSUS

Mahasiswa mampu menghitung efisiensi termal pada proses transformasi energi. Mahasiswa mampu menghitung efisiensi termal pada proses transformasi energi.

7

7..22 PPEENNDDAAHHUULLUUAANN

Pernyataan umum hukum kedua termodinamika, antara lain: Pernyataan umum hukum kedua termodinamika, antara lain:

1.

1. TiTidak dak ada ada suasuatu altu alat yat yang dang dapaapat dit diopeoperasirasikan kan secasecara sera sempumpurna urna untuntuk mk mengengubaubahh  panas yang diserap (oleh sistem) menadi kera yang dilakukan oleh sistem  panas yang diserap (oleh sistem) menadi kera yang dilakukan oleh sistem !.

!. PrPrososes peres perpipindndahahan paan pananas selas selalu terlu teradadi dari pei dari permrmukukaaaan yann yang suhug suhunynya lebia lebihh tinggi ke permukaan yang suhunya lebih rendah.

tinggi ke permukaan yang suhunya lebih rendah.

Pernyataan yang pertama menandakan bahwa proses perubahan panas menadi kera dapat Pernyataan yang pertama menandakan bahwa proses perubahan panas menadi kera dapat teradi namun tidak dapat

teradi namun tidak dapat mengmengabaikaabaikan n perubperubahan yang teradi ahan yang teradi baik pada sistem baik pada sistem maupmaupunun lingkungannnya. "alam operasi perubahan panas menadi kera, selalu teradi pembuangan lingkungannnya. "alam operasi perubahan panas menadi kera, selalu teradi pembuangan  panas

 panas dari dari sistem sistem ke ke lingkungan. lingkungan. "engan "engan demikian, demikian, pada pada proses proses siklus siklus selalu selalu dibutuhkandibutuhkan en

enerergi gi papananas s yyanang g babaru ru ununtutuk k memengngemembabalilikakan n sisiststem em ke ke kekeadadaaaan n sesemumula la ununtutuk k  menghasilkan kera.

menghasilkan kera.

7

7..33 HHEEAAT T EENNGGIINNE  E  

 Heat

 Heat engineengine (me(mesin sin panpanas) as) ialialah ah suatsuatu u perperalaalatan tan yayang ng dapdapat at digdigunaunakan kan untuntuk uk  mengubah energi panas menadi kera dalam proses siklus. Proses siklus ialah proses yang mengubah energi panas menadi kera dalam proses siklus. Proses siklus ialah proses yang teradi secara berulang#ulang dan selalu kembali ke keadaan semula. Tahapan yang teradi teradi secara berulang#ulang dan selalu kembali ke keadaan semula. Tahapan yang teradi  pada proses siklus pembangkit tenaga terdiri dari :

 pada proses siklus pembangkit tenaga terdiri dari : 1.

1. _{$ir dalam bentuk cair dipompa ke dalam boiler bertekanan tinggi.$ir dalam bentuk cair dipompa ke dalam boiler bertekanan tinggi.} 2.

2. _{%nergi panas yang berasal pembakaran bahan bakar ditransfer ke air di dalam boiler %nergi panas yang berasal pembakaran bahan bakar ditransfer ke air di dalam boiler}  untuk mengubah air menadi steam dengan temperatur tinggi pada tekanan boiler. untuk mengubah air menadi steam dengan temperatur tinggi pada tekanan boiler. 3.

3. _{%n%nergergi i yayang ng dimdimiliiliki ki steasteam m ditditranransfer sfer ke ke linlingkugkungangan n sebsebagaagai i kerkera a porporos os turturbinbin..} &elanutnya steam akan terekspansi sehingga temperatur dan tekanannya akan turun. &elanutnya steam akan terekspansi sehingga temperatur dan tekanannya akan turun.

11' 11'

4.

4. _{&team yang keluar dari turbin dikondensasi pada temperatur dan tekanan rendah&team yang keluar dari turbin dikondensasi pada temperatur dan tekanan rendah} dengan perpindahan panas ke air

dengan perpindahan panas ke air pendingin. ni merupakan siklus yang lengkap.pendingin. ni merupakan siklus yang lengkap.

Pada dasarny

Pada dasarnya a operaoperasi si mesin panas terdiri dari mesin panas terdiri dari dari penyerapdari penyerapan an energenergi i panas padapanas pada suhu tinggi, pembuangan panas pada temperatur rendah, dan produksi kera. Perbedaan suhu tinggi, pembuangan panas pada temperatur rendah, dan produksi kera. Perbedaan temperatur yang dapat diperoleh di sumber#sumber panas menadi karakteristik operasi temperatur yang dapat diperoleh di sumber#sumber panas menadi karakteristik operasi mesin panas. "emikian pula dengan kemampuan penyerapan dan pembuangan panas untuk  mesin panas. "emikian pula dengan kemampuan penyerapan dan pembuangan panas untuk   umlah

 umlah yang yang tak tak terbatas terbatas dari dari suatu suatu permukaan permukaan dengan dengan proses proses temperatur temperatur tetap. tetap. &elama&elama ope

operasirasi, , flufluida ida kerkera a menmenyeyerap rap panpanas as sebsebesaresar **))   di sumber pemanas, menghasilkan  di sumber pemanas, menghasilkan

se

seuumlmlah kerah keraa ++ _{, , dadan n memembmbuauang ng papananas s ke ke lilingngkukungngan an sebsebesaesarr}

, ,

*

* _{di sumbdi sumber er}   pendingin,

 pendingin, dan dan selanutnya selanutnya kembali kembali ke ke keadaan keadaan semula, semula, sebagaimana sebagaimana diilustrasikan diilustrasikan padapada -ambar .1.

-ambar .1.

-ambar .1 "iagram

-ambar .1 "iagram heat engineheat engine

/erdasarkan hukum pertama termodinamika: /erdasarkan hukum pertama termodinamika:

, ,   ** * * + +

=

=

−

−

_{(.1)(.1)}

%fisiensi termal operasi mesin panas dapat dinyatakan dengan %fisiensi termal operasi mesin panas dapat dinyatakan dengan

masuk  masuk   pana  panass netto netto kera kera

=

=

η

η

_{(.!)(.!)} atau atau     * * * * 1 1

−

−

=

=

η

η

(.0)(.0)

Tanda absolut digunakan agar persamaan tidak tergantung pada positif negatif saat teradi Tanda absolut digunakan agar persamaan tidak tergantung pada positif negatif saat teradi konersi dari panas dan kera. /ila efisiensi mencapai 122 3, maka nilai

konersi dari panas dan kera. /ila efisiensi mencapai 122 3, maka nilai **,,   haruslah  haruslah

nol. Tidak pernah ada mesin panas yang mencapai efisiensi 1223 karena selalu ada panas nol. Tidak pernah ada mesin panas yang mencapai efisiensi 1223 karena selalu ada panas ya

yang ng harharus us dibdibuanuang g ke ke linlingkgkungungan. an. %fi%fisiensiensi si tertermal mal sansangat gat tertergangantuntung g padpada a tintingkagkatt

114 114

4.

4. _{&team yang keluar dari turbin dikondensasi pada temperatur dan tekanan rendah&team yang keluar dari turbin dikondensasi pada temperatur dan tekanan rendah} dengan perpindahan panas ke air

dengan perpindahan panas ke air pendingin. ni merupakan siklus yang lengkap.pendingin. ni merupakan siklus yang lengkap.

Pada dasarny

Pada dasarnya a operaoperasi si mesin panas terdiri dari mesin panas terdiri dari dari penyerapdari penyerapan an energenergi i panas padapanas pada suhu tinggi, pembuangan panas pada temperatur rendah, dan produksi kera. Perbedaan suhu tinggi, pembuangan panas pada temperatur rendah, dan produksi kera. Perbedaan temperatur yang dapat diperoleh di sumber#sumber panas menadi karakteristik operasi temperatur yang dapat diperoleh di sumber#sumber panas menadi karakteristik operasi mesin panas. "emikian pula dengan kemampuan penyerapan dan pembuangan panas untuk  mesin panas. "emikian pula dengan kemampuan penyerapan dan pembuangan panas untuk   umlah

 umlah yang yang tak tak terbatas terbatas dari dari suatu suatu permukaan permukaan dengan dengan proses proses temperatur temperatur tetap. tetap. &elama&elama ope

operasirasi, , flufluida ida kerkera a menmenyeyerap rap panpanas as sebsebesaresar **))   di sumber pemanas, menghasilkan  di sumber pemanas, menghasilkan

se

seuumlmlah kerah keraa ++ _{, , dadan n memembmbuauang ng papananas s ke ke lilingngkukungngan an sebsebesaesarr}

, ,

*

* _{di sumbdi sumber er}   pendingin,

 pendingin, dan dan selanutnya selanutnya kembali kembali ke ke keadaan keadaan semula, semula, sebagaimana sebagaimana diilustrasikan diilustrasikan padapada -ambar .1.

-ambar .1.

-ambar .1 "iagram

-ambar .1 "iagram heat engineheat engine

/erdasarkan hukum pertama termodinamika: /erdasarkan hukum pertama termodinamika:

, ,   ** * * + +

=

=

−

−

_{(.1)(.1)}

%fisiensi termal operasi mesin panas dapat dinyatakan dengan %fisiensi termal operasi mesin panas dapat dinyatakan dengan

masuk  masuk   pana  panass netto netto kera kera

=

=

η

η

_{(.!)(.!)} atau atau     * * * * 1 1

−

−

=

=

η

η

(.0)(.0)

Tanda absolut digunakan agar persamaan tidak tergantung pada positif negatif saat teradi Tanda absolut digunakan agar persamaan tidak tergantung pada positif negatif saat teradi konersi dari panas dan kera. /ila efisiensi mencapai 122 3, maka nilai

konersi dari panas dan kera. /ila efisiensi mencapai 122 3, maka nilai **,,   haruslah  haruslah

nol. Tidak pernah ada mesin panas yang mencapai efisiensi 1223 karena selalu ada panas nol. Tidak pernah ada mesin panas yang mencapai efisiensi 1223 karena selalu ada panas ya

yang ng harharus us dibdibuanuang g ke ke linlingkgkungungan. an. %fi%fisiensiensi si tertermal mal sansangat gat tertergangantuntung g padpada a tintingkagkatt

114 114

reersibilitas operasi. &alah satu mesin panas yang tahapannya dianggap reersibel adalah reersibilitas operasi. &alah satu mesin panas yang tahapannya dianggap reersibel adalah mesin arnot. 5arakteristik operasi mesin panas ideal pertama kali diperkenalkan oleh mesin arnot. 5arakteristik operasi mesin panas ideal pertama kali diperkenalkan oleh  6.7.& arnot pada tahun 14

 6.7.& arnot pada tahun 14!8. %mpat tahap dalam siklus arnot terdiri atas:!8. %mpat tahap dalam siklus arnot terdiri atas: 1.

1. &i&istestem mulam mula#m#mulula a dadalalam keadm keadaaaan n kekesetsetimimbabangngan terman termal denal dengagan sumbn sumber pener pendidingnginin  pada

 pada temperatur temperatur TT. . &el&elananutnutnya ya dildilakuakukan kan proproses ses adiadiabaabatis tis secsecara ara rereersiersibelbel sehingga temperaturnya naik sampai T

sehingga temperaturnya naik sampai T, yaitu temperatur sumber panas., yaitu temperatur sumber panas. !.

!. &i&istestem km konontatak dk denengagan sn sumumbeber pr pananas pas padada ta temempeperatratur ur TT dan menyerap panas sebesar  dan menyerap panas sebesar 

) )

*

* _{secara isotermal dan reersibel.secara isotermal dan reersibel.} 0.

0. PPadada a sisiststem em ddililakakukukan an pproroseses s adadiaiababatitis s sesecacara ra rereerersisibebel l ddenenggan an ararah ah yyanangg  berlawanan

 berlawanan dengan dengan tahap tahap 1, 1, sehingga sehingga temperatur temperatur sistem sistem kembali kembali menadi menadi sepertiseperti temperatur sumber pendingin T

temperatur sumber pendingin T.. 8.

8. &i&istestem dikm dikonontatakkkkan dean dengngan suan sumbmber peer pendndiningigin padn pada tema tempeperatratur Tur T  dan mengalami  dan mengalami  proses

 proses pembuangan pembuangan panas panas secara secara isotermal isotermal dan dan reersibel reersibel sebesarsebesar **,, . "engan. "engan

demikan fluida kera telah kembali ke keadaan awal. demikan fluida kera telah kembali ke keadaan awal.

&elama mesin arnot bekera secara reersibel, maka dapat beroperasi balik, dan siklus &elama mesin arnot bekera secara reersibel, maka dapat beroperasi balik, dan siklus a

arnrnot ot yyang ang didiopopererasiasikakan n secsecarara a beberlrlawawananan an araarah h memennadadi i prprososes es refrefririgegerarasi si yayangng reersibel dengan

reersibel dengan **)) ,, **,, , dan, dan ++  sama. sama.

7.4

7.4 SKASKALA LA TETEMPMPERAERATTUR UR TERTERMOMODIDINAMNAMIKAIKA

Persamaan yang digunakan untuk menunukkan efisiensi termal, diharapkan dapat Persamaan yang digunakan untuk menunukkan efisiensi termal, diharapkan dapat diubah menadi persamaan yang dapat

diubah menadi persamaan yang dapat dinyatakan dalam bentuk temperatur, yaitu:dinyatakan dalam bentuk temperatur, yaitu:

( (

))

( ( ))

_       T T T T * * * *

ψ 

ψ 

ψ 

ψ 

==

(.8)(.8)

"engan demikian, efisiensi termal sudah tidak lagi merupakan fungi sifat fisik dari fluida "engan demikian, efisiensi termal sudah tidak lagi merupakan fungi sifat fisik dari fluida keranya.

keranya.

1!2 1!2

7.5 SIKLUS DAN SKALA TEMPERATUR GAS IDEAL

$pabila fluida keranya gas ideal, maka siklus arnot dapat digambarkan dengan diagram P9 seperti pada -ambar .! dan mengikuti persamaan#persamaan untuk gas ideal.

-ambar .! "iagram P9 untuk siklus arnot

%mpat tahap dalam siklus reersibel terdiri atas :

1. a  b kompresi adiabatis sampai temperaturnya naik dari T menadi T !.  b  c ekspansi secara isotermal ketika teradi penyerapan panas *)

0. c  d ekspansi adiabatis sampai temperatur menadi T

8. d  a kompresi secara isotermal sampai kembali ke keadaan awal ketika teradi pembuangan panas *,

;ntuk langkah isotermal b c dan da, dengan anggapan gas ideal berlaku:

 b c   9 9 ln <T *

=

  _dan a d   9 9 ln <T *

=

_(.=)

(

)

(

_{d a}

)

  b c    9 9 ln T 9 9 ln T * *

=

(.>)

;ntuk proses adiabatis dapat ditulis sebagai berikut: T  T  T  T  a  b



* 



*  c d P V 1!1

9 d9 T dT <  ₉

=

−

(.)

Maka langkah a  b diintegrasi diperoleh:

 b a T T 9 9 9 ln T dT <    b a

=

∫ 

"an untuk langkah c  d setelah diintegrasi diperoleh :

c d T T 9 9 9 ln T dT <   d c

=

∫ 

5arena ruas kiri kedua persamaan sama, maka :

c d  b a 9 9 ln 9 9 ln

=

atau dapat uga ditulis sebagai

a d  b c 9 9 ln 9 9 ln

=

Maka diperoleh persamaan :

    T T * *

=

(.')

&kala temperatur adalah bentuk persamaan yang hanya berisi perubah temperatur saa, sehingga analisisnya tidak lagi dipengaruhi sifat fisik ?at. "ari persamaan di atas terlihat hubungan yang sangat sederhana antara perbandingan energi panas dengan temperaturnya. Persamaan untuk efisiensi termal adalah:

  T T 1

−

=

η

(.4)

$gar efisiensi termal mencapai 1223, nilai T harus tak terhingga dan nilai T harus nol.

7.6 ENTROPI

Persamaan untuk siklus arnot dapat ditulis sebagai :

    T * T *

=

(.12)

/ila sebagai acuan perpindahan panas adalah mesin panas, maka nilai * adalah positif  dan nilai * negatif. "engan demikian persamaan diatas dapat ditulis tanpa tanda absolut menadi:

    T * T *

−

=

(.11) atau 2 T * T * , ,  

₊

₌

(.1!)

5arena mesin arnot beroperasi secara periodik dan selalu kembali ke keadaan awal, maka sifat fisik seperti temperatur, tekanan dan energi selalu kembali ke keadaan semula.

&iklus secara reersibel dapat digambarkan dengan diagram P9 seperti pada -ambar .!, yang mana terlukis kura tertutup dibagi#bagi menadi bagian yang masing# masing berpotongan dengan kura adiabatis reersibel dan kura isotermal T  dan T. Masing#masing bagian kura tertutup merupakan kura yang tertutup oleh pasangan garis adiabatis dan isotermal, berukuran kecil#kecil dan umlahnya sangat banyak. Masing# masing bagian dapat dituliskan sebagai:

2 dT d* dT d*_{ }

=

+

 bila diintegralkan menadi: 2

T d*_re

=

∫ 

(.10)

7ingkaran pada tanda integral berarti integrasi menyeluruh untuk satu siklus, dan tanda re menandakan bahwa persamaan tersebut berlaku hanya untuk siklus adiabatis.

$da kuantitas baru yang menyatakan perubahan secara diferensial yang disebut dengan entropi dan dapat dituliskan sebagai:

T d* d&t

=

re

&t _{adalah total entropi sistem. "alam bentuk yang lain dapat dinyatakan dengan:}

t re Td&

d*

=

Pada -ambar .0 di bawah ini ditampilkan diagram untuk proses siklis yang terdiri dari dua alur proses reersibel antara dua keadaan keseimbangan. $pabila titk $ dan / pada diagram P9 menyatakan adanya dua keseimbangan keadaan fluida pada proses siklus secara reersibel yang masing#masing melalui lintasan $/ dan $"/. ntegrasi  persamaan untuk setiap langkah adalah

∫ 

=

∆

$/ re t T d* & _(.18) atau 1!0

∫ 

=

∆

$"/ re t T d* & _(.1=)

-ambar .0 "ua lintasan reersibel yang menghubungkan keadaan keseimbangan $ dan /

5edua nilai integrasi tersebut harus sama. &ehingga entropi merupakan besaran yang merupakan fungsi keadaan, tidak tergantung alan yang ditempuh.

;ntuk proses yang teradi dari keadaan $ ke / secara irreersibel, perubahan entropi masih bernilai , dan berdasarkan hasil eksperimen memperlihatkan bahwa hasilnya tidak diperoleh dari

∫ 

d* T

Perubahan entropi pada sumber panas selalu dihitung dengan *@T, yang mana * adalah kuantitas panas yang ditransfer dari atau ke sumber panas pada temperatur T, baik  secara reersibel maupun irrerersibel. al ini disebabkan proses perpindahan panas teradi pada dan umlah energi panas yang relatif tetap pada sumber panas.

$pabila proses teradi secara adiabatis dan reersibel, maka d*reA 2, dan d&tA 2. Bleh karena itu, entropi sistem yang constan selama proses adiabatis reersibel disebut isentropi.

7.7 PERNYATAAN MATEMATIS HUKUM KEDUA TERMODINAMIKA

$ /  " P V 1!8

"ua permukaan sumber panas masing#masing mempunyai temperatur T dan T. Perpindahan panas teradi dari permukaan panas ke permukaan dingin. Perubahan entropi  pada sumber panas dengan temperatur T adalah:

 t  T * &

=

−

∆

"emikian pula pada permukaan dengan temperatur Tadalah:

 t  T * &

=

∆

5edua perubahan entropi bila diumlahkan akan diperoleh:

  t  t  total T * T * & & &

=

∆

+

∆

=

−

+

∆

atau     total T T T T * &

=

−

∆

(.1>)

$pabila T C T total perubahan entropi yang dihasilkan dari proses irreesibel adalah  positif. $pabila nilai T  sangat besar sekali dibandingkan T, maka perpindahan panas teradi secara reersibel, dan D&total mendekati nol. &ebaliknya untuk proses irreersibel, D&total akan bernlai positif. Pernyataan di atas disebut pernyataan matematis hukum kedua termodinamika yang secara umum dapat dituliskan dengan persamaan:

D& E 2

"engan demikian proses tidak teradi apabila entropi total berkurang

DAFTAR PUSTAKA :

1. &mith, F.M., 9an 6ess, .., and $bbott, $., (!221), Gntroduction to hemical %ngineering ThermodynamicsH, >th _{edition, Mc-raw#ill, /oston}

!. Potter, M.. and &omerton, .+., (1440), G&chaumIs Butline of Theory and Problems of Thermodynamics for %ngineersH, Mc-raw#ill, 6ew Jork 

0. 9an 6ess, .., G;nderstanding ThermodynamicsH, "oer Publications, nc., 6ew Jork.

BAB 8

PRODUKSI KERJA DARI KALOR 

8.1 TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS

Mahasiswa mampu menghitung efisiensi termal berbagai macam mesin  pembangkit tenaga.

8.2. PENDAHULUAN

"engan ditemukannya bahan bakar fosil dalam bentuk cair maupun gas dapat diciptakan berbagai mesin penghasil kera dengan berbagai ukuran sesuai dengan kebutuhan. "engan demikian dapat digunakan dimana saa dan dibawa bergerak. Pada  pembahasan sebelumnya bahan bakar diubah dulu menadi energi panas kemudian menadi energi mekanik, nilai efisiensinya sangat rendah (0=3). Para ahli terus melakukan  penelitian untuk dapat mendesain alat pembangkit tenaga yang mempunyai nilai efisiensi

tinggi, dengan cara tidak mengubah energi bahan baker menadi energi panas terlebih dahulu, dengan harapan dapat memperbaiki efisiensi. &alah satu bentuk konersi secara langsung tersebut ialah pada sel elektrolisa, yang mengubah energi kimia menadi energi listrik. 5isaran efisiensi untuk sel mencapai ==#'=3 .

Pada produksi tenaga secara konensional, energi molekul bahan bakar diperoleh dengan cara pembakaran bahan bakar tersebut. /erbagai cara dan kegunaan dari alat  pembangkit tenaga ini tergantung dari bahan bakar dan cara pengubahan panas  pembakaran menadi energi mekanik.

Pembangkit tenaga uap merupakan mesin panas berskala besar yang menggunakan air sebagai fluida kera yang mengalir secara tunak melalui pompa, boiler, turbin dan kondensor dalam proses siklis.

Mesin pembakaran dalam, merupakan bentuk lain dari mesin kalor, dimana temperatur tinggi dicapai dari hasil konersi energi kimia bahan bakar yang langsung diubah menadi energi dalam untuk melakukan kera. ontoh dari mesin ini adalah mesin Btto dan mesin turbin gas.

8. STEAM PO!ER PLANT

&iklus arnot yang dielaskan pada bab sebelumnya beroperasi secara reersibel, terdiri atas dua langkah isotermal dan dua langkah adiabatis. "alam proses isotermal pada suhu tinggi T, energi panas *)  diserap oleh fluida kera dalam mesin, sedang pada

 proses isotermal pada suhu rendah T, seumlah energi panas *, dibuang ke

lingkungan. Produksi kera yang diperoleh +

=

*

−

*,  dan termal efisiensinya:

   T T 1 * +

−

=

=

η

('.1)

%fisiensi nilainya akan bertambah besar bila T bertambah dan T  berkurang. Meskipun efisiensi mesin panas pada proses irreersibel rendah, namun efisiensinya dapat  bertambah apabila temperatur penyerapan panas dinaikkan dan temperatur pembuangan  panas diturunkan.

Proses alir sederhana dimana uap dibangkitkan dalam boiler kemudian diekspansi secara adiabatis dalam turbin menghasilkan kera diilustrasikan pada -ambar '.1. $liran steam keluar turbin masuk ke dalam kondenser kemudian dipompakan secara adiabatis kembali ke boiler. Produksi kera di turbin auh lebih besar dibandingkan kera yang dibutuhkan oleh pompa, sehingga kera netto yang dihasilkan sama dengan perbedaan antara panas masuk di boiler *)  dengan energi panas yang dikeluarkan di kondenser 

,

* _.

5eadaan perubahan fluida yang mengalir pada masing#masing alat dapat dilihat  pada diagram T& yang terlihat pada -ambar '.1. 7angkah 1! adalah proses penyerapan  panas secara isotermal pada temperatur T yang ditunukkan dengan garis mendatar pada diagram T& (-ambar '.!). Proses penguapan teradi pada tekanan tetap dan dihasilkan uap  enuh dari cair enuh. 7angkah !0 adalah proses ekspansi secara adiabatis reersibel dari

uap enuh ke tekanan dimana temperatur air mencapai T. Proses yang teradi adalah ekspansi secara isentropi, yang ditunukkan dengan garis ertikal pada diagram T&, sehingga dihasilkan uap basah. 7angkah 08 adalah proses pembuangan panas secara isotermal pada temperatur T, yang ditunukkan dengan garis mendatar disebut proses kondensasi. 7angkah 81 adalah langkah balik kembali ke keadaan semula, menghasilkan air pada keadaan cair enuh pada titik 1, disebut proses kompresi secara isentropi yang ditunukkan dengan garis ertikal pada diagram T&.

-ambar '.1 &kematik Steam power plant  sederhana

-ambar '.! "iagram T& untuk siklus arnot

&iklus reersibel tersebut dapat digunakan sebagai pembanding untuk  steam power   plant yang nyata. /eberapa permasalahan dihadapi di langkah !0 dan 81, antara lain

1!' 1 ! 0 8  *



 *



1 2 4 

cairan yang keluar dari turbin mengandung cairan dalam konsentrasi tinggi, sehingga menyebabkan korosi. Pada titik 8, kesulitan diumpai dalam mendesain pompa yang mampu menerima campuran cairan uap, dan air keluar pompa dalam keadaan cair enuh (titik1). /erdasarkan alasan tersebut maka diaukan model lain yaitu siklus <ankine sebagaimana ditunukkan pada -ambar '.0.

-ambar '.0 &kematik rangkaian alat pada siklus <ankine (&umber: http:@@en.wikipedia.org@wiki@<ankineKcycle)

&iklus <ankine berbeda dengan siklus arnot. &iklus <ankine terdiri atas empat langkah sebagai berikut:

 Proses 1 L ! : luida kera dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses

 pemompaan ini berlangsung secara adiabatis reersibel (isentropi). 5arena fluida berupa cairan maka pompa hanya memerlukan sedikit energi.

 Proses ! L 0 : airan bertekanan tinggi masuk ke boiler dan mengalami

 pemanasan oleh sumber panas eksternal menadi uap enuh kering.

 Proses 0 L 8 : ;ap enuh kering mengalami proses ekspansi adiabatis reersibel

(isentropis) di dalam turbin, menghasilkan tenaga. langkah ini akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap, dan sebagian uapa akan mengembun.

 Proses 8 L 1 : uap basah masuk ke kondenser dan mengalami kondensasi pada

tekanan dan temperatur konstan menadi cair enuh. Tekanan dan temperatur kondenser ditentukan oleh temperatur pendingin.

<angkaian proses pada siklus <ankine ini digambarkan dalam diagram T& sebagaimana ditunukkan pada -ambar '.8.

-ambar '.8 "iagram T& untuk siklus <ankine (&umber: http:@@en.wikipedia.org@wiki@<ankineKcycle)

Steam power plant  tidak dapat beroperasi secara reersaibel. al tersebut nampak   pada garis 0 L 8 tidak tepat ertikal, namun agak miring sehingga teradi penambahan

entropi. ;ap yang keluar turbin masih basah, namun asal kadar air tidak lebih dari 123, tidak menimbulkan problem yang serius.

"engan mengabaikan energi kinetik dan potensial, maka kebutuhan panas di boiler  dan panas yang harus dikeluarkan di kondenser dapat dihitung dengan persamaan :

 m *

=

∆

dengan m A massa fluida

D A beda entalpi antara dua keadaan ( ! L 0 atau 8 L 1)

%fisiens termal pada steam power plant  akan meningkat apabila tekanan operasi di  boiler dinaikkan, sehingga temperatur di boiler uga naik. 6amun hal ini akan meningkatkan biaya inestasi pabrik, karena menghendaki alat dan material konstruksi  peralatan yang lebih mahal. %fisiensi mesin uap uga akan meningkat dengan penurunan

temperatur di kondenser. 6amun hal in tetap dibatasi oleh temperatur media pendingin, yang umumnya menggunakan air yang temperaturnya sangat tergantung pada iklim dan geografi. Produksi tenaga biasanya beroperasi pada tekanan kondenser terendah yang dapat dilakukan.

Pembangkit tenaga dari uap yang modern beroperasi berdasarkan siklus <ankine yang dimodifikasi, yaitu dihubungkan dengan pemanas air umpan boiler. $ir dari kondenser tidak langsung dikembalikan ke boiler, namun dipanaskan terlebih dahulu dengan uap yang keluar dari turbin. /iasanya hal ini teradi pada beberapa tingkatan (stage) steam sesuai dengan tingkat steam hasil ekspansi di turbin. ontoh pembangkit tenaga uap dengan pemanasan air umpan dapat dilihat pada -ambar '.=, sementara diagram T& untuk proses tersebut ditampilkan pada -ambar '.>. $dapun proses yang teradi adalah:

 Proses 1 L ! : luida kera dipompa dari tekanan rendah ke tekanan tinggi. Proses

 pemompaan ini berlangsung secara adiabatis reersibel (isentropi).

 Proses ! L 0 : airan bertekanan tinggi masuk ke pemanas umpan boiler (+ A

feed water heater) bersam dengan sebagian uap keluaran dari turbin (titik >) dan temperaturnya naik menadi cair enuh.

 Proses > L 0 : &ebagian uap yang keluar dari turbin langsung dipanaskan dalam

+ bersama dengan kondensat (titik !).

 Proses 0 L 8 : airan enuh dipompa ke tekanan lebih tinggi. Proses pemompaan

ini berlangsung secara adiabatis reersibel (isentropi).

 Proses 8 L = : airan bertekanan tinggi masuk ke boiler dan mengalami

 pemanasan oleh sumber panas eksternal menadi uap lewat panas.

 Proses = L > : ;ap lewat panas mengalami proses ekspansi adiabatis reersibel

(isentropis) di dalam turbin, menghasilkan tenaga. 7angkah ini akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap. &ebagian dari uap lewat panas ini akan dikeluarkan dari turbin.

 Proses > L  : &ebagian uap yang masih dalam kondisi lewat panas (titik >)

diekspansikan dari turbin (titik >) menghasilkan tenaga. 7angkah ini uga akan menurunkan temperatur dan tekanan dari uap, dan sebagian uap akan mengembun.

 Proses  #1 : ;ap basah dari turbin masuk ke kondenser dan mengalami

kondensasi pada tekanan dan temperatur konstan menadi cair   enuh.

-ambar '.= &kematik rangkaian peralatan untuk siklus <ankine dengan regenerasi

-ambar '.> "iagram T& untuk siklus <ankine dengan regenerasi

8.4 MESIN PEMBAKARAN DALAM

Pada pembangkit tenaga uap, uap merupakan ?at inert yang dipanaskan dengan  pembakaran bahan bakar. "engan cara ini dibutuhkan luas permukaan yang besar untuk   proses perpindahan panas baik di boiler maupun di kondenser. &elain itu dalam rangka  perpindahan panas terutama di boiler dibutuhkan dinding logam yang mampu bertahan  pada tekanan dan temperatur yang tinggi. &edangkan pada mesin pembakaran dalam,  bahan bakar dibakar alam mesin itu sendiri, dan produk pembakaran merupakan fluida kera yang menggerakkan piston. Temperatur tinggi teradi di dalam mesin, dan tidak  memerlukan permukaan perpindahan panas.

Pembakaran dalam pada mesin membutuhkan analisis termodinamika yang rumit. /ahan bakar bercampur dengan udara masuk kedalam ruang bakar, dan hasil pembakaran harus selalu dialirkan keluar. $nalisis sederhana dibuat untuk membahas siklus pada operas  pembakaran, yaitu menganggap udara merupakan fluida kera, dan proses pembakaran

adalah penambahan seumlah energi ke dalam udara.

8.5 MESIN OTTO

Mesin pembakaran dalam seperti pada mesin mobil dan motor adalah mesin Btto. &iklus terdiri dari empat langkah dimulai dari proses konstan selama piston bergerak keluar  silinder agar bahan bakar dan udara masuk ke dalam silinder. 7angkah tersebut digambarkan dengan garis 1  ! seperti terlihat pada -ambar '.. &elama langkah yang kedua !#0#8, semua ale ditutup karena udara dan bahan bakar akan dikompresi secara adiabatis dengan silinder piston. &epanang garis !#0 campuran bahan bakar dan udara dinyalakan, dan proses pembakaran teradi dengan cepat, sehingga tekanan akan naik pada lintasan 0#8. Pada langkah ke tiga 8#=#> dihasilkan kera, yang diperoleh dari hasil  pembakaran yang mempunyai temperatur dan tekanan tinggi. 7angkah 8#= teradi proses ekspansi secara adiabatis dengan bergeraknya silinder piston, dan penambahan olum slinder. Pada langkah =#> (atau =#!) ale terbuka untuk membuang gas hasil pembakaran, sehingga tekanan turun dengan cepat. Pada langkah ke empat !#1, piston menekan sisa#sisa gas hasil pembakaran dari ruang silinder.

-ambar '. &iklus Btto ideal

(&umber: http:@@wright.nasa.go@airplane@otto.html)

Pengaruh penambahan rasio kompresi (rasio antara olum awal dan akhir  kompresi) dapat menambah efisiensi mesin, yaitu menambah kera yang dihasilkan untuk  setiap kuantitas bahan bakar.

 &iklus Btto diidealkan seperti -ambar '.'. &iklus tersebut terdiri atas dua langkah adiabatis dan dua langkah olume konstan. Pada langkah 0#8 seumlah panas diserap oleh udara pada olume konstan sehingga temperatur dan tekanan naik sebagai hasil proses  pembakaran. &elanutnya udara diekspansi secara adiabatis reersibel (8#=), pendinginan  pada kondisi olume konstan (=#>), dan akhirnya kompresi adiabatis dan reersibel

kembali ke kondisi awal 0.

%fisiensi termal N pada siklus standar udara adalah :

08 => 08 08 s * * * * ) net ( +

+

=

−

=

η

;ntuk 1 mol udara dengan kapasitas panas konstan, maka :

) T T (  *₀₈

=

_{9 8}

−

₀ ) T T (  *_=>

=

_{9 >}

−

₌

&ubstitusi ke dalam ke persamaan di atas, diperoleh:

) T T (  ) T T (  ) T T (  0 8  > = 9 0 8 9

−

−

−

−

−

=

η

108

-ambar '.' "iagram P9 untuk siklus Btto ideal (&umber: http:@@www.grc.nasa.go@+++@5#1!@airplane@otto.html) ) T T ( ) T T ( 1 0 8 > =

−

−

−

−

=

η

%fisiensi termal dapat uga dihubungkan dengan kompresi r 

 =

9> @90. &etiap T diganti dengan P9@< dengan menganggap gas deal.

<  9 P <  9 P T₌

=

= =

=

= > <  9 P T_>

=

> > <  9 P <  9 P T₈

=

8 8

=

8 0 <  9 P T₀

=

0 0

&ubstitusi ke persamaan untuk

η

 akan diperoleh

 

 

 

 



 

 

−

−

−

=

 

 

 

 



 

 

−

−

−

=

η

0 8 > = 0 8 > = 0 > P P P P r  1 P P P P 9 9 1

;ntuk dua langkah adiabatis reersibel, P9γ  = konstan,maka γ  γ 

₌

> = 0 89 P 9 P 10=

γ  γ 

₌

0 0 > >9 P 9 P

"ari persamaan di atas diperoleh:

= 8 > = P P P P

=

γ  γ 

 

 

 



 

 

=

 

 

 

 



 

 

=

r  1 9 9 P P > 0 0 >

"ari persamaan#persamaan tersebut efisiensi menadi:

0 > = 0 8 > > = P P r  1 P ) 1 P @ P ( P ) 1 P @ P ( r  1

=

−

−

−

−

=

η

atau 1 r  1 1 r  1 r  1 − γ  γ 

 

 

 



 

 

−

=

 

 

 



 

 

−

=

η

('.!)

Persamaan tersebut menunukkan bahwa efisiensi termal bertambah besar ketika rasio kompresi bernilai rendah. "an hal ini telah diui dalam test lapangan.

8.6 MESIN DIESEL

Mesin "iesel berbeda dengan mesin Btto. Pada mesin diesel, temperatur akhir pada langkah kompresi cukup tinggi sehingga pembakaran bahan bakar dapat teradi secara spontan tanpa bantuan percikan api dari busi. Temperatur tinggi dapat dicapai karena rasio kompresi yang tinggi. /ahan bakar tidak diineksi sampai akhir tahap kompresi. neksi  bahan bakar dilakukan secara perlahan sehingga proses pembakaran teradi pada tekanan tetap. &kematik mesin "iesel disaikan pada -ambar '.4, sementara diagram P9 untuk  siklus "iesel ditampilkan pada -ambar '.12.

"i dalam mesin "iesel, udara dikompresi secara adiabatis dengan rasio kompresi  berkisar anatar 1= sampai !2. 5ompresi ini akan menaikkan temperatur udara sampai cukup tinggi hingga bahan bakar yang diineksikan dapat terbakar secara spontan tanpa adanya percikan api dari busi.

-ambar '.4 &kematik mesin "iesel

(&umber: http:@@hyperphysics.phy#astr.gsu.edu@base@thermo@diesel.htmlOc1)

-ambar '.12 "iagram P9 untuk siklus "iesel

(&umber: http:@@hyperphysics.phy#astr.gsu.edu@base@thermo@diesel.htmlOc1)

&iklus ideal untuk udara dimodelkan dengan satu kompresi adiabatis yang diikuti dengan proses pembakaran pada tekanan konstan, kemudian ekspansi adiabatis sebagai

langkah penghasil tenaga ( power stroke) dan diakhiri dengan langkah pembuangan gas gasil pembakaran yang berlangsung pada olume konstan. ;dara segar diambil di akhir  langkah pembuangan, sebagaimana ditunukkan dengan garis a#e#a pada -ambar '.12.

5arena langkah kompresi dan power stroke pada siklus ideal ini merupakan proses adiabatis, maka efisiensi dapat dihitung dari proses tekanan konstan dan olume konstan. %nergi yang masuk dan keluar dan efisiensi dapat dihitung sebagai berikut:

*1 A P (Tc L T b) *! A 9 (Ta L Td) 1 ! 1 * * *

+

=

η

%fisiensi lebih umum dinyatakan dalam rasio kompresi r  A 91@9! dan rasio kompresi r % A 91@90. %ficiency dapat ditulis sebagai:

(

)

(

_{c  b}

)

P d a 9 1 ! T T , T T , 1 * * 1

−

−

+

=

+

=

η

;ntuk proses reersibel, ekspansi adiabatis reersibel (langkah cd) dan kompresi adiabatis reersibel (langkah ab) berlaku:

1 d d 1 c c 9 T 9 T γ −

=

γ − dan T_a 9_aγ −1

=

T_d 9_dγ −1

"engan mendefinisikan kompresi rasio r  A 9@9" dan rasio ekspansi r % A 9/@9$, maka:

1 % d c r  1 T T − γ 

 

 

 

 



 

 

=

1   b a r  1 T T − γ 

 

 

 

 



 

 

=

&ubstitusi ke persamaan sebelumnya :

( )

( )

















−

−

γ 

−

=

η

γ − γ −  b c 1 % c 1   b T T r  1 T r  1 T 1 1

5arena P b A Pc, dan dari persamaan gas ideal P b 9 b A < T b dan Pc 9c A < Tc 7ebih lanut 9a A 9d maka :

, % d c a  b c  b c  b r  r  9 @ 9 9 @ 9 9 9 T T

=

=

=

Maka diperoleh :

( )

(

)

( )

















−

−

γ 

−

=

η

γ − γ −  % 1   % 1 % r  r  1 r  1 r  r  r  1 1 1 _('.0) atau 10'

 

 

 

 





 

 

−

−

γ 

−

=

η

₋γ  ₋γ ₁ , 1 % , % r  r  r  r  1 1 ('.8)

;ntuk tingkat rasio kompresi sama, mesin Btto mempunyai efisiensi lebih tinggi dibandingkan mesin "iesel. 6amun mesin "iesel beroperasi pada rasio kompresi yang tinggi, sehingga efisiensinya menadi lebih tinggi.

8.7 MESIN TURBIN GAS

Mesin Btto dan "iesel adalah contoh penggunaan secara langsung energi pada suhu tinggi, gas bertekanan tinggi beraksi pada piston dalam silinder, tidak ada transfer   panas dengan sumber luar. /agaimanapun turbin lebih efisien daripada mesin

reciprocating , sehingga digabung antara mesin pembakaran dalam dengan turbin dalam mesin turbin gas.

Turbin gas digerakkan dengan gas suhu tinggi dari ruang pembakaran, seperti terlihat pada gambar. ;dara yang masuk ditekan sampai beberapa bar sebelum dibakar. 5ompresor setrifugal dioperasikan pada poros yang sama dengan turbin, dan sebagian kera yang dihasilkan turbin digunakan untuk menggerakkan kompresor. &emakin tinggi suhu gas hasil pembakaran masuk turbin semakin tinggi efisiensinya, dan semakin besar  kera yang dihasilkan perunit bahan bakar yang dibakar. &uhu dibatasi oleh kekuatan logam yang digunakan untuk sudu turbin, dan auh lebih rendah dari  flame temperature  bahan bakar. ;dara ekses yang cukup harus disediakan untuk mempertahankan suhu  pembakaran pada leel yang aman.

-ambar '.11 &kematik mesin turbin gas

dealisasi gas turbin (didasarkan pada udara disebut siklus /rayton) dapat dilihat  pada P9 diagram. 7angkah $/ adalah kompresi adiabatis reersibel dari tekanan P$

(tekanan atmosferik) menadi P/. Pada langkah / panas sebesar */, digantikan dengan  pembakaran, ditambahkan pada tekanan konstan, menaikkan suhu udara sebelum ekspansi isentropik menghasilkan kera dari tekanan P menadi P" (tekanan atmosferik). 7angkah "$ adalah proses pendinginan pada tekanan konstan yang menyempurnakan siklus tersebut. %fisiensi termal siklus tersebut adalah:

/ $/ " / * + + * ) net ( +

−

=

=

η

5era dihasilkan oleh udara yang melewati kompresor dan bila udara dianggap sebagai gas ideal dengan kapasitas panas konstan maka:

) T T (    +_$/

=

_/

−

_$

=

_{P /}

−

_$

"emikian uga panas yang ditambahkan dan proses dalam turbin

) T T (  *_/

=

 _{p $}

−

_{/ dan} +"

=

 p(T

−

T")

&ubstitusi ke persamaan sebelumnya menadi:

/  $ " T T T T 1

−

−

−

=

η

5arena langkah $/ dan " isentropik, maka hubungan suhu dan tekanan dapat dinyatakan dengan persamaan sbb:

γ  − γ 

 

 

 

 



 

 

=

@ ) 1 ( $ / $ / P P T T dan γ  − γ  γ  − γ 

 

 

 

 



 

 

=

 

 

 

 



 

 

=

@ ) 1 ( / $ @ ) 1 (  "  " P P P P T T

"engan persamaan ini T$ dan T" dapat dieliminasi sehingga:

γ  − γ 

 

 

 

 

 

 

−

=

η

@ ) 1 ( / $ P P 1 ('.=) 182

"#$%#& 8.1

&ebuah gas turbin dengan rasio kompresi P/@P$A> dioperasikan dengan udara masuk  compresor pada suhu !=o_{. /ila suhu maksimum yang diiinkan dalam turbin >2}o_, tentukan:

a. %fisiensi N siklus udara ideal bila QA1,8

 b. Termal efisiensi siklus udara bila compresor dan turbin beroperasi secara adiabatis tetapi irreersible dengan Nc A 2,'0 dan NeA2,'>

J'(')'$ :

a. &ubstituRs langsung ke persamaan untuk efisiensi :

8 , 2 > , 2 1 ) > @ 1 ( 1

−

(1,8 1)@1,8

=

−

=

=

− η 

 b. reersibilitas dalam kompresor dan turbin akan menurunkan efisiensi mesin, karena kera neto merupakan selisih antara kera yang dibutuhkan kompresor dan kera yang diproduksi turbin. &uhu udara masuk kompresor T$ dan suhu udara masuk turbin T adalah sama untuk siklus ideal. Tetapi, suhu setelah proses kompresi irreersible T/ lebih tinggi daripapada suhu setelah kompresi isentropik T/I, dan suhu setelah ekspansi irreersibel dalam turbin T"  lebih tinggi daripada suhu setelah ekspansi isentropik T"I.

%fisiensi terma mesin tersebut :

* + +_(turb)

−

_(comp)

=

η

;ntuk kera isentropik :

) S T T ( ,p +(turb) = ηt , − " c $ / ) comp ( ) T S T ( p +

η

−

=

Panas yang diserap untuk mensimulasi pembakaran:

) T T ( p *

=

_

 −

_/

Persamaan tersebut dikominasi diperoleh:

/  $ / "  T T ) T S T )( @ 1 ( ) S T T ( t

−

−

η

−

−

η

=

η

&ebagai alternati era compresor dapat dinyatakan sbb: +(comp) A P (T/ # T$)

5ombinasi persamaanLpersamaan di atas dan hasilnya untuk mengeliminasi T/ sehingga N dapat disederhanakan menadi:

) 1 T @ S T ( ) 1 T @ T ( c ) 1 T @ S T ( ) T @ S T T @ T ( $ / $ , $ / $ " $ , c t

−

−

−

η

−

−

−

η

η

=

η

<asio T@T$  tergantung dari kondidsi yang diberikan. <asio T/I@T$  berhubungan dengan rasio tekanan <asio T"I@T$ dapat dinyatakan sebagai berikut:

γ  − γ 

 

 

 

 



 

 

=

=

@ ) 1 ( / $ $   $ "  $ " P P T T T T S T T T S T

&ubsitusi ke persamaan untuk efisiensi menadi:

) 1 ( ) 1 T @ T ( ) 1 ( ) @ 1 1 )( T @ T ( $  c $  c t

−

α

−

−

η

−

α

−

α

−

η

η

=

η

dimana γ  − γ 

 

 

 

 



 

 

=

α

@ ) 1 ( $ / P P

Persamaan tersebut menunukkan bahwa efisiensi termal akan meningkat bila suhu udara masuk turbin T meningkat dan efisiensi kompresor dan turbin meningkat. /ila harga Nt A 2,'> dan harga Nt A 2,'0

"an 0,8 1= , !0 != 1= , !0 >2 T T $ 

₌

+

+

=

α

=

(>)(1,8−1)@1,8

=

1,>.

Maka diperoleh efisiensi termal :

!0= , 2 ) 1 >. , 1 ( ) 1 8. , 0 )( '0 , 2 ( ) 1 >. , 1 ( ) >. , 1 @ 1 1 )( 8. , 0 )( '0 , 2 )( '> , 2 (

=

−

−

−

−

−

−

=

η

DAFTAR PUSTAKA :

1. &mith, F.M., 9an 6ess, .., and $bbott, $., (!221), Gntroduction to hemical %ngineering ThermodynamicsH, >th _{edition, Mc-raw#ill, /oston}

!. Potter, M.. and &omerton, .+., (1440), G&chaumIs Butline of Theory and Problems of Thermodynamics for %ngineersH, Mc-raw#ill, 6ew Jork 

0. 9an 6ess, .., G;nderstanding ThermodynamicsH, "oer Publications, nc., 6ew Jork.

BAB *

REFRIGERASI

*.1 TUJUAN INSTRUKSIONAL KHUSUS

Mahasiswa mampu menghitung koefisien unuk kera alat refrigerasi (refrigerator) serta menghitung kecepatan cairan refigeran yang disirkulasi.

*.2 PENDAHULUAN

5ita mengenal refrigerasi di kehidupan sehari#hari dalam $, kulkas, dan free?er. "alam skala besar refrigerasi digunakan dalam industri es, pencairan gas, dan dehidrasi terhadap gas.

*. REFRIGERASI

"alam proses refrigerasi kontinyu panas yang diserap pada suhu rendah secara kontinyu dibuang pada suhu yang lebih tinggi. /erdasarkan hukum kedua termodinamika,  proses ini membutuhkan kera dari luar sistem. <efrigerator ideal beroperasi berdasarkan

siklus arnot, terdiri dari dua langkah isothermal dimana panas sebesar *c diserap pada suhu rendah T  dan panas sebesar * dibuang pada suhu yang lebih tingg T, dan dua langkah adiabatis. &iklus tersebut membutuhkan tambahan kera sebesar + ke dalam sistem.



 *

*

+ = −   _(4.1)

;kuran keefektian refrigerator adalah koefisien unuk kera () yang didefinisikan sebagai berikut:

+ *_

=

ω

 (4.!)

$pabila persamaan 1 dibagi dengan *

1 * * * +   

−

=

      T T T 1 T T * +

−

=

−

=

180

   T T T

−

=

ω

Persamaan ini hanya berlaku untuk refrigerator yang beroperasi berdasarkan siklus arnot (siklus ideal) dan memberikan harga koefisien unuk kera maksimum.

Pada umumnya refrigerator beroperasi dengan siklus kompresi uap yang terdiri dari empat langkah. airan diuapkan di dalam eaporator pada tekanan dan suhu tetap. airan menguap membutuhkan panas yang diserap dari lingkungannya. ;ap enuh yang dihasilkan kemudian ditekan menggunakan kompresor sehingga suhu dan tekanannya naik. ;ap lewat panas keluar kompresor kemudian didinginkan dan diembunkan di dalam kondensor sehingga mencair. Pada proses pengembunan, panas dilepas pada tekanan dan suhu yang lebih tinggi. airan keluar kondensor dalam keadaan cair enuh kemudian diturunkan tekanannya ke tekanan semula dengan proses ekspansi. &elanutnya cairan tersebut akan diuapkan lagi dalam eaporator. Proses tersebut dapat dielakan dengan gambar berikut.

-ambar 4.1 &iklus proses refrigerasi

;ntuk basis satu unit massa fluida, maka panas yang diserap dalam eaporator dan panas yang dilepas dalam kondensor adalah :

1 !

,  

*

=

−

  _dan *_

=

₀

−

₈

$pabila perubahan energi kinetic dan energi potensial diabaikan maka kera kompresor  dapat dinyatakan dengan persamaan :

! 0 



+

=

−

Maka koefisien unuk keranya :

5ondensor  %aporator  5ran ekspansi 5ompresor  1 ! 0 8 188

! 0 1 !    

−

−

=

ω

;ntuk merancang eaporator, kondensor, kompresor maupun kran ekspansi, kita harus tahu umlah kecepatan cairan refrieran yang disirkulasi (m). arga m dapat ditentukan dari kecepatan panas yang diserap dalam eaporator dengan persamaan:

1 !    * m

−

=

"#$%#& *.1

&ebuah ruangan suhunya akan dipertahankan pada suhu 12o_{. $ir pendingin yang tersedia} suhunya 2o_{. 5apasitas refrigerasi 1!2.222 /tu@am. Perbedaan suhu untuk perpindahan}  panas dalam eaporator dan kondensor 12o_{. airan refrigerant yang digunakan adalah} tetrafluoroethane (#108a), data dapat diambil dari gambar -.! (app -) buku Termodinamika untuk Teknik 5imia karangan &mith L 9an 6ess:

a. itunglah koefisien unuk kera bila prosesnya mengikuti siklus arnotU

 b. itunglah koefisien unuk kera dan kecepatan cairan yang disirkulasi bila prosesnya mengikuti siklus kompresi uapU

J'(')'$ :

a. 5oefisien unuk kera untuk siklus arnot :

= , = ) > , 8=4 2 ( ) > , 8=4 '2 ( > , 8=4 2 T T T   

₌

+

−

+

+

=

−

=

ω

 b. <efrigeran (tetrafluoroethane ) keluar eaporator keadaannya uap enuh dan keluar  kondensor keadaannya cair enuh sehingga enthalpy () pada titik ! dan 8 bisa dibaca dari table. &uhu uap keluar eaporator 2o_{, sehingga tekanannya !1,1>! psia} (dibaca dari tabel).

! A 120,21= /tu@lbm &! A 2,!!=!= /tu@lbm <  &uhu keluar kondensor '2o_{ , sehingga tekanannya 121,0 psia}

8 A 0,4' /tu@lbm

$pabila kompresor bekera secara adiabatic reersible maka : &I0 A &! A 2,!!=!= /tu@lbm < 

%ntalpi pada tekanan 121,0 psia pada entropi tersebut adalah : I0 A 11 /tu@lbm

Perubahan entalpinya adalah :

(D)s A I0 # ! A 11 # 120,21= A 10,4' /tu@lbm

$pabila efisiensi kompresor 2,' maka entalpi yang sesungguhnya adalah :

lbm @ /tu 8' , 1 ' , 2 4' , 10 )  (  _{0 !} &

=

=

η

∆

=

−

5arena ekspansinya menggunakan kran maka 8A 1. Maka harga koefisien unuk  keranya menadi : ! , 0 8' , 1 4' , 0 21= , 120     ! 0 8 !

₌

−

₌

−

−

=

ω

"an kecepatan sirkulasi refrigerant :

 am @ lbm 1'8= 4' , 0 21= , 120 222 . 1!2   * m 8 ! 

₌

−

=

−

=

*.4 PENUTUP *.4.1 T+, F#-'%/0 

&ebuah refrigerator siklus kompresi uap menggunakan cairan refrigerant tetrafluoroethan. &uhu kera eaporator 02o_{, suhu kera kondensor '2}o_{, efisiensi} kompresor '23, kapasitas refrigerasi >22 btu@det. itunglah koefisien unuk keanya dan kecepatan cairan refrigerant yang di sirkulasi.

*.4.2 U'$ B'/3 

$pabila mahasiswa sudah dapat menghitung koefisien unuk kera refrigerator dan kecepatan cairan yang disirkulasi dengan benar , maka mahasiswa tersebut sudah memenuhi kompetensi dasar untuk sub pokok bahasan refrigerasi.

*.4. T/$'3 '$%.

$pabila mahasiswa belum dapat menghitung koefisien unuk kera refrigerator  maupun kecepatan sirkulasi cairan, mahasiswa dapat melihat contoh soal yang ada di buku yang disarankan.

*.4.4 K$/ J'(')'$ T+, F#-'%/0